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1、自動上下料機械手的設計 摘要 隨著機電一體化技術和計算機技術的應用，機械手的研究和開發(fā)水平獲得了 迅猛的發(fā)展并涉及到人類社會生產及生活的各個領域，特別是工業(yè)機械手在生產 加工中的應用。機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一種新型技術裝備， 它能模 仿人體上肢某些動作，在生產中代替人搬運物體或操持工具進行動作， 已成為現(xiàn) 代機械制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分。本次設計主要設計自動上下料的機械 手，該系統(tǒng)采用液壓驅動，傳動平穩(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編程。 關鍵詞：機械手，液壓驅動，控制系統(tǒng) 1緒論 1 2工業(yè)機械手的設計方案 2 2.1 工

2、業(yè)機械手的組成 2 2.2 上下料機械手的工作原理 3 2.3 規(guī)格參數(shù)的選擇 3 2.4 設計路線與方案 4 2.4.1 機械手的總體設計方案 4 2.4.2 設計步驟 4 2.4.3 研究方法和措施 4 3機械手各部分的計算與分析 5 3.1 手部計算與分析 5 3.1.1 滑槽杠桿式手部設計的基本要求 5 3.1.2 手部的計算和分析 5 3.2 腕部計算與分析 12 3.2.1 腕部設計的基本要求 12 3.2.2 腕部回轉力矩的計算 13 3.2.3 腕部擺動油缸設計 16 3.2.4 選鍵并校核強度 18 3.3 臂部計算與分析 18 3.

3、3.1 臂部設計的基本要求 18 3.3.2 手臂的設計計算 20 3.4 機身計算與分析 28 4液壓系統(tǒng)設計 29 4.1 液壓系統(tǒng)總體設計 29 4.2 液壓元件的選擇 29 4.2.1 液壓缸 29 4.2.2 液壓泵的選取要求及其具體選取 31 4.2.3 選擇液壓控制閥的原則 33 4.2.4 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 37 5.3 一般技術安全事項 37 6結論 39 參考文獻 40 致謝 41 附錄 42 I 西南科技大學應用型自

4、學考試畢業(yè)設計（論文） 1緒論 工業(yè)機械手是人類創(chuàng)造的一種機器，更是人類創(chuàng)造的一項偉大奇跡，其研究、 開發(fā)和設計是從二十世紀中葉開始的。 世界工業(yè)機械手的數(shù)目雖然每年在遞增， 但市場是波浪式向前發(fā)展的。在新 世紀的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險的勞動環(huán)境都需要用機器人 代替人工。隨著機器人應用的深化和滲透，工業(yè)機械手在各行各業(yè)中還在不斷開 辟著新用途。機械手的發(fā)展也已經由最初的液壓，氣壓控制開始向人工智能化轉 變，并且隨著電子技術的發(fā)展和科技的不斷進步，這項技術將日益完善。 上料機械手與卸料機械手相比，其中上料機械手中的移動式搬運上料機械手 適用于各種棒料，工件的自動搬運

5、及上下料工作。例如鋁型材擠壓成型鋁棒料的 搬運及高溫材料的自動上料作業(yè)，最大抓取棒料直徑達 180mm最大抓握重量可 達30^斤，最大行走距離為1200mm根據作業(yè)要求及載荷情況，機械手各關節(jié)運 動速度可調。移動式搬運上料機械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回轉機構， 小車行走機構，液壓泵站電器控制系統(tǒng)組成，同時具有高溫棒料啟動疏料裝置及 用于安全防護用的光電保護系統(tǒng)。整個機械手及液壓系統(tǒng)均集中設置在行走小車 上，結構緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用 OMRON編程控制器，各種作業(yè)的實現(xiàn)可以通 過編程實現(xiàn)。 機械手涉及到力學、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

6、一門跨學科綜合技術。它是一種能自動控制并可以從 新編程以變動的多功能機器，它有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境 中的工作。 1 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計(論文) 2工業(yè)機械手的設計方案 2.1 工業(yè)機械手的組成 工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構，驅動機構和控制部分所組成，各部分關系如下框 圖： 圖2-1 工業(yè)機械手各部分關系圖 執(zhí)行機構： 執(zhí)行機構包括抓取部分(手部)、腕部、臂部和行走機構等運動部件所組成。 (1)手部：直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平移型。傳動機構形 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

7、臂的部件，并可用來調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 帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到給定位置。 該設計的手臂有三個自由度，采用關節(jié)式坐標(繞橫軸旋轉，上下擺動和左 右擺動)關節(jié)坐標式具有較大的工作空間和操作靈活性，機械臂的結構性容易進 行優(yōu)化，便于提高機械手的動態(tài)操作性能。 (4)行走機構：有的工業(yè)機械手帶有行走機構。 驅動機構：有氣動，液動，電動和機械式四種形式。 控制系統(tǒng)：有點位控制和連續(xù)控制兩種方式。 機身：它是整個工業(yè)機械手的基礎。 機械手功能： (1)它能部分的代替人工操作； (2)它能按照生產工藝

8、的要求遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的 傳送和裝卸； (3)它能操作必要的機具進行焊接和裝配。 2.2 上下料機械手的工作原理 上下料機械手是一種專用的工業(yè)機械手， 其執(zhí)行程序一般是固化好的，或只 能進行簡單編程，所以機械手的動作是固定的，一種機械手只能供送一種或有限 的幾種物品，程序控制系統(tǒng)相對比較簡單。 供送料機械手可看做是一種無料槽、滑道的供送料機構，它在一個位置(料 槽)抓取物品(工件)，然后將其搬運到另一個位置。其基本動作是：上料時， 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； 卸料時則 從工位上取下工件，帶走，放到料箱中。上料時一般有位置及方位要求

9、，而卸料 時一般無嚴格要求，所以上料是關鍵。 要完成上述動作，上下料機械手的手爪必須到達兩點 (取料點一料槽；放料 點一加工工位)，這可通過機械手的手臂來實現(xiàn)。手爪必須做兩個動作(抓取料 和放下料)，這可通過機械手的手爪閉合、 張開來實現(xiàn)。方位要求一般通過機械 手的手腕來滿足供送料要求的運動， 軌跡應該是：直線下降一直線升起一平面圓 弧擺動一直線下降。 2.3 規(guī)格參數(shù)的選擇 工業(yè)機械手的規(guī)格參數(shù)是說明機械手規(guī)格和性能的具體指標， 一般包括以下 幾個方面： (1)抓重(又稱臂力)：額定抓取重量或稱額定負荷，單位為公斤，本次 設計要求抓重為25kg。 (2)自由度數(shù)目：本次設計整機四

10、個自由度，手臂三個自由度，手腕兩個 自由度。 (3)定位方式：有固定機械擋塊，可調機械擋塊，行程開關，電位器及其 他各種位置設定和檢測裝置，本次設計選固定機械擋塊定位。 (4)驅動方式：有氣動，液動，電動和機械式四種形式，本次設計選擇液 壓驅動。 (5)手臂運動參數(shù)：臂部上仰60度、下俯30度、回轉220度。 (6)手腕運動參數(shù)：腕部回轉順逆各180度。 (7)手指夾持范圍和握力：工件直徑d<100mm (8)定位精度：位置設定精度和重復定位精度。 (9)輪廓尺寸：長X寬X高(毫米)為 445.75 X223.15 X459.5mm 2.4 設計路線與方案 2.4.1 機械手

11、的總體設計方案 本課題是自動上下料機械手的設計，本設計主要任務是完成機械手的結構方 面設計，以及液壓系統(tǒng)方面的簡單設計。在本章中對機械手的坐標形式、自由度、 驅動機構等進行了確定。因此機械手的執(zhí)行機構、驅動機構是本次設計的主要任 務。 2.4.2 設計步驟 (1)查閱相關資料； (2)確定研究技術路線與方案構思； (3)結構和運動學分析； (4)根據所給技術參數(shù)進行計算； (5)按所給規(guī)格，范圍，性能進行分析，強度和運動學校核； (6)繪制工作裝配圖草圖； (7)繪制總圖及零件圖等； (8)總結問題進行分析和解決。 2.4.3研究方法和措施 使用現(xiàn)在機械設計方法和液壓傳

12、動技術進行設計， 采用關節(jié)式坐標(四個自 由度，可以繞橫，縱軸轉動和上下左右擺動)。 液壓驅動即是以油液的壓力來驅動執(zhí)行機構。抓重能力大，結構小巧輕便， 傳動平穩(wěn)，動作靈便，可無級調速，進行連續(xù)軌跡控制，易于實現(xiàn)直接驅動。但 因油的泄露對工作性能影響較大，故它對密封裝置要求嚴格，且不宜在高溫或低 溫下工作。 3機械手各部分的計算與分析 3.1 手部計算與分析 手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類最常見的 主要有夾鉗式，本設計主要考慮夾鉗式手部設計。 夾鉗式手部是由手指，傳動機構和驅動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀 的工件具有較大的適應性，可以抓取軸， 盤，套

13、類零件，一般情況下多采用兩個 手指。手部示意圖如下： 圖3-1手部示意圖 3.1.1滑槽杠桿式手部設計的基本要求 (1)應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力。 (2)手指應具有一定的開閉范圍。 (3)應保證工件在手指內的夾持精度。 (4)要求結構緊湊，重量輕，效率高。 (5)應考慮通用性和特殊要求。 3.1.2手部的計算和分析 (1)手部受力分析 5 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計(論文) 圖3-2 手部受力圖（1） 圖3-3 手部受力圖（2） （2）手指尺寸初步設定 由拉桿的力平衡條件： 2sin ：:1 、Fx =0

14、 Pi cos ：： 1= P2 cos ：： 2 P1 = P 由 M M(F)=0得 pI = NLab h = ccosf p = b*tgf * N 又由工件的平均半徑： Rcp =5^-^53 7. mm 初取 V手指白夾角 2 6=120, Lab =55 mm, 2c = 100mm, b = 53mm, Lcd =53mm,滑桿總長 h=170mm (3)夾緊力計算 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［2］中表2-1查得： N= 0.5G=0.5 X 25=12.5kg (3—1)

15、 又因為： P = 2b N cos2 d (3—2) c 當口取最小值時，則增力比較大，手指走到最小行程時則有 min , Xin =30 又因為： 2b.. 2 p理=一 N cos amin = 19.88kg (3—3) c PU 至 P理"" (3 — 4) 取安全系數(shù)k1 =1.5,工作情況系數(shù) k2= 1.5,傳動機構的機械效率n =0.9 19.88 M.5M.5 0.9 50kg 手指夾緊時：夾緊缸活塞移動范圍 L=130mm其動彳^時間t=1.5s (由機械 手的動作節(jié)拍時間得之)，所以夾緊活塞移動得平均速度 v為: v = ? ="=

16、8.67 cm s t 1.5 運動部件得總重估算況10kg 夾緊力Nf驅動力P的關系： 由于結構左右對稱，在驅動力 P的作用下，每一滑槽杠桿受力相等 圖3-4 夾緊力與驅動力的關系圖 在不計摩擦力的情況下: P=P2=U %為夾緊狀態(tài)得傾斜角％=50夾緊工件半徑為50mm P P = P2=B =38.9kg 根據各力對回轉支點Oi的力矩平衡條件，同樣在不計摩擦力的情況下 八 PC Nb = PC 二 2cos :1 C為杠桿動力臂，即驅動銷對滑槽杠桿作用力 Pi對支點Oi的垂直距離 又因為a=50mm a 50 _ C= = o

17、 = 77.8 : 78mm cos ： 1 cos50 Nb= Rc = pc 2cos ： 1 12.5 b 50 78 2 cos500  38.9 78 b = 243mm 12.5 當夾緊半徑為25mmi工件時，8= 70s a 50 c = = =146.2 ： 147 mm cos: 1 cos 70 Nb= p1c = pc 2~~ 2cos -：:1 11 N a 二二? 2 一 p 2b cos -1 12.5 50 50 - 2 b cos2 50 b 243mm (4)動作特性和傳動特點 定

18、位到最大行程時，：=50 cos 二 max a Lmax Lmax = 80mm cos max 取 Lmax u 130mm 又因為cos%x1, %x <60,滑槽杠桿手指最大開閉角為 rmax a max <1200 滑槽傾斜角的變化范圍可以為 -60 <3 <60 ,可見機構傳動比將在下列范 圍內變化: a . N 小 a 22bp b N 0.1 0.4 P 所以開始所初步取的a, b與口均符合要求。 (5)確定夾緊油缸外徑D ①驅動桿行程與手指開閉范圍關系 四口2 —分別為手指夾緊工件范圍值時，滑槽相對于兩支

19、點連接的傾斜角 L = atg 二 1 一atg ：■ 2 : 78mm 考慮到機構效率，傳力比N/P的公式應力： N a 2 P 2b cos ：1 。=0.9 又因為G=250N夾緊力 又500N,: 2 ：二60； 則 Ffs - f fw =0.2 250 -50N Ff. = f fw =0.1 250 = 25N 式中：Fw 一工作負載即為重物重力Fw =250No Ff 一導軌摩擦阻力負載，對于平導軌 Ff = f （G ? FG FRn一垂直于導軌的工作負載，F(xiàn)Rn =0 f一導軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2,動摩擦系數(shù)為0.1 股取& =0.0

20、1-0.5s , Av-&時間內速度變化量: 巳嚏0^"擲 啟動：F =Ffs Fa =54.23N 穩(wěn)態(tài)：F =Ffa ■ Fw =275N ②工作壓力P的確定，工作壓力根據負載大小及機器的類型來初步確定。參 閱參考文獻［5］中表37.5按載荷選擇工作壓力為1MPa。 ③計算液壓缸內徑DW舌塞才f直徑d,由負載可知最大負載F為275N 根據液壓系統(tǒng)設計手冊表2 —2取F2為0.5 MPa ,，m為0.95 , d/D為0.7。 又因為: D 4 F P Z : 0.0223m (3—6)  根據參考文獻［8］中表2 —4,將液壓缸內徑圓整為標準系列直徑 D=

21、25mnif塞 桿直徑按d/D = 0.7及參考文獻［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 作壓力應大于復位彈簧的彈力。 又因為進油缸在有桿腔，則其有效工作面積: A = - D2 -d2 0.188cm2 PyD 2F1 ④液壓缸壁厚和外徑計算: (3—7) Py為最大工作壓力P的1.5倍，Py=L5MPa 材料為高強度鑄鐵，b ］ = 60 MPa 、_ 3.125mm D1 _ D 2? =25 2 4^33mm 液壓缸工作行程的確定，并參照參考文獻［8］中表2-6中的系列尺寸選取標

22、準值 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按強度要求計算。 t 2 0.433D2 m (3—8) 丫 6 J t -0.27mm 現(xiàn)取t=20mm 活塞的寬度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 f mm 查參考文獻［5］中表30.2—8圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)得： 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計(論文) 材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mmp*距

23、P=10.4mm單圈彈簧工作極限載荷 卜變形量為7.075mm單圈彈簧剛度k:24.5 Nmm 13 (3—9) G maxd 8PmaxC3 D =10 d C-直徑比，-彈簧材料的剪切彈性模量, 鋼材 G=8X105(%2), Pmax=100N 計算得Z=110mm,則活塞缸總長L=120mm。 3.2 腕部計算與分析 3.2.1 腕部設計的基本要求 手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步 改變或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，適應性更強。手腕具 有獨立的自由度，此設計手腕有繞好由轉動和沿沖由左右擺動

24、兩個自由度。手腕回 轉運動機構為回轉油缸，擺動也采用回轉油缸。 他的結構緊湊，靈活，自由度符 合設計要求，它要求嚴格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉矩。 (1)腕部處于臂部的前端，它連同手部的動靜載荷均由臂部承受。腕部的 結構、重量和動力載荷直接影響著臂部的結構、重量和運動性能。因此在腕部設 計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 (2)腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔聯(lián)接和支承作用，除了保證力和 運動的要求以及具有足夠的強度和剛度外還應綜合考慮合理布局腕部和手部的 連接、腕部自由度的檢測和位置檢測、管線布置以及潤滑、維修調整等問題。 (3)腕部設計應充分估計環(huán)境對腕部的不良影響(如熱膨脹，壓力油的粘

25、 度和燃點，有關材料及電控電測元件的耐熱性等問題)。 腕部的結構如圖3-5所示，它可做與手臂垂直方向(例如YW方向)橫移，還 可以繞YW或Z軸回轉。 圖3-5手腕運動示意圖 3.2.2 腕部回轉力矩的計算 腕部回轉時，需要克服以下幾種阻力： (1)腕部回轉支承處的摩擦力矩 M摩： 由靜力學平衡方程求得 乂摩=f (R1D1 +RD2 )X (kgf -m) (3—10) 式中：Di、D2一軸承直徑(m) Ri、R2一軸承處支反力(kgf-m) f一軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承f=0.01-0.02 為簡化計算取M摩=0.1M總阻力矩 G1 —工件重量(kgf)

26、 G2一手部重量(kgf) G3—手腕轉動件重量(kgf) (2)克服由于G重心偏置所引起的力矩M偏： M 偏=33 (kgf) (3—11) 式中e一工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離(n) (3)克服啟動慣性，所需的力矩 M慣 切及啟動所用的角速度 啟動過程近似等加速運動，根據手腕回轉的角加速度 9起, 2 M慣=0.0175M(J +J工件 (3—12) 2 式中：J工件一工件對手腕回轉軸線的轉動慣量(kgf -m-s2 ) J一手腕回轉部分對手腕回轉軸線的轉動慣量 (kgf-m-s2) 6一手腕回轉過程的角加速(%) 中一啟動過程所轉過的角度(度) 手腕回

27、轉所需要的驅動力矩應當?shù)扔谏鲜鋈椫停? M總=M偏+M摩+M慣 因為手腕回轉部分的轉動慣量(J+人件)不是很大，手腕起動過程所產生的轉 動力矩也不大，為了簡化計算，可以將計算M偏，M摩適當放大，而省略掉M慣， 這時 M總=1.1(M偏+M摩) ①設手指，手指驅動油缸及回轉油缸轉動件為一個等效圓柱體， L=50cm直 徑 D=10crm 貝Um=27.5kg。 ②摩擦阻力矩M摩=0.1 M總阻力矩 ③設起動過程所轉過的角度 中起=20,等速轉動角速度8=100% ■ .2 M偏=0.01754J +J工件》-- 2 1 O O 查型鋼表有： J =萬 mR2 = 0.03

28、4(kgf -m-s2 ) (3—13) 1 J工件=—m L2+3R2 =6.028 kgf -m-s2 (3—14) 12 代入 M慣=256 (Nl- m M偏=0 M摩=0.1 乂總阻力矩 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計（論文） M摩=0.1 M總阻力矩+265 265 M=—— 0.9 = 294.4 kg 15 (3—15) 確定轉軸的最小尺寸: 0.2 I. T Wt—抗扭剖面模量，WT =0.2d3,許=294.4父10/3[1] 0.2d 1 查得k ] =60MPa, d215mm,取轉軸直徑d=40mm ④回轉油缸所

29、產生的驅動力矩計算 回轉油缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力矩 M總，機械手的手腕回轉運 動所采用的單葉片回轉油缸，具結構簡圖如圖 3-6所示，它的回轉角小于360度。 定片2與缸體1周連，動片3與輸出軸4周連，當a,b □分別進出油時，動片帶動輸 出軸回轉達到手腕回轉目的。 a 圖3-6葉片式擺動缸結構簡圖 . ,_ 2 2、 (3—16) M= p b （R -r ） 之 M ??? Jd、 2 式中：M總一手腕回轉總的阻力矩（NJ- n） P一回轉油缸的工作壓力 r一缸體內徑半徑（cm） R—輸出軸半徑（cm） b一動片寬度 注：可按外形要求或

30、安裝空間大小，先設定 b,R, r中兩個: -2b->2,取-2b-=3 D-d D-d D=1.5-2.5,取 ~D=2 又因為 d=40mm,貝U D=80mm, b=60mm 去頂回轉油缸工作壓力： 2M巧 心、 ZT2 2- b(R -r ) 2 294.4 ~~ "2 2" 6 (8 -4 ) , 2 、 =8.01(kg / cm ) (3—17) 圖3-4 腕部擺動油缸設計尺寸圖 由于系統(tǒng)工作壓力遠遠大于此壓力，因此回轉油缸的工作壓力足以克服摩擦 力。 3.2.3 腕部擺動油缸設計 M =M摩十M偏+M慣 估計 L=45c

31、m,6=16cm,e2 =45cm, R =5cm , m桿=29.7kg e = (m桿父 e + m件 m ◎) / m桿 + m件=30cm 克服重心偏置所需的力矩 M偏=Ge = 16.41（kgf m） 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計（論文） 19 克服摩擦所需力矩M摩=0.1cm 克服運動慣性所需的力矩M慣: 2 2 2 _ _ _ 2 Jff =m(L 3R)/12 me = 0.7654(kg-m- s2) J件=m02 =25父 0.452 =5.1(kg-m- s2) J總=5.8654(kg-m- s2) M 慣=JW/t

32、設 w=500 / s,。起=20 2 一 M 慣=0.0175 J總 w / ⑵起=12.83(kgf - m) 則擺動所需的驅動力矩: M=M摩+M 偏 +M 慣=32.14(kgf ? m) 確定轉軸的最小直徑: TtM 驅/WT <[T] (3—18) 抗拒剖面摸量WT -- 3 3 =d (mm ) 16 所需驅動力矩: d工3 16M 驅“ 30mm 二[]T 取 d=50mm 所以機械手的擺動采用單葉片回轉油缸，定片與缸體固連，動片與轉軸周連, 當兩油口分別進出油時，動片帶動轉軸轉動達到腕部擺動目的。 M = Pb(R2-r”M - ―

33、心 2 又因為: D=1.5-2.5, -2b- -2 d D-d D=2,且=3 d D -d 所以：d=50mm,所以 D=100mm, b=75mm 確定回轉油缸工作壓力: 2M總 b(R2 -r2) 2 =10.58 kg / cm 由于系統(tǒng)工作壓力遠遠大于此壓力，因此該缸的工作壓力足以克

34、服摩擦力 3.2.4 選鍵并校核強度 轉軸直徑d=40mm由參考文獻[5]中GB1095-79選鍵為bxh=12x8 鍵校核如下公式： 3 6P =2丁父 10 /kld <[6p] (3—19) K一接觸面的高度 k=0.4h=0.4 8=3.2mm 、p=32.24mpa0[p] 轉軸直徑d=50mm由參考文獻[5]中GB1095-79選鍵為bx h=20x 10 k=0.4h=0.4 W=4mm p=13.208mpa<[p] 取接方式：靜連接，輕微沖擊，查得[6p]=100Pa 所以滿足要求 3.3臂部計算與分析 3.3.1 臂部設計的基本要求 手臂部件

35、是機械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部(包括工 作)，并帶動它們作空間轉動。 臂部運動的目的：把手部送到空間范圍內的任意一點。 因此，臂部具有三個 自由度才能滿足基本要求：即手臂繞橫軸旋轉，左右回轉和俯仰運動。手臂的各 種運動由油缸驅動和各種傳動機構來實現(xiàn)， 從背部的受力情況分析，它在工作中 既直接承受腕部，手部和工件的靜動載荷，而且自身運動又較多，故受力復雜。 因而，它的結構，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械 手的工作性能。 機身是固定的，它直接承受和傳動手臂的部件，實現(xiàn)臂部的回轉等運動。臂 部要實現(xiàn)所要求的運動，需滿足下列各項基本要求： (1)機械手臂

36、式機身的承載 機械手臂式機身的承載能力，取決于其剛度，結構上采用水平懸伸梁形式。 顯然，伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷 變化，對于機械手的運動性能，位置精度和負荷能力等影響很大。為可提高剛度， 盡量縮短臂桿的懸伸長度，還應注意： ①根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸 臂部和機身既受彎曲（而且不僅是一個方向的彎曲） 也受扭轉，應選用抗彎 和抗扭剛度較高的截面形狀。所以機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，而且空心的內部還可以布置驅動 裝置，傳動機構以及管道，有利于結構的緊湊，外形整齊。 ②高支承剛度和選

37、擇支承間的距離 臂部和機身的變形量不僅與本身剛度有關，而且同支撐的剛度和支撐件間距 離有很大關系，要提高剛度，除從支座的結構形狀，底板的剛度以及支座與底版 的連接剛度等方面考慮外，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 在結構設計時，應結合具體受力情況，設法使各作用力的變形相互抵消。 a）設計臂部時，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應盡可能使結構 簡單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理，確定調整補償環(huán)節(jié)，以及減 少重要不見的間隙，從而提高剛度。 b）水平放置的手臂，要增加導向桿的剛度，同時提高其配合精度和相對位 置精度，使導向桿承受部分或者大部分自重

38、。 c）提高活塞和剛體內徑配合精度，以提高手臂俯仰的剛度。 （2）臂部運動速度要高，慣性要小 機械手臂的運動速度是機械手主要參數(shù)之一， 它反映機械手的生產水平，一 般是根據生產節(jié)拍的要求來決定。在一般情況，手臂回轉俯仰均要求均速運動， （v和w為常數(shù)），但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊， 要求啟動時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。 對于告訴運動的機械手，其最大移動速度設計在 1000?1500mm/最大回 轉角速度設計在180o/s內，在大部分行程距離上平均移動速度為 1000mm/s內， 平均回轉角速度為90o/s內。 西南科技大學

39、應用型自學考試畢業(yè)設計（論文） 為減少轉動慣量的措施： ①減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質高強度材料。 ②減少手臂運動件的尺寸輪廓。 ③減少回轉半徑，在安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸）， 盡可能在前伸位置下進行回轉動作，并且驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。 （3）手臂動作應靈活 為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動摩擦代替滑動摩擦。 對于懸臂式的機械手，其傳動件，導向件和定位件布置應合理，使手臂運動 過程盡可能平衡，以減少對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，必須計算使之滿足不自鎖的條件。 ①計算零件重量，可分解為

40、規(guī)則的體形進行計算。 ②計算零件重心位置，求出重心至回轉軸線的距離。 ③求重心位置并計算偏重力臂 P : (3—20) (3—21) (3—22) n G總=G2 +G爪+G腕+G臂十一十 1 n G1X1 iT n 二 Gi i工 i」 _2 _2 _2 _2 p_G2 +G爪+G腕+G臂+… ‘一 G2 G爪 G腕. G臂 ④計算偏重力矩: n M 偏=G^、P=Z G1X1 i= （4）位置精度要高 一般說來，直角和圓柱坐標式機械手位置精度較高； 關節(jié)式機械手的位置最 難控制，精度差；在手冊上加設定位裝置和自檢測機構，能較好的控制位置精度， 檢測

41、裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動，嚙合件的間隙。 便于加工和安裝；用于熱加工的機械手, 大的機械手，還要設置防塵裝置等。 3.3.2手臂的設計計算 除此之外，要求機械手通用性要好，能適合做各種作業(yè)的要求；工藝性要好, 還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵 通常先進行粗略的估算，根據運動參數(shù)初步確定有關機構的主要尺寸， 在進 行校核計算，修正設計。 為了便于進行液壓機械手的設計計算，分別對俯仰缸回轉油缸的設計敘述如 下： （1）小臂設計 設小臂 L=40cm,D=60cm 則 m= -： R2lp = ： 0.052 0.4 7 103 = 22kg 2 2 3

42、m回=二 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俯仰缸的設計計算： 設a=76mm, b = 76mm, c=176mm 當手臂處在仰角為 身的位置OA1時，驅動力P通過連桿機構產生的驅動力矩 為： M 驅=Pb cos（% + P1） 因為： tg：1二3D=型 O1D O1D 又因為：A1D ^B1C -B1O - a =76cos600 -76 = 15 cos600 一5 =-11mm O1D =C A1B =76 =76sin60 =41mm + 2.5 o tgo（尸

43、——,6=15 43 M 驅=Pbcos（ot1 + P1） 二 d 2 P= -D-P-P封-啥 （3—23） 4 P一油缸的工作壓力（kg/cm2） D一油缸內徑（cm） 山一活塞缸與缸徑，活塞桿與端差的密封裝置處的摩擦阻力（ kg） 黨一通油箱，嗑=0 23 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計（論文） Pa 10590.3kg取 P =10600kg M 驅=10600m0.8父 cos(3.3+60)=60356.601kg cm 當手臂處在俯角為 隹的位置OA2時，驅動力P通過連桿機構產生的驅動力 M 驅=Pb cos(二 2 - %) 因為:

44、 , A,E A2E tg ： 2 =— — O2E O1C - EC A2E = B2c =OB2 -OC =bcos 一：2 -二=2.9, O1C =c, EC = A2B2 =bsin % 所以: ,」bcos ：2 ,I a2 = tg :- = 15 c -bsin 2 M 驅=Pbcos(15o -30) =95050.76kg/cm 當手臂處在水平位置即P=OA為驅動力矩時 M 驅=Pbcos(15o -30) =95050.76kgzcm 因為M驅=M慣土 M偏+ M摩，由于手臂與支柱連軸有振動軸承，摩擦力矩較小 M摩=0,所以M驅=M慣HM偏

45、驗證油缸是否滿足要求，滿足上仰條件，出于 P1時 M驅 p - 1 bcos -1 -：-:、 b cos(tg 「+ -1) c bsin ：1 60.356 0.15 cos(tg 60o) 二 0.15 cos60o -0.05 0.3 0.15 sin60o =1134kgf 4p d2二 p \ 二 P 選取d =0.7,所以p =1MPa D 4 1134 0.49D2 二 106 \ 二 106 _ 2 0.51D 4 1134 /〉106 D=0.053m 整理得到D=63mm,則d=45mm。 ②液壓缸壁和外徑計算 (3

46、—24) pyD 2n 1.5 63 2 60 =5mm 27 Py =1.5P =1.5MPa 材料為高強度鑄鐵，［］=60Pa Di _ D 26 =63 2 5=73mm 液壓缸為平底缸差，其厚度t按強度要求計算 無孔時: t - 0.433D2 _ 0.433 63 =1.67mm (3—25) 取 t=3mm ③液壓缸工作行程的確定 由 AB +A2B2 =5得 S=16mm 由參考文獻［8］中表2-6的系列尺寸查得：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300mm, d=45mm,最大壓

47、力 P=1134N,設穩(wěn)定安全系數(shù)為 Snst =8 —9 , 6s =350MPa , 6p = 280MPa , E =210GPa。 將上面參數(shù)帶入式中求得： 、 fn2E 卜2 父210M109 *?京 Y 28M106 :86 活塞桿兩端可簡化為較支座，故 N =1 ,活塞桿橫截面為圓形i=d,故為 4 內 4 300 10- i 一 45 10^ = 26.7 因為九〈及，故不能用歐拉公式計算，使用直線公式，由參考文獻［5］中表10.1 查得 a =461MPab =2.568MPa 可得: a-、s 461 106 -350 106 6—:

48、43.2 2.568 10 、w =a - b，=393MPa w a JI Pw = A：w = 一 4 3 2 - (45 10 ) = 625.04k N 而P=1134N,活塞桿的工作安全系數(shù)為n=-PCN P max = 551 > it,所以滿足要求。 (2)油缸端蓋的連接方式及強度計算 為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距ti,進而決定螺釘?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)挠嬎? 為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距ti,進而決定螺釘?shù)臄?shù)目，在這 種連接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉

49、力 Q。為工作載荷Q和預進力Q。之 和。 ,?s 二=0 、s 二 D2 (3—26) =367.95kgf 式中：P一驅動力kgf P—工作壓力kgf/ cm2 Z一螺釘數(shù)目，取8 ■■一 飛一—索力kgf 6s=K6, K=1.5-1.8 (3—27) 螺釘?shù)膹姸葪l件為: 6合=—-2~ =1690kgf / cm2 = 2 [5] 二4 二 di 4 di < 式中：Qi=1.36o—計算載荷（kgf） 、：。 2 [、,.]= 一一抗拉許用應力（kgf /cm ） n n =1.2—2.5, di—螺紋內徑（cm） K1Q0

50、二(d2 -D2) 表3-1常用螺釘材料的流動極限 kgf /cm2 鋼號 10 A2 A3 35 45 40cr 6s 2100 2200 2400 3200 3600 6500-9000 (3—28) D 一油缸內徑 4 1 - " 2 Z- ..4K1Q0+D 叫M d1 (cm) 二[、] r、 r _ 一 一一 _ 式中①=50+3s, 6s =KP =(1.5 —1.8)父 P 二 D2 P = p 4 K1 —考慮螺紋拉應力和扭應力合成作用系數(shù)取 K1=1.3 （3）大臂回轉缸的設計 驅動手臂回轉的力矩：

51、 M驅=M慣+M封+M回 M 封=M 封 1 +M 圭L =d0j2k-k2 1 2 M 圭t1 =一n LMP 2 D—輸出軸與缸差密封處的直徑（cm） 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計(論文) L一密封的有效長度(cm) do— "O形密封圈的截面直徑(cm) k- "O形圈在裝配時壓縮率，對于回轉運動， k=0.03-0.35 N —摩擦系數(shù) P一回轉軸缸的工作壓力(kg/cm2) 選取==0.5 , b=10cm,p=80kg/ cm2,設 b1二6mm 若 D=1.5—2.5，則取 D = 2,D=2d d d -2^->2 ,取-2b-=3,

52、 D-d D-d - 2 10 貝^ =3d,d =6.7cm * 7cm, D=14cm 2d -d 選用O型橡膠密封圈S58型，d0=4.7mm,則 l =0.47 .2 0.05-0.052 = 0.15cm 1 o . 1 M 封 1=5 二 d2l」=5 二 7 0.15 0.5 80 = 65.98kg cm M封側一動片側面與缸蓋密封處的摩擦阻力距： _ D d 1 _2 2 . M 封側=F2 l1(D2-d2)p」 4 8 l1 =d1、2k -k2 =0.6 ,2 0.05-0.052 = 0.19cm 1c c 1 o o M 封側=—l1(

53、D2—d2)p 0.19 (142 —72) 80 0.5-139.65kg cm 8 8 M 封徑=532kg w- 、 M 慣=J0 （kg cm） t △w 一回轉缸動片的角速度變化量，在啟動過程中 &w=w （弧度/秒） △t 一啟動過程時間 j。一手臂回轉部件，對回轉軸的輕功慣量（kg-cm-s2） 若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為 中，則j0 = jc +G P2 g 33 j C 一回轉零件對重心軸線的轉動慣量 . m工件,2 Jc 二 l Jc 12 25 2 =一 1.72 12 2 52.49 2 12 (12+3R02)

54、 2 12.13 2 2\ 0.12 (0.122 3 0.072) 2、 =6.314(kg cm s ) 2、 J 0=649.2 ( kg cm s ) 設角速度w =40/s,啟動時間t = 0.1s M 慣=649.2父 ax 0.0175= 4544.5kg cm D 1 1 2.2、 M回=d bp回 pd P =-bp回(D-d) (3—29) 2 2 取 p回=0.2P=16 ( kg cm2) M回=1x10x16x(142 -72) = 11760kg cm M 驅=11760 4544.5 139.65 532 2 65.98 = 171

55、08.11kg cm 由內徑公式: 8M驅. j +d ,bp 8 17108.11 \ 10 80 0.25 D2 D = 15.11cm 基本滿足要求，則 D=16cm, d=8cm。 4Qj 二［二］ =0.65cm (取 d1 =8mmi (3—30) (4)缸蓋連接螺釘和動片連接螺釘計算 螺釘?shù)膹姸葪l件為： 1.3Qj - 仃=一J引叼或4之 二 d1 4 式中：d〔一螺釘?shù)膬葟?cm) Qj —計算載荷(kgf) ［。］—螺釘材料作用拉應力 3.4機身計算與分析 機身是直接支撐和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降，回轉或俯仰等運 動的

56、驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構成機體的軀干與底座相連。 因此，臂部的運動愈多，機身的結構和受力情況就愈復雜。機身既可以是固定的， 也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運動。 此次設計機身為地面軌道運動 式。它的驅動系統(tǒng)是步進電機具型號為 Y132S—8功率2.2KW轉速710r/min, 再電動機后接了一個圓錐圓柱齒輪減速器具輸出速度為 1.2m/s。在后是一個制動 箱。其主要參數(shù)是由外部計算機調整和控制， 在很大程度上是由運動學和軌跡運 動而去編制小車的運行程序。由以上對機身的分析和前面的計算完成機身結構圖 見附錄。 由以上對機械手各執(zhí)行機構的分析與計算，完成機械手總裝配圖

57、見附錄。 4液壓系統(tǒng)設計 4.1 液壓系統(tǒng)總體設計 本次設計的機械手是以PLC來控制整個液壓元件，通過控制液壓缸的電磁換 向閥而實現(xiàn)機械手各個關節(jié)的運動。至于機械手在空間的運動和定位則由外部的 電腦操作系統(tǒng)完成，它主要先進行機器手的運動學分析， 動力學分析，軌跡規(guī)劃 和編程。從而由上述系統(tǒng)完成整個機械手在空間的行走，定位和重復定位等操作。 (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型電磁閥便于微機控制，選中位為 。型是使定位準確。 (2)調速方案的選擇 本系統(tǒng)是功率較小的，故選簡單的進油路節(jié)流閥調速。 (3)緩沖回

58、路的選擇 選用二位三通閥加入油路，便于微機控制，提高自動化程度。 (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平衡。為 保證夾緊缸夾持工件的可靠性選用液控單向閥保壓和鎖緊。 4.2 液壓元件的選擇 4.2.1 液壓缸 根據前面設計好的各種液壓缸的參數(shù)。 (1)活塞缸 已知參數(shù)(包括設計出的參數(shù))：Di，di，F(xiàn)i (t),Ui (t) i一表示第幾個缸的參數(shù)： 無桿腔進油： 二 2 P(t)=Fi(t)/( Di2) (4—1) 4 2 Q(t)=Vi(t) -Di2 4 有桿腔進油： 7：, 2 2 P(

59、t) =Fi(t)/[二①-di )] 4 T. 2 2 Qi(t) =M(t) ―。-di ) 4 Ni(t) =E(t) Vi(t) (2)擺動缸 已知參數(shù)：Di，di ,M i(t), Wi(t), b , P(t)=Mi(t)*(Di2.di2)] _ _ 2 2 _ Qi(t) =[b(Di -di )/8] Wi(t) Ni(t)=Mi(t) Wi(t) 注意已知參數(shù)中Fi(t),Vi(t),Mi(t),Wi(t)在前面設計中不夠明確時, 析。 ① 單作用彈簧復位的夾緊缸； Di =25mm, di=18mm F = l-NN Vi =8.67cm/s

60、 注意：ti為尚未夾持工件的時間。 ②手腕回轉缸 D2 =80mm, d2 =40mm, b2=60mm 1 7 f 1 294.4N>mltW M 2 = 1 265(刃 w2 =10。% ③手腕擺動缸 「1、 321.4N >mt < / M 3 =」f 2、 W3 = 50o / s 、128% J ④手臂回轉缸 (4—2) (4—3) (4—4) (4—5) (4—6) 則要進行分 D4 =160mm , d4 =80mm , b4=120mm o ， w4 = 40 /s 注意：忽略角加速度和角減速度的影響 ⑤手臂仰俯活塞缸： D

61、5 =63mm, d5 =45mm 1334N t ,0.05 F5 - "134N t .0.55 V=5cm/s (3)估算流量 ①夾緊缸：Q =8.67M2M3.01 = 20.5L/min 。 4 2 ,2、 ②手腕回轉缸： Q2 =———--)w =62.74L/min 400 ③手腕擺動缸： Q3 =[b(D2 -d2)/8] w-58.4L/min ④手臂回轉缸： Q4 =[b(D2 -d2)/8] w=129.6L/min ⑤手臂仰俯活塞缸：Q5=V-一D2 =5 — 6.32 =1562l/min 4 4 4.2.2 液壓泵的選取要求及其具體選取 (

62、1)計算液壓泵的工作壓力 (4—7) 其流量與 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: Ps =Pmax P Z ap一管道和各類閥的全部壓力損失之和。 可先估計，一般?。簔 AP= (5-8)父105巳 (2)計算液壓泵的流量 Qp -Kqi max 式中：K一泄露折算系數(shù)，一般，K=1.1-1.5 (3)選擇液壓泵的規(guī)格 參照設計手冊或產品樣本，選取其額定壓力比 Ps高25%—60%, 上述計算一致的液壓泵。 (4)計算功率，選用電動機 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計(論文) ①按工況圖，找出所有缸 N-t圖中最高功率點的N

63、max對應的PS (計算值) 和泵額定流量的乘積，然后除以泵的總效率 “p p N電=p?Qp (4-8) p ②確定液壓泵的流量壓力和選擇泵的規(guī)格， 泵的工作壓力的確定?？紤]到正 常工作中進油路有一定的壓力損失，所以，泵的工作壓力為： Pp = P+ AP p Pp—液壓泵的最高工作壓力； P一執(zhí)行元件的最高工作壓力 P AP 一進油管路中的壓力損失，初算時，簡單系統(tǒng)可取 0.2—0.5MPa, ZAP =0.5 MPa, Pp=4.5+0.5=5 MPa 上述計算所得的Pp是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡，階段出 p 現(xiàn)的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外

64、考慮到，一定的壓力儲備量并確保泵的壽 命，因此選泵的額定壓力 Pn應滿足Pn (1.25-1.6) Pp Pn =1.25Pp =1.25 5 =6.25MPa ③泵流量的確定 液壓泵的最大流量應為： qp = Ki(Z q)max (4—9) 式中：qp—液壓泵的最大流量 p ②q)max 一同時工作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如果這時溢流 閥正進行工作，尚需加溢流閥的最小溢流量 2?3L/min Ki一系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取Kl=1.1-1.3,現(xiàn)取Kl=1.2 qp -1.2 80=96L/min ④選擇液壓泵的規(guī)格。根據以上算得 Pp和qp,再查閱有關手冊，現(xiàn)

65、選用 YB-80BI雙聯(lián)葉片泵，該泵的基本參數(shù)為：每轉排量： 10-194mL/r;泵的額定壓力R =10.5 MPa ;電動機轉速nB = 1500r / min ;容積效率％ = 0.85 ;總效率”=0.7。 ⑤與液壓泵匹配的電動機的選定。首先分別計算出不同工況時的功率， 取它 們之間的最大值作為選取電動機規(guī)格的依據。 由于在速度較小時，泵輸出的流量 減小，泵的效率急劇下降，一般當流量在 0.2-1L/min范圍內時，可取0.03-0.14。 同時，應注意到，為了使所選擇的電動機在經過泵的流量特性曲線最大功率點時， 不致停車，需進行驗算，即： Pn qp n 三2Pnq

66、p (4—10) 泵的工作壓力：P=245.25 N / cm2 NQ(H . H ) =k ( )=1.57kW yyc 式中：k—余量系數(shù)，取K=1.05 Q一泵出油量 H 一油頭 △H 一主管損失汕頭 y一泵的功率 yc一傳動效率直接傳遞為1 選電機：Y100L1 -4,N =2.2kW,n =1430rpm 4.2.3 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該閥的最大流量原則 4.2.4 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 100Nm網式或線 段式濾油器即可。 (2)油管和管接頭的通徑與閥一致來選取。 (3)油箱容積Q=50Qp 注意：Qp單位若為L/min時，V的單位為(dm)3 35 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計（論文） Qp 單位若為m3/min時，V的單位為m3 ①液壓元件的選擇 單向壓力補償調速閥：QI-63B, QI-130B, QI-23B 單向閥：