四自由度圓柱坐標機械手畢業(yè)設計說明書

1、<p><b>　　畢</b></p><p><b>　　業(yè)</b></p><p><b>　　設</b></p><p><b>　　計</b></p><p><b>　　說</b></p><p

2、><b>　　明</b></p><p><b>　　書</b></p><p><b>　　目次</b></p><p>　　1 緒論 …………………………………………………………………………… 1</p><p>　　1.1 工業(yè)機械手的概述 …………………………

3、……………………………… 1</p><p>　　1.2 工業(yè)機械手在生產中的應用 ……………………………………………… 1</p><p>　　1.3 機械手的組成概述 ………………………………………………………… 2</p><p>　　1.4 工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢 …………………………………………………… 3</p><p>　　

4、2 總體設計方案 ………………………………………………………………… 4</p><p>　　2.1 設計題目 …………………………………………………………………… 4</p><p>　　2.2 初始參數(shù)與設計要求 ……………………………………………………… 4</p><p>　　2.3 方案擬定 …………………………………………………………………… 5

5、</p><p>　　3 機械手手部設計計算 ………………………………………………………… 6</p><p>　　3.1 手部設計基本要求 ………………………………………………………… 6</p><p>　　3.2 手部力學分析 ……………………………………………………………… 7</p><p>　　3.3 夾緊力及驅動力的計算

6、 …………………………………………………… 8</p><p>　　3.4 機械手手抓夾持精度的分析計算 ………………………………………… 9</p><p>　　4 機械手腕部設計計算 ………………………………………………………… 11</p><p>　　4.1 腕部設計基本要求 …………………………………………………………… 11</p>

7、<p>　　4.2 腕部結構的選擇 ……………………………………………………………… 11</p><p>　　4.3 腕部回轉力矩的計算 ………………………………………………………… 12</p><p>　　5 機械手臂部設計計算 ………………………………………………………… 16</p><p>　　5.1 機械手臂部設計的基本要求 ………

8、……………………………………… 16</p><p>　　5.2 手臂的典型機構及結構的選擇 …………………………………………… 16</p><p>　　5.3 手臂伸縮驅動力計算 ……………………………………………………… 17</p><p>　　5.4 手臂伸縮油缸結構的確定 ………………………………………………… 19</p><

9、p>　　5.5 油缸端蓋的連接方式及強度計算 ………………………………………… 21</p><p>　　6 機身設計與計算 …………………………………………………………………23 </p><p>　　6.1 機身的整體設計 …………………………………………………………… 23</p><p>　　6.2 機身回轉機構的設計計算 …………………………

10、……………………… 25</p><p>　　6.3 機身升降機構的設計計算 ………………………………………………… 28</p><p>　　7 液壓驅動系統(tǒng)的計算 ………………………………………………………… 31</p><p>　　7.1 繪制液壓系統(tǒng)的工況圖 ……………………………………………………… 31</p><p>　

11、　7.2 計算和選擇液壓元件 ………………………………………………………… 36</p><p>　　總結 ………………………………………………………………………………… 38</p><p>　　致謝 ………………………………………………………………………………… 38</p><p>　　參考資料………………………………………………………………………………39

12、</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1．1 工業(yè)機械手的概述</p><p>　　工業(yè)機械手在先進制造技術領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設備，是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。</p&g

13、t;<p>　　工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支，它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景?！　C械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。</p><p>　　1．2

14、工業(yè)機械手在生產中的應用</p><p>　　機械手是工業(yè)自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛廣泛。</p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)中，生產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，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產很大程度上

15、不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產生的。目前在我國機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工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。具體應用在以下幾方面：

16、</p><p>　　(1) 建造旋轉零件（轉軸、盤類、環(huán)類）自動線</p><p>　　(2) 在實現(xiàn)單機自動化方面</p><p>　　(3) 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面</p><p>　　1．3 機械手的組成</p><p>　　工業(yè)機械手由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。</p>&

17、lt;p>　　1.3.1 執(zhí)行機構</p><p>　　(1) 手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負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。</p><p>　　傳力機構形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條

18、式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。</p><p>　　(2) 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調節(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，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉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，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。</p><p&g

19、t;　　目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。</p><p>　　(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。</p><p>　　臂部運動

20、的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。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、升降（或俯仰）運動。</p><p>　　手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現(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，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓

21、重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。</p><p>　　(4) 行走機構 有的工業(yè)機械手帶有行走機構，我國的正處于仿真階段。</p><p>　　1.3.2 驅動機構</p><p>　　驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕

22、、控制方便。</p><p>　　1.3.3 控制系統(tǒng)分類</p><p>　　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。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。</p><p>　　1．4 工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢</p><p

23、>　　(1) 工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。</p><p>　　(2) 機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。</p><p>　　(3

24、) 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。</p><p>　　(4) 機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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配

25、置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。</p><p>　　(5) 虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。</p><p>　　(6) 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。

26、美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。</p><p><b>　　2 總體設計方案</b></p><p>　　2．1 設計題目：</p><p>　　圓柱坐標式四自由度機械手設計 </p><p>　　2．2 初始參數(shù)與設計要求</p><p><b&

27、gt;　　1、抓重：250N</b></p><p><b>　　2、自由度：4個</b></p><p><b>　　3、臂部運動參數(shù)：</b></p><p><b>　　表 2-1</b></p><p><b>　　4、腕部運動參數(shù)：</b&

28、gt;</p><p><b>　　表 2-2</b></p><p>　　5、手指夾持范圍：棒料，Φ65mm~Φ85mm</p><p>　　6、定位方式：緩沖，死擋塊定位</p><p>　　7、驅動方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)）</p><p>　　8、定位精度：±3mm</p&

29、gt;<p><b>　　2．3 方案擬定</b></p><p>　　2.3.1 初步分析</p><p>　　機械手抓重為250N，按工業(yè)機械手的分類，屬于中型，按用途分為通用機械手，其特點是具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣，通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適合于不斷變換生產品種的中小批量自動化生產。由表2-1和表2-2、

30、及機械手的各規(guī)格參數(shù)可以了解到，設計方案為通用型機械手，其通用性強，應用范圍廣，自身體積和重量適中，成本適中，維修較容易。圓柱坐標式機械手與直角坐標式械手相比，占地面積小而活動范圍大，結構較簡單，并能達到很高的定位精度，因此應用廣泛。但由于機械手的結構關系，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。</p><p>　　2.3.2 擬定方案</p><p>　　由初始參數(shù)

31、擬定整體設計方案</p><p>　　通用機械手是3~6個自由度，而本次設計為4由度圓柱坐標機械手，其大致結構如圖2-1，運動簡圖如圖2-2：</p><p>　　圖 2-1 圖 2-2</p><p>　　2.3.3 執(zhí)行機構</p><p>　　(1) 手

32、部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平移型，也有吸盤式和電磁式結構，本次選用結構簡單的兩支點回轉型結構。手部為二指。</p><p>　　傳力機構常用有滑槽杠桿式、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構。 </p><p>　　腕部 連接手部與手臂的部件。要求0~180°的回轉動作，因此選用具有單自由度的回轉液壓缸驅動結構。此結構特點是結

33、構緊湊，靈活。</p><p>　　臂部 臂部是機械手的主要執(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動。</p><p>　　臂部設計的基本要求為：a 承載能力大，剛度好，自重輕</p><p>　　b 運動速度高，慣性小</p><p>　　c 動作靈活手臂動作應靈活</p><p>

34、<b>　　d 位置精度要高</b></p><p>　　因此，本設計選用雙導向桿手臂伸縮結構與雙作用液壓缸。其特點為手臂的伸縮缸安裝在兩根導向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結構緊湊。</p><p>　　2.3.4 驅動機構 </p><p>　　驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分，根據(jù)

35、動力源不同大致可分為氣動、液壓、電動和機械傳動。根據(jù)課題特點，本設計選用液壓驅動，其特點是速度快，結構簡單，控制方便，傳遞力矩大，并且控制精度高。</p><p>　　3 機械手手部設計計算</p><p>　　3．1 手部設計基本要求</p><p>　　(1) 應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力，應考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需要的驅動力大小是不同的。&

36、lt;/p><p>　　(2) 手指應具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。</p><p>　　(3) 在保證本身剛度，強度的前提下，盡可能使結構緊湊，重量輕，以利于減輕手臂負載。</p><p>　　(4) 應保證手抓的夾持精度。</p><p>　　3．2 手部力學分析</p><p>　　通過綜合考慮，本設計選擇二

37、指雙支點回轉型手抓，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</p><p>　　下面對其基本結構進行力學分析：</p><p>　　滑槽杠桿 圖3-1(a)為常見的滑槽杠桿式手部結構。</p><p>　　(a) (b)</p><p>　　圖3-1 滑

38、槽杠桿式手部結構、受力分析</p><p>　　1——手指 2——銷軸 3——杠桿</p><p>　　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。</p><p>　　由 =0 得 =</p><p><b

39、>　　=0 得 </b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　由=0 得=·h</p><p><b>　　F=</b></p><p>　　式中

40、a——手指的回轉支點到對稱中心的距離(mm)。</p><p>　　——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。</p><p>　　由分析可知，當驅動力F一定時，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好=~</p><p>　　3．3 夾緊力及驅動力的計算</p><p>　　手指加在工件

41、上的夾緊力，是設計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。</p><p>　　手指對工件的夾緊力可按公式計算： </p><p>　　式中 ——安全系數(shù)，通常1.2~2.0；</p><p>　　——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響

42、。可近似按下式估其中a是重力方向的最大上升加速度 ，g=9.8 m/s ；</p><p>　　——運載時工件最大上升速度；；</p><p>　　——系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.03~0.5s；</p><p>　　——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇；</p><p>　　G——被抓取工件所受重力（N）。</p>

43、;<p>　　計算：設a=40mm,b=120mm,=35°；機械手達到最高響應時間為0.5s，求夾緊力和驅動力和 驅動液壓缸的尺寸。</p><p>　　設=1.6 =60 mm/s =0.5s</p><p><b>　　==1.01</b></p><p><b>　　=0.5 </

44、b></p><p>　　根據(jù)公式，將已知條件帶入：</p><p>　　=1.6×1.01×0.5×250=202N</p><p><b>　　根據(jù)驅動力公式得：</b></p><p>　　==202=886N </p><p><b>

45、　　取</b></p><p><b>　　==1043N</b></p><p><b>　　確定液壓缸的直徑D</b></p><p>　　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</p><p>　　則 D=0.0213m</p>&

46、lt;p>　　根據(jù)液壓缸內徑系列表（JB826-66），選取液壓缸內徑為：D=32mm，根據(jù)裝配關系，外徑為50mm。</p><p><b>　　則活塞桿直徑為：</b></p><p>　　d=320.5=16mm，選取d=16mm</p><p>　　3．4 機械手手抓夾持精度的分析計算</p><p>　

47、　機械手的精度設計要求工件定位準確，抓取精度高，重復定位精度和運動穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能。</p><p>　　機械手能否準確夾持工件，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），而且也于機械手夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，一定要進行機械手的夾持誤差分析。</p><p>　　圖3-3 手抓夾持

48、誤差分析示意圖</p><p>　　該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。</p><p>　　機械手的夾持范圍為Φ65~Φ85mm。</p><p>　　夾持誤差不超過±3mm，分析如下：</p><p>　　工件的平均半徑： ==45mm</p><p>　　手指長L=120mm，取V型夾角</p

49、><p>　　偏轉角：β ===64.34°</p><p>　　按最佳偏轉角確定： β=64.34°</p><p>　　計算理論平均半徑 120×sin60°cos64.34°=45mm</p><p><b>　　因為 </b></p><

50、p><b>　　1.484</b></p><p><b>　　0.166</b></p><p>　　所以=1.484<3</p><p>　　夾持誤差滿足設計要求。</p><p>　　4 機械手腕部設計計算</p><p><b>　　腕部設計基

51、本要求</b></p><p>　　(1) 力求結構緊湊、重量輕</p><p>　　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。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。</p><p>　　(2) 結構考慮，合理布局</p><p>　　

52、腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。</p><p>　　(3) 必須考慮工作條件</p><p>　　對于本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，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中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。</p>&

53、lt;p><b>　　腕部結構的選擇</b></p><p>　　腕部結構有四種，分別為：</p><p>　　(1) 具有單自由度的回轉缸驅動的腕部結構</p><p>　　(2) 用齒條活塞驅動的腕部結構</p><p>　　(3) 具有兩個自由度的回轉缸驅動腕部結構</p><p>　

54、　(4) 機——液結合的腕部結構</p><p>　　本次設計要求腕部有一個回轉自由度，因此，綜合考慮分析，選擇第一種結構，其特點直接用回轉油缸驅動實現(xiàn)腕部的回轉運動，具有結構簡單、靈活等優(yōu)點而被廣泛采用。</p><p><b>　　腕部回轉力矩的計算</b></p><p>　　4．3．1 腕部轉動時所需的驅動力矩計算</p>

55、<p>　　腕部轉動時所需的驅動力矩可按下式計算：</p><p>　　=+++ (N·m)</p><p>　　腕部加速運動時所產生的慣性力矩</p><p>　　若腕部啟動過程按等加速運動，腕部轉動時加速度為(rad/s)，啟動過程所需的時間為(s)，或轉過的角度為(rad)，則</p><p><b&g

56、t;　　=（+)</b></p><p>　　或 =（+)</p><p>　　式中 —參與腕部轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量（kg·m）；</p><p>　　—工件對腕部轉動軸線的轉動慣量（kg·m）。</p><p>　　腕部轉動件和工件的偏重對轉動軸

57、線所產生的偏重力矩</p><p>　　因為手抓夾持在工件中間位置，所以e等于0，即：</p><p><b>　　=Ge+Ge=0</b></p><p>　　腕部轉動軸載軸頸處的摩擦阻力矩</p><p>　　為簡化計算，一般取 =0.1</p><p>　　回轉缸的動片和缸

58、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，應根據(jù)具體情況加以分析。</p><p>　　設夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量50Kg，當手部夾持工件中間位置回轉時，將手抓、手抓驅動液壓缸及回轉液壓缸轉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</p><p><b>　　等速轉動角速度。</b>

59、;</p><p>　　因為 =（+)</p><p>　　====0.0367</p><p><b>　　===4.1979</b></p><p>　　代入 =(0.0367+4.1979) =47</p><p>　

60、　所以 =0.1+0+47</p><p><b>　　=52.22</b></p><p><b>　　腕部驅動力的計算</b></p><p>　　表4-1 液壓缸的內徑系列（JB826-66） （mm）</p><p>　　設定腕部的

61、部分尺寸：根據(jù)表4-1設缸體內壁半徑R=55mm，外徑按中等壁厚設計，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。則回轉缸工作壓力</p><p>　　P===6.59MPa，所以選擇P=7MPa。</p><p>　　圖4-1 腕部液壓缸剖截面結構示意</p><p>　　表4-2 標準液壓缸外徑（JB1068-6

62、7） （mm）</p><p><b>　　油缸蓋螺釘?shù)挠嬎?lt;/b></p><p>　　圖4-2 缸蓋螺釘間距示意</p><p>　　表4-3 螺釘間距t與壓力P之間的關系</p><p>　　t為螺釘?shù)拈g距，間距與工作壓強有關，見表4-3，在這種聯(lián)結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為： </p

63、><p>　　式中為工作載荷，為預緊力</p><p><b>　　計算：</b></p><p>　　液壓缸工作壓強為P=7 Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇8個螺釘；</p><p>　　πd/4=110π/80=4.3＜8，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=8個</p><p>　　危險截面

64、 =0.0075m</p><p><b>　　==6562.5N</b></p><p>　　(K=1.5~1.8) 取K=1.5，則1.5×6562.5=9843.75 N</p><p><b>　　=16407N</b></p><p>　　螺釘材料選擇Q235， （

65、n=1.2~2.5）</p><p>　　螺釘?shù)闹睆?</p><p><b>　　=0.0131m</b></p><p>　　螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm。</p><p>　　動片和輸出軸間的連接螺釘</p><p>　　動片和輸出軸間的連接螺釘</p>&

66、lt;p>　　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，當油腔通高壓油時，動片受油壓作用產生一個合成液壓力矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩。</p><p>　　由 </p><p>　　得 </p>

67、<p>　　——單個螺釘?shù)念A緊力；</p><p><b>　　D ——動片外徑；</b></p><p>　　f ——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15；</p><p>　　d ——輸出軸與動片連接處的直徑，初步計算可按D=（1.5~2.5）d</p><p>　　D=110mm=2.5d

68、，則d=44mm；</p><p>　　螺釘?shù)膹姸葪l件為 </p><p>　　所以 </p><p><b>　　帶入有關數(shù)據(jù)，得</b></p><p><b>　　===22234N</b></p><p>　　螺釘材料選擇

69、Q235， 則200MPa（n=1.2~2.5）</p><p>　　螺釘?shù)闹睆?=0.01356m</p><p>　　螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm。</p><p><b>　　機械手臂部設計計算</b></p><p>　　機械手臂部設計的基本要求</p><p>　?。?）臂部應承載能

70、力大、剛度好、自重輕</p><p>　?。?）臂部運動速度要高，慣性要小</p><p>　?。?）手臂動作應該靈活</p><p><b>　?。?）位置精度要高</b></p><p>　　手臂的典型機構以及結構的選擇</p><p>　　常見的手臂伸縮機構有以下幾種：</p>

71、<p>　　雙導桿手臂伸縮機構。</p><p>　　雙層油缸空心活塞桿單桿導向結構</p><p>　　采用花鍵套導向的手臂升降結構</p><p><b>　　雙活塞伸縮油缸結構</b></p><p>　　活塞桿和齒輪齒條機構。</p><p>　　綜合考慮，本設計選擇雙導桿伸縮

72、機構，其手臂的伸縮油缸安裝在兩根導向桿之間，由導向桿承擔彎曲作用，活塞桿受拉壓作用，受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結構緊湊。使用液壓驅動,液壓缸選取雙作用液壓缸。</p><p><b>　　手臂伸縮驅動力計算</b></p><p>　　先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關機構的主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結構。

73、</p><p>　　做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定液壓缸所需要的驅動力。液壓缸活塞的驅動力的計算為</p><p>　　手臂摩擦力的分析與計算</p><p>　　由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。</p><p>　　得

74、 </p><p>　　得 </p><p>　　式中 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）；</p><p>　　L——手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m）,參考上一節(jié)的計算;</p><p>　　a——導向支撐的長度（

75、m）;</p><p>　　——當量摩擦系數(shù)，其值與導向支撐的截面有關。</p><p><b>　　對于圓柱面：</b></p><p>　　——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時：</p><p><b>　　鋼對青銅：取</b></p><p><b>　　鋼對鑄

76、鐵：取</b></p><p>　　計算：導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵， ，L=656mm,導向支撐a設計為160mm</p><p>　　將有關數(shù)據(jù)代入進行計算</p><p>　　1400=3864N</p><p>　　手臂密封處的摩擦阻力的計算</p><p>　　不同的密封圈其摩擦阻力不

77、同，在手臂設計中，采用O型密封圈，當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。</p><p><b>　　手臂慣性力的計算</b></p><p><b>　　=0.1</b></p><p>　　式中 ——參與運動的零件的總重力（包括工件）(N)；</p><

78、;p>　　——從靜止加速到工作速度的變化量(m/s)；</p><p>　　——啟動時間(s)，一般取0.01~0.5；</p><p>　　設啟動時間為0.2s，最大為0.233m/s。 則：</p><p><b>　　=0.1=163N</b></p><p>　　由于背壓阻力較小，可取=0.05</p

79、><p>　　所以 =+++=3864+163+0.03F+0.05F</p><p><b>　　=4378N</b></p><p>　　所以手臂伸縮驅動力為=4378N。</p><p>　　手臂伸縮油缸結構的確定</p><p>　　表5-1 液壓缸的工作壓力</p>&l

80、t;p>　　經過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力F=4378N，根據(jù)表5-1選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa；</p><p>　　確定液壓缸的結構尺寸：</p><p>　　液壓缸內徑的計算，如圖5-2所示</p><p>　　圖5-2 雙作用液壓缸示意圖</p><p><b>　　當油進入無桿腔： </b>&

81、lt;/p><p><b>　　當油進入有桿腔： </b></p><p>　　液壓缸的有效面積： (mm)</p><p>　　所以 （無桿腔）</p><p><b>　?。ㄓ袟U腔）</b></p><p>　　式中——活塞驅動力(P)；</p>

82、<p>　　——油缸的工作壓力(MPa)；</p><p><b>　　——活塞桿直徑；</b></p><p>　　——油缸機械效率，工程機械中用耐油橡膠可取=0.96；</p><p>　　由上節(jié)求得驅動力F=4378N，=1MPa，機械效率=0.96</p><p><b>　　將數(shù)據(jù)代入得

83、：</b></p><p><b>　　==0.0766</b></p><p>　　根據(jù)表4-1（JB826-66），選擇標準液壓缸內徑系列，選擇D=80mm.</p><p><b>　　液壓缸外徑的設計</b></p><p>　　外徑按中等壁厚設計，根據(jù)表4-2（JB1068-6

84、7）取外徑選擇133mm.</p><p><b>　　活塞桿的計算校核</b></p><p>　　a，活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算：</p><p><b>　　(mm)</b></p><p>　　設計中取活塞桿材料

85、為碳鋼，碳鋼許用應力的=100~120Mpa。本次取=110</p><p>　　則： =0.0072m</p><p>　　所以活塞直徑按下表取d=20mm，滿足強度要求。</p><p>　　表5-2 活塞桿直徑系列（GB/T2348-93）</p><p>　　現(xiàn)在進行穩(wěn)定性校核，其穩(wěn)定性條件為</p>

86、<p>　　式中 ——臨界力(N)；</p><p>　　——安全系數(shù)，=2~4。</p><p>　　按中長桿進行穩(wěn)定性校核，其臨界力=F()</p><p>　　式中 F——活塞桿截面面積(mm)；</p><p>　　a，b——常數(shù)，與材料性質有關，碳鋼a=461，b=2.47；</p><p>

87、　　——柔度系數(shù)，經計算為70。</p><p>　　代入數(shù)據(jù)，臨界力 =F()=3.14=90463.4MPa</p><p>　　取=3 =30154.47 MPa</p><p>　　所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。</p><p>　　油缸端蓋的連接方式及強度計算</p><p>　　(

88、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)點是加工和裝拆方便，缺點是缸體開環(huán)槽削弱了強度</p><p>　　(2) 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?lt;/p><p>　　為保證連接的緊密性，螺釘間距t應適當（如圖4-2），在這種聯(lián)結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預緊力之和</p><p><b>　　=+</b><

89、/p><p>　　式中 ——工作載荷，=；</p><p>　　——螺釘中心所在圓的直徑；</p><p><b>　　P——驅動力。</b></p><p>　　Z——螺釘數(shù)目，Z=；</p><p>　　——剩余預緊力，=KQ，K=1.5~1.8；</p><p>　　

90、計算： </p><p>　　D=80mm，取=88mm，P=1MPa，間距與工作壓強有關，見表4.3，間距應小于150mm，試選螺釘數(shù)為6個：</p><p>　　則 Z=，代入數(shù)據(jù)=46<150，滿足要求；</p><p><b>　　==838N；</b></p><p>　　選擇K=1.5

91、，=1.5=1255N;</p><p>　　=+=837+1257=2095N</p><p>　　螺釘直徑按強度條件計算</p><p>　　式中 ——計算載荷，=1.3；</p><p>　　——許用抗拉應力，=；</p><p>　　——螺釘材料的屈服點，材料選擇45鋼，則屈服強度為352MPa；</

92、p><p>　　n——安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2；</p><p>　　——螺紋內徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。</p><p><b>　　計算：</b></p><p>　　=1.3=1.3×2095=2723.5N</p><p>　　代入數(shù)據(jù)：

93、 ===0.0045m</p><p><b>　　機身設計與計算</b></p><p>　　機身是直接支撐和驅動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉和升降運動，這些運動的傳動機構都安在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構和受力情況就越復雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。</p><

94、p>　　6．1 機身的整體設計</p><p>　　按照設計要求，機械手要實現(xiàn)手臂2000的回轉運動，實現(xiàn)手臂的回轉運動機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構，就要綜合考慮分析。</p><p>　　機身承載著手臂，做回轉，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結構有以下幾種：</p><p>　　回轉缸置于升降之下的結構。這種結構優(yōu)點是能承受

95、較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。</p><p>　　回轉缸置于升降之上的結構。這種結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。</p><p>　　活塞缸和齒條齒輪機構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現(xiàn)：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。</p><p&

96、gt;　　綜合考慮，本設計選用回轉缸置于升降缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉和升降。如圖6所示，回轉機構置于升降缸之上的機身結構。手臂部件與回轉缸的上端蓋連接，回轉缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉運動?；剞D缸的轉軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊麠U采用空心，內裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導向?；ㄦI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。

97、這種結構是導向桿在內部，結構緊湊。具體結構見下圖。</p><p>　　驅動機構是液壓驅動，回轉缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉葉片的兩側來實現(xiàn)葉片回轉。回轉角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉動的角度，為滿足設計要求，設計中動片和靜片之間可以回轉2000。</p><p>　　圖6 回轉缸置于升降缸之上的機身結構示意圖</p>

98、<p>　　6．2 機身回轉機構的設計計算</p><p>　　6．2．1 回轉缸驅動力矩的計算 </p><p>　　手臂回轉缸驅動力矩的計算公式為：</p><p>　　=++ (N·m)</p><p>　　慣性力矩 =</p><p>　　式中 ——臂部回轉部件(

99、包括工件)對回轉軸線的轉動慣量（kg·m）；</p><p>　　——回轉缸動片角速度變化量，在啟動過程=(rad/s)；</p><p>　　——啟動過程的時間(s)；</p><p>　　若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為(前面計算得=800mm)，則</p><p>　　式中 ——回轉零件的重心的轉動慣量。 </p

100、><p><b>　　=</b></p><p>　　回轉部件可以等效為一個長1500mm，直徑為100mm的圓柱體，質量為180Kg.設置起動角度=180，則起動角速度=0.314，起動時間設計為0.1s。</p><p>　　=== 30.4 kg·m</p><p>　　=30.4+=175 kg·

101、;m</p><p>　　==175=550

102、

103、 </p><p>　　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</p><p>　　所以 =550+0+0.03</p><p><

104、b>　　=567</b></p><p>　　6．2．2 回轉缸尺寸的確定</p><p>　　回轉缸油腔內徑D計算公式為：</p><p>　　式中 P——回轉油缸的工作壓力；</p><p>　　d——輸出軸與動片連接處的直徑，初步設計按D/d=1.5~2.5；</p><p>　　b——動片

105、寬度，可按2b/(D-d)≥2選取。</p><p>　　設計回轉缸的動片寬b=60mm，工作壓力為6MPa，d=50mm</p><p><b>　　=123mm</b></p><p>　　按標準油缸內徑選取內徑為125mm。</p><p><b>　　油缸缸蓋螺釘?shù)挠嬎?lt;/b></p&

106、gt;<p>　　回轉缸的工作壓力為6Mpa,所以螺釘間距t應小于80mm。螺釘數(shù)目Z==×3.14=4.9</p><p>　　所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目選擇6個。</p><p>　　危險截面 ==0.0104</p><p>　　所以 =10400N</p><p>　　=14

107、800×1.5=15600N (K=1.5)</p><p>　　所以 10400+15600=26000N</p><p>　　螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5）</p><p>　　螺釘?shù)闹睆?d=0.0147mm</p><p>　　螺釘?shù)闹睆竭x擇d=16mm.選擇M16的

108、開槽盤頭螺釘。</p><p>　　經過以上的計算，最終確定的液壓缸的尺寸，內徑為125mm，外徑按中等壁厚設計，根據(jù)表4-2（JB1068-67）取外徑選擇194mm，輸出軸徑為50mm。</p><p><b>　　動片聯(lián)接螺釘?shù)挠嬎?lt;/b></p><p>　　動片和輸出軸之間的聯(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)?/p>

109、作用是使動片和輸出軸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</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　即 </b></p><p>　　式中 ——每個螺釘預緊力；</p><p><b>　　D——動片的外徑；</b>&

110、lt;/p><p>　　f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15</p><p>　　螺釘?shù)膹姸葪l件為 </p><p>　　或 </p><p><b>　　帶入有關數(shù)據(jù)，得</b></p><p><b>　　===26200

111、N</b></p><p>　　螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5）</p><p>　　螺釘?shù)闹睆絛=0.0140mm</p><p>　　螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm.選擇M14的開槽盤頭螺釘。</p><p>　　6．3 機身升降機構的設計計算</p><p>　　6．3．1 手臂片重力矩

112、的計算</p><p>　　圖 6-3 手臂各部件重心位置圖</p><p>　　(1) 估算重量：=300N，=200N，=400N，=800N</p><p>　　(2) 計算零件的重心位置，求出重心到回轉軸線的距離:</p><p>　　=1100mm，=960mm，=790mm ，=430mm。</p><p&g

113、t;　　由于 = </p><p>　　所以 =0.695m</p><p>　　(3) 計算偏重力矩</p><p><b>　　=1182</b></p><p>　　升降導向立柱不自鎖條件</p><p>　　手臂在的作用下有向下的趨勢，而里立柱導套卻阻止這種趨勢。所謂

114、不自鎖條件就是升降立柱能在導套內自由下滑，即</p><p><b>　?。?</b></p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　若取摩擦系數(shù) f=0.16，則導套長度h＞0.32</p><p>　　即 h＞0.32×0.695=0.223m</p&g

115、t;<p>　　升降油缸驅動力的計算</p><p>　　式中 摩擦阻力，，取f=0.16。</p><p>　　G——零件及工件所受的總重。</p><p><b>　　(1) 的計算</b></p><p>　　設定速度為V=0.152m/s;起動或制動的時間差t=0.02s; 近似估算為2800N。

116、</p><p>　　將數(shù)據(jù)帶入上面公式有：</p><p><b>　　2172N</b></p><p><b>　　(2) 的計算 </b></p><p><b>　　=3538.2N</b></p><p>　　所以 =2×3

117、538.2×0.16=1132.2N</p><p>　　(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 </p><p>　　(4) 由于背壓阻力較小，為簡便計算，可將其忽略，=0</p><p>　　所以 F=2172+1132.2+0.03F</p><p>　　當液壓缸向上驅動時，F(xiàn)=6293N&l

118、t;/p><p>　　當液壓缸向下驅動時，F(xiàn)=521N</p><p>　　6．3．4 油缸尺寸參數(shù)的計算</p><p>　　(1) 液壓缸內徑的計算 </p><p>　　液壓缸驅動力按上升時計算，F(xiàn)=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)：</p><p><b

119、>　　==0.0747</b></p><p>　　根據(jù)表(4-1)可選取液壓缸內徑D=100mm。</p><p>　　(2) 液壓缸外徑的計算 </p><p>　　按厚壁計算(3.2)：</p><p>　　式中 ——缸體材料的許用應力，無縫鋼管時=100~110MPa</p><p>　　根

120、據(jù)表4-2（JB1068-67）取外徑選擇168mm.</p><p>　　(3) 活塞桿的計算</p><p>　　設計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應力的=100~120Mpa。本次取=110</p><p>　　則： =0.0085m</p><p>　　活塞桿直徑應大于8.5mm。</p><

121、p>　　(4) 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?lt;/p><p>　　D=100mm，取=160mm，P=1.5MPa，間距與工作壓強有關，見表4-3，間距應小于120mm，試選螺釘數(shù)為6個：</p><p>　　則 Z=，代入數(shù)據(jù)=84<120，滿足要求；</p><p>　　==1962.5N；</p><p>　　選擇K=1

122、.5，=1.5=2943.75N;</p><p>　　=+=1962.5+2943.75=4907N</p><p>　　螺釘直徑按強度條件計算</p><p>　　式中 ——計算載荷，=1.3；</p><p>　　——許用抗拉應力，=；</p><p>　　——螺釘材料的屈服點，材料選擇45鋼，則屈服強度為3

123、52MPa；</p><p>　　n——安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2；</p><p>　　——螺紋內徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。</p><p><b>　　計算：</b></p><p>　　=1.3=1.3×4907=6379.1N</p><p&

124、gt;　　代入數(shù)據(jù)： ===0.0068m</p><p><b>　　液壓驅動系統(tǒng)的計算</b></p><p>　　7.1 繪制液壓系統(tǒng)的工況圖</p><p>　　根據(jù)前面幾部分設計好的各液壓執(zhí)行元件的參數(shù)，以及設計要求等對液壓系統(tǒng)作進一步的工況分析，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)有關工況圖即液

125、壓缸的P-t圖、Q-t圖、N-t圖。</p><p>　　手部夾緊缸(圖7-1)</p><p>　　已知參數(shù)： D=32mm，d=16mm， ，</p><p><b>　　計算工況圖：</b></p><p><b>　　圖7-1</b></p><p>　　腕部回