关 键 词：

汽车 后桥 轴套 管装焊线 搬运 机械手 手爪 设计 24 CAD

资源描述：

汽车前后桥半轴套管装焊线搬运机械手手爪的设计含24张CAD图.zip,汽车,后桥,轴套,管装焊线,搬运,机械手,手爪,设计,24,CAD

内容简介：

汽车前后桥半轴套管装焊线搬运机械手手爪的设计摘要本次设计的程控通用机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，对机械手的工作原理，结构使用范围，特点参数选择等方面进行了阐述。其中机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；采用圆柱坐标，四个自由度，为X轴的移动和转动，Z轴的转动和移动；机械手的抓重30Kg；此程控通用机械手主要是在几台机器间进行搬运和装卸工件机械手的动作主要采用液压系统；机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸；本设计主要对手部进行了设计和计算，手腕回转采用回转油缸，手臂的后部采用了滚轮，这样可以承受较大的偏重，立柱也采用了油缸，机械手的升降采用升降油缸，可抓取重量较大的工件。还有一个特点是：可根据生产的需要改变机械手的动作程序。关键词：机械手；液压传动；液压缸。1 IIDesign of manipulator gripper for automobile front axle half axle bushing assembly lineAbstractThe design of program control manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly30Kg, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies，manipulator arm stretching using telescopic tank，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ;The PLC control circuit use the type of FX2N PLC .When pressed for commencement ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger workpieces .KeyWords: manipulatir;fluid drive;hydraulic cylinder;1主要符号表F 夹紧力G 工件重力 安全系数 工作情况系数 方位系数 驱动力D 直径d 活塞杆直径 应力 许用应力 S 受力面积 活塞杆上的推力 弹簧反作用力 液压缸工作时的总阻力 液压缸工作压力 活塞行程 弹簧钢丝直径 弹簧平均直径1目 录1 绪论11.1 机械手设计的目的11.2 机械手设计的内容11.3 机械手在生产中的作用21.4 机械手的分类21.5 机械手的组成51.6 机械手设计原则71.7 本文主要研究内容72 机械手手部方案设计82.1机械手手部结构设计82.1.1 机械手手部设计方案82.1.2 手部设计要求82.1.3 机械手手部的计算分析92.2 机械手腕部的结构设计122.2.1 手腕的自由度及基本要求122.2.2 手腕回转力矩的计算133 机械手其他部位设计简介203.1机械手手臂结构设计203.1.1机械手手臂的设计方案203.2 液压系统的设计213.2.1液压系统的工作原理213.2.2液压系统执行元件的要求214结 论22参考文献23致谢2411 绪论1.1 机械手设计的目的工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要学习环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容的综合设计。通过设计提高自身的机构分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液压一体化系统设计能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过设计，把有关课程（机构分析与综合、机械原理、机械设计、液压与液压动技术、机电控制理论及应用、数控技术、微型计算机原理及应用、机械设计等）中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切地结合起来。因此，工业机械手设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课程设计。工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程 专业的学生一次比较完整的机电一体化整机设计。通过设计，培养学生独立的机械整机设计的能力，树立正确的设计思想，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法步骤，为自动机械设计打下良好的基础。通过设计，使学生能熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图册规范；熟悉有关国家标准和部颁标准，以完成一个工程技术人员在机械整 体设计方面所必须具备的基本技能训练。1.2 机械手设计的内容本设计要求能较鲜明地体现机电一体化的设计构思。所谓机电一体化技术，是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。尽管机电一体化的产品名目繁多，并由于它们的功能不同而有不同的形式和复杂程度，但做功的机械本体的部分（包括动力装置）和微电子控制部分是其最基本的、不可或缺的要素。1）拟定整体方案；2）根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结构；3）各部件的设计计算；4）工业机械手工作装配图的设计与绘制；5）机械手的运动分析；6）编写设计计算说明书1.3 机械手在生产中的作用1、建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线一般都采用机械手在机床之间传送工作。国内已建成的这类自动线很多，如沈阳水泵厂的深井轴承体加工自动线，大连电机厂的4号和5号电动机轴加工自动线，上海拖拉机齿轮厂的齿坯加工自动线等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般 采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的液压缸加工自动线转位机械手。2、实现单机自动化方面各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面的应用最多。注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现全自动化生产。冲床有自动上下料循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床机械手的较多。一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间进步。3、铸、锻、焊、热处理等热加工方面在模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置在炉前，实现进出料自动化。工业机械手满足了社会生产的需要，其主要特点是：1) 对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害液压体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。2) 机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。3) 由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。4) 机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需杂。5) 采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。1.4 机械手的分类机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。1、简史机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。3第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。2、 应用简况现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。3、 发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。1在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.5 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测等所组成。各系统相互之间的关系如下方框图所示：图2-1系统组成图一、执行机构1、执行机构由抓取部分手部、腕部和行走机构等运动部件组成。2、根据设计任务书要求，手臂自由度数为三个，选用直角坐标系。3、直角坐标系占空间大，工作范围小，惯性大，所以一般不采用，根据任务书原始数据和给出的自由度数，因其自由度数较少故选用之。4、行走机构，直角式坐标式。手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件，手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件与驱动源相配合，以实现手臂的各种运动。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都 需要有导向装置，以保证手指按正确的方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。二、驱动机构有液压动、液动、电动和机械四种形式。根据设计任务书要求，选用液压动式驱动，因其速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位，有较高的重复定位精度，但臂力一般 在300N以下，根据设计要求，满 足设计需要。三、控制系统有点位控制和控制两种方式。大数数采用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘碰带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速特性。四、基体基体是整个机械手的基础1.6 机械手设计原则在设计之前，必须要有一个指导原则。这次设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。1.7 本文主要研究内容 一、 机械手的规格参数，是说明机械手规格和性能的具体指标，一般 包括以下几个方面：1）抓重：额定抓取重量或称额定负荷，单位为Kg；任务书给出抓取种为30Kg。2）自由度数数目：任务书给定自由度数为4个座标。 3）手腕回转范围：0-180；6）手指夹持范围和握力：65-85mm。7 2 机械手手部方案设计2.1机械手手部结构设计 2.1.1 机械手手部设计方案应具有适当的夹紧力和驱动力 手指握力大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件夹持安全可靠。 而对手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力大小是不同的。手指应具有一定的开闭范围 手指应具有足够的开闭和开闭距离，以便于抓取和退出工件。应保证工件在手指内的夹持精度 应保证每个被夹持的工件，在手指内都 有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。要求结构紧凑、重量轻、效率高 在保证本身风度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。考虑机械手的通用性和特殊要求 因为一般 情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和开关的工件需要，通常采取手指可调整的办法。如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、以承受锻锤冲击力等。手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。本课所指的机械手仅需开闭手指。机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。本课所做的机械手采用二指形状。2.1.2 手部设计要求a. 有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。b. 有足够的开闭范围夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。c. 力求结构简单，重量轻，体积小手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。d. 手指应有一定的强度和刚度e. 其它要求因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用双作用档案活塞油缸。此种结构较为简单，制造方便。2.1.3 机械手手部的计算分析需夹紧工件重量G=30公斤。V形手指的角度，,摩擦系数为1、夹紧力计算手指在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般 来产，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化产生的载荷，以使工件保持可靠的夹紧状态。13手指对工件的夹紧力可按下式计算： (3-1)式中-安全系数，通常取1.22.0.-工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式计算：=1+ (3-2)其中：a 运载工件时重力方向的最大上升加速度；g 重力加速度；a=式中：运载工件时重力方向的最大上升速度；系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取。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被抓取工件所受的重力（1）根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: (3-3)(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: (3-4)再对手指进行强度校核2、 机械手手部夹紧液压缸的计算1）夹紧缸的直径计算本液压缸属于单向作用液压缸。根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为: (3-5)式中: - 活塞杆上的推力，N - 弹簧反作用力，N- 液压缸工作时的总阻力，N- 液压缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算: (3-6)式中: - 弹簧刚度，N/m- 弹簧预压缩量，m- 活塞行程，m- 弹簧钢丝直径，m- 弹簧平均直径，.- 弹簧有效圈数.- 弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则: (3-7)由以上分析得单向作用液压缸的直径: 代入有关数据，可得: (3-8) 所以： 查有关手册圆整，得由,可得活塞杆直径:圆整后，取活塞杆直径校核，按公式有: (3-9)其中，则: 满足实际设计要求。(2)缸筒壁厚的计算缸筒直接承受压缩空液压压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: (3-10)式中:缸筒壁厚，mm液压缸内径，mm实验压力，取, Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为:。(3)实际驱动力计算实际驱动力 (3-11)因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则: （3-12）所以： 所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为4691N1122.2 机械手腕部的结构设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件的水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。2.2.1 手腕的自由度及基本要求一、手腕的自由度分析手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕的自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕X轴转动回转运动才可满足工作要求。目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转液压缸，因此我们选用回转液压缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360，并且要求严格密封。二、手腕设计的基本要求 1、 力求结构紧凑、重量要轻；腕部处于臂部的最前端，它连同手部的连接和静、动载荷均由臂部承受。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、 综合考虑合理总局；如：应解决好腕部和手部的连接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及没头润滑、维修、调整等问题。3、 必须考虑工作条件；对于高温作业和腐蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计时应充分估计环境对腕部的不良影响。2.2.2 手腕回转力矩的计算 一、手腕转动时所用的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩，图五为手腕受力的示意图。 1、工件 2、手部 3、手腕 图3-1 手腕回转时受力示意图手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算： (3-13)式中： 驱动手腕转动力的驱动力矩（Kg/cm）惯性力矩（Kg/cm） 参与转动的零部件重量对转动轴线 所产生的偏重力矩 手腕转动与支承孔处的摩擦力矩 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦力矩；15下面以3-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算：1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M惯 若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为t,则： (3-14)若手腕转动时的角速度为，起动过程所转过 的角度为，则：式中：J参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量工件对手腕转动轴线的转动惯量若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为: (3-15)工件对过重心线的转动惯量工件的重量工件的重心到转动轴线的偏心距（cm）手腕转动时的角速度起动时所需要的时间起动过程所转过的角度2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 (3-16)式中：手腕动件的重量； 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距（cm） 当工件的重心与手腕转动轴线生命时，=03、 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M摩 (3-17)式中： 手腕转动轴颈直径（cm）； f 轴承摩擦系数，对于滚动轴承f=0.01，对于滑动轴承f=0.1; 轴颈处的支承反力（N），可按手腕转动轴的受力分析求解；根据： 得： (3-18)同理： 根据得： (3-19)式中：手部的重量（N）L 如图五所标示长度尺寸（cm）4、回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密封装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。二、回转缸的驱动力矩计算腕部回转时，需要克服以下几种阻力。1、腕部回转支承处的摩擦力矩 图3-2 腕部支承反力计算示意图由图示可知 （3-20）式中： 、轴承处支反力，可由静力平衡方程求得； 轴承直径；f轴承的摩擦系数，对于滚动轴承f=0.010.02；对于滑动轴承f=0.1。为简化计算，取图示3-2中， 为工件重量（Kg），为手部重量（Kg）为手腕转动件重量（Kg）。17 2、克服由于工件重心偏置所需要的力矩 (3-21)式中 e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）。 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所用的时间，按下式计算： (3-22)或者根据腕部角速度及启动过程转过的角度按下式： (3-23)式中 工件对手腕回转轴线的转动惯量J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； 启动过程中所需时间，一般取0.050.3s；启动过程所转过的角度。手腕回转所需要的驱动力矩相当于上述三项之和： (3-24)如果手腕回转部分的转动惯量不是很大时，手腕启动过程所产生的惯性力矩也不大，为了简化计算可以将计算力矩、适当放大，而省略掉，这时 (3-25)在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸原理如下图3-3所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把液压腔分隔成两个。当压缩液压体从孔a进入时，推动输出轴作逆时针回转，则低压腔的液压从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶J液压缸的压力p和驱动力矩M的关系为：19 (3-26)图3-3 回转液压缸简图式中： M 回转液压的驱动力矩（N.cm） P回转液压的工作压力（N.cm） 缸体内壁半径（cm） r输出轴半径（cm） b动片宽度（cm）上述驱动力矩和压力关系是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压，则上式中的P应代以工作压力P1和背压P2之差。三、手腕回转液压缸的尺寸计算及其校核1、尺寸设计液压 缸长度设计为,液压缸内径为=96mm,半径,轴径、=26mm,半径,液压缸运行角速度=，加速度时间=0.1s, 压强,则力矩： (3-27)2、尺寸校核测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： (3-28) 工件的质量为30kg,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量 (3-29) 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为: (3-30) 11) 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则 (4-19)2) 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承，对于滑动轴承=0.1， ，为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈处的支承反力，粗略估计,。 (3-31)3) 回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计为的3倍。 (3-32) (3-33)设计尺寸符合使用要求，安全。13 机械手其他部位设计简介3.1机械手手臂结构设计3.1.1机械手手臂的设计方案按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右横移和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱实现的，立柱的横向移动为手臂的横移。手臂的各种运动由液压缸来实现。1、结构的设计手臂的伸缩是直线运动，实现直线往复运动采用的是液压压驱动的活塞缸。由于活塞液压缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂结构中比较多。同时液压压驱动的机械手手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂 的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，结构和抓取重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。在本机械手中，采用的是单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向性。2、导向装置液压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。3、平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩液压缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和液压缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。4、手臂伸缩驱动力的计算图3-4 手臂伸出时的受力图 图3-4所示为活塞液压缸驱动手臂前伸时。在单杆活塞液压缸中，由于液压缸的两腔有效工作面积不相等，所以左右两边的驱动力和压力之间的关系式不一样。当压缩空122液压输入工作腔时，驱使手臂前伸或缩回，其驱动力应克服手臂在前伸或缩回起动时所122产生的惯性力，手臂运动件表面之间的密封装置处的摩擦阻力，以及回油腔压力所造成的阻力，因此，驱动力计算公式为： （3-34） 式中：P惯 手臂在起动过程中的惯性力； P摩 摩擦阻力； P密 密封装置处的摩擦阻力，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不同。P背液压缸非工作腔压力所造成的阻力，若非工作腔与油箱与大液压相连时，则P背=0 。3.2 液压系统的设计23 一部完整的机器由原动机、传动部分、控制部分和工作机构等组成、传动部分是一个中间环节，它的作用是把原动机的输出功率传送给工作机构。液压传动是用液体作为工作介质进行能量传递的传动方式。按照其工作原理的不同，液体传动又可以分为液压传动和液力传动两种形式。液压传动主工是利用液体的压力能来传递能量、而液力传动则主要是利用液体的动能来传递。3.2.1液压系统的工作原理1、液压传动系统的工作原理图示4-1所示为一台用半结构式图形绘出的驱动工作台的液压传动系统图。这个系统可以使机构作往昨直线运动、克服各种阻力和调节工作机构的运动速度，通过它可以进一步了解液压传动系统的工作原理。 液压传动系统是整机设计的一部分，它除了应符合主机动作循环和静、动态性能等方面的要求外，还应当满足结构简单、工作安全可靠、效率高、寿命长、经济性好、使用维护方便等条件。驱动设计根据：明确设计要求及工况分析、确定执行元件主要参数、选择元件和验算系统性能而进行设计的。3.2.2液压系统执行元件的要求明确液压传动系统的动作和性能要求，考虑以下几个方面：1）该设备中，哪些运动需要液压传动完成，各执行机构的运动形式及动作幅度；2）对液压装置的空间布置、安装形式、重量、外形尺寸的限制等；3）执行机构载荷形式和大小；4）执行机构的运动速度，速度变化范围以及对运动平稳性的要求；5）各执行机构的动作顺序，彼此之前的联锁关系，实现这些运动的操作或控制方式；6）自动化程度、效率、温升、安全保护、制造成本等方面的要求；7）工作环境方面的要求，如温度、湿度、振动、冲击、防尘、防腐、抗燃性能等；对执行无件工况分析，就是查明每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载的变化规律。通常是求出一个工作循环内各阶段的速度和负载值列表表示，必要时还应作出速度、负载随时间变化的曲线图。在一般情况下，液压传动系统中液压缸随的负载由六部分组成：即工作负载、导轨摩擦负载、功率、惯性负载、重力负载、密封负载，前五项构成了液压缸所要克服的机械总负载。4结 论经过一学期的努力，我顺利完成了设计。在这次设计过程中，我遇到了许多困难，后来在姚XX老师的指导下，我找到了问题所在之处，并将之解决。同时我还对机械设计基础的知识有了更进一步的了解。在机械手结构设计时，经过多次查找资料，才确定比较好的设计方案。画出装配图和零件图，并对前期计算比较充分的说明与校核。设计结束时，我又遇到了比较麻烦的事是最后的文档编辑问题，通过努力的学习，观察得到基本的解决。本次设计，增强和丰富了我的理论知识，培养了我的创造性思维能力和增强独立全面、科学的设计能力，提高了运用理论知识结合实际生产去分析和解决工程实际问题的能力，使我对大学四年所学的知识有了更进一步的认识和了解，如工业机械手图册、工业机械手设计、机械制图、理论力学、材料力