机械毕业设计461冲压机械手---手臂部分设计
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机械毕业设计461冲压机械手---手臂部分设计,机械毕业设计论文
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I 冲压机械手 手臂部分设计 摘要 本文所设计的冲压机械手用于搬运工件，为了增加本机械手的通用性，在结构尽可能紧凑的情况下，最大限度地使工业机械手具有较大的抓取范围。 本文主要介绍了冲压机械手的概念、组成和分类，机械手的自由度和坐标形式、运动及国内外的发展状况。对冲压机械手进行总体方案设计，首先确定了机械手的坐标形式为圆柱坐标型，自由度数为 5，接着确定了机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的主要技术参数。同时，设计了机械手的手部结构形式为滑槽杠杆式钳爪、手腕的结构形式为采用电机带动腕回转、臂部结构形 式采用双导向杆导向，机身结构形式为升降缸置于回转缸之上的结构形式，计算出了夹紧工件所需的驱动力、手腕转动时所需的驱动力矩、手臂伸缩所需的驱动力、手臂俯仰所需的驱动力、手臂升降所需的驱动力和手臂回转所需的驱动力矩。继而设计了冲压机械手的各个部分液压缸的尺寸和结构及各个部分之间连接与支承部件的结构与尺寸。 关键词 液压驱动；冲压机械手；液压缸 nts II 目录 摘要 . I 第 1 章 绪论 . 1 1.1 机械手的含义 . 1 1.2 机械手的产生、应用与发展 . 1 1.2.1 机械手的产生（简史） . 1 1.2.2 应用简况 . 2 1.2.3 发展趋势 . 2 1.3 冲压机械手的组成与运动 . 3 1.3.1 冲压机械手的组成 . 3 1.3.2 冲压机械手的运动 . 5 第 2 章 冲压机械手的手部设计 . 10 2.1 概述 . 10 2.2 手部机构形式 . 10 2.2.1 手爪 . 10 2.2.2 传动装置 . 10 2.2.3 驱动装置 . 10 2.3 前爪式手部机构的选用要点 . 11 2.4 滑槽杠杆式钳爪的夹紧力分析与 计算 . 11 2.5 滑槽杠杆式钳爪手部机构的驱动力计算 . 13 2.6 手部夹紧液压缸的设计与计算 . 13 2.7 本章小结 . 14 第 3 章 冲压机械手的腕部设计 . 15 3.1 概述 . 15 3.2 腕部回转力矩的计算 . 15 3.2.1 摩擦阻力矩摩M. 15 3.2.2 工件重心偏置引起的偏置力矩偏M. 15 3.2.3 腕部启动时的惯性阻力矩惯M. 16 3.3 本章小结 . 错误 !未定义书签。 第 4 章 工业机械手臂部的设计 . 18 4.1 概述 . 18 4.2 冲压机械手臂部的结构形式 . 18 4.2.1 冲压机械手臂部伸缩运动的结构 . 19 4.2.2 冲压机械手臂部俯仰运动的结构 . 19 4.2.3 冲压机械手臂部回转及升降的结构 . 20 nts III 4.2.4 导向装置 . 20 4.3 冲压机械手臂部运动驱动液压缸的设计与计算 . 21 4.3.1 手臂水平伸缩运动驱动液压缸的计算 . 21 4.3.2 手臂垂直升降运动驱动液压缸的设计与计算 . 22 4.4 冲压机械手的液压缓冲装置 . 23 4.5 本章小结 . 24 结论 . 25 致谢 . 26 参考文献 . 错误 !未定义书签。 nts 1 第 1章 绪论 1.1 机械手的含义 “ 机械手 ” （ mechanical hand， 也被称为 “ 自动手 ” (auto hand), 多数是指附属于主机 、 程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或者专用机械手）。它 能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操 作工具。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。 它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业，因此获得日益广泛的应用。 1.2 机械手的产生、应用与发展 1.2.1 机械手的产生（简史） 早在 20 世纪初，随着机床、汽车等制造业的发展就出现了机械手。 1913 年美国福特汽车工业公司安装了第一条零件加工自动线，为了解决自动线、自动机的上下料与工件的传送，采用了专用机械手代替人工上 下料与传送工件。可见专用机械手就是作为自动机、自动线的附属装置出现的。 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。 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。 我国虽然开始研究工业机械手仅比日本晚 5 6 年，但由于种种原因，工业机械手计时的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人（工业机械手）技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机械手技术必将获得迅速发展。 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。 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nts 2 造单元（ FMC）中的重要一环。 1.2.2 应用简况 机械手的应用意义可以概括如下： 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产 率和降低生产成本。 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 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，国外已研究采用摄像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。 1.2.3 发展趋势 目前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nts 3 作用。 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。 1.3 冲压机械手的组成与运动 1.3.1 冲压机械手的组成 工业机械手主要由执行系统、驱动系统和控制系统三大部分组成。其组成关系如图 1-1： 图 1-1 冲压机械手的组成 nts 4 1.执行系统 执行系统是工业机械手完成握取工件（或者工具）实现所需的各种运动的机械部件，包括以下几个部分： （ 1）手部：是工业机械手直接与工件（或者工具 ） 的部件。有些工业机械手直接将工具（如焊枪、喷枪、容器）装在手部位置，而不再设置手部。 （ 2）腕部：是工业机械手中联接手部与臂部、主要用来确定手部工作位置并扩大臂部动作范围的部件。有些专用机械手没有手腕部件，而是直接将手部安装在臂部的端部。 （ 3）臂部：是工业机械手用来支承腕部和手部实现较大运动范围的部件。 （ 4）机身： 是工业机械手用来支承手臂部件，并安装驱动装置及其他装置的部件。专用机械手一般将臂部装在主机上，成为主机的附属装置。 2.驱动系统 驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置。采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方式有四种 :液压式、气压式、电气式和机械式。 （ 1）液压式：液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级 变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。 （ 2）气压式：气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用 4-6 个大气压，个别的达到 8-10 个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，速度不易控制、响应慢、动作不平稳、有冲击，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。 （ 3）电气式：其驱动系统一般是由电机驱动。现在都用三相感 应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。优点是电源方便，信号传递运算容易、响应快、驱动力较大，适用于中小型工业机械手。但是必nts 5 须要使用减速机构（如齿轮减速器、谐波齿轮减速器等），所需要的电机有步进电机、 DC 伺服电机和 AC伺服电机等。 （ 4）机械式：其驱动系统由电机、齿轮、齿轮齿条、连杆等机械装置组成，传动可靠，适用于专一简单的机械手。这种方式结构比较庞大。 本设计的手部夹紧、手臂伸缩、手臂升降、手臂俯仰、手臂回转均采用液压式，腕部回转考虑到回转 精度的原因，采用电气式。 3.控制系统 控制系统是工业机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。一般常见的为电气与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。就其控制方式，可分为分散控制与集中控制两种类型。若以控制的运动轨迹来分，原则上分为两种： （ 1）点位控制：主要控制空间两点或者有限多个点的空间位置，而对其运动路径没有要求。专用机械手绝大多数均采用这种点位控制方式。 （ 2）连续轨迹控制：是用连续的信息对运动轨迹的任意位置进行控制，其运动轨迹是连续的。对运动轨迹有要 求的工业机械手需要连续轨迹控制，如电弧焊、切割等。 1.3.2 冲压机械手的运动 冲压机械手的运动，拟分为冲压机械手的自由度、运动范围和各种运动形式来叙述。 1.冲压机械手的自由度 冲压机械手的手部所握持的工件（或工具）在空间的位置，是由臂部、腕部以及整机等各自独立运动的合成来确定。确定手部中心位置与手部方位的独立变化参数，就是工业机械手的自由度（有时被称为运动轴、运动度等）。它是冲压机械手的重要参数之一。 冲压机械手的每一个自由度，都要相应地配一个原动件（如伺服马达、油缸、气缸、步进马达等驱动装置），当各原动件按一 定的规律运动时，机械手各运动件就随之确定的运动，自由度数与原动件数必须相等，只有这样才能使工业机械手具有确定的运动。对于机械手来说，如果自由度越多，就能更接近人手的多种机能，通用性就更好，但自由度越多，结构越复杂，从而不容易满足对整体结构在重量轻、体积小和高效率等方面的要求。这是冲压机械手设计中的矛盾。目前一般冲压机械nts 6 手的自由度（除手部夹紧动作外）大多不超过五个。冲压机械手常见的各种自由度包括：臂伸缩、臂回转、臂俯仰、臂升降、腕部回转、腕部俯仰、腕部直移、腕部摆动等。如图 1-2所示： 图 1-2 冲压机械手的运动示意图 2.冲压机械手的运动范围 冲压机械手的运动范围，是指机械手在平面或空间的运动轨迹图形的形状及其大小，是机械手的技术参数之一。机械手所具有的自由度数目及其组合不同，其运动轨迹图形也不同。而每个自由度的运动变化量（即直线运动的距离和回转运动的回转角度）的大小都决定着运动轨迹图形的大小。一般情况下，臂部的自由度主要是用来确定手部以及工件nts 7 （或工具）在空间的运动范围和位置的。因此，臂部运动也称为机械手的主运动，而腕部的自由度则主要用来调整手部以及工件（或工具）在空间的方位。 表 1-1 所列为臂部 几种自由度的不同组合及其运动范围的图形。臂部具有一个自由度时的运动轨迹为宜直线或圆弧；具有两个自由度时，其运动轨迹为一平面或圆柱面；具有三个自由度时，其运动轨迹则从面扩大到空间成为立方体或回转体（包括圆柱体和球体等） 表 1-2为臂部运动组合的一般状况。 表 1-1 臂部自由度的组合及其运动范围 组合运动 自由度数 直线运动 （ T） 回转运动 （ R） 直线运动与回转运动（ T+R） 1 一直线运动构成一个直线轨迹 一回转运动构成一圆弧轨迹 2 二直线运动构成一个矩形平面 二回转运动构成 一个球面轨迹 一个直线运动与一个回转运动组合：当直线运动方向与回转中心线垂直时构成扇面形当直线运动方向与回转中心线想平行时构成一个圆柱面 3 三个直线运动构成一个立方体 二直线运动，一个回转运动构成圆柱体二个回转运动，一个直线运动构成球体 nts 8 表 1-2 臂部运动组合的一般状况 3T 4% 4% 2T 3% 60% 3% 1T 2% 20% 0T 3% 0R 1R 2R 3R 3.工业机械手的各种运动形式 如前所示，由于臂部自由度的不 同组合，其运动范围的图形也不同，可以将其归纳为以下五种形式： （ 1）圆柱坐标型。这种运动形式的机械手的臂部都具有回转、伸缩与升降三个自由度，其与电脑范围的图形为一个圆柱体。它具有占地面积小而活动范围大，结构较简单，紧凑，并能达到较高的定位精度，应用广泛，运动直观性强。 （ 2）极坐标型。该运动形式工业机械手的臂部有一个直线运动与两个回转运动组成，即有一个伸缩，一个俯仰与一个回转运动组成。其运动范围的图形为一个球体。它具有动作灵活、占地面积小而工作时的运动范围大灯特点。但结构较复杂、定位精度较低、运动直观性差。 （ 3）直角坐标型。直角坐标型的工业机械手的臂部由三个直线运动组成，即由沿 x,y,z 轴三个方向的运动组成。运动范围的图形为立方体。其特点是结构简单、定位精度高、运动直观性强，但占地面积打而工作范围小，惯性大灵活性差。 （ 4）多关节型。这种运动形式的工业机械手的臂部类似人的手臂可作几个方向的转动，它由立柱和大、小两臂组成，大小两臂之间的联接为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节，客使大臂作回转运动、小臂俯仰和大臂活动。其特点是工作范围大、动作灵活、通用性强、能抓取靠近机座的物体，但是，其运动直观性差，手部中心 位置是由多个回转角确定的， 要达到较高的定位精度很困难。 （ 5） SCARA型。这种形式的机械手实为水平多关节型机械手，多用nts 9 于装配，故也被称为装配机械手。动作灵活、速度快、定位精度高。表1-3列出了各种运动形式的特点对比。 表 1-3 各种运动形式特点对比 形式 运动组合 工作范围 所占空间 运动惯性 国外应用状况 国内应用状况 直观性 其它 圆柱坐标型 2T 1R 较大 较小 较大 最多 多 较强 极坐标型 1T 2R 大 较小 较小 多 较少 差 能抓取 地面物品 直角坐标型 3T 小 大 较大 少 较多 强 多关节型 最大 较小 较小 较多 最少 最差 能绕过 障碍选取途径 SCARA 型 大 小 较小 多 少 较差 用于装配 综上所述，最后基本确定本设计冲压机械手的运动形式为圆柱坐标型，自由度数为 5，包括腕部回转、臂伸缩、臂升降、臂回转、臂俯仰。其中，臂俯仰机构采用在伸缩臂的后方加装一直线油缸，起平衡作用，减少工件带来的偏移，而且使臂部可以俯仰，从而增大整个冲压机械手的运动范围。 1.4 本章小结 本章通过对机械手的发展历程的介绍，阐述了机械手在国内国外的应用前景及应用的广泛性，能够替代人工完 成复杂和危险的工作。同时根据液压机械设计，进一步确定了冲压机械手的运动形式及其基本数据的确定。 nts 10 第 2章 冲压机械手的手部设计 2.1 概述 手部机构是工业机械手最重要的执行机构，它是冲压机械手直接与工件、工具等接触的部件，能执行人手的部分功能。由于被握持工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，其手部机构是多种多样的。大部分的手部机构都是根据特定的工件要求而专门设计的。 2.2 手部机构形式 各种手部的工作原理不同，故其结构形态各异。钳爪式手部机构是最常见的形式之一，按其抓取工件的方式有两种：外卡式和内撑式。从其机械结 构特征、外观与功用来看，有多种形式，且叫法不一，常用的手部机构有如下几种： 1.拔杆连杆式钳爪 2.平行连杆式钳爪 3.齿轮齿条移动式钳爪 4.重力式钳爪 5.自锁式钳爪 6.自动定心钳爪 7.抓取不同直径工件的钳爪 8.复杂形状工件用的自动调整是钳爪 一般钳爪式手部机构由以下几部分组成： 2.2.1 手爪 它是直接与工件接触的构件。手部松开和夹紧工件，就是通过手指的张开与闭合来实现的。一般情况下，机械手的手部只有两个手指，少数是三个或多指。 2.2.2 传动装置 它是向手指传递运动和动力、以实现夹紧和张开的机构。 2.2.3 驱动装置 它是向传递机构提供动力的装置。安驱动方式不同，可有液压、气压、电动和机械驱动。 nts 11 此外，还有连接和支承元件，将上述有关部分连成一个整体。 2.3 前爪式手部机构的选用要点 工业机械手的手部机构靠钳爪夹紧工件后便把工件从一个位置移动到另一个位置，由于工件本身的重量以及移动过程中产生的惯性力和振动等，钳爪必须具有足够大的夹紧力， 以保证工件在移动过程中不致产生松动或脱落。 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张开角。手指的张开角应保证工件能顺利进入或脱开，而且夹持工件的中心位置变化要小（即定位误差小），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，对于移动式钳爪要有足够大的移动范围。 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，选择相应的钳爪形状来定位。例如圆柱形工件采用带“ V”形面的手指，以便自动定心。 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。 1.适应工件的形状：工件的形状为圆柱形，则采用带“ V”型钳口的手爪，工件形状为圆球形则选用二指或三指钳爪，对于特殊形状的工件应设计与工件向适应的钳爪。 2.适应工件被抓取部位的尺寸：工件被抓取部位的尺寸尽可能是不变的，若加工尺寸略有变化，那么钳爪应能适应尺寸变化的要求，工件表面要求高的，对钳爪应采取相应的措施，如加软垫等。 3.适应工作位置的状况：如工作位置窄小时可用薄片型钳爪 钳爪一般专用性较强，在可能的情况下，应考虑到产品零件的更换。为适应不同形状和尺寸的要求，可将钳爪制成组合式结构，也可在设计时适当选取其结构尺寸和参数以扩大其适应范围。 综上所述，选用滑槽杠杆式钳爪。 2.4 滑槽杠杆式钳爪的夹紧力分析与计算 如图 2-1 所示， 拉杆 2 端部安装着圆柱销 3，当拉杆 2 向上拉时，圆柱销就在两个钳爪 4 的滑槽中移动，带动钳爪 4 绕 O1 与 O2 两回转指点回转夹紧工件。 当拉杆 2 向下推时，使钳爪 4 松开工件。设 P 为作用在拉杆 2 上的驱动力， 1P 为两钳爪的滑槽对圆柱销的作用力， N 为钳爪的夹紧力，钳爪的尺寸关系如图 2-1所示。 nts 12 图 2-1 滑槽杠杆式钳爪 1 手架； 2 拉杆； 3 圆柱销； 4 钳爪 根据圆柱销的平衡条件 0F 可知 12PP cos ，则 cos21 PP 按照钳爪的平衡条件 0M 得 NbhP 1 1PbhN cosah ， PbaN 2)c os1(2 （式 2.1） 式中 a 钳爪回转支点1O（或 2O ）到对称中心线的距离； b 钳爪回转支点到钳口中心线的距离 从式（ 2.1）可知，在驱动力 P一定的情况下， 增大，则夹紧力 N也随之增大，但 过大会导致拉杆（即活塞杆）的行程过大，以及钳爪滑槽nts 13 部分尺寸长度增大，使手部结构加大，所以一般取 =30 40为宜。本设计选取 30。 因为钳爪会在各个方向都抓取工件，所以，在计算当量夹紧力时，以最大夹紧力来计算： GfN 5.0查表得，钢与钢的静摩擦力系数 f=0.1 N=5G=5*30*10=1500（ N） 2.5 滑槽杠杆式钳爪手部机构的驱动力计算 如图 2.1所示， a=225mm， b=150mm， =30 又求得 N=1500(N) PN 2)30c o s 1(15 0*2 22 5 P=1500(N) 即 1500计算P(N) 21 KKPP 计算实际 （ 2.2） 式中 手部机构的机械效率（ 0.85 0.9） 1K 安全系数（ 1.5 2.0） 2K 工作情况系数，主要应考虑惯性力的影响。gaK 12 ， a为被抓取工件的最大加速度，本设计取 1m/2s 。 最后求得，实际P=2911（ N） 2.6 手部夹紧液压缸的设计与计算 由式（ 2.2）得，实际P=2911（ N） 根据选取液压缸的工作压力，小于 5000N，所以液压缸 的工作压力P=1MPa 缸筒内径： D=3.57*PF210 =61mm 根据表 2.2 取 D=63mm 缸筒壁厚：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 : 2/ pDP 式中 : - 缸筒壁厚， mm D - 气缸内径， mm nts 14 pP- 实验压力，取 PPp 5.1, Pa 选取材料为 :45钢 , =120MPa 代入己知数据，则壁厚为 : 2/ pDP =0.3mm 考虑到缸筒外径上要安装深沟球滚子轴承，且缸盖与缸筒采用外螺纹连接，初步选取 =6mm。则缸筒外径为 )(7526631 mmD 缸筒外径上攻标准螺纹，1=（ 1-0.85） *75/2=5.625mm6mm，符合要求 .所以，壁厚取 6mm。 活塞杆直径： d=D 1 （ 为速比，根据标准取 1.46） = 0.06346.1146.1 mm=11mm 根据表 2.2标准取 16mm 活塞杆强度校核： Fd 4=120*14.32911*4 mm，满足实际设计要求。 导向长度： H L/20+D/2=36.5mm（ L为液压缸行程，根据表 2.2选标准值100mm） 导向套长度： A=(0.6 1.6)D 50mm 活塞长度： B=(0.6 1.0)D 50mm 考虑到此液压缸行程较短，所以不用外加导向装置。 2.7 本章小结 本章主要介绍了冲压机械手的手部结构设计步骤和主要的设计过程。手部结构在整个机械手的应用过程中起着直接的作用，其与冲压工件进行直接接触，所以其强度的设计和外形结构的设计是设计过程中的关键环节。通过理论计算和参考资料合理设计其外形结构，以达到设计的要求。 nts 15 第 3章 冲压机械手的腕部设计 3.1 概述 工业机械手的腕部是连接手部和手臂的部件，起支承手部的作 用，并调整或改变工件的空间方位。腕部实际所具有的自由度数目应根据机械手的工作性能要求来确定。在大多数情况下，腕部具有两个自由度：回转和俯仰或摆动。 设计腕部时要注意下列几点：（ 1）结构尽量紧凑、重量尽量轻。对于自由度数较多以及驱动力要求较大的腕部，结构设计矛盾较为突出，因为对于腕部每一个自由度就要相应的配一个驱动件和执行件，要使腕部在较小的空间同时容纳几套元件，困难较大。（ 2）转动灵活，密封性要好。（ 3）要适应工作环境的需要，对于高温作业和腐蚀性介质中工作的工业机械手，其腕部与手部经常在高温区域或者腐蚀介质 中停留与操作，直接受到影响，故一定要采取相应的措施。 3.2 腕部回转力矩的计算 手腕回转时，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阻力矩，手腕的转动轴与支承处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置力矩。计算方法如下： 3.2.1 摩擦阻力矩摩M摩M= 22112 DNDNf (N.m) 式中 f 摩擦系数，对于滚动轴承 02.0f ，对于滑动轴承 1.0f ; 21,NN , 轴承的支承反力 (N)，可按手腕转动轴的受力分析求解， 21,DD 轴承直径 （ m） 摩M=0.02/2（ 2730*0.075*2380*0.02） =2.52（ N.m） 3.2.2 工件重心偏置引起的偏置力矩偏M偏M=Ge（ N.m） 式中， G 工件重量（ N） e 偏心距（即工件重心到回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，偏M为 0。本设计中工件外形比较规则，且工件尺寸不大，所以，可以考虑为工件中心一直与手腕回转nts 16 中心线重合，即偏M为 0。 3.2.3 腕部启动时的惯性阻力矩惯M当知道手腕回转角速度时，可用下式计算： 惯M=（ J +工件J）启t （ N.m） 式中 J 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量； 工件J 工件对手腕转动轴线的转动惯量； - 手腕转动时的角速度 (弧度 /s)； 启t 起动过程所需 的时间 (s); 当知道手腕回转启动过程中转过的角度启时，可用下式计算： 惯M=（ J +工件J）启22 （ N.M） 式中 - 手腕转动时的角速度 (弧度 /s)； 启 启动过程中转过的角度启（ rad）； 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算： M=惯M+摩M+偏M（ N.M） 本设计中腕部启动时间设计为 0.1s 考虑到摩擦损失等因素，一般将 M取大一些，可取 M=1.1（惯M+摩M+偏M）（ N.M） =1.1*（ 91.58+2.52+0） =103.5（ N.M） 考虑到步进电机的扭矩可能不够，而且为了减小轴向尺寸，因此使步进电机与液压缸平行安装，中间通过一对减速齿轮来增大扭矩。 3.3 本章小结 本章主要介绍了冲压机械手的腕部结构设计，腕部的功能是通过与手部的连接，直接控制手部的旋转与直线运动。其在使用的过程中同样承受力矩的作用，所以在结构设计的过程中同样应注重理论计算。腕部的刚度和强度是设计冲压机械手的主要设计环节，本章通过理论计算的方式校核了腕部尺寸及其结构设计的合理性。 nts 17 图 3-1 回转缸 nts 18 第 4章 工业机械手臂部的设计 4.1 概述 臂部是冲压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。工业机械手的臂部一般具有 2、 3个自由度，即伸缩、回转、俯仰和升降。臂部总重量较大，受力一般较为复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的动、静载荷，尤其高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性矩），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，工业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上，机身可以是固定式的，也可以带有行走机构 ，可沿地面或导轨运动。 臂部的结构形式必须根据机械手的运动形式、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、油气缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部机构时一般要注意下述要求： （ 1）刚度要大：为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理。工字形截面的弯曲强度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比是新轴大。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 （ 2）导向性要好：为防止手臂在直移运动中，沿运动轴线发生相对转动 ，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 (3) 偏重力矩要小：所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机械手的运动速度，要尽量减小臂部运动部分的重量，以减小偏重力矩和整个臂部对回转轴的转动惯量。 （ 4）运动要平稳，定位精度要高：由于臂部运动速度越高，重量越大，惯性力引起的定位钱的冲击也就越大，运动既不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定形式的缓冲措施。 4.2 冲压机械手臂部的结构形式 冲压机械手的臂部结构一般包括臂部伸缩、回 转、俯仰、升降等运动的结构以及与其有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支承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。 nts 19 4.2.1 冲压机械手臂部伸缩运动的结构 伸缩运动的结构主要有以下几种形式： 1.采用倍增机构的臂伸缩结构：这种结构的特点是传递效率高，易于实现较大的行程和速度。 2.采用单导向杆的臂伸缩结构：这种结构由于活塞杆、导向杆和检测棒全部藏在缸体内，结构紧凑、外观整洁，但增加了缸体厚度，将大幅度增加臂部结构的重量，一般用于小型机械手。 （ 1）采用大直径导向管的臂伸缩结构： 该结构一根大直径导向管作伸缩臂。 （ 2）采用燕尾型导轨的臂伸缩结构：采用这种导轨导向，刚度大、工作平稳。 （ 3）采用双导向杆的臂伸缩结构：其特点是手里均衡，可用于抓重大、行程较长的场合 （ 4）采用四根导向柱的臂伸缩结构：其特点是行程长、抓重较大。工件形状不规则时，为了防止产生较大的偏重力矩，采用四根导向柱。 本设计的手部伸缩运动的机构采用形式，即双导向杆结构。如图4-1 图 4-1 手部伸缩缸 4.2.2 冲压机械手臂部俯仰运动的结构 冲压机械手的臂部俯仰运动，一般采用铰接油气缸来实现。铰接油气缸位于油缸下方 ，活塞杆与手臂之间用铰链连接，缸体与立柱之间用耳插销轴等方式连接。如图 4-2所示，臂部的俯仰由铰接臂部的活塞杆的运动来实现。 nts 20 4.2.3 冲压机械手臂部回转及升降的结构 本设计采用齿条缸式臂回转结构，如图 4-3 所示。这种齿条缸比一般回转缸有较大的输出扭矩和较大的回转角（可大于 360），但结构尺寸一般比较大，所以安装在升降缸的下部固定在底座上。回转运动由齿条活塞杆驱动齿轮带动输出轴转动，输出轴和升降缸缸体连接，带动缸体转动，再带动手臂回转。升降运动由升降缸活塞杆带动手臂升降。 图 4-3 手臂 4.2.4 导向装置 冲压机械 手的手臂伸缩及升降运动机构上设有导向装置，其目的是： 1.防止移动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。冲压机械手的手臂伸缩及升降运动机构上设有导向装置，其目的是： 2.防止移动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。 3.增大移动 部件的刚性，减少移动部件由于自重与抓取重量变化所引起的变形与位移。 承受移动部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。增大移动 部件的刚性，减少移动部件由于自重与抓取重量变化所引起的变形与位移。 承受移动部件的部分自重和抓取工件 （或工具）的部分重量。 nts 21 4.3 冲压机械手臂部运动驱动液压缸的设计与计算 计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，把臂部所受的全部负荷考虑进去。机械手工作时，臂部所受的负荷主要是惯性力、摩擦力和重力等。 4.3.1 手臂水平伸缩运动驱动液压缸的计算 1.手臂水平伸缩运动驱动力的计算： 手臂作水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦力及导向杆与支承滑套之间的摩擦力等，还要克服启动过程中的惯性力。其驱动力qP可按下式计算： qP=mF+Fg （ N） （式 4-1） 式中 mF 各支承处的摩擦阻力 Fg 启动过程中惯性力，其大小按下式估算： Fg = agW （ N） （式 4-2） 式中 W 手臂伸缩部件的总重量（ N） g 重力加速度（ 10sm2） a 启动过程中平均加速度（sm2） 而 a=tv（sm2） v 速度变化量。如果手臂从静止状态加速到工作速度，则这个过程中速度变化量就等于手臂的工作速度。 t 启动过程所用时间。一般为 0.01 0.5（ s）。本设计中，设计启动时间为 0.1s，工作速度为 500mm/s，导向套摩擦系数为0.1。粗略计算运动部件重量为 80Kg。 最后计算得：qP=0.1*80+800/10*（ 0.5/0.1）（ N） =480（ N） 2.手臂水平伸缩运动驱动液压缸的设计与计算： 本设计中，此液压缸安全系数取 1.2。 由式（ 4.1）得，qP=480 （ N） P=480*1.2=576 (N) 根据表 2.1 和 表 2.2 选取液压缸的工作压力，小于 5000N，所以液压缸的工作压力 P=1MPa nts 22 缸筒内径： D=3.57*PF210 =24.63mm 根据表 2.2 取 D=40mm 缸筒壁厚：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 : 2/ pDP 式中 : - 缸筒壁厚， mm D - 气缸内径， mm pP- 实验压力，取 PPp 5.1, (Pa) 选取材料为 :45钢 , =120MPa 代入己知数据，则壁厚为 : 2/ pDP =0.25mm 考虑缸盖与缸筒采用外螺纹连接，初步选取 =5mm。则缸筒外径为)(502*5401 mmD 缸筒外径上攻标准螺纹， 1 =（ 1-0.85） *50/2=3.75mm5mm，符合要求 .所以，壁厚取 5mm。 活塞杆直径： d=(1/5 1/3)D 13mm 根据表 2.2标准取 14mm 活塞杆强度校核： Fd 4=120*14.3576*4 mm，满足实际设计要求。 导向长度： H L/20+D/2=45mm（ L为液压缸行程，根据表 2.2选标准值500mm） 导向套长度： A=(0.6 1.6)D 50mm 活塞长度： B=(0.6 1.0)D 40mm 4.3.2 手臂垂直升降运动驱动液压缸的设计与计算 1.手臂垂直升降运动 驱动力的计算： 手臂作垂直运动时，除克服摩擦力和惯性力之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力qP可按下式计算 qP=mF+Fg W（ N） （式 4-3） 式中 mF 各支承处的摩擦阻力 Fg 启动过程中惯性力，按式（ 4-2）计算； W 手臂运动部件的总重量（ N）； 上升时为正，下降时为负。 粗略计算得运动部件的重量为 135 Kg，升降速度 250mm/s，启动时间nts 23 0.2s。计算得： qP=1350/10+1350/10*（ 0.25/0.2） +1350=1653（ N） 2.手臂垂直升降运动驱动液压缸的设计与计算 在本设计中，此液压缸的安全系数为 1.1 由（式 4.3）得 P=1653*1.1=1
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