XYY01-019@R175型柴油机机体加工自动线上用多功能液压机械手设计
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机械毕业设计全套
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XYY01-019@R175型柴油机机体加工自动线上用多功能液压机械手设计,机械毕业设计全套
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1 第 1章 概述 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 ，搬运或操作动作的自动化机械装置 。在工业中应用的机械手称为“工业机械手”。 工业机械手由执行系统、驱动系统和控制系统组成。执行系统又可分为抓取，送放和机身三部分， 如图 1.1所示 1-执行系统 2-控制系统 3-驱动系统 a-手爪 b-手腕 c-手臂 d-机身 e-行走装置 图 1.1机械手的组成 1.1 执行系统 执行系统是直接握持物件实现所需的各种运动的机械部分，它包括以下机构 （ 1）抓取机构 抓取机构又称手部或手爪，是 机械手直接与被抓取物件接触并施加约束和加紧力的部分。 （ 2）送放机构 送放机构是执行系统中将被抓取物件送放到目的地的机械部分。它主要由手臂、手腕、行走装置等部分组成。 手臂是用来支撑腕部和手部并改变 被送放物件的空间位置的。它是机械手的主要运动部件。 手腕主要是用来调整和改变被送放物件的方位，并连接手臂和手指。 行走装置的主要作用是扩大机械手的送放范围，以适应远距离操作的需要。 （ 3）机身 机身是机械手中用来支撑送放机构的部件，也是安装驱动系统，控制系统的基础部件。 1.2 驱动系统 nts2 机械手的驱动系统是为 执行系统各部分提供动力的装置 。驱动系统可分为液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等多种形式。液压驱动系统主要由油泵，油缸，油压阀机管路组成 。 1.3 控制系统 机械手控制系统的功用是通过对驱动系统的控制使执行系统按照规定的要求进行工作，并检测其工作位置正确与否。 它主要包括程序控制和位置检测等部分 . 程序控制装置指挥机械手按规定的程序进行运动 ,并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序 ,运动轨迹 ,运动速度 ,运动时间等 ),同时按其控制系统的信息对执行系统发出指令 ,必要时它还可对机械手的动作进行监视 ,当动作有错 误或发生故障时 ,即发出报警信号 . 信息检测装置主要用来控制机械手执行系统的运动位置 ,并随时竟执行系统的实际位置反馈给控制系统 ,并与设定的位置进行比较 ,然后通过控制系统进行调整 ,从而使执行系统以一定的精度达到设定位置 . nts3 第 2 章 方案设计及主要参数的确定 2.1 方案设计 根据课题要求，机械手需要具备上料、翻转和转位等多种功能，并按该自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作，因此可采用以下多种设计方案。 （ 1）直角坐标系式，自动线成直线布置，机械手空中行走，顺序完 成上料、翻转、转位等功能。这种方案结构简单，自由度少，易于配线，但需要架空行走，油液站不能固定，这使设计复杂程度增加，运动质量增大。 （ 2）机身采用立柱式，机械手侧面行走，顺序完成上料、翻转、转位等功能，自动线仍呈直线布置。这种方案可以集中设计液压站，易于实现电气、油路定点连接，但占地面积大，手臂悬伸量较大。 （ 3）机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种案具有电液集中、占地面积小、可从地面抓取工件等优点，但配线要求较高。 本设计拟采用第三种方案，如图（ 1）所示。这是一种球坐 标式机械手，具有立柱旋转 (z )、手臂伸缩 (x )、手臂俯仰 (y )、腕部转动 (x )和腕部摆动 (y )五个自由度。 nts4 图 2.1 球坐标式机械手 2.2 主要参数的确定 （ 1） 抓取重量 15kg （ 2） 坐标形式和自由度 坐标形式为球坐标式，有五个自由度。 （ 3） 工作行程 工作行程由已知条件及方案分析确定： 最大工作半径 1500mm； 手臂最大中心高 1000mm； 手臂水平中心高 700mm； 手臂伸缩行程 450mm； 手臂回转范围： =0 270； 手腕回转范围：翻转 =0 180； 腕部摆动范围：转位 =0 90； 手臂上下摆动角度： =0 60。 （ 4） 运动速度 直线运动速度：手臂伸缩行程 l=450mm，运动时间 t=2s，则手臂伸缩速度为：v=tl =0.45/2=0.225m/s； 回转运动速度：定为 60 /s。 （ 5） 驱动方式 驱动方式采用液压驱动的方式。由于机械手操作时各缸不同时工作，手臂伸缩缸和手臂回转缸所需的流量大，其余各缸所需的流量均较小，因此可选用双联叶片泵。在小流量时，只需高压小流量供油，大流量低压泵卸荷；在大流量时，两泵同时供，这样可以减少系统功率 损失，防止油温升高。 （ 6） 定位精度 定位采用机械挡块定位，定位精度为 0.5 1mm。 （ 7） 控制方式 采用行程控制系统实现点位控制。 nts5 第 3 章 抓取机构的设计 3 1 抓取机构结构形式的确定 抓取机构的结构形式主要决定于工件的形状和质量，本课题的抓取工件为 250170 140mm的箱式零件，因此采用平行连杆杠杆式手部结构较为合适。夹紧装置为常开式，当夹紧液压缸通油时，推动活塞带动杠杆机构合拢将工件夹紧。当夹紧液压缸断油时，活塞杆通过弹簧复位，手爪张开。 3 2 夹紧力（握力）的确定 当用不同的手部机构夹紧 同一种工件时，由于各手部机构的增力倍数不同，所需拉紧油缸的驱动力也不同。当手部机构选定后，由于工件的方位不同（如工件水平放置或垂直放置），钳爪的受力状态不一样，因而所需拉紧油缸的驱动力也不一样。下图（ 2）为两钳爪式手部机构，由于驱动力 P 使一对平行钳口对被夹持的工件产生两个作用力 N，当忽略工件重量时（即相当于夹紧一块握力表），这两个力大小相等，力N称为由驱动力 P产生的夹紧力。 图 3.1 夹紧力 现引入一个称为“当量夹紧力”的概念，所谓当量夹紧力， 就是指把重量为 G的工件，按某一方位夹紧可以求得其拉紧油缸具有的最小驱动力，这个最小驱动力所能产生的夹紧力，就称为工件在这个方位的当量夹紧力。 当量夹紧力的数值与具体的手部机构方案无关。只与工件的重量 G 和它相对与钳爪的放置方位有关。证明如下： （ 1）首先求驱动力 P 与夹紧力 N 的关系。当驱动力推动活塞杆移动一小段距离dy时，两个钳爪都相应产生一微小转角 d，依据虚功原理，驱动力 P 所做功（ Pdy）和夹紧力 N所做功应相等，即 N b dN b dPdy nts6 N=bdPdy2（ 3.1） （ 2）当量夹紧力与工件重量之关系。当钳爪水平夹紧重为 G 的工件时，根据工件的平衡条件 F=0可得 R1=R2+G 可以看出，上下钳爪对工件的夹紧力并不相等，且随驱动力的增大而增大，但 R1和 R2 的差值永远为工件之重量 G，如 R2=0， R1=G，驱动力最小。这个最小驱动力可以由下述方法求出： bdRbdRdyP 21 将 R1=G， R2=0代入上式得 dydGbP （ 3.2） 由 P 所产生的夹紧力 N ，即当量夹紧力。将（ 2.2）式代入（ 2.1）式得 2212 GddybdydGbddybpN （ 3.3） 从计算结果可以看出，当量夹紧力 N 与具体的手部结构方案无关。不同的手部机构的增力倍数特性 dyd 不一样，而当量夹紧力与 dyd 无关，只与工件的重量和它相对于钳爪的放置方位无关。 由课题要求可知，本机械手水平夹持悬伸工件，示意如图 3.2 图 3.2 握力 示意 图 查 表得进行握力计算： N= GHL 213（ 3.4） 式中 N 夹持工件时所需的握力； nts7 G 工件的重量， G=15kg=150N； L、 H 尺寸， L=50mm， H=80mm。 将上述数值代入得 N= 25.3 5 61 5 02180 503 N 考虑到工件在传送过程中还会产生惯性力、振动以及受到传力机构效率等的影响，故而实际握力还应按以下计算： N 实 21KKN （ 3.5） 式中， 手部的机械效率，一般 =0.85 0.95； k1 安全系数，一般取 k1=1.2 2； k2 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，按下式估算： k2=1+ /g，其中，为被抓取工件传送过程中的最大加速度， g为重力加速度。 若取 =0.9； k1=1.5； k2按 = g/2计算， k2=1+ /g=1.5，则 N 实 21KKN =356.25 1.5 1.5/0.9 890N 3.3 夹紧缸驱动力的计算 抓取机构产生的握力 是通过驱动装置产生的驱动力经传动机构传递而得到的。如图 3.3所示为夹紧缸受力分析简图，图中 P为驱动力， N实 为握力。由图 3.4和图 3.5的受力分析可得 P=2Rsin （ 3.6） Rh=LCD R| 因为 h=lBCcos =lBCcos(180 - - + ) = lBCcos( + - ) （长度取正值） R|= N 实 cos 所以 P=2Rsin =实NlBCl CD )c o s (c o ss in2 由结构设计，确定 =10 ， =120 ， =50 ， lCD=130mm， lBC=36mm，代入上式得 N7638909396.036 6427.01736.01302 （长度取正直） nts8 图 3.3 夹紧缸受力分析简图 P实图 3.4 图 3.5 3.4 夹钳式抓取机构的定位误差分析 图 3.6所示的为一支点回转型手指的示意图。图示情况为分别夹持两种不同直径的工件时的情况。其中， ABl 为手指长度，即手指的回转中心 A 到 V 形槽顶点 B 之间的距离； 2 为 V 形槽的夹角； 为偏转角，即 V 形槽的角平分线 BC 与手指 AB 间的夹角； R为工件的半径。 nts9 图 3.6 工件的中心 C与手指的回转中心 A之间的距离 x可由下式求得： c o ss i n2s i nc o s2 22222 RlRlllllx ABABBCABBCAB将上式整理后得 2222 s inc oss ins in1 ABAB llRx 或 1s ins in c oss ins in 2222 AB ABAB llRlx 此式为双曲线方程，其曲线如图 3.7所示。图中曲线表示了 X随 R 变化的关系，而且 X的变化是以 R0为分界线左右对称的。当工件的半径由 Rmax变化到 Rmin时， X的最大变化量即为定位误差 ，其值为 coss i nm i n2s i nm i ncoss i nm ax2s i nm ax2222 RlRlRlRlABABABABnts10 图 3.7 在设计手指时，只要给定手指的长度 ABl ，选取合适的偏转角，即可根据工件的最大直径 Rmax和最小直径 Rmin确定定位误差。为了减少定位误差，可加大手指的长度，会使结构增大，重量增加。另外，选择最佳的偏转角，也可使定位误差最小。 当 R等于平均半径 Rm 2 m inm a x RRRm时，定位误差最小，此时 eleRlRleleRlRlABABABABABABs incoss inm in2s inm ins incoss inm ax2s inm axm in2222式中， e 最佳偏转角。 3 5 夹紧液压缸主要尺寸的确定 3.5.1 液压缸内径 D 的计算 由单杆活塞式液压缸的推力公式： 11 pAF （ 3.7） 式中， 1F 液压缸的推力 (N)； p 系统的工作压力， p=2.5Mpa=2.5N/mm2； 1A 活塞的作用面积（ mm2） 1A= 24DD 活塞直径（ mm）。 nts11 推导得出： D=1.13mpF1（ 3.8） 式中， 1F 驱动力，即液压缸的实际工作载荷（ N）； p 系统的工作压力， p=2.5Mpa=2.5N/mm2； m 机械效率，一般取 m=0.95； D 液压缸内径（ mm）。 将上述数值代入得 D=1.13 mm25.2095.05.2763 按 GB/T2348-1993 标准系列直径圆整，取 D=32mm。 3.5.2 活塞杆直径 d 的计算 根据速度比的要求来计算活塞杆直径 d 1 Dd （ 3.9） 式中 ， d 活塞杆直径（ mm）； D 液压缸直径（ mm）； 速度比： 22212 dD Dvv 2v 活塞杆的缩入速度（ mm/min）； 1v 活塞杆的伸出速度（ mm/min）。 液压缸的往复运动速度比，与系统工作压力的关系如下 表 3.1 工作压力 p/MPa 10 12.5 20 20 速度比 1.33 1.46； 2 2 由于本次设计的液压系统工作压力为 2.5MPa，故选用 速度比为 1.33。 不同速度比时活塞杆直径 d和液压缸内径 D的关系如 下 表 3.2： 1.15 1.25 1.33 1.46 2 d 0.36D 0.45D 0.5D 0.56D 0.71D 按 GB/T2348-1993 标准系列直径圆整，取 d=14mm。 nts12 3.5.3 液压缸壁厚的计算 对于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算： 2 Dpp（ 3.10） 式中， 液压缸缸筒厚度（ mm）； pp 试验压力（ MPa），工作压力 p 16MPa 时，pp=1.5p；工作压力 p 16MPa 时，p=1.25p，由于本次设计的液压系统压力为 2.5MPa，故pp=1.52.5=3.75Mpa； D 液压缸内径（ mm）； 缸材料体的许用应力（ MPa）： nb b 缸体材料的抗拉强度（ MPa）； n 安全系数， n=3.5 5，一般取 n=5。 对于：锻钢 =100 120 MPa 铸钢 =100 110 MPa 钢管 =100 110 MPa 铸铁 =60 MPa 现 选用铸铁材料， =60Mpa。 将以知数据代入上式得 mm1602 3275.3 因结构设计需要，取 =10mm。 3.5.4 液压缸外径 D0及长度 l 的计算 5 2 m m=102+32= 2+D=D 0 L（ 20 30） D0，由结构需要确定，取 l=60mm。 3.5.5 液压缸行程 S 的确定 根据课题要求以及机构的运动要求按 GB/T2349-1980标准系列确定液压缸活塞行程为 450mm。 nts13 第 4 章 送放机构的设计 4.1 概述 （ 1） 送放运动 改变被 抓取物体的位置和方向，并将其送放到一定的目的位置上，这一运动过程称为送放运动。送放运动是机械手或机器人或机器人最主要的运动，包括手臂、手腕和行走装置的运动，但不包括机械手或机器人手爪抓取物体的动作。因此，抓取动作只具有抓取功能，不能改变被抓取物的位置和方向，因而不是送放运动。送放运动又可分为主运动和辅运动两部分，手臂的运动为主运动，手腕的运动和整机的行走运动为辅运动。主运动决定送放运动的空间范围的形状和性质，辅运动可扩大送放运动或改变被送放物体在空间的方位。 （ 2） 送放范围 机械手或机器人将被抓取的物体送放 到某一位置，其所能达到的空间范围称为机械手或机器人的送放范围。当送放位置为一点时，称为点位送放；当送放位置在一个确定的表面内（如矩形面、扇形面、圆柱面）时，这样的送放范围称为面位送放；当送法的位置在一个确定的空间体内（如长方体、圆柱体、球体、多球体）时，这样的送放范围称为体位送放。点位送放、面位送放、体位送放均由主运动的运动形式、自由度及其组合来决定。 （ 3） 送放图形 送放范围可用送放图形（送放运动的轨迹或空间的形状及大小）来描述。 点位送放的送放位置为确定的点，其主运动只有一个自由度。其运动形式为直线运动 时，送放图形为一直线；为回转运动时，送放图形为一圆弧；为复合运动，送放图形为一空间曲线。 面位送放，其送放图形为一确定的表面，由两个参变量决定，故主运动需要两个自由度。其送放图形为三种不同的情况：两个直线运动组合，送放图形为一矩形面；两个回转运动组合时，送放图形为一圆弧面；一个直线运动和一个回转运动组合时，送放图形为一扇形面（如手臂伸缩和手臂回转组合）或圆柱面（如手臂升降和手臂回转组合。 体位送放，其送放图形为一个确定的空间体，故主运动有三个自由度。其送放图形也有几种不同的情况：三个直线运动组合时，送放图形 为一空间立方体；两个直线运动和一个回转运动组合时，送放图形为一空间圆柱体；两个回转运动和一个直线运动组合是，送放图形为一空间组合体；三个回转运动组合时，送放图形为空间球体或多球体。 nts14 （ 4） 送放运动的自由度 送放运动具有的独立运动参数的数目，即送放运动的自由度，亦即机械手或机器人的自由度。它等于主运动自由度数和辅运动自由度数之和。一般情况下，主运动有1 3个自由度：当主运动有 1个自由度时，送放图形为点位送放；当主运动有 2个自由度时，送放图形为面位送放；当主运动有 3个自由度时，送放图形为体位送放。如果采用多关节 的送放机构，则机械手的主运动自由度数还可以增加，但其结构非常复杂，故实际应用不多。此时，宜采用增设辅运动的方法来增加机械手的功能，如增加腕部的平移或整机的行走运动以扩大送放范围，或增设腕部的回转和摆动运动以改变被送放物的方位。 机械手有几个自由度就说明有几个送放运动。自由度越多，送放动作也越多，则机械手越灵活，其送放范围也越大，但机械手也越复杂。 本次所设计的机械手的送放机构共有 5个自由度，即主运动有 3个自由度（手臂的伸缩、回转、俯仰）、辅助运动有 2个自由度（腕部的回转、摆动），为体位送放，全部采用液压驱动 ，分别由两个直动液压和三个回转液压缸来实现。机械手液压系统的工作原理图如下图 4.1 所示： 图 4.1 液压系统的工作原理图 4.2 液压系统主要参数的确定 nts15 4.2.1.液压缸工作载荷的确定 R= Rt+Rf Rm （ 4.1） Rt=Rw Rg （ 4.2） 式中， R 液压缸的工作载荷； Rw 液压缸轴线方向上的外作用力； Rg 液压缸轴线方向上的重力； Rf 运动部件的摩擦力； Rm 运动部件的惯性力。 非标准机械的液压缸设计，按实际计算出工作压力后，还应符合液压缸额定工作压力系列标准规定（ JB2183-77），本设计确定的系统工作压力为 2.5Mpa。 4.2.2.液压缸推力的确定 当液压缸工作压力确定之后，即可计算出液压缸的推力。对于活塞式液压缸，液压缸的推力为 P=pA （ 4.3） 式中， p 系统的工作压力； A 活塞的有效工作面积。 4.2.3.液压缸流量的计算 液压缸的工作流量为 q=Av （ 4.4） 式中， v 液压缸或活塞杆的速度； A 液压缸的有效工作面积。 因此，只要确定出液压缸的直径 D，就可求出活塞或液压缸的有效工作面积，从而可求得液压缸的推力和流量。或者，根据各缸的实际工作载荷 P，先求出活塞或液压缸的有效工作面积 A，再确定各缸的直径 D。 4.2.4.液压缸基本尺寸的确定 （ 1）活塞缸直径 D的确定 无杆腔工作 时： D=)()(4212221 pppdPPRm （ 4.5） 有杆腔工作时： D=)()(4211221 pppdPPRm （ 4.6） 式中， 1P 系统的工作压力， 1P =2.5Mpa； nts16 2P 回油腔的压力； m 机械效率，一般取 m =0.95； R 液压缸的工作载荷； d 活塞杆的直径。 按上式计算后，还应按 JB2183-77取规定系列的直径值。 （ 2）活塞杆直径 d的确定 活塞杆直径可按工作压力确定，对于常用速比的液压缸也可根据已定的缸径 D查下表：液压缸工作压力（ MPa） 5 5 7 7 活塞杆直径 d （ 0.5 0.6） D （ 0.6 0.7） D 0.7D 另外，当液压缸速度在 6 10 m/s左右时，也可按活塞往返的工作速度之比来确定活塞杆直径： d=D 1 ，其中 = 12vv 速比 与工作压力有如下关系： 工作压力（ MPa ） 1.0 1.2520 20 速比 1.33 1.46 2 2 （ 3）液压缸壁厚的确定 = 2Dpp式中， pp 试验压力； D 液压缸直径； 缸体材料的许用应力 。 （ 4）液压缸外径 D0及长度 l的确定 D0=D+2 l（ 20 30） D0 缸体长度 l根据上式由活塞行程来确定，并注意缸体的制造工艺性和经济性。 4.3 机械手的腕部设计 4.3.1 腕部结构形式的确定 工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件，起支承手部的作用，为了使手部处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴 X、 Y、 Z的转动，即具有回转、俯仰和摆动三个自由度。腕部实际所具有的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。在多数情况下，腕部具有两个自由度：回转和俯仰或摆动。一些专业机械手甚至没有腕部，但有的腕部为了特殊要求还有横向移动自由度。 nts17 本机械手腕部具有两个自由度，因此采用两个回转油缸，即回转和摆动，且回转范围为 0 180 ，摆动范围为 0 90 。回转油缸和摆动油缸的结构图分别如图 4.2和图 4.3所示： ecd图 4.2 图 4.3 4.3.2 腕部回转缸驱动力矩的计算 实现上述运动的驱动力必须克服腕部启动时所需的惯性力矩、腕部回转轴与支承处的摩擦力矩、动片与缸壁和端盖等处密封装置的摩擦力矩，以及由于转动部件重心与转动轴心线不重合所产生的偏重力矩，图 4.4 所示为腕部受力分析。 nts18 图 4.4 腕部转动时必须克服三种力矩 摩M 、 偏M 和 惯M ，故手腕的回转力矩 M至少应为： ）（惯偏摩 mNMMMM （ 4.7） 考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将 M取大一些，可取 ）（惯偏摩 mNMMMM 2.11.1 式中， M 驱动力矩； M惯 惯性力矩； M偏 参与转动的零部件的重量（包括工件、手部及 腕部的回转缸动片等）对转动轴线所产生的偏重力矩； M摩 腕部回转与支承处的摩擦力矩； 以上各力矩的分析计算如下： 1）腕部加速运动时所产生的惯性力矩 M惯 若手部启动时按等加速运动，角速度为 w，启动过程所用的时间为 t ，启动过程所转过的角度为 ，则 tJJM ）（惯 1或 221）（惯 JJM（ 4.8） 式中， J 腕部参与转动的各部件对回转轴的转动惯量； J1 工件对腕部回转轴的转动惯量； 腕部转动的角速度； t 启动过程所需的时间，一般为 0.01 0.5（ s），这里取 0.1； 启动过程所转过的角度。 nts19 若工件的重心与回转轴不重合，则转动惯量为 2111 egGJcJ （ 4.9） 式中， Jc 工件对重心轴线的转动惯量； 1G 工件的重量； 1e 工件重心到回转轴的偏心距； g 重力加速度。 本机械手腕部参与转动的各部件的转动惯量如下： 回转轴：对其重量进行估算，定小直径段为 1G ，大直径段为 2G ，即 NGNhgrG864.08.910641021514.3108.7125.18.910301022514.3108.732332323321 查表得其转动惯量为 2622222211 104.112015.08.92 864.02025.08.92 125.122 mkgRgGRgG 连接板：对其重量进行估算，即 NhgrG 73.08.910181022614.3108.7 32332 查表得其转动惯量为 26222221 101.20022.00075.08.92 73.02 mkgRRgG 液压缸：对其重量进行估算，即 NhgrG 2.158.910841025514.3108.7 32332 查表得其转动惯量为 2622 105.5860275.08.92 2.152 mkgRgG 手爪：对其重量进行估算，即 NhgrG 6.258.910701027814.3108.7 32332 查表得其转动惯量为 nts20 2622 106.1986039.08.92 6.252 mkgRgG 故腕部参与转动的各部件的转动惯量 和为： 266 106.2604101 9 8 6 . 65 8 6 . 52 0 . 11 1 . 4J mkg 工件对腕部回转轴的转动惯量为： 2222222 42.114.017.025.08.912 150121 mkgcbagGJ 由以上计算得腕部加速运动时所产生的惯性力矩为： mN 7.141.0 342.10 0 2 60 4 6.0M惯2）腕部转动时在轴颈处的摩擦力矩 M摩 1221 dRdRfM BA 摩 式中， d1、 d2 腕部轴颈的直径（参见图 10）； f 轴承的摩擦系数，对于滚动轴承， f=0.01，对于滑动轴承， f=0.1； RA、 RB 轴颈处的支撑反力。 按腕部转动轴的受力分析求解 RA和 RB。根据 0 FMA，得 112233 lGlGlGlR B 即 Nl lGlGlGR B 661065.0 032.05.005.06.25278.0150332211 同理，根据 0 FMB，得 NlllGllGllGRA8.837065.0032.0065.05.0065.005.06.25065.0278.0150332211式中， 1G 、 2G 、3G 工件、手部、腕部的重量； 1l 、 2l 、 3l 、 l 尺寸，见图 10。 故 mNdRdRfMBA 013.0015.0661015.08.83701.02121 12摩nts21 3）工件重心偏置引起的偏重力矩 M偏 M 偏 =G1e （ 4.10） 式中， G1 工件重量（ N）； e 偏心距。 由于本课题的工件为 250 170 140mm的箱式零件，即为对称的零件，因此 工件重心与手腕回转中心线重合，也就是偏心距为零，故 M偏为零。 因此腕部转动时所需的驱动力矩为： ）（惯偏摩 mNMMMM 66.177.140013.02.12.11.1 又腕部回转缸的驱动力矩 M与回转缸的压力 p的关系为： 2 22 rRpbM （ 4.11） 式中， M 回转缸的驱动力矩； P 回转缸的工作压力； R 缸体内壁半径； r 输出轴半径； b 动片宽度。 上述驱动力矩 M与压力 p的关系式是对应与压力腔的背压为零时的情况而言的，若低压腔有一定的背压，则 P为 工作压力与背压的差值。 4.3.3 腕部回转液压缸尺寸的确定 1）液压缸内径的确定 由上式腕部回转缸的驱动力矩 M 与回转缸的压力 p 的关系推导得缸体内壁半径为； mmrPbM 86.265.21255.2 1066.1722R 232 其中输出轴半径 r 由结构设计定为 12.5mm。 查 表 按标准系列圆整，取 R=32.5mm，即回转液压缸内径为 65mm。 2）液压缸壁厚的计算 对于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算： 2 Dpp（ 4.12） 式中， 液压缸缸筒厚度（ mm）； nts22 pp 试验压力（ MPa） ，工作压力 p 16MPa 时，pp=1.5p；工作压力 p 16MPa时，pp=1.25p，由于本次设计的液压系统压力为 2.5MPa，故pp=1.5 2.5=3.75Mpa； D 液压缸内径（ mm）； 缸材料体的许用应力（ MPa）： nb （ 4.13） b 缸体材料的抗拉强度（ MPa）； n 安全系数， n=3.5 5，一般取 n=5。 对于：锻钢 =100 120 MPa 铸钢 =100 110 MPa 钢管 =100 110 MPa 铸铁 =60 MPa 现 选用铸铁材料， =60Mpa。 将以知数据代入上式得 mm03.2602 6575.3 因结构设计需要，取 =17.5mm。 3）液压缸外径 D0 及宽度 b的计算 1 0 0 m m=5.712+65= 2+D=D 0 b（ 20 30） D0，由结构需要确定，取 b=30mm。 4）回转液压缸回转行程的确定 由方案设计可知，腕部回转 行程 0 180 ，其结构形式见图 4.2。 4.3.4.腕部摆动缸驱动力矩的计算 与回转液压缸的计算类似，腕部摆动时也必须克服三种力矩 摩M 、 偏M 和惯M ，故手腕的摆动力矩 M至少应为： ）（惯偏摩 mNMMMM 同样考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将 M取大一些，可取 ）（惯偏摩 mNMMMM 2.11.1（ 4.14） 式中， M 驱动力矩； M惯 惯性力矩； nts23 M偏 参与转动的零部件的重量（包括工件、手部及腕部的回转缸动片等）对转动轴线所产生的偏重力矩； M摩 腕部摆动与支承处的摩擦力矩； 以上各力矩的分析计算如下： 1）腕部加速运动时所产生的惯性力矩 M惯 若手部启动时按等加速运动，角速度为 w，启动过程所用的时间为 t ，启动过程所转过的角度为 ，则 tJJM ）（惯 1或 221）（惯 JJM（ 4.15） 式中， J 腕部参与转动的各部件对回转轴的转动惯量； J1 工件对腕部回转轴的转动惯量； 腕部转动的角速度； t 启动过程所需的时间，一般为 0.01 0.5（ s），这里取 0.2； 启动过程所转过的角度。 若工件的重心 与回转轴不重合，则转动惯量为 2111 egGJcJ （ 4.16） 式中， Jc 工件对重心轴线的转动惯量； 1G 工件的重量； 1e 工件重心到回转轴的偏心距； g 重力加速度。 由腕部回转运动计算可知，腕部参与转动的各部件对回转轴的转动惯量相对工件对腕部回转轴的转动惯量要小的多，因此在此仅计算工件对腕部回转轴的 转动惯量。 工件对腕部回转轴的转动惯量为： 2222222 42.114.017.025.08.912 15012 mkgcbagGJc 由于摆动液压缸工作时，工件的重心与回转轴不重合，则由以上分析得转动惯量为 222111 4.4446.01015042.1 mkgegGJcJ nts24 由以上计算得腕部加速运动时所产生的惯性力矩为： mN 75.222.0 34.4M惯2）腕部转动时在轴颈处的摩擦力矩 M摩 腕部转动时在轴颈处的摩擦力矩公式为 1221 dRdRfM BA 摩 （ 4.17） 由由腕部回转运动计算可知，腕 部转动时在轴颈处的摩擦力矩相对与其他力矩要小的多，故此不在计算。 3）工件重心偏置引起的偏重力矩 M偏 M 偏 =G1e （ 4.18） 式中， G1 工件重量（ N）； e 偏心距。 由于腕部摆动时，工件的重心与回转轴不重合，故存在偏心力矩 mNeG 9.664 4 6.01 5 0M 1偏 因此腕部转动时所需的驱动力矩为： ）（惯偏惯偏摩 mNMMMMMM 6.9875.229.661.12.11.12.11.1 4.3.5.腕部摆动液压缸尺寸的确定 1）液压缸内径的确定 由上式腕部回转缸 的驱动力矩 M 与回转缸的压力 p 的关系推导得缸体内壁半径为； mmrPbM 4.5315305.2 106.9822R 232 其中输出轴半径 r 由结构设计定为 15mm。 查 表 按标准系列圆整，取 R=55mm，即回转液压缸内径为 110mm。 2）液压缸壁厚的计算 对于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算： 2 Dpp（ 4.19） 式中， 液压缸缸筒厚度（ mm）； pp 试验压力（ MPa） ，工作压力 p 16MPa 时，pp=1.5p；工作压力 p 16MPants25 时，pp=1.25p，由于本次设计的液压系统压力为 2.5MPa，故pp=1.5 2.5=3.75Mpa； D 液压缸内径（ mm）； 缸材料体的许用应力（ MPa）： nb （ 4.20） b 缸体材料的抗拉强度（ MPa）； n 安全系数， n=3.5 5，一般取 n=5。 对于：锻钢 =100 120 MPa 铸钢 =100 110 MPa 钢管 =100 110 MPa 铸铁 =60 MPa 现 选用铸铁 材料， =60Mpa。 将以知数据代入上式得 mm43.3602 11075.3 因结构设计需要，取 =30mm。 3）液压缸外径 D0 及宽度 b的计算 1 7 0 m m=302+110= 2+D=D 0 b（ 20 30） D0，由结构需要确定，取 b=100mm。 4）回转液压缸回转行程的确定 由方案设计可知，腕部摆动行程 0 90 ，其结构形式见图 4.3。 4.4 机械手的手臂和机身的设计 4.4.1. 手臂和机身结构 形式的确定 手臂部件（简称臂部或手臂）是机械手的主要执行部分，其作用是支承手腕及抓取机构（包括被抓取的工件或工具），有时其他一些装置如传动机构或驱动装置也安装在手臂上。机身则直接支承和带动手臂部件，并实现手臂的回转、升降、俯仰等运动。因此，手臂的送放运动越多，机身的结构和受力状况也越复杂。 设计手臂和机身时应注意以下几个问题： 1）刚度 刚体是指手臂和机身在外力作用下抵抗变形的能力。由于机械手的手臂一般都要悬伸（水平或垂直悬伸），因而手臂和机身的刚度十分重要。手臂的悬伸量越大，刚度越差，而且刚度岁悬伸距离的 变化而不断变化，因而悬伸量对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力都有很大的影响。为了提高手臂的刚度，除了尽量缩短手臂的悬nts26 伸量外，还应合理地选择使手臂抗弯扭能力强的手臂截面形状，并合理地确定手臂的壁厚和材质，以及合理地布置受力构件的位置和方向。 2）精度 机械手的精度最终反映在手部的位置精度上，在很大程度上取决与手臂和机身的精度。影响手臂和机身的精度的因素较多，主要有本身的刚度、手部和腕部与手臂的连接刚度，以及手臂和机身运动的导向装置和定位装置的精度等。 3）平稳性 手臂和机身的质量较大，其运动速度和负荷也较 大，因而产生的冲击和振动也较大。因此，它们的工作平稳性十分重要，将直接影响到机械手的工作质量和寿命，在设计时应予以足够的重视。在设计时除了力求结构合理、紧凑、重量轻、惯性小以外，还应采取有效的缓冲措施，以便吸收冲击能量，提高机械手的工作平稳性。 4）其他要求 对于一些在特殊条件下工作的机械手，设计时应满足其他特殊的要求。例如：在高温环境工作时，应考虑热辐射的影响；在腐蚀性介质环境下工作时，应考虑防腐蚀措施；在多用途作业环境下工作时，应考虑控制、检测、维修方便等等。 手臂和机身的配置形式反映了机械手的总体布置 形式，主要取决与机械手的工作要求、运动形式和作业环境，大致上可归纳为以下几种： 1）立柱式 这种配置形式适合于回转型、俯仰型或屈伸型机械手，因而是一种最常见的配置形式。这种配置形式的手臂可以在水平面内回转，具有占地面积小、工作范围的特点。立柱可以安装在生产线上，为一台机车服务，也可以在其上加装行走装置，为多台机床服务。立柱式配置形式的机械手可以做成单臂的，也可以作成双臂的。后者通过两臂同时升降、交臂伸缩，实现一手上料，一手下料，使结构简单紧凑。 2）机座式 机座式配置形式的机身设计成机座的形式，独立自成系统 ，便于安装和搬动。也可在机座上增设行走装置，使机座能在地面专用轨道上移动。这种配置形式的手臂装在机座的顶端，适合于回转型或俯仰型机械手。这种配置形式的机械手也可以做成双臂的或多臂的，以便同时为几台机床服务。 3）屈伸式 屈伸式配置形式的小臂相对于大臂可以作屈伸运动，大臂又可相对于机身作回转和俯仰运动。因此，手臂夹持中心的运动轨迹为一空间曲线。这种配置形式能有效地利用空间，并能绕过障碍物夹持和送放工件，但使机械手的结构较复杂。 4）悬挂式 悬挂式配置形式的机身设有横梁，用于悬挂手臂，这种配置形式主要用于直角坐标式机械手。横梁可设计成固定的，也可以设计成移动的。一般情况下，横梁可安放nts27 在厂房原有的建筑物上。 本机械手机身采用机座式，手臂运动的导向装置为双导向杆式，两导向杆对称配置在驱动油缸的两侧。 4.4.2. 手臂驱动力的计算 计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，要把臂部所受的全部负荷考虑进去。机器人工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等。 1）手臂水平伸缩运动时的驱动力计算 下图 4.4所示的为手臂作水平伸缩运动时的受力分析。 图 4.4 当 压力油输入工作腔时，活塞驱动手臂前伸。其驱动力应克服手臂在前伸启动时所产生的惯性力、手臂运动部件与密封装置的摩擦阻力，以及回油腔的压力（即负压）。因此，驱动力为 背封摩惯 PPPPP 式中， 惯P 手臂启动过程中的惯性力； 摩P 摩擦阻力（包括导向装置和活塞与缸体之间的摩擦阻力）； 封P 密封装置处的摩擦阻力，用不同形式的密封装置，其摩擦阻力不同； 背P 油缸非工作腔的压力（即背压）所造成的阻力，若非工作腔与油箱或大气相通，则 背P =0。 2）手臂作回转运动时的驱动力矩计算 驱动手臂回转的力矩为 M，该力矩应与手臂启动时所产生的惯性力矩 惯M 以及密nts28 封装置所产生的阻力矩 封M 平衡（略去轴承处的摩擦），因此： 封惯 MMM 式中， 惯M 惯性力矩； 封M 密封装置处的摩擦力矩。 一般， 惯M 按下式计算： tJJM 00惯（ 4.21） 式中， 回转缸动片的角速度增量，在启动过程中， ； t 启动过程的时间； 0J 手臂回转部件（包括工件）对
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