四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計說明書

1、機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書設(shè)計題目: yzbz1型圓柱坐標(biāo)式四自由度機(jī)械手設(shè)計 目次1 緒論 11.1 工業(yè)機(jī)械手的概述 11.2 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 11.3 機(jī)械手的組成概述 21.4 工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢 32 總體設(shè)計方案 42.1 設(shè)計題目 42.2 初始參數(shù)與設(shè)計要求 42.3 方案擬定 53 機(jī)械手手部設(shè)計計算 63.1 手部設(shè)計基本要求 63.2 手部力學(xué)分析 73.3 夾緊力及驅(qū)動力的計算 83.4 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計算 94 機(jī)械手腕部設(shè)計計算 114.1 腕部設(shè)計基本要求 114.2 腕部結(jié)構(gòu)的選擇 114.3 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 125 機(jī)械手臂部設(shè)計計算

2、 165.1 機(jī)械手臂部設(shè)計的基本要求 165.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的選擇 165.3 手臂伸縮驅(qū)動力計算 175.4 手臂伸縮油缸結(jié)構(gòu)的確定 195.5 油缸端蓋的連接方式及強(qiáng)度計算 21406 機(jī)身設(shè)計與計算 23 6.1 機(jī)身的整體設(shè)計 236.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算 256.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算 287 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的計算 317.1 繪制液壓系統(tǒng)的工況圖 317.2 計算和選擇液壓元件 36總結(jié) 38致謝 38參考資料391 緒論11 工業(yè)機(jī)械手的概述工業(yè)機(jī)械手在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色，是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，是一種能自動化定位控制

3、并可重新編程序以變動的多功能機(jī)器，它有多個自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支，它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。12 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 機(jī)械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛廣泛。在現(xiàn)代

4、工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。可在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取

5、高溫熔液等等。具體應(yīng)用在以下幾方面：(1) 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動線(2) 在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動化方面(3) 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面13 機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。1.3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)(1) 手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。(2) 腕部 是連接手部

6、和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動驅(qū)動手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小（一般小于 2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。(3) 臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或

7、夾具），并帶動他們做空間運(yùn)動。臂部運(yùn)動的目的：把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動。手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運(yùn)動較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。(4) 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國的正處于仿真階段。1.3.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根

8、據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。1.3.3 控制系統(tǒng)分類在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。14 工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(1) 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。(2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)

9、模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。(3) 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于pc機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4) 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(5) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿

10、真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。(6) 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。2 總體設(shè)計方案21 設(shè)計題目：yzbz-1型圓柱坐標(biāo)式四自由度機(jī)械手設(shè)計 22 初始參數(shù)與設(shè)計要求1、抓重：300n2、自由度：4個3、臂部運(yùn)動參數(shù)：表 2-1運(yùn)動名稱符號行程范圍速度伸縮x0500mm伸出176mm/s，縮回233mm/s升降z0600mm

11、上升102mm/s，下降152mm/s回轉(zhuǎn)0 20063 /s4、腕部運(yùn)動參數(shù)：表 2-2運(yùn)動名稱符號行程范圍速度回轉(zhuǎn)0 180200 /s5、手指夾持范圍：棒料，60mm120mm，長度4501200mm6、定位方式：緩沖，死擋塊定位7、驅(qū)動方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)）8、定位精度：3mm23 方案擬定2.3.1 初步分析機(jī)械手抓重為300n，按工業(yè)機(jī)械手的分類，屬于中型，按用途分為通用機(jī)械手，其特點(diǎn)是具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣，通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適合于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)。由表2-1和表2-2、及機(jī)械手的各規(guī)格參數(shù)可以了解到，設(shè)計方

12、案為通用型機(jī)械手，其通用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，自身體積和重量適中，成本適中，維修較容易。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手與直角坐標(biāo)式械手相比，占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，并能達(dá)到很高的定位精度，因此應(yīng)用廣泛。但由于機(jī)械手的結(jié)構(gòu)關(guān)系，沿z軸方向移動的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的對象。2.3.2 擬定方案 由初始參數(shù)擬定整體設(shè)計方案通用機(jī)械手是36個自由度，而本次設(shè)計為4由度圓柱坐標(biāo)機(jī)械手，其大致結(jié)構(gòu)如圖2-1，運(yùn)動簡圖如圖2-2： 圖 2-1 圖 2-22.3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)(1) 手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型，也有吸盤式和電磁式結(jié)構(gòu)，本次選用結(jié)構(gòu)簡單的兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)。手部為二

13、指。傳力機(jī)構(gòu)常用有滑槽杠桿式、連桿杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次選用滑槽杠桿式機(jī)構(gòu)。 (2) 腕部 連接手部與手臂的部件。要求0180的回轉(zhuǎn)動作，因此選用具有單自由度的回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，靈活。(3) 臂部 臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。他的作用是支撐腕部和手部（包括工件與工具）。并帶動他們作空間運(yùn)動。臂部設(shè)計的基本要求為：a 承載能力大，剛度好，自重輕 b 運(yùn)動速度高，慣性小 c 動作靈活手臂動作應(yīng)靈活 d 位置精度要高因此，本設(shè)計選用雙導(dǎo)向桿手臂伸縮結(jié)構(gòu)與雙作用液壓缸。其特點(diǎn)為手臂的伸縮缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作

14、用，受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。2.3.4 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分，根據(jù)動力源不同大致可分為氣動、液壓、電動和機(jī)械傳動。根據(jù)課題特點(diǎn)，本設(shè)計選用液壓驅(qū)動，其特點(diǎn)是速度快，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，傳遞力矩大，并且控制精度高。3 機(jī)械手手部設(shè)計計算31 手部設(shè)計基本要求(1) 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力，應(yīng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機(jī)構(gòu)所需要的驅(qū)動力大小是不同的。(2) 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。(3) 在保證本身剛度，強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕手臂負(fù)載。(4) 應(yīng)保證手抓的夾持精度。32 手部力學(xué)分析 通過綜合考慮

15、，本設(shè)計選擇二指雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿式，夾緊裝置采用常開式夾緊裝置，他在彈簧的作用下手抓閉合下面對其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿 圖3-1(a)為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。(a) (b)圖3-1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析1手指 2銷軸 3杠桿在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為f，并通過銷軸中心o點(diǎn)，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為f1和f2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點(diǎn)，交和的延長線于a及b。由 =0 得 =0 得 = =由=0 得=hf=式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對稱中心的距離(mm)。 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力f一定時，角

16、增大，則握力也隨之增大，但角過大會導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=33 夾緊力及驅(qū)動力的計算手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： 式中 安全系數(shù)，通常1.22.0；工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋是重力方向的最大上升加速度 ，g=9.8 m/s ；運(yùn)載時工件最大上升速度；系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，一般選取0.030.5s；方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇；g被抓取

17、工件所受重力（n）。計算：設(shè)a=40mm,b=120mm,=35；機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時間為0.5s，求夾緊力和驅(qū)動力和 驅(qū)動液壓缸的尺寸。(1) 設(shè)=1.6 =102 mm/s =0.5s =1.02 =0.5 根據(jù)公式，將已知條件帶入： =1.61.020.5300=244.8n根據(jù)驅(qū)動力公式得：(2) =244.8=986n 取(3) =1160n(4) 確定液壓缸的直徑d 選取活塞桿直徑d=0.5d，選擇液壓缸壓力油工作壓力p=39.210pa則 d=0.0224m根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列表（jb826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：d=32mm，根據(jù)裝配關(guān)系，外徑為50mm。則活塞桿直徑為：d=

18、320.5=16mm，選取d=16mm34 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計算機(jī)械手的精度設(shè)計要求工件定位準(zhǔn)確，抓取精度高，重復(fù)定位精度和運(yùn)動穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能。機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動部件來決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定要進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差分析。圖3-3 手抓夾持誤差分析示意圖該設(shè)計以棒料來分析機(jī)械手的夾持誤差精度。機(jī)械手的夾持范圍為60120mm。夾持誤差不超過3mm，分析如下：工件的平均半徑： =45mm手指長l=120mm，取v型夾角偏

19、轉(zhuǎn)角： =64.34按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： =64.34計算理論平均半徑 120sin60cos64.34=45mm因?yàn)?1.4840.166所以=1.4843夾持誤差滿足設(shè)計要求。4 機(jī)械手腕部設(shè)計計算41 腕部設(shè)計基本要求(1) 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。(2) 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接

20、。(3) 必須考慮工作條件對于本設(shè)計，機(jī)械手的工作條件是在工作場合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。42 腕部結(jié)構(gòu)的選擇腕部結(jié)構(gòu)有四種，分別為：(1) 具有單自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)(2) 用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu) (3) 具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)(4) 機(jī)液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)本次設(shè)計要求腕部有一個回轉(zhuǎn)自由度，因此，綜合考慮分析，選擇第一種結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)直接用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。43 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算431 腕部轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩計算腕部轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可

21、按下式計算：=+ (nm)(1) 腕部加速運(yùn)動時所產(chǎn)生的慣性力矩若腕部啟動過程按等加速運(yùn)動，腕部轉(zhuǎn)動時加速度為(rad/s)，啟動過程所需的時間為(s)，或轉(zhuǎn)過的角度為(rad)，則=（+)或 =（+)式中 參與腕部轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kgm）； 工件對腕部轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kgm）。(2) 腕部轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩因?yàn)槭肿A持在工件中間位置，所以e等于0，即：=ge+ge=0(3) 腕部轉(zhuǎn)動軸載軸頸處的摩擦阻力矩為簡化計算，一般取 =0.1(4) 回轉(zhuǎn)缸的動片和缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，與選用的密封裝置類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。設(shè)

22、夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量50kg，當(dāng)手部夾持工件中間位置回轉(zhuǎn)時，將手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，長h=150mm，半徑為60mm，其所受重力為g=200 n等速轉(zhuǎn)動角速度。因?yàn)?=（+)=0.0367=4.1979代入 =(0.0367+4.1979) =47所以 =0.1+0+47=52.22432 腕部驅(qū)動力的計算 表4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（jb826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表4-1設(shè)缸體內(nèi)壁半徑r=55mm

23、，外徑按中等壁厚設(shè)計，由表4-2選取168 mm，動片寬度b=66mm，輸出軸r=25mm?；境叽缛鐖D4-1所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力p=6.59mpa，所以選擇p=7mpa。圖4-1 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意表4-2 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（jb1068-67） （mm）油缸內(nèi)徑405063809010011012514015016018020020鋼，p165060769510812113316814618019421924545鋼，p2050607695108121133168146180194219245433 油缸蓋螺釘?shù)挠嬎銏D4-2 缸蓋螺釘間距示意表4-3 螺釘間距t與壓力p之間的關(guān)系工作

24、壓力p（mpa）螺釘?shù)拈g距t (mm)0.51.5小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.010.0小于80t為螺釘?shù)拈g距，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表4-3，在這種聯(lián)結(jié)中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為： 式中為工作載荷，為預(yù)緊力計算：液壓缸工作壓強(qiáng)為p=7 mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇8個螺釘；d/4=110/80=4.38，所以選擇螺釘數(shù)目合適z=8個危險截面 =0.0075m=6562.5n(k=1.51.8) 取k=1.5，則1.56562.5=9843.75 n=16407n螺釘材料選擇q235， （n=1.22.5）螺釘?shù)闹睆?=0.0131m螺釘?shù)?/p>

25、直徑選擇d=14mm。434 動片和輸出軸間的連接螺釘動片和輸出軸間的連接螺釘連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密，當(dāng)油腔通高壓油時，動片受油壓作用產(chǎn)生一個合成液壓力矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩。由 得 單個螺釘?shù)念A(yù)緊力；d 動片外徑；f 被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15；d 輸出軸與動片連接處的直徑，初步計算可按d=（1.52.5）dd=110mm=2.5d，則d=44mm；螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 所以 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得=22234n螺釘材料選擇q235， 則200mpa（n=1.22.5）螺釘?shù)闹睆?=0.01356m

26、螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm。5 機(jī)械手臂部設(shè)計計算51 機(jī)械手臂部設(shè)計的基本要求（1）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕（2）臂部運(yùn)動速度要高，慣性要?。?）手臂動作應(yīng)該靈活（4）位置精度要高52 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：（1） 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)。（2） 雙層油缸空心活塞桿單桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu)（3） 采用花鍵套導(dǎo)向的手臂升降結(jié)構(gòu)（4） 雙活塞伸縮油缸結(jié)構(gòu)（5） 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。綜合考慮，本設(shè)計選擇雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，其手臂的伸縮油缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承擔(dān)彎曲作用，活塞桿受拉壓作用，受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。使用液壓驅(qū)動,液壓缸選取雙作用

27、液壓缸。53 手臂伸縮驅(qū)動力計算先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計算，修正設(shè)計。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。做水平伸縮直線運(yùn)動的液壓缸的驅(qū)動力根據(jù)液壓缸運(yùn)動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定液壓缸所需要的驅(qū)動力。液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算為531 手臂摩擦力的分析與計算由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個導(dǎo)向桿計算。得 得 式中 參與運(yùn)動的零部件所受的總重力（含工件）（n）； l手臂與運(yùn)動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m）,參考上一節(jié)的計算; a導(dǎo)向支撐的長度（m）; 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有

28、關(guān)。對于圓柱面：摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取鋼對鑄鐵：取計算：導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵， ，l=656mm,導(dǎo)向支撐a設(shè)計為160mm將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計算1400=3864n532 手臂密封處的摩擦阻力的計算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用o型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于10mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： =0.03f。533 手臂慣性力的計算=0.1式中 參與運(yùn)動的零件的總重力（包括工件）(n)；從靜止加速到工作速度的變化量(m/s)；啟動時間(s)，一般取0.010.5；設(shè)啟動時間為0.2s，最大為0.233m/s。 則：=0.1=

29、163n由于背壓阻力較小，可取=0.05所以 =+=3864+163+0.03f+0.05f =4378n所以手臂伸縮驅(qū)動力為=4378n。54 手臂伸縮油缸結(jié)構(gòu)的確定表5-1 液壓缸的工作壓力作用在活塞上外力f（n）液壓缸工作壓力mpa作用在活塞上外力f（n）液壓缸工作壓力mpa小于50000.8120000300002.04.05000100001.52.030000500004.05.010000200002.53.050000以上5.08.0經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力f=4378n，根據(jù)表5-1選擇液壓缸的工作壓力p=1mpa；（1） 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計算，

30、如圖5-2所示圖5-2 雙作用液壓缸示意圖當(dāng)油進(jìn)入無桿腔： 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔： 液壓缸的有效面積： (mm)所以 （無桿腔） （有桿腔）式中活塞驅(qū)動力(p)；油缸的工作壓力(mpa)；活塞桿直徑；油缸機(jī)械效率，工程機(jī)械中用耐油橡膠可取=0.96；由上節(jié)求得驅(qū)動力f=4378n，=1mpa，機(jī)械效率=0.96將數(shù)據(jù)代入得：=0.0766根據(jù)表4-1（jb826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇d=80mm.（2） 液壓缸外徑的設(shè)計外徑按中等壁厚設(shè)計，根據(jù)表4-2（jb1068-67）取外徑選擇133mm.（3） 活塞桿的計算校核a，活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動的要求和強(qiáng)度要求。對于桿

31、長l大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計算： (mm)設(shè)計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應(yīng)力的=100120mpa。本次取=110則： =0.0072m所以活塞直徑按下表取d=20mm，滿足強(qiáng)度要求。表5-2 活塞桿直徑系列（gb/t2348-93）1012141618202225283232364045505663708090100110125140160180現(xiàn)在進(jìn)行穩(wěn)定性校核，其穩(wěn)定性條件為式中 臨界力(n)； 安全系數(shù)，=24。按中長桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核，其臨界力=f()式中 f活塞桿截面面積(mm)； a，b常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)，碳鋼a=461，b=2.47； 柔度系數(shù)，經(jīng)計算為70。

32、代入數(shù)據(jù)，臨界力 =f()=3.14=90463.4mpa取=3 =30154.47 mpa所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。55 油缸端蓋的連接方式及強(qiáng)度計算(1) 缸體材料選擇無縫鋼管，此時端蓋的連接方式多采用半環(huán)鏈接優(yōu)點(diǎn)是加工和裝拆方便，缺點(diǎn)是缸體開環(huán)槽削弱了強(qiáng)度(2) 缸蓋螺釘?shù)挠嬎銥楸ＷC連接的緊密性，螺釘間距t應(yīng)適當(dāng)（如圖4-2），在這種聯(lián)結(jié)中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預(yù)緊力之和 =+式中 工作載荷，=；螺釘中心所在圓的直徑；p驅(qū)動力。 z螺釘數(shù)目，z=； 剩余預(yù)緊力，=kq，k=1.51.8；計算： d=80mm，取=88mm，p=1mpa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表4

33、.3，間距應(yīng)小于150mm，試選螺釘數(shù)為6個：則 z=，代入數(shù)據(jù)=46150，滿足要求； =838n；選擇k=1.5，=1.5=1255n;=+=837+1257=2095n螺釘直徑按強(qiáng)度條件計算式中 計算載荷，=1.3； 許用抗拉應(yīng)力，=； 螺釘材料的屈服點(diǎn)，材料選擇45鋼，則屈服強(qiáng)度為352mpa； n安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2； 螺紋內(nèi)徑，=d-1.224s，d為螺釘公稱直徑，s為螺距。計算： =1.3=1.32095=2723.5n代入數(shù)據(jù)： =0.0045m 6 機(jī)身設(shè)計與計算機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動，這些運(yùn)動的傳動機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上

34、，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動。61 機(jī)身的整體設(shè)計按照設(shè)計要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂2000的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)一般設(shè)計在機(jī)身處。為了設(shè)計出合理的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮分析。機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動，是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大。（2） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回

35、轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動部件較大。（3） 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動是通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動帶動與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動。綜合考慮，本設(shè)計選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計機(jī)身包括兩個運(yùn)動，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降。如圖6所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動。回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的。活塞桿采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向。花鍵軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。

36、這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)見下圖。驅(qū)動機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動，回轉(zhuǎn)缸通過兩個油孔，一個進(jìn)油孔，一個排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來實(shí)現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來決定，對于本設(shè)計就是考慮兩個葉片之間可以轉(zhuǎn)動的角度，為滿足設(shè)計要求，設(shè)計中動片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)2000。圖6 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖62 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算621 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算 手臂回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算公式為： =+ (nm)慣性力矩 =式中 臂部回轉(zhuǎn)部件(包括工件)對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kgm）； 回轉(zhuǎn)缸動片角速度變化量，在啟動過程=(rad/s)； 啟動過程的時間(s)；若手臂回轉(zhuǎn)零件的重

37、心與回轉(zhuǎn)軸的距離為(前面計算得=800mm)，則式中 回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動慣量。 =回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長1500mm，直徑為100mm的圓柱體，質(zhì)量為180kg.設(shè)置起動角度=180，則起動角速度=0.314，起動時間設(shè)計為0.1s。= 30.4 kgm=30.4+=175 kgm=175=550 為了簡便計算，密封處的摩擦阻力矩，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計，=0所以 =550+0+0.03=567622 回轉(zhuǎn)缸尺寸的確定 回轉(zhuǎn)缸油腔內(nèi)徑d計算公式為：式中 p回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力； d輸出軸與動片連接處的直徑，初步設(shè)計按d/d=1.52.5； b動片寬度，可按2b/(d-d)

38、2選取。設(shè)計回轉(zhuǎn)缸的動片寬b=60mm，工作壓力為6mpa，d=50mm=123mm按標(biāo)準(zhǔn)油缸內(nèi)徑選取內(nèi)徑為125mm。623 油缸缸蓋螺釘?shù)挠嬎慊剞D(zhuǎn)缸的工作壓力為6mpa,所以螺釘間距t應(yīng)小于80mm。螺釘數(shù)目z=3.14=4.9所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目選擇6個。危險截面 =0.0104所以 =10400n =148001.5=15600n (k=1.5)所以 10400+15600=26000n螺釘材料選擇q235，則（n=1.22.5）螺釘?shù)闹睆?d=0.0147mm螺釘?shù)闹睆竭x擇d=16mm.選擇m16的開槽盤頭螺釘。經(jīng)過以上的計算，最終確定的液壓缸的尺寸，內(nèi)徑為125mm，外徑按中等壁厚設(shè)

39、計，根據(jù)表4-2（jb1068-67）取外徑選擇194mm，輸出軸徑為50mm。624 動片聯(lián)接螺釘?shù)挠嬎銊悠洼敵鲚S之間的聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔檬鞘箘悠洼敵鲚S之間的配合面緊密接觸不留間隙。根據(jù)動片所受力矩的平衡條件有=即 式中 每個螺釘預(yù)緊力；d動片的外徑；f被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 或 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得=26200n螺釘材料選擇q235，則（n=1.22.5）螺釘?shù)闹睆絛=0.0140mm螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm.選擇m14的開槽盤頭螺釘。63 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算631 手臂片重力矩的計算圖 6-3

40、手臂各部件重心位置圖(1) 估算重量：=300n，=200n，=400n，=800n(2) 計算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離:=1100mm，=960mm，=790mm ，=430mm。由于 = 所以 =0.695m(3) 計算偏重力矩=1182632 升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件手臂在的作用下有向下的趨勢，而里立柱導(dǎo)套卻阻止這種趨勢。所謂不自鎖條件就是升降立柱能在導(dǎo)套內(nèi)自由下滑，即=所以 若取摩擦系數(shù) f=0.16，則導(dǎo)套長度h0.32即 h0.320.695=0.223m633 升降油缸驅(qū)動力的計算式中 摩擦阻力，取f=0.16。g零件及工件所受的總重。(1) 的計算設(shè)定速度為v=0

41、.152m/s;起動或制動的時間差t=0.02s; 近似估算為2800n。將數(shù)據(jù)帶入上面公式有：2172n(2) 的計算 =3538.2n所以 =23538.20.16=1132.2n(3) 液壓缸在這里選擇o型密封，所以密封摩擦力可以通過近似估算 (4) 由于背壓阻力較小，為簡便計算，可將其忽略，=0所以 f=2172+1132.2+0.03f當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動時，f=6293n當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動時，f=521n634 油缸尺寸參數(shù)的計算(1) 液壓缸內(nèi)徑的計算 液壓缸驅(qū)動力按上升時計算，f=6293n，由表(5-1)選擇油缸工作壓力為1.5mpa，計算如5.4節(jié)公式，代入數(shù)據(jù)：=0.0747根

42、據(jù)表(4-1)可選取液壓缸內(nèi)徑d=100mm。(2) 液壓缸外徑的計算 按厚壁計算(3.2)： 式中 缸體材料的許用應(yīng)力，無縫鋼管時=100110mpa根據(jù)表4-2（jb1068-67）取外徑選擇168mm.(3) 活塞桿的計算設(shè)計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應(yīng)力的=100120mpa。本次取=110則： =0.0085m活塞桿直徑應(yīng)大于8.5mm。(4) 缸蓋螺釘?shù)挠嬎鉪=100mm，取=160mm，p=1.5mpa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表4-3，間距應(yīng)小于120mm，試選螺釘數(shù)為6個：則 z=，代入數(shù)據(jù)=84120，滿足要求； =1962.5n；選擇k=1.5，=1.5=2943.75

43、n;=+=1962.5+2943.75=4907n螺釘直徑按強(qiáng)度條件計算 式中 計算載荷，=1.3； 許用抗拉應(yīng)力，=； 螺釘材料的屈服點(diǎn)，材料選擇45鋼，則屈服強(qiáng)度為352mpa； n安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2； 螺紋內(nèi)徑，=d-1.224s，d為螺釘公稱直徑，s為螺距。計算： =1.3=1.34907=6379.1n代入數(shù)據(jù)： =0.0068m7 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的計算7.1 繪制液壓系統(tǒng)的工況圖根據(jù)前面幾部分設(shè)計好的各液壓執(zhí)行元件的參數(shù)，以及設(shè)計要求等對液壓系統(tǒng)作進(jìn)一步的工況分析，確定每個執(zhí)行元件在工作循環(huán)各階段中的速度、載荷變化規(guī)律，繪制出液壓系統(tǒng)有關(guān)工況圖即液壓缸的p-t圖、q-t圖、n-t圖。1， 手部夾緊缸(圖7-1)已知參數(shù)： d=32mm，d=16mm， ，計算工況圖：圖7-12， 腕部回轉(zhuǎn)缸(圖7-2)已知參數(shù)： d=110mm，d=50mm，b=66mm，m=，3.49rad/s計算工況圖：圖7-23， 臂部回轉(zhuǎn)缸(圖7-3)已知參數(shù)： d=125，d=50mm，b=60mm，m=，1.1 rad/s計算工況圖：圖7-34， 臂部伸縮缸(圖7-4、圖7-5)已知參數(shù)