平衡臂机械手设计

1平衡臂机械手设计摘 要：论文模仿平衡臂机械手的基本功能和设计思路，根据给定的规定动作顺序，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，完成了机械手的设计，并绘制必要的零部件图和装配图，其中包括机器装置的原理方案构思和拟定；原理方案的实现、传动方案的设计；主要结构的设计简图；设计计算与说明；控制油路系统的设计。工业机械手设计的主要技术关键问题为：夹持机构的夹紧与翻转；行程机构的转向与伸缩；提升机构的提升；控制油路系统的设计。关键词：平衡臂；工业机械手；手爪；伸缩油缸；转动油缸；2BALANCE ARM MANIPULATOR DESIGNAbstract:The thesis deploys the basic function and the way of design of the automatic hand , according to the given provision of action in proper order, comprehensively using the basic theories, basic knowledge and the related professional knowledge of mechanical design, completing the design of mechanical hand, and drying the diagrams of the necessary spare parts and the assemble diagram, including the consideration and the establishment of the principle;The realization of the principle, powertrains of the project; sketch plan of the structure;calculation of design and the elucidation; design of the the liquid press system.The mainly key problem of design a mechanical hand is :Clipping the object and revolving;The route of travel organization;the promotion of the organization;the design of the liquid press system.Key words: balance arm; industrial robot; gripper; telescopic cylinder; a rotating oil cylinder;3目 录摘 要 .1关键词 .11 前言 .22 绪论 .52.1 国内外机械手综述 .52.1.1 简史 .52.1.2 应用简况 .62.2 机械手的组成和分类 .62.2.1 机械手的组成 .62.2.2 机械手的分类 .72.3 本课题研究的主要内容及意义 .82.3.1 平衡臂机械手的设计之总体设计及基础的内容及基本要求 .82.3.2 重点研究的问题 .82.3.3 主要技术指标 .82.3.4 本次设计的意义 .83 平衡臂机械手机械结构的设计计算 .83.1 平衡臂机械手总体设计方案 .143.1.1 液压机械手液压系统的工作原理 .63.1.2 液压系统的组成原理 .63.1.3 液压传动机械手的特点 .73.1.4 机械手的动作顺序 .73.1.5 液压系统工作原理图 .83.1.6 控制方式选择 .83.1.7 平衡臂机械手总体布局方案的确定 .93.2 机械手机构的分析与设计 .113.2.1 机械手的自由度 .1143.2.2 坐标形式 .113.2.3 机械手的机构简图以及部件尺寸 .113.3 机座的设计计算 .173.3.1 主轴的设计及强度校核 .183.4 大臂驱动的设计计算 .223.4.1 大臂的驱动力矩的计算 .223.4.2 回转缸的驱动力矩计算 .233.4.3 缸盖的强度计算 .243.4.4 大手臂做升降运动时所需的驱动力 .253.4.5 驱动油缸的计算 .263.5 轴承的校核 .273.5.1 第一对轴承 .273.5.2 第二对轴承 .273.5.3 第三对轴承 .273.6 箱体的设计计算 .283.6.1 箱体支架的结构形式和材料 .283.6.2 铸铁箱体主要结构尺寸和关系 .283.7 油管的布局 .263.8 电机的选择与安装 .273.8.1 选择驱动电机 .273.8.2 电机与泵组的安装方式 .274 结论 .28参考文献 .28致 谢 .2951 前言工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已经成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大得改善人工的劳动条件，显著得提高劳动生产效率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温，高压，粉尘，噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。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，以完成各项规定操作。它的特点是具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械，记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，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顶的作业，后来发展到用无线电寻好操作机械手来进行月球的探测等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要负数于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为 Mechanical Hand，它是为主机服务的，有主机驱动；除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。2 绪论2.1 国内外机械手综述2.1.1 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。她的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动） 。同年，美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatrap 机械手，原意是灵活搬运。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工大学联合研制一种叫 Unnimation-Viearm 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。到目前为止，日本是工业机械手发展最快，应用最多的国家。但是，目前的机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式为开环6式，没有识别能力；改进的方向主要是减低成本和提高精度。第二代机械手设有微型电子计算机控制系统，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，使机械手具有感觉机能。第三代机械手（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。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（Flexible Manufacturing System）和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一环。2.1.2 应用简况就国内机械工业，铁路 部门应用机械手的简况，介绍如下：(1)热加工方面的应用。热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了实现高效率和工作安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更加需要采用机械手操作(2)冷加工方面冷加工方面。机械手主要采用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联结和重要手段。(3)拆修装方面。拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。采用机械手进行装配更是目前研制的重点，国外已研究采用摄象机和里的传感装置和微型计算机联系在一起，能确定零件的方位，达到镶装的目的。2.2 机械手的组成和分类2.2.1 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。(1)执行机构。手部。手部安装在手臂的前端，手臂的内孔装有传动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕、开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多；手臂。手臂有无关节臂和有关节臂之分。目前采用的手臂几乎都是无关节臂。手臂的作用是引导手指准确得抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由读都需要精确的定位；躯干。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。7(2)驱动系统。驱动机构主要有四种：液压驱动、气体驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压、气动用的最多，占 90%以上；电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱实现传动。它的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。气动驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。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。尤其空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，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，气压系统的装有速度控制机构或缓冲减震机构。电器驱动都采用三相感应电机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。电气驱动的优点是动力源简单；维护、使用方便。一般只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可开，工作速度高，成本低；缺点是不易于调整。(3)控制系统机械手控制的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续诡计控制两种。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。程序的存储方式分为分离存储和集中存储两种。对于动作复杂的机械手（机械人） ，采用示教再现型控制系统。更复杂的机械手（机械人）则采用数字控制系统、小型计算器或微处理机控制的系统。2.2.2 机械手的分类(1)按用途分类。专用机械手,专用机械手是专为一定设备服务的，简单、使用，目前在生产中运用的比较广泛。它一般只能完成一、二种特定的作业。如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序，适应多种作业的需要;通用机械手,通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的。它能对不同物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动话装置。它的动作程序可以按照工作需要来改变，大概是采用顺序控制系统。通用机械手又分简易型、示教再现型和只能机械手、草中式机械手等几种。(2)按控制型式分类。点位控制型机械手，点位控制型机械手的运动诡计是空间二个点之间的连接。控制点书越多，性能越好。它基本能满足于各种要求，结构简单。绝大部分机械手是点位控制型；连续轨迹控制型机械手，这种机械手的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间中作极其复杂的动作。工作性能完善，但控制部分比较复杂。控制方式分为开关式和伺服式两种。82.3 本课题研究的主要内容及意义2.3.1 平衡臂机械手设计的内容及基本要求试设计一个用于数控车床旁自动上料的机械手，机械手的活动范围为工作半径2m，回转范围 0360，工作高度 2m，抓起的最大重量为 40kg；对于轴类零件，最大直径 120mm,对于饼类零件，最大直径为 300mm。在活动范围内，机械手能够抓起地面上任何位置的工件送入到卧式车床的卡盘处。动作的连贯和逻辑顺序有 PLC 控制。设计工作量：总装图纸,机座图，零部件一览表，标准件汇总表，外购件汇总表；设计说明书； 2.3.2 重点研究的问题机械，机构，机械手，夹具，弱电控制，PLC，液压驱动或者执行电机的控制，地基基础。2.3.3 主要技术指标最大活动半径 2m 最大活动高度 2m 回转活动范围 0360 最大抓取重量 40kg 抓取规格 棒料 120mm，盘类 300mm2.3.4 本次设计的意义本次设计主要是对此机械手进行实体改造。我们这次设计主要是针对此机械手，而且还要对机械手的整体布局及工作原理和过程做一些介绍。在外型上，我们要解决的问题主要是我们设计出来的实体要和实物相同或相近。在大的方面，一个机械手可以分为大臂、小臂和手爪手腕等部分。而手腕部分是我们所重点要求的，对其中的每一个零件、部件及组合体的尺寸和形体都有严格的要求，因为大部分的机械手是有人力动作部分的，而且没有手腕，取而代之的是一个吊钩，为了将其改造成为可自动抓取的机械手，每个零件的配合都要很考究。而油路的布置也要合理。整体要整齐美观。机构实用且经济。3 平衡臂机械手机设计方案及计算3.1 机械手总体系统的设计综合考虑了几种驱动方式的优缺点，由于要求的抓取重量较大（40 公斤） ，生产节拍较长，为了得到较大的输出力和握力，还要求传动平稳，所以我们决定采用液压9驱动的方式。3.1.1 液压机械手液压系统的工作原理此机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转化成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中的油掖的容积的多少。这种借助于酝酿动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都是属于容积式液压传动。本次设计的液压机械手，相当于一台专用液压自动机械，由执行机构，液压系统、电气控制三大部分组成。液压传动系统概括如下：图 4 液压传动系统Fig 4 hydraulic drive system3.1.2 液压系统的组成原理由上图可知，液压系统由以下几个主要部分组成：油泵。它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。液动机。压力油驱动运动部分对外工作的部分。如：做回转运动的液压马达，做回转角度为 360 度的回转油缸，控制手臂伸缩的伸缩油缸。控制调节装置。如单向阀、溢流阀、换向阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等。各起一定的作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所需要的运动。10辅助装置 如油箱、滤油器、蓄能器、管路和管接头以及压力表等。3.1.3 液压传动机械手的特点机械手采用液压传动比较采用气压传动有如下特点：能得到较大的输出力或力矩。一般要得到 2070 公斤/厘米 的油液压力是比较方2便的，而通常工厂的压缩空气均为 46 公斤/厘米 。因此，在活塞面积相同的条件下，2液压机械手可比气动机械手负荷大得多。目前，液压机械好艘搬运重量（即抓重）已达 800 公斤，而气动机械手一般搬运重量小于 30 公斤。液压传动滞后现象小，反应较灵敏，传动平稳。与空气相比，油液的压缩性极小，所以传动的滞后现象小，传动平稳。气压传动虽易于得到较高速度（如 1 米/秒以上） ，但空气粘性比油低、传动中冲击较大，不利于精确定位。输出力和运动速度控制较容易。输出力和运动速度在一定的油缸结构尺寸下，主要决定于油液的压力和流量，通过调节相应的压力和流量控制阀，能比较方便地控制输出功率。可达到较高的定位精度。目前一般液压机械手，在速度低于 400 毫米/秒、抓重较轻时，采用适宜的缓冲措施和定位方式，定位精度可达到 1 0.02 毫米。若采用电液伺服系统控制，不仅定位精度高，而且可连续任意定位，适用于高速、重负荷的通用机械手。但是，液压传动也有其缺点。系统的泄漏难以避免，影响工作效率和系统的工作性能。工作要求越高，对密封装置和配合件制造精度的要求就越高。油液的黏度对温度的变化很敏感，当温度升高时，油的黏度即显著降低，油液黏度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量。另外在高温田间下工作时，必须注意油液着火等危险。3.1.4 机械手的动作顺序我们设计的机械手是一个上下料的机械手，它的工作流程简图如下：图 5 工作流程简图11Fig 5 flow diagram上述动作均由电控系统发信号控制相应的电磁换向阀，按程序依次步进动作而实现的。该电控系统的步进控制环节采用步进选线器，其步进动作是在每一步动作完成后，使行程开关的触点闭合或依据每一步动作的预设停留时间，使时间继电器动作而发信，使步进器顺序“跳步”控制电磁阀的电磁铁线圈断通电，使电磁铁按程序动作实现液压系统的自动控制。3.1.5 液压系统工作原理图图 6 液压系统工作原理图Fig 6 schematic diagram of hydraulic system3.1.6 控制方式选择在现代工业控制中，常用的控制方式有继电器控制、PLC 控制和计算机控制。现将它们各自的优缺点比较如表 2 和 3 所示。表 2继电器控制与 PLC 控制比较Tab.2 Comparison of relay control and PLC control项目 继电器控制 PLC控制功能 多个继电器接线完成 编程适应性 重新设计、改变继电器和接线 修改程序控制速度 低，机械动作 快，微处理器处理安装施工 连线多、复杂 容易、方便12可靠性 差，触点多，故障多 高续表 1表 3计算机控制与 PLC 控制在的比较Tab.3 computer control and PLC control in comparison项目 计算机控制 PLC工作目的 计算、数据管理 工业自动控制环境 要求高 低控制方式 中断处理方式 循环扫描特殊措施 掉电保护（一般） 多种抗干扰措施，自诊断、断电保护编程语言 汇编语言、高级语言 梯形图、助记符、SFC 等内存 容量大 小操作要求 专门培训 一般技术人员其他 用于控制需自行设计 模块化、单元化，易于集成从以上比较可以看出，传统的继电器控制系统可靠性差，响应速度慢，触点多，需要进行复杂大量的布线，故障多，维修困难；计算机控制系统虽然控速度和精度都很高，但是适应性差，对环境要求高，成本高，不适合大规模推广；而可编程控制器则具有方便可靠，易学易用，控制精度和速度高，适应性强，成本不是很高，非常适用现代大规模自动化工业控制。综合考虑继电器控制、计算机控制和 PLC 控制的各自的特点，现决定选用 PLC 控制。3.1.7 平衡臂机械手总体布局方案的确定项目 继电器控制 PLC寿命 短 长扩展性 困难 容易维护 工作量大 有自诊断能力项目 继电器控制 PLC控制功能 多个继电器接线完成 编程13图 7 总体方案图Fig 7 scheme of the上图所看到的方案是本人了解了各种资料和参考了机械实物所设计的初步方案。平衡臂机械手工作时要一个稳定的基础且不需移动，所以该地基设计为嵌入水泥地里，这样的平衡性和稳定性好。本次设计我们没将伸缩油缸和回转油缸放置在同一个立柱中，因为如果这样放置，一个是装配时十分不方便，二个是在机械手夹持工件进行回转时，回转中心将更加远离回转油缸的中心，那样对支撑轴的扭矩将增大，且对立柱的弯曲应力更大，机械手的寿命将缩短。所以，我们设计的是将伸缩油缸和液压站用支撑板固定在远离工件的立柱的另侧，这样，当机械手回转时，回转中心将比较靠近回转油缸的回转中心，这样，即减少了支撑轴的弯曲应力，又可以使的机械手在装配和设置油管路线时更加方便。横向扩展一下，本人联想到深圳沙田海港的集装箱的起吊手臂，它在空间运行的时候，保证了集装箱的水平放置，那样手臂的设计将更加复杂。本人设计的机械手，在空间的运动位置是不定的，则在横向伸缩的导杆中加入一个伸缩油缸，用来精确控制工件被夹取后在空间中的运动位置。143.2 机械手机构的分析与设计3.1.1 机械手的自由度机械手要像人的手一样完成各种动作是比较困难的。因为人的手指、手长、手腕、手臂由十九个关节所组成，并具有 27 个自由度，而生产实践中机械手不需要这么多自由度。下面按机械手所具有的主运动和辅助运动来分析其自由度。手臂和立柱的运动成为主运动，因为它们能改变抓取工件在空间的位置。手腕和手指的运动成为辅助运动，因为手腕的运动只能改变被抓取工件的方位，而手指的夹放运动不能改变工件的位置和方位，故它不计为自由度数，其他运动都算作自由度数。这次参考了工厂的机械手，在确定了被抓取工件所在的空间位置，及将工件搬运到规定的位置时所需要的运动。得知我们改造的机械手包括了大臂的回转和升降两个运动，而将要设计的手腕的自由度仅仅是为了配合手臂完成工件的预定装卸方位要求加以增设的，故只算成两个自由度。 图 1 平衡臂机械手机构图Fig 1 the balance arm mechanical composition of mobile phone由图可知，此机械手在 XY 平面内有回转运动，且在 Z 方向和 X 方向有直线运动，故做出它的运动轨迹图，由于存在了安全工作区域，故选了 300 度旋转范围，如图2：15图 2 回转范围Fig 2 the scope of rotation自由度数多少是衡量机械手技术水平的指标之一，自由数越多，可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广，但是响应的带来了技术难度大，控制系统和机械结构复杂，机械手本身的体积和重量增加，成本高和维修困难。自由度少，通用性越差，但是技术上容易达到，结构简单，使用和维修方便。所以在此次设计中，二自由度已经足够，没有必要盲目的加入自由度。3.1.2 坐标形式如一图所示的机械手，其手臂的运动由两个直线运动和一个回转所组成，即沿 X轴的伸缩，沿 Z 轴的升降和绕 Z 轴的回转。这种坐标型式的机械手成为圆柱坐标式机械手。它与指教坐标式相比较，占地面积大而活动范围大，结构较为简单，并能达到较高的定位精度，因此得到广泛的应用。3.1.3 机械手的机构简图以及部件尺寸16图 3 机构示意图Fig 3 Schematic diagram of mechanism在江麓机械厂的实地测绘，要进行改造的机械手机构简图如上图所示 。为一个七杆二自由度机械手。其各部件的尺寸如下：表 1 机构尺寸Tab.1 the body size杆件一 250mm杆件二 1250mm杆件三 250mm杆件四 1250mm杆件五 1250mm此机械手的尺寸恰能满足回转半径 1m3m 和提升工件高度2m 的要求，所以在这次设计过程中不做改动。由图一计算其他尺寸：图中虚线所示位置就是当机械手将工件举到最高时候的位置，实线所示的位置就是机械手在地面高度抓取工件的位置。设计手臂在这两个位置时，杆件与水平所成的角度 都为 30 。则 Ae 长度等于 250 =125mm，bf 长度也为 125mm，bC 长度o 0sin3等于 BC =250 =125mm，cc 产度等于 bc-bC=250-125=125mm，Bb 长度等0sin30sin3于 BC =250 =216mm，所以确定 Aa 等于 Ae+bf+Bb=125+125+216=466mm。即0i62为大臂升降油缸的行程取 l=500mm。其工作高度即离地面高度为 H=2458mm，其支撑点17b 离地面的高度 H2=1708mm，其 B 点的高度为 H3=1925mm。3.3 机座的设计计算查表得水泥地密度为 3 ，水泥的承载压强为 40MPa，铸铁的密度为/tm7.33 。3/tm其安装图如下所示：图 8 地基基础Fig 8 Foundation初步取地基的直径为 660mm，高为 60mm。半圆的中心为 4r/3p。当前端吊臂满载时，其重心距主轴的距离 S1=1.5m，质量 m1=100kg，力矩M1=S1m1g=1500Nm。在主轴另一侧电动机、液压缸等器件的总重心距离主轴 S2=0.4m，质量 m2=200kg，力矩 M2=S2m2g=800Nm。地基一侧的重心位置 d=4r/3p=0.27m，能产生的最大力矩：M3= =595Nm2rhdg18水泥地厚度：H= =0.019m213mrhdg考虑到其安全性，设其安全系数为 2，则 H=40mm。底部压强： =0.2MPa40MPa。21rMgFS总3.3.1 主轴的设计及强度校核（1）主轴部件的基本要求：主轴部件是机床的重要部件之一。主轴部件通常是由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件组成。机床工作时，由主轴带动工件或刀具直接参加表面成形运动，所以主轴部件的工作性能对加工质量和机床生产率有着重要的影响。对主轴的基本要求有：旋转精度。主轴部件的旋转精度是指机床在装配后，主轴前端机械手部分的径向和轴向跳动的大小。主轴部件的旋转精度决定于主轴部件的主要零件，如主轴、轴承等的制造和装配精度；刚度。对主轴部件的刚度要求是指在外力的作用下，主轴部件应具有一定的抵抗变形的能力。也就是在外力作用下，主轴应仍能保持一定的工作精度。主轴部件的刚度大小通常以使主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所需施加的作用力来表示。它综合地反映了主轴和轴承的变形。如果主轴部件的刚度不足，将使主轴在切削力和传动力的作用下，产生较大的弹性变形，并且还容易引起振动。这样不仅会降低加工精度和表面粗糙度，还会使齿轮等传动件和轴承等因不能均匀受力而恶化工作条件。影响主轴部件刚度的因素较多，有主轴的结构尺寸、轴承的类型和配置方式，轴承间隙的大小，传动件的布置方式，主轴部件的制造和装配质量等；抗振性。主轴部件的振动会影响工作的质量和主轴轴承的寿命，还会发生噪声影响工作环境。主轴部件在运转时应尽量减少振动，这对高速和高精度的机床更为重要。温升主轴部件在运转中温升过高会引起两方面的不良后果：一是主轴部件和箱体因热膨胀而变形，主轴的旋转中心线和机床其他部件的相对位置发生变化，直接影响定位精度；其次是轴承等元件会因温升过高而改变已调好的间隙和破坏政正常的润滑条件，影响轴承的正常工作，严重的会发生“抱轴” 。机标 JB2278-78规定，主轴在最高转速达到稳定温度（温升上升不超过每小时 5C）时，滑动轴承温度不得超过 60C，温升不得超过 30C；滚动轴承温度不得超过 70C，温升不得超过 40C；耐磨性。主轴部件必须有足够的耐磨性，以便能长期地保持精度。为了提高耐磨性，一般机床主轴的易磨损部件应淬硬或经氮化处理。19（2）轴的设计计算输入轴的功率、转速、弯矩和转矩。初步设定器回转速度为 v=5r/min，从启动到加速至工作速度的时间为 T=1s，平衡臂吊起最大重物时，其重心距主轴 =1.5m，其总质量大约为 =200kg。在1L1M吊臂的另一侧包括活塞、电机、油泵、油箱等零部件的总质量大约为=200kg，其重心距主轴 =0.4m。则，最大扭矩为：2M2=51.4Nm121eevvLMT其最大弯矩为 150Nm112e根据第三强度理论，其相当弯矩为 159Nm21ee其功率为 0.08kw2950enP初步确定轴的最小直径。选取轴的材料为 35 号钢，调质处理。根据表 15-3，取 1125（中间值） ，抗弯截面系数 ，许用应力于是得0A32zdW=80mm31min02zWd轴的结构设计。拟定轴上零件的装配方案。其方案如图所示：图 9 主轴Fig 9 spindle根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度。在 1-2 轴段右端为了减少摩擦，选择滚动轴承，故取 1-2 段的直径 =90mm；12d左端用定位螺钉定位，其距左端的距离 =27mm。3-4 段的长度根据箱体的大小确定，12L其长度 =232mm。24d因轴承即受有径向力的作用还受轴向力的作用，故选用滚动轴承和推力球轴承一起用。参照工作要求并根据 =70mm，有轴承产品目录中初步选取 0 基本游隙组、57d标准精度等级的深沟球轴承 6218，其尺寸为 dDB=90mm135mm25mm，推力球轴承为 0 基本游隙组、标准精度等级的滚动轴承 51224，其尺寸为20dDB=90mm140mm35mm 。左端采用轴肩定位，故 =120mm， =10.轴承之45d45L间采用轴套定位。该轴与回转缸的连接为花键连接，其花键的大小为 dDl=82mm88mm100mm。即=100mm， =88mm。花键距左端的距离为 =21mm。由于该轴所受的弯矩比较78L78d 67d大，故轴 =700mm，其直径为花键的内径， =82mm。已初步却低昂了轴的各段直9 89径和长度。图 10 弯扭矩图Fig 10 bending moment and torque diagram21轴上零件的周向定位。回转缸与轴的周向定位均采用花键连接。键槽用键槽铣刀加工，长为 100mm，回转缸与轴的配合为 滚动轴承与轴的周向定位由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为 m6。确定轴上圆角和倒角尺寸。参考装配图，取轴端倒角为 245，各轴肩处的圆角半径。（3）轴的校核按弯扭合成应力校核轴的强度作轴的弯扭矩图如图10。由图 10 可以看出截面 C 是轴的危险截面。现将算出的截面 C 处的各值列于下表。表 4 截面 C 受力Tab.4 section C stress根据上表的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环应力，取 =0.6，轴的计算应力：23.58MPaWTMca221前已选定轴的材料为 35 钢，调质处理，由表查得【 】=80MPa。因此 【1ca】 ，故安全。1（4）轴上花键的校核按工作面上的挤压应力进行强度校核，载荷分配不均系数 =0.7，花键的齿数 z=6，齿的工作长度 L100mm，花键齿侧面的工作高度 h=2mm，d=30mm，许用应力【P】=10MPa，转矩T=87.53Nm，其强度为：=1.52MPa【P】mzhldTp3102故花键符合要求。载荷 水平面 H 垂直面 V支反力 F=1343N，1N2NF=139N=488.6N， =501VH2HF.4N弯矩M=69856NmmH=25406NmmM总弯矩M=74332 Nmm扭矩TT=47460 Nmm67kH223.4 大臂驱动的设计计算3.4.1 大臂的驱动力矩的计算驱动平衡臂回转时的驱动例句必须克服平衡臂起动时所产生的惯性力矩，平衡臂的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端面等处密封装置的摩擦阻力矩，动片与缸体、定片、端盖等处密封装置阻力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 11 回转缸Fig 11 rotary cylinders大臂转动时所需的驱动力距可按下式计算：M 驱=M 惯+M 偏+M 摩+M 封（公斤 厘米）式中 M 驱驱动手臂转动的驱动力矩。M 惯惯性力矩。M 偏参与转动的零部件的重量（包括臂回转缸的动片，平衡臂，油泵，电机等）对转动轴线所产生的偏重力矩。M 摩大臂转动与支承轴处的摩擦阻力矩。M 封大臂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。23假设大臂起动时按等加速运动，大臂转动时的角加速度 ，起动过程所用的时间为，则:tAM 惯=（J+ ） = 100/2 （公斤 厘米）1J11035RJ参与大臂转动的零件对转动轴线的转动惯量。工件对大臂转动轴线的转动惯量。12220.50.51(63)()(6.7)（公斤 厘米）4.7385大臂转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 M 偏M 偏= 31Ge大臂转动时的重量。大臂转动件的重心到轴线的偏心距。3大臂转动的摩擦阻力距 M 摩M 摩= 21()fRad大臂转动轴的轴颈直径。 =0.0112d、 f为支持反力：ABR、1235.61028.34.657AGll7.4123()()()61.036.12.8577BllGlR8.14M 摩 = （公斤 厘米）0.(30572.1)27.5回转缸的动片与缸径、定片、端盖等密封装置的摩擦阻力距 M 封，与类型有关，具体分析。3.4.2 回转缸的驱动力矩计算在机械手的平衡臂回转运动中所采用的回转缸，考虑选择单叶片式摆动液压缸，查设计手册选择 YM1.43-304，其最大摆角可达到 304 度，外形尺寸为416X340X167.5,重量为 46m/Kg。它的工作原理如下图所示：定片与缸体固联，动片24与回转轴固连。动片及密封圈把油腔分为两个，当压力油从左边孔进入时，推动输出轴作顺时针方向回转，则低压腔的油从右孔排出。反之，输出轴作逆时针方向回转。单叶片回转油缸的压力 P 和驱动力矩 M 的关系为：图 11 回转缸工作原理图Fig 11 diagram of working principle of rotary cylinderM=2()pbRrP= = （公斤 厘米 ）2()Mr2(7.531.8)0.67942M回转缸的驱动力矩（公斤 厘米） ；P回转油缸的工作压力（公斤/ ）2厘 米R工作压力（厘米） ；R输出轴半径（厘米） ；b动片宽度（厘米） 。3.4.3 缸盖的强度计算当缸体和刚该用法兰连接时，螺钉除了应具有足够的强度之外，还要保证联结的紧密性。同时，在刚该所受的合成液压力的作用下，联接一定要有足够的剩余锁紧力，以免形成间隙而漏油。图 12 连接示意图Fig 12 the connection diagram25在这种联接中，每个螺钉在危险剖面（罗纹根部横截面）上承受的拉力 Q 是工0作载荷 Q 与剩余锁紧力 Q 之和。即：SQ =Q+ Q0式中 Q工作载荷（公斤） ；Q= =49.0625 公斤24DpPZ式中 P刚该所受的合成液压力（公斤） ；Z螺钉数目，Z=01tD 螺钉中心所在圆的直径（毫米） ；0P油缸内油液的工作压力（公斤/厘米 ）2Q 剩余预紧力。对于要求紧密性的联接取 Q =KQ，K=1.51.8 所以，当取S SK=1.6 时，Q =78.5 公斤算的 Q=49.0625+78.5=127.56 公斤因此，螺钉的强度条件为：= 公斤/厘米 合214ild2式中螺钉材料为塑性的，而且当进行拧紧时，在危险剖面上，同时存在着拉英里和扭应力，所以应该将螺钉所受的拉力加大 30%得 Q =1.3Q 对于普通螺纹，内径 di0=d-1.224S1所以 =4760 公斤/厘米 ，查表得钢号为 40Cr 的螺钉 为 6500，故满足要求。合 2 l3.4.4 大手臂做升降运动时所需的驱动力手臂上升是靠油压作用在活塞上的推力实现的，在它上升的过程中，要克服启动的惯性力，以及行程过程中的摩擦阻力，包括了升降轴与各部件的摩擦，以及导向滑轮与导轨槽之间的摩擦力，还要克服密封装置处的摩擦阻力和油缸非工作腔压力（即背压）所造成的阻力。这些与小手臂的驱动力的考虑是一样的，但是升降轴除此之外，还要考虑到各个部件的重量，需要克服手臂本身以及手部、手腕和被抓物件的重量P 驱=P 惯+P 摩+P 封+P 背G在大手臂起动时的过程中，惯性力即为它的沿活塞方向的工作负载，即：26P 惯= gGtv式中 g重力加速度；加速或减速时间，一般 =0.010.5s；t t 时间内的速度变化量。vt在大臂的运动过程中，G=（100+150+50+80+180+800）g=13600N;故 P 惯=8464NP 摩=f(G+Frn);G运动部件重力Frn垂直于导轨的工作负载，在此时为零；f导轨摩擦系数，此时取静摩擦系数为 0.2，动摩擦系数为 0.1。则求得Ffs=0.2 =2720N1360NFfa=0.1 =1360N上式中 Ffs 为静摩擦阻力，Ffa 为动摩擦阻力。液压缸密封处的摩擦力 ，它的精确值不易求得，常用液压缸的机械效率 进fcF cm行估算：F+ =fcm式中：F工作循环中最大的外负载液压缸的机械效率，一般 =0.