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工业 机械手 结构设计 分析 自由度 液压 13 CAD 图纸

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工业机械手的结构设计与分析摘 要 ：随着工业的快速发展，工业加工制造中科技水平越来越高，越来越多的自动化机器出现在加工生产线上。本课题是设计一个五自由度的液压机械手，能够在大范围的区域内抓取工件并进行相关的运动。本文将对机械手的手部、腕部、臂部、机身等结构进行分析设计，通过对机械手的受力分析，设计相应的结构。其中，手部采用滑槽杠杆式结构，手爪通过摩擦力夹紧工件，驱动部分选用液压缸提供拉力；手腕选择回转液压缸实现旋转运动；臂部选择双导向杆结构起支撑作用，液压缸实现伸缩与升降；大臂置于机身回转缸之上的形式；选择合适的驱动方式，实现工件从抓取到搬运过程中平稳运动。本文研究的机械手一定程度上提高了机械加工的效率，改善了人们的劳动条件，可以为以后其他机械手设计提供参考。关键词：机械手，液压传动，液压缸IIStructural design and analysis of industrial manipulatorAbstract：With the rapid development of industry, the level of science and technology in industrial processing and manufacturing is getting higher and higher. More and more automatic machines appear on the processing line.This topic is to design a five degree of freedom hydraulic manipulator, which can grasp workpiece and carry out related movement in a large area. This paper will analyze and design the hand, wrist and arm of the manipulator, and design the corresponding structure by analyzing the force of the manipulator. Among them, the hand adopts the lever type structure of the sliding groove, the hand clamps the workpiece through the friction force, the driving part uses the hydraulic cylinder to provide pulling force; the wrist chooses the rotary hydraulic cylinder to realize the rotation movement; the arm chooses the double guide rod structure to play the supporting role, the hydraulic cylinder can be telescopic and lifted, and the large arm is placed above the rotary cylinder of the fuselage. Choose suitable driving mode to achieve stable movement of workpiece from grasping to transporting.The mechanical hand studied in this paper improves the efficiency of mechanical processing to a certain extent, improves the working conditions of people, and can provide reference for the design of other manipulator in the future.Key words: mechanical hand, hydraulic transmission, hydraulic cylinder目录摘要 目录 1 绪论11.1 课题的研究背景和意义11.2 国内外研究状况11.3 课题研究的内容32 总体方案的设计42.1 设计工作要求42.2 结构参数42.3 总体参数53 手部的结构设计63.1 手部设计概述63.2 驱动力的计算63.3 夹紧液压缸的设计计算及校核84 腕部的结构设计计算114.1 腕部设计概述114.2 腕部回转力矩的计算124.3 回转缸的结构设计134.4 缸盖螺钉的设计计算与校核145 小臂结构设计计算165.1 小臂设计概述165.2 液压缸伸缩驱动力的计算165.3 手臂伸缩缸结构设计185.4 油缸端盖的链接方式和强度计算186 大臂结构设计计算206.1 概述206.2 大臂升降驱动力的计算206.3 油缸尺寸参数的计算216.4 缸盖螺钉的计算校核226.5 大臂回转结构的设计236.5.1 回转液压缸驱动力矩的计算236.5.2 回转油缸各个参数的确定247 其他辅助结构的设计及校核267.1 俯仰油缸的结构设计267.1.1 俯仰缸的驱动力的计算267.1.2 油缸端盖螺钉的计算校核277.2 手臂处双导向杆设计287.3 轴承的选用及校核297.4 回转缸输出轴的设计297.5 油缸的密封318 结论32参考文献33致谢34III1 绪论1.1 课题研究的背景和意义工业机械手，从本质上讲，它隶属于工业机器人的范畴，机器人学是最近几十年才发展起来的，它是一门综合学科，包含了机械电子工程，计算机，自动化控制以及人工智能等多门学科综合而来的最新研究项目。体现出机电一体化技术的最新成果，是如今科学技术界中发展得最活跃的技术之一，是衡量一个国家经济水平与技术的重要标志。机械手能够在复杂的环境中完成准确的定位，广泛应用于工业生产制造中的各种自动化生产线上，在国家发展国民经济中具有广阔的发展前景1。机械手：最初是一种可以模仿人的手臂完成一些简单的动作，如抓取物体在空间移动，翻转，代替人们的手去完成工作，将人们的双手从繁重的劳动中解放出来，特别是在现在的制造业中，更多的地方需要人性化，比如太重的东西，人们搬不动，就可以使用机械手来代替操作，还有一些危险的作业，像有毒喷漆，具有辐射的环境，机械手都可以表现出前所未有的优势。所以机械手图 1-1 机械手带来的巨大积极作用受到了人们的重视，于是现在人们开始在加大对机械手的研究，然后大量运用在生产线上，使得制造业的发展又加快了步伐，在工业中运用的机械手，使自动化的发展更上升一步空间，向着综合柔性化发展，在汽车制造，电器工业，工程机械，电子等研究新的技术时，引入高级机器人技术后采用柔性化的智能设备，使得传统的机器人技术得到本质上的提升，机械手的未来必定是智能化，柔性化的系统，让机器变得比人更聪明2。1.2 国内外研究状况机械手是最近才发展起来的高端产业，起源于 1960 年左右，经过 50 多年的发展历史，机械手这门综合学科经历了波浪式的发展过程，如今，全球有多大 200 多万的机械手运行在各种生产线上。最初由美国开始对机械手开展了研究，1958第 34 页 共 34 页年，美国一个名叫联合控制的公司研制成功了世界上第一台机械手，它的控制方式是示教型的。有可以旋转的手臂，能抓取工件的手爪。1962 年，又一个新型机械手 Versatran 机械手诞生于美国的机械铸造公司，它的形状类似于坦克，手臂相当于坦克的炮管，可以在空间中自由旋转，手爪安装在炮管端部，能够运动在大范围的圆周区间中。虽然这些机械手在现在看起来结构都相当简单，但这都是国外机械手发展起来的基础。现在国外的机械手发展状况有如下几个趋势，（1）工业机器人的性能不断提高，在速度，精度，可靠性平稳度等这些方面中有得巨大的提升，而且对于机械手的维修也越来越方便，单个机械手的价格也越来越低，机械手的性价比得到了飞跃的提升。（2）机械手的结构向着摸块化以及可重构化方向快速发展，比如机械手中的关节化模块，模块中包含有步进电机，驱动部件，执行部件，由这些组成的模块能够重构为一个机械手，在国外，已经有这样的机械手问世。（3） 工业机械手的控制部分向 PC 机开放出来，有利于机械手控制系统与计算机的结合，控制系统可以做成一个芯片，大大的减小了控制箱的大小，控制方便，更容易操控。（4）机器人技术中越来越多的利用各种传感器，应用得多的传感器有力传感器，加速度传感器，位移传感器，图像传感器，利用机械手的各种传感器将周围的环境传送到机器人的控制中心，控制中心收到信号之后自动判断下一步动作，完成机械手的自动控制。比如机器人在遇到前方障碍时，会自动转弯绕开障碍，安全动作。（5）虚拟技术以及 AI 人工智能的加入，让机器人本身也能够拥有思考，根据外部信号，机器人的中央处理器处理之后输出动作。还有各种遥感技术的加持，即使在异地也能控制到在远处进行运作的机器人，这样避免了在危险环境中的操作，人们不用置身于险地，在安全的地方也能正常操作3。虽然我国的液压机械手相对于国际发展起步较晚，但发展还是比较迅速 的。在国内机械手研究方面较为突出的有：中国科学技术大学，哈尔滨工业大学，浙江大学，由哈工大机器人研究所研制的“836”重点项目，该项目在机械手业界中取得了巨大的成功。为更好地完成该系统的研究，哈工大成功研制了空间机械手系统原型样机，该样机包括 6 自由度可折叠机械臂、手爪、中央控制器和支撑锁紧机构。关节采用摸块化设计方法，集机构、驱动、传感和控制一体，采用大中心孔设计方法实现机械臂的内部走线，以消除空间环境对导线及其输出信号的影响，空间机器人手爪具有高刚度，大夹持力、快速闭合、大抓捕范围以及准确捕获姿态精度等准确性，仅仅是完成这个项目就申请国家发明专利 10 余项。在工业生产中也有不少企业能自己生产出性能较好的机械手，研发出机械手的自由度越来越多，因为机械手的自由度越多，越能完成更多，更复杂的动作。液压机械手是在吸收国外先进技术的基础上研制开发而成的，主要用于树脂砂脱箱造型的涂料流涂、合型或搬运等操作，具有夹紧、砂型翻转、平衡协调等功能，全液压驱动夹紧力连续可调，动作平稳、可靠4。液压机械手可配升降、行走机构，需要根据客户要求，及现场情况另行非标设计。1.3 课题研究的内容本课题是关于液压机械手的研制，主要研究以下这几个内容（1）手部的结构设计手部是与工件直接接触的部件，需要进行夹紧油缸及其附属部件的选择和校核，活塞杆校核。（2）腕部的结构设计它是链接手部与臂部的部件，可以沿着自身轴线，从而改变工件在空间中的角度，手腕设计需要考虑满足启动和传输工件过程中所需要的力矩，还有输出轴与手部液压缸之间的链接，轴承的布置，使得手腕的结构简单，紧凑。（3）小臂的结构设计小臂主要用来改变手部在空间中的位置，它是主要的执行部件，其作用是连接腕部，中间有俯仰油缸的支撑作用，可以完成俯仰动作。尾部通过销孔连接在大臂上端，能够绕着中心旋转一定的角度，主要改变工件在水平方向上的位置，具有较大的范围。（4）大臂的结构设计大臂升降液压缸的设计，回转范围的确定，以及回转液压缸的设计校核。回转缸与机身连接在一起，支撑起整个机械手，完成机械手的所有动作。2 总体方案的设计2.1 设计工作要求本设计目的是为了设计一种五自由度的全液压驱动的工业机械手，保证机械手在夹持工件后在空间中大范围的运动，动作准确，尽量使工件运动稳定以提高产品的技工质量，满足经济性、可靠性以及标准化。2.2 结构参数根据工作要求，确定机械手的基本结构参数根据简图 2-1 可知：2-1 机械手运动结构简图机械手主要由手部、腕部、小臂、大臂、机座等五部分组成。手部：直接与工件接触的结构，用来夹紧工件，腕部：连接小臂与手部的结构，可以绕自身轴线旋转，有一个自由度， 小臂：连接大臂与腕部，可以水平伸缩与俯仰两个自由度，大臂：连接小臂与机座，起支撑作用，可以沿轴线旋转和升降两个自由度。部分尺寸的初步拟定：手部和腕部总长为 600mm，小臂长度 800-1200mm，其中 400mm 为伸缩距离， 大臂长度 1200-1700mm，其中 500mm 为升降高度。坐标形式以及自由度数：根据要求，此工业机械手采用五自由度球坐标形式，沿 Z 轴转动，沿 Z 轴方向升降，沿 X 轴转动，沿 X 方向伸缩，沿 Y 轴转动。机械手运动参数设计机械手的运动情况如下表 2-1 所示表 2-1 机械手运动参数设计运动方式动作范围运动速度控制方式腕部回转-90-90180/s节流阀调速小臂伸缩400mm200mm/s节流阀调速小臂俯仰0-4545/s节流阀调速大臂升降500mm250mm/s节流阀调速大臂回转-120-12045/s节流阀调速2.3 总体参数总体参数如表 2-2表 2-2 机械手总体参数项目技术参数结构形式球坐标形式自由度数五自由度最大负荷40KG驱动方式液压驱动手指夹持范围60-180定位精度2mm安装环境0-50通过对整体的方案进行构思，对机械手的各个部位有了充分的了解，一些重要的参数尺寸心中有一个底，对后面的设计计算做了一个铺垫，设计起来更方便一些。3 手部的结构设计3.1 概述机械手的手部是重要的执行结构，它是工业机械手与工件直接接触的部件， 可以执行跟人手相似的部分功能，由于工件的结构，大小不一样，机械手手部的构造也有很多的结构，大部分的手部都是按照抓取工件的不同而专门设计的，对于不同的工件，采用不同的材料以及结构，达到材料的合理使用，以及满足机械手抓取的要求。不同手部结构有不同的传力机构，传力机构又可以分为滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式等。结合本设计，需要较大的开合角以及提供较大的夹紧力，所以采用滑槽杠杆式手部。在进行手部设计师应该综合考虑以下等问题应具有足够的握力（即夹紧力） 1 在确定手指握力的时候，不仅要考虑到工件的重力，还应该考虑到工件在运动过程中所产生的惯性力以及震动，保证工件在运动过程中不会产生松动而脱落。 2 手指要具有一定的开合角度两个手指张开与闭合之间产生的两个最大位置之间所夹的角度称为开合角， 开合角的大小决定了工件是否能够顺利的进入与脱开，若机械手要夹持不同尺寸的工件，应该工件的最大尺寸设计。 3 要保证工件的准确定位为了使工件在加持中保持准确位置，必须根据被抓取的工件的形状选择对应的手指形状，比如圆柱型的工件最好采用 V 型面的手指结构，以便于工件的自定心。 4 要具有足够的强度与刚度手指除了受到被夹紧工件的反作用力之外，还会受到运动过程的惯性冲击与振动，因此手指刚度和强度也是设计中应该考虑到的一部分，防止手指在运动中受到震动儿弯曲变形，影响工作质量，尽量使结构简单，重量轻。 5 被抓取对象的要求应该根据工件的数量以及形状，抓取部位的不同设计和确定手指的形状结构。综合以上要求结合本设计，工件为圆柱型刚件，所以采用滑槽杠杆式手部形 式，手指采用 V 型块自定心定位，V 型块上垫合成橡胶，用来增大手指与工件之间的摩擦力，减少滑槽杠杆上拉力的负担，而且橡胶可以减少手指与工 件之间的刮擦，保证工件的质量要求5。3.2 驱动力的计算手部设计采用滑槽杠杆式设计，结构形式如图 3-1，受力分析如图 3-2根据图示的滑槽式手部结构，在拉杆 3 的作用下，销轴 2 提供拉力 F，通过销轴中心 O 点。两手指的滑槽对销轴的反作用力为 F1、F2，其力的方向垂直于滑槽中心线 O1O，O2O 并指向 O 点，F1 和 F2 的延长线交 O1O2 于 A 和 B，AOC= BOC=，根据销轴力的平衡条件，即 = 0 得 F1=F2 = 0 得 F1=F/(2cos)F1=-F1图 3-1 手部结构图图 3-2 滑槽杠杆式手部受力分析销轴对手指的作用力为 F1，手指在握紧工件时产生的力为握紧力，（即夹紧力），假设握力作用在手指与工件接触面的对称平面内，并且两个力的大小相等， 方向相反，用 FN 表示，由手指的力矩平衡条件可得 (1) = 0(3.1)F1h=FN bh=a/cosNF=2bcos2F /a式中a 手指的回转支撑点到对称中心线的垂直距离（mm） 工件被夹紧时手指的滑槽中心线方向与两回转支点连线的夹角b 工件压到手部位置受力中心到 O1 点的距离根据上式可以得出，当驱动力 F 一定时， 角增大则手指的握力也随之增大，但 角的增大会使得拉杆(即活塞杆)的行程增大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使手部结构变大，因此，一般 =30-40，本次设计取 =30。此手部设计结构简单，活动灵活，手指的开闭角大等特点，综合以上驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小，为了考虑工件在运动过程中的惯性力以及振动，以及传动效率的影响，其实际驱动力可以按以下公式计算F 实际=F 计算/工件的重量为 40KG，考虑到惯性和振动1） 、 手 指 对 工 件 的 夹 紧 力 的 计 算 公 式 : FNK1K2K3G.(3.2)式中 K1安全系数，通常取 1.2-2.0 本设计取 1.5 K2工作情况系数，主要是惯性力的影响，可以按下式计算K2=1+a/g=1+5/10=1.5工件最大运行速度 500mm/s 达到最大速度的时间为 0.1s，所以a=v/t=0.5/0.1=5K3摩擦系数的倒数刚件与橡胶之间的摩擦系数为 0.8 K3=1/f=1/0.8=1.25FN=1.5x1.5x1.25x40x10=1125N2）、由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式计算NF=2bcos2F /a=2x100xcos230x1125/60=2812.5N 3）、取手指的传动效率为 =0.85 F 实际=F 计算/=2812.5/0.85=3309N3.3 夹紧液压缸的设计计算及校核 1）根据设计的要求，液压缸有活塞杆两个动作，收缩与伸长，分别使工件被夹紧与松开，本设计选择双作用单活塞杆液压缸，根据所需要的最大夹紧力3309N 选取合适的液压缸参数，由于最大夹紧力为液压缸的拉力，所以设计时应以有杆腔处的计算公式为准液压缸的内径计算公式式中：D液压缸的内径F液压缸的夹紧力D=4 p+ 2（有杆腔）(3.3)P液压缸的工作压力液压缸的工作效率 d活塞杆的直径取 d=D/2由表 3-1 可知，根据夹紧力，选择液压缸的工作压力为 1Mpa，由 D=4 p+ 2 =433093.14x1x106x0.95+ ()22D=0.078m=78mm根据液压缸的内径系列（JB826-66）中选取液压缸的内径为 80mm，对应的活塞杆直径为 d=32mm。表 3-1 液压缸的工作压力作用在活塞杆上的外力 N液压缸的工作压力 Mpa于 50000.8-15000-100001.5-2.010000-200002.5-3.02）液压缸外径的选用以及验算缸体采用 45 号钢无缝钢管，由（JB1068-67）可得液压缸外径系列，如表3-2表 3-2 液压缸的外径系列缸内径3240506080100125180缸外径52607585105121150215注：1、液压缸工作压力16Mpa2、液压缸缸体材料为 45 钢的无缝钢管查区此表可知，缸筒的外径为 105mm，所以缸筒壁厚为 12.5mm，由于理论壁厚 L=PD/(2.3-P)=1x106x80/(2.3x110x106-1x106)x1=3.17mm得出 =12.5mm L满足要求。3）缸筒两端部的计算 1 液压缸缸筒底部的计算此液压缸的底部没有设计油口，则底部的厚度为h0.433D (3.4)(Dd)式中D液压缸内径max液压缸最大工作压力=2PN=2Mpa 缸底材料的许用应力，材料为 45 钢， =P/n=600/5=120Mpa,n 为安全系数，取 n=5经计算，h=5mm，考虑到链接结构要求取 h=15mm，满足强度要求。 2 液压缸端盖螺钉强度计算液压缸的工作压力为 1Mpa，选择螺钉的数目 Z=4,危险截面S=（R2-r2）=3.14x（0.082-0.0322）=0.017m2Q=PS/Z=1X106X0.017/4=4250N 选择 K=1.5，QS=KQ=6375NQ0=Q+QS=10625N,螺钉直径按强度条件计算d 4 (3.5)1式中QJ计算载荷 QJ=1.3Q0QJ=1.3Q0=13812.5许用抗拉应力 =/no 螺钉材料的屈服强度，材料选 45 钢，则屈服强度为 352Mpan 安全系数 n=1.2-2.5，此处取 n=1.8d1螺纹内径带入数据 d10.0095m，所以选择 M10 的沉头螺钉 3 缸筒端部链接强度计算缸筒端部与手指之间采用螺钉链接，链接如图 3-3图 3-3 端盖与手部螺钉连接图螺钉主要受拉力，工件与手部估重 50KG,根据杠杆原理，螺钉到中心线的距离为 70mm，手部与工件重心到中心线的距离 210mm，Q=50X10X210/70=1500N，选择 K=1.5，QS=KQ=2250N Q0=Q+QS=3750N,螺钉直径按强度条件计算d 4 (3.6)1式中: QJ计算载荷 QJ=1.3Q0QJ=1.3Q0=4875N许用抗拉应力 =/no 螺钉材料的屈服强度，材料选 45 钢，则屈服强度为 352Mpa n 安全系数 n=1.2-2.5，此处取 n=2d1螺纹内径代入数据 d10.0042m，所以选择 M6 的螺钉，螺钉数量 z=44 腕部的结构设计及计算4.1 腕部设计概述机械手的腕部是链接手部与小臂的重要结构，主要起支撑作用，还有就是是手部被夹持的零件可以绕着轴线旋转一定的角度，这就是腕部的回转运动，可以调整手部的定位。在进行腕部结构设计的时候，特别要注意以下几点： 1 结构紧凑，刚度好，重量尽量轻。 2 转动灵活，摩擦小，密封性要好。 3 解决好腕部与手部之间的链接方式，和小臂之间的链接等，以及各个自由度的检测，油管的布置，轴承的润滑，维修，调整等问题。 4 要根据工作情况的要求作出适应的调整。腕部的结构形式:本设计选择回转液压缸实现手腕的回转运动，结构紧凑，体积较小，回转范围-90-90。图 4-1 腕部结构图腕部的结构形式如上图 4-1定片与回转缸用螺钉连在一起，动片与用螺钉和输出轴连在一起，当回转缸的两个油口通入压力油之后，压力油推动动片转动，所以输出轴带动手部液压缸进行旋转，完成回转运动。4.2 、手腕驱动力矩的计算驱动手腕产生回转运动的驱动力矩必须要克服手腕启动时作加速运动所产生的惯性力矩，手腕转动轴与轴承处的摩擦力矩，动片与液压缸端盖、定片等处的摩擦力，以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩，手腕转动时所需要的转动力矩可以根据下面的公式进行计算：M 驱=M 惯+M 偏+M 摩(4.1) 式中：M 驱驱动手腕转动的驱动力拒M 惯 惯 性 力 矩M 偏参与转动的零件的重量（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M 摩 手 腕 转 动 轴 与 支 撑 处 的 摩 擦 力1）、所产生的偏重力矩 M 偏，工件在夹持中可能存在不是中心位置，取最大偏心距 e=0.015m。腕部受力图如图 4-2图 4-2 腕部受力分析图M 偏=G1e式中G1工件重量e偏心距（即工件中心到腕部回转中心线的垂直距离）当工件重心和中心线重合时，M 偏=0当 e=0.015 时，G1=400N M 偏=0.015x400=6NM2）、摩擦力矩 M 摩M = （N D +N D ）(4.2)摩 21 12 2式中: f轴承的摩擦系数，滚动轴承取 f=0.01-0.02N1,N2轴承支撑反力D1,D2轴承直径由设计可知：N1=1000N,N2=1500ND1=0.05m D2=0.09mM 摩= 0.1(1000x0.05+1500x0.09)=9.25NM 23）、腕部启动时的惯性阻力矩 1 当手腕的回转角速度为时，可以用下式计算 M 惯M 惯=（J+J 工件）(4.3)式中： 手腕的回转速度t手腕启动过程所花的时间（s），假定启动过程中近似于等加速运动，一般取 0.05-0.3s工件J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kgm2） J工件对手腕回转轴线的转动惯量（kgm2）J= 1mr2=0.5x20x0.052=0.025 kgm22按已知计算；J 工件=mr2/4+ml2/12工件的最大尺寸 r=90mm，l=440mm，带入工件J=0.73 kgm2M 惯=（0.025+0.73）x0.81/0.3=2.04 NMM 驱=M 偏+M 摩+M 惯=6+9.25+2.04=17.29 NM考虑到液压缸密封、摩擦等损失的因素，一般 M 取得大些M 实=1.1-1.2M 驱M 实=1.2x17.29=20.75 NM4.3 、手腕回转缸参数确定图 4-3 腕部回转缸示意图回转液压缸所产生的驱动力矩的计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩 M 总上图 4-3 为机械手腕部回转缸示意图，根据回转缸力矩公式总M=0.5pb(R2-r2)M (4.4) 式中：M 总手腕回转时的总力矩P回转液压缸的工作压力R缸体内孔半经r输出轴半径b动片宽度设计腕部的部分尺寸：表 4-1 液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）203240505563657075808595100105根据表 4-1 设计缸体的内壁半径为 R=50mm，外径按中等壁厚设计，由表 3- 2 取 121mm,动片宽度 b=60mm，输出轴 r=25mm。根据上述公式 回转缸的工作压力P=2M/b(R2-r2)=2x20.75/0.06x(0.052-0.0252)=0.37Mpa所以选择回转缸的工作压力为 0.5Mpa。4.4、油缸缸盖螺钉的计算与校核图 4-4 缸盖螺钉间距示意图表 4-2 螺钉间距 t 与驱动力 P 之间的关系工作压力（Mpa）螺钉的间距 t（mm） 0.5-1.5小于 1501.5-2.5小于 1202.5-5小于 100t 为螺钉的间距，间距与工作压强有关，有表 4-2，在这种连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为：Q0=Q+QS(4.5) 式中：Q 为工作载荷，QS 为预紧力。计算：液压缸的工作压强为 0.5Mpa，所以螺钉的间距小于 15mm。试选 4 颗螺钉，实际Z=D/150=3.14x130/150=2.74,所以选择螺钉数目 4 个合理。危险截面S=（R2-r2）=3,14x(0.052-0.0252)=0.0059m2 所以 Q=PS/Z=0.5x106x0.0059/4=737.5NQS=KQ(K=1.5-1.8) 取 K=1.5 则 QS=1.5x737.5=1106.25NQ0=Q+QS=1843.75N螺钉的材料选择 Q235，则= S/n=240/1.5=160Mpa(n=1.2-2.5) 螺钉的直径d 4x1.30(4.6) 代入数据 d0.004m 考虑到螺钉还有承载其他附加力的作用，选择 M8 的螺钉满足设计要求。动片和输出轴之间的链接螺钉链接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位，链接螺钉的作用， 使动片和输出轴之间紧密配合，当油腔通入高压油时，动片受油压作用产生一个合成液压力矩，克服输出轴上所受的外载荷力矩根据设计可知，螺钉主要受剪切应力，由于产生的最大扭矩为 20.75 NM， 所以螺钉上所受的剪切力大小为 FS=20.75x4=83N。螺钉的材料选择 20 钢，=30Mpa = FS/A,A=d2/4代入数据 d2.1mm 所以选择 M4 的螺钉5 小臂的结构设计与校核5.1 小臂设计概述小臂主要用来改变手部在空间中的位置，它是主要的执行部件，其作用是连接腕部，中间有俯仰油缸的支撑作用，可以完成俯仰动作。尾部连接在大臂上端， 主要改变工件在水平方向上的位置，具有较大的范围，手部在空间的位置主要取决于臂部的运动方式。机械手的设计基本要求： 1 臂部应承载能力大，刚度好，自重轻。 2 手部动作灵活，位置精度高。 3 运动速度快，惯性小等特点。手部的典型机构以及结构选择常见的手部结构有以下几种 1 双导杆手臂伸缩机构 2 双层油缸空心活塞杆单杆导向机构 3 采用花键轴套导向的手臂升降结构 4 双活塞伸缩油缸结构 5 活塞杆和齿条机构综合考虑本设计，液压缸的设计选择双导向杆伸缩机构，其手臂的伸缩油缸安装在两根导向杆之间，导向杆上下对称布置，由导向杆承担弯矩作用，活塞杆主要受拉压作用，受力简单，传动平稳，外形美观，结构紧凑，液压缸选择双作用单活塞杆液压缸。5.2 液压缸伸缩驱动力的计算对于此处的液压缸，受到的各种力比较复杂。第一步要做的是根据与结构尺寸进行估算，或者找到跟此差不多的结构，类比他们的计算方法算出驱动力大小， 然后初步确定有关结构的主要尺寸，最后在进行校核，修正参数，最终得出结构。做水平伸缩的直线运动液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦，惯性，俯仰后工件以及手腕手部所受重力的分力等。几个方面的阻力来确定液压缸所需要的驱动力，所以液压缸的驱动力的计算公式为F=F 摩+F 惯+F 重+F 回由于液压缸的会有背压非常小，此处忽略不计 F 回=0 1）手臂摩擦力的分析计算5-1 导向杆结构简图液压缸密封处的摩擦很小，相对于导向杆的摩擦来说可以忽略不计，由于导向杆对称布置，两条导向杆的受力一致，可以按一个导向杆的受力分析计算根据导向杆结构简图，受力分析得出以下式子成立由 =0,得 GL=a，=GL/a 由 G+ = ，得=G（L+a）/aF 摩 =Fa 摩 +Fb 摩 =u（Fa+Fb） F 摩= uG（2L+a）/a(5.1)式中：G参与运动总部件所受的总重力（包括工件） L手臂与运动部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m） a 导 向 支 撑 的 长 度 u当量摩擦系数，其值与导向支撑截面有关,对于圆柱面：u=（4/-/2）u=(1.27-1.57)u，钢对铸铁取 u=0.18-0.3。导向杆的材料选择钢，导向支撑套选择铸铁 u=0.2x1.5=0.3工件圆柱总体参与运动零件的总重包括工件的重量，手部的重量手腕的重量，手腕手部可以看做一个圆柱体，所以所有的重量之和 G=G +G =40x10+（3.14x162/4） 55x0.0078x10=1262N。由于手腕有空心结构，所以此计算方式远远满足要求，保证了强度要求，根据液压缸的伸缩形成 400mm，以及运动部件重心位置，取 L=660mm，导向支撑的长度 a 设计为 180mm，将相关数据带入进行计算，F 摩= uG（2L+a）/a=1262x0.3x（2x660+180）/180=3155N2)手臂惯性力的计算F =0.1G (5.2)惯式中 G参与运动的总重力（包括工件）同上v从静止加速到工件速度的变化量t启动时间（s）,一般取 0.1-0.5s设计启动时间为 t =0.3s, v=0.2m/s F 惯=0.1x1262o.2/0.3=84N3)手臂俯仰时重力作用在活塞杆上的分力的计算已知手臂的最大仰角为 45，由下图 5-2 可知图 5-2 小臂最大仰角时受力分析F 重=Gsin45=1262x2/2=892.4N综上所述 F=F 摩+F 惯+F 重=3155+84+892.4=4131.4N5.3 手臂伸缩缸的结构设计根据以上的计算，液压缸的驱动力为 4131.4N，由表 3-1，选择液压缸的工作压力为 1Mpa。1）确定液压缸的结构尺寸液压缸的内径的计算公式D=4 p(5.4)式中：F活塞杆的驱动力（N） P液压缸的工作压力（Mpa） 油缸的机械效率， 取 0.96 代入数据得 D=74mm根据(JB826-66)选择标准液压缸内径系列，取 D=80mm，外径按中等壁厚设计 ， 由 (JB826-67) 取 外 径 为 108mm 2）活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）的运动要求，对于杆长 L 大于直径 d 的 15 倍以上时，按拉压强度计算d 4 （mm）设计中选择活塞杆的材料为碳钢，碳钢的许用应力=100-120Mpa，本设计中取 100Mpa，则 d7.3mm表 5-2 活塞杆直径系列(mm)（GB/T2348-93）1012141618202225283236405063708090100考虑到活塞杆稳定性问题，先试选活塞杆的直径为 d=20mm 现在进行活塞杆的稳定性校核，其稳定条件为FPk/nk(5.5)式 中 ：Pk 临 界 力 (N) nk安全系数，nk=2-4在中长干进行校核时，其临界力 Pk=S（a-b） 式中：S活塞杆截面的面积（mm）a，b常数，与材料的性质有关，碳钢 a=461，b=2.47 柔度系数，经计算为 90,=ul/i=1x450/5=90带入数据：临界 Pk=F（a-b）=74951.8N 取 nk=3，F=4131.4Pk/nk=24983N所以活塞杆满足稳定性要求。5.4 油缸端盖的链接方式和强度计算为保证链接的紧密性，螺钉间距 t 应该去合适值，在螺钉链接中，每个螺钉在剖面上承受的拉力为 Q0，是工作载荷 Q 和剩余预紧力 Qs 之和Q0=Q+QS(5.6) 式中：Q工作载荷 Q=F/zF驱动力Z螺钉的数目QS剩余预紧力，QS=KQ，K=1.5-1.8计算：D=80mm，取 D0=100mm，P=1Mpa，间距与工作压强有关，根据表 4-2， 间距小于 150mm，试选螺钉的数目为 4 个则 z=D0/t,带入数据得 t=78.5150 满足要求Q=F/z=( 2P/z)=1256N4取 K=1.5 =1.5Q=1884N0=Q+=1256+1884=3140N螺钉直径按强度条件计算 4x1.30(5.7) 1QJ计算载荷 QJ=1.3Q0QJ=1.3Q0=4875N许用抗拉应力 =/no 螺钉材料的屈服强度，材料选 45 钢，则屈服强度为 352Mpa n 安 全 系 数 n=1.2-2.5， 此 处 取 n=2 d1螺纹内径代入数据，d10.0054m，所以取 M6 的链接螺钉合理。6 大臂的结构设计6.1 概述大臂是链接机身与小臂的重要结构部件，主要起支撑小臂的作用，大部顶端通过吊耳中孔，和小臂使用销轴链接，可以在机身回转缸上实现绕自身轴线回转以及竖直方向上升降，大臂可以与回转机构组成机身固定在机身底座上， 机身可以用螺钉固定在地面，也可以是行走的小车上，移动的范围更大，还可以连接在轨道上跟着轨道运动。流水线上的机械手大多数都是固定在地面上 的 。根据设计的要求，大臂的伸缩行程为 500mm，手臂回转范围为120， 采用大臂置于回转缸的结构形式。大臂结构跟小臂结构相似，同样采用和小臂处一样的双导向杆结构。6.2 大臂升降缸驱动力的计算1）大臂升降缸不自锁条件对于悬臂式机械手，其传动件，导向杆和定位元件的布置应当合理，以减少对升降轴线的偏心力矩，防止“卡死”现象，即“自锁”，不自锁的条件为h2f(6.1) 式中：h导向支撑长度旋转整体的偏心距离f摩擦系数2）手臂偏重力矩的计算图 6-1 机械手简图估算重量，根据小臂的设计可知，手部、手腕、以及工件的重量为 G=1262N小臂的重量手臂=400N，计算零件的中心位置，求出重心到回转轴线的距离， 由前面设计可知，1=1260mm，2=450mm所以=（G1+手臂2）/G 总=1065mm偏重力矩 M 偏=G 总=1662x1.065=1134NM根据前面的不自锁条件，导向支撑长度 h2f，取摩擦系数 f=0.15，则导向支撑长度 h2x1134x0.15=340.2mm，取 h=350mm3）油缸的驱动力F=F 惯+F 摩+F 回G(6.2) 式中：F 摩摩擦阻力G工件以及各零件的总重 F 惯启动时产生的惯性阻力 1 F 摩的计算，可以参考小臂双导向杆设计时的计算方法，活塞杆密封处摩擦力较小，可忽略不计，根据图 6-2 受力分析可得Fa-Fb=0 Fa=Fb图 6-2 机械手受力分析 =0,Fbh=G 总，Fb=G 总/h,F 摩=2Fbf=1517N 2 F 惯的计算F 惯=G 总v/(gt)(6.3) 式中：v从启动到稳定运行的速度变化t启动时间，一般取 0.03-0.5s根据设计要求，大臂的升降速度为 0.25m/s。设定启动时间为 0.2s，带入式中可得 F 惯=1662x0.25/（9.8x0.2）=212N由于会有背压的阻力很小，可将其忽略不计所以 F=1517+2121662当液压缸上升时，驱动力 F=3391N 当液压缸下降时，驱动力 F=67N6.3 油缸尺寸参数的计算 1)液压缸内径的计算，液压缸的驱动力按上升时计算，F=3391N，由表由表 3-1，选择液压缸的工作压力为 1Mpa。根据液压缸的内径的计算公式D=4 (6.4)p式中：F活塞杆的驱动力（N） P液压缸的工作压力（Mpa） 油缸的机械效率， 取 0.96 代入数据得 D=67.08mm根据(JB826-66)选择标准液压缸内径系列，取 D=80mm，外径按中等壁厚设计，由(JB826-67)取外径为 108mm。2）活塞杆的计算设计中取活塞杆的材料为碳钢，碳钢的许用应力为=100-120Mpa，取=100Mpa，根据公式 d4带入数据得 d6.6mm，参照小臂的活塞杆设计，同样选择直径为 20mm 的活塞杆。6.4 缸盖螺钉的计算校核参照第 5 章小臂伸缩缸的设计，为保证链接的紧密性，螺钉间距 t 应该去合适值，在螺钉链接中，每个螺钉在剖面上承受的拉力为 Q0，是工作载荷 Q 和剩余预紧力 Qs 之和Q0=Q+QS(6.5) 式中：Q工作载荷 Q=F/zF 驱 动 力 Z 螺 钉 的 数 目 QS剩余预紧力，Qs=KQ，K=1.5-1.8计算：D=80mm，取 D0=100mm，P=1Mpa，间距与工作压强有关，根据表 4-2，间距小于 150mm，试选螺钉的数目为 4 个则 z=D0/t,带入数据得 t=78.5150 满足要求Q=F/z=( 2P/z)=1256N4取 K=1.5 =1.5Q=1884N0=Q+=1256+1884=3140N1螺钉直径按强度条件计算 4x1.30(6.6) 式中： QJ计算载荷 QJ=1.3Q0QJ=1.3Q0=4082N许用抗拉应力 =/no 螺钉材料的屈服强度，材料选 45 钢，则屈服强度为 352Mpa n 安 全 系 数 n=1.2-2.5， 此 处 取 n=2 d1螺纹内径代入数据，d10.0054m，所以取 M6 的链接螺钉合理。6.5 大臂回转结构的设计回转结构作为机身置于大臂正下方，回转缸的输出轴通过轴端部的盘状薄面端盖用螺钉与大臂的液压缸活塞杆和两导向杆端部链接起来，输出轴竖直方向上放置，旋转时就带动整个机械手进行回转运动。如图 6-3 大臂与回转缸的链接结构。6.5.1 回转液压缸驱动力矩的计算根据公式 M 驱=M 惯+M 摩式中：M 驱驱动手腕转动的驱动力拒M 惯 惯 性 力 矩M 摩手腕转动轴与支撑处的摩擦力惯性力矩图 6-3 大臂与机身回转结构M =J 惯0 式中 J0臂部回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量。回转缸动片角速度变化量，=（rad/s）t启动过程所需时间 s根据前面计算可知，手臂回转中心与回转轴的距离 =1065mm，则J0=Jc+(G2)/g(6.7) 式中： Jc回转零件的重心转动惯量Jc=1/12m（l2+3R2）回转部件可以等效为一个长1600mm，直径为180mm 的圆柱体，质量为166.2kg，=45/s=0.785rad/s，设启动时间为t=0.2s。Jc=166.2/12(1.62+3x0.182)=36.8kgm2J0=J+（G2）/g =229kgm2 M 惯=229x0.785/0.2=899NM为了简便计算，密封处的摩擦力矩 M 封=0.03M 驱，回油背压很小，此处忽略不计 M 回=0所以 M 驱=899+0.03M 驱，得 M 驱=927NM6.5.2 回转油缸各个参数的确定1）回转油缸的内径 D 的计算公式为D=103 8 驱 + 2(6.8)6式 中 ：P 回 转 油 缸 的 工 作 压 力 Mpa d输出轴与动片连接处的直径，初步设计按 D/d=1.5-2.5 b动片宽度，按 2b/(D-d)2 选取设计回转缸的动片宽度 b=100mm，工作压力为 4Mpa，d=60mm，代入数据，算出 D=148mm，按照液压缸的标准系列选取 D=150mm,壁厚设计为 15mm，则外径为180mm。2）油缸缸盖螺钉的计算回转缸的工作压力为 4Mpa，根据表 4-2，所以螺钉间距 t 应该小于 100mm， 螺钉安装处的直径取 D0=210 螺钉的数目 z=D0/t=6.59所以，螺钉的数目选择 z=8危险截面 S=（R2-r2）=0.015m2 Q=PS/z=7500N选择 K=1.5,QS=1.5Q=11250N Q0=Q+QS=18750螺钉按强度条件设计 4x1.30(6.9) 1式中：QJ计算载荷 QJ=1.3Q0QJ=1.3Q0=24375N许用抗拉应力 =/no 螺钉材料的屈服强度，材料选 45 钢，则屈服强度为 352Mpa n 安 全 系 数 n=1.2-2.5， 此 处 取 n=2 d1螺纹内径带入数据 d111.32mm，所以螺钉选择 M12 的，z=16 颗，根据以上设计，回转液压缸的内径为 150mm，外径为 180mm，动片宽度为 100mm，输出轴直径 60mm。3）动片链接螺钉的计算根据设计可知，螺钉主要受剪切应力，由于产生的最大扭矩为 927NM，由于输出轴的直径为 60mm 所以螺钉上所受的剪切力大小为 FS=927x16.7=15481N,螺钉对称布置，选 4 颗螺钉，螺钉的材料选择 20 钢，=30Mpa，则每个螺钉的切应力为 F=Fs/4=3870N= F/AA=d2/4代入数据 d4.2mm 所以选择 M6 的螺钉7 其他辅助结构的设计及校核7.1 俯仰油缸的结构设计俯仰油缸用来支撑小臂，使小臂能够完成俯仰动作,俯仰油缸两端采用吊环安装，上端活塞杆端部焊接吊耳，与小臂链接在一起，下端吊环与大臂侧边链接在一起，小臂液压缸端部与大臂液压缸端部吊环通过销轴链接在一起，构成一个三角形，俯仰缸，小臂，大臂分别构成三角形的三条边，当俯仰液压缸进行伸缩时，即完成小臂的俯仰运动，整体结构如图 7-1 俯仰缸的结构布置图。7.1.1 俯仰缸驱动力的计算俯仰缸主要承受小臂、手腕，手部以及工件的重量，根据下 7-2 俯仰缸的受力分析,液压缸的驱动力图 7-1 俯仰缸的结构布置图F=(G1+G2)/cos(7.1) 式中： F俯仰缸的驱动力G1机械手手部、手腕、及工件的总重量G2小臂的重量俯仰缸与小臂轴线的夹角根据前面的设计 G1=1262N，G2=400N，此处设计为 30。带入数据，求得 F=1919N油缸尺寸参数的确定，根据液压缸内径的计算公式7-2 俯仰缸的受力分析D=4 (7.2)p式中：F活塞杆的驱动力（N）P液压缸的工作压力（Mpa）根据载荷大小，此处取 1Mpa 油缸的机械效率， 取 0.96通过计算，求得液压缸的直径 D=50.5mm, 根据(JB826-66)选择标准液压缸内径系列，取 D=60mm，外径按中等壁厚设计，由(JB826-67)取外径为 85mm,则液压缸的壁厚为 12.5mm。活塞杆的直径取 d=30mm。7.1.2 油缸端盖螺钉的计算校核俯仰缸的工作压力为 1Mpa，根据表 4-2，所以螺钉间距 t 应该小于 150mm， 螺钉安装处的直径取 D0=100 螺钉的数目 z=D0/t=2.09，所以，螺钉的数目选择 z=4，危险截面 S=（R2-r2）=0.0034m2Q=PS/z=850N 选择 K=1.5,QS=1.5Q=1275NQ0=Q+QS=2125螺钉按强度条件设计 4x1.30(7.3) 1QJ计算载荷 QJ=1.3Q0QJ=1.3Q0=2762.5N许用抗拉应力 =/n螺钉材料的屈服强度，材料选 45 钢，则屈服强度为 352Mpan 安全系数 n=1.2-2.5，此处取 n=2d1螺纹内径带入数据 d14.5mm，所以螺钉选择 M6 的，z=8 颗7.2 手臂处双导向杆的设计双导向杆在小臂上的主要作用是起支撑腕部的，与小臂的液压缸活塞杆共同连接到腕部结构上，承受着手腕、手部以及工件的重量所产生的弯矩，所以对导向杆的刚度要求很高，设计时尽量使导向杆留在导向套里的长度较长，使得导向杆对导向套的作用力较小，摩擦力减小，从而减轻液压缸的负担，使用过程中运动更平稳，使用寿命更长。图 7-3 导向杆受力分析图导向杆可看作为一个等圆柱截面的悬臂梁，根据设计机械手时的定位精度2mm，得出导向杆端部挠度应小于 2mm，根据悬臂梁的挠度计算公式 = 3 (7.4) 3式中：导向杆在端部的位移F作用在端部的压力，两根导向杆平分重量，所以 F=G/2l力的作用处与支撑点之间的距离 l=660mmE材料的弹性模量，导向杆材料为碳钢，取 E=200GpaI圆形截面对形心得惯性矩 I=R4/42mm，带入数据，求得导向杆的半径 R22.5mm，所以选择导向杆的直径为50mm。导向杆强度的校核，根据资料，碳钢的抗拉强度=235Mpa。导向杆受单一的弯矩。根据公式max=Mmax/W(7.5)式中：max导向杆受到的最大应力Mmax导向杆中的最大弯矩W抗弯截面系数。导向杆为圆柱，所以截面为圆形，W=d3/32由 弯矩图 7- 可 知 ， 导 向 杆 所 受 最 大 弯 矩 在 A 点 ， 最大 弯矩为 Mmax=GL=1662x0.66=1097N,将数据带入上式，求得 max=44.7Mpa7.3 轴承的选用及校核图 7-4 导向杆弯矩图本设计中有两处需要选用到轴承，一个是手腕回转输出轴，一个是大臂回转油缸输出轴处，轴承的选用主要考虑到受力大小，方向和性质。由于手腕处的轴承只承受径向载荷，轴向载荷很小，所以手腕处输出轴的轴承为深沟球轴承。大臂回转油缸输出轴的轴承受较大轴向推力，所以选择圆锥滚子轴承和深沟球轴承相结合。轴承参数如下手腕回转处根据深沟球轴承（GB/T276-1994）选择轴承代号为 6010，基本参数 d=50mm，D=80mm,B=16mm。另外一个轴承代号为 6018，基本参数为 d=90mm， D=140mm，B=24mm。大臂回转缸输出轴的轴承根据圆锥滚子轴承（GB/T297-1994） 选择轴承代号 30216，基本参数为 d=80mm，D=1400mm,B=26mm,C=22,T=28,25mm。另一个根据深沟球轴承（GB/T276-1994）选择轴承代号为 6012，基本尺寸为d=60mm，D=95mm,B=18mm。轴承的寿命校核，手腕处的轴承受的径向当量载荷 P=XFr+YFa=2458N，由于手腕处输出轴不能完成圆周运动，转速可以根据手腕的回转速度，近视设计 n=40 转/分钟根据轴承寿命计算公式= 106 ()(7.6)1060式中：C轴承的基本额定动载荷，22KN。 ft 温 度 系 数 ， 此 处 取 1 P轴承的当量载荷 指数系数，对于球轴承 =3，对于滚子轴承 =10/3带入数据，求得 L10=298752h，满足要求。7.4 回转油缸输出轴的设计手腕处的输出轴与手部链接在一起，如图 7-5，水平布置，需要轴具有较好的刚度，输出轴的一段在回转油缸的内部，与动片连接在一起，跟随者液压油的推力进行转动，轴分为三段，从左往右分别为螺母链接，用来固定轴承位置，中间为轴承和回转缸连接处，最右端为轴承连接处，断面设计有螺钉孔，跟手部的油缸链接在一起。根据回转缸的尺寸，确定轴的尺寸，三个阶梯段的长度分别为13mm，100mm，22.5mm,直径分别为 30mm，50mm，90mm。大臂处的回转轴竖直放置，在 A 处有深沟球轴承，B 处有圆锥滚子轴承，C 处端部与大臂的活塞杆，导向杆连接在一起。轴一共分为四段，从上往下每段长度分别为 15mm，44mm，26mm，160mm，直径分别为 276mm，96mm，80mm，60mm。图 7-5 手腕处输出轴图