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机械毕业设计论文
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机械毕业设计743工业机器人的结构设计,机械毕业设计论文
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1前言 1.1工业机器人 的 概念 工业机器人 是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业 工业机器人 则是在工业生产上应用的 工业机器人 。美国 工业机器人 工业协会提出的工业 工业机器人 定义为：“ 工业机器人 是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。英国和日本 工业机器人 协会也采用了类似的定义。我国的国家标准 GB/T12643-90 将工业 工业机器人 定义为：“ 工业机器人 是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种 作业”。而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。 工业机器人 系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使 工业机器人 进行作业而要求的外部设备组成。 1.1.1 操作机 操作机是 工业机器人 完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分组成： a.末端执行器 又称手部，是 工业机器人 直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业 工业机器人 直接与工作对象接触以完成作业的机构。 b. 手腕 是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和 改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般 有 2 3 个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用 工业机器人 可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。 c. 手臂 它由 工业机器人 的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕 和 末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间 。 手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。 d. 机座 有时称为立柱，是工业 工业机器人 机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。 1.1.2 驱动单元 它 是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。 1.1.3 控制装置 nts它是由人对 工业机器人 的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥 工业机器人 按规定的要求动作。 1.1.4 人工智能系统 它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策规划智能系统 。 1.2题 目 来源 本 题设计的是关节型 工业机器人 腕部结构，主要是整体方案设计和手腕的结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际。对于目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求高，因此采用 工业机器人 技术，实现焊 接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产率、实现生产过程自动化、改善劳动条件。 1.3技术要求 根据设计要达到以下要求 a. 工作可靠，结构简单； b. 装卸方便，便于维修、调整； c. 尽量使用通用件，以便降低制造成本。 1.4本 题要解决的主要问题及设计总体思路 本题 要解决的问题 有以下三个 ： a. 手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部件的结构紧凑，减少重量和体积； b. 提高手腕动作的精确性； c. 三个自由度的实现。 针对上述问题有了以下设计思路 ： a. 腕部机构的 驱动装置采用分离传动，将 3个驱动器安置在小臂的后端。 b. 提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差，对于分离传动采用传动轴。 c. 驱动电机 1 经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮带动手腕在小臂壳体上作偏摆运动。电机 2经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动，实现手腕的上下摆动。电机 3经传动轴和两对圆锥齿轮带动轴回转，实现手腕上机械接口的回转运动。 nts 2国内外 研究 现状 及发展状况 2.1研究现状 从 工业机器人 诞生到本世纪 80 年代初， 工业机器人 技术经历了一个长期缓慢的发展 过程 。到 90 年代 ， 随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展 ， 工业机器人 技术也得到了飞速发展。除了工业 工业机器人 水平不断提高之外 ， 各种用于非制造业的先进 工业机器人 系统也有了长足的进展 。 下 面 将按工业工业机器人 和先进 工业机器人 两条技术发展路线分述 工业机器人 的最新进展情况。 2.1.1 工业 工业机器人 工业 工业机器人 技术是以机械、电机、电子计算机和自动控制等学科领域的技术为基础融合而成的一种系统技术。 a. 工业机器人 操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用， 工业机器人 操作机已实现了 优化设计。以德国 KUKA公司为代表的工业机器人 公 司 ， 已将 工业机器人 并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了 工业机器人 的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了 工业机器人 的性能。此外采用先进的 RV减速器及交流伺服电机，使 工业机器人 操作机几乎成为免维护系统。 b. 并联 工业机器人 ：采用并联机构，利用 工业机器人 技术，实现高精度测量及加工，这是 工业机器人 技术向数控技术的拓展，为将来实现 工业机器人 和数控技术一体化奠定了基础。意大利 COMAU公司，日本 FANUC等公司已开发出了此类产品。 c. 控制系统： 控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的 6轴 工业机器人 发展到现在能够控制 21轴甚至 27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制 。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。 d. 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在 工业机器人 系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了 工业机器人 的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、 YASKAWA、 FANUC和瑞典 ABB、德国 KUKA、 REIS等公司皆推出了此类产品。 e. 网络通信功能：日本 YASKAWA和德国 KUKA公司的最新 工业机器人 控制器已实现了与 Canbus、 Profibus总线及一些网络的联接，使 工业机器人 由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使 工业机器人 由过去的专用设备向标准化设备发展。 nts f. 可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使 工业机器人 系统的可靠性有了很大提高。过去 工业机器人 系统的可靠性 MTBF一般为几千小时，而现在已达到 5万小时， 几乎 可以满足任何场合的需求。 2.2.2 先进 工业 机器人 近年来，人类的活动领域不断扩大， 工业机器人 应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和 工业机器人 化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对 工业机器人 的要求更高，需要 工业机器人 具有行走功能，对外 感知能力以及局部的自主规划能力等，是 工业机器人 技术的一个重要发展方向。 a. 水下 工业机器人 ：美国的 AUSS、俄罗斯的 MT-88、法国的 EPAVLARD 等水下 工业机器人 已用于海洋石油开采，海底勘 查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下 工业机器人 （ remote operated vehicle）和无缆水下 工业机器人 （ autonomous under water vehicle）两大类。 b. 空间 工业机器人 ：空间 工业机器人 一直是先进 工业机器人 的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间 工业机器人 。如美国 NASA的空间 工业机器人 Sojanor 等。 Sljanor是一辆自主移动车，重量为 11.5kg，尺寸63048mm，有 6个车轮，它在火星上的成功 应用，引起了全球的广泛关 注。 c. 核工业用 工业机器人 ：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动 工业机器人 。已完成的典型系统，如美国 ORML基于 工业机器人 的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的 C7 灵巧手等 d. 地下 工业机器人 ：地下 工业机器人 主要包括采掘 工业机器人 和地下管道检修 工业机器人 两 大 类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控 技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的 工业机器人 ，各种采 工业机器人 及自动化系统正在研制中。 e. 医用 工业机器人 ： 医用 工业机器人 的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、 工业机器人 辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科（ telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（ telematics）计划、袖珍 工业机器人 （ biomed）计划以及用于外科手 术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。 f. 建筑 工业机器人 ：日本已研制出 20 多种建筑 工业机器人 。如高层建筑抹灰 工业机器人 、预制件安装 工业机器人 、室内装修 工业机器人 、地面抛光 工业机器人 、擦玻璃 工业机器人 等，并已实际 应用 。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工nts学院等都在进行管道挖掘和埋设 工业机器人 、内墙安装 工业机器人 等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。 g. 军用 工业机器人 ：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用 智能 工业机器人 。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务 ， 在战场上具有看、嗅和 触摸 能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。如美国的 Navplab自主导航车、 SSV半自主地面战车，法国的自主式快速运动 侦察车（ DARDS），德国 MV4 爆炸物处理工业机器人 等。目前美国 ORNL正在研制和开发 Abrams坦克、爱国者导弹装电池用 工业机器人 等各种用途的军用 工业机器人 。 可以预见，在 21世纪各种先进的 工业机器人 系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手 和亲密的伙伴。 2.2发展趋势 目前国际 工业机器人 界都在加大科研力度，进行 工业机器人 共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展 。 主要研究内容集中在以下 10 个方面： a. 工业 工业机器人 操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载 .自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。 b. 工业机器人 控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。 工业机器人 控制器的标准化和网络化，以及基于 PC 机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进 一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。 c. 多传感系统：为进一步提高 工业机器人 的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。 d. 工业机器人 的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。 e. 工业机器人 遥控及监控技术， 工业机器人 半自主和自主技术，多 工业机器人 和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的 工业机器 人 遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。 f. 虚拟 工业机器人 技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现 工业机器人 的虚拟遥操作和人机交互。 g. 多智能体（ multi-agent）调控制技术：这是目前 工业机器人 研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。 h. 微型和微小 工业机器人 技术（ micro/miniature robotics） :这是 工业机器人研究的一个新的领域和重点发 展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该nts领域研究的进展将会引起 工业机器人 技术的一场革命， 并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型 工业机器人 技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。 我国对此进行了深入的研究。 徐卫平和张玉茹发表的六自由度微动机构的运动分析对六自由度微动机构进行了位移分析并为其结构设计提供了计算依据。还有刘辛军 、 高峰和汪劲松发表的并联六自由度微动 工业机器人 机构的设计方法研究了微动 工业机器人 机构的设计方法，建立 了并联六自由度微动 工业机器人 的空间模型，并分析了该微动 工业机器人 的空间模型，并分析了该微动 工业机器人 的机构尺寸与各向同性、刚度等性能指标的关系得到了一系列性能图谱，从各图谱中可以看出各项性能指标在空间模型设计参数空间中的分布规律，这有助于设计者根据性能指标来设计该微动 工业机器人 的机构尺寸，是探讨微动工业机器人 机构设计的有效分析工具。 第三章 手部结构设计 3.1 夹持式手部结构 夹持式手部结构由手指 (或手爪 )和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 3.1.1手指的形状和分类 夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式 :按手指夹持工件的部位又可分为内卡式 (或内涨式 )和外夹式两种 :按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型 (或称直进型 )，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指 ;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直 径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。 3.1.2设计时考虑的几个问题 (一 )具有足够的握力 (即夹紧力 ) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (二 )手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的nts开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (三 )保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对 位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“ V”形面的手指，以便自动定心。 (四 )具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。 (五 )考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V型，其 结构如附图所示。 3.1.3手部夹紧气缸的设计 1、手部驱动力计算 本课题气动机械手的手部结构如图 3-1所示： nts 图 3-1齿轮齿条式手部 其工件重量 G=5公斤， V形手指的角度， ,摩擦系数为 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为 : Rbp 2 N(2)根据手指夹持工件的方位 ，可得握力计算公式 : )(5.0 tgN )(25)42560(55.0 Ntg 所以 1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取 94.0 ，并取 5.11 K 。若被抓取工nts件的最大加速度取 ga 3 时， 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 N1563 。 2、气缸的直径 本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气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 : zt FFPDF 4 21 式中 : 1F - 活塞杆上 Gf =nDGd31418式中 :fG- 弹簧刚度， N/m 1 - 弹簧预压缩量， m s - 活塞行程， m 1d - 弹簧钢丝直径， m 1D - 弹簧平均直径， . n - 弹簧有效圈数 . G - 弹簧材料剪切模量，一般取 PaG 9104.79 在设计中，必须考虑负载率 的影响，则 : tFpDF 421 由以上分析得单向作用气缸的直径 : pFtFD )(4 1 代入有关数据，可得 fG nDGd31418 4333915)1030(8)105.3(104.79 )/(46.3677 mN )1( sGF ft )(6.220106046.3677 3N mmd 18 校核，按公式 )4/( 21 dF nts有 : 5.0)/14( Fd 其中， MPa120 ， NF 7501 则 : 5.0)120/4904( d 1828.2 满足实际设计要求。 3、缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气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 : 2/ pDP 式中 :6- 缸筒壁厚， mm D - 气缸内径， mm pP- 实验压力，取 PPp 5.1, Pa 材料为 :ZL3, =3MPa 第四章 手腕结构设计 4.1 手腕的自由度 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。手腕自由度的选用与nts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的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油 (气 )缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于 360 ，并且要求严格的密封。 4.2 手腕的驱动力矩的计算 4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动， 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 4-1所示为手腕受力的示意图。 1.工件 2.手部 3.手腕 图 4-1手碗回转时受力状态 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算 : 封摩偏惯驱 MMMMM nts式中 : 驱M- 驱动手腕转动的驱动力矩 ( cmN ); 惯M- 惯性力矩 ( cmN ); 偏M- 参与转动的零部件的重量 (包括工件、手部、手腕回转缸 的动片 )对转动轴线所产生的偏重力矩 ( cmN ). 封M- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力 矩 ( cmN ); 下面以图 4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算 : 式中 :J - 参与手腕转动的部件对转动轴线的 转动惯量 ).( 2scmN ; 1J - 工件对手腕转动轴线的转动惯量 ).( 2scmN 。 若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 1J 为 : gGJJ c 11 21e 式中 : cJ- 工件对过重心轴线的转动惯量 ).( 2scmN : 1G - 工件的重量 (N); 1e - 工件的重心到转动轴线的偏心距 (cm), - 手腕转动时的角速度 (弧度 /s); t - 起动过程所需的时间 (s); 起动过程所转过的角度 (弧度 )。 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 偏M 11eG + 33eG (; f - 摩擦系数，对于滚动轴承 01.0f ，对于滑动轴承 1.0f ; AR , BR - 处的支承反力 (N)，可按手腕转动轴的受力分析求解， 根据 0 ）（ FM A ,得 : 33lGlRB lGlG 122 BR l lGlGlG 332211 同理，根据 BM (F) 0 ,得 : l llGllGllGR A )()()( 332211 nts 式中 : 2G - 的重量 (N) 321 , llll, 如图 4-1所示的长度尺寸 (cm). 4、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。 4.2.2回转气缸的驱动力矩计算 在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图 4-2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把气腔分隔成两个 .当压缩气体从孔 a进入时，推动输出轴作逆时 4回转，则低压腔的气从 b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力 P驱动力矩 M的关系为 : nts 4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核 1.尺寸设计 气缸长度设计为 mmb 100 ,气缸内径为 1D =96mm,半径 mmR 48 ,轴径mmD 262 2D =26mm,半径 mmR 13 ,气缸运行角速度 = s/90 ，加速度时间ntst =0.1s, 压强 MPaP 4.0 , 则力矩： 2.尺寸校核 （ 1）测定参与手腕转动的部件的质量 kgm 101 ,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径 mmr 50 的圆盘上，那么转动惯量： 221rmJ 2 05.0102 0125.0 （ 2.mkg ） 工件的质量为 5kg ,质量分布于长 mml 100 的棒料上，那么转动惯量： ).(0042.0121.0512222mkgmlJ c假如工件中心与转动轴线不重合，对于长 mml 100 的棒料来说，最大偏心距 mme 501 ，其转动惯量为 : ).(0167.005.050042.022211mkgemJJ c（ 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为 M偏，考虑手腕转动件重心 与转动轴线重合， 01 e ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 mme 503 ,则： 偏M 11eG + 33eG ).(5.205.010501010mN （ 3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦 阻力矩为摩M，对于滚动轴承 01.0f ，对于nts滑动轴承 f =0.1， 1d ， 2d 为手腕转动轴的轴颈直径， mmd 301 , mmd 202 , AR , BR 为轴颈处的支承反力，粗略估计 NRA 300 , NRB 150 , 摩M )(2 12 dRdRf BA )03.015002.0300(201.0 ).(05.0 mN 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，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计封M为摩M的 3倍， 封M 3摩M 05.03 ).(15.0 mN 封摩偏惯驱 MMMMM ).(29 mN MM驱 设计尺寸符合使用要求，安全。 第三章 吸浆管与排浆管的选择与直径计 算 3.1吸浆管直径计算 dx=（ 4Q / vX） 1/2=4 90.90/（ 3.14 13 60） 1/2=0.180mm 取 20mm 式中： vX 液流在吸入管中的流速 取 vX=1.3 m/S=13 dm/S Q 计算流量 Q = Q/ V=75/0.825=90.90L/min 3.2排浆管直径计算 dp=（ 4Q / vp） 1/2=（ 4 90.90/（ 3.14 20 60） 1/2=0.272mm 取 30mm 式中： vp 液流在排水管中的流速 取 vp=2m/S=20 dm/S 3.3浆管的选择 nts根据工作压力和按上式求得的管子的内径，选择胶管的尺寸规格。对于频繁，经常扭者要降低 40%。胶管在使用及设计中应注意下列事项： （ 1） 胶管的弯曲半径不宜过小，胶管与管接头的连接处应留有一段直的部分，此段长度不应小于关外半径的两倍。 （ 2） 胶管的长度应考虑到胶管在通入压力液后，长度方向将发生收缩变形，一般收缩量为管长的 3-4%。因此，胶管安装时应避免处于拉紧状态。 （ 3） 胶管在安装时应保证不发生扭转变形，为了便于安装，可沿管长涂以 色纹，以便检查。 （ 4） 胶管的管接头轴线，应尽量放置在运动的平面内，避免两端互相运动时胶管收扭。 （ 5） 胶管应避免与机械上尖角部分相接触和摩擦，以免管子损坏。 第四章 工业工业机器人 零件选择及其强度的计算 工业工业机器人 零件强度的计算是按皮带传动， 电机 功率 5.5Kw， 工业工业机器人 的额定压力 P=3500N/cm2 ，流量 37 5 / m inq cm ， 柱塞 D= 0mm来进行的。 4.1 机架 机架是由 8#槽钢、平垫板、撑管、加固筋等结构件焊接而成。 4.2 工业工业机器人 体 工业工业机器人 体可实现吸、排水泥浆功能。 工业工业机器人 体由 主轴、偏心套、连杆、滑套、十子头、活塞销等组成。 工业工业机器人 头由拉杆、柱塞、浆缸、阀座、阀盖、球阀、进浆室、排浆室、进浆胶管接头、空气室等组成。 行星轴和主轴均安有圆锥滚子轴承，既能承受向心力又能承受斜齿轮产生的轴向分力，有较高的抗弯强度。柱塞和拉杆都采用两道 C形滑环组合密封，能承受高压，高温度 2500c ，低温 -1000c ，耐磨，自润滑，适用于水、水泥浆、砂浆、矿物油、酸、碱等各类介质。柱塞通过一套冷却装置降低温升，只需要把胶皮水管一端接近直通管接头，冷却水即可进入冷却水管，冷却拉杆、柱塞。 工业工业机器人 的进口为 25mm ，设置在进浆室的右侧、内孔为 50mm ，有胶管一端接进浆胶管接头，另一端接水泥浆搅拌桶出口。搅拌机的出浆口必须高于或等于进浆胶管接头孔的高度，使浆涂顺利的被 工业工业机器人 吸入。 工业工业机器人 的出口为 30mm ，纤维编织两层高压胶管制 25mm ，接排浆室胶管接头。 4.3 连杆十字头连接处 销子强度的计算 销的类型可根据工作要求选定，用于联结的销，其直径可根据联结的结构特点按经验确nts定，必要时再作强度较核。 定位销通常不受载荷或只受很小的载荷，数目不能少于两个。销在每一个被联结的件内的长度约为销直径的 1-2 倍，定位销的材料通常选 35、 45钢，并进行硬化处理，根据工作需要也可以选用 30CrMnSiA、 1Cr13、 2Cr13、 H62和 1Cr18Ni9Ti等材料；弹性圆柱销多采用65Mn，其槽口位置不应装在销子受压的一面，要在装配图上表示出槽口的方向。 设计安全销时，应考虑销剪断后要不易飞出和要易于更换。安全销的材料可选用 35、45、 50 钢或 T8A、 T10A等，热处理后硬度为 30-36HRC；销套材料可选用 45 钢、 35SiMn、 40Cr等，热处理后的硬度为 40-50HRC。安全销的直径应按销的抗剪强度 b进行计算，一般可取 b =（ 0.6-0.7） b。 根据本设计的实际情况，选择 45 钢 d=16mm的圆柱销。 材料： 45号钢 机械性能： s=36000N/cm2 b=61000N/ cm2 = s/1.5=24000N/ cm2 （ 1） 外加负荷 P= D2P/4= 5.52200/4=4749.25N （ 2） 各支点反力 FA， FB Z=0 FA+ FB= P=4749.25N MA=0 18 P 36 FB=0 解得： FB=2374.625N FA =2374.625N （ 3） 各支点弯矩如图 4.1 MA=MB=0 MC=18FA=4274.3N.cm (4)按弯曲强度计算 从图 4.1的弯矩图可知危险短面为 C处截面，截面 C处的抗弯摸量 W W=0.1d3=0.1 1.63=0.41 cm 3 截面 C处的弯曲应力 W W=MC/W=4274.3/0.41=10425 N/ cm2 安全系数 n n= / W=24000/10425=2.3 安全 nts 图 4.1 弯矩图 （ 5）按剪切强度计算 由于此销为双剪 切 故剪力 Q=P/2=2374.625N 剪应力 = Q/F=2374.625X4/1.62 =1182 N/ cm2 安全系数 n= / =8150/1182=6.9 安全 式中： 许用剪应力 =8150 N/ cm2 （ 6）按挤压强度计算 挤压应力 JYP/FJY=4749.25/1.6X2.4=1237 N/ cm2 安全系数 n= JY / JY=5100/1237=4.12 安全 式中： JY 挤压剪应力 JY=5100 N/ cm2 综上所叙连杆小头销子直径为 16mm满足强度要求。 4.4 柱塞上螺纹强度计算 4.4.1 螺纹的选择和强度校核 螺纹强度 校核是假定螺纹只沿螺纹中径传力，而不受径向力的影响。而且只有半数 螺纹参加工作，螺纹工作圈数之间载荷均匀分配，内螺纹之间没有间隙。此外，本柱塞螺纹是当作松联接，及受剪切载荷作用的联接来计算的。 nts图 4.2 螺纹计算简图 材料： 45号钢 机械性能： s=36000 N/ cm2 b=61000 N/ cm2 = s /1.5=24000 N/ cm2 计算简图见图 4.2 主要尺寸 公称尺寸 d =2 cm 内径 d1= 1.7835 cm 螺 距 s=0.2 工作高度 h=0.10825 螺纹梯形宽度 b=2htg300 =0.15 旋上差宽 l=2.2 cm 旋入等容 Z =2.2/0.2=11 （ 1）按弯曲强度计算 弯曲应力： =2M/2W=2X257/11X0.021=2225 N/ cm2 式中： M 弯矩 M=h P /2=0.10825 4749.25/2=257 N. cm W 一圈的抗弯摸量 W= d1b2/6= 1.7835 0.152/6=0.021 cm3 安全系数 n= / =24000/2225=10.7 （ 2）按剪切强度计算 剪切应力： =2Q/（ ZF ） =2 4749.25/（ 11 0.84） =1028N/cm2 式中： F 一圈的剪切面积 F = d1b=3.14 1.7835 0.15=0.84 cm2 安全系数 n= / =72000/1028=7 式中： 许用剪切应力 = S/5=36000/5=7200 N/ cm2 （ 3）按挤压强度计算 挤压应力 JY =2Q/（ ZFJY） =2 4749.25/（ 11 0.643） =1343 N/ cm2 式中： FJY 一圈的挤压面积 FJY=（ d2 d12） /4=（ 22 1.78352） /4=0.634cm2 安全系数 n= JY / JY=28800/1343=21.45 安全 JY 许用挤压应力 JY= S/1.25=36000/1.25=28800 N/ cm2 4.4.2螺纹连接的防松方式的选择 连接螺纹通常均能满足自锁条件（），且拧紧后螺母和螺栓头部支撑面存在着摩擦力。因此，在静载荷且工作温度变化不大时，可保证连接自锁而不松退。但在冲击、振动或变载荷的作用下，或在高温、温度变化较大的情况下，仍会出现联结松动甚至松退，使机器不能正常工作甚至造成严重事故。因此，对螺纹联结必须采取有效的防松措nts施，以保证正常的工作。 按防松原理，螺纹联结的防松方法可分为摩擦防松、机械防松和破坏螺纹副防松等几种。 根据本设计的实际情况，选择 摩擦 防松中的 防松螺母来拧紧 防松。此处用GB/T6170-2000六角 头防松 螺母琐定于被联结件上，防松可靠。 4.5工业工业机器人 体壁厚强度计算和选择 材料：蠕墨铸铁 机械性能： b=330 N/ cm2 S=230 N/ cm2 许用安全系数 S=2 3.5 取 S =3.5 则 = /S =23000/3.5=6571.429 N/ cm2 实际壁厚 =8 mm=0.8cm （ 1） 按经验公式计算 = r1P/( 0.6p)+C=200 2/(6571.43-0.6 200)+0.8 = 0.662cm7.7Kw。 2. 由 于环境温度的影响，应验算热平衡时临界功率1Gp1tp,按已知条件查表 2-8、表2-9、表 3-17、得1f=1，2f=1，因为11ppp =5.5/111.11=4.9%，用插值法得 3f =1 11tpp 1f 2f 3f=5.5 1 1 1=5.5Kw 通过查表 3-15得1Gp=21Kw5.5Kw. 工作状态的热功率小于减速器热平衡功率，因此无需增加冷却措施。 3. 行星减速器各齿轮参数 行星减速器选用 WW 型双联机构，行星轮 n=3， i=6； 1）中心轮 1Z 参数 1Z =30； 3m； 9 4 .6 31 mmd ； 24.5B mm ， 0.26X n ； 018 ； 旋向向左。 2） 行星轮 2Z 参数 2Z =30； 3m； 542 mmd ； 24B mm ； 0.26X n ； 018 ；旋向向左； nts8 0 . 4 4 0 . 0 2 712a ； 3）行星轮 2z 参数 2z =18； 3m； 2d = 94.63 ;mm 20 ;B mm nX =0.8； 018 ； 旋向右旋。 2 3 8 0 . 4 4 0 . 0 2 7a 4.8 V带传动的计算 带传动是由固联于主动轴上的带轮、固联于从动轴上的带轮和紧套 在两轮上的传动带组成的。当原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦（或啮合），便拖动从动轮一起转动，并传动一定动力。带传动具有结构简单、传动平稳、造价低廉以及缓冲吸振等特点，所以此次设计中选用了带传动。 在带传动中，常用的有平带传动， V带传动，多楔带传动和同步带传动等。在一般机械中，应用最广的是带传动。 V带传动较其它带传动能产生更大的摩擦力。这是 V带传动的主要优点。因此，我选用了 V带传动。 (1)计算功率 Pi=N=1.1 5.5=6.05kw 式中 : Kg=工作情况系数 Kg=1.1 (2)胶带型号的选择 根据 Pi=6.05kw 及 n1=1440r/min 由参考文献 1图 8-8选定 B型胶带 (3) 传动比为 i=2.16 ； (4)小带轮直径 D1的确定 根据参考文献 1图 8-8选 1dd=123mm (5)大带轮直径 D2的计算 2dd=i1dd（ 1- ） =2.16 100 （ 1-0.01） =265.74mm 其中，1dd 小带轮直径（ mm）； i 传动比； 弹性滑动率； 由表 8-9可查得，大带轮直径2dd为 266mm。 (6)带速 V V= 1dd n/(60 1000)=3.14 100 1440/（ 60 1000） =7.536m/s 速度在 5 25 m/s的范围内，合适 (7) 初定轴间距 a0 0.7( 1dd + 2dd ) a0 2( 1dd + 2dd ) nts 0.7(123+266) a0 2(123+266) 282.3 a0 778 取 a0=560mm (8)初算胶带基准长度 L0 L0=2 a0+ ( 2dd + 1dd )/2+( 2dd - 1dd )2/4a0 =2 300+ (266+123)/2+(266-123)2/(4 560) =600+610.73+9.12 =1219.85mm 选取基准长度 Li=1250mm 查参考文献 1表 8-2 (9) 实际中心距 a a=a0+(Lp-L0)/2=300+(1250-1219.85)/2 =398mm (10)小带轮包角 1 1=180o 60（ 2dd - 1dd ） /a =180o 60 (266-123)/398 =143.52o 120o 合适 (11)单根胶带传递的功率 N0 根据： n1=1440r/min 1dd =100mm 查得 P0=1.32kw查参考文献 1表 8-5a (12)单根胶带传递功率的增量 P0 根据 i=n1/n2=960/255=3.76 n1=960r/min 查得 P0=0.15 kw查参考文献 1表 8-5b (13)胶带根数 Z=Li KKPP P )( 00 = 6 . 0 5(1 . 3 2 0 . 1 5 ) 0 . 9 1 0 . 9 1 =2.96 取 Z=3 式中 K 包角系数 K =0.91KL查参考文献 1表 8-8 KL 长度系数 KL =0.91 查参考文献 1表 8-8 (14)单根胶带的预紧力 F0 F0=500（ 15.2 K）dpzv+m2v =500（ 191.0 5.2 ） 6.055 7.53+0.1 27.53 nts=146.05N 式中： q皮带每米长的重量 q=0.1kg/m查参考文献 1表 8-4 (15)带轮的结构和尺寸 1.小带轮的结构尺寸确定 由所选电机的类型， Y132S-4型三向异步 电动机。起轴伸直径 d=38mm，长度 L=88mm，故小带轮 轴孔的直径应取0d=38mm，毂长应小于 88mm。 由表 14-18查得，小带轮应为实心轴。轮槽尺寸及轮宽应按表 14-16计算，可得 db =11mm，ah =3mm， fh =11mm， e=15mm， minf =10mm， min =6mm。 ( 1 ) 2B z e f =80mm。取 038 。 2.大带轮的结构尺寸确定 根据小带轮尺寸的选定，以及以上关于带轮传动的计算和减速器的结构尺寸，可得，db =14mm， ah =3mm， fh =15mm， e=19mm， minf =12mm， min =7.5mm。 ( 1 ) 2B z e f =120mm。取 38 o 4.9 轴的设计和强度校核 材料： 40Cr 机械性能：调质后 b=7500N/cm2 s=5200 N/ cm2 E=210 E= 37000N/ cm2 4.9.1 估算轴径 d d A（ P/W） 1/3 =5 10-3（ 5.5 103/255） 1/3=0.0453m 式中 :A与材料有关的系数 A =5 10-3 考虑开键槽应增大 10 15%，然后将轴径圆整，取轴径 d=48cm 4.9.2 轴的受力分析 (1) 由于皮带传动产生的作用力 Q Q=1781.8N Qx=Qcos =1781.8cos19.5 =1679.6N Qy=Qsin =1781.8sin19.5 =594.8N (2) 由于缸内压力 对轴的作用 假设条件 : (a) 只计算缸内的作用力 ,其它构件的惯性力忽略不计 ,因轴的转速较低 . nts 图 4.5 轴受力图 (b) 由于法向力所 引起的产生应力 ,切向力所引起的切向应力及起扭转 产生的切应力是同时存在 . (c) 偏心装置上产生的力如图 4.5所示 (d) 切向力 T: T=Psin( + )/cos 法向力 Z: Z=Pcos( + )/cos 式中： 偏心角度 连杆的偏角 由于缸内压力所引起的 连杆 偏心 机构的力是变化的，通过对 工业工业机器人 轴的受力分析，可知当 E=360 时 ZE=Zmax， TZ=0，缸正处于排液状态，轴受力最恶劣，其 中 L/sin60 = /sin 即 sin = sin60 /L=25 3 /（ 190 2） =0.11395 =6.54 F= D= 高压缸 :ZE= 5.52 200/4=4749.25N TE=0 ZD= D2P cos( D+ D)/（ 4 cos D） =2827.25N TD= D2P sin ( D+ D)/（ 4cos D） =3851.6N 低压缸 :ZF= D2P cos ( F + F)/（ 4cos F） =141.36N TF= D2P sin ( F + F)
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