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1、自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì) 摘要 隨著機(jī)電一體化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)水平獲得了 迅猛的發(fā)展并涉及到人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)及生活的各個(gè)領(lǐng)域，特別是工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn) 加工中的應(yīng)用。機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一種新型技術(shù)裝備， 它能模 仿人體上肢某些動(dòng)作，在生產(chǎn)中代替人搬運(yùn)物體或操持工具進(jìn)行動(dòng)作， 已成為現(xiàn) 代機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。本次設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)自動(dòng)上下料的機(jī)械 手，該系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，且易于控制，控制系統(tǒng)采用一般 PLC所 具有的位移寄存器和位移指令來(lái)編程。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手，液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng) 目錄 1緒論 1 2工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 2.

2、.... 2.1工業(yè)機(jī)械手的組成 2.... 2.2上下料機(jī)械手的工作原理 .3… 2.3規(guī)格參數(shù)的選擇 3..... 2.4設(shè)計(jì)路線與方案 4..... 2.4.1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 4... 設(shè)計(jì)步驟 4..... 研究方法和措施 4.... 3 機(jī)械手各部分的計(jì)算與分析 5.... 3.1手部計(jì)算與分析 5..... 滑槽杠桿式手部設(shè)計(jì)的基本要求 5.. 3.1.2 手部的計(jì)算和分析 5.... 3.2腕部計(jì)算與分析 12 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 12 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 13 腕部擺動(dòng)油缸設(shè)計(jì) 16 選鍵并校核強(qiáng)度 18 3.3

3、臂部計(jì)算與分析 18 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 18 3.3.2 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 20 3.4機(jī)身計(jì)算與分析 28 4液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 4.1 液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 29 4.2 液壓元件的選擇 29 液壓缸 29 液壓泵的選取要求及其具體選取 31 選擇液壓控制閥的原則 33 選擇液壓輔助元件的要求 33 5液壓元件的保養(yǎng)與維修 37 5.1液壓元件的安裝 37 5.2液壓系統(tǒng)的一般使用與維護(hù) 37 5.3 一般技術(shù)安全事項(xiàng) 37 6結(jié)論 39 參考文獻(xiàn) 40 致謝 41 附 錄 42 1緒論 工業(yè)機(jī)械手是人類(lèi)創(chuàng)造的一種機(jī)器，更是人類(lèi)創(chuàng)造的一項(xiàng)

4、偉大奇跡，其研究、 開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)是從二十世紀(jì)中葉開(kāi)始的。 世界工業(yè)機(jī)械手的數(shù)目雖然每年在遞增， 但市場(chǎng)是波浪式向前發(fā)展的。在新 世紀(jì)的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險(xiǎn)的勞動(dòng)環(huán)境都需要用機(jī)器人 代替人工。隨著機(jī)器人應(yīng)用的深化和滲透，工業(yè)機(jī)械手在各行各業(yè)中還在不斷開(kāi) 辟著新用途。機(jī)械手的發(fā)展也已經(jīng)由最初的液壓，氣壓控制開(kāi)始向人工智能化轉(zhuǎn) 變，并且隨著電子技術(shù)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，這項(xiàng)技術(shù)將日益完善。 上料機(jī)械手與卸料機(jī)械手相比，其中上料機(jī)械手中的移動(dòng)式搬運(yùn)上料機(jī)械手 適用于各種棒料，工件的自動(dòng)搬運(yùn)及上下料工作。例如鋁型材擠壓成型鋁棒料的 搬運(yùn)及高溫材料的自動(dòng)上料作業(yè)，最大抓取棒料直徑達(dá)

5、 180mm，最大抓握重量 可達(dá)30公斤，最大行走距離為1200mm。根據(jù)作業(yè)要求及載荷情況，機(jī)械手各 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)。移動(dòng)式搬運(yùn)上料機(jī)械手主要由手爪，小臂，大臂， 手臂回轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)，小車(chē)行走機(jī)構(gòu)，液壓泵站電器控制系統(tǒng)組成，同時(shí)具有高溫棒料啟動(dòng)疏料 裝置及用于安全防護(hù)用的光電保護(hù)系統(tǒng)。整個(gè)機(jī)械手及液壓系統(tǒng)均集中設(shè)置在行 走小車(chē)上，結(jié)構(gòu)緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用 OMRON可編程控制器，各種作業(yè)的 實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。 機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、 傳感器技術(shù)和 計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。它是一種能自動(dòng)控制并可以從 新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)

6、自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境 中的工作。 2工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 2.1工業(yè)機(jī)械手的組成 工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制部分所組成，各部分關(guān)系如下框 圖： 圖2-1 工業(yè)機(jī)械手各部分關(guān)系圖 執(zhí)行機(jī)構(gòu)： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件所組成。 （1 ）手部：直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形 式多樣，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、彈簧式等。 （2） 腕部：是聯(lián)接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物體的方位。 （3） 臂部：手臂是支撐被抓物體，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是 帶動(dòng)手指去抓取物件，并按

7、預(yù)定要求將其搬運(yùn)到給定位置。 該設(shè)計(jì)的手臂有三個(gè)自由度，采用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)（繞橫軸旋轉(zhuǎn)，上下擺動(dòng)和左 右擺動(dòng)）關(guān)節(jié)坐標(biāo)式具有較大的工作空間和操作靈活性，機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)性容易進(jìn) 行優(yōu)化，便于提高機(jī)械手的動(dòng)態(tài)操作性能。 （4 ）行走機(jī)構(gòu)：有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：有氣動(dòng)，液動(dòng)，電動(dòng)和機(jī)械式四種形式。 控制系統(tǒng)：有點(diǎn)位控制和連續(xù)控制兩種方式。 機(jī)身：它是整個(gè)工業(yè)機(jī)械手的基礎(chǔ)。 機(jī)械手功能： （1） 它能部分的代替人工操作； （2） 它能按照生產(chǎn)工藝的要求遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的 傳送和裝卸； （3） 它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。 2.2上下料機(jī)械手的工

8、作原理 上下料機(jī)械手是一種專(zhuān)用的工業(yè)機(jī)械手， 其執(zhí)行程序一般是固化好的，或只 能進(jìn)行簡(jiǎn)單編程，所以機(jī)械手的動(dòng)作是固定的，一種機(jī)械手只能供送一種或有限 的幾種物品，程序控制系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。 供送料機(jī)械手可看做是一種無(wú)料槽、滑道的供送料機(jī)構(gòu)，它在一個(gè)位置（料 槽）抓取物品（工件），然后將其搬運(yùn)到另一個(gè)位置。其基本動(dòng)作是：上料時(shí)， 先由料槽中取出工件，帶著工件到指定工位，將其放在工位上，返回； 卸料時(shí)則 從工位上取下工件，帶走，放到料箱中。上料時(shí)一般有位置及方位要求，而卸料 時(shí)一般無(wú)嚴(yán)格要求，所以上料是關(guān)鍵。 要完成上述動(dòng)作，上下料機(jī)械手的手爪必須到達(dá)兩點(diǎn)（取料點(diǎn)一料槽；放 料點(diǎn)一加工工位）

9、，這可通過(guò)機(jī)械手的手臂來(lái)實(shí)現(xiàn)。手爪必須做兩個(gè)動(dòng)作（抓 取料和放下料），這可通過(guò)機(jī)械手的手爪閉合、張開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。方位要求一般通過(guò) 機(jī)械手的手腕來(lái)滿足供送料要求的運(yùn)動(dòng)，軌跡應(yīng)該是：直線下降一直線升起一 平面圓弧擺動(dòng)一直線下降。 2.3規(guī)格參數(shù)的選擇 工業(yè)機(jī)械手的規(guī)格參數(shù)是說(shuō)明機(jī)械手規(guī)格和性能的具體指標(biāo)， 一般包括以下 幾個(gè)方面： （1） 抓重（又稱(chēng)臂力）：額定抓取重量或稱(chēng)額定負(fù)荷，單位為公斤，本次 設(shè)計(jì)要求抓重為25kg。 （2） 自由度數(shù)目：本次設(shè)計(jì)整機(jī)四個(gè)自由度，手臂三個(gè)自由度，手腕兩個(gè) 自由度。 （3） 定位方式：有固定機(jī)械擋塊，可調(diào)機(jī)械擋塊，行程開(kāi)關(guān)，電位器及其 他各種位置設(shè)定和

10、檢測(cè)裝置，本次設(shè)計(jì)選固定機(jī)械擋塊定位。 （4） 驅(qū)動(dòng)方式：有氣動(dòng)，液動(dòng)，電動(dòng)和機(jī)械式四種形式，本次設(shè)計(jì)選擇液 壓驅(qū)動(dòng)。 （5） 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：臂部上仰60度、下俯30度、回轉(zhuǎn)220度。 （6） 手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)：腕部回轉(zhuǎn)順逆各180度。 （7） 手指夾持范圍和握力：工件直徑d<100mm。 （8 ）定位精度：位置設(shè)定精度和重復(fù)定位精度。 （9）輪廓尺寸：長(zhǎng)X寬X高（毫米）為445.75 X223.15 X459.5mm。 2.4設(shè)計(jì)路線與方案 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 本課題是自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方 面設(shè)計(jì)，以及液壓系統(tǒng)方面的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。在本章中對(duì)機(jī)

11、械手的坐標(biāo)形式、自由度、 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。因此機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的主要任 務(wù)。 242設(shè)計(jì)步驟 （1 ）查閱相關(guān)資料； （2） 確定研究技術(shù)路線與方案構(gòu)思； （3） 結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析； （4 ）根據(jù)所給技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算； （5）按所給規(guī)格，范圍，性能進(jìn)行分析，強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)學(xué)校核； （6 ）繪制工作裝配圖草圖； （7 ）繪制總圖及零件圖等； （8）總結(jié)問(wèn)題進(jìn)行分析和解決。 243研究方法和措施 使用現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)方法和液壓傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 采用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)（四個(gè)自 由度，可以繞橫，縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)和上下左右擺動(dòng)）。 液壓驅(qū)動(dòng)即是以油液的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。抓重

12、能力大，結(jié)構(gòu)小巧輕便， 傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈便，可無(wú)級(jí)調(diào)速，進(jìn)行連續(xù)軌跡控制，易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。但 因油的泄露對(duì)工作性能影響較大，故它對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，且不宜在高溫或低 溫下工作。 3機(jī)械手各部分的計(jì)算與分析 3.1手部計(jì)算與分析 手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類(lèi)。夾持類(lèi)最常見(jiàn)的 主要有夾鉗式，本設(shè)計(jì)主要考慮夾鉗式手部設(shè)計(jì)。 夾鉗式手部是由手指，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置二部分組成，它對(duì)抓取各種形狀 的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸， 盤(pán)，套類(lèi)零件，一般情況下多采用兩個(gè) 手指。手部示意圖如下： 圖3-1手部示意圖 滑槽杠桿式手部設(shè)計(jì)的基本要求 (1 )應(yīng)具有適當(dāng)

13、的夾緊力和驅(qū)動(dòng)力 (2) 手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉范圍 （3） 應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度 （4） 要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高 （5） 應(yīng)考慮通用性和特殊要求。 手部的計(jì)算和分析 （1）手部受力分析 圖3-2 手部受力圖（1） 圖3-3 手部受力圖（2） (2) 手指尺寸初步設(shè)定 由拉桿的力平衡條件: P 2sin 1 p1 cos 1 = p2 cos 2 P P2 P1 P 由 M(F) 0 得 Rh NLab ccos p b*tg * N 又由工件的平均半徑: 心 37.5mm 2 初取V型手指的夾角2

14、o 120 ， Lab 55 mm， 2C 100mm， b 53mm， Lcd 53mm，滑桿總長(zhǎng) h=170mm (3) 夾緊力計(jì)算 又由于工件的直徑不影響其軸心的位置即定位誤差為零, 手指水平位置夾取 水平位置放置的工件。 由參考文獻(xiàn)［2］中表2-1查得: N = 0.5G=0.5 X25=12.5kg (3 — 1) 又因?yàn)? (3 — 2) 當(dāng) 取最小值時(shí)，則增力比較大，手指走到最小行程時(shí)則有 min min 30o  又因?yàn)? p理 竺Ncos2amin c 19.88kg Pi (3 — 3) (3 — 4) 取

15、安全系數(shù)K 1.5 ,工作情況系數(shù) k2 1.5,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率 0.9 19.88 Xl.5 XI.5 09 50kg 手指夾緊時(shí)：夾緊缸活塞移動(dòng)范圍 L= 130mm，其動(dòng)作時(shí)間t=1.5s （由機(jī) 械手的動(dòng)作節(jié)拍時(shí)間得之），所以?shī)A緊活塞移動(dòng)得平均速度 v為: l 13 v t 1.5 8.67 cm s 運(yùn)動(dòng)部件得總重估算G = 10kg 夾緊力N與驅(qū)動(dòng)力P的關(guān)系: 由于結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱(chēng)，在驅(qū)動(dòng)力P的作用下，每一滑槽杠桿受力相等 圖3-4 夾緊力與驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系圖 在不計(jì)摩擦力的情況下: P 2cos 1 1為夾緊狀態(tài)得傾斜角1 = 5

16、0夾緊工件半徑為50mm —=38.9kg 2cos 1 根據(jù)各力對(duì)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)Oi的力矩平衡條件，同樣在不計(jì)摩擦力的情況下 Nb RC PC 2cos C為杠桿動(dòng)力臂，即驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)對(duì)滑槽杠桿作用力 P1對(duì)支點(diǎn)O1的垂直距離。 又因?yàn)閍=50mm C= — cos 1 50 cos50o 77.8 78mm Nb= Rc PC 2cos 1 12.5 b 50 78 2 cos50° 78 243mm 12.5 當(dāng)夾緊半徑為25mm的工件時(shí), cos 1 cos70o Nb= P1C 2co N a P 2 b co

17、s2 1 12.5 50 50 a 50 2 o 2 b cos 50 PC 2 )S 1 146.2 147mm 243mm (4) 動(dòng)作特性和傳動(dòng)特點(diǎn) 定位到最大行程時(shí), 50o cos a max Lmax 60 °,可見(jiàn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比將在下列范圍 (3 — 5) 則 a x Lmax 80mm 取 Lmax 130mm COS max 1 又因?yàn)镃OS max max 60O,滑槽杠桿手指最大開(kāi)閉角為 2 rmax a max 120 滑槽傾斜角的變化范圍可以為 60° 內(nèi)變化: a

18、N 小a 2- 2b P b 0.1 N 0.4 P 所以開(kāi)始所初步取的a，b與 均符合要求。 (5) 確定夾緊油缸外徑D ① 驅(qū)動(dòng)桿行程與手指開(kāi)閉范圍關(guān)系 1. 2 —分別為手指夾緊工件范圍值時(shí)，滑槽相對(duì)于兩支點(diǎn)連接的傾斜角 L atg 1 atg 2 78mm 考慮到機(jī)構(gòu)效率，傳力比N/P的公式應(yīng)力： N a P 2b cos2 1 =0.9 又因?yàn)镚=250N,夾緊力F=500N, 2 60o 則 Ffs f fw 0.2 250 50N Ff f fw 0.1 250 25N 式中：fw —工作負(fù)載即為重物重力fw = 250N

19、 o Ff —導(dǎo)軌摩擦阻力負(fù)載，對(duì)于平導(dǎo)軌 Ff f(G FRn) FRn —垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，F(xiàn)Rn二0 f—導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1 Fa 9 v 5 ?般取 t = 0.01-0.5s ， v t時(shí)間內(nèi)速度變化量: g t 25 5 Fa 4.23N 9.8 0.05 60 啟動(dòng)： F Ffs Fa 54.23N 穩(wěn)態(tài)： F Ffa Fw 275 N ② 工作壓力P的確定，工作壓力根據(jù)負(fù)載大小及機(jī)

20、器的類(lèi)型來(lái)初步確定。參 閱參考文獻(xiàn)⑸中表37.5按載荷選擇工作壓力為1 MPa。 ③ 計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d，由負(fù)載可知最大負(fù)載F為275N。 根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)表2 — 2取巳為0.5 MPa， cm為0.95，d/D為0.7。 又因?yàn)椋? D 0.0223m (3 — 6) p柯i旦1 P， D 根據(jù)參考文獻(xiàn)［8］中表2 — 4，將液壓缸內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑 D=25mm, 活塞桿直徑按d/D = 0.7及參考文獻(xiàn)［8］中表2 — 5活塞直徑系列取d=18mm 按工作要求夾緊力為一個(gè)夾緊缸提供， 考慮到夾緊力的穩(wěn)定性。夾緊缸的工 作壓力應(yīng)大于復(fù)位

21、彈簧的彈力 又因?yàn)檫M(jìn)油缸在有桿腔，則其有效工作面積: A — D2 d2 0.188cm2 4 PyD ④ 液壓缸壁厚和外徑計(jì)算： (3 — 7) Py為最大工作壓力P的1.5倍，Py = 1.5 MPa 材料為高強(qiáng)度鑄鐵， =60 MPa 3.125mm D, D 2 25 2 4 33mm 液壓缸工作行程的確定，并參照參考文獻(xiàn)［8］中表2 — 6中的系列尺寸選取標(biāo) 準(zhǔn)值 S=100mm。 ⑤ 缸蓋厚度的確定 一般液壓缸為平底缸蓋，其有效厚度t按強(qiáng)度要求計(jì)算。 t 0.433D2* Py (3 — 8) t 0.27mm 現(xiàn)取 t=20mm 。 活

22、塞的寬度B一般取 B=(0.6-1.0)D=0.6D=15mm ⑥ 夾緊缸彈簧的確定 彈簧工作載荷F=50N,最大軸直徑Dmax 18mm,最小筒直徑Dmin 25mm 彈簧剛度k f 0.769 N mm 查參考文獻(xiàn)⑸中表30.2 — 8圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)得 材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mm,節(jié)距P=10.4mm,單圈彈簧工作極 限載荷下變形量為7.075mm，單圈彈簧剛度k 24.5 N mm。 (3 — 9) G maxd 8PmaxC' C D 10 d C-直徑比，G —彈簧材料的剪切彈性模量，鋼材G= 8 105 kgcm2 , Pm

23、ax 100N 計(jì)算得Z=110mm,則活塞缸總長(zhǎng)L=120mm。 3.2腕部計(jì)算與分析 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步 改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕具 有獨(dú)立的自由度，此設(shè)計(jì)手腕有繞 X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和沿X軸左右擺動(dòng)兩個(gè)自由度。手腕 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)油缸，擺動(dòng)也采用回轉(zhuǎn)油缸。他的結(jié)構(gòu)緊湊， 靈活，自由度 符合設(shè)計(jì)要求，它要求嚴(yán)格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩。 （1） 腕部處于臂部的前端，它連同手部的動(dòng)靜載荷均由臂部承受。腕部的 結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)動(dòng)性能。因此在腕部

24、設(shè) 計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 （2） 腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)聯(lián)接和支承作用，除了保證力和 運(yùn)動(dòng)的要求以及具有足夠的強(qiáng)度和剛度外還應(yīng)綜合考慮合理布局腕部和手部的 連接、腕部自由度的檢測(cè)和位置檢測(cè)、管線布置以及潤(rùn)滑、維修調(diào)整等問(wèn)題。 （3 ）腕部設(shè)計(jì)應(yīng)充分估計(jì)環(huán)境對(duì)腕部的不良影響（如熱膨脹，壓力油的粘 度和燃點(diǎn)，有關(guān)材料及電控電測(cè)元件的耐熱性等問(wèn)題）。 腕部的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示，它可做與手臂垂直方向（例如 丫軸方向）橫移， 還可以繞丫軸或Z軸回轉(zhuǎn)。 圖3-5手腕運(yùn)動(dòng)示意圖 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服以下幾種阻力： （1） 腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩

25、 M摩： 由靜力學(xué)平衡方程求得 M 摩=f R1D1 &D2 X kgf m （3 — 10） 式中：D1、D2—軸承直徑（m） R1、R2 —軸承處支反力（kgf-m） f—軸承的摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承f=0.01-0.02 為簡(jiǎn)化計(jì)算取M摩0.1M 總阻力矩 G —工件重量（kgf） G2 —手部重量（kgf ） G3 —手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重量（kgf） （2） 克服由于G1重心偏置所引起的力矩M偏： (3— 11) M 偏=G1 e (kgf) 式中e—工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離(m) (3) 克服啟動(dòng)慣性，所需的力矩 M慣 啟動(dòng)過(guò)程近似等加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)手腕回

26、轉(zhuǎn)的角加速度 及啟動(dòng)所用的角速度 起, 2 M 慣=0.0175 J J工牛 一 (3 —12) 式中:J工牛一工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kgf m s 2 2 2 J工件 m L2 3R2 6.028 kgf m s2 (3— 14) J—手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kgf m s2 —手腕回轉(zhuǎn)過(guò)程的角加速度秒 —啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度(度) 手腕回轉(zhuǎn)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)當(dāng)?shù)扔谏鲜鋈?xiàng)之和： M總M偏M摩M慣 因?yàn)槭滞蠡剞D(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J+J工件不是很大，手腕起動(dòng)過(guò)程所產(chǎn)生的轉(zhuǎn) 動(dòng)力矩也不大，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以將計(jì)算M偏，M摩適當(dāng)放大，而省略掉M慣，

27、 這時(shí) M總1.1 M偏M摩 ① 設(shè)手指，手指驅(qū)動(dòng)油缸及回轉(zhuǎn)油缸轉(zhuǎn)動(dòng)件為一個(gè)等效圓柱體， L=50cm， 直徑 D=10cm，則 m=27.5kg。 ② 摩擦阻力矩M摩=0.1 M總阻力矩 ③ 設(shè)起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 起=20°,等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 100 s 2 M 偏=0.0175 J J 工件 2 1 查型鋼表有： J -mR2 0.034 kgf m s2 (3 —13) 代入M慣=256 (N m ) M摩=°.1 M總阻力矩 M摩=0.1 M總阻力矩+265 265 M= 294.4 kg m 0.9 確定轉(zhuǎn)軸的最小尺寸: d M驅(qū) 0.2

28、Wt —抗扭剖面模量,W 0.2d3 , 294.4 101 /0.2d3 (3— 15) T 查得 T 60MPa ,d 15mm，取轉(zhuǎn)軸直徑d=40mm。 ④回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力矩 M總，機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)所采用的單葉片回轉(zhuǎn)油缸，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-6所示，它的回轉(zhuǎn)角小于360度。 定片2與缸體1固連，動(dòng)片3與輸出軸4固連，當(dāng)a,b 口分別進(jìn)出油時(shí)，動(dòng)片帶動(dòng)輸 出軸回轉(zhuǎn)達(dá)到手腕回轉(zhuǎn)目的。 圖3-6葉片式擺動(dòng)缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 M= Pb(R2-r2) M總 (3 — 16) 式中：M總一手腕回轉(zhuǎn)總

29、的阻力矩（Nm ） P—回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力 r—缸體內(nèi)徑半徑（cm） R—輸出軸半徑（cm） b —?jiǎng)悠瑢挾? 注：可按外形要求或安裝空間大小, 先設(shè)定 b,R,r中兩個(gè): 2b D-d 2， D 又因?yàn)?d=40mm ，則 D=80mm ， b=60mm 取空=3 D-d D=1.5-2.5,取 D=2 d ' 去頂回轉(zhuǎn)油缸工作壓力: 2M總 總、 P 2 2~ b(R r ) 2 294.4 2 6 (82 42) 8.01(kg/cm) 由于系統(tǒng)工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此壓力, 因此回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力足以克服摩擦 力

30、。 3.2.3腕部擺動(dòng)油缸設(shè)計(jì) (3— 17) 偏離重心e的計(jì)算及M偏 50 Y— e ■ ■ 1 — L 圖3-4 腕部擺動(dòng)油缸設(shè)計(jì)尺寸圖 估計(jì) L=45cm , e 16cm,e2 45cm, R 5cm , m干 29.7kg e (m 桿 e m 件 e?)/m 桿 m件 =30cm 克服重心偏置所需的力矩 M偏Ge 16.41(kgf m) 克服摩擦所需力矩M摩=0.1cm 克服運(yùn)動(dòng)慣性所需的力矩M慣： 2 2 2 2 J桿=m(L 3R )/12 me, 0.7654(kg-m- s

31、2) J 件=mq2=25 0.452 =5.1(kg-m- s2) 2 J總=5.8654(kg-m- s ) M 慣=JW/t 設(shè) w= 500 / s ,起 20o 2 M 慣=0.0175 J總 w / 起=12.83(kgf m) 則擺動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力矩： M M 摩 M 偏 M 慣=32.14(kgf m) 確定轉(zhuǎn)軸的最小直徑： (3— 18) TtM 驅(qū)/WT [T] 抗拒剖面摸量WT花d3(mm3) 所需驅(qū)動(dòng)力矩： 16M驅(qū) []T 30mm 取 d=50mm 所以機(jī)械手的擺動(dòng)采用單葉片回轉(zhuǎn)油缸，定片與缸體固連，動(dòng)片與轉(zhuǎn)軸固連,

32、 當(dāng)兩油口分別進(jìn)出油時(shí)，動(dòng)片帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到腕部擺動(dòng)目的 2 2 M總 總、 p b (R r ) 2 又因?yàn)? 取 D =1.5-2.5, d 2b D-d d=2，云 —3 )d 所以：d=50mm，所以 D=100mm ，b=75mm 確定回轉(zhuǎn)油缸工作壓力: 2M總 b(R2 r2) 2 10.58 kg / cm 由于系統(tǒng)工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此壓力，因此該缸的工作壓力足以克服摩擦力 選鍵并校核強(qiáng)度 轉(zhuǎn)軸直徑d=40mm,由參考文獻(xiàn)⑸中GB1095-79 選鍵為b h=12 8 鍵校核如下公式： p=2T 103/kld [ p

33、] (3— 19) K—接觸面的高度 k=0.4h=0.4 X8=3.2mm p =32.24mp a<[ p ] 轉(zhuǎn)軸直徑d=50mm,由參考文獻(xiàn)⑸中GB1095-79 選鍵為b h=20 10 k=0.4h=0.4 xi0=4mm p=13.208mp a<[ p] 取接方式：靜連接，輕微沖擊，查得[p]=i00 Pa 所以滿足要求 3.3臂部計(jì)算與分析 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 手臂部件是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工 作），并帶動(dòng)它們作空間轉(zhuǎn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。 因此，臂部具有三個(gè) 自由度才能滿足基本要求：即手

34、臂繞橫軸旋轉(zhuǎn)，左右回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)。手臂的各 種運(yùn)動(dòng)由油缸驅(qū)動(dòng)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)， 從背部的受力情況分析，它在工作中 既直接承受腕部，手部和工件的靜動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力復(fù)雜。 因而，它的結(jié)構(gòu)，工作范圍，靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機(jī)械 手的工作性能。 機(jī)身是固定的，它直接承受和傳動(dòng)手臂的部件，實(shí)現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。臂 部要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，需滿足下列各項(xiàng)基本要求： （1 ）機(jī)械手臂式機(jī)身的承載 機(jī)械手臂式機(jī)身的承載能力，取決于其剛度，結(jié)構(gòu)上采用水平懸伸梁形式。 顯然，伸縮臂桿的懸伸長(zhǎng)度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷 變化，對(duì)于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能，位

35、置精度和負(fù)荷能力等影響很大。為可提高剛度， 盡量縮短臂桿的懸伸長(zhǎng)度，還應(yīng)注意： ① 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸 臂部和機(jī)身既受彎曲（而且不僅是一個(gè)方向的彎曲） 也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用抗彎 和抗扭剛度較高的截面形狀。所以機(jī)械手常用工字鋼或槽鋼作為支撐板，這樣既 提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng) 裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及管道，有利于結(jié)構(gòu)的緊湊，外形整齊。 ② 高支承剛度和選擇支承間的距離 臂部和機(jī)身的變形量不僅與本身剛度有關(guān)，而且同支撐的剛度和支撐件間距 離有很大關(guān)系，要提高剛度，除從支座的結(jié)構(gòu)形狀，底板的剛度以及支座與底版 的連接剛度等方面考慮外，

36、特別注意提高配合面間的接觸剛度。 ③ 合理布置作用力的位置和方向 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合具體受力情況，設(shè)法使各作用力的變形相互抵消。 a）設(shè)計(jì)臂部時(shí)，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理，確定調(diào)整補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以及減 少重要不見(jiàn)的間隙，從而提高剛度。 b ）水平放置的手臂，要增加導(dǎo)向桿的剛度，同時(shí)提高其配合精度和相對(duì)位 置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或者大部分自重。 c ）提高活塞和剛體內(nèi)徑配合精度，以提高手臂俯仰的剛度。 （2）臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要參數(shù)之一， 它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平，一 般是根

37、據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來(lái)決定。在一般情況，手臂回轉(zhuǎn)俯仰均要求均速運(yùn)動(dòng)， （v和w為常數(shù)），但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊， 要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前的加速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。 對(duì)于告訴運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在 1000?1500mm/s，最大 回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在180°/s內(nèi)，在大部分行程距離上平均移動(dòng)速度為 1000mm/s 內(nèi)，平均回轉(zhuǎn)角速度為90°/s內(nèi)。 為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的措施： ① 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。 ② 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的尺寸輪廓。 ③ 減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸），

38、 盡可能在前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作，并且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。 （3 ）手臂動(dòng)作應(yīng)靈活 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。 對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件，導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理，使手臂運(yùn)動(dòng) 過(guò)程盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生“卡死” 的現(xiàn)象（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。 ① 計(jì)算零件重量，可分解為規(guī)則的體形進(jìn)行計(jì)算。 ② 計(jì)算零件重心位置，求出重心至回轉(zhuǎn)軸線的距離。 ③ 求重心位置并計(jì)算偏重力臂 ： n G總 G? G爪 G腕 G臂 1 i l （3— 20） 2 2 G2 G爪 G腕

39、 G臂2 n G1X1 i l （3— 21） G2 G爪 G腕 G臂 n Gi i l ④計(jì)算偏重力矩： M偏G總 n i= G1X1 （3 — 22） （4）位置精度要高 一般說(shuō)來(lái)，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高； 關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最 難控制，精度差；在手冊(cè)上加設(shè)定位裝置和自檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度， 檢測(cè)裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)，嚙合件的間隙。 除此之外，要求機(jī)械手通用性要好，能適合做各種作業(yè)的要求；工藝性要好, 便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手， 還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵 大的機(jī)械手，

40、還要設(shè)置防塵裝置等。 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 通常先進(jìn)行粗略的估算，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸， 在進(jìn) 行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。 為了便于進(jìn)行液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算，分別對(duì)俯仰缸回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計(jì)敘述如 下： （1 ）小臂設(shè)計(jì) 設(shè)小臂 L=40cm,D=60cm 則 m= R2lp 0.052 0.4 7 103 22kg 2 2 3 m回 R lp 0.05 0.1 7 10 =0.79kg 則手臂總重： m總 22 29.7 0.79 52.49kg ① 俯仰缸的設(shè)計(jì)計(jì)算： 為： 因?yàn)? 設(shè) a 76mm， b 76mm， c 176mm 當(dāng)手臂處在仰角為

41、 1的位置OA時(shí)，驅(qū)動(dòng)力P通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩 M 驅(qū) Pbcos( i i) AD B1C Oi D Oi D 又因?yàn)椋篈1D B1C B1O a 76cos60° 76 15 cos60° 5 11mm O1D C A1B 76 76 si n60° 41mm 丄 2.5 o tg 1= , i = 15 43 M驅(qū) Pbcos（ i i） D2 P=：P P P背 （3— 23） 4 2 P—油缸的工作壓力（kg/cm ） D —油缸內(nèi)徑（cm ） P封一活塞缸與缸徑，活塞桿與端差的密封裝置處的摩擦阻力（ kg） P背 —通油箱，P背 =0

42、 10590.3kg 取 =10600kg M 驅(qū) 10600 0.8 cos(3.3 60) =60356.601kg ?m 當(dāng)手臂處在俯角為2的位置OA2時(shí)，驅(qū)動(dòng)力P通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力 因?yàn)? 所以: tg AE 2 O2E A2E O1C EC B2C OB2 OC bcos 2 O1C c, EC A2B2 bsin 2 丄 1 bcos 2 o a2 tg 2 15 A?E 2.9, c bsin 2 M驅(qū) Pb cos( 2 2) Pbcos(15o 30) 95050.76 kg④m 當(dāng)手臂處在

43、水平位置即 OA為驅(qū)動(dòng)力矩時(shí) Pbcos(15o 30) 95050.76kg2m 因?yàn)镸驅(qū) M慣 M摩,由于手臂與支柱連軸有振動(dòng)軸承，摩擦力矩較小 M摩=0,所以M驅(qū) M慣 M偏 驗(yàn)證油缸是否滿足要求，滿足上仰條件，出于 1時(shí) b cos(tg -i bcos i + c bsin 1 i) 60.356 0.15 cos(tg i0.15 cos600 0.05 0.3 0.15 sin60o 60o) =1134kgf 選取d =0.7，所以p 1MPa D 4p d2 p 4 1134 0.49D2

44、 106 106 2 0.51D 4 1134 106 D=0.053m 整理得到D=63mm，貝U d=45mm。 ② 液壓缸壁和外徑計(jì)算 PyD 2fl 1.5 63 「 5mm 2 60 Py 1.5R 1.5MPa (3— 24) 材料為高強(qiáng)度鑄鐵，[]=60 Pa D1 D 26 63 2 5 73mm 液壓缸為平底缸差，其厚度t按強(qiáng)度要求計(jì)算 無(wú)孔時(shí): 0.433D2 0.433 63 1.67mm 取 t=3mm ③ 液壓缸工作行程的確定 由 AB AqB2 S得 S=16mm 由參考文獻(xiàn)［8］中表2-6的

45、系列尺寸查得：S=25cm則活塞桿L=30cm 活塞桿的穩(wěn)定性校核，活塞桿由 45鋼制成。桿長(zhǎng)300mm ，d=45mm,最 大壓力P=1134N,設(shè)穩(wěn)定安全系數(shù)為Snst 8 9， s 350MPa， p 280MPa， E 210GPa。 將上面參數(shù)帶入式中求得: 活塞桿兩端可簡(jiǎn)化為鉸支座, 1 p 故 2e 2 9 210 10 6 86 28 106 1，活塞桿橫截面為圓形 i= 4故為 300 10 3 26.7 _l 4 i 45 10 3 因?yàn)?1，故不能用歐拉公式計(jì)算，使用直線公式，由參考文獻(xiàn)⑸中表10.1 a

46、461MPab 2.568MPa 可得: 6 6 a s 461 10 350 10 6 b 2.568 10 43.2 w a b 393MPa Pw Aw — (45 10 3)2 625.04k N 4 而P=1134N，活塞桿的工作安全系數(shù)為n=竝551譏七，所以滿足要 P max 求。 (2) 油缸端蓋的連接方式及強(qiáng)度計(jì)算 為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距t1，進(jìn)而決定螺釘?shù)臄?shù)目。缸的 一端為缸體與缸蓋鑄造成一體，另一端缸體與缸蓋采用螺釘連接 ①缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距 tl，進(jìn)而決定螺釘?shù)臄?shù)

47、目，在這 種連接中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力 Qo為工作載荷Q和預(yù)進(jìn)力Qo之 和。 (3— 26) 367.95kgf 式中：P—驅(qū)動(dòng)力kgf P—工作壓力kgf/ cm2 Z—螺釘數(shù)目，取8 s'—預(yù)緊力kgf =K ，K=1.5-1.8 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為: 1690kgf /cm2 理[] d1 d1 (3— 27) d1 式中：Q1=1.3 o —計(jì)算載荷（kgf） []——抗拉許用應(yīng)力（kgf/cm2） n n 1.2 2.5，d1 —螺紋內(nèi)徑（cm） 2 表3-1 常用螺釘材料的流動(dòng)極限 kgf / cm 鋼號(hào)

48、 10 A2 A3 35 45 40cr  s 2100 2200 2400 3200 3600 6500-900 0 ②缸體螺紋計(jì)算: K1Q0 2 2~ (d D ) (3 — 28) di 4KQ D2 [] v n (cm) 式中s KP (1.5 1.8) P D2 rp D—油缸內(nèi)徑 Ki —考慮螺紋拉應(yīng)力和扭應(yīng)力合成作用系數(shù)取 Ki=1.3 （3）大臂回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)的力矩： M驅(qū) M慣M封M回 M 封 M 封i M 封2 L d° ：f 2k k 1 2 M 封 1 2LMP 2 D

49、 —輸出軸與缸差密封處的直徑（cm） L—密圭寸的有效長(zhǎng)度（cm） do — “0 ”形密封圈的截面直徑（cm ） k — “O ”形圈在裝配時(shí)壓縮率，對(duì)于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， k=0.03-0.35 —摩擦系數(shù) P—回轉(zhuǎn)軸缸的工作壓力(kg/ cm2) 選取 =0.5 , b=10cm,p=80kg/ cm2,設(shè)d=6mm , 若 D 1.5 2.5,則取 D 2,D 2d d d 2b D d 2，取空 D d 2 10 2d d 3d,d 6.7cm 3, 7cm, D=14cm 選用O型橡膠密封圈S58型，do=4.7mm，則 l

50、 0.47 2 0.05 0.052 0.15cm d2l 1 7 0.15 0.5 80 65.98kg cm M封側(cè)一動(dòng)片側(cè)面與缸蓋密封處的摩擦阻力距: M封側(cè) D d 1 2 2 5 8h(D d)P l1 dr 2k k2 0.6 .2 0.05 0.052 0.19cm M封側(cè) 1 2 2 -l1(D2 d2)p 8 1 0.19 (142 8 72) 80 0.5 139.65kg cm M封徑532kg M慣j0 w — (kg cm) w —回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片的角速度變化量，在啟動(dòng)過(guò)程中 w w （弧度/秒）

51、t —啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間 J0 —手臂回轉(zhuǎn)部件，對(duì)回轉(zhuǎn)軸的輕功慣量（kg cm s2） 若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為 ，則j0 jc Gp2 g jc —回轉(zhuǎn)零件對(duì)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 jc m工件 ]2 m手臂r2 12 2 m回 12 2 2 (I +3R0) 25 12 1.72 52.49 0.12 ^.^(0.122 3 0.072) 12 6.314(kg cm s2) 2 j0 =649.2 ( kg cm s) 設(shè)角速度w 40o /s，啟動(dòng)時(shí)間t 0.1s M 慣 649.2 上0 0.1 0.0175 454

52、4.5kg cm D M 回 d bp回 pd 2 ￡bp回（庁-d2） (3 — 29) 2 取 p回=0.2P=16 ( kg cm) M驅(qū) 11760 由內(nèi)徑公式: 基本滿足要求，則 4544.5 139.65 8M驅(qū) V bp D 15.11cm 16 (142 72) 11760kg cm 532 2 65.98 17108.11kg cm 十 f1 °25 D2 D=16cm ，d=8cm。 （4）缸蓋連接螺釘和動(dòng)

53、片連接螺釘計(jì)算 []或 d1 0.65cm (取 d1=8mm ) 4Qj (3 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為: 1.3Qj 4 —30) 式中：d1 —螺釘?shù)膬?nèi)徑 (cm) Qj —計(jì)算載荷（ kgf) []—螺釘材料作用拉應(yīng)力 3.4機(jī)身計(jì)算與分析 機(jī)身是直接支撐和傳動(dòng)手臂的部件。 般實(shí)現(xiàn)臂部的升降，回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn) 動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上, 或者直接構(gòu)成機(jī)體的軀干與底座相連。 因此，臂部的運(yùn)動(dòng)愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜。機(jī)身既可以是固定的, 也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。 此次設(shè)計(jì)機(jī)身為地面軌道運(yùn)

54、動(dòng) 式。它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是步進(jìn)電機(jī)其型號(hào)為 Y132S — 8功率2.2KW轉(zhuǎn)速710r/min ， 再電動(dòng)機(jī)后接了一個(gè)圓錐圓柱齒輪減速器其輸出速度為 1.2m/s。在后是一個(gè)制 動(dòng)箱。其主要參數(shù)是由外部計(jì)算機(jī)調(diào)整和控制， 在很大程度上是由運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡 運(yùn)動(dòng)而去編制小車(chē)的運(yùn)行程序。由以上對(duì)機(jī)身的分析和前面的計(jì)算完成機(jī)身結(jié)構(gòu) 圖見(jiàn)附錄 由以上對(duì)機(jī)械手各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分析與計(jì)算，完成機(jī)械手總裝配圖見(jiàn)附錄 4液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是以 PLC來(lái)控制整個(gè)液壓元件，通過(guò)控制液壓缸的電磁 換向閥而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。至于機(jī)械手在空間的運(yùn)動(dòng)和定位則由外部 的電腦操作系

55、統(tǒng)完成，它主要先進(jìn)行機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析， 動(dòng)力學(xué)分析，軌跡規(guī) 劃和編程。從而由上述系統(tǒng)完成整個(gè)機(jī)械手在空間的行走，定位和重復(fù)定位等操 作。 (1) 換向回路的選擇 夾緊缸換向選用二位三通閥，其他缸全部選用 B型的三位四通電磁換向閥。 選用B型電磁閥便于微機(jī)控制，選中位為 0型是使定位準(zhǔn)確。 (2) 調(diào)速方案的選擇 本系統(tǒng)是功率較小的，故選簡(jiǎn)單的進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速。 (3) 緩沖回路的選擇 選用二位三通閥加入油路，便于微機(jī)控制，提高自動(dòng)化程度。 (4) 系統(tǒng)的安全可靠性的選擇 為防止伸縮缸在仰起一定角度后的自由下滑， 都采用單向順序閥來(lái)平衡。為 保證夾緊缸夾持工件的可靠性選用液

56、控單向閥保壓和鎖緊。 4.2液壓元件的選擇 液壓缸 根據(jù)前面設(shè)計(jì)好的各種液壓缸的參數(shù)。 (1) 活塞缸 已知參數(shù)(包括設(shè)計(jì)出的參數(shù))：Di,di,Fi(t),Ui(t) i —表示第幾個(gè)缸的參數(shù)： 無(wú)桿腔進(jìn)油： 2 R(t) Fi(t)/( Di ) (4 — 1) 4 2 Qi(t) Vi(t) —Di 4 有桿腔進(jìn)油： 2 2 R(t) Fi(t)/H(Di di )] (4 — 2) (4 — 3) (4 — 4) (4 — 5) (4 — 6) 4 2 9 Qi(t) Vi(t) -(Di di ) 4 Ni(t) Fi(t) Vi(

57、t) (2) 擺動(dòng)缸 已知參數(shù)：Di,di,M i(t), Wi (t),b, R(t) Mi(t)/[號(hào)(Di 2 Qi(t) [bi(Di di )/8] Wi(t) Ni(t) Mi(t) Wi(t) 注意已知參數(shù)中Fi(t),Vi(t), M i(t),Wi(t)在前面設(shè)計(jì)中不夠明確時(shí)，則要進(jìn)行分 析。 ① 單作用彈簧復(fù)位的夾緊缸； Di =25mm ， di=18mm F 275NN V =8.67cm/s 注意：t1為尚未夾持工件的時(shí)間。 ② 手腕回轉(zhuǎn)缸 D2=80mm ， d2=40mm ， b2=60mm di2)] 8 ③手腕擺

58、動(dòng)缸 M2 294.4N m t _ 3 265 t 1 w 1000s i 321.4N m t 3 0 M3 2 W3 50 /s 128.3 t - 3 ④手臂回轉(zhuǎn)缸 D4 =160mm , d4=80mm , b4=120mm 1 1711N m t 3 0 M 4 4 W4 40 /s 1176 t - 3 注意：忽略角加速度和角減速度的影響 ⑤手臂仰俯活塞缸: F5 1334N t 0.05 1134N t 0.55 V=5cm/s （3 ）估算流量 ①夾緊缸：Q 8.67

59、 4 3?01 20恥 min。 ②手腕回轉(zhuǎn)缸： q2 3b(D2 d2)w 400 62.74L / min ③手腕擺動(dòng)缸： Q3 [b(D2 d2)/8] w 58.4L / min ④手臂回轉(zhuǎn)缸： Q4 [b(D2 d2)/8] w 129.6L/min ⑤手臂仰俯活塞缸： Q5 V -D2 5 -6.于 1562l D5 =63mm ， d5 =45mm / min 液壓泵的選取要求及其具體選取 （1 ）計(jì)算液壓泵的工作壓力 泵的工作壓力是所有液壓缸中工作壓力最大者與管道壓力損失之和。即: i max (4 —

60、7) P—管道和各類(lèi)閥的全部壓力損失之和。 可先估計(jì)，一般?。?P=（5-8） 105Pa （2） 計(jì)算液壓泵的流量 Qp Kq i max 式中：K—泄露折算系數(shù)，一般，K=1.1-1.5 （3） 選擇液壓泵的規(guī)格 參照設(shè)計(jì)手冊(cè)或產(chǎn)品樣本，選取其額定壓力比 Ps高25% — 60%，其流量與 上述計(jì)算一致的液壓泵。 （4 ）計(jì)算功率，選用電動(dòng)機(jī) ① 按工況圖，找出所有缸 N-t圖中最高功率點(diǎn)的Nmax對(duì)應(yīng)的FS （計(jì)算值） 和泵額定流量的乘積，然后除以泵的總效率 p N電 $ °卩 （4 — 8） p ② 確定液壓泵的流量壓力和選擇泵的規(guī)格， 泵的工作壓力

61、的確定?？紤]到正 常工作中進(jìn)油路有一定的壓力損失，所以，泵的工作壓力為： Pp F F Fp —液壓泵的最高工作壓力； P—執(zhí)行元件的最高工作壓力 P —進(jìn)油管路中的壓力損失，初算時(shí)，簡(jiǎn)單系統(tǒng)可取 0.2 — 0.5 MPa， P =0.5 MPa，Pp=4.5+0.5=5 MPa 上述計(jì)算所得的Pp是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過(guò)渡，階段出 現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力往往超過(guò)靜態(tài)壓力。另外考慮到，一定的壓力儲(chǔ)備量并確保泵的壽 命，因此選泵的額定壓力Pn應(yīng)滿足Pn （1.25 1.6）Pp Pn 1.25Pp 1.25 5 6.25MPa ③ 泵流量的確定 液壓泵的最大流量

62、應(yīng)為： qp K|( q)max (4 — 9) 式中：qp —液壓泵的最大流量 (q)max —同時(shí)工作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如果這時(shí)溢流 閥正進(jìn)行工作，尚需加溢流閥的最小溢流量 2?3L/min K| —系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取 K|=1.1-1.3，現(xiàn)取K|=1.2 qp 1.2 80 96L/min ④ 選擇液壓泵的規(guī)格。根據(jù)以上算得 Pp和qp，再查閱有關(guān)手冊(cè)，現(xiàn)選用 YB-80BI雙聯(lián)葉片泵，該泵的基本參數(shù)為：每轉(zhuǎn)排量：10-194mL/r;泵的額定壓 力Pn=10.5 MPa ;電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 nB 1500r/min ;容積效率 r 0.85 ;總效率 0

63、.7。 ⑤ 與液壓泵匹配的電動(dòng)機(jī)的選定。首先分別計(jì)算出不同工況時(shí)的功率， 取它 們之間的最大值作為選取電動(dòng)機(jī)規(guī)格的依據(jù)。 由于在速度較小時(shí)，泵輸出的流量 減小，泵的效率急劇下降，一般當(dāng)流量在0.2-1L/min范圍內(nèi)時(shí)，可取0.03-0.14。 同時(shí)，應(yīng)注意到，為了使所選擇的電動(dòng)機(jī)在經(jīng)過(guò)泵的流量特性曲線最大功率點(diǎn)時(shí)， 不致停車(chē)，需進(jìn)行驗(yàn)算，即： Pn qp 2叭 (4 — 10) 泵的工作壓力：P=245.25 N / cm2 “ .NQ(H H )… N 電 k 1.57 kW yyc 式中：k —余量系數(shù)，取K=1.05 Q—泵出油量 H —油頭 H —主管損

64、失油頭 y —泵的功率 y—傳動(dòng)效率直接傳遞為1 選電機(jī)：Y100L1 4,N 2.2kW,n 1430rpm 選擇液壓控制閥的原則 按控制閥的額定流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過(guò)該閥的最大流量原則 選擇液壓輔助元件的要求 （1） 濾油器 按泵的最大流量選取流量略大些的濾油器，濾油精度在為 100 m網(wǎng)式或線 段式濾油器即可。 （2） 油管和管接頭的通徑與閥一致來(lái)選取。 （3 ）油箱容積Q=50Qp 注意：Qp單位若為L(zhǎng)/min時(shí)，V的單位為（dm）3 Qp單位若為m'/min時(shí)，V的單位為m3 ①液壓元件的選擇 單向壓力補(bǔ)償調(diào)速閥：QI-63B，QI-130B，Q

65、I-23B 單向閥：1-25 減壓閥：1-10 單向順序閥：XI-160B 二位三通電磁閥：23D-10B，23D-50B，23D-100B 二位四通電磁閥：24D-25B , 34DY-63B , 34S-160B 線隙式濾油器：XU-B327-75 XU-1337-50 壓力表：丫-60 確定管道尺寸時(shí)本系統(tǒng)主油路流量 q=160L/min ，壓油管的允許流速為 v=4m/s，則內(nèi)徑 d=4.6 . q/v =4.6 ,160/4 =29mm 夾緊油路d=11mm 手腕回轉(zhuǎn)油路d=18mm 手腕擺動(dòng)油路d=18mm 手腕回轉(zhuǎn)油路d=26mm 手腕仰俯油路d=28

66、mm ②液壓油箱的設(shè)計(jì)： 液壓油箱的作用是儲(chǔ)存液壓油，分離液壓油中的雜質(zhì)和空氣，同時(shí)起到分散 的作用。 a）液壓油箱有效容積的確定 液壓油箱在不同的工作條件下，影響散熱的條件很多，通常按壓力范圍來(lái)考 慮。液壓油箱的有效容量 v可概略地確定為：在中低壓系統(tǒng)中（p 6.3MPa）, 可取 v= （5-7） qp。 V=3 qp=6 96=576，故 V=576L 式中：V—液壓油箱有效容量；qp —液壓泵額定流量 應(yīng)當(dāng)注意：設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，設(shè)備中的那部分會(huì)因重力作用而流回液壓油箱。 為了防止液壓油從油箱中溢出，油箱中液壓油位不能太高，一般不應(yīng)超過(guò)液壓油 箱高度的 b）液壓油箱的外形尺寸 液壓油箱的有效容積確定或，需設(shè)計(jì)液壓油箱的外形尺寸，一般尺寸比（長(zhǎng): 寬：高）為：1 : 1 : 1 — 1: 2: 3 為提高冷卻效率，在安裝位置不受限制時(shí)，可將液壓油箱的容量予以增大 根據(jù)油箱有效容量可選BEX— 630。 根據(jù)以上對(duì)液壓系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)，完成自動(dòng)上下料機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖見(jiàn) 附錄，液壓控制電磁鐵通斷表見(jiàn)表 4-1。 表4-1液壓控制電磁鐵通斷表 電磁鐵