机械手臂的焊枪夹具设计【全套含6张CAD图纸】
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摘 要随着焊接技术的发展，为了适应焊缝形式多样化、焊接工艺规范化以及保证稳定的焊接质量等多方面的要求，对自动焊接设备所属的焊枪夹持机构的要求也越来越高。而目前国内外对焊枪夹持机构的设计研究并不多，焊枪夹持技术还比较落后，焊枪夹持机构的开发和应用还远不能满足焊接生产实际的需要。本文介绍了一套焊枪夹持机构。本设计的重点是运用机械原理和机械制造装备设计方法设计焊接机器人的实践和方法。本次设计，是在了解焊接机器人在国内外现状的基础上，进而掌握焊接机器人内部结构和工作原理，并对手臂和腕部进行结构设计。 关键词：焊接，焊枪夹具，夹持机构 IIIAbstractWith the development of welding technology, in order to adapt to the diverse forms of weld, the welding process standardization and ensure the stability of the welding quality, and many other requirements, the clamping mechanism of automatic welding torch equipment belongs requirements are also increasing. The current design of the studies on gun clamping mechanism is not much holding the gun is still relatively backward technology, development and application of welding torch clamping mechanism is still far from being able to meet the actual needs of welding. This article describes a gun clamping mechanism. Focus of this design is the use of mechanical principles and mechanical manufacturing equipment design and methods of design practice welding robot. This design is based on the understanding of the status of the welding robot at home and abroad, then grasp the internal structure and welding robots working principle and structural design of the arm and wrist. Key Words: Welding torch clamp, the clamping mechanism目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 焊枪夹持机构的发展与现状11.1.1 管道焊接的发展与现状11.1.2 夹持机构的发展与现状31.2 课题的研究内容和研究方法41.2.1 研究的基本内容41.2.2 研究步骤、方法41.3 本章小结4第2章 焊枪夹持机构设计52.1夹持器设计基本要求52.2夹持器结构设计52.2.1 研究步骤、方法52.2.2 手爪的夹持误差及分析92.2.3 锲块等尺寸的确定122.2.4 材料及连接件选择14第3章 腕部结构的设计与计算163.1腕部设计的基本要求163.2回转缸驱动的典型腕部结构163.3腕部结构设计计算173.3.1 腕部回转力矩计算173.3.2 回转液压缸所驱动力矩计算193.3.3 回转缸内径计算203.3.4 液压缸盖螺钉计算213.3.5 静片和输出轴间的连接螺钉233.3.6腕部轴承选择243.3.7材料及连接件、密封件选择24第4章 伸缩臂设计与计算264.1臂部设计的基本要求264.2手臂典型机构和结构的选择274.2.1手臂的典型运动机构274.2.2手臂运动机构选择274.3手臂直线运动的驱动力计算274.3.1手臂摩擦力的分析计算284.3.2手臂惯性力计算294.3.3密封装置的摩擦阻力294.4 液压缸工作压力和结构确定294.5 活塞杆的计算校核304.6 小结31第5章 结论325.1 经济效益分析325.2 市场前景分析32参考文献33致 谢34 第1章 绪论第1章 绪论1.1 焊枪夹持机构的发展与现状1.1.1 管道焊接的发展与现状世界现代焊接技术以高效、节能、优质及其工艺过程数字化、自动化、智能化控制为特征。在国内无论是从目前焊接设备和材料产量构成比的发展趋势，还是从焊接设备和材料的制造技术和发展方向上看我国现化焊接技术已有很大发展,部分产品技术已达到或接近国外先进水平。焊接是管道安装的关键技术，焊接质量同时也是管道安装质量的质量关键近几年特别是在西气东输工程中，管道的焊接技术获得了长足发展，为今后国内管道的建设奠定了基础。随着石油和天然气工业的发展,管道输送油气以其安全、经济、专能、高效而飞速发展，长距离、大管径、高压力正成为陆上油气输送管道的发展方向由于油气管线飞速建设的需要管道焊接工艺、焊接设备、焊接材料也相应得到了很大发展。随着管线用钢的发展对管道的焊接也相应地提出了要求。我国钢质管道环缝焊接技术有一个发展过程从手工电弧焊上向焊技术、手工电弧焊下向焊技术，一直到现在应用的半自动焊技术和自动焊技术。目前管道焊接的施工工艺有如下几种：1、手工电弧焊。a. 手工厚药皮焊条、手工焊条向上焊接。作为首先成熟的焊接技术，在管道连接上首先获得应用，推动了管道建设的发展。使用方便，具有良好的环境适应性，焊接材料制造简单，但焊接效率低下，因为线能量的影响，不适于高钢级管线钢的焊接。b. 手工氩弧焊。作为气保焊，在管道的焊接上主要用于小管的焊接和大口径管道的根焊的焊接，焊缝质量优良，特别是在耐蚀合金的焊接上，有独到的优势。但焊接效率低，对工人要求高，目前大多采用热丝自动氩弧焊技术。手工电弧焊上向焊时管口组对间隙大，每一焊层厚度大，焊接过程容易产生缺陷。但由于手工焊的灵活性以及焊接设备要求不高等原因，目前，对于室外管线的焊接，手工电弧焊的工作量仍占40% 50%。2、纤维素下向焊接工艺。纤维素下向焊接工艺是国内外普遍采用的一种焊接工艺，应用于包括钢材为X70 以下的所有薄壁大口径管道焊接。其焊接速度快,根焊性能好，焊缝射线探伤合格率高，经济性优良。3、低氢型立下向焊条焊接。该工艺与纤维素下向焊接工艺相比，根焊速度较慢，主要用于气候条件极端恶劣输送酸性气体及高含硫油气介质，对低温韧性要求较高的管道或者厚壁管的焊接。随着管线钢的发展，特别是微合金控制技术在冶金行业的广泛应用，对管道焊接技术提出了更高的要求，同时随大口径、厚壁厚长输管道的应用，传统的厚药皮焊条向上焊已不能满足长输管道建设对焊接技术的要求，为此，焊条下向焊技术在长输管道建设上获得了广泛应用，焊接效率大大高于传统的焊条向上焊技术，可适用管材范围广，从API5LX42直到API5LX100管材都能适用。4、立下向纤维素焊条打底焊，CO2气保焊填充面。由于CO2焊生产率高、成本低，近年来不断得到推广和应用，但对油气管道焊，要实现全位置焊接，必须在较小的电流范围内，用短路过渡形式完成，而短路过渡方式用于打底焊易出现未焊透等缺陷。因此，采用立下向纤维素焊条打底实现单面焊，背面成型，然后再用效率高的CO2气保焊填充面。5、自保护药芯焊丝半自动焊。自保护药芯焊丝半自动焊特别适用于户外有风的场合，它不使用CO2，靠药芯产生的气体保护，自保护焊技术克服了普通CO2焊接的指形焊缝缺点，焊接效率高，焊接质量稳定可靠，抗风性好，可用于管道的高熔效率的全位置焊。因为无须保护而具有良好的环境适应性，因而获得了较为广泛的应用。随着管道建设的发展，特别是大口径长输管道的建设和劳动力成本的增加，管道自动焊得以发展。最先由美国的CRC公司发明并应用了管道全自动焊技术。到目前仅CRC公司的自动焊设备已完成超过60000km的长输管道建设。目前，以林肯公司生产的自保护药芯焊丝为各国所认同，其品牌有NR-207、NR-204-H、NR-208-H 等多种，可适用于X70、X80等管道的立下向焊。但该方法在打底焊时，焊根易出现未熔合的缺陷。6、高性能焊机的CO2气体保护半自动或全自动焊。目前，国外相继生产了对焊接电流和电压波形进行适时控制或对输出特性进行电能控制的高性能电源，林肯公司的STT表面张力过渡焊接技术就属于波形控制的范畴。基于焊接设备性能的提高，使得管道半自动及全自动CO2气保焊得以很好实现，这就大大提高了焊接效率和焊接质量。1.1.2 夹持机构的发展与现状夹持机构是用于带动指定部件或工件实现特定动作或保持其特定状态的机构。用于装配、输送工件的机器人，都带有能在指定位置上将被操作的工件抓取并夹紧的夹持机构。准确地抓取、可靠地夹紧以及有稳定的夹紧运动，不损伤或夹坏工件是夹持机构应保证的工作性能。夹持机构按作用原理可分为机械的、气动的、电磁的、带有弹性室的等等。焊枪夹持机构就是用于带动焊枪以实现其水平和垂直移动及前后摆动的夹持器。目前，焊枪夹持机构主要用于自动焊接当中，是自动焊接机的重要组成部分，它是在小坡口、窄焊缝及厚钢板深焊缝的焊接中，保证熔深和熔透性所必不可少的机械单元，对保证焊缝表面成形的匀称美观，保证焊接质量，提高工效，也起着十分重要的作用。气体保护自动焊接设备因越来越受到重视而迅速地发展起来，为了适应焊缝形式多样化，焊接工艺规范化等多方面的要求，对这些气体保护自动焊接设备所属的焊枪摆动器功能的要求也越来越高。而目前国内外焊枪摆动器的现状是技术落后，功能单一，专机专用，尚未普及，极大的限制了气体保护自动焊接设备应用范围的拓展。国内焊枪摆动器的开发和应用刚刚起步，国外有少数此类定型产品，但其焊枪摆动器只能作往复直线摆动，而无其他功能，远不能满足焊接生产实际的需要。研制一种既能作直线摆动，又能作角摆动和组合式摆动，且结构简单，操作方便的焊枪摆动器是当务之急。焊枪的摆动机构主要由一个摆动中心传感器、一个高速步进电机驱动滑块机构和焊枪夹持机构组成。其性能的好坏将直接影响焊缝的成形。根据焊接工艺要求，焊枪摆动到两端时必须有一定的停留时间，停留时间很短(一般为0.5 s)。摆动机构实际上是一个带间歇的往复直线运动的机构，采用高速电机驱动控制技术，此间歇是由电机控制实现。摆动机构的传动原理为，将高速步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠旋转，由于电机通过机座固定于行走小车上，故丝杠旋转而滑块通过丝杠螺母作轴向直线运动，焊枪夹持机构与滑块相连，从而实现焊枪的摆动运动。1.2 课题的研究内容和研究方法1.2.1 研究的基本内容本焊枪夹持机构，主要用于精密焊接的焊枪夹持，设计一个结构合理的焊枪夹持机构对于提高接性能，具有重要意义。本课题将主要涉及焊枪夹持机构总体方案及其整体设计思路。，并拟重点研究，焊枪夹持机构的机械结构设计。1.2.2 研究步骤、方法1、根据课题准备，查阅国内外相关文献资料，包括管道焊接的发展现状及前景，和与焊枪夹持机构相关的技术和设备。对所查得的文献资料进行系统的学习，理解并掌握焊枪夹持机构的基本原理。2、查阅外文文献和专利，对所查外文文献进行翻译、理解，了解国外与课题相关领域的最新技术及其应用与发展。3、通过所查资料，整理分析，写出综述报告，拟订设计方案。4、进行总体方案设计，焊枪夹持机构的总体设计方案包括，技术路线、开发手段、系统组成及功能。5、机械结构设计，进行焊枪夹持机构的机械结构设计，绘制成型机的机械结构草图。6、撰写设计说明书、论文，完成最后的修改，定稿并准备答辩。1.3 本章小结本章主要对国内外的管道焊接技术和焊枪夹持技术的发展与现状进行了一个大体地介绍，管道焊接和夹持机构在国内外均有广泛的研究，并取得了比较多的研究成果。但在国内用于管道焊接的夹持机构的研究还并不是很成熟，目前还主要是专机专用的情况。另外，本章还简要的介绍了焊枪夹持机构设计这个课题的研究基本内容，包括焊枪夹持机构的基本结构和设计要求。并对基本步骤和方法进行了简单的计划。33第2章 本章标题第2章 焊枪夹持机构设计2.1夹持器设计基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；（2）手指应具有一定的开闭范围；（3）应保证工件在手指内的夹持精度；（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；（5）应考虑通用性和特殊要求。设计参数及要求（1）采用手指式夹持器；（2）所要抓紧的焊枪直径为80mm，放松时的两抓的最大距离为110-120mm/s，1s抓紧，夹持速度20mm/s；（3）夹持器有足够的夹持力；（4）夹持器靠法兰联接在手臂上。由液压缸提供动力。2.2夹持器结构设计2.2.1 研究步骤、方法1. 夹紧力计算手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： 2-1式中：安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.2-2.0，取1.5；工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工作情况系数, ，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）；方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指与工件形状：型指端夹持圆柱型工件，为摩擦系数，为型手指半角，此处粗略计算,如图2.1图2.1被抓取工件的重量求得夹紧力，取整为177N。2. 驱动力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式：式中：c滚子至销轴之间的距离；b爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角可得，得出为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.80.9，此处取0.88，则： ，取3. 液压缸驱动力计算设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力：式中 活塞直径 活塞杆直径 驱动压力，已知液压缸驱动力，且10KN由于，故选工作压力P=1MPa 据公式计算可得液压缸内径：根据液压设计手册,见表2.1，圆整后取D=32mm。表2.1 液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250活塞杆直径 d=0.5D=0.540mm=16mm活塞厚 B=(0.61.0)D 取B=0.8d=0.732mm=22.4mm,取23mm.缸筒长度 L(2030)D 取L为123mm活塞行程，当抓取80mm工件时，即手爪从张开120mm减小到80mm，楔快向前移动大约40mm。取液压缸行程S=40mm。液压缸流量计算：放松时流量 夹紧时流量4. 选用夹持器液压缸温州中冶液压气动有限公司所生产的轻型拉杆液压缸 型号为：MOB-B-32-83-FB，结构简图，外形尺寸及技术参数如下：表2.2夹持器液压缸技术参数工作压力使用温度范围允许最大速度效率传动介质缸径受压面积()速度比无杆腔有杆腔1MPa+300 m/s90%常规矿物液压油32mm5图2.2 结构简图图2.3 外形尺寸2.2.2 手爪的夹持误差及分析机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图2-4，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。图 2.4工件直径为80mm，尺寸偏差，则，。 本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图2.5。图2.5若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有：简化为： 该方程为双曲线方程，如图2.6：图2.6 工件半径与夹持误差关系曲线由上图得，当工件半径为时，X取最小值，又从上式可以求出：，通常取若工件的半径变化到时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用表示。在设计中，希望按给定的和来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径取为时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当a值较大时），偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的和边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径，以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式：其中,型钳的夹角代入得出： 则 则，此时定位误差为和中的最大值。分别代入得：，所以，夹持误差满足设计要求。由以上各值可得：取值为。2.2.3 锲块等尺寸的确定楔块进入杠杆手指时的力分析如下：图 2.7上图2.7中斜楔角，时有增力作用；滚子与斜楔面间当量摩擦角，为滚子与转轴间的摩擦角，为转轴直径，为滚子外径，为滚子与转轴间摩擦系数; 支点至斜面垂线与杠杆的夹角；杠杆驱动端杆长；杠杆夹紧端杆长；杠杆传动机械效率1. 斜锲的传动效率斜楔的传动效率可由下式表示： 杠杆传动机械效率取0.834，取0.1，取0.5，则可得=, ，取整得=。2. 动作范围分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即，见图 2.8图 2.8如果，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所以必须大于。此外，当时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。3. 斜锲驱动行程与手指开闭范围当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为L，此时对应的杠杆手指由位置转到位置，其驱动行程可用下式表示：杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为： 通常状态下，在左右范围内，则由手指需要的开闭范围来确定。由给定条件可知最大为55-60mm,最小设定为30mm.即。已知，可得，有图关系：图2.9可知：楔块下边为60mm，支点O距中心线30mm，且有，解得：4. 与的确定斜楔传动比可由下式表示：可知一定时，愈大，愈大，且杠杆手指的转角在范围内增大时，传动比减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由分配距离为：，。5. 的确定由前式得：，取。6. L的确定为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有下图中关系图2.10，取，则楔块上边长为18.686，取19mm.2.2.4 材料及连接件选择V型指与夹持器连接选用圆柱销，d=8mm, 需使用2个杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销，d=8mm, 需使用2个滚子与手指连接选用圆柱销，d=6mm, 需使用2个以上材料均为钢，无淬火和表面处理楔块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径12mm，螺距p=1，旋合长度为10mm。第4章 本章标题第3章 腕部结构的设计与计算3.1腕部设计的基本要求(1) 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 (2) 结构考虑，合理布局腕部作为焊接机器人的执行机构，又承担连接和支撑焊枪的作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。 (3) 必须考虑工作条件对于本次设计，焊接机器人的工作条件是在工作场合中焊接工件，最大载荷为8KG，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对焊接机器人的腕部没有太多不利因素。3.2回转缸驱动的典型腕部结构如图3.1所示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从AA剖视图上可以看到，回转叶片（简称动片）用螺钉，销钉和转轴10连接在一起，定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔5.7进出油腔，实现手部12的旋转。旋转角的极限值由动，静片之间允许回转的角度来决定（一般小于），图中缸可回转。腕部旋转位置控制问题，可采用机械挡块定位。当要求任意点定位时，可采用位置检测元件（如本例为电位器，其轴安装在件1左端面的小孔）对所需位置进行检测并加以反馈控制。图3.1图示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个油管。通向手部驱动液压缸的油管是从回转中心通过，腕部回转时，油路认可保证畅通，这种布置可使油管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管（一根供手部油管，两根供腕部回转液压缸）由手臂内通过并经腕架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动，参考上图典型结构。3.3腕部结构设计计算3.3.1 腕部回转力矩计算腕部回转时，需要克服的阻力有：（1）腕部回转支承处的摩擦力矩式中 ，轴承处支反力（N），可由静力平衡方程求得; ,轴承的直径（m）； 轴承的摩擦系数，对于滚动轴承=0.01-0.02；对于滑动轴承=0.1。为简化计算，取，如图3.1所示，其中，为工件重量，为手部重量，为手腕转动件重量。图3.1（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩式中 e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离，已知e=10mm.则 （3）克服启动惯性所需的力矩启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度及启动过程转过的角度按下式计算：式中 工件对手腕回转轴线的转动惯量； 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量； 手腕回转过程的角速度； 启动过程所需的时间，一般取0.05-0.3s,此处取0.1s.。手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为200mm，直径90mm，其重力估算： ,取98N.等效圆柱体的转动惯量： 工件的转动惯量，已知圆柱体工件， 要求工件在0.5s内旋转90度, 取平均角速度，即=，代入得： 解可得： =0.80833.3.2 回转液压缸所驱动力矩计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩如图3.3，定片1与缸体2固连，动片3与转轴5固连，当a, b口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。图3.3图3.4图3.4为回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩。 或 式中 手腕回转时的总的阻力矩 回转液压缸的工作压力（Pa） 缸体内孔半径（m） 输出轴半径（m），设计时按选取 动片宽度（m）上述动力距与压力的关系是设定为低压腔背压力等于零。3.3.3 回转缸内径计算由 ，得：， 为减少动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度时，选用：综合考虑，取值计算如下：r=16mm，R=40mm，b=50mm，取值为1Mpa，即如下图：图 液压缸盖螺钉计算图3.6缸盖螺钉间距示意表3.3 螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（Mpa）螺钉的间距t(mm)小于150小于120小于100小于80上图中表示的连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为：，即工作拉力与残余预紧力之和计算如下：液压缸工作压强为P=1Mpa,所以螺钉间距小于150mm,试选择2个螺钉，所以选择螺钉数目合适Z=2个 受力截面 ，此处连接要求有密封性，故k取（1.5-1.8），取K=1.6。 所以 螺钉材料选择Q235，安全系数n取1.5（1.5-2.2）螺钉的直径由下式得出 ，F为总拉力即 螺钉的直径选择d=8mm.3.3.5 静片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数。螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： 为预紧力,为接合面摩擦系数，取（0.10-0.16）范围的0.15，即钢和铸铁零件，为接合面数，取=2，Z为螺钉数目，取Z=2，D为静片的外径，d为输出轴直径，则可得： 螺钉的强度条件为： 带入有关数据，得：螺钉材料选择Q235，则（安全系数）螺钉的直径 ，d值极小，取。螺钉选择M6的开槽盘头螺钉， ,如图3.7：图腕部轴承选择腕部材料选择HT200，估计轴承所受径向载荷为50N,轴向载荷较小，忽略。两处均选用深沟球轴承。现校核较小轴径处轴承。6005轴承基本数据如下：，当量动载荷，载荷系数取1，则，由公式：N为转速，由0.5s完成回转，计算得：，球轴承代入得：，远大于轴承额定寿命。选用轴承为深沟球轴承6005，6008。3.3.7材料及连接件、密封件选择右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。右缸盖与缸体连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。左缸盖与缸体及法兰盘连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。选用垫圈防松，公称尺寸为5。右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。为定位作用，轴左侧增加一个套筒，材料为HT200，尺寸如下：图3.8动片与输出轴连接选用六角头螺栓 全螺纹， ， 需用2个。密封件选择：全部选用毡圈油环密封，材料为半粗羊毛毡。右端盖 d=40mm, 左右缸盖 d=25mm。第4章 伸缩臂设计与计算4.1臂部设计的基本要求臂部设计首先要实现所要求的运动，为此，需要满足下列各项基本要求： 一、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻对于机械手臂部或机身的承载能力，通常取决于其刚度。以臂部为例，一般结构上较多采用悬臂梁形式（水平或垂直悬伸）。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力影响很大。为提高刚度，除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外，尚应注意以下几方面：(1) 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸；(2) 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离；(3) 合理布置作用力的位置和方向；(4) 注意简化结构；(5) 提高配合精度。 二、臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在最大回转角速度设计在内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有4个途径Error! Reference source not found.： (1) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料； (2) 减少臂部运动件的轮廓尺寸； (3) 减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作； (4) 在驱动系统中设缓冲装置。 三、手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件Error! Reference source not found.。 四、位置精度要求高一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度要求较高；关节式机械手的位置精度最难控制，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测结构，能较好地控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件间的间隙。总结：除此之外，要求机械手的通用性要好，能适合多种作业的要求；工艺性好，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热、冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。4.2手臂典型机构和结构的选择4.2.1手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种： (1) 双导杆手臂伸缩机构； (2) 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构； (1) 双活塞杆液压缸结构； (2) 活塞杆和齿轮齿条机构。4.2.2手臂运动机构选择通过以上，综合考虑，本次设计选择液压缸伸缩机构，使用液压驱动,水平伸缩液压缸选用伸缩式液压缸；竖直伸缩液压缸选用双作用活塞缸。4.3手臂直线运动的驱动力计算首先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构图。作水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力，应根据液压缸运动时所要克服的摩擦力和惯性力等几个方面的阻力进行确定。液压缸活塞的驱动力的计算公式可表示为：F=(A1p1-A2p2)m (4.1)4.3.1手臂摩擦力的分析计算摩擦力的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。图4-1 机械手臂部受力示意图计算如下：得 得 (4.2)式中 -参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；L-手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算；a-导向支撑的长度（m）；-当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关；对于圆柱面：-摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取=0.10.15钢对铸铁：取=0.180.3选取：，G=500N，L=1.49-0.028=1.21m,导向支撑a设计为0.016m。将有关数据代入进行计算：4.3.2手臂惯性力计算本设计要求手臂平动是V=1200mm/s；假定：在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度； (4.3)4.3.3密封装置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：F摩=65N。经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：F=1243.8N4.4 液压缸工作压力和结构确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=1243.8N，根据表3-1选择液压缸的工作压力P=2MPa。确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图4-2所示图4-2 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔：F1=(A1p1-A2p2)m （4.4）当油进入有杆腔中：F2=(A2p1-A1p2)m (4.5)其中：m为机械效率。液压缸的有效面积：A故有： A1=D2/4 （无杆腔） (4.6) A2= D2/4-d2/4 （有杆腔）Error! Reference source not found. (4.7)F=6210N，选择机械效率。将有关数据代入：根据表3-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=42mm。液压缸外径的设计：根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm，所以该液压缸的外径为60mm。4.5 活塞杆的计算校核一、活塞杆强度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。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算： = F/A (4.8)设计中活塞杆取材料为碳钢，故，活塞直径d=20mm，L=1360mm,现在进行校核： = F/A 结论：活塞杆满足强度要求。2、 活塞杆刚度校核图4-3 刚度校核示意图现按照伸出液压缸的最小直径进行校核,为便于计算把伸出的液压缸简化成一悬臂梁。取:载荷F=400N,悬臂L=1730mm。梁转角： (4.9)梁挠度： (4.10)其中：E为材料的弹性模量：E=210GpaI为转动惯量：取I=1.110-10EI=24 =-0.00249rad =-0.0288mm结论:悬臂活塞杆满足刚度要求。4.6 小结本章设计了搬运机器人的手臂结构，手臂采用液压驱动伸缩机构，对驱动的液压缸的驱动力进行了计算。并对液压缸的基本尺寸进行了设计，同时对液压缸活塞杆的强度和刚度进行了校核，校核结果均满足要求。结论第5章 结论5.1 经济效益分析我所设计的焊枪夹持机构主要用于在复合管焊接成型的过程中对焊枪进行固定和位置控制。本焊枪夹持结构比较简单，主要由三个大部分组成，各部分的制作成本均不太高。焊枪夹持机构其他部件所使用的材料均是常见的标准型材经过焊接或简单机加工而成，制作材料价格低廉，加工工艺比较简单，加工费用比较低。5.2 市场前景分析随着管道焊接技术的发展，为了适应焊缝形式多样化、焊接工艺规范化以及保证稳定的焊接质量等多方面的要求，对自动焊接设备所属的焊枪夹持机构的要求也越来越高。而目前国内外对焊枪夹持机构的设计研究并不多，焊枪夹持技术还比较落后，焊枪夹持机构的功能单一，专机专用，尚未普及，极大的限制了自动焊接设备应用范围的拓展。国内焊枪夹持机构的开发和应用还远不能满足焊接生产实际的需要。本课题所设计的焊枪夹持机构是为复合管焊接成型而专门设计的。由于复合管成型对焊接的要求比较特殊，它需
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