装配线机械手毕业论文.doc

毕业论文第1章 绪论1.1 概述自从1985年美国联合控制公司研制出第一台工业机械手到现在已经历了几十年发展。它是模仿人体上肢的部分功能，按着预定要求完成操作的自动化技术装备，它能在生产中能够代替人工完成一些任务，现在已成为机械制造系统中一个重要组成部分。而装配线机械手只是众多工业机械手中的一种，这种机械手主要被用在装配生产中，它可以帮助人们完成一些装配生产任务。在工业生产中应用装配线机械手不仅可以提高生产自动化水平和劳动生产率，而且还可以减轻工人的劳动强度保证产品质量实现安全生产；尤其是在一些高温高压易燃易爆充满有毒气体和放射性物质的恶劣环境中可以发挥更大的作用；此外，在自动化生产中装配线机械手更是必不可少的一种生产装备。因此装配线机械手的应用极大地改善了工人的劳动强度，显著地提高了劳动生产率加快了工业生产机械化和自动化的步伐。因此它受到工业化国家的青睐并且投入大量的人力物力进行研制和发展。改革开放以来，我国工业生产有了突飞猛进的发展，自动化程度不断提高，装配线机械手也越来越受到重视,它的广泛应用极大地促进了我国的工业生产自动化，提高了生产效率。人们开始着手研究和开发这种机械手，并取得了一定的成果。尽管目前装配线机械手应用较广泛，但随着科学技术的进一步发展和相关学科的综合应用，装配线机械手逐步被完善，性能和稳定性不断提高，其用途也越来越广泛，操作也越来越灵活。1.2 装配线机械手的定义及组成 装配线机械手一般可以理解为：在工业生产的装配生产领域中应用的一种能代替人完成装配的能自动控制的多功能的多自由度的工业机器人。它的整个结构由执行机构驱动部分控制系统等组成。1.2.1 执行机构执行机构是完成各种动作部件的总称，具体包括以下几部分：1、 手部：直接与工件接触的部分，根据设计要求，本机械手手部设计成快换式，可根据不同装配要求更换不同手爪，来完成不同形状工件的装配任务。2、 腕部：是机械手中连接手部和臂部用来确定手部工作时位置并扩大臂部动作范围的部件，用来调整被抓取物体的方位及姿态。3、 臀部：是支撑被抓取工件、手部、腕部的重要部件，带动手部和腕部去抓取工件，并按预定要求将其搬运到指定位置。4、 腰部：即机身，是支撑机械手所以部件的部位，并安装驱动装置及其它装置的部件，是整个机械手的基础。在装配线机械手的整个执行机构中臂部和腕部是最基本的部件，它一般由旋转运动和往复直线运动的结构组成，其结构形式多种多样，一般有36个自由度，就能适合多场合的作业。 装配线机械手所握持的装配件在空间的位置是由臂部腕部以至整机等各自独立运动的合成来确定的。它的运动范围是指机械手在平面或空间的运动图形及其大小。是机械手的主要技术参数之一。机械手所具有的活动度的数目及其组合不同，则其工作空间也不同。其活动度的变化量（即直线运动的距离和回转角度的大小）即工作空间的大小。1.2.2 驱动部分驱动部分是为执行机构各部件提供动力的装置，根据动力源不同，驱动系统可分为气动液动电动机械式四种形式。根据设计要求和各自优缺点，本装配线机械手采用液压驱动来实现各个自由度的运动。1.2.3 控制系统控制系统是通过对驱动系统的控制使执行部分按照规定的要求进行工作，并通过位置检测的反馈来检测装配工作的位置精度，从而保证能准确实现装配线机械手运动的迅速准确。1.3 装配线机械手在生产中的应用 自从1985年美国联合控制公司研制出第一台工业机械手到现在已经历了三十几年发展，由于机械手技术水平的不断提高和相关学科的发展，装配线机械手得到了完善，这使装配线机械手的应用越来越广泛。装配线机械手延伸和扩大了人类的活动，它能代替人类在危险环境（有毒高温高压放射性） 中完成装配工作，减少了人类从事装配的危险性，同时也提高了生产效率和产品质量。由于机械手具有很多普通机器人和人所不具有的特性，因而它的应用和发展对人类社会和工业生产产生重大影响。到目前为止，世界各国已研制出应用于不同装配线的机械手近百种。例如，轿车零件装配线机械手发动机装配线机械手电子产品装配线机械手等。其中应用最多的是应用制造领域的装配线机械手，包括飞机制造汽车制造电机制造金属加工通用机械制造等制造领域。1.4 装配线机械手的发展方向 装配线机械手技术是以机械液压和自动控制等学科领域的技术为基础而融合的一种系统技术，可以说是一门知识技术密集的多学科交叉的综合技术。随着工业生产的发展和这些学科技术的进步，装配线机械手技术将不断被完善，它的发展趋势可概括如下几方面：1、 提高运动速度和精度，减轻重量和减少安装占用空间，继续推广机械手标准化和模块化，以降低制造成本和提高可靠性。2、 改善装配线机械手的工作性能，提高它工作的稳定性和可靠性。3、 研究开发新型手部，例如开发新型微动手部；开发类似人手指的手部等，以扩大装配线机械手的应用范围；4、 大力开发装配线机械手仿真技术和计算机软件系统作业任务，采取计算机语言以“离线编程”方式进行；采用计算机仿真技术校核机械手在完成某个操作过程的可行性。1.5 本章小结本章主要是从整体上介绍装配线机械手，包括装配线机械手的定义、组成、应用、以及未来的发展方向，明确本次设计的目的，为下面章节机械手结构设计提供理论上的依据。第2章 总体方案设计与论证在科学技术突飞猛进的今天，装配线机械手的设计思想主要是通过对以前及现有的最具有代表性的装配线机械手进行分析研究，吸收它们的优点，将各个优点结合起来，将不同结构进行组合变化，使之达到较理想的方案。从而达到较好的运动精度和工作稳定性，进而使之在市场上更具有竞争力。本次设计就是在分析、研究以往优秀的装配线机械手的基础上加以改进而成的。2.1 设计背景随着我国工业生产的飞速发展和工业技术水平的不断提高，自动化程度也迅速提高，在生产线上实现工件的搬运装卸转向装配等动作的自动化，并进一步实现整个生产线的自动化，已经越来越受到人们的重视。本次设计的对象是六自由度装配线机械手。由于装配中的一些工件比较重，而且有些装配件的位置较高，还有有些装配是重复性的动作，如果由工人手动装配，不仅增加工人的劳动强度，而且降低生产效率和产品质量。此外工人长期从事装配工作会容易产生疲劳，增加了生产的危险性。如果能用装配线机械手代替人从事这种工作，那么将把工人从繁重且危险的装配工作环境中解脱出来，会极大地提高劳动生产率，降低生产成本和提高产品质量。2.2 基本参数 1、 名称：六自由度装配线机械手2、 主要用途：根据不同工作要求，更换不同手爪，完成不同形状工件的装配任务，此外还能完成一些工件的搬运任务。3、 自由度数：6个（1） 腕部回转 （2） 小臂伸缩 （3） 小臂俯仰（4） 腰部回转 （5）大臂升降 （6）纵向移动4、 抓取重量：最大为5kg 5、 动作范围及速度（见表2.1）表2.1 各自由度的动作范围及速度 运动自由度 动作范围运动速度腕部回转-90+9030/s小臂伸缩300mm50mm/s小臂俯仰-45+3030/s腰部回转-90+9020/s大臂升降200mm30mm/s纵向移动200mm30mm/s2.3 自由度的布置根据工作范围大小、工作的灵活度和整个机构的稳定性，确定各个自由度的布置形式见图2.1： 图2.1 自由度布置图2.4 运动范围(见图2.2) 图2.2 运动范围俯视图和主视图2.5 驱动方式和传动方式的选择2.5.1 驱动方式的选择在整个设计中，各自由度均采用液压驱动，之所以用液压驱动，是因为液压驱动具有以下优点：1、 调速范围较大，而且还可以无级调速，易于适应不同工作要求；2、 液压技术容易达到较高的单位面积压力，即驱动力或驱动力矩大；3、 由于液压机构一般重量比较轻，因而具有惯性小的特点，故而它的速度反应性比较好；4、 传动平稳，能吸收冲击力可以较平稳地实现频繁转向；5、 定位精度高；6、 液压装置采用油液做介质，具有防锈性和自润滑作用，可以提高机械效率，增加所有寿命；但液压系统也有一些不利因素：1、 液压泄露难以克服要求液压元件有较高的精度要求，这样将提高生产成本；2、 油液中如果混有气体，将降低传动机构刚度，影响定位精度，产生爬行；3、 油液的黏度会因温度的变化而变化，影响工作性能和传动性能，高温时会引起燃烧和爆炸；正因为液压传动有以上优点，故本装配线机械手采用液压驱动，采用电磁换向阀控制。2.5.2 传动方式的选择传动方式是将动力源的驱动力传递到实现自由度的运动的过程，在本设计中，就是将直线油缸的直线运动、回转油缸的回转运动传递出去。针对不同结构需要和运动方式，小臂伸缩、小臂俯仰、大臂升降、纵向移动采用直线油缸驱动，腕部回转、腰部回转采用摆动回转油缸驱动。2.6 各个自由度的实现2.6.1 腕部回转运动的实现腕部位于手爪和小臂之间，它的作用是在小臂的基础上，进一步改变和调整手爪的空间姿态和方位，扩大机械手的动作空间和应用范围。在本设计中用回转油缸实现腕部的转动。2.6.2 小臂伸缩运动的实现 小臂的主要作用是连接腕部和大臂承受抓取工件的弯矩，因此应加强小臂的刚度和强度，所以采用单作用活塞缸驱动，并采用双导向杆导向并加强刚度，这种结构的特点是受力均衡，可用于抓取重量较大，行程较长的情况。2.6.3 小臂俯仰运动的实现 此处采用铰接单作用活塞缸和连杆机构来实现小臂的俯仰，这种结构制造简单、维修方便。2.6.4 腰部回转运动的实现此处采用单叶片式回转液压缸驱动，其特点是结构简单紧凑，可获得无级变速的回转运动，但是回转角度小于360，且要求密封性良好。2.6.5 大臂升降运动的实现 此处设计采用单作用活塞缸来驱动，并采用导向键导向，这样的结构能提高大臂的强度，并且装卸维修方便。2.6.6 纵向移动的实现 此处采用杆定式单作用活塞缸来驱动，伸缩运动由油缸带动滑枕来实现的，活塞杆固定不动，整个机械手采用燕尾槽导向，这种结构的这种结构的特点是刚度大，运动平稳可靠。2.7本章小结 本章主要对机械手的总体方案进行设计，明确了整体设计参数，确定了自由度的布置，并对各自由度的工作范围及运动速度加以确定。通过这一章的介绍，为下一章各部分的具体设计计算打好了基础。第3章 各部分结构设计和尺寸确定及校核 在上一章里对装配线机械手整体进行了方案设计，确定了各个自由度的位置和基本的工作范围，并且确定了各个自由度的实现方式。本章将在上一章的基础上对装配线机械手的各部分进行具体设计，确定各部分尺寸大小，并对关键部分校核。3.1手部设计3.1.1 手部结构设计 手部是用来夹持工件的部位，具有模仿人手动作的功能。手部设计是应考虑以下几个问题：1、 应具有足够夹紧力；2、 加紧平稳可靠； 3、 手指间应具有一定的开闭角；所以，本机械手采用夹持式V型手指，这种手指的特点是结构简单，工作灵活。其结构简图如图3.1：根据受力分析得驱动力P与夹紧力N的关系为：P=N其中： b=50mm ,c=60mm ,=60, =303.1.2 夹紧力的计算 夹紧力是设计手部的重要依据，它必须克服重力以及工件运动状态所产生的载荷，以使工件保持可靠的工作状态。加紧力N=k1k2k3G取安全系数k1=1.2取动载系数k2=1+a/g=1+20/9.8=3.04式中： a为最大缓冲加速度，a=20m/,g为重力加速度g=9.8m/取方位系数k3=0.5sin/f=0.5sin45/0.1=3.54式中： 为V形手指半角，f为摩擦系数所以N=1.23.043.5459.8=632.78N所以驱动力P=632.78=657.60N考虑到手在工作过程中有惯性力、震动以及传动效率的影响，其实驱动力按下式计算：P(实际)=P/式中： 为手部机械效率，一般取0.850.95，在这里取=0.85所以P(实际)=657.60/0.85=773.65N3.1.3 计算油缸内径设密封出摩擦力为,它的精确值不容易求得，常用液压缸的机械效率进行估算。P（实际）+= P（实际）/式中为液压缸机械效率，一般取=0.900.97在这里取=0.95。 所以液压缸内径D计算公式为：D=式中：为液压缸工作压力，取=1Mpa为液压缸回油腔压力，取=0.2Mpa由于活塞杆主要承受压力，所以d/D取0.3带入数据，可求得D=35.61mm，查活塞缸内径系列取40mm.所以d=0.3D=0.340=12mm图3.1 手指结构简图3.1.4 液压缸壁厚的确定壁厚应满足要求，式中为实验压力，一般取最大工作压力的1.251.5倍，为缸筒材料的许用应力，其值为110Mpa.所以=0.27 mm,考虑到结构性要求取=12 mm3.1.5 活塞工作行程的确定 当工件被夹紧时=30，=60，初始状态是=45，=75，计算得活塞工作行程L为：L=50(sin45-sin30)+60(sin75-sin60) =23.89 mm查液压缸活塞行程参数系列取25 mm3.1.6 重要部分的校核1、 活塞杆的校核强度校核：=6.84Mpa =170Mpa故强度满足又由于活塞杆长度L=9415d=1512=180故不需进行稳定性校核。2、缸筒壁厚的校核 在中低压系统中，液压缸的壁厚常有结构工艺上的要求决定，一般不需校核3、 连接螺栓强度校核 当缸筒与缸盖采用法兰连接时，要校核连接螺栓的强度。校核按拉应力和剪切应力的合成应力来进行，即= =0.47=1.3式中： F为液压缸负载 K为螺纹拧紧系数，K=1.121.5 为螺纹内摩擦系数，一般取=0.12 d为螺纹直径 为螺纹内径 Z为螺栓个数带入数据计算=0.031Mpa = =150Mpa故螺栓满足强度要求4、 活塞杆与推动连杆处销的剪切强度校核=27.4Mpa 许=80Mpa故销能够满足强度要求3.2 腕部回转油缸设计3.2.1 驱动力矩的计算腕部回转驱动力矩可按下式计算: M=K(M摩+M偏+M惯)其中： K为密封处摩擦损失系数，一般取K=1.11.2，这里取K=1.2M摩为转动支承处摩擦力矩 ，单位为Nm M偏为转动部件重心对腕部回转轴线的偏心力矩, 单位为Nm M惯为转动部件启动惯性力矩, 单位为Nm1、转动部件启动惯性力矩的计算为了计算方便此处将手爪、手爪驱动油缸和回转油缸转动件等效为一个圆柱体，其直径为d=80 mm, 高度为L=500 mm，则其质量=l=0.57800=19.59 kg 设启动加速时间为t启=0.01s，稳定时转动角速度=50/sM惯=（J+）=+M(+3)式中： J为手腕转动部件对转动轴线的转动惯量 为工件对转动轴线的转动惯量 R 为等效圆柱体的半径 M 为工件的质量 l 为工件的长度 r为工件的半径带入数据计算 M惯=0.01750.519.595(+3) =2.93 Nm2、转动部件支承处摩擦力矩的计算 由于支承处为滚动轴承，摩擦阻力矩很小，可忽略不计，故M摩=03、转动部件偏心力矩的计算 偏心件重量估算约为0.15kg,偏心矩 e=55 mm,所以M偏=0.150.055=0.00825 Nm经以上计算可得 M=1.2(2.93+0+0.00825)=3.53 Nm3.2.2 回转油缸内径的计算回转油缸内径按如下公式计算D=式中： M 为驱动力矩 b 为回转油缸动片的宽度，这里取20mm d 为转轴与动片连接处直径, 这里为85mm p 为回转油缸工作压力，这里取0.1Mpa带入数据计算得 D=146mm3.2.3 重要部分的校核1、 转轴扭转强度校核轴的抗扭截面模量为 =-式中: d为轴的直径b为键槽宽度t为键槽深度带入数据计算得，=39441所以截面上扭转剪切应力=3.53/39441=0.09Mpa =135Mpa故该轴满足扭转强度要求2、 选键并校核强度转轴直径为60mm,查表选键为bh=1811，键长度为40mm键校核公式为：=0.16Mpa =80Mpa 故该键满足强度要求3、 轴承校核 由于此处轴承转速不高，且不是频繁转动，所以不需对轴承进行校核。4、 快速置换式手部连接处校核 剪切面的面积 S=DL=0.0240.01=7.54则=0.026Mpa =80Mpa所以此处满足强度要求5、 端盖螺钉的校核 因为每个螺钉在危险截面上承受的拉力为工作载荷Q和预紧力之和：式中： P驱动力，大小为0.1MpaZ螺钉数目，Z=6；其中： 为预紧力， ，K=1.51.8，这里取K=1.6又 3480=182.12N而螺钉的强度条件为：=4.44Mpa =150Mpa所以螺钉强度符合条件3.3 小臂伸缩油缸设计小臂是机械手的主要执行部件，它的主要作用是支承手部和腕部，也包括工件，并带动它们做空间运动。小臂的驱动机构设计为单作用油缸，并采用无缝钢管导向，用钢板作支撑板，这样的结构大大地提高了臂部的支撑刚度，也减轻了臂部的自重，而且空心的导向管还可以布置油路，这种结构使臂部的整体结构变得更简单紧凑。3.3.1 小臂设计的基本要求1、 臂部应支撑能力大，刚度好，重量轻2、 臂部运动速度要稳定，惯性要小3、 手臂动作应灵活4、 位置精度要求高3.3.2 驱动力计算 臂部伸缩运动需要克服摩擦力和惯性力，其驱动力按下式计算：=+其中： 为导轨支承间的摩擦阻力为密封圈处的摩擦阻力为启动过程的惯性力矩1、 的计算由于两个导向杆是对称的配置，所以两向导杆受力均衡，可按一个导向杆计算。导杆受力示意图如图3.2将腕部回转油缸等效为一个内径为80mm，外径为200mm，高度为250mm的圆筒，则其质量=()0.257800=51.43导向杆的质量为=2()0.5347800=2.38活塞杆及其它附件估算约为=2由前面计算知，手爪夹紧油缸和腕部转动件等效质量为=19.59 工件的质量=5所以参与运动的零部件的总重量为=(+)g =(51.43+2.38+2+19.59+5)9.8=787.92N图3.2 导向杆受力示意图 计算得，所以 即 其中： 为参与运动的零部件的总重量 L 为重心到导向支撑前端距离 a 为导向杆的长度,a=10mm 为当量摩擦系数，这里取取，则0.14重心到导向支撑前端距离L的计算公式如下l=带入数据计算得，l=540mm,则L=132mm所以P摩=0.14787.92=304.45N2、 的计算与所采用的密封的形状有关，这里选用“O”型密封圈，则 30.03=0.093、 的计算 为启动过程的惯性力矩 ，其计算公式为=式中： 为参与运动的零部件的总重量g 为重力加速度为由静止加到等速变化量取 为启动时间, 一般取0.010.5s, 取t=0.1s计算得 P惯=80.4=40.2N所以=+=304.45+0.09+40.2算得=378.74N3.3.3 油缸内径的计算由以前计算液压缸内径D计算公式为：D=式中： 为液压缸工作压力，取=1Mpa为液压缸回油腔压力，取=0.2Mpa为液压缸机械效率， 这里取=0.95。活塞杆既承受压力又承受拉力，所以d/D取0.5带入数据，可求得D=41.83mm，查活塞缸内径系列取50mm.所以d=0.5D=0.550=25mm 因为工作压力较小，缸壁选用铸铁，壁厚取t=10mm3.3.4 重要部分的校核1、 活塞杆的校核(1) 按强度条件校核 =1.15Mpa 15d,所以要进行稳定性校核，取安全系数为6截面最小惯性半径为 i=6.25mm故压杆柔度：=49.50=60 柔度6故活塞杆的刚度满足要求 2、 导向杆的强度校核如果导向杆完全伸出时强度足够，那么导向杆就能满足强度要求，此时受力如下图3.3,此时重心L=132+400+300=832mm, 支承长度a=80mm图3.3 导向杆受力简图列受力方程得 带入数据计算得，=4097.18N =4491.14N导向杆受力弯矩图如图3.4所示： 所以危险截面在B处，其最大值=614.58Nm 由强度校核条件，得=式中： =d/D=0.3d为导向杆的内径D为导向杆的外径带入数据计算得=0.098Mpa 许=170Mpa所以导向杆的强度是足够的图3.4 导向杆受力弯矩图3.4 俯仰缸的设计计算俯仰缸的主要作用就是使机械手能够上仰下俯，扩大机械手的使用范围。3.4.1 驱动力矩的计算=+式中： 为摩擦阻力矩为偏心力矩为启动过程的惯性力矩1、 的计算由于小臂和大臂连接处有滚动轴承，摩擦力矩较小，故M摩较小，可忽略不计，所以M摩=02、 的计算其计算公式为 =式中： 为俯仰缸驱动所有总重量 为等效重心到回转中心距离计算支撑板的重量：G支=0.2960.5420.0178009.8=122.60N活塞缸、导向套及支撑板上的固定装置和附件的重量估计约为G附109.8=98所以G=787.92+122.60+98=1008.52N 当计算时，应在活塞杆完全伸出的情况下计算，此时参与伸缩运动的零部件的总重量的重心距俯仰缸回转中心的距离为832mm，则等效重心距回转中心距离=693.76所以 =1008.520.69376=698.91Nm3、 的计算(1) 工件的转动惯量：=+ =7.94(2) 手部夹紧液压缸等效体的转动惯量：=18.10(3) 腕部回转油缸等效圆筒的转动惯量：=46.81(4) 导向杆和活塞杆的转动惯量：=1.84(5) 支承板、导向套、活塞缸及固定装置的总转动惯量：=+=9.86由于等速转动角速度=30/s,启动时间=0.1s所以=J=0.0175(7.94+18.10+46.81+1.84+9.86)=443.89Nm由以上计算可得，=+=443.89+0+698.91=1142.79Nm3.4.2 油缸驱动力P的计算当油缸俯仰角为时，驱动油缸轴线与垂直方向夹角为，其受力简图如图3.5 由几何关系和受力分析得 Psin(90-)L= 当俯仰缸驱动小臂使=45时，15又 L=200 mm, =1142.79Nm带入数据计算得，P=6722.29N图3.5 俯仰缸受力简图3.4.3 油缸内径的计算由以前计算液压缸内径D计算公式为：D=式中： 为液压缸工作压力，取p1=4Mpa为液压缸回油腔压力，取p2=0.2Mpa为液压缸机械效率， 这里取=0.95。活塞杆既承受压力又承受拉力，所以d/D取0.5带入数据，可求得D=48.39mm，查活塞缸内径系列取50mm.所以d=0.5D=0.550=25mm 因为工作压力较小，缸壁选用铸铁，壁厚取t=10mm3.4.4 重要部分的校核1、 活塞杆的强度校核=13.70Mpa 许=170Mpa所以活塞杆的强度是足够的.3、 活塞杆的稳定性校核由于活塞杆的长度L=135 mm15d=1525=375 mm所以不需要对活塞杆进行稳定性校核4、 端盖螺钉的强度校核 当缸筒与缸盖采用法兰连接时，要校核连接螺栓的强度。校核按拉应力和剪切应力的合成应力来进行，即= =0.47=1.3式中： P为液压缸负载 K为螺纹拧紧系数，K=1.121.5 为螺纹内摩擦系数，一般取=0.12 d为螺纹直径 为螺纹内径 Z为螺栓个数带入数据计算得=65.23Mpa =150Mpa故螺钉满足强度要求3.5 大臂回转缸的设计计算3.5.1 驱动力矩的计算回转运动时，由于启动过程不是等加速运动，所以驱动力要比理论上平均值大一些。计算时一般取1.3倍，驱动力矩按下式计算：=1.3（+ ）式中： 为摩擦力矩（主要为密封处的摩擦力矩）为启动时惯性力矩为回转油缸回油腔的背压力矩1、 的计算为启动时惯性力矩，一般按下式计算=式中： J为臂部对回转轴线的转动惯量 为臂部回转角速度,这里取=20/s 为启动所需时间，这里取=0.1s(1) 工件的转动惯量：=+ =7.96(2) 手部加紧液压缸等效体的转动惯量：=18.10(3) 腕部回转油缸等效圆筒的转动惯量：=46.81(4) 导向杆和活塞杆的转动惯量：=1.84(5) 支承板、导向套、活塞缸及固定装置的总转动惯量：=+=6.34所以启动时惯性力矩=（+） =0.0175（7.96+18.10+46.81+1.84+6.34） =283.32Nm2、 的计算摩擦力矩在这里主要为密封处的摩擦力矩，取0.13、 的计算=式中： D为油缸内径，即动片外径，可按=1.52.5之间选取，这里取=2 d为输出轴与动片联结处直径，d=0.5D=90mm为回油腔压力，一般取=0.2P=0.21.5=0.3Mpab为动片的宽度带入数据计算得=18.23Nm所以大臂回转缸的驱动力矩 =1.3（283.32+0.1+18.23）计算得 =450.59Nm3.5.2 回转油缸内径的计算驱动力矩的计算公式为=所以动片宽度 b=式中： 为驱动力矩 P为工作压力，P=2Mpa b为动片宽度D为油缸内径，即动片顶端的直径d为输出轴与动片联结处直径算得动片宽度b=49.45mm，取b=50mm3.5.3 重要部分的校核1、 定片的连接螺钉校核定片与轴之间用螺钉固定，连接螺钉一般为偶数对称的安装，其作用是使定片与轴配合紧密不留间隙。当油腔通入压力油时定片受油压作用，产生一个合成液压力矩。克服输出轴上所受的外载荷力矩的反作用。在定片上由于螺钉的连接作用，使被连接表面不能产生相对滑动。因此必须拧紧螺钉以便使其能够传递力矩。定片受力情况如图3.6所示，由受力平衡条件有即 Q=式中： Q为每个螺钉的预紧力b为定片的宽度, b=50mmP为回转油缸的工作压力,P=3MpaD为定片的外径,D=180mmd为定片与轴配合处的直径，d=90 mmZ为螺钉数目，这里取Z=4f为连接件间的摩擦系数，钢与钢间的摩擦系数f=0.15带入数据计算得Q=8437.50N螺钉强度校核由于连接处为M10螺钉，所以d=10带入数据计算得=139.73Mpa 许=150Mpa所以此处连接螺钉满足强度要求2、 键的校核由于转轴直径为70mm，选bh=2012的键，键长l=40mm键校核公式为：=式中： M为驱动力矩d为转轴直径 b为键的宽度带入数据计算得，=16.09Mpa 许=60Mpa所以选择的键满足强度要求 图3.6 定片受力简图3.6 大臂升降缸的设计计算3.6.1 大臂设计应注意的问题1、 要有足够的刚度和稳定性。2、 运动要灵活，一般要有导向长度，且导向长度不宜过短，以免产生卡死现象。3、 结构布置要合理，便于装修3.6.2 手臂升降运动驱动力的计算根据油缸驱动时需要克服的运动部件的总重量、摩擦力和启动惯性力等几个方面的阻力，所以油缸的驱动力为=式中 为各支承处和密封处摩擦力 为启动时的惯性力 W为运动部件（包括手部、腕部和工件）的总重量1、 W的计算将腰部回转缸、回转轴，及其附件等效为一个直径为200mm，长度为300mm的圆柱体，其质量=165.32所以W=（80.4+22.51+165.32）9.8=268.239.8=2628.66N2、 的计算为启动和制动时，活塞受的惯性力，其计算公式为=式中 W为参与运动的零部件总重量 g为重力加速度为由静止加速到常速的变化量，=30mm/s为启动时间, =0.1s带入数据计算得=80.47N3、的计算 为摩擦力，这里主要为密封处摩擦力，0.03带入数据得，=2628.66+80.47+0.03计算得=2792.92N3.6.3 驱动油缸内径的计算 驱动油缸内径的计算公式为D=式中 为驱动力 为工作压力，=1Mpa D为油缸外径 d为液压缸内径，d=48mm带入数据计算得，D=76.56mm,但从结构上考虑，取D=154mm3.6.4 重要部分的校核1、端盖螺钉的强度校核 当缸筒与缸盖采用法兰连接时，校核连接螺栓强度时按拉应力和剪切应力的合成应力来进行， 即 = =0.47=1.3式中： P为液压缸负载 K为螺纹拧紧系数，K=1.121.5 为螺纹内摩擦系数，一般取=0.12 d为螺纹直径 为螺纹内径 Z为螺栓个数，Z=6带入数据计算得=5.77Mpa 许=150Mpa故螺钉满足强度要求2、 花键连接强度校核 在静连接中花键的主要实效形式是工作面被压溃，因此应按工作面上的挤压应力进行强度校核，其校核公式为=式中 为载荷分配不均系数，与齿数有关，一般取=0.70.8,这里取=0.75；z为花键的齿数,z=8；l为齿的工作长度,l=230mm；h为花键齿侧面的工作高度，矩形花键h=，此处D为外花键大径，d为内花键小径，C为倒角尺寸,h=1.4mm；为花键的平均直径，矩形花键=,=44mm;带入数据计算得=10.60Mpa =100Mpa所以花键满足强度要求3.7 纵向移动油缸的设计计算3.7.1 驱动力的计算 纵向移动时，驱动油缸必须克服摩擦力、启动的惯性力，所以驱动力=+式中 为导轨间的摩擦力 为油缸密封圈引起的摩擦力 为启动和制动时惯性力1、 的计算将整个大臂等效为一个直径D=200mm高度L为550mm的圆柱体，则其质量M=134.71所以=k=0.15( 80.4+22.51+134.71)9.8=349.30N2、 的计算为油缸内密封圈引起的摩擦力，用O形密封圈密封，一般取=0.033、的计算为启动和制动时活塞受的惯性力，其计算公式为=式中 W为参与运动的零部件总重量； g为重力加速度；为由静止加速到常速的变化量，=30mm/s为启动时间, =0.1s带入数据计算得=71.29N所以驱动力=+=71.29+0.03+349.30计算得，=433.60N3.7.2 油缸内径的计算 由以前计算液压缸内径D计算公式为：D=式中： 为液压缸工作压力，取=1Mpa为液压缸回油腔压力，取=0.2Mpa为液压缸机械效率， 这里取=0.95。活塞杆既承受压力又承受拉力，所以d/D取0.5带入数据，可求得D=26.15mm，查活塞缸内径系列取32mm但从结构方面考虑取D=63mm所以d=0.5D=0.563=31.5mm 因为工作压力较小，缸壁选用铸铁，壁厚取t=10mm3.7.3 重要部分的校核1、 活塞杆的校核（1） 按强度条件校核 =0.56Mpa 许=170Mpa（2） 按刚度条件校核由于杆长L=250mm ,杆径d=31.5mm，而L15d,所以不需要稳定性校核。2、 端盖螺钉的强度校核 当缸筒与缸盖采用法兰连接时，校核连接螺栓强度时按拉应力和剪切应力的合成应力来进行， 即 = =0.47=1.3式中： P为液压缸负载 K为螺纹拧紧系数，K=1.121.5 为螺纹内摩擦系数，一般取=0.12 d为螺纹直径 为螺纹内径 Z为螺栓个数，Z=4带入数据计算得=0.60Mpa 许=150Mpa故螺钉满足强度要求3.8 本章小结在这一章里主要对手部、腕部、臂部和机身等各个具体部分进行了设计计算，通过设计、计算和校核，确定出各个液压缸的内径和活塞杆的直径等各部分尺寸，为装配线机械手整体结构的设计做了初步计算。第4章 液压控制系统的设计由于液压驱动具有调速范围较大、传动平稳、液压装置具有防锈性和自润滑作用等优点，所以本设计装配线机械手采用全液压驱动控制。4.1 换向回路的确定所有液压缸换向回路都采用三位四通电磁换向阀，这是因为三位四通电磁换向阀具有执行元件正反向运动时回油方式相同，并且能使执行元件在任意位置停止运动，此外采用电磁换向阀便于用PLC进行控制。4.2 调速方案的确定由于整个系统是压力较小，所以采用简单的进油路节流阀进行调速。4.3 减速缓冲回路的确定减速缓冲回路是由二位二通电磁换向阀和节流阀并联组成。当油缸运动快到终点时，由位置检测装置（电位器）发信号给PLC控制电磁铁通电关闭油路，油缸回路改经节流阀流回油箱，活塞的速度减慢达到缓冲的目的。4.4 系统的安全可靠性1、 升降缸的自锁为了防止大臂升降油缸因自身重力自由下滑，应采用单向顺序阀来平衡，此时它起到平衡阀的作用2、 升降缸的锁紧 为了夹紧液压缸夹持工件的可靠性，选用液控单