1、機電工程學院畢業設計說明書設計題目: 四自由度圓柱坐標機械手畢業設計說明書討 目次1 緒論 11.1 工業機械手的概述 11.2 工業機械手在生產中的應用 11.3 機械手的組成概述 21.4 工業機械手的發展趨勢 32 總體設計方案 42.1 設計題目 42.2 初始參數與設計要求 42.3 方案擬定 53 機械手手部設計計算 63.1 手部設計基本要求 63.2 手部力學分析 73.3 夾緊力及驅動力的計算 83.4 機械手手抓夾持精度的分析計算 94 機械手腕部設計計算 114.1 腕部設計基本要求 114.2 腕部結構的選擇 114.3 腕部回轉力矩的計算 125 機械手臂部設計計算

2、165.1 機械手臂部設計的基本要求 165.2 手臂的典型機構及結構的選擇 165.3 手臂伸縮驅動力計算 175.4 手臂伸縮油缸結構的確定 195.5 油缸端蓋的連接方式及強度計算 21406 機身設計與計算 23 6.1 機身的整體設計 236.2 機身回轉機構的設計計算 256.3 機身升降機構的設計計算 287 液壓驅動系統的計算 317.1 繪制液壓系統的工況圖 317.2 計算和選擇液壓元件 36總結 38致謝 38參考資料391 緒論11 工業機械手的概述工業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

3、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境中工作。工業機械手的是工業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任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。機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。12 工業機械手在生產中的應用  機械手是工業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

4、泛。在現代工業中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業的自動化水平越來越高，現代化加工車間，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。可在機械工業中，加工、裝配等生產很大程度上不是連續的。據資料介紹，美國生產的全部工業零件中，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，工業機械手就是為實現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；機械手加工行業中用于取料、送料；澆鑄行業

5、中用于提取高溫熔液等等。具體應用在以下幾方面：(1) 建造旋轉零件（轉軸、盤類、環類）自動線(2) 在實現單機自動化方面(3) 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面13 機械手的組成工業機械手由執行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。1.3.1 執行機構(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。 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、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。(2) 腕部

6、是連接手部和臂部的部件，并可用來調節被抓物體的方位，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。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，靈巧但回轉角度小（一般小于 2700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩定的輸出扭距。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。(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（

7、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任意一點。如果改變手部的姿態（方位），則用腕部的自由度加以實現。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。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，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、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。(4) 行走機構 有的工業機械手帶有行走機構，我國的正處于仿真階段。1.3.2 驅動機構驅動機構是工業機械手的重要組

8、成部分。根據動力源的不同, 工業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、控制方便。1.3.3 控制系統分類在機械手的控制上，有點動控制和連續控制兩種方式。大多數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。14 工業機械手的發展趨勢(1) 工業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。(2) 機械結構向模塊化、可重構化發展

9、。例如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化:由關節模塊、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。(3) 工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。(4) 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、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境建模及決策控制多傳感器融合配置技術在產品化系統中已有成熟應用。(5) 虛擬現實技術在機器人中的

10、作用已從仿真、預演發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環境中的感覺來操縱機器人。(6) 當代遙控機器人系統的發展特點不是追求全自治系統，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構成完整的監控遙控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統成功應用的最著名實例。2 總體設計方案21 設計題目：YZBZ-1型圓柱坐標式四自由度機械手設計 22 初始參數與設計要求1、抓重：300N2、自由度：4個3、臂部運動參數：表 2-1運動名稱符號行程范圍速度伸縮X0500mm伸出176mm/s，縮回233mm/s升降Z0

11、600mm上升102mm/s，下降152mm/s回轉0 º 200º63 º /s4、腕部運動參數：表 2-2運動名稱符號行程范圍速度回轉0 º 180º200 º /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、驅動方式：液壓（中、低壓系統）8、定位精度：±3mm23 方案擬定2.3.1 初步分析機械手抓重為300N，按工業機械手的分類，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、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

12、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、及機械手的各規格參數可以了解到，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。2.3.2 擬定方案 由初始參數擬定整體設計方案通用機械手是36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： 圖 2-1 圖 2-22.3.3 執行機構(1) 手部 即直接與工件

13、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。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。 (2) 腕部 連接手部與手臂的部件。要求0180°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。此結構特點是結構緊湊，靈活。(3) 臂部 臂部是機械手的主要執行部件。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。臂部設計的基本要求為：a 承載能力大，剛度好，自重輕 b 運動速度高，慣性小 c 動作靈活手臂動作應靈活 d 位置精度要高因此，本設計選用雙

14、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，外形整齊美觀，結構緊湊。2.3.4 驅動機構 驅動機構是工業機械手的重要組成部分，根據動力源不同大致可分為氣動、液壓、電動和機械傳動。根據課題特點，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。3 機械手手部設計計算31 手部設計基本要求(1) 應具有適當的夾緊力和驅動力，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。(2) 手指應具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。(3) 在保證本身剛度，強度的前

15、提下，盡可能使結構緊湊，重量輕，以利于減輕手臂負載。(4) 應保證手抓的夾持精度。32 手部力學分析 通過綜合考慮，本設計選擇二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下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿 圖3-1(a)為常見的滑槽杠桿式手部結構。(a) (b)圖3-1 滑槽杠桿式手部結構、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，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=·hF=式

16、中 a手指的回轉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支點的夾角。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=33 夾緊力及驅動力的計算手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據。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變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： 式中 安全系數，通常1.22.0；工作情況系數，主要考慮慣性力的影響。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

17、；運載時工件最大上升速度；系統達到最高速度的時間，一般選取0.030.5s；方位系數，根據手指與工件位置不同進行選擇；G被抓取工件所受重力（N）。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。(1) 設=1.6 =102 mm/s =0.5s =1.02 =0.5 根據公式，將已知條件帶入： =1.6×1.02×0.5×300=244.8N根據驅動力公式得：(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

18、工作壓力P=39.210Pa則 D=0.0224m根據液壓缸內徑系列表（JB826-66），選取液壓缸內徑為：D=32mm，根據裝配關系，外徑為50mm。則活塞桿直徑為：d=320.5=16mm，選取d=16mm34 機械手手抓夾持精度的分析計算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定性好，并有足夠的抓取能。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。圖3-3 手抓夾持誤差分析

19、示意圖該設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型夾角偏轉角： =64.34°按最佳偏轉角確定： =64.34°計算理論平均半徑 120×sin60°cos64.34°=45mm因為 1.4840.166所以=1.484<3夾持誤差滿足設計要求。4 機械手腕部設計計算41 腕部設計基本要求(1) 力求結構緊湊、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。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接

20、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。(2) 結構考慮，合理布局腕部作為機械手的執行機構，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。(3) 必須考慮工作條件對于本設計，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。42 腕部結構的選擇腕部結構有四種，分別為：(1) 具有單自由度的回轉缸驅動的腕部結構(2) 用齒條活塞驅動的腕部結構 (3) 具有兩個自由度的回轉缸驅動腕部結構(4) 機

21、液結合的腕部結構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腕部的回轉運動，具有結構簡單、靈活等優點而被廣泛采用。43 腕部回轉力矩的計算431 腕部轉動時所需的驅動力矩計算腕部轉動時所需的驅動力矩可按下式計算：=+ (N·m)(1) 腕部加速運動時所產生的慣性力矩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=（+)或 =（+)式中 參與腕部轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量（kg·m）； 工件對腕部轉動軸線的轉動慣量（kg·m）。(2) 腕

22、部轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩因為手抓夾持在工件中間位置，所以e等于0，即：=Ge+Ge=0(3) 腕部轉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，應根據具體情況加以分析。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等速轉動角速度。因為 =（+)=0.0367=4.1979代入 =(0.0367+4.1979) =47所

23、以 =0.1+0+47=52.22432 腕部驅動力的計算 表4-1 液壓缸的內徑系列（JB826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250設定腕部的部分尺寸：根據表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。基本尺寸如圖4-1所示。則回轉缸工作壓力P=6.59MPa，所以選擇P=7MPa。圖4-1 腕部液壓缸剖截面結構示意表4-2 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）油缸內徑4050638090100110125

24、14015016018020020鋼，P165060769510812113316814618019421924545鋼，P2050607695108121133168146180194219245433 油缸蓋螺釘的計算圖4-2 缸蓋螺釘間距示意表4-3 螺釘間距t與壓力P之間的關系工作壓力P（Mpa）螺釘的間距t (mm)0.51.5小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.010.0小于80t為螺釘的間距，間距與工作壓強有關，見表4-3，在這種聯結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為： 式中為工作載荷，為預緊力計算：液壓缸工作壓強為P=7 Mpa,所以螺釘間距t小于80m

25、m,試選擇8個螺釘；d/4=110/80=4.38，所以選擇螺釘數目合適Z=8個危險截面 =0.0075m=6562.5N(K=1.51.8) 取K=1.5，則1.5×6562.5=9843.75 N=16407N螺釘材料選擇Q235， （n=1.22.5）螺釘的直徑 =0.0131m螺釘的直徑選擇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，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘的作用：使動片和輸出軸之間的配合緊密，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。由 得 單個螺釘的預緊力；D 動片外徑；

26、f 被連接件配合面間的摩擦系數，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；螺釘的強度條件為 所以 帶入有關數據，得=22234N螺釘材料選擇Q235， 則200MPa（n=1.22.5）螺釘的直徑 =0.01356m螺釘的直徑選擇d=14mm。5 機械手臂部設計計算51 機械手臂部設計的基本要求（1）臂部應承載能力大、剛度好、自重輕（2）臂部運動速度要高，慣性要小（3）手臂動作應該靈活（4）位置精度要高52 手臂的典型機構以及結構的選擇常見的手臂伸縮機構有以下幾種：（1） 雙導桿手臂伸縮機構。（2） 雙層油缸

27、空心活塞桿單桿導向結構（3） 采用花鍵套導向的手臂升降結構（4） 雙活塞伸縮油缸結構（5） 活塞桿和齒輪齒條機構。綜合考慮，本設計選擇雙導桿伸縮機構，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，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。53 手臂伸縮驅動力計算先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據運動參數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。做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力根據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

28、計算為531 手臂摩擦力的分析與計算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。得 得 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向支撐的前端的距離（m）,參考上一節的計算; a導向支撐的長度（m）; 當量摩擦系數，其值與導向支撐的截面有關。對于圓柱面：摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取鋼對鑄鐵：取計算：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將有關數據代入進行計算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，在手臂設計中，采用O型密封圈，當

29、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；設啟動時間為0.2s，最大為0.233m/s。 則：=0.1=163N由于背壓阻力較小，可取=0.05所以 =+=3864+163+0.03F+0.05F =4378N所以手臂伸縮驅動力為=4378N。54 手臂伸縮油缸結構的確定表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.

30、8120000300002.04.05000100001.52.030000500004.05.010000200002.53.050000以上5.08.0經過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力F=4378N，根據表5-1選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa；（1） 確定液壓缸的結構尺寸：液壓缸內徑的計算，如圖5-2所示圖5-2 雙作用液壓缸示意圖當油進入無桿腔： 當油進入有桿腔： 液壓缸的有效面積： (mm)所以 （無桿腔） （有桿腔）式中活塞驅動力(P)；油缸的工作壓力(MPa)；活塞桿直徑；油缸機械效率，工程機械中用耐油橡膠可取=0.96；由上節求得驅動力F=4378N，=1MPa，機械效率=

31、0.96將數據代入得：=0.0766根據表4-1（JB826-66），選擇標準液壓缸內徑系列，選擇D=80mm.（2） 液壓缸外徑的設計外徑按中等壁厚設計，根據表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： (mm)設計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應力的=100120Mpa。本次取=110則： =0.0072m所以活塞直徑按下表取d=20mm，滿足強度要求。表5-2 活塞桿直徑系列（GB/T2348-93）10121416182022252832323

32、64045505663708090100110125140160180現在進行穩定性校核，其穩定性條件為式中 臨界力(N)； 安全系數，=24。按中長桿進行穩定性校核，其臨界力=F()式中 F活塞桿截面面積(mm)； a，b常數，與材料性質有關，碳鋼a=461，b=2.47； 柔度系數，經計算為70。代入數據，臨界力 =F()=3.14=90463.4MPa取=3 =30154.47 MPa所以活塞桿滿足穩定性要求。55 油缸端蓋的連接方式及強度計算(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鏈接優點是加工和裝拆方便，缺點是缸體開環槽削弱了強度(2) 缸蓋螺釘的計算為保證連接的緊

33、密性，螺釘間距t應適當（如圖4-2），在這種聯結中，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 =+式中 工作載荷，=；螺釘中心所在圓的直徑；P驅動力。 Z螺釘數目，Z=； 剩余預緊力，=KQ，K=1.51.8；計算： 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，試選螺釘數為6個：則 Z=，代入數據=46<150，滿足要求； =838N；選擇K=1.5，=1.5=1255N;=+=837+1257=2095N螺釘直徑按強度條件計算式中 計算載荷，=1.3； 許用抗拉應力，=； 螺釘材料的屈服點，材料選擇45鋼，則屈服強度為

34、352MPa； n安全系數，n=1.2-2.5，此處取n=2； 螺紋內徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。計算： =1.3=1.3×2095=2723.5N代入數據： =0.0045m 6 機身設計與計算機身是直接支撐和驅動手臂的部件。一般實現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。61 機身的整體設計按照設計要求，機械手要實現手臂2000的回轉運動，實現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

35、動機構，就要綜合考慮分析。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：（1） 回轉缸置于升降之下的結構。這種結構優點是能承受較大偏重力矩。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。（2） 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。（3） 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：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。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

36、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。回轉缸的轉軸與升降缸的活塞桿是一體的。活塞桿采用空心，內裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導向。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。這種結構是導向桿在內部，結構緊湊。具體結構見下圖。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200

37、0。圖6 回轉缸置于升降缸之上的機身結構示意圖62 機身回轉機構的設計計算621 回轉缸驅動力矩的計算 手臂回轉缸驅動力矩的計算公式為： =+ (N·m)慣性力矩 =式中 臂部回轉部件(包括工件)對回轉軸線的轉動慣量（kg·m）； 回轉缸動片角速度變化量，在啟動過程=(rad/s)； 啟動過程的時間(s)；若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為(前面計算得=800mm)，則式中 回轉零件的重心的轉動慣量。 =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。= 30.4 k

38、g·m=30.4+=175 kg·m=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 回轉缸尺寸的確定 回轉缸油腔內徑D計算公式為：式中 P回轉油缸的工作壓力； d輸出軸與動片連接處的直徑，初步設計按D/d=1.52.5； b動片寬度，可按2b/(D-d)2選取。設計回轉缸的動片寬b=60mm，工作壓力為6MPa，d=50mm=123mm按標準油缸內徑選取內徑為125mm。623 油缸缸蓋螺釘的計算回轉缸的工作壓力為6Mpa,所以螺釘間距t應小于80mm。螺釘數目Z=×3

39、.14=4.9所以缸蓋螺釘的數目選擇6個。危險截面 =0.0104所以 =10400N =14800×1.5=15600N (K=1.5)所以 10400+15600=26000N螺釘材料選擇Q235，則（n=1.22.5）螺釘的直徑 d=0.0147mm螺釘的直徑選擇d=16mm.選擇M16的開槽盤頭螺釘。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，根據表4-2（JB1068-67）取外徑選擇194mm，輸出軸徑為50mm。624 動片聯接螺釘的計算動片和輸出軸之間的聯接螺釘一般為偶數，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘的作用是使動片和輸出軸之

40、間的配合面緊密接觸不留間隙。根據動片所受力矩的平衡條件有=即 式中 每個螺釘預緊力；D動片的外徑；f被連接件配合面間的摩擦系數，鋼對鋼取f=0.15螺釘的強度條件為 或 帶入有關數據，得=26200N螺釘材料選擇Q235，則（n=1.22.5）螺釘的直徑d=0.0140mm螺釘的直徑選擇d=14mm.選擇M14的開槽盤頭螺釘。63 機身升降機構的設計計算631 手臂片重力矩的計算圖 6-3 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，求出重心到回轉軸線的距離:=1100mm，=960mm，=790mm ，=430mm。由于 =

41、 所以 =0.695m(3) 計算偏重力矩=1182632 升降導向立柱不自鎖條件手臂在的作用下有向下的趨勢，而里立柱導套卻阻止這種趨勢。所謂不自鎖條件就是升降立柱能在導套內自由下滑，即=所以 若取摩擦系數 f=0.16，則導套長度h0.32即 h0.32×0.695=0.223m633 升降油缸驅動力的計算式中 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。將數據帶入上面公式有：2172N(2) 的計算 =3538.2N所以 =2×3538.2×0.16=

42、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當液壓缸向上驅動時，F=6293N當液壓缸向下驅動時，F=521N634 油缸尺寸參數的計算(1) 液壓缸內徑的計算 液壓缸驅動力按上升時計算，F=6293N，由表(5-1)選擇油缸工作壓力為1.5MPa，計算如5.4節公式，代入數據：=0.0747根據表(4-1)可選取液壓缸內徑D=100mm。(2) 液壓缸外徑的計算 按厚壁計算(3.2)： 式中 缸體材料的許用應力，無縫鋼管時=100110MPa根據表4-2（JB

43、1068-67）取外徑選擇168mm.(3) 活塞桿的計算設計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應力的=100120Mpa。本次取=110則： =0.0085m活塞桿直徑應大于8.5mm。(4) 缸蓋螺釘的計算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，試選螺釘數為6個：則 Z=，代入數據=84<120，滿足要求； =1962.5N；選擇K=1.5，=1.5=2943.75N;=+=1962.5+2943.75=4907N螺釘直徑按強度條件計算 式中 計算載荷，=1.3； 許用抗拉應力，=； 螺釘材料的屈服點，材料選擇45鋼，則屈服

44、強度為352MPa； n安全系數，n=1.2-2.5，此處取n=2； 螺紋內徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。計算： =1.3=1.3×4907=6379.1N代入數據： =0.0068m7 液壓驅動系統的計算7.1 繪制液壓系統的工況圖根據前面幾部分設計好的各液壓執行元件的參數，以及設計要求等對液壓系統作進一步的工況分析，確定每個執行元件在工作循環各階段中的速度、載荷變化規律，繪制出液壓系統有關工況圖即液壓缸的P-t圖、Q-t圖、N-t圖。1， 手部夾緊缸(圖7-1)已知參數： D=32mm，d=16mm， ，計算工況圖：圖7-12， 腕部回轉缸(圖7-2)已知參數： D=110mm，d=50mm，b=66mm，M=，3.49rad/s計算工況圖：圖7-23， 臂部回轉缸(圖7-3)已知參數： D=125，d=50mm，b=60mm，M=，1.1 rad/s計算工況圖：圖7-34