畢業設計（論文）自動取料機械手臂結構設計專業：機械設計制造及其自動化班級：14機自1學號：123456789姓名：廣泛大指導教師：廣泛大答辯日期：年月日本科生畢業論文（設計）獨創性聲明本人聲明所呈交的畢業論文（設計）是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，本論文中沒有抄襲他人研究成果和偽造數據等行為。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。論文（設計）作者簽名：日期：本科生畢業論文（設計）使用授權聲明沈陽城市學院有權保留并向國家有關部門或機構送交畢業論文（設計）的復印件和磁盤，允許畢業論文（設計）被查閱和借閱。本人授權沈陽城市學院可以將本科畢業論文（設計）的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復印手段保存、匯編畢業論文（設計）。論文（設計）作者簽名：日期：指導教師簽名：日期：XX學院本科生畢業設計目錄摘要 IIIABSTRACT 11緒論 21.1引言 21.2研究目的及意義 21.3國內外研究現狀 31.3.1國內研究現狀 31.3.2國外研究現狀 41.4本文研究的內容 72總體方案設計 82.1機械手設計原則 82.2機械手結構類型的選擇 82.3驅動方式的選擇 112.4腰部回轉方案設計 122.5手臂傳動方案的設計 132.6夾持機構方案設計 132.7機械手運動軌跡規劃 153腰部回轉機構設計計算 173.1蝸輪軸的設計計算 173.2蝸輪齒輪設計 193.3步進電機選型 213.4推力軸承校核 214液壓系統設計 234.1確定液壓系統基本方案 234.2擬定液壓執行元件運動控制回路 244.3液壓源系統的設計 244.4繪制液壓系統圖 254.5確定液壓系統的主要參數 264.5.1計算液壓缸的總機械載荷 264.5.2液壓缸主要參數的確定 284.5.3液壓缸強度的較核 304.6計算和選擇液壓元件 304.7液壓系統性能的驗算 32結論 33參考文獻 34致謝 36

摘要隨著市場競爭的日益激烈和勞動力成本的增加，國內企業紛紛開展自動化設備的研發，用先進的自動化設備取代傳統的手動操作模式。目前，在大中型企業中，工業機器人廣泛應用于搬運、焊接、噴涂、裝配等大型勞動和惡劣工作環境中。然而，對于一些中小企業來說，高成本的工業機器人并不能滿足中小企業的實際生產需求。因此，一些中小企業仍采用傳統的手工操作模式，工作環境差，勞動強度高，生產效率低，不良率高。通過總結大學四年的專業課程知識，對數控機床裝卸機械手各部分的機械結構進行了闡述和分析，并設計了一種聯動式數控機床裝卸機械手。結合中小企業的工作空間和工作要求，設計了機械手的結構，選擇了合適的傳動方式和箱體驅動方式。應根據末端執行器的應用范圍合理選擇。對該機械手的腰部旋轉機構、臂架、臂架和夾緊機構的機械結構進行了詳細的設計和計算。基于上述情況，對機械手進行了建模。在建立三維模型后，對機械手進行路徑規劃，尋找機械手運動過程中最簡單、最方便的路徑，使機械手在空間運動中最大限度地節省工作時間。最后，對機械手的液壓系統進行了設計和計算。關鍵詞：機械手；關節型；路徑規劃；液壓系統XX學院本科生畢業設計ABSTRACTWiththeincreasinglyfiercemarketcompetitionandtheincreaseoflaborcost,domesticenterprisesarecompetingtocarryouttheresearchanddevelopmentofautomationequipmentandreplacethetraditionalmanualoperationmodewithadvancedautomationequipment.Atpresent,amonglargeandmedium-sizedenterprises,industrialrobotsarewidelyusedinlarge-scalelaborandpoorworkingenvironmentsuchashandling,welding,sprayingandassembly.However,forsomesmallandmedium-sizedenterprises,high-costindustrialrobotsdonotmeettheactualproductionneedsofsmallandmedium-sizedenterprises.Therefore,somesmallandmedium-sizedenterprisesstillusethetraditionalmanualoperationmode,withpoorworkingenvironment,highlaborintensityandlowproductionefficiency,Thedefectiverateishigh.BysummarizingtheprofessionalcourseknowledgelearnedinfouryearsofUniversity,thispaperexpoundsandanalyzesthemechanicalstructureofeachpartoftheloadingandunloadingmanipulatorofNCmachinetool,anddesignsajointloadingandunloadingmanipulatorofNCmachinetool.Combinedwiththeworkingspaceandworkingrequirementsofsmallandmedium-sizedenterprises,thestructureofthemanipulatorisdesigned,andtheappropriatetransmissionmodeandboxdrivingmodeareselected.Itshallbeselectedreasonablyaccordingtotheapplicationscopeoftheendeffector.Themechanicalstructuresofthewaistrotationmechanism,boom,jibandclampingmechanismofthemanipulatoraredesignedandcalculatedindetail.Basedontheabovesituation,themanipulatorismodeled.Afterthethree-dimensionalmodelisestablished,thepathplanningofthemanipulatoriscarriedouttofindthesimplestandmostconvenientrouteinthemovementprocessofthemanipulator,sothatthemanipulatorcanmaximizethesavingofworkingtimeinthespacemovement.Finally,thehydraulicsystemofthemanipulatorisdesignedandcalculated.Keywords:Manipulator;Jointtype;Pathplanning;Hydraulicsystem

1緒論1.1引言現階段，我國大多數中小型機械企業仍在使用人工方法為車床裝卸工件，效率低且勞動密集。近年來，隨著新《中華人民共和國勞動法》的頒布實施，不僅進一步提高了勞動者的工資和福利，而且增強了勞動者的自我保護意識。低勞動力成本的時代已經一去不復返了。隨著科學技術的發展，自動取料機械手應運而生。1.2研究目的及意義回收機械手的作用是取代數控機床上下料環節中手動上下料的上下料過程。用機械手代替人手可以減少人力資源的投入。同時，由于機械手的應用可以連續工作，可以提高工作強度和時間長度；此外，由于減少了手動操作，人員的管理成本也降低了。此外，采用機械手進行生產活動，產品廢品率低，生產效率高，質量穩定，污染少，從而實現更準確的生產控制。在各種惡劣的生產環境中，如高溫、高壓、易燃、易爆、強噪聲、放射性或其他有毒污染，手動操作是非常危險的。工業機械手的出現很好地解決了這個問題。該機械手可以替代手動操作，極大地改善工人的工作條件；此外，在一些機械和重復勞動操作中，用機器人代替人可以將工人從繁重而單調的重復勞動中解放出來。同時，還可以避免因疲勞操作或疏忽造成的人身傷害，并在很大程度上降低工傷事故的發生率。該機械手裝配在工業生產線上，實現了物料和工件的快速準確傳輸，提高了工控系統的自動化程度。1.3國內外研究現狀1.3.1國內研究現狀中國的工業機器人起步較晚，可能是在19世紀70年代。它們經歷了三個重要的發展時期：20世紀70年代的發展初期、80年代的發展期和90年代的普及期，歷時30多年。“七五”期間，國家在機電工程部的領導下，在中央部委、中國科學院、地方科學院和高校的參與下，投入資金開展工業機械手技術、零部件和典型工業機械手的開發研究，實現了一整套“教學再現”工業機械手技術的研發，生產了一批操作機械手，性能指標相當于同期國外同類產品水平，具有小批量生產能力。20世紀80年代末，在改革開放浪潮的洗禮下，在世界范圍內高科技浪潮的席卷下，我國政府開始高度重視工業機械手的技術開發和研究。為了跟蹤國外的高新技術，我國開始了智能機械手的研究，并取得了一定的成果。20世紀90年代初，中國開始研究和開發高級原型，包括礦山機械手、建筑機械手和管道操作機械手。在國家863計劃的推動下，我們在開發工業機器人的同時，也開始了非國有機器人的研究，并開發了一些特殊機器人，如水下機器人和風險消除機器人。然而，中國的工業機械手技術和研發；D的成功率遠遠落后于工業發達國家，主要原因是其可靠性低、應用范圍窄、規模小，無法具備競爭力。主要原因是機器人的工業化并沒有真正意義上的實現。工業機械手在國內制造企業中的使用越來越多，因此工業機械手制造商的銷售量也在逐年增加。2001年，中國工業機器人進出口量不足3800臺，國內生產700臺。2004年，機械手的數量和規模達到1萬多臺，其中我國自主生產的工業機械手達到1400臺，產值超過8億元。進口工業機械手已達9000臺。通過中國科研人員的創新和突破，我們已經能夠自主生產出具有國際領先水平的典型工業產品，如直角坐標機械手、焊接機械手、裝卸機械手、牽引機械手等部分機械手已達到小批量生產規模。國產自動導向車在國內制造市場的普及令人欣慰。進入2世紀，隨著中國工業機械手需求的快速增長，一些著名的機械手企業相繼涌現：奇瑞設備、聚益焊接、廣州數控、沃迪、沈陽鑫宋機器人、青島軟控制等，不僅實現了機械手的自主研發，還填補了我國工業機械領域的空白機械手領域的技術空白，實現了工業需求的專業化生產，為我國工業機械手的發展開創了新局面。1.3.2國外研究現狀1954年，工業機械手的概念首次被提出，由美國的德瓦爾提出。1958年，美國成立了第一家機械手公司unioncompany，這是世界上第一家生產機械手的公司。它生產了世界上第一臺機械手。它最初用于壓鑄，并被命名為imate。可實現180道工序。與此同時，美國另一家機械手公司AMF公司生產了一種可用于材料運輸的機械手。該機械手采用了當時制造業廣泛采用的液壓驅動方式。傳統上，這兩種機械手是最早的工業機械手。因此，美國的機械手技術一直處于世界領先地位。然而，在20世紀六七十年代，由于政府對制造業的重視不夠，機械手技術還處于起步階段，機械手技術的發展緩慢。為了改善這種狀況，美國機器人協會積極推動機械手技術的發展，使得生產線發展迅速。生產線的核心是機械手技術。此后，機械手技術受到國家的重視和大力支持，機械手技術發展迅速。美國工業機械手的發展模式是集成應用。國內外工業機械手的主體，包括其成套配件和設備，均采用進口，然后進行集成。日本機械手的發展：20世紀60年代為萌芽期，70年代為應用期，80年代為普及改進期。19世紀60年代，AMF公司生產的versatran機械手首次進口。此后，一家日本重工業公司與美國聯合公司簽署了技術合作協議，以開發機械手技術，并引進了美國公司的機械手。20世紀70年代，日本開始了機械手的本地化進程。由于日本在機械手發展方面的創新和革命性成就，美國工業機械手開始從日本進口，從日本進口的機械手比例達到全國進口的78%。日本的機械手發展模式是完善工業機械手產業鏈的發展。日本機械手公司以開發新的批量機械手產品為目標，根據不同行業的工藝需求，為工業機械手生產線設計成套設備。德國在操縱者數量上排名第三，僅次于日本和美國。德國自動機械手的開發和研究一直處于世界前列。具有全球聲譽的庫卡機械手就是這方面的代表。從1973年第一臺機械手的研發，到世界上總裝機容量超過15萬臺的機器人，都取得了令人矚目的成就。KUKA機械手廣泛應用于各種工業領域。此外，abb是一家由瑞士和瑞典合并而成的公司。它也是世界上最大的機械手制造商。1974年，ABB還生產了第一臺可裝卸的工業機械手irb6。這種工業機械手是自動的，用于搬運和抓取材料。1975年生產了第一臺用于焊接的工業機械手。ABB生產的工業機械手廣泛應用于裝配、焊接和其他過程。在工業機械手發展的60年中，全球裝機容量接近160萬臺。從2008年至今，工業機械手銷售額的年均增長率逐漸提高，全球工業機械手市場被日本、歐洲和美國等工業機械手技術發達的公司壟斷。同時，這些國家不僅正在制定控制器、傳感器、驅動器、精密減速機等工業機械手配套核心部件的行業標準，而且在世界上有很大的發言權，實現了完全自主生產。市場競爭的加劇、客戶專業化定制的需求以及新技術的不斷創新和突破，對工業機械手和機械手技術的發展提出了更高的要求。制造業未來發展方向以信息化、綠色化、智能化為主題。機械手技術的發展已成為未來制造業的重要標志。這對促進工業機械手的智能化發展，促進工業機械手的產業化發展具有重要意義。近年來，非工業機械手的研究越來越受到世界各國的重視，因為不確定性和極端的工作環境對機械手提出了更高的要求，這就要求機械手對外界具有感知和規劃的能力。例如，美國、德國和俄羅斯開發的水下機械手可以開采海洋石油和海底勘探。核工業機械手主要研究機械結構、可靠性、靈敏度、穩定性等。目前，美國、日本和德國正在競相開發地下機械手、醫療機械手、建筑機械手和軍用機械手，并取得了一些豐碩成果。1.4本文研究的內容本文結合中小型企業的實際需求情況，研發了一臺自動上下料的機械手。通過分析具體的上下料流程，完成了機械手前期的總體結構分析和具體的機械結構設計和分析校核。主要研究內容如下：1）查閱國內外相關資料，了解課題背景。2）總體方案的設計，包括：腰部、手臂以及夾持機構傳動方案的選擇。3）各個傳動機構的設計計算與關鍵零部件的校核。4）液壓系統的設計、油泵的選擇和確定油泵電動機功率。XX學院本科生畢業設計2總體方案設計2.1機械手設計原則1）最小慣性矩：由于機械手有許多活動關節，運動狀態的變化會產生沖擊和振動。最小慣性矩原理是為了提高機械手的運動穩定性和動態特性。2）規模規劃優化：在確定活動范圍后，優化臂的尺寸，這可以提高機械手的剛度，減少轉動慣量。3）高強度材料的選擇：機械手的所有部件都充當負載。使用高強度材料會降低機械手所有零件的質量。4）剛度設計：為了使剛度最大化，必須選擇合適的構件輪廓形狀和尺寸，并合理分配作用在臂上的力和力矩，以減少彎曲變形。5）可靠性：一般來說，零件的可靠性應大于整個機械手的可靠性。對于機械手零件，采用概率設計方法設計可靠性滿足要求的零件。綜合考慮機械手可靠性的方法也可用于評估機械手的整體可靠性。2.2機械手結構類型的選擇工業機器人的結構形式主要有直角坐標結構、柱坐標結構、球坐標結構和關節結構。下面介紹其結構形式及其相應的特點。1）笛卡爾坐標機器人結構笛卡爾坐標機器人的空間運動由三個相互垂直的直線運動來實現。如圖2-1a所示。由于直線運動易于實現全閉環位置控制，直角坐標機器人可實現高位置精度（μM級）。然而，與機器人的結構尺寸相比，這種直角坐標機器人的運動空間相對較小。因此，為了獲得一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人大得多。直角坐標機器人的工作空間是長方體。笛卡爾坐標機器人主要用于裝配和搬運操作。笛卡爾坐標機器人有三種結構：懸臂、龍門和天車。2）圓柱坐標機器人結構圓柱坐標機器人的空間運動由一個旋轉運動和兩個直線運動實現，如圖2-1B所示。這種機器人結構簡單，精度高。它通常用于處理操作。它的工作空間是圓柱形的。3）球坐標機器人結構球坐標機器人的空間運動由兩個旋轉運動和一個直線運動實現，如圖2-1C所示。該機器人結構簡單，成本低，但精度不高。主要用于搬運作業。它的工作空間是一個類似球體的空間。4）鉸接式機器人結構關節機器人的空間運動由三個旋轉運動實現，如圖2-1d所示。關節機器人具有動作靈活、結構緊湊、占地面積小的優點。與機器人身體的大小相比，其工作空間相對較大。這種機器人廣泛應用于工業領域，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業。關節機器人結構有兩種：水平關節型和垂直關節型。圖2-1四種機器人坐標形式考慮到數控機床布局的具體形式和對機械手的具體要求，在滿足系統工藝要求的前提下，盡量簡化結構，以降低成本，提高可靠性。該設計要求機器人手臂能夠到達工作空間中的任何位置和姿勢，結構簡單，易于控制。綜合考慮后，確定該機器人具有六個自由度，包括手臂的三個自由度。在與帶關節的機器人相同的條件下，帶關節的機器人可以比帶關節的機器人獲得更大的體積。與平動接頭相比，旋轉接頭操作空間大，結構緊湊，重量輕，易于密封防塵。這里，六個旋轉關節用于合成各種手臂和手腕配置，并最終確定其結構形式，如圖2-2所示。本次設計選用了關節機械手。圖2-2結構形式2.3驅動方式的選擇動力設備可以為機器運轉提供能量。常用的動力設備包括液壓驅動、氣動驅動、電機驅動等方式。不同的駕駛模式具有不同的特點，這決定了不同的應用范圍和空間。目前，制造業最常用的驅動模式是液壓和電機驅動，有些驅動模式是混合驅動。電驅動的目的是利用電機產生的力和力矩直接驅動機器人的關節，從而達到所需的位置、速度和加速度。目前，大多數電機由交流伺服驅動器驅動。由于交流伺服驅動器可調范圍大，定位精度高，驅動時有足夠的剛度，系統的速度穩定性特別高。低速旋轉時扭矩大，過載時短時間內不會影響工作。驅動系統可靠性高，運行穩定。常見的電機可分為直流、交流和步進電機。考慮到制造車間的面積和制造企業零部件的重量，液壓和電機驅動方式的結合可以確保機械手具有足夠的靈活性和足夠的輸出功率。2.4腰部回轉方案設計機器人腰座是機器人的第一個旋轉關節，對機器人末端的運動精度影響最大。因此，在設計中，應特別注意腰軸系統和傳動鏈的精度和剛度。腰椎旋轉的驅動形式可以由電機通過減速機構實現，也可以通過擺動液壓缸或液壓馬達實現。目前的趨勢是使用前者。由于電控精度高，結構緊湊，無需設計其他液壓系統及其輔助部件。考慮到腰部座椅是機器人的第一個旋轉關節，對機械手的最終精度有很大影響，采用電機驅動實現腰部的旋轉運動。通常，電機不能直接驅動。考慮到速度和扭矩的具體要求，采用大傳動比的傳動系統進行減速和扭矩放大。由于齒輪傳動存在齒側間隙，影響傳動精度，所以采用大傳動比的蝸輪傳動。同時，為了減少機械手的整體結構，蝸輪采用高強度、高硬度材料制成，并進行高精度加工，從而將蝸輪傳動帶來的誤差降至最低。腰部座椅的具體結構如圖2-3所示：圖2-3腰部蝸輪蝸桿傳動系統2.5手臂傳動方案的設計機械手手臂（上臂、中臂和下臂）的運動是旋轉運動。旋轉運動的實現一般通過氣動傳動、液壓傳動和電動滾珠絲杠來實現。考慮到工件重量大，機械手的動態性能、穩定性和安全性，對機械臂的剛度有很高的要求。綜合考慮，該臂采用液壓驅動。通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件又是執行元件；液壓缸實現直線運動，控制簡單，易于實現計算機控制。同時，由于控制和具體工作的要求，機械臂的結構不能太大。如果僅僅通過增加液壓缸的缸徑來增加剛度，則不能滿足系統剛度的要求。因此，在設計中增加了雙液壓缸機構，并在下臂中增加了一個液壓缸，以盡可能增加其剛度。通過增加液壓缸，可以顯著提高機械手的運動剛度和穩定性，解決機械手的結構和穩定性問題。2.6夾持機構方案設計機器人末端執行器是安裝在機器人手腕上用于某些操作或操作的附加設備。機器人末端執行器種類繁多，可以滿足機器人不同的操作和操作要求。末端執行器可分為操作、處理和測量。搬運用末端執行器是指各種夾緊裝置，用于抓取或吸附運輸的物體。機械手夾持器的重量、被抓取物體的重量和操作力之和是機器人的允許負載力。因此，要求機器人末端執行器體積小、重量輕、結構緊湊。機械手夾持器的典型方案如下：1）楔桿爪：使用楔桿和杠桿釋放并打開爪，以抓住工件。2）溜槽式夾持器：當活塞向前移動時，溜槽推動夾持器通過銷合并，產生夾緊作用和夾緊力。當活塞向后移動時，夾具釋放。這種爪的開閉行程大，適合抓取不同大小的物體。3）連桿杠桿式夾持器：在活塞的推力下，連桿和杠桿使夾持器產生夾緊（松開）運動。由于杠桿的力放大，這種夾具可能會產生較大的夾緊力。通常與彈簧結合使用。4）齒輪齒條式夾持器：這種夾持器推動齒條穿過活塞，齒條帶動齒輪旋轉，從而實現夾持器的夾緊和松開動作。5）平行杠桿爪：采用平行四邊形機構，爪的兩個手指可以在沒有導軌的情況下保持平行運動，這比平行移動爪與導軌的摩擦力小得多。結合具體工況，本設計采用連桿桿爪。爪的具體結構如圖2-4所示：1.手爪2.銷3.油缸4.手爪支架5.手爪墊圖2-4夾持機構2.7機械手運動軌跡規劃軌跡規劃是指機械手根據任務，通過一定的角速度和角加速度，規劃每個關節完成任務所形成的最優軌跡。機械手的軌跡規劃僅基于關節空間和笛卡爾空間的內部運動學。在關節空間中，必須確保計劃軌跡必須是由一系列點構成的連續軌跡。軌跡規劃的要求是使機器在復雜的外部空間中平穩運行并完成工作，以及機械手自身在運動過程中產生的振動和干涉。送料機械手的路徑僅為直線運動，送料機械手應將檢測到的不同型號的挺桿放入相應的挺桿盒中。因此，本章僅以以下送料機械手為研究對象。操縱器的運動可以由末端效應器的一系列姿勢節點表示。每個節點的參數可以通過末端執行器坐標系與工作坐標系之間的坐標變換來表示。通過對機械手運動學的逆解，可以得到每個節點對應的關節角度的變化。軌跡規劃只要求機械手通過路徑完成工作，對路徑沒有特殊要求。因此，根據兩點間最近線定理，選擇最簡單的直線運動作為路徑的運動形式是最合理的。XX學院本科生畢業設計3腰部回轉機構設計計算工業機器人腰座是圓柱坐標機器人、球坐標機器人和關節機器人的旋轉基座。這是機器人的第一個旋轉關節。機器人的所有運動部件都安裝在腰座上，承擔著機器人的全部重量。計算條件：夾取工件重量10kg左右，回轉角度為360°。3.1蝸輪軸的設計計算設計計算：（1）選擇軸的材料軸的材料選擇為45鋼，經調質處理。由機械手冊表6-1-1查得：，，，（2）初步確定最小軸徑按表選取由機械手冊查得（3.1）（3）軸的結構設計圖3.1蝸輪軸結構圖（4）鍵的選擇與校核1、蝸輪連接鍵選擇普通平鍵為由機械手冊可查得（3.2）由機械手冊可查得所以2、軸端連接鍵選擇普通平鍵為。由機械手冊可查得（3.3）由機械手冊可查得所以（5）軸的強度校核其條件為（3.4）其中——軸的計算應力，MPa；M——軸所受的彎矩，Nmm（3.5）T——軸所受的扭矩，Nmm；W——軸的抗彎截面系數，；——對稱循環變應力時軸的許用彎曲應力，其值按表計算（3.6）即＝270MPa，故所設計的軸安全。3.2蝸輪齒輪設計計算條件：蝸輪軸輸出功率為，轉速為，負載轉矩為，傳動比為。工作壽命為設計計算：1選擇材料和加工精度蝸桿材料選用45鋼、蝸輪材料選用ZCuAl10Fe3、加工精度為7級初選幾何參數，計算蝸輪蝸桿傳動效率和蝸桿輸入轉矩粗算傳動效率為（3.7）蝸輪輸出轉矩為（3.8）蝸桿輸入轉矩為（3.9）確定許用接觸應力蝸桿輸入功率為（3.10）滑動速度為、、、（3.11）（3.12）求載荷系數K動載荷系數為、嚙合質量系數為、小時載荷率為、小時載荷率系數為、環境溫度系數為、工作情況系數為由于不帶風扇，所以：（3.13）計算m和q值（3.14）其中取，，167.蝸輪齒面接觸強度的校核驗算（3.15）所以接觸強度足夠。3.3步進電機選型計算條件：腰座電機載荷約為850N，蝸輪軸轉速為設計計算：手腕轉動時的時間約為，期間做功為（3.16）蝸輪軸輸出功率為（3.17）蝸輪軸轉矩為（3.18）電機軸輸出轉矩為（3.19）電機軸輸出功率為（3.20）步距角取。（3.21）靜力矩為（3.22）選用型號為57BYG450C的永磁感應子式步進電機3.4推力軸承校核機械臂及以上的重量由臂架轉盤和底座之間的推力球軸承承擔。估計動臂及以上的重量為m=120kg，推力球軸承的等效載荷等于軸向力。P=fpFa查表13-6取載荷系數fpP=軸承壽命計算：Lh=106對于推力軸承51315，基本額定載荷C=162kN，極限轉速1700r/min，軸承實際轉速為：n=45r/min，工裝總時間20年兩班制。LL故軸承合格。XX學院本科生畢業設計4液壓系統設計4.1確定液壓系統基本方案液壓執行機構一般分為液壓缸和液壓馬達。前者實現直線運動，后者實現旋轉運動。其特點及適用場合見表4-1：表4-1名稱特點適用場合雙活塞桿液壓缸雙向對稱雙向工作的往復場合單活塞桿液壓缸有效工作面積大、雙向不對稱往返不對稱的直線運動，差動連接可實現快進柱塞缸結構簡單單向工作，靠重力或其它外力返回擺動缸單葉片式小于360雙葉片式小于180小于360的擺動；小于180的擺動齒輪馬達結構簡單、價格便宜高轉速、低轉矩的回轉運動葉片馬達體積小、轉動慣量小高速低轉矩、動作靈敏的回轉運動擺線齒輪馬達體積小、輸出轉局大低速、小功率大轉矩的回轉運動軸向柱塞馬達運動平穩、轉矩大、轉速范圍寬大轉矩的回轉運動徑向柱塞馬達轉速低，結構復雜，輸出轉矩大低速大轉矩回轉運動由于機械手的形式是柱坐標，所以它有三個自由度，一個旋轉和兩個移動自由度。同時，考慮到機械手的工作負荷和工作現場環境對機械手布局和定位精度的具體要求，以及計算機控制的因素，腰部的旋轉由電機驅動，其余兩個動作為線性。因此，機械手的橫臂和豎臂采用單活塞桿液壓缸實現直線往復運動。4.2擬定液壓執行元件運動控制回路液壓執行機構確定后，其運動方向和速度的控制是液壓回路的核心問題。方向控制由方向閥或邏輯控制單元實現。對于一般的中小流量液壓系統，所需的動作是通過換向閥的有機組合來實現的。對于高壓大流量系統，主要采用插裝閥和先導控制閥的邏輯組合。速度控制通過改變液壓執行器的輸入或輸出流量或利用密封空間的體積變化來實現。相應的調速方式有節流調速、容積調速和容積節流調速結合使用。本設計的方向控制主要通過電磁換向閥實現，而速度控制主要通過節流調速實現，主要方式是采用相對簡單的節流閥。4.3液壓源系統的設計液壓系統的工作介質完全由液壓源提供，液壓源的核心是液壓泵。節流調速系統一般采用定量泵供油。在沒有其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量應大于系統的油需求量。多余的油通過溢流閥流回油箱，同時起到控制和穩定油源壓力的作用。容積調速系統由變量泵供油，安全閥限制系統最大壓力。液壓裝置中的油是無法凈化的來源。一般情況下，泵的進口應配備粗濾油器，進入系統的油應根據要求通過細濾油器再次過濾。為了防止系統中的雜質流回油箱，可以在回油路上設置磁性過濾器。根據液壓設備的環境和溫升要求，還應考慮加熱、冷卻等措施。本設計的液壓系統采用定量泵供油，系統壓力由溢流閥v1調節。為了保證液壓油的清潔度，防止液壓油帶來污染物，在油泵進口安裝粗濾器，在油泵出口安裝細濾器，對循環液壓油進行凈化。4.4繪制液壓系統圖機械手的液壓系統圖如圖4-1所示。它有兩個執行器：垂直臂的上升和下降以及水平伸縮油缸的向前伸展和收縮。泵由三相交流異步電動機M驅動；系統壓力由安全閥V1設定；1dt功率的增益和損耗決定了電源的輸入和移除。由于機械手垂直提升油缸的下降方向與工作時負載重力的作用方向一致，下降時有加快運動速度的趨勢，為了使運動過程穩定，盡量減少沖擊和振動，確保系統的安全，由V2組成的平衡回路用于向提升油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力載荷。圖4-1機械手的液壓系統原理圖4.5確定液壓系統的主要參數液壓系統的主要參數是壓力和流量。它們是設計液壓系統和選擇液壓元件的主要依據。壓力取決于外部負載，流量取決于液壓執行器的移動速度和結構尺寸。4.5.1計算液壓缸的總機械載荷根據機構的工作情況液壓缸所受的總機械載荷為（4-1）式中，為外加的載荷，因為水平方無外載荷，故為0；為活塞上所受的慣性力；為密封阻力；為導向裝置的摩擦阻力；為回油被壓形成的阻力；（1）的計算（4-2）式中，為液壓缸所要移動的總重量，取為100KG；為重力加速度，；為速度變化量；啟動或制動時間，一般為0.01~0.5，取0.2s將各值帶入上式，得：=1.02（2）的計算（4-3）式中，克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力，如該液壓缸工作壓力<16，查相關手冊取=0.2；為進油工作腔有效面積；啟動時：535N運動時：=273N（3）的計算機械手水平方向上有兩個導桿，內導桿和外導套之間的摩擦力為（4-4）式中，為機械手和所操作工件的總重量，取為110KG；為摩擦系數，取f=0.1；帶入數據計算得：=98（4）的計算回油背壓形成的阻力按下式計算（4-5）式中，為回油背壓，一般為0.3~0.5，取=0.4為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2；將各值帶入上式有，分析液壓缸各工作階段受力情況，作用在活塞上的總機械載荷為。4.5.2液壓缸主要參數的確定考慮到本設計是一個機械手，機械手系統的剛度和穩定性非常重要。因此，應從剛度角度選擇液壓缸直徑，以便優先確保機械手結構和運動的穩定性和安全性。至于液壓缸的工作壓力和速度，則處于液壓系統的設計階段，這是通過外部液壓回路和使用適當的調速回路和部件來實現的。經過仔細分析和綜合考慮各種因素，初步確定各液壓缸的基本參數如下：表4-2手爪執行柱塞缸參數缸內徑壁厚直徑行程工作壓力20520803~6表4-3水平伸縮液壓缸參數缸內徑壁厚桿直徑行程工作壓力6010254001由于伸縮油缸的作用主要是實現伸縮直線運動的運動形式，因此它在軸向上不承受顯式的工作載荷（因為夾具夾持工件，應力方向是垂直的），軸向主要是克服摩擦力矩，載荷主要是徑向載荷，載荷性質是彎矩，導致彎曲變形。此外，由于機械手需要一定的靈活性，臥式液壓缸的活塞桿需要相對較大的工作行程。同時，它具有較大的彎矩和較長的行程，對液壓缸的穩定性和剛度有較高的要求。因此，在水平伸縮筒的設計中，一是提高其抗彎能力，二是通過合理的結構布置設計使其盡可能剛性。為了實現這一目標，在設計中使用了導向桿，以滿足長沖程活塞桿的穩定性和導向問題。表4-4垂直液壓缸參數缸內徑壁厚桿直徑行程工作壓力6010251001因為立式液壓缸所承受的載荷模式不僅有一定的軸向載荷，而且有較大的傾覆力矩。作為一個液壓執行機構，它很容易滿足這里的驅動力要求。要解決的關鍵問題是其結構設計是否具有足夠的剛度來抵抗傾覆。這里還采用了導桿機構，在垂直提升油缸周圍設置了四根導桿，更好地解決了這一問題。4.5.3液壓缸強度的較核（1）缸筒壁厚的較核當D/時，液壓缸壁厚的較核公式如下：（4-10）式中，為缸筒內徑；為缸筒試驗壓力，當缸的額定壓力時，取為；為缸筒材料的許用應力，，為材料抗拉強度，經查相關資料取為630，為安全系數，此處取；帶入數據計算，上式成立。因此液壓缸壁厚強度滿足要求。（2）活塞桿直徑的較核活塞桿直徑的較核公式為（4-11）式中，為活塞桿上作用力；為活塞桿材料的許用應力，此處；帶入數據，進行計算較核得上式成立，因此活塞桿的強度能滿足工作要求。4.6計算和選擇液壓元件1.液壓泵的計算（1）確定液壓泵的實際工作壓力（4-12）式中，計算工作壓力，前以定為；對于進油路采用調速閥的系統，可估為（0.5~1.5），這里取為1。因此，可以確定液壓泵的實際工作壓力為（4-13）（2）確定液壓泵的流量（4-14）式中，為泄露因數，取1.1；為機械手工作時最大流量。（4-15）經計算得=3.150帶入上式得（3）確定液壓泵電機的功率（4-16）式中，為最大運動速度下所需的流量，同前，取為3.150；液壓泵實際工作壓力，5；為液壓泵總效率，取為0.85；帶入數據計算得：=。2.控制元件的選擇根據系統的最大工作壓力和通過閥門的最大流量，從標準元件的產品樣品中選擇每個控制元件。在考慮具體操作時，本部分將根據具體要求并結合具體情況進行詳細說明，此處暫不贅述。3.油管及其他輔助裝置的選擇（1）查閱設計手冊，選擇油管公稱通徑、外徑、壁厚參數液壓泵出口流量以3.150L/MIN計，選取；液壓泵吸油管稍微粗些，選擇；其余都選為；（2）確定油箱的容量一般取泵流量的3~5倍，這里取為4倍，有效容積為