关 键 词：

三维PROE CAD高清图纸文档可编辑 旋臂式 机械手 设计 三维 PROE CAD 图纸 文档 编辑

资源描述：

【温馨提示】 dwg后缀的文件为CAD图，可编辑，无水印，高清图，，压缩包内文档可直接点开预览，需要原稿请自助充值下载，请见压缩包内的文件，所见才能所得，下载可得到【资源目录】下的所有文件哦--有疑问可咨询QQ:1304139763 或 414951605

内容简介：

目录摘要4Abstract5第一章 前言61.1工业机器人概述61.2工业机器人的基本型式及其运动形式71.2.1直角坐标式机械手71.2.2圆柱坐标式机械手81.2.3球坐标式机械手81.2.4关节式机械手81.3工业机器人的机能和特性91.3.1工业机械手的自由度91.3.2工业机械手的机能91.4工业机器人的发展趋势与前景101.4.1重复高精度101.4.2模块化101.4.3无给油化111.4.4机电一体化111.5本课题的研究内容11第二章 旋臂式机械手的方案设计122.1旋旋臂式机械手方案拟定122.1.1设计参数：152.1.2可行方案的筛选方法提要152.2设计方案的选择152.2.1圆柱坐标（直线移动）升降臂152.2.2极坐标（旋转升降式）升降臂152.2.3气压驱动方案设计162.2.4机械驱动方案设计162.2.5传动系统结构设计162.6升降臂的设计所选方案202.6.1机械手升降臂设计202.6.2运动方案202.6.3设计内容202.7具体方案202.7.1驱动系统的选择计算202.7.2 气压缸的选择202.7.3大臂导轨的设计与计算23第三章 旋臂式机械手夹持器设计253.1旋臂式机械手夹持器设计的基本要求253.2机械手夹持器结构设计253.2.1机械手夹紧装置设计.253.2.2机械手手爪的夹持误差及分析293.2.3楔块等尺寸的确定323.2.4材料及连接件选择35第四章 机械手的腕部设计374.1腕部设计的基本要求374.2具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构374.3腕部结构计算384.3.1腕部回转力矩的计算384.3.2回转气压缸所驱动力矩计算404.3.3回转缸内径D计算414.3.4气压缸盖螺钉的计算424.3.5静片和输出轴间的连接螺钉444.3.6腕部轴承选择454.3.7材料及连接件，密封件选择45第五章 机械手的伸缩臂设计475.1伸缩臂设计基本要求475.2方案设计485.3伸缩臂机构结构设计495.3.1伸缩臂气压缸参数计算505.3.2导向杆机构设计575.4腰部步进电机的选型计算595.5旋臂式机械手的PRO/E装配模型62总结63参考文献64摘要机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门学科综合技术。机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、帮运或操作动作的自动化装置。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，它也是工业机器人的一个重要分支，在构造和性能兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人世的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。本课题针对机械制造业的生产特点，设计一种用于拾取轴类零件的气动式机械手，以实现轴类零件搬运过程的自动化，减轻生产劳动强度，提高生产效率。本课题设计一种用于塑料注塑成型领域的旋臂式机械手，以提高自动化生产效率。论文主要研究内容：（1）了解工业机器人的发展及在工业生产中的应用；（2）完成该旋臂式机械手的方案设计；（3）旋臂式机械手的零部件结构设计及计算；（4）应用PRO/E和AutoCAD软件绘制所设计机械手的装配图及关键零部件的三维图和工程图。关键词：旋臂式；机械手；PRO/E；工业机器人AbstractManipulator technology involves electronic, mechanical, automatic control technology, the sensor technology and computer technology, scientific fields, is a scientific discipline comprehensive technology. Manipulator is part of the action, imitation of manpower according to the given program, track and demanding acquirement, help nonshipment or operation action of automation devices. Industrial robot developed in recent years is a high-tech automatic production equipment, it is also an important branch of the industrial robot in both man and machine structure and performance of their respective advantages, especially embodied in living intelligence and adaptability. Manipulator and the accuracy of environment homework ability to finish the homework in the national economy, has wide development space.This topic for mechanical manufacturing production characteristics, design a kind of shaft parts in order, in order to realize the pneumatic manipulator handling axial parts automate the process, reduce production labor intensity and improve production efficiency. This topic design for a plastic molding field back brachial type of manipulator, to improve automation production efficiency.Thesis research content:(1) to understand the development of industrial robots and the application in industrial production;(2) complete the spiral arm type manipulator design;(3) back brachial type and structure design of the manipulator parts computation;(4) application PRO/E and AutoCAD software drawing design drawings and key components of the manipulator of three-dimensional graph and engineering drawings.Keywords: spiral arm type; Manipulator; PRO/E; Industrial robots第一章 前言1.1工业机器人概述机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门1。在工业中应用的机械手称为“工业机械手”（mechanical hand）工业机器人研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手3。工业机器人首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门45。早期的机械手的结构和功能都比较简单，专业性强，仅能配合某台主机完成辅助性工作，如抓取工件、上料下料、旋臂式机械手的设计目录摘要4Abstract5第一章 前言61.1工业机器人概述61.2工业机器人的基本型式及其运动形式71.2.1直角坐标式机械手71.2.2圆柱坐标式机械手81.2.3球坐标式机械手81.2.4关节式机械手81.3工业机器人的机能和特性91.3.1工业机械手的自由度91.3.2工业机械手的机能91.4工业机器人的发展趋势与前景101.4.1重复高精度101.4.2模块化101.4.3无给油化111.4.4机电一体化111.5本课题的研究内容11第二章 旋臂式机械手的方案设计122.1旋旋臂式机械手方案拟定122.1.1设计参数：152.1.2可行方案的筛选方法提要152.2设计方案的选择152.2.1圆柱坐标（直线移动）升降臂152.2.2极坐标（旋转升降式）升降臂152.2.3气压驱动方案设计162.2.4机械驱动方案设计162.2.5传动系统结构设计162.6升降臂的设计所选方案202.6.1机械手升降臂设计202.6.2运动方案202.6.3设计内容202.7具体方案202.7.1驱动系统的选择计算202.7.2 气压缸的选择202.7.3大臂导轨的设计与计算23第三章 旋臂式机械手夹持器设计253.1旋臂式机械手夹持器设计的基本要求253.2机械手夹持器结构设计253.2.1机械手夹紧装置设计.253.2.2机械手手爪的夹持误差及分析293.2.3楔块等尺寸的确定323.2.4材料及连接件选择35第四章 机械手的腕部设计374.1腕部设计的基本要求374.2具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构374.3腕部结构计算384.3.1腕部回转力矩的计算384.3.2回转气压缸所驱动力矩计算404.3.3回转缸内径D计算414.3.4气压缸盖螺钉的计算424.3.5静片和输出轴间的连接螺钉444.3.6腕部轴承选择454.3.7材料及连接件，密封件选择45第五章 机械手的伸缩臂设计475.1伸缩臂设计基本要求475.2方案设计485.3伸缩臂机构结构设计495.3.1伸缩臂气压缸参数计算505.3.2导向杆机构设计575.4腰部步进电机的选型计算595.5旋臂式机械手的PRO/E装配模型62总结63参考文献64摘要机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门学科综合技术。机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、帮运或操作动作的自动化装置。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，它也是工业机器人的一个重要分支，在构造和性能兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人世的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。本课题针对机械制造业的生产特点，设计一种用于拾取轴类零件的气动式机械手，以实现轴类零件搬运过程的自动化，减轻生产劳动强度，提高生产效率。本课题设计一种用于塑料注塑成型领域的旋臂式机械手，以提高自动化生产效率。论文主要研究内容：（1）了解工业机器人的发展及在工业生产中的应用；（2）完成该旋臂式机械手的方案设计；（3）旋臂式机械手的零部件结构设计及计算；（4）应用PRO/E和AutoCAD软件绘制所设计机械手的装配图及关键零部件的三维图和工程图。关键词：旋臂式；机械手；PRO/E；工业机器人AbstractManipulator technology involves electronic, mechanical, automatic control technology, the sensor technology and computer technology, scientific fields, is a scientific discipline comprehensive technology. Manipulator is part of the action, imitation of manpower according to the given program, track and demanding acquirement, help nonshipment or operation action of automation devices. Industrial robot developed in recent years is a high-tech automatic production equipment, it is also an important branch of the industrial robot in both man and machine structure and performance of their respective advantages, especially embodied in living intelligence and adaptability. Manipulator and the accuracy of environment homework ability to finish the homework in the national economy, has wide development space.This topic for mechanical manufacturing production characteristics, design a kind of shaft parts in order, in order to realize the pneumatic manipulator handling axial parts automate the process, reduce production labor intensity and improve production efficiency. This topic design for a plastic molding field back brachial type of manipulator, to improve automation production efficiency.Thesis research content:(1) to understand the development of industrial robots and the application in industrial production;(2) complete the spiral arm type manipulator design;(3) back brachial type and structure design of the manipulator parts computation;(4) application PRO/E and AutoCAD software drawing design drawings and key components of the manipulator of three-dimensional graph and engineering drawings.Keywords: spiral arm type; Manipulator; PRO/E; Industrial robots第一章 前言1.1工业机器人概述机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门1。在工业中应用的机械手称为“工业机械手”（mechanical hand）工业机器人研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手3。工业机器人首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门45。早期的机械手的结构和功能都比较简单，专业性强，仅能配合某台主机完成辅助性工作，如抓取工件、上料下料、换夹刀具等。这种机械手称为专用机械手。随着工业技术的发展，出现了能够独立地按控制程序、自动重复操作的机械手，这种机械手具有能很快地改变程序功能，适应性强，在中小批量、多品种的工业生产中得到了广泛应用1。这种机械手称为通用机械手，通用机械手又称为“工业机器人”（industral robot），即第一代机器人。机器人在此基础上得到了进一步发展，出现了具有某些感觉功能（如视觉、触觉、听觉）的机器人，称为第二代机器人，以后又出现了具有某些思维和语言功能的智能机器人，称为第三代机器人2。如图1-1所示为宁波海天生产的旋臂式机械手。图1-1 宁波海天生产的旋臂式机械手1.2工业机器人的基本型式及其运动形式工业机器人即机械手型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式分别是:直角坐标式，圆柱坐标式，球坐标式和关节式等。1.2.1直角坐标式机械手直角坐标式机械手又称为直移型机械手，是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标型式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。其工作范围可以是一个直线运动、二个直线运动或三个直线运动。这种型式的机械手结构简单、运动直观、便于实现高精度。缺点是占据空间位置大，相应的工作范围较小。如图1-2所示为直角坐标式机械手。图1-2 直角坐标式机械手1.2.2圆柱坐标式机械手圆柱坐标式机械手又称为回转型机械手，是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手由X、Z、小三个运动组成。它的工作范围可分为:一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动;二个直线运动加一个旋转运动。圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可在竖直方向上做直线运动和在水平面内做圆弧状的左右摆动。图1-3所示为圆柱坐标式机械手。图1-3 圆柱坐标式机械手。1.2.3球坐标式机械手球坐标式机械手又称为俯仰型机械手，是一种自由度较多，用途较广的机械手。它是由X、0、小三个方面的机械手组成，球坐标式机械手的工作范围包括:一个旋转运动、两个旋转运动以及两个旋转运动加一个直线运动，与回转型机械手相比，在占有同样空间位置的情况下，其工作范围扩大了。还能将臂伸向地面，完成从地面提取工件的任务。不足之处是运动直观性差。结构较复杂，弊端是位置误差会随臂的伸长而放大。1.2.4关节式机械手关节式机械手又称屈伸型机械手，是一种适用于靠近机体操作的机械手。它象人手一样有肘，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在夹窄空间工作。关节式机械手的特点有:大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动;它具有上肢结构，可实现近似于人手操作的技能。如图1-4所示为关节式机械手。图1-4 关节式机械手1.3工业机器人的机能和特性1.3.1工业机械手的自由度机械手的自由度是指机械手各运动部件在三维空间坐标轴上所具有的独立运动数。1.3.2工业机械手的机能机械手的机能就是指它具有完成人们预定作业所需要的能力。运动机能是指机械手完成预定工艺操作应具有的运动自由度，以及所能到达的活动范围。同时还要求机械手具有对机械手的抓放、定向、工艺操作和行走的能力等。通用机械手应根据作业的要求，设计成具有完善的运动机能，即它的动作要接近于人手操作时的某些运动机能，以适应广大作业范围的需要。专用机械手则仅赋予部分的运动机能，可按照工艺操作的需要来确定。机械手又应具有一定的物理机能如载荷能力、运动速度、持续工作能力以及工作的准确性和稳定性等性能。此还应具有耐热、耐腐蚀的能力，以适应工艺操作的需要和具体的工作环境。机械手的另一个要机能就是控制机能。对专用机械手而言，是指能自动完成作业程序的能力。但对于一般的通用机械手其控制性能是指它具有自动地、或被动地变换程序的能力，即按照指令能自动地、再现地完成规定的动作程序的机能。工业机器人主要由执行机构、驱动-传动系统和控制系统三大部分组成。执行机构是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6个自由度 。自由度是机械手设计的关键参数 。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度6。对于现代智能机械手而言、还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机械手“眼睛”，是它能识别物体和躲避障碍物，以及机械手的触觉装置。机械手的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单叠加在一起，而是构成一个整体。机械手各部分必然存在着相互关联、相互影响和相互制约的关系7-9。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。 1.4工业机器人的发展趋势与前景1.4.1重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高, 它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等。1.4.2模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置, 使机械手运动自如。模块化机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是机械手的一个重要的发展方向。1.4.3无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求,不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步, 新型材料(如烧结金属石墨材料) 的出现, 构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件, 不仅节省润滑油、不污染环境, 而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。1.4.4机电一体化由“可编程序控制器- 传感器- 液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件, 使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”; 省配线的复合集成系统, 不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而PLC的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越可能。随着科学与技术的发展, 机械手的应用领域也不断扩大.目前, 机械手不仅应用于传统制造业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能,航空,航天,医药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等服务业领域中.如,水下机器人,抛光机器人,打毛刺机器人,擦玻璃机器人,高压线作业机器人,服装裁剪机器人,制衣机器人,管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人,作战机器人,侦察机器人,哨兵机器人,排雷机器人,布雷机器人等军用机器人都是机械手应用的典型。机械手广泛应用于各行各业.而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺710。1.5本课题的研究内容本课题针对机械制造业的生产特点，设计一种用于拾取轴类零件的气动式机械手，以实现轴类零件搬运过程的自动化，减轻生产劳动强度，提高生产效率。本课题设计一种用于塑料注塑成型领域的旋臂式机械手，以提高自动化生产效率。论文主要研究内容：（1）了解工业机器人的发展及在工业生产中的应用；（2）完成该旋臂式机械手的方案设计；（3）旋臂式机械手的零部件结构设计及计算；（4）应用PRO/E和AutoCAD软件绘制所设计机械手的装配图及关键零部件的三维图和工程图。第二章 旋臂式机械手的方案设计本课题针对机械制造业的生产特点，设计一种用于拾取轴类零件的气动式机械手，以实现轴类零件搬运过程的自动化，减轻生产劳动强度，提高生产效率。本课题设计一种用于塑料注塑成型领域的旋臂式机械手，以提高自动化生产效率。2.1旋旋臂式机械手方案拟定该课题研究的旋臂式机械手是将轴类零件从传送带上夹装到专用机床上，待加工完毕后再夹装回传送带的专用机械手(见示意图2-1)。机械手总体设计分为夹持器、伸缩臂、升降臂和底座四大部件设计及二个系统：PC电控系统与气压控制系统设计。夹持器安装于伸缩臂上，伸缩臂安装在升降臂上，升降臂安装在底座上。连接方式均为法兰盘螺栓连接。机械手的动作要求分为16步。从原位开始升降臂下降夹持器夹紧升降臂上升底座快进回转底座慢进伸缩臂伸出夹持器松开伸缩臂缩回；待加工完毕后，伸缩臂伸出夹持器夹紧伸缩臂缩回底座快退(回转)底座慢退升降臂下降夹持器松开升降臂上升到原位停止，准备下次循环。图2-1 旋臂式机器人机构示意图轴类零件的尺寸为直径1060毫米，高为20150毫米，机械手回转角度为180度，升降高度为600mm，伸缩长度为400mm。本设计为工业机器人机械手设计，机器人通过底座的回转运动，实现工件的转位。上述动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁（电磁换向阀），按程序依次步进动作而实现的。如图2-2所示，旋臂式机械手的三维模型。图2-2 旋臂式机械手的三维模型2.1.1设计参数：a、升降臂起升高度：0600mm，任意可调；b、单向升降运动时间：05s；c、升降过程速度变化均匀，无刚性的冲击；d、升降臂定位可靠、精确。e、升降臂与旋转底座、伸缩臂为法兰连接；f、结构设计时考虑伸缩臂原位时的整机平衡；g、伸缩臂由气动元件完成其工作功能；2.1.2可行方案的筛选方法提要技术要求：a、升降臂起升高度0-500mm任意可调。极坐标式床身最大位移：Y方向600mm；X方向650mm升降臂安装于回转底座，随回转底座做旋转运动；升降臂承负伸缩臂与夹持器及工件，调整承负结构的高低位置，完成工件的工位转换。b、单方向升降运动时间：0-5Sc、定位准确、可靠，要有合理的定位措施。d、升降臂运动平稳，起动和终止无刚性冲击。2.2设计方案的选择根据升降臂动作要求，结合已学知识，列出可实现动作要求的各种方案，进行对比分析，主要考虑：技术可行，结构布局合理，工艺合理，经济性好。作为初次设计，给出液压和电动两个设计方案，供设计时参考。2.2.1圆柱坐标（直线移动）升降臂升降臂与底座、伸缩臂采用法兰连接，运动方式采用直线移动方式，升降滑台与升降臂立柱可采用燕尾导轨、圆柱导轨、特型导轨等联结方式。考虑手臂最低工位的高度，可采用变行程措施以降低直线油缸的整体长度。图2-3为变行程机构的一种形式。2.2.2极坐标（旋转升降式）升降臂升降臂完成起升所承载的伸缩臂与夹持器等，运动方式采用转动起升方式，升降臂与底座、伸缩臂采用铰接方式。升降臂起升过程中应保持伸缩臂及夹持器等的水平位姿。升降臂可考虑采用平行四边形机构，升降臂与底座、伸缩臂交接轴间的连锁运动机构等保持伸缩臂的水平位姿。2.2.3气压驱动方案设计、工作原理采用单出杆双作用气压油缸或气压马达驱动，升降速度采用调速阀油节流调速，接近运动终点时，发出信号，进行调速缓冲，依靠行程极限与限位挡块联合定位，利用定型导轨或升降臂与底座、图2-3旋转升降式升降臂伸缩臂间铰接处的相对转动实现升降运动，防止承载的伸缩臂与夹持器发生失控旋转。、气压系统的设计计算气压控制系统设计要满足升降臂动作逻辑要求，气压缸及其控制元件的选择要满足升降臂动力要求和运动时间要求，具体设计计算参见工业机器人液压传动控制系统设计毕业设计指导书。2.2.4机械驱动方案设计采用电动机作为动力源，滚珠丝杠、普通丝杠谐波减速器等传动机构。升降臂升降转换可直接利用电动机正反转换向，也可以在变速装置中采用电磁离合器配合控制系统实现自动换向。运动系统制动选择带有制动装置的制动电机，也可以选择利用电磁制动器与控制系统配合制动。同时设计时考虑伸缩臂、夹持器等承载重量的惯性力作用对定位的影响以及机构能够实现快速制动。2.2.5传动系统结构设计根据升降臂的不同结构形式、驱动方案、传动方式设计传动系统结构。要求传动系统体积小，运动灵活，调整方便；设计时应有利于构件间动力传递，机械效率较高。2.2.5.1传动系统设计与计算、丝杠的选择与设计计算根据滑台受力分析，计算驱动功率。根据大臂升降高度、速度、驱动功率计算丝杠导程、公称直径、长度等参数。确定丝杠转速，选择标准丝杠。选择丝杠时应考虑滑台在导轨上的可靠定位。普通丝杠可以利用自锁性能，而滚珠丝杠无法实现自锁，因此需另外考虑制动系统。丝杠设计计算承载能力 2-1压杆稳定性 2-2刚度验算 公式中各参数参见参考资料（1）。、电机的选择计算根据驱动功率，丝杠转速、最大转矩选择电机。、丝杠间隙调整方式选择丝杠间隙调整方式有：双螺母螺纹预紧调整式、双螺母齿差预紧调整式、双螺母垫片调整式、弹簧自动调整及单螺母变位导程自顶紧式等。、选择丝杠支承方式确定丝杠的支撑方式，合理选择轴承。支撑轴承寿命计算参见参考资料（4）或参考资料（5）。电机、丝杠变速齿轮设计计算及校核计算参见参考资料（4）或（5）。如图2-2所示丝杆机构三维模型。图2-4 丝杆机构三维模型2.2.5.2校核升降臂结构方案设计及强度和刚度计算1、结构方案说明：升降臂以圆形法兰连接于回转底座，其形式和尺寸要与回转底座相协调。升降工作台用于安装伸缩臂等零部件，其形式和尺寸要与伸缩臂底座相协调。利用所掌握的传动机构，实现升降工作台做升降动作，同时应保证伸缩臂水平位姿。圆柱坐标（直线移动）升降臂导向采用定型导轨，导轨副采用铸件，自行设计，并且要考虑导轨副的润滑与间隙调整。润滑方式参考有关手册设计。2、导向机构设计a、圆柱坐标（直线升降式）升降臂升降臂导向机构包括滑台与导轨。导轨与回转底座用法兰联接，滑台在导轨上垂直升降，已调整末端执行器的垂直高度。（1）、导轨材料选择大臂导轨滑台副自身重量、体积均较大，并承担伸缩臂、末端夹持器和工件的重量以及运动中产生的动载荷。因此在材料选择时既要考虑能够承受因复杂的受力引起的强度问题，又要考虑减震与加工性能方面的因素，同时导轨副应具有良好的耐磨性能，因此导轨副多采用铸铁或球墨铸铁材料，铸造成型配合机械加工。（2）、导轨形式选择导轨副按结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。只有闭式导轨能够承受倾覆力矩，可以依靠本身的结构形状保证滑台与导轨面之间的接触，因此设计时需选用闭式导轨。常用的闭式导轨有圆柱导轨、闭式燕尾导轨、闭式矩形导轨以及闭式燕尾导轨与矩形导轨的组合等种类，各有不同的特点，根据设计需要选择。（3）、导轨间隙调整滑台导轨副结合面配合的松紧对机械的工作性能有很大影响，除在装配时应调整导轨间隙外，经过使用后因磨损仍需调整导轨间隙。导轨间隙一般利用镶条和压板来调整。根据选用导轨的形式选择间隙调整方式。（4）、导轨精度要求导轨精度应包括几何精度与接触精度。导轨几何精度规定在导轨平面（B项）和垂直于导轨平面（A项）两平面内的直线度要求，两导轨面的平行度要求（C项）。接触精度应规定2525mm2面积内的接触点数。（5）、导轨的设计计算按强度条件估算大臂导轨截面积S。2-3F：为包括滑台、伸缩臂、末端执行器等在内的质量、运动时产生的动载荷等。按结构因素设计大臂的截面形状。（6）、验算导轨滑台副的强度导轨受力分析导轨副的载荷可以归结为一个集中力F和一个倾覆力矩M。计算导轨比压2-4最大许用比压为2.53.0Mpab、极坐标（旋转升降式）升降臂 升降臂完成起升所承载的伸缩臂与夹持器等，运动方式采用转动起升方式，升降臂与底座、伸缩臂采用铰接方式升降臂起升过程中应保持伸缩臂及夹持器等的水平位姿。升降臂可考虑采用平行四边形机构，升降臂与底座、伸缩臂交接轴间的连锁运动机构等保持伸缩臂的水平位姿。计算主要构件的机械强度，各构件间的传动角，选择驱动电机、减速器类型与传动比等。如图2-5所示为升降臂的三维模型。图2-5 升降臂的三维模型2.6升降臂的设计所选方案2.6.1机械手升降臂设计要求：1：行程：0-600mm。任意可调；2：运动平稳，定位可靠，精确；3：运动时间：0-5s；4：结构设计时考虑伸缩臂原位时整体平衡；5：与旋转底座，伸缩臂为法兰连接；6：采用圆柱滑动导轨；2.6.2运动方案1气压驱动方案采用直线气缸，考虑手臂最底工位，推荐采用下图所示：2机械驱动方案采用气压传动，考虑伸缩等惯性力作用对定位的影响。2.6.3设计内容1升降臂的结构设计。2升降臂结构强度的计算。3动系统气压流量，压力，驱动气缸的选择。4连接件及其固定件的选择。2.7具体方案2.7.1驱动系统的选择计算根据设计任务书要求，应采用气压驱动方案，气压驱动具有运动平稳，易于控制，安装，调试方便等优点。但采用液压驱动方案可能会使升降臂的上下尺寸加大，因此其刚度会因此而降低。2.7.2 气压缸的选择2.7.2.1.执行元件的工况分析一般情况液压缸承受工作负载，导轨摩擦负载，惯性负载，重力负载和背压负载工作负载不同机器有不同的工作负载，对于工业机械手执行元件承受工作负载为滑台，伸缩臂及夹持器的总重量。根据其他组及本组设计，伸缩臂及滑台及在、夹持器共计工作负载大约为850导轨摩擦负载导轨摩擦负载是指气压缸驱动运动部件时的导轨摩擦力，理想状态圆柱导轨受正压力FN0所以可以忽略不计。惯性负载Fa由设计任务书可知 2-5取0.25m/s气压传动教材取0.1 =21.25N 2-6重力负载对该项设计任务，气压缸上升取正，反之取负。背压负载气压缸回气腔背压所造成的阻力称为背压负载，在系统方案及气压缸结构尚未确定之前是无法计算的。2.7.2执行元件主要参数的确定初选执行元件的工作阻力工作压力选的高，执行元件和系统的结构紧凑，但对密封、强度和刚度要求高，反之，如果工作压力选的低，就会增及执行元件的尺寸和质量。根据本项目实际情况工作压力p取2MPa。执行元件主要结构尺寸的确定需确定的结构尺寸是指气压缸的内径和活塞杆的直径d。首先受力分析由静止起动时，液压缸受力最大，受力分析如图2-6。图2-6 气压缸受力简图所以 2-7P=2MPa,初定Pb=0（背压）规为标准， D取50mmmm 2-8对工作压力p10MPa的工况，往返速度比p取1.34对于工程用压力缸，由钢径D和速度比可以查出活塞杆直径d为25mm有说明书要求活塞杆长度应为580mm校核图2-7受力分析已知背压Pb=0.6 MPa，受力分析如图2-7;由受力平衡： 2-9D=50mm的气压缸选择合理对活塞杆的强度校核 2-10由于长径比不大于10 2-11所以刚度校核满足要求。 气压缸的选择与安装考虑到活塞杆与滑块相连接，活塞杆与液压缸较长，选用中部轴销连接气压缸的型号选择为： ，如图2-8 升降臂与气压缸装配模型。图2-8 升降臂与气压缸装配模型2.7.3大臂导轨的设计与计算大臂立柱按照设计要求应是大燕尾导轨，他与旋转底座连接为法兰式连接。材料为。对气压传动方案会增加升降臂的高度，因此大臂的结构设计要有利与提高其抗弯强度和刚度。为对任务方案进行改进后使用，如图2-9结构：图2-9 燕尾导轨为了保证升降臂的结构尺寸，选择铸造的燕尾导轨，为双螺纹形式的，上端直接与连接板通过丝杆联结，下端用螺钉联结。此导向机构结构简单，价格低廉。（1）、导轨形式选择导轨副按结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。只有闭式导轨能够承受倾覆力矩，可以依靠本身的结构形状保证滑台与导轨面之间的接触，因此设计时需选用闭式导轨。常用的闭式导轨有圆柱导轨、闭式燕尾导轨、闭式矩形导轨以及闭式燕尾导轨与矩形导轨的组合等种类，各有不同的特点，根据设计需要选择。本方案为闭式圆柱导轨。（2）、导轨材料选择大臂导轨滑台副自身重量、体积均较大，并承担伸缩臂、末端夹持器和工件的重量以及运动中产生的动载荷。因此在材料选择时既要考虑能够承受因复杂的受力引起的强度问题，又要考虑减震与加工性能方面的因素，同时导轨副应具有良好的耐磨性能，因此导轨副多采用铸铁或球墨铸铁材料，铸造成型配合机械加工。本方案选用磷铜钛耐磨铸铁。（3）、导轨间隙调整滑台导轨副结合面配合的松紧对机械的工作性能有很大影响，除在装配时应调整导轨间隙外，经过使用后因磨损仍需调整导轨间隙。导轨间隙一般利用镶条和压板来调整。根据选用导轨的形式选择间隙调整方式。（4）、导轨精度要求导轨精度要满足在导轨平面和垂直于导轨平面两平面内的直线度要求，两导轨面的平行度要求2第三章 旋臂式机械手夹持器设计3.1旋臂式机械手夹持器设计的基本要求（1）机械手能实现轴类零件搬运过程的自动化；（2）应具有适当的夹紧力和驱动力；（3）手指应具有一定的开闭范围；（4）应保证工件在手指内的夹持精度；（5）要求结构紧凑，重量轻，效率高；（6）应考虑通用性和特殊要求。设计参数及要求：（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松；（2）所要抓紧的工件直径为80mm 放松时的两抓的最大距离为110-120mm/s ， 1s抓紧,夹持速度20mm/s；（3）工件的材质为5kg，材质为45#钢；（4）夹持器有足够的夹持力；（5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由液压缸提供动力。3.2机械手夹持器结构设计3.2.1机械手夹紧装置设计.3.2.1.1夹紧力计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： 2-1式中：安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.22.0，取1.5；工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况系数, ，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）；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，手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指与工件形状：型指端夹持圆柱型工件，为摩擦系数，为型手指半角，此处粗略计算,如图3-1 图3-1被抓取工件的重量求得夹紧力 ，取整为187N。3.2.1.2驱动力力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式：式中：c滚子至销轴之间的距离；b爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角可得，得出为理论计算值，实际采取的气压缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.80.9，此处取0.88，则： ，取3.2.1.3气压缸驱动力计算设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，气压缸为单作用缸，提供推力：式中 活塞直径 活塞杆直径 驱动压力，,已知气压缸驱动力，且由于，故选工作压力P=1MPa 据公式计算可得气压缸内径：根据气压设计手册,见表3.1，圆整后取D=32mm。表3.1 气压缸的内径系列（JB826-66）（mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250活塞杆直径 d=0.5D=0.540mm=16mm活塞厚 B=(0.61.0)D 取B=0.8d=0.732mm=22.4mm,取23mm.缸筒长度 L(2030)D 取L为123mm活塞行程，当抓取80mm工件时，即手爪从张开120mm减小到80mm，楔快向前移动大约40mm。取气压缸行程S=40mm。气压缸流量计算：放松时流量 夹紧时流量3.2.1.4选用夹持器气压缸温州中冶气压气动有限公司所生产的轻型拉杆气压缸 型号为：MOB-B-32-83-FB，结构简图，外形尺寸及技术参数如下：表3.2夹持器气压缸技术参数工作压力使用温度范围允许最大速度效率传动介质缸径受压面积()速度比无杆腔有杆腔1.5MPa+300 m/s90%高压空气32mm12.58.61.45图3-2 结构简图图3-3 结构材料参数3.2.2机械手手爪的夹持误差及分析机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图3-4，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。图3-4 手部结构参数工件直径为80mm，尺寸偏差，则，。本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图2-5。图3-5 夹持简图若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有：简化为： 该方程为双曲线方程，如图3-6：图3-6 工件半径与夹持误差关系曲线由上图得，当工件半径为时，X取最小值，又从上式可以求出：，通常取若工件的半径变化到时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用表示。在设计中，希望按给定的和来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径取为时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当a值较大时），偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的和边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径，以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式：其中,型钳的夹角代入得出： 则 则，此时定位误差为和中的最大值。分别代入得：，所以，夹持误差满足设计要求。由以上各值可得：取值为。3.2.3楔块等尺寸的确定楔块进入杠杆手指时的受力分析如下图3-7：图3-7 楔块进入杠杆手指时的受力分析上图3-7中斜楔角，时有增力作用；滚子与斜楔面间当量摩擦角，为滚子与转轴间的摩擦角，为转轴直径，为滚子外径，为滚子与转轴间摩擦系数; 支点至斜面垂线与杠杆的夹角；杠杆驱动端杆长；杠杆夹紧端杆长；杠杆传动机械效率3.2.3.1斜楔的传动效率 斜楔的传动效率可由下式表示： 杠杆传动机械效率取0.834，取0.1，取0.5，则可得=, ，取整得=。3.2.3.2动作范围分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即，见图 3-8图3-8 杠杆手指的动作范围如果，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所以必须大于。此外，当时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。3.2.3.3斜楔驱动行程与手指开闭范围当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为L，此时对应的杠杆手指由位置转到位置，其驱动行程可用下式表示：杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为： 通常状态下，在左右范围内，则由手指需要的开闭范围来确定。由给定条件可知最大为55-60mm,最小设定为30mm.即。已知，可得，有图2-9关系：图2-9 楔块夹持几何关系图可知：楔块下边为60mm，支点O距中心线30mm，且有，解得：3.2.3.4与的确定斜楔传动比可由下式表示：可知一定时，愈大，愈大，且杠杆手指的转角在范围内增大时，传动比减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由分配距离为：，。3.2.3.5确定由前式得：，取。3.2.3.6确定为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有下图2-10中关系图2-10 驱动行程几何，取，则楔块上边长为18.686，取19mm.3.2.4材料及连接件选择V型指与夹持器连接选用圆柱销，d=8mm, 需使用2个杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销，d=8mm, 需使用2个滚子与手指连接选用圆柱销，d=6mm, 需使用2个以上材料均为钢，无淬火和表面处理。楔块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径12mm，螺距p=1，旋合长度为10mm。如图3-11所示为悬臂式机械手的夹持器机构。图3-11 悬臂式机械手的夹持器机构47第四章 机械手的腕部设计4.1腕部设计的基本要求手腕部件设置在手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度，此设计中要求有绕中轴的回转运动。（1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3）必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。4.2具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构如图4-1所示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从AA剖视图上可以看到，回转叶片（简称动片）用螺钉，销钉和转轴10连接在一起，定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔5.7进出油腔，实现手部12的旋转。旋转角的极限值由动，静片之间允许回转的角度来决定（一般小于），图中缸可回转。腕部旋转位置控制问题，可采用机械挡块定位。当要求任意点定位时，可采用位置检测元件（如本例为电位器，其轴安装在件1左端面的小孔）对所需位置进行检测并加以反馈控制。图4-1 腕部结构图4-1示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个油管。通向手部驱动液压缸的油管是从回转中心通过，腕部回转时，油路认可保证畅通，这种布置可使油管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管（一根供手部油管，两根供腕部回转液压缸）由手臂内通过并经腕架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动，参考上图典型结构。4.3腕部结构计算4.3.1腕部回转力矩的计算腕部回转时，需要克服的阻力有：（1）腕部回转支承处的摩擦力矩式中 ，轴承处支反力（N），可由静力平衡方程求得; ,轴承的直径（m）； 轴承的摩擦系数，对于滚动轴承=0.01-0.02；对于滑动轴承=0.1。为简化计算，取，如图4-2所示，其中，为工件重量，为手部重量，为手腕转动件重量。图4-2 腕部受力简图（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩式中 e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离，已知e=10mm.则 （3）克服启动惯性所需的力矩启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度及启动过程转过的角度按下式计算：式中 工件对手腕回转轴线的转动惯量； 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量； 手腕回转过程的角速度； 启动过程所需的时间，一般取0.05-0.3s,此处取0.1s.。手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为200mm，直径90mm，其重力估算： ,取98N.等效圆柱体的转动惯量： 工件的转动惯量，已知圆柱体工件， 要求工件在0.5s内旋转90度, 取平均角速度，即=，代入得： 解可得： =0.80834.3.2回转气压缸所驱动力矩计算回转气压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩如图4-3回转缸简图，定片1与缸体2固连，动片3与转轴5固连，当a, b口分别进出气时，动片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。图4-3 回转缸简图图4-4 回转气压缸计算图图4-4为回转气压缸的进气腔压力气液，作用在动片上的合成气压力矩即驱动力矩。 或 式中 手腕回转时的总的阻力矩 回转气压缸的工作压力（Pa） 缸体内孔半径（m） 输出轴半径（m），设计时按选取 动片宽度（m）上述动力距与压力的关系是设定为低压腔背压力等于零。4.3.3回转缸内径D计算由 ，得：， 为减少动片与输出气的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度时，选用：综合考虑，取值计算如下：r=16mm，R=40mm，b=50mm，取值为1Mpa，即如下图4-5：图4-5 回转缸结构示意图4.3.4气压缸盖螺钉的计算图4-6缸盖螺钉间距示意表4.1 螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（Mpa）螺钉的间距t(mm)小于150小于120小于100小于80上图4-6中表示的连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为：，即工作拉力与残余预紧力之和计算如下：气压缸工作压强为P=1Mpa,所以螺钉间距小于150mm,试选择2个螺钉，所以选择螺钉数目合适Z=2个 受力截面 ，此处连接要求有密封性，故k取（1.5-1.8），取K=1.6。 所以 螺钉材料选择Q235，安全系数n取1.5（1.5-2.2）螺钉的直径由下式得出 ，F为总拉力即 螺钉的直径选择d=8mm.4.3.5静片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数。螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： 为预紧力,为接合面摩擦系数，取（0.10-0.16）范围的0.15，即钢和铸铁零件，为接合面数，取=2，Z为螺钉数目，取Z=2，D为静片的外径，d为输出轴直径，则可得： 螺钉的强度条件为： 带入有关数据，得：螺钉材料选择Q235，则（安全系数）螺钉的直径 ，d值极小，取。螺钉选择M6的开槽盘头螺钉， ,如图4-7：图4-7 螺钉示意图4.3.6腕部轴承选择 腕部材料选择HT200，估计轴承所受径向载荷为50N,轴向载荷较小，忽略。两处均选用深沟球轴承。现校核较小轴径处轴承。6005轴承基本数据如下：，当量动载荷，载荷系数取1，则，由公式：N为转速，由0.5s完成回转，计算得：，球轴承代入得：，远大于轴承额定寿命。选用轴承为深沟球轴承6005，6008。4.3.7材料及连接件，密封件选择右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。右缸盖与缸体连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。左缸盖与缸体及法兰盘连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。选用垫圈防松，公称尺寸为5。右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。为定位作用，轴左侧增加一个套筒，材料为HT200，尺寸如下图4-8：图4-8 套筒示意图动片与输出轴连接选用六角头螺栓 全螺纹， ， 需用2个。密封件选择：全部选用毡圈油环密封，材料为半粗羊毛毡。右端盖 d=40mm, 左右缸盖 d=25mm。第五章 机械手的伸缩臂设计5.1伸缩臂设计基本要求设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装机械手，完成直线伸缩动作。（1）功能性的要求机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（2）适应性的要求为便于调整，适应工件大小不同的要求，起止位置要方便调整，要求设置可调式定位机构。为了控制惯性力，减少运动冲击，动力的大小要能与负载大小相适应，如步进电机通过程序设计改变运动速度，力矩电机通过调整工作电压，改变堵力矩的大小，达到工作平稳、动作快捷、定位准确的要求。（3）可靠性的要求可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。（4）寿命的要求产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施，如：选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损的零件要便于更换。（5）经济的要求机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中。（6）人机工程学的要求人机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。本设计中要充分考虑外形设计，各调整环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。（7）安全保护和自动报警的要求按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须考虑的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警装置。设计参数：（1）伸缩长度：350mm；（2）单方向伸缩时间：1.52.5S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm；（4）前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击；5.2方案设计5.2.1气压驱动方案（1）伸缩原理采用单出杆双作用气压气缸，手臂伸出时采用单向调速阀进行回气节流调速，接近终点时，发出信号，进行调速缓冲（也可采用缓冲气缸），靠气缸行程极限定位，采用导向杆导向防止转动，采用电气换向阀，控制伸缩方向。（图5-1）图5-1 气压驱动（2）气压系统的设计计算气压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，气压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求，具体设计计算参考气压传动与控制等相关教材。由于伸缩臂做间歇式往复运动，有较大的冲击，设计时要考虑缓冲措施，可从气压回路设计上考虑，也可从气压件结构上考虑。设计计算参数及要求： 电磁阀流量：要满足伸缩速度的要求。 气缸直径：推力大小要能克服机构起动惯性并有一定的起动加速度，要满足运动时间要求。 导向杆刚度：按最长伸出时机械手端部的挠度不超过规定要求。 定位方式和元件：自选。（3）结构方案设计及强度和刚度计算伸缩臂运动简图见图5-1 结构方案说明a：支座1安装在机器人床身上，用于安装伸缩臂气油缸和导向杆等零部件。b：法兰4用于安装机械手，其形式和尺寸要与机械手相协调。c：气压缸伸出杆带动导向杆同时伸出300mm，伸出长度较大，设计、制造和安装时要考虑气压缸与导向杆的平行度要求。d：导向杆可采用直线导轨或直线导轴。直线导轨可选用外购件，直接从生产厂家的有关资料中获得所需参数（网上查询直线导轨、直线导轴）。采用直线导轴时可自行设计，并且要考虑导向杆的润滑，润滑方式参考有关手册设计。 强度及刚度计算本机械手夹持工件重量约3Kg左右，夹持器重量约15Kg，夹持器长度最大约250mm。从受力角度分析，载荷不大，可参考其它机器作类比设计即可。伸缩臂的机构力学模型如图5-2所示。夹持器夹着工件，伸缩臂全部伸出，是导杆受力最大的状态,也是变形最大的位置。在此情况下，用材料力学的知识计算它的强度和刚度。图5-2 伸缩臂的机构力学模型5.3伸缩臂机构结构设计5.3.1伸缩臂气压缸参数计算5.3.1.1工作负载R气压缸的工作负载R是指工作机构在满负荷情况下，以一定加速度启动时对气压缸产生的总阻力，即： 式中：-工作机构的荷重及自重对气压缸产生的作用力；-工作机构在满载启动时的静摩擦力；-工作机构满载启动时的惯性力。(1)的确定 工件的质量m=5.9 (kg) 夹持器的质量 15kg(已知)伸缩臂的质量 50kg(估计)其他部件的质量 15kg(估计)工作机构荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N) 取Ri=860N(2) 的确定 Rm= (N) (3) 的确定 Rg=(N) 式中：为启动时间，其加速时间约为0.10.5s=0.1s , =0.2s总负载 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N) 取实际负载为 =1200 5.3.1.2气压缸缸筒内径D的确定D= 式中：R=1000 5000 , p可取0.8, =取气压缸缸筒内径为40mm。5.3.1.3活塞杆设计参数及校核(1)活塞杆材料：选择45号调质钢，其抗拉强度=570(2)活塞杆的直径：查气压传动设计手册得，当压力小于10Mpa时，速比=1.33。则可选取活塞杆直径为20mm系列，且缸筒的厚度为5mm。 最小导向长度：mm (3)活塞杆强度及压杆稳定性的计算 采用非等截面计算法 气缸稳定性的计算因为气缸的工作行程较大，则在气缸活塞杆全部伸出时，计算气缸受最大作用力压缩时气缸的稳定性。假设气缸的活塞杆的推理为P，气缸稳定的极限应力为Pk，则气缸稳定性的条件为PPk。Pk按下式得到： 式中：可按 气压传动设计手册得到； 式中：为活塞杆直径为缸体外径。 D为缸体内径。所以， 所以 、为长度、上的断面惯性矩。查时极限力的计算图，可由且查得（其中，：活塞杆头部至气缸A点处的距离（cm）:缸体尾部至气缸A点处的距离（cm）。所以：。所气缸的稳定性是满足条件的。 活塞杆强度的计算（E：材料的弹性模量）刚的弹性模量为E200Mpa。气压传动与控制查得： 所以活塞杆强度是满足条件的。 5.3.1.4缸筒设计参数及校核(1)缸筒材料：选择ZG310-570铸钢,其抗拉强度=570(2)缸筒壁厚及校核：取壁厚=5mm 因此属于普通壁厚缸筒壁厚的校核 式中：-缸筒内最高工作压力；=7-材料的许用应力 -材料的安全系数=5校核符合要求(3)缸筒外径： 5.3.1.5缸底设计参数及校核(1)缸底材料：选择Q235碳素结构钢，其抗拉强度375460(2)缸底厚度 mm 取缸底厚度为5mm5.3.1.6气缸零件的连接计算首先确定气缸缸筒与缸盖采用螺纹连接;缸筒与缸底的连接此处选用焊接方式，此种方式能够使液压缸紧凑牢固。（1）缸筒螺纹处的强度计算：螺纹处的拉应力： 螺纹处的剪应力： 合成应力： 许用应力： 式中：P:气缸的最大推力kgf;D:气缸内径cm;：螺纹直径cm；：螺纹内径，当采用普通螺纹时（GB196-63）时，可近似按下式（t螺距cm）;K:螺纹预紧力系数，去K1.251.5；：螺纹那摩擦系数（0.070.2），一般取0.12；：缸筒材料的屈服极限。n: 安全系数，取n=1.2-2.5,一般取n=1.75.由前面计算可得：D=40mm=4cm，则查机械设计课程设计手册，采用普通螺纹基本尺寸（GB/T196-2003）公称直径第二系列 4.8，可得螺距t=0.4cm; =4.8cm .所以，。 K取1.5，n:取1.75。所以：,满足强度条件。（2）缸筒与缸底的焊接强度计算P:气缸推力kgf:焊缝效率，可取0.7：焊条材料得抗拉强度n:安全系数，取n3.34并查到焊条材料的抗拉强度为900Mpa1200Mpa(手工焊条)，因此缸体与缸底得焊缝强度是满足要求得。5.3.1.7气压气缸其他零件结构尺寸得确定由于气压缸的工作负载较小，所以选定气压缸的工作压力为低压。取额定工作压力为2.0。气压缸的基本形式如下图5-3所示：图5-3 气压缸的基本形式整个气缸安装在下部伸缩臂基座上。（1）活塞与活塞杆得连接结构：气缸在一般工作条件下，活塞与活塞杆采用螺纹连接。其形式如图5-4所示图5-5 活塞与活塞杆（2）活塞杆导向套：做成一个套筒，压入缸筒，靠缸盖与缸筒得连接压紧固定，材料选用铸铁材料。基本结构为：图5-5活塞杆导向套图5-5中：1为缸盖，2为橡胶防尘圈，3为活塞杆，4为活塞杆导向套。（3）活塞与缸体得密封。采用O型密封圈密封。选用36.5内径，截面直径为3.55mm.其基本形式如下：图5-6 活塞密封圈图5-6中：1即为O型密封圈，2则为活塞。活塞与缸体之间靠O型密封圈密封。（4）活塞杆端部结构形式及尺寸端部结构形式有：外螺纹的，内螺纹的，光滑的，球形，耳环等等。此处因活塞杆固定，选用外螺纹连接形式。其基本结构如下：图5-7 活塞杆端部结构形式图中各尺寸可查气压传动设计手册得，当d20mm时，取.L=(1.21.5), 5.3.2导向杆机构设计5.3.2.1导向机构的作用导向机构的作用是保证液压缸活塞杆伸出时的方向性，提供机构刚度，保证伸缩量的准确性。5.3.2.2导向机构的外形尺寸及材料导向选择矩形导轨导向，导轨为伸缩臂基座上得一部分，经加工而成；滑台则在其上滑动且滑台得端部靠法兰安装夹持器部分。材料选择为45号钢.，如图5-8所示：图5-8 导向机构图5-8中：1为滑台，2为伸缩臂基座，3为矩形导轨的压板。此处矩形导轨是直接在基座上加工出来的，滑台在导轨面上滑动，靠压板来固定调节。基座臂厚为10mm.。5.3.2.3矩形导轨的弯曲强度及挠度的校核(1)导轨的弯曲应力 符合要求。因为只计算了一边得矩形导轨，由结构可知还有另外一边得导轨支撑，故满足条件。(2)杆的挠度 此杆为一悬臂梁，根据简单载荷作用下梁的挠度和转角公式：， 式中：EI是截面抗弯刚度 本式计算是完全把载荷加在导轨上，实际是载荷由导轨和活塞杆共同承受，所以导向杆的挠度会更小，符合设计要求。转角 = 符合要求。(3)导轨的表面处理及润滑导轨表面淬火，可以提高表面硬度增加导向杆的耐磨性，也可以保证导向杆的韧性，同时需要精加工以提高导轨的精度要求；导轨的润滑可采用润滑脂润滑，或是采用润滑油润滑。此处采用润滑脂润滑。伸缩臂基座与升降臂相连靠伸缩臂基座底部的法兰。其上有4个M12的内六角圆柱头螺钉。5.3.2.4伸缩臂范围控制与调整伸缩臂伸缩范围控制靠行程开关与活动挡块，这里特别解释如下：设备附件活动挡块，它用在当设备安装好后，可以靠它在小范围内调节臂的伸长量，其结构图如图4.6所示此活动挡块可套装在导向杆上，a处可以压住行程开关压柱，从而压动行程开关使行程开关实现动作。此外除上述调节外，