毕业论文-五自由度的智能排爆机器人机械手结构设计.doc

摘 要在当今的大规模生产中，企业为了提高自身的生产效率,保证产品的质量,生产过程的自动化程度的尤为受到关注,机械手自动生产线成为重要的一分子,逐渐被企业通过和采用。技术水平和机械手的应用在一定程度上反映程度一个国家工业自动化水平,目前,主要承担机械臂焊接、喷涂、处理、存储和劳动强度重复性伟大的工作,工作方式一般采取示教再现的方式。本文是设计一台五自由度的机械手，主要功能就是排爆。首先，本文会设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后通过选择合适的传动方式、驱动方式，完成机器人的结构设计。关键词：机械手，驱动，传动，结构AbstractIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.In this paper I will design an industrial robot with five DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. Key Words: Robot, Transmission, Driving, Structure目 录摘 要IIIAbstract目 录第1章 绪论11.1 前言11.2 智能排爆机器人机械手国内外的研究现状11.2.1国外的研究现状11.2.2 国内的研究现状21.3 智能排爆机器人机械手的关键技术31.4 智能排爆机器人机械手的作用及应用4第2章 总体方案设计52.1概述52.2系统组成52.3 设计内容5第3章 机械手的结构设计73.1手部机构73.1.1 手部设计基本要求73.1.2 典型的手部结构73.1.3 机械手手抓的设计计算73.1.4 机械手手抓夹持精度的分析计算103.1.5 弹簧的设计计算113.2腕部结构的设计123.2.1 腕部设计的基本要求123.2.2 腕部的结构以及选择133.2.3 腕部的设计计算133.3横向气缸的设计计算与校核173.3.1 气缸内径的确定173.3.2 活塞杆直径的确定183.3.3 缸筒长度的确定183.3.4 气缸筒的壁厚的确定193.3.5 气缸耗气量的计算193.3.6 活塞杆的校核203.3.7 连接与密封203.4臂部203.4.1 臂部结构形式213.4.2 臂部运动的导向装置223.5机械手机身的设计计算233.5.1 机身回转机构的设计计算253.5.2 机身升降机构的计算293.5.3 轴承的选择分析313.6驱动方式313.7制动器及其作用34总结与展望36参考文献37致 谢38III第1章 绪论第1章 绪论1.1 前言机器人学是当今世界中极为活跃的领域之一，这门学科是近几十年来飞速发展起来的。其中包括机械手类，从外形看来，与人的手臂结构是非常相似的，是由一系列刚性连杆和通过一系列柔性的关节交替而成的结构。而智能排爆机器人，就是一个机械手成功运用的成功典范。排爆机器人(Explosive Disposal Robot)是指代替人到不能去或不适宜去的有爆炸、危险等环境中、或进行了排除危险物工作的机器人，是专门用于搜索、探测、处理各种爆炸危险品的防暴机器人1。机械手臂是排爆机器人的执行机构，主要是用于对爆炸物和其它危险物的抓取、搬运还有放置工作，还有可能是携带武器、辅助工具等，所以对它的要求是能在工作空间内灵活地到达任意的位置，并且能够顺利完成捏、握、举等动作2。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化还有自动化，能在有害环境下操作和保护人身的安全，因而广泛地应用于机械制造、冶金、电子、轻工、原子能等一些部门。1.2 智能排爆机器人机械手国内外的研究现状1.2.1国外的研究现状在国外，排爆机器人的研究早于国内，发展也比国内迅速，技术更加成熟，并且已经进入了实用性的阶段，英、美、德、法、加拿大等许多西方国家已广泛在军警部门中装备使用。英国P.W.Allen公司生产的Defender是一款大型的排爆机器人，它的一些先进的功能可以满足正在发展的反恐需求，例如，处理核生化装置、扩展的光谱射频遥感测量装置，可通过线缆操控，也可以通过无线SSRF遥控，采用全向天线，控制半径能够达到2km，车体是采用模块化结构的，主要的部件使用强度高、质量轻的钛，大范围配置并采用标准配件，优点为结实耐用、维修简单、通用性好、可靠性高4。MiniAndros(图1.1)是美国Remotec公司设计的Andros机器人家族中的最新产品，在设计之中它采用了先进地模块化设计的思想，能够使整机方便、快速拆卸。它具有2m延长杆、履带变向底盘，可以无级调速。它车身比较小，外形尺寸为107cm60cm94cm，因此能够在大型机械人不能抵达的区域内进行操作。它越障碍能力非常好，可以跨越41cm高台和53cm的宽沟，也不受天气干扰，能在干、湿等各种地表环境中行走，在爆炸物处理、机场安全、反劫持、核放射、生化场所的检查还有清理等领域具备很大的应用潜力3。图 1.1 MiniAndros排爆机器人1.2.2 国内的研究现状相对于国外，我国在排爆机器人研究的方面起步较晚。目前，国内在该领域进行研究的主要有中科院沈阳自动化所，北京航空航天大学，上海交通大学，华南理工大学等。中国科学院沈阳自动所先后研制出了“灵蜥-A”、“灵蜥-B”和“灵蜥-H”等反恐防暴机器人。“灵蜥-B”(图2)由本体、电动收缆装置、控制台和附件箱四部分组成，自重达180kg，是电池电力驱动的，最大直线运动速度是40米分钟，采用三段履带设计可以让机器人上和下楼梯，能跨越0.45米高的障碍，实现了全方位行走，具备较强地面适应能力，并应用在第十届全国运动会期间。“灵蜥-H”是该研究所集和州卫富机器人公司研制了反恐防爆机器人，自重有200kg，最大直线运动速度为2.40km /h，可以通过小于40斜坡、楼梯，三段履带设计能让机器人平衡地上下楼梯，可以跨越400mm高的障碍；装备有连发霰弹枪、爆炸物销毁器、催泪弹等武器；六个自由度机械手最大伸展时抓重达5kg，最大作业高度为2.2m；还装备便捷操纵盒、自动收线装置、高效电池等；2005年8月通过了国家“863”验收的排爆机器人，采用六个自由度的可伸缩式关节手臂联动的机构，开发有爆炸物转运箱，可以提高爆炸物的转移速度；车底的爆炸物检测机器人采用了两节等长履带腿复合型移动机构，有很强的地形的适应能力；其控制系统采用的是PC104计算机5。图 1.2 灵蜥-B排爆机器人上海交通大学是我国最早从事于机器人技术研发的高校之一，Super-DII型排爆机器人是“863”计划项目，是由上海交通大学与北京中泰通公司联合研制，曾在北京参加了第二届国际警用装备博览会。最近研发SPUER-III排爆机器人(图3)，整机质量250kg，长1.6m，宽0.84m，高1.3m，行走速度为2.4km /h，可跨越350mm的障碍物或沟壕，爬30 40斜坡或楼梯，同时可以将整体机身抬高了350mm，手臂伸展全长为1.75m，5+ 1自由度三臂杆结构组成6。图 1.3 SPUER型排爆机器人华南理工大学的排爆机器人研究室在广东公安厅的支持下，最新研制出了排爆机器人MRC-5，其控制系统有鲜明特色，除遥控功能之外，它能够在视觉系统的引导下进行计算可疑目标物的三维坐标，并且控制手爪自动抓取可疑的目标7。1.3 智能排爆机器人机械手的关键技术机械手是智能排爆机器人的最主要的装置，各种作业的操作基本上都由它完成。对设计要求为：重量轻、结构简单且坚固、尺寸和惯量都尽量小、操作必须灵活。在设计具体结构的时候，应该要根据所要实现的主要功能，选择合适的自由度。在设计过程中，可以综合考虑两方面因素，以选定最佳的结构设计形式。在确定大臂和小臂长度时，若两者长度不相同，需要在控制系统中采用比例放大或缩小等办法来使两者终端上的运动速度和加速度差异减小，以免操作员产生的错误，导致了事故发生。从技术方面来说，多关节驱动的机械手比较成熟。在设计手爪时，主要应该考虑手爪的多样性、快速更换要求，根据可疑物品的结构特征和形状，可以设计成铲抱型、钩爪型、吸附型等。同时，为机械手结构更简单、灵活性更好，负载能力的设计应该不能过大，机械手的额定负载在520kg左右3。1.4 智能排爆机器人机械手的作用及应用排爆机器人一般具有排除爆炸物、消防、解救人质、搬运、射击、摧毁、爬楼梯等功能。但此主要针对的是小型的排爆机器人，机器人一般装多台彩色CCD像机用对爆炸物进行观察，还有一个多自由度的机械手，一般由多个转动、伸缩关节组成，利用手爪、夹钳可将爆炸物的引信、雷管拧下，运走爆炸物，这是排爆机器人很重要的组成部分。排爆机器人为机器人中特殊的一类，是为某种特殊应用场合而设计的机器人。排爆机器人能在危险、对人体有害或无法进入的环境发挥作用。西方国家，恐怖活动是个令当局头疼的问题。民族矛盾，一些国家的人民受到爆炸物的威胁。恐怖活动的破坏能力达到了小型战争的标准。美国“9 1 1”恐怖袭击造成数千人死亡，损失超过了一些小型战争8。我国的反恐形势日趋严峻，犯罪分子反社会、甚至铤而走险。知识水平的提高使得犯罪分子具有自制炸药、定时爆炸装置、自制遥控的能力。防爆反恐机器人成为一种重要的反恐装备9。 在排爆机器人研制中不可过分地追求先进的技术，应把针对有限目标的实际应用放在首位。排爆机器人的优势决定了机器人能广泛地应用在一切可能对人员健康，甚至生命构成威胁的场所10。41第3章 机械手的结构设计第2章 总体方案设计2.1概述毕业设计的目的是要把我们所学的知识综合起来，进行灵活运用。目前的发展趋势是机电一体化，所以，我们的毕业设计是让我们将“机”、“电”合并起来。2.2系统组成机械手系统由机体、运输代理、供电和控制装置四个部分组成。小车和本体论元器件组成机体;主传动机构的伸缩臂和把握机构、电源液压传动与机械传动两幅形控制装置，主要由自动控制和手动控制两部分。2.3设计内容“机”指的是机械，机械手的动作过程分为五部分：机械手的上升和下降、机械手的前伸和后缩、机械手的加紧和放松、机械手的左转和右转、小车的前进和后退。在这五部分中我们靠机械完成机械手的上升和下降动作，本课题所做的机械手是采用电动机带动丝杠、螺母机构来实现手臂的上升和下降。滚珠螺旋传动是在丝杠、螺母滚道之间放入滚珠，使螺纹之间产生滚动摩擦。滚珠螺旋传动有以下特点：（1）传动效率高：一般的滚珠丝杠副的传动效率达85%-98%，是滑动丝杠副的3-4倍。（2）运动平稳：滚动摩擦系数非常接近常数，启动工作摩擦力矩差别小。启动时无冲击，低速时候无爬行。（3）能源预紧：预紧后能消除间隙产生过盈，提高了接触刚度和传动精度。同时增加的摩擦力矩相对较小。（4）工作寿命长：滚珠丝杠螺母副摩擦的表面是高硬度和精度的，具有较长的工作寿命和精度保持性。（5）定位精度、重复定位精度高：由于滚珠丝杠副摩擦小、无爬行、温升小、无间隙，通过预紧、预拉伸的补偿膨胀，可以达到较高的定位精度、重复定位精度。（6）同步性好：同时用几套相同的滚珠丝杠副，传动几个相同的运动部件。能得到较好的同步运动。（7）可靠性高：润滑密封装置结构比较简单，维修较方便。（8）不自锁：用于垂直运动，要在系统中加自锁或者制动装置。（9）经济性差、成本高：由于结构工艺比较复杂，故制造成本高经过计算，选择为：电动机型号：Y802-2，功率：1.1W，丝杠型号：Tr407。机械手的机械机构为它的执行系统，是机械手进行操作、抓持工件、进行各种运动的机械部件。机械部件包括手部，手臂的前后伸缩部分，手臂的上下升降部分腰转部分以及机座以及行走机构。第3章 机械手的结构设计3.1手部机构3.1.1 手部设计基本要求（1）应当具有适当的夹紧力、驱动力。应考虑到在夹紧力下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。（2）手指应当具有一定的张开范围，手指应具有足够的开闭角度（手指张开到闭合绕支点转过的角度），以便抓取工件。（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能的使结构紧凑、重量轻，以便利于减轻手臂的负载。（4）应当保证手抓的夹持精度。3.1.2 典型的手部结构（1）回转型：滑槽杠杆式、连杆杠杆式。（2）移动型：两手指相对支座作往复的运动。（3）平面平移型。3.1.3机械手手抓的设计计算（1）选择手抓的类型及夹紧装置本设计是机械手的设计，考虑所要达到的原始参数：手抓的张合角=，夹取的重量为10Kg。常用工业机械手的手部，按照握持工件的原理，可以分为夹持、吸附两类。吸附式用于抓取工件表面平整或者面积较大的板状的物体，不适合用在本方案。本设计机械手应当采用夹持式手指,此机械手按运动形式可以分为回转型和平移型，回转型手指的结构简单, 适用于夹持平板方料, 而且工件径向尺寸变化不会影响其轴心位置, 其理论夹持误差为零。因此选择回转型。通过考虑，本设计采用二指回转型手抓和滑槽杠杆这种结构。夹紧装置可以选择常开式夹紧装置，在弹簧的作用下机械手手抓闭和，压力油作用下，弹簧压缩，使机械手手指张开。（2）手抓的力学分析下面对基本结构进行力学分析：滑槽杠杆（图3.1）。 (a) (b)图3.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析1手指 2销轴 3杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上拉力为F，通过销轴中心O点，手指1的滑槽对销轴反作用力为F1和F2，力的方向于滑槽的中心线OO1和OO2垂直并指向O点，交F1和F2延长线于A、B。由 得 由 得 由得 式中 a手指回转支点与对称中心的距离（mm）. 工件夹紧时手指滑槽方向和两回转支点的夹角。分析可得，驱动力为一定时，角增大，则握力也增大，但角的过大会导致拉杆行程的过大，以及手部结构的增大，因此最好是。（3）夹紧力及驱动力的计算手指夹在工件上的夹紧力，是手部设计的主要依据。必须对方向、大小、作用点进行分析和计算。需克服工件的重力所产生的静载荷和工件运动的状态变化的惯性力产生的载荷，以便于工件保持可靠夹紧状态。手指对工件的夹紧力可以按照公式计算： 式中为安全系数，通常1.22.0； 为工作情况系数，主要受到惯性力的影响。可以近似按照下式估算，其中a是重力方向的最大的上升加速度；为运载时工件的最大上升速度t响为系统达到最高速度时间，一般选取0.030.5s 为方位系数，根据手指和工件位置不同进行选择。G为被抓取工件所受重力（N）。表3.1液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于50000.8120000300002.04.05000100001.52.030000500004.05.010000200002.53.050000以上5.08.0计算：先设a=100mm,b=50mm, 机械手达到最高的响应时间为0.5s，求夹紧力、驱动力以及驱动液压缸的尺寸。1）设 根据公式，将已知的条件带入： 2）根据驱动力公式得： 3）取 4）确定液压缸直径D选取活塞杆的直径d=0.5D，选择液压缸的压力油的工作压力： 根据表4.1（JB826-66），选取液压缸的内径为：则活塞杆的内径为:，选取3.1.4机械手手抓夹持精度的分析计算机械手精度设计的要求：工件的定位准确,抓取的精度高,重复定位的精度和运动的稳定性好,并且有足够的抓取能。机械手能否准确地夹持工件，把工件送到指定的位置，不仅仅取决于机械手的定位精度（由臂部、腕部等运动部件决定），而且也于机械手夹持误差的大小有关。特别是在多品种中、小批量的生产中，为了适应工件的尺寸在一定的范围内变化，必须进行机械手的夹持误差的计算。 该设计用棒料来分析机械手夹持误差的精度。机械手夹持的范围为80mm180mm。一般夹持额误差不超过1mm，分析如下：（1）工件平均半径：手指长,取V型夹角（2） 偏转角按最佳的偏转角确定：计算 当时，带入有：满足夹持误差设计要求。3.1.5弹簧的设计计算 选择弹簧压缩条件，用圆柱压缩弹簧。如图3.4所示，计算过程如下。（1）选择用硅锰弹簧钢，查取许用切应力：（2）选择旋绕比为C=8，则（3）根据安装的空间选择弹簧的中径D=42mm，估算弹簧丝的直径 （4）试算弹簧丝的直径 （5）根据变形情况确定弹簧圈有效的圈数：选择标准为，弹簧的总圈数为圈（6）最后确定：，（7）对于压缩弹簧的稳定性的验算对于压缩弹簧，如果长度较大时，则受力之后容易失去稳定性，这在工作中是绝对不允许的。为了避免这种现象发生，压缩弹簧的长细比为，本设计中弹簧是2端自由，根据下列选取： 当两端都固定时，；当其中一端固定，一端自由时，；当两端都自由转动时，。结论中本设计额弹簧，因此弹簧的稳定性合适。（8）疲劳强度和应力强度的验算。对于在循环次数较多、在变应力下工作中的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度以及静应力强度进行验算。 现在因为本设计是在恒定的载荷情况下，所以只需要进行静应力强度验算。计算公式： 选取1.31.7： 结论：经过校核，弹簧能够适应。 3.2腕部结构的设计3.2.1 腕部设计的基本要求（1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂最前端，它连同手部的静载荷、动载荷均由臂部来承担。显然，腕部的结构、重量以及动力载荷，影响着臂部的结构、重量以及运转性能。因此在腕部结构设计时，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执行的机构，又有承担连接、支撑额作用，除保证力和运动的要求，还要有足够的强度、刚度外，还应该综合考虑，合理额布局，解决好腕部、臂部和手部之间的连接。（3）必须考虑工作条件在本设计中，机械手工作条件是在工作的场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境的影响，没有处在高温、腐蚀性的工作介质中，对机械手的腕部没有太多不利的因素13。3.2.2 腕部的结构以及选择（1）典型的腕部结构1） 具有一个自由度回转驱动的腕部结构。它的优点：结构紧凑、灵活等。2） 齿条活塞驱动的腕部结构。回转角大于270时，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。该结构外形尺寸大，适用于悬挂式臂部。3） 具有两个自由度回转驱动的腕部结构。它使腕部有水平、垂直转动的两个自由度。4）机-液结合腕部结构。（2）腕部结构和驱动机构的选择本设计要求手腕回转180，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。3.2.3腕部的设计计算（1）腕部设计考虑的参数夹取工件的重量60Kg，回转180。（2）纵向气缸的设计计算和校核：由设计任务可得，要驱动的负载大小为100Kg，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响，并考虑到机械爪的质量。在研究气缸的性能和确定气缸的缸径时，常用到负载率：由液压与气压传动技术表3.2：表3.2 气缸的运动状态与负载率阻性负载（静负载）惯性负载的运动速度v运动的速度v=3m/min=50mm/s，取=0.60，所以实际的液压缸负载的大小为：F=F0/=1633.3N（3） 气缸内径的确定表3.3 气缸内径确定公式项目计算公式缸径双作用气缸推力拉力D=1.27=1.27 =66.26mmF为气缸的输出拉力 N；P 为气缸的工作压力Pa按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=80 mm表3.4气缸缸径尺寸系列810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630（4）活塞杆直径的确定由d=0.3D 估取活塞杆的直径 d=25 mm表3.5 活塞杆直径系列 （mm）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400（5）缸筒长度的确定缸筒的长度S=L+B+30，L为活塞的行程，B为活塞额厚度：活塞的厚度B=(0.61.0)D= 0.780=56mm，由于气缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+30=886 mm导向套滑动面的长度A:一般导向套滑动面的长度A，在D80mm时, 可取A=(0.61.0)d。所以A=25mm最小导向的长度H：根据经验，当气缸最大的行程为L，缸筒的直径为D，最小导向的长度为：H代入数据 即最小导向长度H + =80 mm活塞杆的长度l=L+B+A+80=800+56+25+40=961mm（6）气缸筒的壁厚的确定由液压气动技术手册可查得气缸筒的壁厚能根据薄避筒计算公式进行计算：式中：缸筒的壁厚（m），缸筒的内径（m），缸筒承受的最大工作压力（MPa），缸筒材料许用应力（MPa）。实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。参考液压与气压传动缸筒壁厚强度计算及校核,我们的缸体的材料选择45钢，=600 MPa， =120 MPan为安全系数 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉强度(Pa)P缸筒承受的最大工作压力（MPa）。当工作压力p16 MPa时，P=1.5p；当工作压力p16 MPa时，P=1.25p由此可知工作压力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.50.6=0.9 MPa=0.3mm参照下表 气缸筒的壁厚圆整取 = 7 mm表3.6 气缸筒的壁厚 （mm）材 料气缸直径5080100125160200250320壁 厚铸铁HT153378101012141616钢A3.455788991112铝合金81212141417（7）气缸进排气口直径d0v空气流经进排气口的速度，可取v=1015） 选取v = 12 m/s由公式d0 = 2代入数据得：d0 = 14.014 mm。表3.7 气缸进排气口直径 （mm）汽缸内径D气缸进排气口直径d0408506310801001251514016018020所以取气缸排气口直径为15 mmQ工作压力下输入气缸的空气流量（）V空气流经进排气口的速度，可取v=1025）（8）活塞杆的校核由于所选活塞杆的长度L10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择45钢。参考机械设计手册单行本 ，由液压气动技术手册式中 FP0 活塞杆承受的最大轴向压力（N）；FP0=1633NFK 纵向弯曲极限力（N）；nK 稳定性安全系数，一般取1.54。综合考虑选取2K活塞杆横截面回转半径，对于实心杆K=d/4代入数据 K =25/4=6.25mmE 材料弹性模量，钢材 E = 2.1 1011 Pa ；J 活塞杆横截面惯性矩（m4）；d 活塞杆的直径（m）；L 气缸的安装长度为活塞杆的长度为961mm代入数据得 FK =2.685 N因为FP0 = 1.34所以活塞杆的稳定性满足条件；强度校核：由公式 d n为安全系数 一般取 n=5；缸筒材料的抗拉强度(Pa)代入数据得 因为FP0= 1.34所以活塞杆的稳定性满足条件；45钢的抗拉强度=600 MPa 则4.16 mm d ，所以强度满足要求；综上所述：活塞杆的稳定性和强度满足要求。3.3横向气缸的设计计算与校核如按原方案横向气缸活塞杆需承受很大的径向力，对活塞杆的强度要求很高，耗费原材料，且寿命减短，极为不合理。故在纵向气缸上端铰接一工型导轨，以分担横向气缸的径向力，使整个系统简约合理。这样横向气缸的工作载荷主要是纵向气缸和导轨的摩擦力，取摩擦系数 = 0.17。估算：纵向气缸的重量=7.9=12.30 Kg 活塞杆的重量 = 7.9l=3.72 Kg 活塞及缸盖重量=9 Kg所以：横行气缸的总载荷为:F总=(12.3+3.72+9+100)= 208.3 N F=347.17N3.3.1 气缸内径的确定表3.8 气缸内径的确定公式项目计算公式缸径双作用气缸推力拉力D=30.55mmF气缸的输出拉力 N；P 气缸的工作压力Pa按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=32 mm表3.9 气缸缸径尺寸系列 （mm）810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）2503204005006303.3.2 活塞杆直径的确定由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=10mm表3.10 活塞杆直径系列 （mm）4568101214161820222528323640455056637080901001101251401601802002202502803203604003.3.3缸筒长度的确定缸筒长度L为活塞行程，B为活塞厚度。活塞厚度B=(0.61.0)D= 0.732=23mm由于气缸的行程L=800mm ,所以。导向套滑动面长度A:一般导向套滑动面长度A，在D80mm时, 可取A=(0.61.0)d。所以A=20mm最小导向长度H：根据经验，当气缸的最大行程为L，缸筒直径为D，最小导向长度为：H代入数据 即最小导向长度H=56 mm活塞杆的长度l=L+B+A+40=800+23+20+60=903 mm3.3.4气缸筒的壁厚的确定由液压气动技术手册可查气缸筒的壁厚可根据薄避筒计算公式进行计算：式中：缸筒壁厚（m），缸筒内径（m），缸筒承受的最大工作压力（MPa），缸筒材料的许用应力（MPa）。实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。参考液压与气压传动缸筒壁厚强度计算及校核，我们的缸体的材料选择45钢n为安全系数一般取 n=5；缸筒材料的抗拉强度(Pa)。P缸筒承受的最大工作压力（MPa）。当工作压力p16 MPa时，P=1.5p；当工作压力p16 MPa时，P=1.25p。由此可知工作压力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.50.6=0.9 MPa表3.11 气缸筒的壁厚 （mm）材 料气缸直径5080100125160200250320壁 厚铸铁HT153378101012141616钢A3.455788991112铝合金812121414173.3.5气缸耗气量的计算 气缸进排气口直径d0v空气流经进排气口的速度，可取v=1015m/s 选取v = 12 m/s由公式d0 = 2，代入数据得d0 = 5.643 mm。 表3.12 气缸进排气口直径 （mm）汽缸内径D气缸进排气口直径d0408506310801001251514016018020所以取气缸排气口直径为8 mmQ 工作压力下输入气缸的空气流量V空气流经进排气口的速度，可取v=1025m/s3.3.6活塞杆的校核由于所选活塞杆的长度L10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择45钢。参考机械设计手册单行本，由液压气动技术手册：L 气缸的安装长度为活塞杆的长度为903mm，代入数据得 FK =3.11 N，n为安全系数 一般取 n=5；缸筒材料的抗拉强度(Pa)，45钢的抗拉强度=600 MPa。综上所述：活塞杆的稳定性和强度满足要求。3.3.7连接与密封气缸的连接与密封直接影响气缸的性能和使用寿命，正确的选用连接和密封装置，对保证气缸正常工作有着十分重要的意义。缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、钢筒螺纹、卡环等，本气缸四根采用拉杆式双头螺栓连接，由于工作压力小于1MPa，不需要强度校核。根据许用静载荷，查机械设计手册单行本表22-1-58，分别选用M10、M6的螺栓。对于活塞与气缸筒之间采用两个Y型密封圈，其它摩擦副均使用O型密封圈密封。O型密封圈密封可靠，结构简单，摩擦阻力小。O型密封圈安装后，比被密封表面的内径大。Y型密封圈密封可靠，使用寿命长，摩擦阻力较O型圈大。3.4臂部臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并改变手部在空间的位置。机械手的臂部一般具有23个自由度，即伸缩、回旋、俯仰或升降；专用机械手的臂部一般具有12个自由度，即伸缩、回转或直移。臂部总重量较大，受力一般较复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的静、动载荷，尤其高速运动时， 将产生较大的惯性力（或惯性距），引起冲击，影响定位的准确性。臂部运动部分零部件的重量直接影响着臂部结构的刚度和强度。专用机械手的臂部一般直接安装在主机上；机械手的臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身（即机座）上，机身可以是固定的，也可以是行走式的、即可沿地面或导轨移动。臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及倒向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素，它们分别是，刚度要大，倒向性要好，偏重力矩要小，运动要平稳、定位精度要高。3.4.1 臂部结构形式机械手的臂部结构一般包括臂部伸缩、回转、俯仰或升降等运动的结构以及与其有关的结构，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑连接件和位置检测元件等。此外还有与腕部连接的有关构件及配管、线等。下面介绍一些臂部结构。（1）圆柱坐标机器人的臂部结构，其臂部具有回转、升降、伸缩自由度回转运动通过齿条缸驱动齿轮回转来实现升降与伸缩分别由升降油缸和伸缩油缸驱动。 （2）极坐标机器人的臂部结构，臂回转结构为齿轮齿条缸结构，臂俯仰、臂伸缩均采用直线运动油缸。（3）多关节型机器人的臂部结构，这种类型的机械手多用于喷漆，故也称为喷漆机器人。其臂部有回转、俯仰和前后移动三个运动。回转机构为齿轮齿条缸结构，俯仰和前后运动均采用铰链油缸驱动。（4）臂部伸缩运动结构，用钢管做成伸缩臂，由活塞杆带动齿轮沿固定齿条滚动而产生伸缩运动，这种结构的特点是传动效率高，易于实现较大行程和速度，它的行程和速度的大小与齿轮的直径大小有关。（5）臂部俯仰运动的结构，一般采用铰接油（气）缸来实现。铰接油（气）缸位于手臂下方，活塞杆与手臂之间用铰链连接，缸体与立柱之间用耳叉销轴等方式连接。（6）臂部回转及升降运动的结构，可采用齿条缸与升降缸实现臂回转和升降，臂回转还可用回转缸与行星齿轮传动，链条链轮传动。（7）臂部复合运动机构，它是将一个驱动运动分解为13个运动，并能依合成运动的形式实现复杂运动的机构。在一些专用机械手中常采用行星齿轮机构、凸轮机构及连杆机构等来实现臂部的复合运动。3.4.2 臂部运动的导向装置臂部的导向装置，机械手的手臂伸缩及升降运动机构上常设置导向装置，其目的是：一、防止移动部件在伸缩及升降时产生不必要的转动，以保证手臂运动方位的准确性。二、增大移动部件的刚性，减少移动部件由于自重与抓取重量所引起的变形和位移。三、承受移动部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。导向装置一般根据臂部的安装形式、具体的结构及抓取重量等因素来确定，就导向装置而言，其导向精度、刚度和耐磨性对机械手的精度和其它工作性能影响很大，在设计时必须充分注意。这里仅就几种特殊形式作一简单介绍：（1）单导向杆式 单导向杆一般配置在驱动油（气）缸体的一侧或活塞杆内。放在活塞杆内时，虽然结构紧凑，但是工艺性比较差。单导向杆导向装置结构简单、重量轻、摩擦力小，但是承载能力较低，刚性差，而且导向杆内走管通道少。一般用于较小型的机器人。单导向杆一般采用实心圆杆、方杆、空心圆杆、花键轴等。方杆比圆杆刚性好，但加工比较困难。（2）双导向杆式 双到向杆一般对称配置在驱动油（气）缸两侧。这种形式受力情况好、刚性大，可承受重载，导向杆内部走管道多，便于油路配置。但转动惯量增加，不利于回转定位。双导向杆一般采用圆杆，以便内部通走管。（3）导轨式导轨式的形式较多，其共同特点是刚性好，工作平稳、导向性能好，但结构比较复杂。适用于负载较重、速度较低的机器人或专用机械手。（4）滚珠花键式 焊接结构的轴套前端固接一个循环滚珠套，套内装有若干钢珠，并设有保持架。滚珠花键轴的圆弧性花键槽与其中一部分钢珠配合，轴套的转动通过循环滚珠套及钢珠传给花键轴，花键轴在随手臂移动时便带动钢珠滚动并自行循环，实现滚动摩擦代替普通花键轴的滑动摩擦。这种结构摩擦阻力小，定向精度高，移动速度快，但是结构比较复杂，制造成本高。本课题中要求臂部具有3个自由度、即升降、回转、伸缩运动。臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂要有足够的刚度，导向性要好，偏重力矩要小，运动要平稳，定位精度要高，回转运动用伺服电机驱动，通过一对内齿轮实现手臂的回转运动。伸缩运动用伺服电机驱动，由斜齿轮带动螺杆、螺母作相对的移动，使手臂能灵活地伸缩。升降运动用伺服电机驱动，通过丝杠与滚珠的回转，带动外壳体在机座外侧表面作相对滑动，实现手臂的升降。在手臂回转运动中，手臂的重量通过大齿轮由交叉轴承。该轴承是根据标准的止推轴承特制设计的，8320型属此种。8320的额定运载荷是21700ckN，额定静载荷是57200ckN，完全可以满足许用条件要求。该轴承的内、外圈都可有螺孔以联接用，并且在淬火之前铣一外圈的键槽和大齿轮进行周向固定。特制的交叉滚珠轴承结构尺寸如下： d=140.0mm D=278.0mm B=54.0mm润滑方式：脂润滑。机座：是机械手用来手臂部件，并安装驱动装置与其它装置的部件，故稳定性要好，且满足足够的刚度，机座为700的尺寸，足够满足运动时的平稳。总体结构图见附图3.5机械手机身的设计计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种： （1）回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。 （2）回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。 （3）活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析：经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转1800。图3.2 回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图3.5.1 机身回转机构的设计计算（1）回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡。 惯性力矩的计