五自由度液压机械手设计

五自由度液压机械手设计 五自由度液压机械手设计 摘要 本课题是 应用在各种类 型的小型机床上 ，或者配以行走 机构大范围的搬运零件的液压机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。 液压传动较其他转动有以下几个优点：液体压力大，能够获得较大的输出力；油的可压缩性小，压力、流量均较易控制，可无级变速；反映灵敏，能实现连续轨迹控制维修方便，特别实用于高强度作业。 在我的毕 业论文中，我 主要做了以下几 个方面的内容： 手部的结构设计、腕部的结构设计、小臂的结构设计、大臂的结构设计、液压系统的设计。并运用 CAD 等软件进行了绘图。 关键词； 机械手；结构设计；液压系统 - I - 哈尔滨理工大学学士学位论文 Hydraulic Material Handling Robot Design Abstract This topic is used in all types of small Machine Tool, walking or supported by a wide range of agencies handling parts of the hydraulic manipulator. Industrial machinery hand is the inevitable product of industrial production, it is a copy of the upper part of the hu man bod y functions, in accordance with the scheduled transfer request Hold the piece of work orto ols for th e automatio n technolo gy and equipment, industrial automationand promote the further development of industrial p roduction plays an important Role. So they have strong vitality of the people by the extensive attention and welcome. Practice has proved that the industrial rob ot canreplace the staff of the heavy labor, significantly reduced labor intensity of workers and improve working conditions, improve labor productivity andthe level of automation. Hydraulic transmission th an other rotation has the following advan tages: fluid pressure, to get greater ou tput; oil compressibility small, pressureand flow ar e easier to co ntrol, continuously variable; reflect the sensitive and can achieve continuous Track maintenance for control, especially useful in high-intensity operations. I graduated from a three-month design, I mainly do the following: the structural design of the hand, wrist structur al design, structural design of the arm, the arm of the structural d esign, hydraulic system design. Use some software to Paint such as CAD. Keywords Manipulator; Structural Design; Hydraulic System- II - 哈尔滨理工大学学士学位论文 目录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景和意义 . 1 1.2 国内外研究状况 . 2 1.3 课题研究的内容 . 3 第 2 章 总体方案的设计论证 . 4 2.1 设计思想概述 . 4 2.2 设计工作要求 . 4 2.3 根据工作要求，拟订机械手运动参数 . 4 2.3.1 拟定机械后运动结构简图 . 4 2.3.2 各部分长度尺寸的拟定 . 5 2.3.3 选取坐标形式及自由度数 . 5 2.3.4 机械手运动参数设计 . 6 2.3.5 机械手总体参数 . 6 2.4 本章小结 . 6 第 3 章 各部分结构设计论证 . 7 3.1 手部的结构设计 . 7 3.1.1 油缸及其附属的选择及校核 . 7 3.1.2 活塞杆校核 . 10 3.1.3 油缸端盖螺钉的校核 . 11 3.2 腕部的结构设计 . 11 3.2.1 手腕回转缸的计算 . 12 3.2.2 腕部摆缸的设计 . 14 3.3 小臂的结构设计 . 16 3.3.1 伸缩油缸的设计 . 16 3.3.2 油缸尺寸的确定 . 18 3.3.3 活塞杆的校核 . 19 3.3.4 导向杆的强度校核 . 19 3.3.5 油缸端盖螺钉的校核 . 20 3.4 大臂的结构设计 . 21 3.4.1 大臂回转缸的设计 . 21 3.4.2 大臂升降缸的设计 . 24 - III - 哈尔滨理工大学学士学位论文 3.5 本章小结 . 26 第 4 章 液压控制系统的拟定 . 27 4.1 液压系统的各种方案 . 27 4.1.1 调速方案 . 27 4.1.2 减速缓冲回路 . 27 4.1.3 系统安全可靠性 . 28 4.1.4 液压系统的设计 . 28 4.2 本章小结 . 29 结论 . 30 致谢 . 31 参考文献 . 32 附录 . 错误！未定义书签。 - IV - 哈尔滨理工大学学士学位论文 第 1 章 绪论 1.1 课题背景和意义 工业机器 人由操作机（ 机械本体） 、控 制器、伺服驱动 系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用 。机器人 技术是综合了计 算机、控制论、 机构学、信息和 传感技术、人工智能、 仿生学等多学科 而形成的高新技 术，是当代研究 十分活跃，应用日益广泛 的领域。机器人 应用情况，是一 个国家工业自动 化水平的重要标志 。 机器人 并不是在简单意 义上代替人工的 劳动，而是综合 了人的特长和机器特长 的一种拟人的电 子机械装置，既 有人对环境状态 的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化中的过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备 。 在我国， 汽车制造业中 的机器人冲压线 ，焊接线，涂装 线与总装线，家电制造 业中的机器人装 配线，微电子 业中的 IC 芯片的后 封装技术，各种制造业 中的自动化物流 输送系统，以及 信息，食品，制 药等行业，对机器人及其 生产线成套技术 提供了巨大的市 场需求。客户化 小批量生产是市场的需求 ，是今后制造业 中非常重要的一 种生产模式，它 对自动化装备提出了新的 要求，即要求生 产线具有较高的 柔性和敏捷性， 以适应客户的需求和 产品经常 变型的需 求 。机器人技术便是客户化小批量生产的基本保证。生产效率是制造企业的核心问题和永恒追求的目标。它不仅可以降低产品的成本，直接影响产品的性能价格比，而且还间接的影响空间的设备的利 用率 。现在， 我们的工 厂虽然有 了一些 单元自动 化。但某 些关键岗位仍有人工操作，造成了连 续生产线的堵塞,原因是这些工作岗位的操作复杂多变。采用机器人或智能化机器人是大幅度提高生产率的一个很好的解决办法 。 中国机器 人经过二十多 年的发展，已经 作好了产业化的 准备。随着中国加 入 WTO，中 国企业将 加入国际 化的竞争 ，特别是 “十五” 计划国家将汽车工业作为重点发展行业，提高生产的自动化水平是快速发展的基- 1 - 123456哈尔滨理工大学学士学位论文 础。因此，发展中国的机器人产业，特别是发展高级信息智能化和生产系统的机器人化。将是中国工业机器人发展的新阶段。我们要抓住这一机遇，迎头赶上去。 人在连续工作几个小时之后，总会感到疲劳或是厌倦，机械手只要对它注意维修和检修就能胜任长时间的单调简单重复劳动。机械手对环境适应性强，能代替人从事危险有害的工作。在长时间工作对人有害的场所，机械手不受影响，只要针对工作环境进行合理设计，选用适当的材料和结构。机械手就可以在异常高温或低温，异常压力或有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、厌火环境下胜任工作 。 机械手能持久、耐久，可以把人从繁重的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人手的功能。并且动作准确，可保证稳定和提高产品的质量。同时可避免人为的操作失误。 液压机械手作为机械手的一种有下面几个特点： (1)液体压力大，能够获得较大的输出力 (2)油的可压缩性小，压力、流量均较易控制，可无级变速。反映灵敏，能实现连续轨迹控制 (3)维修方便，特别实用于高强度作业。 1.2 国内外研究状况 早在 1962 年美国机械铸造公司就实验成功了一种叫 versatrap 的机械手，愿意是灵活搬动。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统是示教再现型。是国外工业机械手的发展基础。联邦德国是从 1970 年开始把液压机械手用于工业生产，主要用于起重运输、焊接和设备的搬运。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。只 1969 年冲美国引进二种典型液压机械手后，大力从事呀就。1979 年从事研究工作的大专院校、研究单位多达 50 多哥。1976 年个大学和国家研究部门用在机器手的研究费用占总呀就费用的 42%。1979 年日本机械手的产值达 433 亿日元，其中液压机械手占大部分。苏联自六十年代开始使用发展液压机械手 。 国内的液压机械手较国际上起步较晚，但是发展比较迅速。在这方面比较突出的大学有：中国科学技术大学，哈尔滨工业大学，浙江大学。 本报讯日前，由哈工大机器人研究所牵头研制的“863”重点项目“小型智能飞行机器人系统空间机械手系统”通过“863”专家组验收 。该空间机械手系统在空间站搭建、卫星故障修复、空间舱内科学实验、深空探测等空间作业领域及核工业等危险作业环境方面具有较大的推广应用价值 据了解，为更好地完成该系统的研究，哈工大成功研制了空间机械手系统原型样机。该样机包括 6 自由度可折叠机械臂、手爪、中央控制器和支撑锁紧- 2 - 789哈尔滨理工大学学士学位论文 机构。关节采用模块化设计方法，集机构、驱动、传感和控制为一体，采用大中心孔设计方法实现机械臂的内部走线，以消除空间环境对导线及其传输信号的影响；空间机器人手爪具有高刚度、大夹持力、快速闭合、大捕获范围以及准确的捕获位姿精度等特性。该项目共申请国家发明专利 10余项。在工业生产中也有不少企业能自己生产出性能较好的机械手。 液压机械手是在吸收国外先进技术的基础上研制开发而成的，主要用于树脂砂脱箱造型砂型的涂料流涂、合型或搬运等操作。具有夹紧、砂型翻转、平衡协调等功能，全液压驱动夹紧力连续可调，动作平稳、可靠。 主 要 技 术 规 格： 砂型最大尺寸：1450 1200 800 mm砂型最小尺寸：800 600 200mm最大提升重量：说明：液压机械手可配升降、行走机构，需根据客户要求及现场情况另行非标设计 。1.3 课题研究的内容 本课题作 为一个实际课 题，是关于液压 机器手的研制， 主要的研究内容有以下几个方面： (1)手部的结构设计 油缸及其附属的选择和校核、活塞杆校核。 (2)腕部的结构设计 它是连接 手部与臂部的 部件，手腕的设 计除了要满足启 动和传送的过程中所需要的力矩外，还要使手腕的结构简单、紧凑。并可用来调整被抓物体的位置方位，本机械手上下摆动和饶自身轴线的回转二个自由度。 (3)小臂的结构设计 手臂是机 械手的主要执 行部件，其作用 是支撑腕部和手 部主要用来改变工 件的位 置.手 部在空 间的活 动范围 主要取 决臂部 的运动 方式。 小臂的伸缩范围和回转的角度。 (4)大臂的结构设计 大臂的升降高度的范围和回转的角度的确定等。 (5)液压控制系统的设计 设计合理 的液压控制系 统来更好的完成 五自由度的工作 要求，让机械手更精确漂亮的完成给予它的任务。 - 3 - 3000kg10哈尔滨理工大学学士学位论文 第 2 章 总体方案的设计论证 2.1 设计思想概述 人在连续 工作几个小时 以后，总会感到 疲劳或是厌倦， 机械手只要对它注意维护和检修即能胜任长时问的单调简单重复劳动。机械手对环境适应性强，能代替人从事危险、有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工件环境进行合理设计，选用适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或者低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作 。机械手能持久、耐劳，能把人从繁重的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人手的功能。并且动作准确，可保证稳定和提高产品质量，同时，可避免人为的操作失误。 2.2 设计工作要求 本此课程 设计的目的就 是要设计一种工 业搬运机械手， 把人从沉重的劳动中解放出来。该机械手要求至少要有五个自由度，以便是工件在有限三维空间能达到任意位置。并在保证上述设计要求的前提下，尽量满足标准化，经济性，可靠性和人机工程学等方面的要求。 2.3 根据工作要求，拟订机械手运动参数 2.3.1 拟定机械后运动结构简图 如图 2-1 ： 图 2-1 机械手运动结构简图- 4 - 8 哈尔滨理工大学学士学位论文 由简图可知：机械手的组成包括手部、腕部、小臂、大臂四部分。手部：直 接接触工件的部 分，用来夹紧工 件此机械手采 用回转型外夹式两指式结构。 腕部：连 接手部与小臂 的部分，用来调 整抓取物体的方 位，它有上下摆动和饶自身轴线转动两个自由度。 小臂：连接腕部与大臂的部分，可以沿轴线线方向伸缩。 大臂：连 接小臂与固定 机械手整体的部 分，有饶自身轴 线转动和伸缩两个自由度 2.3.2 各部分长度尺寸的拟定 如图 2-2 ： 图 2-2 各部分长度尺寸简图 手部及腕部总长度为 400mm； 小臂总长为长度为 400-600mm， 其中 200mm 为伸缩距离； 大臂总长为长度为 500-650mm， 其中 150mm 为伸缩距离。 2.3.3 选取坐标形式及自由度数 本机械手采取 5 自由度球坐标形式分别是： 沿 X 方向的伸缩； 沿 Z 方向的升降； 绕 X 轴的转动； 绕 Z 轴的转动； 饶 P 点，在 XZ 平面的转动。 - 5 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 2.3.4 机械手运动参数设计 如表 2-1 表 2-1 机械手运动参数设计 运动方式 腕部回转 手臂摆动 小臂伸缩 大臂升降 大臂回转 动作范围 -90 90 -90 90 300mm 200mm -90 90 速度 90sec 90sec 100mm/sec 100mm/sec 90sec 缓冲方式 节流阀调速 节流阀调速 节流阀调速 节流阀调速 节流阀调速 2.3.5 机械手总体参数 如表 2-2 表 2-2 机械手总体参数项目 结构形式 自由度数 驱动方式 最大负荷 手指夹持范围 定位精度 安装环境 技术参数 球坐标式 5 液压驱动 10kg 48-80 1mm 0-50 2.4 本章小结 通过构思 设计思想，我 拟定了运动结构 简图和各部分长 度尺寸还有机械手的总体参数。让我对这个课题有了更进一步的了解，为我以后的设计计算做好了铺垫，是我的毕业设计由大框理论向精确的设计计算过度。 - 6 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 第 3 章 各部分结构设计论证 3.1 手部的结构设计 手部设计时应往意的问题： (1)手指应有足 够的夹紧力。为使手指牢靠 地夹紧工件，除考虑被夹 持工件的重量外，还应考虑工件在传送过程中所产生的动载荷 。 (2)手指应有一 定的开闭范围，其大小不仅 与工件的尺寸有关，而且 注意手部接近工件时的运动路线及方位的影响。 (3)应保证工件在手指内准确定位。 (4)结构尽量紧凑、重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。 (5)据应用条件考虑通用性。3.1.1 油缸及其附属的选择及校核 如图 3-1 所示手部结构： 其受力分析如图 3-2： 图 3-1 手部结构图 图 3-2 受力分析图 - 7 - 910哈尔滨理工大学学士学位论文 其中 c=28mm b=80mm =45 3.1.1.1 油缸内径的选择及其校核 2 cos然后由力矩平衡条件，即 M 0(F ) 0 得：p1 h N b coscb 工件中心到回转支点的距离(mm)； c 销到对称中心线的距离 (mm) ； 滑槽方向与两销轴连线得夹角()。 手部的计算： 手指夹紧力 N K 1 K 2 K 3G (33) 式中： K1 安全系数，通常取 1.2-2.0 K 2 工件情况系数，主要考虑惯性力得影响。 K 2 可以近似估算。 g9.8 m sK 3 方位 系数， 根据 手指 与工件 形状 以及手 指与 工件位 置不 同进行选定。 G 被抓取工件的重量。 以知：V 钳形口角度 2120 取 K1 =1.2 工件最大缓冲加速度 a 2m sg 9.8已知：V 型钳口角度 2120 ，根据所选机械手手部特点，查表选： K3 =5 将已知条件代入： N K1 K2 K3 G1.21.25109.8706.8N (34) - 8 - a 2根据销轴的力平衡条件， pp1p 2 (31)c由于h 2Nb所以 pcos (32) aK2 1，其中 g 为被抓取工件的最大加速度，g 为重力加速度。取22K 2 11=1.2 由驱动公式 取 =0.9 20190.9哈尔滨理工大学学士学位论文 c282019N2244N2 45(35) 确定油缸直径 D 2 2选取活塞杆直径 d=0.5D P 实际= 4选取压力油工作压力 p=4MPa 活塞杆内径 D 实际 2p10.5 4 22443.14410 0.7530.86mm根据油缸内径系列选取油缸内径:D=32mm 则活塞杆直径:d=D/2 =16mm 油缸壁厚度的计算： (37) 油缸内径确定后，由强度条件计算所需要的最薄处缸壁厚度，再根据具体的结构来确定适当数值 。以满足设计要求。 依据材料力学的薄壁公式，油缸的壁厚： 2 油缸臂厚(mm) py 油 缸 内 实 验 压 力 ， 当 液 压 缸 的 额 定 压 力 pn 16MPa ，py 1.5 pn MPa D 油缸内径(mm) 缸壁材料的许用应力， = b/n 为材料抗拉强度，n 为安全系数，一般在 3.55 之间，在这里我们取 n=5。 工作压力 pn 4MPa - 9 - pp 2Nbp cos 计算2706.880cos （D -d ）p (36) 4 p63pyD(38) py pn 150%4 150%6MPa哈尔滨理工大学学士学位论文 缸壁材料选用 45 号钢 b 600 MP a b n 600 / 5 120 MPa 22 120但出于对其他部件的装配考虑，油缸壁厚选为 12cm。 3.1.2 活塞杆校核 3.1.2.1 活塞杆的稳定性校核 由于活塞杆长度 L (200mm)远小于 15d (800mm)，所以活塞杆足够稳定。3.1.2.2 活塞杆的强度校核 夹紧缸内的活塞杆主要是受轴向压力作用，因此只要对他抗压强度进行校核即可。 活塞杆受力如图 3-3 受压强度的计算： 图 3-3 活塞杆受力示意图4411MPa- 10 - (39) pyD 6 320.6mm p d2244 0.016203MPa哈尔滨理工大学学士学位论文 故活塞杆取 16mm 完全能满足工作要求。 3.1.3 油缸端盖螺钉的校核 油缸端盖共有 4 个螺钉，均布，则每个螺钉受力： Q QF 式中： Q预紧力，Q= KF ； F 工件载荷； 4 4K 取 1.6 ； 因为 KF 2411.5 1.6 3858.4 所以 Q 2411.5 3858.4 6269.9N 螺栓危险截面强度条件： 式中： d 螺栓危险截面直径； 螺栓材料的许用应力 。 查得： 392MPa 392MPa根据工程手册，选取直径为 6mm 的内六角螺钉即可。 (310) 由于篇幅有限，只对主要部件进行校核，并且预留了较大的余量，其他部件根据以往的经验进行设计，不再一一校核。 3.2 腕部的结构设计 手腕的设计：它是连接手部与臂部的部件，手腕的设计除了满足启动和传送过程中所需的力矩外，还要使手腕的结果简单、紧凑。并可用来调整被抓取物体的方位，本机械手上下摆动和饶自身轴线的回转两个自由度。 - 11 - p s 64 10 0.032 2 0.016 2F2411.5 N 4 1.3Qd341.3Q 41.36269.9因此d 5.14mm 哈尔滨理工大学学士学位论文 3.2.1 手腕回转缸的计算 结构的估计重量： 由于对结构的重量计算不便，本设计采用结构估重，即把所需的部件看作一个实心体，用它的体积乘以材料的密度，把所得结果作为所求结果得质量。由于工件内部有较多空间存在，这样得结果计算有较大余量，更加保证了工作要求。 1-定片 2-缸体 3-回转轴 4- 动片 5-密封圈 图 3-4 腕部回转缸简图 3.2.1.1 手腕回转所需的驱动力矩 M 总 M 摩 M 偏 M 惯 (311) (1)由设计图纸估测得，手抓、手抓驱动缸及回转缸所占空间等效为一个高 L=400mm，半径 r=30mm 的圆柱体，那么它的重量约为： G 约 7.810 0.0300.4 8.821kg 为了计算方便取 G=10kg。 (2)取摩擦力矩 M 摩=0.1M 总 2 起(3)启动过程中所转过的角度 起=18 等速角速度转动90 sec 2 2考虑手部夹持的范围，工件的最大尺寸为 L=300mm,r=40mm - 12 - 22M 惯 0.0175 J J 工件 (3 12) 1 12 2J mr 100.03 0.0045kgm哈尔滨理工大学学士学位论文 1212 0.08kgm902 (313) M惯 0.0175 0.00450.08 218 0.34kgf m 3.3N m (4)由于腕部为中心对称结构， M 偏 0 。 M 总 M 摩 M 偏 M 惯=0.1M 总+3.4 所以 M 总=3.73.2.1.2 确定转轴的尺寸 (1)由强度条件计算该轴的最小直径 WtWt 抗扭截面模量 max 材料所受的最大剪应力 材料的许用剪应力 16对于本设计所使用的 45 号钢，取= 30MN / m30102(314) (315) 出于对结构上以及整体加工制造和安装等方面得得综合考虑，根据油缸内径系列选取： =56mm， =24mm 回转油缸所产生的驱动力矩计算: 2式中： M 总 手腕回转总的阻力距； p 回转油缸的工作压力； R 缸体内径； r 回转轴半径； b 动片宽度。 - 13 - mJ L 3r工件10 22Mnmax 对于轴类零件 Wt d ， 16M则 d316M 163833d2 2pb R rMM 总 (316) 哈尔滨理工大学学士学位论文 取 p=4MPa，定转轴的最小尺寸 代入参数： 2满足设计要求，故可以选用。 3.2.2 腕部摆缸的设计 3.2.2.1 偏离中心 e 的计算 腕部受力如图 3-5： 图 3-5 腕部受力图 根据腕部及手部结构，机械手空载重心偏向摆缸，估测得 15mm。 由 M G Xe 得：150 10 350 10 10 10X X 250 3.2.2.2 油缸的选择与校核 M 总 M 摩 M 偏 M 惯 (1) 取摩擦力矩 M 摩 0.1M 总 (2) M 偏 0. 2510 10 9.8 24.5N m 2 起启动过程中所转过的角度 起=18 等速角速度转动90 sec 由于手腕部结构复杂，很难计算其转动惯量，可以将其质量全部假设在重心 e 处，经分析得，由此得到得转动惯量数值大于其实际数值，故可以用其校核，保证了其工程强度，并且有较大余量。 2 2- 14 - 6 2 2410 0.0180.028 0.012 0.37 2J(1)M 惯 0.01751 1 2J mr 100.15 0.1125kgm哈尔滨理工大学学士学位论文 考虑手部夹持的范围，工件的最大尺寸为 L=300mm，r=40mm，远小于工件到 O 点距离 d，故可也可近似得将其质量放在重心处计算其转动惯量。 2 2218因为 M M M M 0.1M 24.5N m 28.5 N m 0.1M 53N m 总3.2.2.3 油缸轴回转轴的选择与校核 (1)由强度条件计算该轴的最小直径 Wttmax 材料所受的最大剪应力 Mn 材料得许用剪应力 16对于本设计所使用的 45 号钢，取= 30MN / m3010出于对结构上以及整体加工制造和安装等方面得得综合考虑，根据油缸内径系列选取：R=40mm，r=24mm。 (2) 回转轴得校核 回转油缸所产生的驱动力矩计算： 2式中： M 总 手腕回转总的阻力距； p 回转油缸的工作压力； R 缸体内径； r 回转轴半径； b 动片宽度。 - 15 - 1 1 2J md 100.35 0.6125kgm工件290M 0.0175 0.1250.6125 285kg m 28.5N m 惯所以 M 58.9N m Mmax W 抗扭截面模量 对于轴类零件 Wt d ，则 16Md3216M 1658.9362 2pb R rM M 总 哈尔滨理工大学学士学位论文 取 p=4MPa,确定转轴的最小尺寸 代入参数 2满足设计要求，故可以选用。 3.3 小臂的结构设计 手臂是机械手的主要执行部件，其作用是支承腕部和手部主要用来改变工件的位置。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。 设计时注意以下几点： (1)钢度要好。要合理的选择臀部的截面形状和轮廓尺寸。我们选用悬臂梁无封钢管作导向杆，用钢板作支承板，以保证有足够的刚度。 (2)偏重力矩要小。偏重力矩是指臂部的重量对其支承回转轴( 即机身r 产生的力矩。它对臂部的升降运动和转动.都产生影响。设计时应使臂部的质量分布合理，龙碱少其偏重力矩 (3)质量要轻，惯量要小。由于机械手在高速情祝下常起停和换向，为了减少在运动状态变化时所产生的冲击必须采用有效的缓冲装置，力求结构紧凑，重量轻、以减少其偏重力。 (4)得向性要好。为了防止臂部在直线移动中沿轴线发生相对转动，以保证手部的正确方向和准确定位、必须有导向装置，其结构应根据臂部的安装形式抓取重量和运动行程等因素来确定类比同类型结构，设计小臂结构如下：1-导向杆 2-支持板 3-油缸图 3-6 小臂伸缩机构3.3.1 伸缩油缸的设计 根据油缸驱动时所需克服负荷，摩擦，密封装置，及惯性等几个方面- 16 - 2 2410 0.040.02 1200 58.9 哈尔滨理工大学学士学位论文 的阻力，确定油缸得驱动力。 驱动力公式： P P 摩 P 密 P 回 P 惯P 摩(317) 式中： 摩擦阻力。手臂运动时，运动件表面间得摩擦力，要根据具体情祝进行估算。 本设计为双导向杆，导杆对称配置在油缸两侧，两导杆受力均衡，因此可按一个导杆进行计算。 根据体积对各部分得重量进行估算，取 r=20mm，h=300mm 得： 导导G 总 G 导 G 腕 G 工件=3+10+10=23kgG 总 e G 腕 e 腕 G 导 e 导 (318) 所以 23 e=20 250 2 100 解得 e=13.6 a G 总 参与运动的零件总重，包括工件得重量 L 手臂参与运动零部件的总重量重心 C 到支撑前端得距离 a 导向支撑长度 当量摩擦系数，其值与导向支撑截面形状有关。 对于圆柱面： 2 摩擦系数 本次设计中导向套的材料为青铜，所 =0.15 取 1.570.235 ，则 a 0.01 188.5N(2)密封装置处得摩擦力 因为工作压力为 4MPa，小于 l0MPa，并且取活塞直径为油缸直径的一半，活塞与活塞杆处都用“O”型密封圈，油缸密封处的总摩擦力为 - 17 - 2G V 7.810 r h 7.810 0