物料搬运机器人

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文前 言1.1目的意义 本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。目前在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统。适应现代自动化大生产，针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率。1.2 研究现状我国的工业机械手(或第一代机械手)发展主要是逐步扩大其应用范围:在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于更换工件，扩大了应用范围。目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：（1）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。（2）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（3）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。（4）关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； （5）焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。1.3 目前送料机械人机械手存在的问题1）送料机械人操作者是普通工人，不是具有机械电子知识的工程师，因此要求送料机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点。2）送料机械人的核心技术是控制部分，所以要求送料机械人有开方式的控制系统。3）现在送料机械人的价格还比较昂贵，还不能大范围的普及。4）出现故障不容易维修，且维修费用高，必须要有很专业的人士才可以修理，影响工作效力。5）机器人的正对象太强，很难适应变化的工作对象和工作条件2 设计方案2.1 机器手的具体方案工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。具体到本设计，因为要求搬运的加工工件的质量达30KG，且长度达500MM，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度，其特点是:结构比较简单,手臂运动范围大,且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图1所示。 图1 机械手工作布局图进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。2.2机械手腰座的具体方案工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。机身是直接连接，支撑和传动手臂及行走机构的部件。一般情况下，实现臂部的升降，回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和手里情况就越复杂。机身既可以是固定的，也可以是行走式的，既在它的下部可以装有能行走的机构，可以沿地面或架空轨道运行。本设计只是原地转动，所以选用的是将机身固定在工作地面上。机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部质量。腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。腰座具体结构如图2示： 图2 腰座结构图2.3 机械手手臂的具体方案机械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达30KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。2.4 机械手腕部的结构设计通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕结构见图3 图3 手爪联结结构2.5 机械手末端执行器的具体方案 2.5.1 机械手手爪的选择 加持器即机器人手爪。一般工业机器人手爪多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹方式来分，有外夹式和内掌式两种。根据本设计要求选择1） 手部机构选择加持类的手部2） 夹持类指端形状选择V型指面2.5.2 机器人夹持器的选择结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。液压油驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿轮及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构如图2.8所示： 图4 机械手末端执行手爪结构图3 机械手腰部设计计算3.1 机械手腰部驱动设计计算 腰座回转的驱动形式是电机通过减速机构来实现。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧棸，不用设计另外的液压元件及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。 .若传动负载作回转运动负载额定功率： （3.24）负载加速功率： （3.25）负载力矩（折算到电机轴）： （3.26）负载GD（折算到电机轴）： （3.27）起动时间： （3.28）制动时间： （3.29） 式中，-为额定功率，KW；-为加速功率，KW；-为负载轴回转速度，r/min；-为电机轴回转速度，r/min；-为负载的速度，m/min；-为减速机效率；-为摩擦系数；-为负载转矩（负载轴），；-为电机启动最大转矩，；-为负载转矩（折算到电机轴上），；-为负载的，；-为负载（折算到电机轴上），；-为电机的，；具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有； （3.30）式中，-为滚动轴承摩擦系数，取0.005；-为机械手本身与负载的重量之和，取100；-为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240；带入数据，计算得 =0.12； 同时，腰部回转速度定为=5r/min；传动比定为1/18；且， 带入数据得： =10.45667。将其带入上（3-24）（3-30）式，得： 启动时间 ； 制动时间 ；折算到电机轴上的负载转矩为：。3.2 电机型号的选择 根据以上结果，综合考虑各种因素，选择国产北京和利时电机技术有限公司（原北京四通电机公司）的步进电机，具体型号为：110BYG550B-SAKRMA-0301如表1示。 该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好。图3.3为110BYG550B-SAKRMA-0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。驱动方式：升频升压； 步距角：0.36；其中步距角0.36，同时因为腰部齿轮传动比为1：18，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的1/18（理论上），虽然实际上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相当高的，完全能满足机械手上下料的定位精度要求。表3.5 所选电机相关参数型号相数步距角（）静态相电流A）相电阻相电感（mh）保持转矩（Nm）定位转矩（Nm）空载启动频率（KHz）重量转动惯量（）110BYG550B-SAKRMA-030150.36/0.7230.71080.53.56.49700110BYG550B-SAKRMT-030150.36/0.7230.71080.53.56.49700110BYG550B-BAKRMT-030150.36/0.7230.71080.53.56.49700 图5110BYG550B-SAKRMA-0301步进电机的矩频特性曲线3.3腰部齿轮设计计算 因为根据设计的要求腰部齿轮的传动比较大，所以齿轮的材料一定要强度非常高。由此我们选用小齿轮的材料为12Cr2Ni4（渗碳后淬火），其强度极限为1100MPa，屈服极限为850MPa，齿芯部硬度为320HBS，齿面部硬度为58-62HRC。力矩与功率换算：步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=2fM/400(半步工作） 其中f为每秒脉冲数，P为功率单位为瓦， n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米。由此可就算出： 所以转速为：由电动机驱动，工作寿命（设每年工作300天），两班制，且运动平稳。（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）按传动方案，选用圆柱直齿齿轮传动。2）送料机器人为一般工作机器，速度不高，故选用8级精度。3）材料选择，小齿轮材料为12Cr2Ni4（渗碳后淬火），硬度为320HBS，大齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，二者材料硬度相差40HBS。4）选小齿轮齿数（2）按齿面接触疲劳强度设计 公式： 确定公式内的各计算值1）查得材料弹性影响系数。2）按齿面的硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳极限。3）计算应力循环次数小齿轮：大齿轮：4）查得接触批量寿命系数5）计算接触疲劳许用应力将中的较小值代入计算的公式，则有： 所以齿宽；模数；齿高，齿高系数；圆周速度；根据圆周速度，级精度，由机械设计查的动载系数，直齿轮，使用系数，用插值法查的级精度小齿轮相对支撑非对称分布时，根据齿宽系数以及齿向载荷分布系数查得弯曲强度计算的齿向载荷分布系数；故载荷系数按实际的载荷系数校正所得分度圆直径，则有：计算模数：。按齿跟弯曲强度进行设计，其设计公式为：确定公式内各参数的值：小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；弯曲疲劳寿命系数，；计算弯曲疲劳许用应力；取弯曲疲劳安全系数计算载荷系数：查取齿形系数：，查取应力校正系数：，计算大，小齿轮的并加以比较：；大齿轮的数值大。将以上各参数的值代入弯曲强度设计公式有： 对于此计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮的模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得的模数并圆整为标准值，接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮的齿数：大齿轮齿数：。这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，运动精度高。小齿轮分度圆直径：大齿轮分度圆直径：计算中心距：由齿宽系数为可知，大，小齿轮的齿宽分别为：，。4 机械手腰部设计计算 由于机械手手腕的驱动为液压驱动执行元件为液压缸，液压缸实现直线运动，本设计因为机械手的形式为圆柱坐标形式，具有3个自由度，一个转动，两个移动自由度。同时考虑到机械手的工作载荷和工作工作现场对机械手布局一级定位精度的具体要求一级计算机的控制的因素，因此机械手的水平手臂垂直手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。液压原理如图6所示图6 液压原理图其特点及适用场合表3.1 液压执行元件特点及适用场合名 称特 点适 用 场 合单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进4.1确定液压系统的主要参数液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。1.计算液压缸的总机械载荷根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为 （3.1）式中， -为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为0；-为活塞上所受的惯性力；-为密封阻力；-为导向装置的摩擦阻力；-为回油被压形成的阻力；（1）的计算 （3.2）式中， -为液压缸所要移动的总重量，取为100KG；-为重力加速度， ；-为速度变化量；-启动或制动时间，一般为0.010.5，取0.2s将各值带入上式，得：=1.02（2）的计算 （3.3）式中，-克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力16 ，查相关手册取=0.2；-为进油工作腔有效面积； 启动时： 565N运动时： =283N（3）的计算机械手水平方向上有两个导杆，内导杆和外导套之间的摩擦力为 （3.4）式中，-为机械手和所操作工件的总重量，取为100KG；-为摩擦系数，取f=0.1；带入数据计算得： =98（4）的计算回油背压形成的阻力按下式计算 （3.5）式中，-为回油背压，一般为0.30.5 ，取=0.3 -为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2；将各值带入上式有，分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为。2.手爪执行液压缸工作压力计算手爪要能抓起工件必须满足： （3.6） 式中，-为所需夹持力；-安全系数，通常取1.22；-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，为重力加速度；-方位系数，查表选取；-被抓持工件的重量 30；带入数据，计算得： ；理论驱动力的计算： （3.7）式中，-为柱塞缸所需理论驱动力；-为夹紧力至回转支点的垂直距离；-为扇形齿轮分度圆半径；-为手指夹紧力；-齿轮传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得 计算驱动力计算公式为： （3.8）式中，-为计算驱动力；-安全系数，此处选1.2；-工作条件系数，此处选1.1；其他同上。带入数据，计算得： 而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有 （3.9）式中，-为柱塞缸工作油压；-为柱塞截面积；经计算，所需的油压约为： 3.液压缸主要参数的确定针对本设计是一个机械手的特点考虑，机械手系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此，先从刚度角度进行液压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性、安全性。至于液压缸的工作压力和缸的工作速度，放在液压系统设计阶段，通过外部的液压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑各方面的因素，初步确定各液压缸的基本参数如下；表3水平伸缩液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6010254001因为伸缩缸的作用主要是实现伸缩直线运动这个运动形式，在其轴向上并不承受显性的工作载荷（因为手爪夹持工件，受力方向为垂直方向），轴向主要是克服摩擦力矩，其所受的载荷主要是径向载荷，载荷性质为弯矩，使其产生弯曲变形。而且因为机械手要求具有一定的柔性，水平液压缸活塞杆要求具有比较大的工作行程。同时具有比较大的弯矩和比较长的行程，这对液压缸的稳定性和刚度问题有较高的要求。因此，在水平伸缩缸的设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理的结构布局设计，使其具有尽量大的刚度。为了达到这个目的，设计中采用了两个导向杆，以满足长行程活塞杆的稳定性和导向问题。另一方面，为增大结构的刚度和稳定性，将两个导向杆与活塞杆布局成等边三角形的截面形式，以增大抗弯截面模量，也大大增加了液压缸的工作刚度。表4 垂直液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6010251001因为垂直液压缸所承受的载荷方式既有一定的轴向载荷，又存在着比较大的倾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作为液压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。这里同样采用了导向杆机构，围绕垂直升降缸设置四根导杆，较好的解决了这一问题。4.2缸强度的较核（1）缸筒壁厚的较核 当 D/时，液压缸壁厚的较核公式如下： （3.10）式中，-为缸筒内径；-为缸筒试验压力，当缸的额定压力时，取为；-为缸筒材料的许用应力，为材料抗拉强度，经查相关资料取为650，为安全系数，此处取； 带入数据计算，上式成立。因此液压缸壁厚强度满足要求。（2）活塞杆直径的较核活塞杆直径的较核公式为 （3.11） 式中， -为活塞杆上作用力；-为活塞杆材料的许用应力，此处；带入数据，进行计算较核得上式成立，因此活塞杆的强度能满足工作要求。4.3选择液压元件1.液压泵的计算（1）确定液压泵的实际工作压力 （3.12） 式中，-计算工作压力，前以定为； -对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.51.5），这里取为1。因此，可以确定液压泵的实际工作压力为 （3.13） （2）确定液压泵的流量 （3.14）式中，-为泄露因数，取1.1；-为机械手工作时最大流量。 （3.15） 经计算得 =3.140带入上式得 （3）确定液压泵电机的功率 （3.16） 式中，-为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140；-液压泵实际工作压力，5；-为液压泵总效率，取为0.8；带入数据计算得： =。2.控制元件的选择根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。这部分在考虑具体的作业时根据详细的要求再结合具体情况进行详细，这里暂从略。3.油管及其他辅助装置的选择（1）查阅设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数液压泵出口流量以3.140L/MIN计，选取；液压泵吸油管稍微粗些，选择；其余都选为；（2）确定油箱的容量一般取泵流量的35倍，这里取为5倍，有效容积为 4.4液压系统性能的验算1）力损失的验算实际油液是有粘性的，所以流动时要损耗一部分热量，这种热量损失表现为压力损失。能量的损耗转变为热量，使液压系统的温度升高。液体在流动时产生的压力损失包括两部分，一部分是沿程压力损失，另一部分是局部压力损失。2）路压力损失的验算因为手臂升降液压缸的动作回路系统油路较多，管路损失较大，在此主要验算手臂升降液压缸这一系统的管路压力损失，管内径为，流量为，即，设管长为，选用机械油，正常运行向右的运动粘度，油的密度。油在管中实际的流速为：查参考文献1中表23判断出油管中液流为层流状态，其行程阻力系数为：回路压力损失为：3）部压力损失验算局部压力损失包括通过管路和管接头处的管路局部压力损失，以及通过控制阀的局部压力损失，但由于管路局部压力损失相对控制阀的局部压力损失小得多，所以主要计算控制阀的局部压力损失。从原理图可以看出，从齿轮泵出口到升降缸进油口要经过电磁换向阀，调速阀。手臂升降电磁换向阀的额定流量为，调速阀的额定流量为，实际流量为，额定压力损失；手腕回转电磁换向阀的额定流量为，调速阀的额定流量为，实际流量为，额定压力损失为；手指夹紧电磁换向阀的额定流量为，调速阀的额定流量为，实际流量为，额定压力损失为。代入下式，则局部压力损失为： 系统总压力损失计算由以上计算结果知：系统总压力损失小于计算时的估取损失值，故之前设计计算合理。4）算液压系统的发热温升这项验算时用热平衡原理来对油液的温升值进行估计。单位时间内进入液压系统的热量是液压泵输入功率和液压执行元件有效功率之差，假如这些热量全部由油箱散发出去，不考虑系统其他部分的散热效能，则油液温升的估算公式可以根据不同的条件分别从有关的手册中找出来。油液温升的计算式可以用单位时间内输入热量和油箱有效容积近似地表示成：液压系统工作时，除开执行元件驱动外载荷输出有效功率外，其余功率损失全部转化为热量，使油温升高。（1）液压泵的功率损失： 式中工作循环周期液压泵的输入功率各台液压泵的总效率 第台泵的工作时间 投入工作的液压泵的台数（2）液压执行元件的功率损失： （3）溢流阀的功率损失： （4）液压油液流经阀或管路的功率损失： 总的功率损失：由公式（8.3）计算，油液温升为：式中油箱的散热面积 油管的散热面积 、散热系数经计算，温升没有超过所选型号液压油的允许使用范围，因此本设计液压系统中不需要冷却器。5机械手末端执行器设计计算5.1手指夹紧力及液压缸驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。(1)手指对工件的夹紧力可按下式计算：式中安全系数，通常取1.2-2，这里取1.5 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按估算。为机械手在搬运工件过程中的加速度。取 方位系数，经查机械手册选取 G被抓取工件的重量，这里为代入数据可解得（2）液压缸驱动力的计算手指张合采用齿轮齿条传动，结构简图如图3.1所示.取R=140mm,b=200mm,由手部的传动结构形式，查机械设计手册知其驱动力计算公式为 取机械效率（3）确定手指张合驱动液压缸直径D及活塞杆直径d，液压缸受力分析如图3.2所示. 图3.2 液压缸示意图 Picture3.2 Schematic diagram of hydraulic cylinder由以上计算知夹紧液压缸最大工作负载约为1885.33N，由参考文献1中表91选取液压缸工作压力p1Mpa。液压缸选用单杆式，并在机械手手指张开过程中采用差动连接，此时无杆腔工作面积为有杆腔工作面积的两倍，即活塞杆直径d与缸筒直径的关系为d0.707D。液压缸工作过程中必须具有一定背压，参考参考文献中表93取p20.2Mpa。 由夹紧时所需推力计算液压缸直径即解得D94.314mm，则d0.70794.31466.680mm根据液压缸的内径系列查参考文献3中表3.50选取液压缸内径为：D100mm; 查参考文献3中表3.51选活塞杆直径为:d70mm。（4）确定液压缸行程L由预计设计参数手指张合30度及齿轮齿条传动中确定的齿轮分度圆直径d140mm可计算查参考文献3中表3.52选取液压缸行程L40mm。因采用差动连接，手指张合速度相等，预设手指张合所需时间为2s且为匀速，则手指张开所需流量 手指闭合所需流量 （5）活塞杆的强度计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求，按拉、压强度计算：设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径d=70mm,代入数据进行校核：由此可见活塞杆的强度足够。（6）液压缸的选用由以上计算结果查参考文献3选用HSGK100dE型液压缸。5.2齿轮齿条传动机构的设计计算此齿轮齿条传动按工作寿命为10年（设每年工作300天），两班制，工况平稳来设计计算。（1）选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数根据设计任务要求选用圆柱齿轮齿条传动。运输机工作载荷平稳，速度不高，选用7级精度。选择小齿轮材料为45钢，调质处理，硬度为240HBS。选齿轮齿数Z100。（2）按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即确定公式内的各计算数值 1）、试选载荷系数Kt=1.3。 2）、计算齿轮传递的转矩。 3）、查参考文献2中表107选取齿宽系数d=0.5. 4)、查参考文献2中表106得知材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa. 5)、查手册知齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2550MPa. 6)、计算应力循环次数。 7）、查参考文献2中图1019取接触疲劳寿命系数KHN11.23。 8）、计算接触许用应力。 取失效概率为1，安全系数S1.4，由参考文献2中式1012得 9）代入数据计算齿轮分度圆直径，代入H中的较小值。 10）、计算圆周速度。 11）计算齿宽b及模数mnt.b=dd1t=69.14mm12）计算齿宽与齿高之比齿高 h=2.25m=3.1113mm 齿宽与齿高之比 b/h=69.14/3.113=22.2101 13）计算载荷系数K。 查参考文献2得使用系数KA1，动载荷系数Kv1，KH=1.313，KF=1.35,KH=KF =1。 K=KAKvKHKH1111.3131.313 14）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，即 15）计算模数mn.(3)按齿根弯曲强度设计确定计算参数 1）、由设计手册查得齿轮的弯曲疲劳强度极限FE=380MPa。 2）、由设计手册查得齿轮的弯曲疲劳寿命系数KFN1。 3）、计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S1.4，则 4）、计算载荷系数。 5）查取齿形系数，应力校正系数。查参考文献2中表105得YFa=2.18;YSa=1.1.79 6)计算大、小齿轮的并加以比较。7)设计计算对比计算结果，由齿面接触强度计算的模数小于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，取m=2,已同时满足接触疲劳强度及齿根弯曲疲劳强度。按接触疲劳强度算得的分度圆直径d138.7394mm来计算应有的齿数。于是有取z70。（4）齿轮齿条其它尺寸参数的计算 1)齿轮宽度2）取齿条宽度b60mm。 3）齿距 4）齿顶高系数 5）顶隙系数 6）齿轮基圆直径 7）变位系数 8）齿厚 9）齿顶高 10）齿根高 11）齿顶圆直径 12）齿根圆直径 (5)、齿轮结构设计 由以上计算知大齿轮的齿顶圆直径小于160mm，故做成实心结构的齿轮。6结论本文在分析生产线送料机器人的现状和发展前景的基础上，针对人工操作劳动强度大，生产效率低，动作的重复性高以及生产线数控机床上下料频繁等主要问题进行了分析和研究，研制出一种易于制造，生产成本低，生产周期短，适应性强，柔性好，操作简单和维护检修方便等特点的生产线送料机器人。通过对国内外机器人的了解，本文对生产线送料机器人的设计进行了论述，详细介绍了生产线送料机器人的运动特性和工作原理。对生产线送料机器人的主体结构和传动机构的作用与设计要求进行了说明，进而阐述了它们的设计和选择原则，并介绍了它们的优缺点。在此基础上，对多种方案进行比较，最后选择了适合生产线数控机床上下料的最佳方案。在机械结构方面，合理的设计了机器人的机构使机器人自身尽可能的达到平衡。对腰部回转齿轮进行了详细的设计。在液压系统方面，针对生产线送料机器人各主体结构的运动和力学性能，根据各种液压元件的作用和使用条件，对生产线送料机器人的液压系统进行了设计。该液压系统不但能够满足生产线送料机器人对运动和力学性能方面的要求，而且具有结构紧凑，重量轻，易于实现自动化和便于维修等优点。同时，对液压系统的动态特性进行了分析，分析的结果表明，该液压系统的工作是稳定的。最后还用PR