流水線上小型平動搬運機械手的設(shè)計

1、流水線上小型平動搬運機械手設(shè)計摘要隨著社會生產(chǎn)的不斷進步和人們生活節(jié)奏的不斷加快，人們對生產(chǎn)效率的要求也越來越高，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。微電子技術(shù)和計算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使得機械手技術(shù)快速發(fā)展。其中液壓機械手系統(tǒng)由于其機構(gòu)簡單、控制方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的液壓機械手主要作用是完成機械部件的搬運工作，能放置在各種不同的生產(chǎn)線或物流流水線中，使零件搬運、貨物運輸更快捷、便利。本文介紹了搬運機械手的各部分組成及其運動機理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運機械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機械手的運動進行了簡

2、單的力學(xué)模型分析，完成了機械手機械方面以及手部、腕部、手臂和機身的設(shè)計工作。同時，本文給出了這臺機械手的主要性能規(guī)格參量。關(guān)鍵詞：自動化，搬運機械手，液壓傳動，設(shè)計；the light stable motion transports manipulator's design and the movement simulationabstractthe applying of the manipulators are more and more important in the industry, with the development of industrial automatio

3、n. the paper mainly narrated the design and calculation of light and transfer manipulator.the first，the paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.at the same time,the paper gives out the primary specification pa

4、rameter of this manipulator.this article system elaboration industry manipulator's design theory and method. the comprehensive exhaustive discussion has transported manipulator's hand, the wrist, the arm ，the fuselage and so on ,which the major structural design computation.finally uses the

5、software to carry out the movement simulation for manipulator's hand.keywords: manipulator; motion simulation; hydraulic power transmission；hydraulic cylinder目錄中文摘要1英文摘要2主要符號表51 緒論11.1前言11.2 工業(yè)機械手的簡史11.4 機械手的組成41.4.1 執(zhí)行機構(gòu)41.4.2 驅(qū)動機構(gòu)41.4.3 控制系統(tǒng)分類51.5工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢51.6 本文主要研究內(nèi)容61.7 本章小結(jié)62機械手的總體設(shè)計方案72.

6、1 機械手基本形式的選擇72.2機械手的主要部件及運動72.3驅(qū)動機構(gòu)的選擇82.4 機械手的技術(shù)參數(shù)列表82.5 本章小結(jié)83 機械手手部的設(shè)計計算93.1 手部設(shè)計基本要求93.2 典型的手部結(jié)構(gòu)93.3機械手手抓的設(shè)計計算93.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置93.3.2 手抓的力學(xué)分析103.3.4 夾緊力及驅(qū)動力的計算113.3.5 手抓夾持范圍計算123.4 機械手手抓夾持精度的分析計算133.5彈簧的設(shè)計計算143.6 本章小結(jié)164 腕部的設(shè)計計算174.1 腕部設(shè)計的基本要求174.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇174.2.1典型的腕部結(jié)構(gòu)174.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的選擇184

7、.3 腕部的設(shè)計計算184.3.1 腕部設(shè)計考慮的參數(shù)184.3.2 腕部的驅(qū)動力矩計算184.3.3 腕部驅(qū)動力的計算194.3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?04.3.5動片和輸出軸間的連接螺釘214.4 本章小結(jié)225 臂部的設(shè)計及有關(guān)計算235.1 臂部設(shè)計的基本要求235.2 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇245.2.1 手臂的典型運動機構(gòu)245.2.2 手臂運動選擇機構(gòu)的245.3 手臂直線運動的驅(qū)動力計算245.3.1 手臂摩擦力的分析與計算245.3.2 手臂慣性力的計算265.3.3 密封裝置的摩擦阻力265.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定265.5 本章小結(jié)286 機身的設(shè)計計算2

8、96.1 機身的整體設(shè)計296.2 機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計計算306.3 機身升降機構(gòu)的計算346.3.1 手臂偏重力矩的計算346.3.2 升降不自鎖條件分析計算356.3.3 手臂做升降運動的液壓缸驅(qū)動力的計算366.4 軸承的選擇方案366.5 本章小結(jié)378 結(jié)論45 前言機械手是模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為工業(yè)機械手。工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，機械手涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一

9、門跨學(xué)科綜合技術(shù)。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，使其在國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間，尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。從而顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可

10、以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。由于機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。 第一章 緒論一、工業(yè)機械手的簡史現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀(jì)50年代初，1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。在機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控機械手。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1978年美國unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種unimate-vic-

11、arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國knka公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。 第二代機械手設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺

12、機能。第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms(flexible manufacturing system)和柔性制造單元(flexible manufacturing cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。二、機械手的組成工業(yè)機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。1、執(zhí)行機構(gòu)（1）手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型。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；也可以用負壓式或真

13、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。（2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運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械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。（3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加

14、以實現(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）運動。2、驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。3、控制系統(tǒng)分類在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，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。三、 本章小結(jié)本章簡要的介紹了機械手的基本概念。在機械手的組成上，系統(tǒng)的從執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)以及控制部分三個方面說明。簡要的敘述了本文研究的內(nèi)容。第二

15、章 機械手的總體設(shè)計方案一、 機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機械手;(2)圓柱坐標(biāo)型機械手; ( 3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機械手; (4)多關(guān)節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標(biāo)型機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)型。圖1.1 是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務(wù)是將傳送帶a上的物品搬運到傳送帶b。圖1.1 機械手基本形式示意二、機械手的主要部件及運動在圓柱坐標(biāo)式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計關(guān)于機械手具有5個自由度即：手抓張合；手部回轉(zhuǎn)；手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手

16、臂升降5個主要運動。三、驅(qū)動機構(gòu)的選擇驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動力大等優(yōu)點。因此，機械手的驅(qū)動方案選擇液壓驅(qū)動。本設(shè)計機械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成：（1）手部，采用一個直線液壓缸，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手抓的張合。（2）腕部，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)180度（3）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平動1.2m。（4）機身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。四、機

17、械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途：車間搬運二、設(shè)計技術(shù)參數(shù):1、抓重:70kg (夾持式手部)2、大工作半徑:1500mm5、手臂最大中心高:1248mm6、手臂運動參數(shù)：（1）伸縮行程：1200mm；（2）伸縮速度：80mm/s；（3）升降行程：300mm；（4）升降速度：68mm/s；7、手腕運動參數(shù) ：回轉(zhuǎn)范圍: 五、本章小結(jié)本章對機械手的整體部分進行了總體設(shè)計，選擇了機械手的基本形式以及自由度，確定了本設(shè)計采用液壓驅(qū)動，給出了設(shè)計中機械手的一些技術(shù)參數(shù)。下面的設(shè)計計算將以此進行。第3章 機械手手部的設(shè)計計算一、選擇手抓的類型及夾緊裝置本設(shè)計機械手采用夾持式手指,按其手抓的運動方式可分為平移型

18、和回轉(zhuǎn)型?；剞D(zhuǎn)型手抓包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種，回轉(zhuǎn)型夾持器結(jié)構(gòu)較簡單，但當(dāng)所夾持的工件直徑有變動時，將引起工件軸心的偏移。對平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置。但其機械機構(gòu)繁雜，體積大，制造精度要求高。所以在滿足工件的定位精度要求的條件下，盡可能的采用結(jié)構(gòu)比較簡單回轉(zhuǎn)型夾持器。通過綜合考慮，本設(shè)計選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機械手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機械手手指張開。二、手抓的力學(xué)分析圖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

19、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，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，交和的延長線于a及b。由=0 得 =0 得 由=0 得 h 又有 得 f= （3.1）式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離（mm）. 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力一定時，角增大，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=。1、 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)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： （3.2）式中 安全系數(shù)，通常1.22.0； 工

20、作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估； 其中a重力方向的最大上升加速度； 運載時工件最大上升速度 系統(tǒng)達到最高速度的時間，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行選擇。 g被抓取工件所受重力（n）。設(shè)a=100mm,b=50mm,<<機械手達到最高響應(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) ； =1.02； 根據(jù)公式，則有： =1.5×1.02×0.5×70×9.8n=524.79n（2）根據(jù)驅(qū)動力公式得： （3）取 （4）確定液壓缸的直徑d 由 選取活塞桿直徑d=0.5d,小于5000

21、n，因此選擇液壓缸壓力油工作壓力p=0.81mpa,因此有 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（jb826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：d=63mm則活塞桿內(nèi)徑為 d=630.5=31.5mm，選取d=32mm2、手抓夾持范圍計算為保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34mm。手指長100mm,當(dāng)手抓沒有張開角的時候，如圖3.2（a）所示，根據(jù)機構(gòu)設(shè)計，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開時，如圖3.2（b）所示，最大夾持半徑計算如下： 則 機械手的夾持半徑從（a） (b)圖3.2 手抓張開示意圖3、機械手手抓夾持精度的分析計算機械手的精度設(shè)計要求工件定位準(zhǔn)確、抓取精度高、重復(fù)定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能力。機械手能否準(zhǔn)確

22、夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也與機械手夾持誤差大小有關(guān)。 圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖該設(shè)計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度，機械手的夾持范圍為80mm180mm。一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：工件的平均半徑： ；手指長,取v型夾角偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： 則 當(dāng)s時帶入有：夾持誤差滿足設(shè)計要求。三、彈簧的設(shè)計計算1、選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計算過程如下。圖3.4 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)(1).選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力(2).選擇旋繞比c=8，則 （3.3） (3) .根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑d=42m

23、m，估算彈簧絲直徑 (4).試算彈簧絲直徑 （3.4）(5). 根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （3.5） 選擇標(biāo)準(zhǔn)為，彈簧的總?cè)?shù)圈(6) .最后確定，2、對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性。為了避免這種現(xiàn)象，壓縮彈簧的長細比。本設(shè)計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選取： 當(dāng)兩端固定時，,當(dāng)一端固定；一端自由時，；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動時，。本設(shè)計彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。3、疲勞強度和應(yīng)力強度的驗算對于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應(yīng)力強度進行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時，可只進行靜應(yīng)力強度驗算）?，F(xiàn)在

24、由于本設(shè)計是在恒定載荷情況下，所以只進行靜應(yīng)力強度驗算。：計算公式： （3.6）選取1.31.7 （3.7）結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應(yīng)。 四、本章小結(jié)通過本章的設(shè)計計算，先對滑槽杠桿式的手部結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析，然后分別對滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)的夾緊力、夾緊用的彈簧進行計算，在滿足基本要求后，對手部的夾持精度進行分析計算。第四章 腕部的設(shè)計計算一、腕部的驅(qū)動1、腕部的驅(qū)動力矩計算夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量70kg，當(dāng)手部回轉(zhuǎn)時，計算力矩：（1） 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，高為220mm，直徑120mm，其重力估算 （2） 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩。（3）

25、 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角速度。 則腕部的驅(qū)動力矩： （4.1）查取轉(zhuǎn)動慣量公式有：代入： 2、 腕部驅(qū)動力的計算設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)-液壓缸內(nèi)徑系列（jb826-66）設(shè)缸體內(nèi)空半徑r=110mm，外徑根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)-液壓缸外徑（jb1068-67）選擇121mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為226mm，動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸如圖4.1所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力： ；選擇8mpa圖4.1 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意二、液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎銏D4.2 缸蓋螺釘間距示意如圖4.2所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強有關(guān)，

26、在這種聯(lián)結(jié)中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力 （4.2）液壓缸工作壓強為p=8mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇8個螺釘，所以選擇螺釘數(shù)目合適z=8個 危險截面 (4.3) 又 所以 =11863.3+10545=19772n螺釘材料選擇q235，（）螺釘?shù)闹睆?（4.4）螺釘?shù)闹睆竭x擇d=16mm.三、動片和輸出軸間的連接螺釘動片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見上圖。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。 于是得 (4.5)式中d動片的外徑； f被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對銅取f=0.15螺釘?shù)膹姸葪l件為 (4.6)或 (4.7)

27、代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得螺釘材料選擇q235，則（）螺釘?shù)闹睆?螺釘?shù)闹睆竭x擇d=12mm.選擇m12的開槽盤頭螺釘。五、本章小結(jié)本章通過四種基本的手腕結(jié)構(gòu)，選擇了具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。并進行的腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算，同時也計算了回轉(zhuǎn)缸連接螺釘?shù)闹睆健５?章 臂部的設(shè)計及有關(guān)計算 一、手臂結(jié)構(gòu)的選擇及參數(shù)計算本設(shè)計選擇雙導(dǎo)桿伸縮機構(gòu)，使用液壓驅(qū)動,液壓缸選取雙作用液壓缸。1、手臂直線運動的驅(qū)動力計算做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅(qū)動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力來確定。液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算公式： (5.1)（1）手臂摩擦力的分析與計算不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其

28、摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進行估算。下圖是機械手的手臂示意圖，本設(shè)計是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮崗兩側(cè)。圖 5.1 機械手臂部受力示意由于導(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 又有 ； 得 (5.2)式中 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（n）； l手臂與運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）； 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：??；鋼對鑄鐵：取導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 ，l=1.69-0.028=1.41m,導(dǎo)向支撐a設(shè)計為0.016m則有：

29、 （2） 手臂慣性力的計算本設(shè)計要求手臂平動是v=,在計算慣性力的時候,設(shè)置啟動時間，啟動速度v=v=； (5.3)=（3） 密封裝置的摩擦阻力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，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：。經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力： 2、 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定經(jīng)過上面的計算，液壓缸的驅(qū)動力f=6208n，選擇液壓缸的工作壓力p=2mpa。（1） 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸。液壓缸內(nèi)徑的計算，如圖5.2所示圖5.2 雙作用液壓缸示意圖當(dāng)油進入無桿腔， 當(dāng)油進入有桿腔中， 液壓缸的有效面積： 故有 （無桿腔） (5.4

30、) （有桿腔） (5.5)f=6208n，=，選擇機械效率將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（jb826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇d=65mm.（2）液壓缸外徑的設(shè)計根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚7mm，所以該液壓缸的外徑為79mm。（3）活塞桿的計算校核活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動要求和強度要求。對于桿長l大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算： (5.6)設(shè)計中活塞桿取材料為碳剛，故，活塞直徑d=20mm,l=1360mm,現(xiàn)在進行校核： 結(jié)論： 活塞桿的強度足夠。（二） 本章小結(jié)本章設(shè)計了機械手的手臂結(jié)構(gòu)，手臂采用雙導(dǎo)桿手臂伸縮機構(gòu)，對驅(qū)動的液壓缸的驅(qū)動力進行了詳細的

31、計算，并對液壓缸的基本尺寸進行了設(shè)計。第6章 機身的設(shè)計計算一、 機身的整體設(shè)計機身一般用于實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動，常用的機身結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是能承受較大偏重力矩；缺點是回轉(zhuǎn)運動傳動路線長，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。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運動部件較大。（3） 活塞缸和齒條齒輪機構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運動是通過齒條齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)，齒條的往復(fù)運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。經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸

32、的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉(zhuǎn)運動?；剞D(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，也通過花鍵軸固定了活塞桿。具體結(jié)構(gòu)見下圖。驅(qū)動機構(gòu)是液壓驅(qū)動，回轉(zhuǎn)缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來實現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機械擋塊來決定，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)180度。 圖6.1 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機身結(jié)構(gòu)示意圖二、 機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計計算1、 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩

33、的計算手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩，應(yīng)該與手臂運動時所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡。 (6.1)慣性力矩的計算 (6.2)式中 回轉(zhuǎn)缸動片角速度變化量（），在起動過程中=；t起動過程的時間(s);手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（）。若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為，則 (6.3)式中 回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動慣量。 (6.4)回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長1800mm，直徑為60mm的圓柱體，質(zhì)量為159.2kg.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。4694.3密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03，由于回油背差一般非常的小，故在這

34、里忽略不計。經(jīng)過以上的計算，可知=4839.5（1） 回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定 設(shè)計回轉(zhuǎn)缸的靜片和動片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強為8mpa。d為輸出軸與動片連接處的直徑，設(shè)d=50mm,則回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑通過下列計算： (6.5) 則 d=151mm即設(shè)計液壓缸的內(nèi)徑為150mm,選擇液壓缸的基本外徑尺寸180mm。（2） 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎阋驗榛剞D(zhuǎn)缸的工作壓力為8mpa,所以螺釘間距t小于80mm,根據(jù)初步估算， ，,所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目為（一個面6個，兩個面是12個）。危險截面所以， 所以螺釘材料選擇q235，則（）螺釘?shù)闹睆铰葆數(shù)闹睆竭x擇d=20mm.選擇m20的開槽盤頭螺釘。經(jīng)過以上的

35、計算，最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖5.2所示，內(nèi)徑為150mm，外徑為230mm，輸出軸徑為50mm圖6.2 回轉(zhuǎn)缸的截面圖（3） 動片和輸出軸間的連接螺釘動片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)如圖6.2。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。 于是得 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)，剛對銅取f=0.15螺釘?shù)膹姸葪l件為 或 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得=螺釘材料選擇q235，則（）螺釘?shù)闹睆?螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm.選擇m14的開槽盤頭螺釘。2、機身升降機構(gòu)的計算（1） 手臂偏重力矩的計算 圖 6.3 手臂各部件重

36、心位置圖 零件重量、等對機械手手臂做粗略估算：總共=33kg； +=119.2kg 計算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離。=1920mm ； =1.69mm ； =0.88mm (6.6) 所以，回轉(zhuǎn)半徑 計算偏重力矩 (6.7)=3、 升降不自鎖條件分析計算手臂在的作用下有向下的趨勢，因此應(yīng)加入里柱導(dǎo)套。由力的平衡條件有 = h=即 =所謂的不自鎖條件為： 即 又有取 (6.8) 當(dāng)=1650mm時，0.32=528mm因此在設(shè)計中必須考慮到立柱導(dǎo)套必須大于528mm4、手臂做升降運動的液壓缸驅(qū)動力的計算 (6.9)式中摩擦阻力，參考圖5.3 取f=0.16 g零件及工件所受的總重（

37、1）的計算 設(shè)定速度為v=4，起動或制動的時間差t=0.02s，近似估算為286.1kg，將數(shù)據(jù)帶入上面公式有： =（2）的計算 28725.6=2792.2n（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 最后通過以上計算 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動時，f=6756n 當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動時，f=6756-=6184n5、軸承的選擇分析 升降缸的運動，對于機身回轉(zhuǎn)用的軸承有影響，對于本設(shè)計，采用一支點，雙固定，另一支點游動的支撐結(jié)構(gòu)。作為固定支撐的軸承，應(yīng)能承受雙向軸向載荷，故內(nèi)外圈在軸向全要固定。其結(jié)構(gòu)參看本章開始的機身結(jié)構(gòu)示意圖5.3。本設(shè)計采用兩個角接觸球軸承，面對面或者背對背的組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以承受雙向軸向載荷。6、本章小結(jié)本章對機械手的機身進行了設(shè)計，分別對機身的回轉(zhuǎn)機構(gòu)和升降機構(gòu)進行設(shè)計計算。同時也計算了升降立柱不自鎖的條件，這是機身設(shè)計中不可缺少的部分。結(jié)論通過此次畢業(yè)設(shè)計，使我了解了機械手的很