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四自由度码垛机器人的设计含4张CAD图,自由度,码垛,机器人,设计,CAD
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码垛机器人设计摘要在国内经济快速发展的今天，现代物流管理、工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作。码垛机器人可以代替人工在作业区进行单调持久的作业，实现一些人工不可能完成的工作，降低了劳动强度，提高了生产效率。国内码垛机器人在载荷能力，处理速度上较国外还存在巨大差距。因此，对码垛机器人的研究具有深刻而重要的意义。本码垛机器人主要用于箱体的搬运工作，最大负载50KG；作业空间达1000*2000；码垛速度500箱/小时。本设计为液压驱动，采用圆柱坐标系结构，具有4个自由度。本设计首先对机械手的各个部分进行了详细设计计算，选定液压缸和末端执行机构后，对连接结构进行了详细设计和强度校核。其次对机械手的液压系统进行设计，在液压系统的基础上对电气控制系统进行了合理设计。关键词：现代物流、码垛、机器人、圆柱坐标、电气控制IABSTRACTIn the rapid development of the domestic economy today, modern logistics management, industrial production often appear cumbersome handling and long-term frequent, monotonous operation. Stacking robots can replace the artificial work in the operating area of monotonous long-term operations, to achieve some of the artificial can not complete the work, reducing labor intensity and improve production efficiency. Domestic stacking robots in the load capacity, processing speed than there is still a huge gap. Therefore, the study of palletizing robots has a profound and important significance.The palletizing robot is mainly used for the handling of the box, the maximum load of 50KG; operating space of 1000 * 2000; palletizing speed of 500 boxes / hour. The design for the hydraulic drive, the use of cylindrical coordinate system structure, with 4 degrees of freedom. The design of the first part of the robot for a detailed design calculation, select the hydraulic cylinder and the end of the implementing agencies, the connection structure of the detailed design and strength check. Secondly, the hydraulic system of the manipulator is designed, and the electrical control system is designed on the basis of the hydraulic system.Keywords: Modern logistics, palletizing, robot, cylindrical coordinates, electrical controlIII目 录摘要IABSTRACTII绪论30.1 本课题研究的背景及意义30.2 国内外研究现状与发展趋势30.3 技术参数及设计任务的确定40.4 码垛机器人的总体结构分析50.5 码垛机器人的总体设计方案60.6 驱动系统设计7第1章 手部的设计和计算91.1 手部设计要求91.2 手部受力分析91.3 手部夹紧力及驱动力的计算101.4 手部驱动油压缸的设计111.5 手抓夹持精度的分析计算13第2章 手臂的设计和计算152.1 手臂结构的选择152.2 手臂伸缩驱动力计算152.3 手臂伸缩油缸的设计和计算16第3章 机身的设计和计算203.1 机身的整体设计203.2 机身回转机构的设计和计算203.3 机身升降机构的设计和计算233.4 齿轮的设计和计算263.5 底座的设计27第4章 码垛机器人主要零件的校核284.1 手部驱动液压缸的校核284.2 手臂伸缩油缸的校核294.3 回转油缸的校核304.4 升降油缸的校核32第5章 液压驱动系统的设计345.1 液压泵的计算和选择345.2 步进电动机选用345.3 油箱容量的确定345.4 液压元件的选择345.5 液压系统原理图的设计355.6 液压系统工作原理的分析38第6章 电气系统的设计406.1 继电器-接触器控制线路的设计406.2 电器元件的选择42结论44致谢45参考文献46绪论0.1 本课题研究的背景及意义码垛技术是物流自动化技术领域的一门新兴技术，所谓的码垛就是按照集成单元化思想，将一件件物料按照一定的模式堆码成垛，以便使单元化的物垛实现物料的搬运、装卸、运输、存储、等物流活动。在物体的运输过程中除了散装的物体和液体外，一般的物体都是以码垛的形式进行存储或组装，这样即可承载更多的物体，又可节省空间。随着物流的飞速发展以及科技的突飞猛进，码垛技术应用越来越广泛，尤其是在环境较恶劣或人工很难做到的情况下。包装的种类、工厂环境和客户需求，物体的安全性等，使得码垛成为越来越艰巨的任务，为了克服这些困难，码垛设备的各个方面都在不断地发展改进，如从机械手到操纵它的软件，现在对灵活性的需求也在不断增加。码垛机器人是一种具有特殊功能的垂直多关节型机器人，广泛应用于石油、化工、食品加工、饮料等领域。可通过主计算机根据不同的物料包装、堆垛顺序、层数等参数进行设置实现不同型包装的码垛要求。而机器人码垛技术是自动化物料后处理成套设备中的关键技术之一，随着自动称重、包装技术的发展和性能指标的提高，对码垛技术也提出了更高的要求。码垛机器人手臂应具有一定的刚度和强度，防止弹性变形和断裂。手腕搬运的东西较重，这对其精度提出更高要求。为满足自动化生产线产品搬运及码垛的要求，本课题要求设计一种码垛机器人的机械结构部分。结合机、电、软、硬件各自特点和优势互补的基础上，对码垛机器人整体机械结构、传动系统进行分析和设计，提出了一套经济型设计方案。0.2 国内外研究现状与发展趋势自从20世纪80年代，我国码垛机器人在国家支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，经过几十年的发展，我国在机器人领域取得了很大成就。按机器人的发展进程，分为三代机器人。第一代机器人，具有示教再现功能或具有可编程的NC装置，但对外部信息不具备反馈能力；第二代机器人，不仅具有内部传感器，能获取外部环境信息。虽然没有应用人工智能技术，但是能进行机器人-环境交互，具有在线自适应能力；第三代机器人，具有多种智能传感器，能感知和领会外部环境信息。目前码垛机器人的应用主要在以下两个方面。恶劣工作环境，危险工作场合.这个领域的做业是一种有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作业。例如在冲床上下料、采矿、锻造等。第二个是自动化生产领域。码垛机器人可用来上下料、码垛、卸货以及抓取零件重新定向等作业。一个简单抓放作业机器人只需较少的自由度，一个给零件定向作业的机器人要求具有更多的自由度，增加其灵巧性。工业机器人具有减少劳动力费用、提高生产率、改进产品质量、增加制造过程的柔性、减少材料浪费、控制和加快库存的周转、降低成本、消除了危险和恶劣的劳动岗位。目前工业机器人的开发正处在一个蓬勃发展的阶段，在先进的工业发达国家里，工业机器人的开发与制造正在形成一个庞大的产业，全世界每年的工业机器人销售额可达42亿美元。尽管如此，工业机器人产业仍在不断拓展，不断向新的领域进军。我国工业机器人的应用前景十分宽广的。但是，由于我国工业基础比较薄弱，劳动力比较丰富、低廉，给工业机器人的发展带来一定的困难。只有符合我国的国情，才能推动和加快我国工业机器人的发展和应用。工业机器人功能部件的标准化与模块化是提高机器人的运动精度，运动速度，减低成本和提高可靠性的重要途径。近几年各国注重发展组合式工业机器人。它是采用标准化的模块件或组合件拼装而成。除了工业机器人用的各种伺服电机，传感器外，手臂，手腕和机身也以标准化。随着机器人作业精度的提高和作业环境的复杂化，急需开发新型的微动机构来保证机器人的动作精度，开发多关节，多自由度的手臂和手指及新型的行走机构，以适应日益复杂作业需求。0.3 技术参数及设计任务的确定课题的主要技术要求： 1、四自由度码垛机器人；2、最大负载为：50KG；3、作业空间可达1000*2000；（通过下面对码垛机器人的设计，能够确定其伸缩行程为1000，升降行程为2000）4、码垛速度500箱/小时。课题工作量要求：1、设计计算说明书1.5万字以上；2、完成总装图，A0图纸1张；3、完成电气控制系统图1张；4、完成部分零件图；所有图纸整合不少于A0图纸2张；0.4 码垛机器人的总体结构分析本文设计的四自由度码垛机器人，由执行机构、驱动机构组成。1、执行机构(1)手部机械手抓物料的地方，采用结构比较简单的回转型。一般机械手上只有两根手指，根据实际操作的需要分为外抓和内抓两种。而机械手上面传力的方式有多种，比方说滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计采用液压传动的方式执行相应的动作。(2) 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。(3) 手臂手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。 (4) 导柱整个机械手就是导柱在对它就行支撑。本篇论文中所设计的导柱，要能够实现手臂旋转，还有手臂升起和降下。2、驱动机构机械手想要动起来，想要进行工作，还要驱动部分。按照提供给机械手动力的来源不同，大体上可以将驱动分为液压驱动，气动驱动，电动驱动还有机械驱动。这四种驱动，其中液压驱动采用的比较多，主要是因为机械手的设计比较简单，而且轻便，好使用。所以在这篇论文中，机械手也是选用的液压驱动。0.5 码垛机器人的总体设计方案论文中的码垛机器人，是圆柱坐标式，这种结构是所有码垛机器人中被运用的最多的一种，主要可以用在搬运工作和测量的工作。这种码垛机器人外形结构简单，方便，而且使用起来很方便，好控制。论文中的机械手主要是四个自由度组成。它的工作范围可分为：旋转运动和直线运动。结构简图见表0-1：图0-1 圆柱坐标机械手结构简图圆柱坐标式码垛机器人实现的四个基本动作：1、手臂伸缩动作；2、手臂上下运动；3、手腕回转动作；4、手部夹紧动作。0.6 驱动系统设计1、常用驱动系统及其特点一般驱动主要有三种，液压驱动，气动驱动，电机驱动。各种驱动方式的特点见表0-1：表0-1 常用的驱动方式内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大大较大控制机械手控制的精度比较灵敏，功率大，可以连续的进行控制。控制的精度比较低，效果差，不能实现连续的控制。控制机械手的精度好，还能准确的对物体定位，使用方便，但是操作比较的繁琐。响应速度很高较高很高驱动的结构制造的结构比较合理，使用的起来按照一定的模式，比较好操作，可以直接驱动制造的结构比较合理，使用的起来按照一定的模式，比较好操作，可以直接驱动电机的结构稳定，噪音不高，但是电动机正常都要配有减速的装置。安全性能很好的防爆，但是液压驱动容易产生大火的危险能很好的防爆，但是当液压大于1000KPA的时候，要注意机器的压力不能很好的防爆，但是却没有火灾或者自身不会爆炸差环保容易有油污泄漏，不符合环保要求有噪音产生没有售后维修更换的部件价格高更换的零件价格不高更换的零部件价格高2、驱动方案确定按照前面说的，码垛机器人启动起来有三种动力途径，比较一下液压驱动，液压驱动还有电力驱动，主要说液压驱动比其他两种方式的好的地方：1、在组装机械手的时候，随意性比较大，不受太大的控制，可以组装起来一些比较复杂的系统。2、工作起来比较稳定，而且启动起来快，工作的时候比较灵活，在自由度的转换上也不费劲。3、人们使用起来方便，还可以有自我过载保护的功能，不仅这些，而且还比较方便的能够自动控制，或者距离比较远的情况下被人控制。4、这种液压驱动的机械手，前期在制造的时候所采用的零部件相对于液压驱动的零部件，通用性比较好，一般的地方都能够买的到的材料，所以也就造成了制造起来简便，材料选购上不用太过费劲，而且材料价格不高。因此本文中各部分的驱动方案如下：1、手部 采用液压传动的方式执行相应的动作。2、手腕 选取的油缸是可以来回回转的，结构上头一定要卡的很紧，而且不能有空气跑进去。3、手臂 采用液压缸完成相应的动作。43第1章 手部的设计和计算1.1 手部设计要求1、应具有适当的夹紧力和驱动力。2、手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。3、在保证本身刚度，强度的前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，以利于减轻手臂负载。4、应保证手抓的夹持精度。1.2 手部受力分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆图1-1(a)为常见的滑槽杠杆式手部结构。(a) (b)图1-1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析1、手指 2、销轴 3、杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交和的延长线于A及B。由=0 得 =由=0 得 = =由=0 得 =h F= 式中a手指的回转支点到对称中心的距离(mm)。工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力F一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=1.3 手部夹紧力及驱动力的计算1、夹紧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。手指对工件的夹紧力可按公式计算：式中安全系数，通常1.2-2.0，本设计取；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a是重力方向的最大上升加速度 ，g=9.8 m/s；即=1.02运载时工件最大上升速度，假设100mm/s；系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s，本设计取0.5s；方位系数，本设计取=0.5；G被抓取工件所受重力（N）。本文抓夹工件重量为50kg（及490N）设a=50mm，b=130mm，=35。根据公式，将上述已知条件带入公式得：2、驱动力的计算查阅机械设计手册，驱动力的计算公式为=其中a=50mm，b=130mm，=35，代入上式得=3347N 考虑到机械手抓重过程中的效率问题（取），所以实际抓重所需要的驱动力为：=3938N1.4 手部驱动油压缸的设计1、缸筒内径D的设计油压缸实际推力计算公式：油压缸公称压力也称额定压力，是液压缸能以长期工作压力。国家标准规定了公称压力系列标准见下表1-1。表1-1 公称压力系列单位：MPa0.631.01.62.54.06.310.016.025.031.540.0综合考虑后选取公称压力最高允许压力是液压缸在瞬间能承受最大的极限压力。国家规范规定为：耐压测试压力是油压缸在检查质量时需要承受的测试压力。在此压力测试时间内，全部零件不得有破坏或永久变形等异常现象。国家规范规定为：所以可得出，参见表1-2，取D=50mm。表1-2 油压缸径尺寸系列单位（mm）8101216202532405063801001251602002503204002、活塞杆直径d的设计活塞杆直径d一般按油压缸往复运动速度比（两腔面积比）计算，公式为：式中往复运动速度比，参见表1-3，选取；得；参见表1-4，取d=32mm。表1-3 速度比 选择压力MPa1012.52020速度比1.331.462表1-4 活塞杆直径尺寸系列单位(mm）456810121416182022252832354045505663708090100110125140160180200220250280320360活塞杆理论拉力和推力的计算图1-2 活塞受力分析图当活塞杆伸出时理论推力：当活塞杆回缩时理论拉力：式中和分别为无杆腔和有杆腔的受力面积；系统额定压力4MPa。3、缸筒壁厚的设计缸筒壁厚可按薄壁缸的缸筒的实用计算式：进行计算。式中：D缸筒内径40(mm)；最高允许压力6(MPa)；缸筒材料许用应力（MPa）；缸筒材料的屈服强度（MPa)；n安全系数取2(一般取1.52.5)。将公式转换为即将公式转换为 即将上述数据代入公式，得到，结合表1-5标准油压缸外径（JB1068-67）取表1-5 标准油压缸外径（JB1068-67） （mm）油压缸内径405063809010011012514015016018020020钢，P165060769510812113316814618019421924545钢，P2050607695108121133168146180194219245缸筒材料选取20号钢。1.5 手抓夹持精度的分析计算机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度，而且也于机械手夹持误差大小有关。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，一定要进行机械手的夹持误差分析。图1-3 手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为100200mm。夹持误差不超过2mm，分析如下：工件的平均半径：=75mm手指长L=130mm，取V型夹角偏转角：=48.23按最佳偏转角确定：=48.23计算理论平均半径： cos48.23=75mm因为1.526 0.136所以=1.5262，夹持误差满足设计要求。第2章 手臂的设计和计算2.1 手臂结构的选择本设计选择双导杆伸缩机构，其手臂的伸缩油缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承担弯曲作用，活塞杆受拉压作用，受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。使用液压驱动，液压缸选取双作用液压缸。2.2 手臂伸缩驱动力计算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。液压缸活塞的驱动力的计算为1、 手臂摩擦力的分析与计算由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。， 得， 得式中：参与运动的零部件所受的总重力（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）；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；钢对铸铁：取导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁。估算，L=680mm，导向支撑a设计为200m；将有关数据代入进行计算1800=4212N2、 手臂密封处的摩擦阻力的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封圈，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：=0.03F。3、 手臂惯性力的计算=0.1式中参与运动的零件的总重力(N)；从静止加速到工作速度的变化量(m/s)；启动时间(s)，一般取0.010.5；设启动时间为0.25s，最大为0.13m/s。 则：=0.1=93.6N由于背压阻力较小，可取=0.05所以=+=4212+93.6+0.03F+0.05F，=3987N所以手臂伸缩驱动力为=3987N。2.3 手臂伸缩油缸的设计和计算根据前面的设计计算，手臂联接面到所夹持工件的中心的距离约为900mm，考虑到抓举重量比较大，须采用导轨导向液压驱动的手臂伸缩机构。在伸缩行程为1000mm。1、工作压力的确定表2-1 液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于50000.8120000300002.04.05000100001.52.030000500004.05.010000200002.53.050000以上5.08.0经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=3987N，根据表2-1选择液压缸的工作压力P=1MPa。2、缸筒内径D的计算图2-1 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔：当油进入有杆腔：液压缸的有效面积：(mm)所以（无杆腔）（有杆腔）式中活塞驱动力(P)；油缸的工作压力(MPa)；活塞杆直径；油缸机械效率，工程机械中用耐油橡胶可取=0.96；由上节求得驱动力F=3987N，=1MPa，机械效率=0.96将数据代入得：=72.8mm表1-2 液压缸径尺寸系列单位（mm），选择D=80mm。3、活塞杆直径d的设计活塞杆直径d一般按液压缸往复运动速度比（两腔面积比）计算，公式为：式中往复运动速度比，参见表1-3，选取；得；参见表1-4，取d=40mm。活塞杆理论拉力和推力的计算图2-2 活塞受力分析图当活塞杆伸出时理论推力当活塞杆回缩时理论拉力式中和分别为无杆腔和有杆腔的受力面积；系统额定压力1MPa。4、缸筒壁厚的设计缸筒壁厚可按薄壁缸的缸筒的实用计算式：进行计算。式中：D缸筒内径80(mm)；最高允许压力1.5(MPa)；（）缸筒材料许用应力（MPa）；缸筒材料的屈服强度（MPa)；n安全系数取2(一般取1.52.5)。将公式转换为即将公式转换为 即将上述数据代入公式，得到，结合表1-5标准液压缸外径（JB1068-67）取缸筒材料选取20号钢。5、油缸端盖的连接方式缸体材料选择无缝钢管，此时端盖的连接方式多采用半环链接优点是加工和装拆方便，缺点是缸体开环槽削弱了强度。第3章 机身的设计和计算3.1 机身的整体设计机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：1、回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。2、回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。3、活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。综合考虑，本设计选用活塞缸和齿条齿轮机构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如图3.1旋转液压缸所示，回转机构置于升降缸之下的机身结构。手臂部件与回转缸的端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。图3.1 旋转液压缸3.2 机身回转机构的设计和计算1、回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸驱动力矩的计算公式为： =+ (Nm)惯性力矩=式中臂部回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量（kgm）；回转缸动片角速度变化量，在启动过程=(rad/s)；启动过程的时间(s)；若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则式中回转零件的重心的转动惯量。=回转部件可以等效为一个长1500mm，直径为100mm的圆柱体，质量为180Kg.设置起动角度=180，则起动角速度=0.314，起动时间设计为0.1s。= 30.4 kgm=30.4+=175 kgm=175=550为了简便计算，密封处的摩擦阻力矩，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计，=0所以=550+0+0.03，=5672、回转缸尺寸的确定回转缸油腔内径D计算公式为：式中P回转油缸的工作压力；d输出轴与动片连接处的直径，初步设计按D/d=1.52.5；b动片宽度，可按2b/(D-d)2选取。设计回转缸的动片宽b=60mm，工作压力为6MPa，d=50mm=123mm按标准油缸内径选取内径为125mm。壁厚经估算后取值15mm活塞杆直径d一般按液压缸往复运动速度比（两腔面积比）计算，公式为：式中往复运动速度比，参见表1-3，选取；得；参见表1-4，取d=63mm。3、油缸缸盖螺钉的计算回转缸的工作压力为6Mpa，所以螺钉间距t应小于80mm。螺钉数目所以缸盖螺钉的数目选择6个。危险截面所以 所以螺钉材料选择Q235，则螺钉的直径螺钉的直径选择d=16mm.选择M16的开槽盘头螺钉。经过以上的计算，最终确定的液压缸的尺寸，内径为125mm，外径按中等壁厚设计，根据表2-4（JB1068-67）取外径选择194mm，输出轴径为50mm。4、动片联接螺钉的计算动片和输出轴之间的联接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用是使动片和输出轴之间的配合面紧密接触不留间隙。根据动片所受力矩的平衡条件有。即式中：每个螺钉预紧力；D动片的外径；f被连接件配合面间的摩擦系数，钢对钢取f=0.15螺钉的强度条件为：或带入有关数据，得螺钉材料选择Q235，则（n=1.22.5）螺钉的直径螺钉的直径选择d=14mm.选择M14的开槽盘头螺钉。3.3 机身升降机构的设计和计算1、手臂片重力矩的计算图3-2 手臂各部件重心位置图（1）估算重量：（2）计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离：由于，所以（3）计算偏重力矩：、2、升降导向立柱不自锁条件手臂在的作用下有向下的趋势，而里立柱导套却阻止这种趋势。所谓不自锁条件就是升降立柱能在导套内自由下滑，即=，所以若取摩擦系数 f=0.16，则导套长度h0.32，即3、升降油缸驱动力的计算式中摩擦阻力，取f=0.16。G零件及工件所受的总重。(1) 的计算设定速度为V=0.2m/s；起动或制动的时间差t=0.02s；近似估算为6114N。将数据带入上面公式有：(2) 的计算=，所以(3) 液压缸在这里选择O型密封，通过近似估算(4)由于背压阻力较小，为简便计算，可将其忽略，=0所以F=6239+2005+0.03F当液压缸向上驱动时，F=14.8KN，当液压缸向下驱动时，F=2210N4、油缸尺寸参数的计算 (1) 液压缸内径的计算 液压缸驱动力按上升时计算，F=14.8KN，选择油缸工作压力为2.5MPa，代入数据：=0.089m可选取液压缸内径D=125mm。(2) 液压缸外径的计算 按厚壁计算(3.2)： 式中缸体材料的许用应力，无缝钢管时=100110MPa根据JB1068-67，取外径选择168mm。(3) 活塞杆的计算取活塞杆材料为碳钢，碳钢许用应力的=100120Mpa。本次取=110则：=0.053m，活塞杆直径应大于53mm。取80mm(4) 缸盖螺钉的计算D=100mm，取=160mm，P=2.5MPa，间距与工作压强有关，间距应小于120mm，试选螺钉数为6个：则Z=，代入数据=84120，满足要求；=1962.5N；选择K=1.5，=1.5=2943.75N；=+=1962.5+2943.75=4907N螺钉直径按强度条件计算式中计算载荷，=1.3；许用抗拉应力，=；螺钉材料的屈服点，材料选择45钢，则屈服强度为352MPa；n安全系数，n=1.2-2.5，此处取n=2；螺纹内径，=d-1.224S，d为螺钉公称直径，S为螺距。计算：代入数据：=0.0068m3.4 齿轮的设计和计算因本方案回转机构采用的是活塞缸和齿条齿轮。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。又因回转液压缸的外径为155mm。所以下面就齿轮进行设计：齿轮类型、精度等级、材料及齿数1、选定齿轮类型：选用直齿圆柱齿轮传动。2、选定齿轮加工精度等级：因油缸速度不高，选用7级精度（GB10095-88）3、选定齿轮材料：选择齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS。4、齿轮齿数的选择：初选小齿轮的齿数按齿面接触强度设计（注:脚标t试选或试算值，下同）。1、确定公式内各计算数值1）、试选2）、计算齿轮转矩齿轮的转矩就是回转机构所承受的转矩567Nm3）、选取齿宽系数4）、取材料弹性影响系数5）、按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限6）、计算应力循环次数7）、取接触疲劳寿命系数8）、计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数为S=12、按公式进行计算试算分度圆直径，由计算式得 mm，模数，取3.5 底座的设计底座是整个机器人工作的平台，也是重要的组成部分之一。综合考虑后，底座的材料选择HT200。具体结构尺寸详见装配图。第4章 码垛机器人主要零件的校核4.1 手部驱动液压缸的校核1、缸筒内径的校核液压缸负载率为实际使用推力与理论额定推力的比值：值是以衡量液压缸在工作时负载，其取值范围在中，故选取的缸径和液压缸额定压力合格。2、活塞杆强度校核（1）验算活塞杆的拉伸强度: 式中：d活塞杆直径，前面已确定20mm；F最大推力；为活塞材料的许用应力， 活塞杆材料的屈服强度；n安全系数，取2；活塞杆材料选用45号钢，=335Mpa；所以显然活塞杆直径和内径满足要求。（2）活塞杆弯曲稳定性验算活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的轴向力不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。表4-1液压缸支承方式和末端系数2的值，表4-2 、1的值，对支承方式的不同其末端系数的取值也将不同。表4-1液压缸支承方式和末端系数2的值支承方式末端系数2一端自由，一端固定1/4两端铰接1一端铰接，一端固定2两端固定4表4-2 、1的值材料108N/m21铸铁5.680锻钢2.5110软钢3.490硬钢4.985活塞杆的细长比为柔性系数取85，采用一端铰接，一端固定的支承方式，末端系数取2所以，=120，采用拉金公式计算 安全系数取n=2 则显然选取的活塞杆径和材料满足要求。4.2 手臂伸缩油缸的校核缸筒内径的校核液压缸负载率为实际使用推力与理论额定推力的比值：值是以衡量液压缸在工作时负载，其取值范围在中，故选取的缸径和液压缸额定压力合格。活塞杆强度校核1、验算活塞杆的拉伸强度: 式中：d活塞杆直径，前面已确定40mm；F油缸最大推力；为活塞材料的许用应力， 活塞杆材料的屈服强度；n安全系数，取2；活塞杆为空心杆，材料选用45号钢，=335Mpa；所以显然活塞杆直径和内径满足要求。2、活塞杆弯曲稳定性验算活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的轴向力不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。表4-1液压缸支承方式和末端系数2的值，表4-2 、1的值，对支承方式的不同其末端系数的取值也将不同。活塞杆的细长比为柔性系数取85，采用一端铰接，一端固定的支承方式，末端系数取2所以，=120，采用拉金公式计算 安全系数取n=2 则显然选取的活塞杆径和材料满足要求。4.3 回转油缸的校核缸筒内径的校核液压缸负载率为实际使用推力与理论额定推力的比值：值是以衡量液压缸在工作时负载，其取值范围在中，故选取的缸径和液压缸额定压力合格。活塞杆强度校核1、验算活塞杆的拉伸强度: 式中：d活塞杆直径，前面已确定63mm；F油缸最大推力；为活塞材料的许用应力， 活塞杆材料的屈服强度；n安全系数，取2；活塞杆为空心杆，材料选用45号钢，=335Mpa；所以显然活塞杆直径和内径满足要求。2、活塞杆弯曲稳定性验算活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的轴向力不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。表4-1液压缸支承方式和末端系数2的值，表4-2 、1的值，对支承方式的不同其末端系数的取值也将不同。活塞杆的细长比为柔性系数取85，采用一端铰接，一端固定的支承方式，末端系数取2所以，=120，采用拉金公式计算 安全系数取n=2 则显然选取的活塞杆径和材料满足要求。4.4 升降油缸的校核缸筒内径的校核液压缸负载率为实际使用推力与理论额定推力的比值：值是以衡量液压缸在工作时负载，其取值范围在中，故选取的缸径和液压缸额定压力合格。活塞杆强度校核1、验算活塞杆的拉伸强度: 式中：d活塞杆直径，前面已确定20mm；F油缸最大推力；为活塞材料的许用应力， 活塞杆材料的屈服强度；n安全系数，取2；活塞杆为空心杆，材料选用45号钢，=335Mpa；所以显然活塞杆直径和内径满足要求。2、活塞杆弯曲稳定性验算活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的轴向力不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。表4-1液压缸支承方式和末端系数2的值，表4-2、1的值，对支承方式的不同其末端系数的取值也将不同。活塞杆的细长比为柔性系数取85，采用一端铰接，一端固定的支承方式，末端系数取2所以，=120，采用拉金公式计算 安全系数取n=2 则显然选取的活塞杆径和材料满足要求。第5章 液压驱动系统的设计5.1 液压泵的计算和选择1、工作压力：P=P=5.76MPa，估算=0.5MPa，所以 P5.76+0.5=6.26MPa2、流量：=70.24L/min，取K=1.1，所以QK70.24=77.264L/min3、规格：根据液压设计手册，选择齿轮泵CB100，n=1450r/min，Q=100L/min，P=10MPa5.2 步进电动机选用取泵的总效率=0.85，则N=9.5 kw选电机：Y160M-4，N=11kw，n=1460r/min。5.3 油箱容量的确定V=300L5.4 液压元件的选择表5-1 液压元件一览表序号元件名称规格数量1线隙式过滤器2.5MPa，100L/min12电动机11kw，1460r/min13齿轮泵10MPa，1450r/min14溢流阀2.5MPa，1215电磁换向阀6.3MPa，1216单向阀6.3MPa，1217压力表(08)MPa18节流阀6.3MPa，1229电磁换向阀6.3MPa，12210单向顺序阀2.5MPa，12211压力继电器(16.3)MPa112减压阀6.3MPa，8113压力表开关6.3MPa，415.5 液压系统原理图的设计执行机构相应由手部、手臂伸缩机构、机身升降机构、机身回转机构和回转定位装置等组成，每-部分均由液压缸驱动与PLC控制。它完成的动作循环为：手臂前伸手指张开手指夹紧抓料手臂上升手臂缩回手臂回转200手臂下降手指松开手指闭合手臂上升手臂回转手臂下降待料，泵卸载。1、夹紧油压缸液压回路设计该液压回路的设计，详见图5-1夹紧油压缸液压回路：图5-1 夹紧油压缸液压回路原理分析：该液压回路采用单向阀保压和锁紧，以保证夹紧缸夹持工作的可靠性。该回路采用进气路节流阀调速。该回路采用两位三通电磁换向阀换向，从而实现手爪夹紧或放松的动作。2、伸缩油压缸液压回路设计该液压回路的设计，详见图5-2伸缩油压缸液压回路：图5-2 伸缩油压缸液压回路原理分析：该液压回路采用进路节流阀调速。该回路采用三位四通电磁换向阀换向，从而实现手臂伸长或缩短的动作。3、升降液压缸液压回路设计该液压回路的设计，详见图5-3升降液压缸液压回路：图5-3 升降液压缸液压回路原理分析：该液压回路采用进油路节流阀调速。该回路采用三位四通电磁换向阀换向，从而实现手臂上升或下降的动作。为防止升降液压缸因自重自由下滑，该回路设置了单向顺序阀来平衡。4、旋转（齿条）液压缸液压回路设计该液压回路的设计，详见图5-4 旋转（齿条）液压缸液压回路：图5-4 旋转（齿条）液压缸液压回路原理分析：该液压回路采用进油路节流阀调速。该回路采用三位四通电磁换向阀换向，从而实现手臂手臂顺时针旋转或逆时针旋转的动作。1、整个液压系统设计该液压回路的设计，详见图5-5 整个液压系统回路：图5-5 整个液压系统回路码垛机器人动作顺序的分析：液压系统电磁铁、压力继电器动作顺序表如表5-2所示。表5-2 动作顺序表动作顺序1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8YK21手臂前伸-+-手指张开-+手指抓料-+手臂上升-+-+ 手臂缩回-+-+-+手臂回转-+-+手臂下降-+-+手指张开-+手指闭合-+手臂上升-+-+ 手臂回转-+-+手臂下降-+-+待料卸载-5.6 液压系统工作原理的分析1、手臂前伸进油路：泵3单向阀9节流阀13三位四通电液换向阀14（左）手臂伸缩缸左腔。回油路：手臂伸缩缸右腔三位四通电液换向阀14（左）油箱。3、手指张开进油路：泵3单向阀9减压阀17夹紧缸左腔回油路：手指夹紧缸右腔液控单向阀20油箱4、手指抓料进油路：泵3单向阀9减压阀17三位四通电液换向阀19（右）手指夹紧缸左腔。5、手臂上升进油路：泵3单向阀9节流阀10三位四通换向阀11（左）12的单向阀手臂升降缸下腔。回油路：手臂升降缸上腔三位四通换向阀11（左）油箱。6、手臂缩回进油路：泵3单向阀9节流阀13电液换向阀14（右）伸缩缸右腔。回油路：手臂伸缩缸左腔电液换向阀14（右）油箱7、手臂回转进油路：泵3单向阀9节流阀15电液换向阀16（左）回转缸回油路：回转缸电液换向阀16（左）油箱8、手臂下降进油路：泵3单向阀9节流阀10三位四通换向阀11（右）12的单向阀手臂升降缸上腔。回油路：手臂升降缸下腔三位四通换向阀11（右）油箱。9、手指张开接到继电器信号后，手指张开同3。并启动时间继电器延时，主机夹头移走棒料后，继电器发讯。10、手指闭合接继电器信号，9Y断电，手指闭合。11、手臂上升进油路：泵3单向阀9节流阀10三位四通换向阀11（左）12的单向阀手臂升降缸下腔。回油路：手臂升降缸上腔三位四通换向阀11（左）油箱。12、手臂下降进油路：泵3单向阀9节流阀10三位四通换向阀11（右）12的单向阀手臂升降缸上腔。回油路：手臂升降缸下腔三位四通换向阀11（右）油箱。13、待料卸载油泵卸荷。机械手动作循环结束，等待下一个循环。第6章 电气系统的设计6.1 继电器-接触器控制线路的设计对于线路的设计采用的是逻辑设计法，根据机械手液压系统图和机械手的动作要求，我作出了其继电器电气控制原理图，见图6-1。这里对其继电器电气原理图进行说明。图中SB2实现开机功能，按下SB2使KM线圈得电，启动电动机，为下面的顺序动作做准备。图6-1 电气控制原理图当要进行顺序动作时，继电器工作顺序如下 ：1、手臂前伸按下SB3，中间继电器K1线圈得电并自锁；1Y，12Y，K26（BPS）得电，机械手的定位缸右移，当定位缸到达极限位置时，同时会触动行程开关ST1，中间继电器K2得电并自锁，中间继电器K2的辅助动断点断开，1Y失电，同时5Y得电，手臂伸缩缸开始向右前伸，实现手臂前伸。2、手指张开当手臂伸缩缸伸到一定位置时触动行程开关ST2，中间继电器K3得电并自锁，中间继电器K3的辅助动触点断开，5Y失电；同时9Y得电，手指夹紧缸向右滑动，实现手指张开功能。3、手指抓料当手指夹紧缸向右滑动到一定位置时触动行程开关ST3，中间继电器K4得电并自锁，中间继电器K4的辅助动断点断开，9Y失电；手指夹紧缸向左滑动，从而实现手指抓料功能。4、手臂上升当手指夹紧缸向左滑动到一定位置时触动行程开关ST4，中间继电器K5得电并自锁，中间继电器K5的辅助动断点断开，1Y失电；同时3Y得电，手臂升降缸开始上升，从而实现手臂上升功能。5、手臂缩回当手臂升降缸上升到一定位置时触动行程开关ST5，中间继电器K6得电并自锁，中间继电器K6的辅助动断点断开，3Y失电；同时6Y得电，手臂伸缩缸开始向左滑动，从而实现手臂缩回功能6、手臂回转当手臂伸缩缸向左缩到一定位置时触动行程开关ST6，中间继电器K7得电并自锁，中间继电器K7的辅助动断点断开，6Y失电；同时10Y得电，回转缸开始转动，从而实现手臂回转功能。7、手臂下降当手臂伸缩缸向右滑动到一定位置时，触动行程开关ST7中间继电器K21得电并自锁，其动断触点断开，6Y失电；同时4Y得电，手臂升降缸开始下降实现手臂下降功能。8、手指张开延时1S，延时开关KT0闭合，中间继电器K15得电，其动短触点断开，此时，中间继电器K12失电，其动断触点闭合，1Y得电；中间继电器K16得电，其动合触点闭合，9Y得电；手指夹紧缸向右滑动，实现手指张开功能。9、手指闭合 当手指夹紧缸向右滑动到一定位置时，触动行程开关ST8中间继电器K17得电并自锁，其动断触点断开，9Y失电；手指夹紧缸向左滑动，实现手指闭合。10、手臂上升当手指闭合一定位置时触动行程开关ST9，中间继电器K5得电并自锁，中间继电器K5的辅助动断点断开，1Y失电；同时3Y得电，手臂升降缸开始上升，从而实现手臂上升功能。11、手臂回转当手臂升降缸向上到一定位置时触动行程开关ST10，中间继电器K7得电并自锁，中间继电器K7的辅助动断点断开，6Y失电；同时10Y得电，回转缸开始转动
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