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摘 要在很多场合，使用机械臂能够替代工人工作，按照指定的程序进行工作。在仓储行业，使用机械臂进行货物搬运十分常见，且在国家智能制造2025的到来之际，机械臂将会得到进一步的发展。本课题主要是设计一款多功能机械抓手，能够使其完成各种搬运的任务。通过对机械臂的简介以及发展趋势，了解机械臂研究的目的与意义；确定本课题的主要研究内容；确定本机械臂所采用的设计方案。对其自由度进行分配，确定各连杆参数；对本机械臂的结构设计，对其主要机构的零部件进行结构设计，主要设计其传动系统的结构，包括电机、减速器选型等；对本机械臂的手爪进行设计，通过手爪的设计，使得机械臂能够十分方便的拿取货物。对多功能机械抓手方案进行确定，使其能够实现抓取，对重要零部件包括传动结构、抓取结构。使得本机械臂能够满足实际需求，提高机械臂的使用范围，使得大学期间所学的知识能够再次巩固。为以后的工作做好准备。关键词：机械臂；气动驱动；运动学仿真AbstractIn machinery manufacturing, robots have been widely used to improve workers labor environment, significantly speed up production, increase labor productivity, and increase the degree of mechanization and automation of industrial production.This paper first analyzes the research status of manipulators both at home and abroad, as well as the application background and demand analysis of the handling robots. The overall program design of the four-degree-of-freedom transport manipulator is performed on the tasks of this project. Firstly, the degree of freedom of the handling robot is determined to be four degrees of freedom. Secondly, this paper designs the gripping hand structure, arm structure, fuselage, frame and drive system of the four-degree-of-freedom handling robot and realizes four freedoms. Degree of rotation of the handling robot, axial movement, vertical lifting, four degrees of rotation of the hand and the opening and closing of the hand. In this paper, by designing the overall design of a four-degree-of-freedom handling robot, a handling robot with a modular, high-reliability material is designed, which also has a certain reference for the design of other economical handling robots.Keywords: manipulator; pneumatic drive; kinematics simulation目录摘要IAbstract2第1章 绪论11.1 课题研究意义11.2 机械臂发展现状及发展趋势11.2.1 本课题目前发展现状11.2.2 机械臂发展趋势21.3 本课题主要研究内容3第2章 多功能机械臂的总体方案设计52.1工作原理52.2 基本参数要求52.2.1基本参数的确定52.2.2设计要求62.3整体方案72.4小结7第3章 多功能机械臂的机械结构设计83.1底座的设计83.2手部的设计93.2.1机械臂手部结构的计算93.2.2竖直升降模块的设计103.2.3水平伸缩模块的设计113.3腕部的设计113.3.1 概述113.3.2 手腕驱动力矩的确定123.4臂部的设计143.4.1手臂运动机构的选择143.4.2手臂偏重力矩的确定143.5小结15第4章 多功能机械臂驱动系统设计164.1气动元件的选用164.2气动系统中各控制和辅助元件的选用174.2.1方向控制阀的选用174.2.2流量控制阀的选用184.2.3压力控制阀的选用184.3液压模块计算184.3.1 液压缸活塞的驱动力的计算184.3.2液压缸的结构尺寸21在实际应用中，液压缸壁厚计算有下列三种情况11:224.4活塞杆的设计244.4.1活塞杆的计算244.4.2活塞杆的稳定性校核244.5手臂旋转设计254.6 手臂升降设计294.6.1臂部做升降运动时油缸的相关计算294.6.2油缸内径的计算294.6.3油缸壁厚的计算314.6.4活塞杆的计算314.7小结32第5章 多功能机械臂液压系统设计335.1机械臂液压缸的受力情况335.1.1 大臂升降缸的受力情况335.1.2 手爪夹紧缸的受力情况335.1.3 手臂伸缩缸的受力情况335.2液压元件的选择345.3液压系统原理图345.4小结35第6章 基于ansys workbench的机械臂爪有限元分析366.1 软件简介366.2 对手抓的静力学分析376.3 刀具后处理39结 论43致谢44参考文献4545第1章 绪论1.1 课题研究意义在目前多功能化的现代社会，少人化、无人化仓库管理将会是社会发展主题，在经济高速发展的现代，机械臂技术不断发展与成熟，使用机械臂能够替代工人工作，按照指定的程序进行工作，在仓储行业，使用机械臂进行货物搬运十分常见，因为仓储货物移动十分规范化，使用机械臂能够降低人员工作的强度，难度，且机械臂能够在很多人员难以到达的高温、高盐度环境下使用。通过仓储机械臂的运用，能够大幅度减少仓储人员的数量，提高人员的工作效率。对于重量较大的物料，更是难以处理，本课题通过设计一款只能仓储机械臂，使其能够帮助人们处理日常的工作。提高生产仓储的效率，降低工作难度，减少车间的工作人员，在理论上与实际上都对社会有着极好的好处。1.2 机械臂发展现状及发展趋势1.2.1 本课题目前发展现状最初设计的机械臂主要用于教学场合，他能够能够简单抓取实物，作为演示作用的一种机器，后随着机械臂结合单片机等进行控制，能够十分方便的拿取实物。得到不断的发展。自1962年Versatran机械臂发明，能够实现Y轴功能，能够简单码垛稍重货物，德国从上个世纪70年代开始，敏锐的感觉到机械臂将会得以大幅度发展，所以在机械臂上面大投入，在起重行业、生成流水线使用上1。可以看到德国的技术不断发展也日趋成熟，随着机械臂的不断发展，人们对机械臂的使用寿命，以及平均故障时间也进行了提高。对其可靠性也进行了研发。使其精准度能够达到1mm，能够满足一般生产的要求。机械臂的发展主要可以分为以下几种阶段1。第一阶段的机械臂主要用于教学目的，或者简单的码垛货物。通过机械臂能够提升生产效率，不过其自动化程度低，效果一般。在使用时间长了，还需人工进行调整；第二阶段的机械臂能够实现自动化，通过计算机进行控制，具备编程能力，能够结合各种传感器进行工作，具备反馈能力；目前厂区所用的机械臂大部分都是这一阶段的；第三阶段机械臂具备柔性制造能力，即其能够根据传感器能够具备在生产中及时矫正的能力，使得机械臂能够具备智能化，目前仍在研制过程之中2。最初设计的机械臂主要用于教学场合，他能够能够简单抓取实物，作为演示作用的一种机器，后随着机械臂结合单片机等进行控制，能够十分方便的拿取实物。得到不断的发展。自1962年Versatran机械臂发明，能够实现回转功能，能够简单码垛稍重货物，德国从上个世纪70年代开始，敏锐的感觉到机械臂将会得以大幅度发展，所以在机械臂上面大投入，在起重行业、生成流水线使用上。可以看到德国的技术不断发展也日趋成熟，随着机械臂的不断发展，人们对机械臂的使用寿命，以及平均故障时间也进行了提高。对其可靠性也进行了研发。使其精准度能够达到1mm，能够满足一般生产的要求。机械臂的发展主要可以分为以下几种阶段。第一阶段的机械臂主要用于教学目的，或者简单的码垛货物。通过机械臂能够提升生产效率，不过其自动化程度低，效果一般。在使用时间长了，还需人工进行调整；第二阶段的机械臂能够实现自动化，通过计算机进行控制，具备编程能力，能够结合各种传感器进行工作，具备反馈能力；目前厂区所用的机械臂大部分都是这一阶段的；第三阶段机械臂具备柔性制造能力，即其能够根据传感器能够具备在生产中及时矫正的能力，使得机械臂能够具备智能化，目前仍在研制过程之中。1.2.2 机械臂发展趋势机械臂通过其控制系统对零部件进行加工，能够获取符合要求的零部件，上世纪60年代出现的简单使用的机械臂，给机械带来了革命，而上世纪70年代，随着控制技术的不断发展，人们开始用机械臂加工复杂零部件了。这对机械制造来说是一场正在的革命。目前的机械臂向着更为高端方向发展，其主要的发展趋势有以下几种：第一：智能化，随着科技的不断发展，计算机辅助软件以及人工智能技术的不断升级，使得机械臂实现智能化成为基础；第二：模块化，随着分组越来越明确，人们对机械臂的要求也越来越多所以通过模块化实施的机械臂将会得以大发展；第三：多轴化，目前使用较多的是三轴或者四轴，而采用多轴化能够完成各种总类的操作。目前的五轴、六轴甚至七轴机械臂已经出现，相信随着时间的变化，其价格将会越来越低的。将会得到更大规模的利用。1.3 本课题主要研究内容随着工厂自动化程度越来越高，工厂内使用机械臂进行仓储是十分常见的，所以本课题通过设计一款三自由度的机械臂，能够使其完成多功能的任务。本课题的主要内容可以分为以下几个步骤。具体的内容如下.第一：绪论，通过对机械臂的简介以及发展趋势，了解机械臂研究的目的与意义；确定本课题的主要研究内容；第二：本机械臂的总体方案设计，确定机械臂工作环境，对其自由度进行分配，确定各连杆参数；第三：对本机械臂的结构设计，对其主要机构的零部件进行结构设计，主要设计其传动系统的结构，包括电机。谐波齿轮减速器等；第四：对本机械臂的手爪进行设计，通过手爪的设计，使得机械臂能够十分方便的拿取货物。最初设计的机械臂主要用于教学场合，他能够能够简单抓取实物，作为演示作用的一种机器，后随着机械臂结合单片机等进行控制，能够十分方便的拿取实物。得到不断的发展。自1962年Versatran机械臂发明，能够实现回转功能，能够简单码垛稍重货物，德国从上个世纪70年代开始，敏锐的感觉到机械臂将会得以大幅度发展，所以在机械臂上面大投入，在起重行业、生成流水线使用上1。可以看到德国的技术不断发展也日趋成熟，随着机械臂的不断发展，人们对机械臂的使用寿命，以及平均故障时间也进行了提高。对其可靠性也进行了研发。使其精准度能够达到1mm，能够满足一般生产的要求。机械臂的发展主要可以分为以下几种阶段7。第一阶段的机械臂主要用于教学目的，或者简单的码垛货物。通过机械臂能够提升生产效率，不过其自动化程度低，效果一般。在使用时间长了，还需人工进行调整；第二阶段的机械臂能够实现自动化，通过计算机进行控制，具备编程能力，能够结合各种传感器进行工作，具备反馈能力；目前厂区所用的机械臂大部分都是这一阶段的；第三阶段机械臂具备柔性制造能力，即其能够根据传感器能够具备在生产中及时矫正的能力，使得机械臂能够具备智能化，目前仍在研制过程之中。第2章 多功能机械臂的总体方案设计2.1工作原理多功能机械臂的工作原理是仿造人类手臂关节的活动结构，来实现各种复杂动作的运动的，一般机械臂都运用在环境恶劣、流水线或者是危险性的工作环境下。本文设计的这种多功能机械臂主要功能是搬运，具体来说就是把一个地方的物品搬运到固定位置上去，这样的自动化设备可以有效减轻劳动力。本文设计的这种多功能机械臂运用在流水工作线上，所以对多功能机械臂的活动顺序和对时间的掌控都有比较高的要求了。多功能机械臂在搬运物体时，要保证机械臂能平稳，快速，精准的运行。机械臂原理图如图2.1所示。图2.1机械臂的结构简图2.2 基本参数要求2.2.1基本参数的确定机械臂的设计主要包括结构、功能和各种驱动及动力系统的设计，机械臂的基本参数的确定应该是机械臂的第一步。本文设计机械臂的基本参数如下表所示3。表2-1 机械臂工作过程中的主要参数2.2.2设计要求本课题设计的搬运机械臂，要求由四个方向的运动，分别是手臂可以旋转，还有手臂能够绕着轴来摆动，最后是手臂可以夹紧松开，达到加持物品的效果。机械臂的工作过程可分为： 1）机械臂运动的实现是利用电机传递的动力，带动传动轴、齿轮运动，进一步带动机械臂的运动； 2）手部的运动的实现是靠凸轮驱动摆杆，进而带动齿轮转动，最后经过内部机构的带动； 3）利用凸轮的运动原理，使圆通实现移动，进而带动手臂进行摆动； 4）转盘的往复回转的实现是通过圆柱凸轮带动齿条、齿轮转动完成的。 2.3整体方案在设计机械臂的结构时候，要对实际的工作环境还有使用情况详细分析，然后根据情况来设计能够符合要求的机械臂才行。机械臂的设计需要满足的条件：要留足机械臂的工作空间，并且设计的机械臂应能够以多种运动形式完成不同要求的工作。机械臂的结构设计，应该在满足机械臂具体的工作环境和要求的前提下，通过对人的手臂功能的模仿学习之后，进行机械臂的具体结构、机械臂的姿态和运动方式的设计4。图2.2机械臂实物图图中1机座，2液压缸，3旋转关节，4手臂，5手爪，6法兰盘7手杆。第3章 多功能机械臂的机械结构设计3.1底座的设计机械臂的底座的主要作用是承重，不仅要承受机器人全部重量，还要承受机械臂的工作载荷，因此需要有较大的强度和刚度。机械臂能否正常工作，取决于底座的安装基面的大小。由于机械臂对底座的结构要求较低，只要机械臂的定位合理即可，本课题设计的机械臂其底座如图所示。图3.1底座三维图3.2手部的设计3.2.1机械臂手部结构的计算机械臂夹持爪要根据手爪的工作环境来选取，主要参考依据有被搬运物品的质量、大小、形状和机械臂夹持爪的工作行程，本课题所设计的机械臂的参数为:M=30.0kg,夹持点和转轴中心的最大力臂为46.0mm,由这些参数来确定夹持手爪的规格。夹持手爪夹持物品的夹持力的计算如下5： 公式(3.1)式中 安全系数，(取值为1.22)；工况系数，一般情况下受器件惯性力的影响较大,a被搬运物品的加速度，g被搬运物品的重力加速度；位置系数； G被搬运物品的重量； 分别取,;则由能公式(3.1)可得: 公式(3.2)所以夹持力矩(取最小的夹持力计算) 为: 公式(3.3)由计算结果知，可选取型号为SMC,MHC2- 16D- A198S的手爪，其主要参数：（1）手爪开合时间0.03s；（2）手爪的夹持力矩75N.m；（3）重复定位精度为0.02mm。图3.2手爪结构图3.2.2竖直升降模块的设计竖直臂的作用是控制机械臂的升降，它的驱动方式是气压驱动，因为竖直臂不易定位，考虑到工作中工作行程和工作压力等因素的影响，所以本设计选取了双联气缸。由于活塞杆要克服载荷收缩做工，所以气缸的内径D的大小要结合机械臂工作压力和工作载荷来确定，具体过程如下： 公式(3.4) 式中 D气压缸的内径m；F气压活塞受到的载荷N；P气压缸受到的压力Pa；气缸总的机械效率（的取值范围0.30.5）；考虑到气缸中活塞杆的直径和具体工作情况的影响： 公式 (3.5) 将 ，代入公式（3.5）计算得： 公式（3.6）式中 t竖直臂气缸的伸缩时间， s竖直臂气缸的收缩行程， F竖直臂气缸的收缩行程，3.2.3水平伸缩模块的设计因为水平臂只在平面内运动，且仅有一端需要定位，所以采用水平钢杆和气压缸组合使用的方法来保证了水平臂的刚性，选用笔形气缸就可达到设计要求。将 ，代入式（3.5）计算得： 公式（3.7） 式中 t竖直臂气缸的伸缩时间， s竖直臂气缸的收缩行程， F竖直臂气缸的收缩行程，根据3.2.2和3.2.3的计算结果，选取型号为SMC,CXSM10-70-Z75的气缸，其重复定位精度为0.020mm。3.3腕部的设计3.3.1 概述机械臂的手部与臂部是靠腕部进行连接的，腕部对手部有支承作用。因为腕部作用的重要性，所以腕部的结构设计尽量紧凑，材料选取密度较小的，这样的腕部重量较轻，转动起来比较灵活6。本课题设计的机械臂腕部具体结构如下图所示。图3.3腕部结构图3.3.2 手腕驱动力矩的确定机械臂手腕回转时，启动产生的惯性力矩、转动轴与支承孔之间的摩擦阻力矩、密封装置的摩擦阻力矩、转动的重心与轴线不重合产生的偏重力矩对手腕的回转影响较大，因此在设计手腕时就不得不从这几方面进行入手。手腕转动时驱动力矩具体可按下式来计算7： 公式（3.8） 式中 M驱驱动手腕转动的驱动力矩M惯惯性力矩 M偏参与转动的零部件对转动轴线所产生的偏重力矩 M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 腕部回转时受力如图所示。图3.4腕部回转力矩图 摩擦阻力矩M摩 公式（3.9） 式中 f轴承摩擦系数，滚动轴承取f=0.020，滑动轴承取f=0.10； N1 、N2 轴承的支承反力； D1 、D2 轴承直径由设计参数得, ,， f=0.10。由公式（3.9）代入数值计算可得 公式（3.10） 工件重心偏置力引起的偏置力矩M偏 公式（3.11） 式中 G1工件重量（N） e偏心距将e=0.02，G1=300N代入公式（3.11）计算得 公式（3.12） 腕部启动时的惯性阻力矩M惯 公式 （3.13） 式中 手腕回转角速度（1/s） t手腕启动过程中所用时间（s） J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kgm） J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量（kgm） 由已知计算得J=3.0，J工件 =6.0，=0.30m/ m,t=1.50s,代入公式（3.13）得 公式（3.14） 由于受到驱动缸密封处摩擦损失的影响，设计时M的取值应该比理论值偏大，一般按下式进行计算8。 公式（3.15） 将公式（3.10）、（3.12）、（3.14）计算的结果代入得 公式（3.16）综上计算知手腕驱动力矩为12.123.4臂部的设计3.4.1手臂运动机构的选择臂部不仅是用来支承手部和腕部的主要部件，也是机械臂的主要执行部件。它不仅承受手臂自身的重量，还要承受手部、手腕、和被抓取工件的重量。手臂的设计是否合理将直接影响机械臂的工作性能，因此手臂的设计必须考虑以下因素的影响8：机械臂的抓取重量、运动形式、运动速度和定位精度的要求 手臂受力情况、导向装置和油缸的分布、手腕与内部管路的连接方式。综合刚度、导向性、偏重力矩和稳定性等因素对机械臂臂部的设计的影响，本设计选择的手臂运动机构为双导杆伸缩机构，其驱动方式为液压驱动,液压缸选取双联液压缸。3.4.2手臂偏重力矩的确定手臂偏重力矩的计算公式 公式（3.17）经过初步计算可得，。所以手臂所受的外力为 公式（3.18）初步取各部分长度为， 计算出平均偏重长度为 公式（3.19）由公式（3.17）代入数据计算得偏重力矩为 公式（3.20）3.5小结本章确定了机械臂的机身底座、手爪的相关数据以及确定了水平升降模块和垂直升降模块的气缸内径和型号,对机械臂的手臂、腕部和臂部进行了设计。第4章 多功能机械臂驱动系统设计4.1气动元件的选用气压泵是气压回路的心脏，主要为回路提供动力。进行气动回路设计时，首先要完成气压泵的选择。而气压泵的选择主要确定气压泵的类型和气压泵具体型号，气压泵的类型要根据气压回路对气压的特性要求来确定，气压泵的具体型号是由气压回路中气压缸的耗气量总和、所需的气体压力、气压泵的吸入流量和气压泵的输出气压进行参考选取的。气缸的换气量Q主要受气缸的直径D、气缸的动作时间、行程S、气缸管道内的容积、换向阀到气缸管道的容积等因素的影响，为了方便计算，一般忽略这些因素的影响，因此在单位时间内气缸内空气耗气量Q的计算过程如下： ， 公式（4.1）式中 Q在单位时间内气缸压缩气体的消耗量(m3s)；Q1无活塞杆端气缸进气的情况下压缩气体的消耗量（m3s)；Q2有活塞杆端气缸进气的情况下压缩气体的消耗量（m3s)；t1、t2气缸内活塞的往返程时间（s）；S气缸内活塞的行程（m）；D气缸内部的直径（m）；d气缸内活塞杆的直径（m）；水平臂气缸内的压缩空气耗气量计算过程如下：由公式（4.1）计算得： 公式（4.2）式中 t水平臂气缸压缩空气的时间，t=0.6s s水平臂气缸压缩空气的行程，s=60mm D水平臂气缸的缸径，D=13mm竖直臂气缸内的压缩空气耗气量计算过程如下10：由公式（4.1）计算得： 公式（4.3）式中 t竖直臂气缸压缩空气的时间，t=0.5s s竖直臂气缸压缩空气的行程，s=70mm D竖直臂气缸的缸径，D=35mm综上两部分的计算,本课题最后选用参数为：LB:0.0178; 220V50HZ; 0.80MPa；0.245kw的气压泵。4.2气动系统中各控制和辅助元件的选用在气动系统中，气压泵、控制阀、气动回路和执行气动缸的相互配合是机械臂完成指定的工作要求和任务的关键。气动控制阀保证了整个气动回路的有序运行，气动回路中的各类控制阀控制各执行元件的动作顺序和速度的方式是通过改变压缩空气的方向和流量来控制的，气压泵的压缩空气进而带动各气压缸等执行元件的工作。 4.2.1方向控制阀的选用在气压回路中，执行元件的启动、停止和方向变化是由方向控制阀来控制的。它的工作原理是通过改变压缩气体的方向及通断，来控制气动回路中的执行元件完成指定要求的工作。方向控制阀种类较多，可以将其分为如下3类11：（1）按阀内空气流通方向分为：单向型控制阀；双向控制阀。（2）按控制方式分为：电磁控制型换向阀；气压控制换向阀；机械换向阀；人力控制阀。（3）按照定义分为：按阀内换气端口的数量定义为几通阀按阀内阀芯有、切换工作位置的数目定义为几位阀。 所研究的机械臂要满足自动控制的要求气缸工作时的具体要求，综合考虑了机械臂的技术要求，所以本课题选择了先导性2位5通电磁换向阀。4.2.2流量控制阀的选用通过流量控制阀对机械臂的各个动作元件的速度进行有效的控制，机械臂才能保证其动作过程的完整进行。流量控制阀是通过控制流过流量控制阀的气流流通截面积的改变来控制气动回路中的流量，流量控制阀大体上可以分为3种：排气节流阀节流阀单向节流阀。因为本课题所选用的是双向工作气缸，所以需要2个单向节流阀组合的来实现。4.2.3压力控制阀的选用压力控制阀作为气动回路中首选气压元件，它的功能是控制回路中气流压力的变化，按照功能可以将其分为：减压阀；顺序阀；溢流阀（安全阀）。本课题所选用的是溢流阀，它主要用于气压泵的出口处，当回路中压力过大时，可以对整个回路起到过载保护作用。4.3液压模块计算4.3.1 液压缸活塞的驱动力的计算本课题所设计机械臂的手臂伸缩速度为250.0mm/s，其行程L=400.0mm，其抓重300.0N； 公式（4.4）式中 摩擦阻力； 密封装置处的摩擦阻力；液压缸回油腔内的低压油液所造成的阻力；启动或制动时，活塞杆所受到平均惯性力。其中、的具体计算如下。（1）的计算。本课题设计导向杆是截面为圆柱面的双向导向杆，导向杆对称均布在伸缩缸的两侧，启动开始时，导向杆受到摩擦阻力较大，具体计算如下:由于导向杆的配置是对称的，两个导向杆的受力情况是相同的，因此计算过程中只计算一个导向杆。 公式（4.5） 公式（4.6） 公式 （4.7） 公式（4.8） 公式（4.9）由公式（4.5）、（4.6）、（4.7）、（4.8）、（4.9）联合得 公式（4.10） 公式（4.11）式中 参与运动的零部件和工件所受的总重力,本设计具体值为L支承杆和手臂结构的重量的中心的距离,；a导向支承杆的长度,; 当量摩擦系数，其值受导向支承杆的截面形状影响。对于圆柱面来说 的计算如下: 取=1.5摩擦系数常见材料的摩擦系数如下：钢对青铜: 取 钢对铸铁: 取，取，代入已知数据得 公式（4.12）（2）的计算 液压缸密封处的总摩擦力计算如下: 公式（4.13） 公式（4.14）式中 驱动力，d伸缩油管的直径,d=70mm；P工作压力(Pa)；P10.0MPa,取值范围为0.02300.050,取p=4.0Mpa,=0.050；L密封的有效长度。 公式（4.15） 公式（4.16） 公式（4.17）取=10mm,K=0.1代入公式（4.17）计算得 公式（4.18）公式(4.19)（3）的计算 由于背压阻力较小，F回的计算一般取（4）的计算 公式（4.20） 公式(4.21)式中 参与运动的零部件所受的总重力(包括工件重量)（N）g重力加速度，取10静止加速到常速的速度变化量启动过程的时间(s)，其取值范围为，取=0.050s。综上（1）、（2）、（3）、（4）的计算，所求驱动力为，F=453.13N 公式（4.22）4.3.2液压缸的结构尺寸（1） 液压缸内径的计算油进入无杆腔的情况如下： 公式（4.23） 油进入有杆腔的情况如下： 公式（4.24）液压的有效面积: 公式（4.25）由公式（4.23）、（4.24）代入数值计算得 公式(4.26) 公式(4.27)由计算结果查表4-1得，液压缸内径 D取整D=40mm式中 F驱动力N)；液压缸的工作压力,取=4Mpa；D活塞缸内径m)；d活塞杆直径(m)；液压缸机械效率，取。表4-1 液压缸工作压力表表4-2液压缸内径系列JB826-66（mm）（2） 液压缸壁厚计算在实际应用中，液压缸壁厚计算有下列三种情况11:中等壁厚，时， 公式（4.28） 公式（4.29）式中 液压缸内的工作压力钢管的强度系数，其中无缝钢管=1计入管壁公差及侵蚀的附加厚度D液压缸内径（m）壁薄，时， 公式（4.30） 公式（4.31）壁厚，时，由得 公式（4.32） 公式（4.33）式中 材料的抗拉强度（）n安全系数，n的取值范围为3.55常用缸体材料的许用应力常见几种材料的许用应力如下，锻钢的取值范围为110.0120.0Mpa,本文取用=120.0Mpa；铸铁=60.0Mpa；无缝钢管的取值范围为100.0110.0Mpa。表4-3 标准液压缸径（JB6867）（mm）4.4活塞杆的设计4.4.1活塞杆的计算因为活塞杆直d由强度条件决定,故具体计算要考虑拉、压强度的影响，计算过程如下12: 公式 (4.34) 公式（4.35）碳钢,取;一般不小于1.4，取由公式（4.34）、（4.35）计算得 公式 (4.36)由公式（4.36）结果得，活塞杆直径d取整d=10mm 4.4.2活塞杆的稳定性校核由活塞杆长度和直径的关系来确定是否进行稳定性校核。当括塞杆长度L15d时，就必须进行校核了，校核过程如下11： 公式（4.37）式中 临界力（N），由材料力学中的有关公式计算可得。 安全系数，其取值范围为活塞杆的临界力有三种情况，具体情况如下：（1）大柔度杆当时，临界力为 公式(4.38)式中 柔度系数，活塞杆的计算柔度i活塞杆横截面的惯性半径（m）,J活塞杆截面对中性轴的惯性矩（），E弹性横量，E=210GPa长度折算系数，特定的柔度值，为比例极限。（2）中柔度杆 当时，临界力为 公式（4.39）式中 F活塞杆横截面积（）a、b与材料性质有关的常数，特定的柔度值，为屈服极限（3）短压杆短压杆的时候，由于，此时活塞杆L15d,因此不进行压杆稳定的校核。4.5手臂旋转设计由机械臂手臂的旋转运动来确定机械臂手臂的回转液压缸，回转液压缸做回转运动受力情况如图4.1所示。图4.1 手臂回转运动受力图机械臂手臂的回转驱动力矩计算如下： 公式（4.40）（1）密封装置处的摩擦力矩 公式（4.41）估计取 ,；取回转缸内径 ,输出轴与动片联接处的直径为, 公式(4.42) 公式 (4.43) 公式(4.44)(2)手臂启动时的惯性力矩 公式 (4.45)式中动片角速度的变化量，启动时，。启动过程所需的时间（s）,取 公式（4.46）式中 回转零件相对于重心轴线的转动惯量 公式（4.47）将手臂回转零件质量，回转时手臂长度代入公式（4.45）、（4.46）、（4.47）中计算得 公式(4.48) 公式(4.49) 公式(4.50)（3）回转液压缸回油腔的背压反力矩 公式（4.51）取, 公式 (4.52) 公式(4.53)驱动力矩的计算 公式（4.54） 图4.2 回转液压缸计算图回转缸内径D的计算根据 公式（4.55） 公式（4.56） 公式（4.57）式中D回转缸内径（m）M驱作用在动片的外载荷力矩b动片宽度（m）p回转液压缸的工作压力（Pa）d输出轴和动片联接处的距离（m），初步设计时按D=2d计算b动片的宽度 公式（4.58）选择动片宽度b（即液压缸宽度）时,考虑到动片的悬伸长度和动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷的影响，可采用如下约束 公式（4.59）由公式（4.59）的约束关系结合公式（4.58）的计算，最终得出下列结果 4.6 手臂升降设计4.6.1臂部做升降运动时油缸的相关计算机械臂臂部做升降运动的驱动力计算 公式 （4.60）式中 摩擦阻力（N），取； 臂部运动的零部件和被抓取工件的总重力，单位（N）。（注：必须加上不自锁的条件）计算结果为驱动力为45000牛，即 。4.6.2油缸内径的计算手臂升降液压缸内径如图所示图4.3 油缸内径图油进入无杆腔的情况如下： 公式（4.61）油进入有杆腔的情况如下： 公式（4.62）油缸的有效面积： 公式（4.63） 由公式（4.61）、（4.62）、（4.63） 得 公式（4.64） 公式（4.65）式中 P活塞受到的驱动力（N）；P1油缸的工作压力（）；D油缸的内径（mm）；d活塞杆的直径（mm）；油缸的机械效率。表4-4 压力选择参考表查表4-4知，当驱动力为45万牛时，油缸工作压力应选取为4MPa。再由公式计算得： 公式（4.66）表4-5 液压缸缸内径表（GB/T2348-93） 注：括号内的尺寸为理论尺寸，能不用尽可能不选用。由公式（4-66）计算结果选取的油缸内径，查表4-5可选出油缸内径为125mm 。4.6.3油缸壁厚的计算油缸壁厚的具体计算如下：中等壁厚（） 公式 （4.67）式中 D油缸内径（mm）；计算压力，P计的取值范围为；油缸材料的许用应力（）；强度系数；C油缸的附加厚度；由公式（4.67）代入数值计算得出油缸外径为 公式（4.68）查表4-6油缸外径表，可知C可取17，因此壁厚mm 。表4-6 油缸外径表注：缸体为无缝钢管4.6.4活塞杆的计算活塞杆的尺寸设计是必须要符合活塞运动的要求及强度的要求。当活塞杆的长度超过直径的15倍时，必须要对其进行稳定性校核。具体计算如下：因为活塞杆是直杆，所以应按拉、压强度计算： 公式(4.69) 公式(4.70)式中 P活塞杆所受的总载荷（N）；活塞杆材料的许用应力（） 。 公式(4.71)通过查活塞杆直径系列表表4-7，选用了直径为d=25mm的活塞杆。表4-7 活塞杆直径系列表由活塞杆长度L=300.0mm，知，此时不需要进行稳定性校核，因为该活塞杆满足设计要求。4.7小结本章首先完成了气动元件和液压阀的选取，然后完成了液压缸活塞的驱动力和液压缸结构尺寸的设计，最后完成了活塞杆的设计、校核以及手臂回转、升降液压缸的设计和油缸壁厚的确定。 第5章 多功能机械臂液压系统设计5.1机械臂液压缸的受力情况5.1.1 大臂升降缸的受力情况大臂升降缸无论是否工作都会受到力的作用，具体情况分析如下：机械臂下降时，升降缸除了受活塞杆自身的重力，还受机械臂组件启动惯性力和机械臂组件的重力。机械臂上升过程中，升降缸除了受到各组件的重力外，还要克服运动部件重载运动的摩擦阻力。机械臂动作完成时，升降缸停止动作，升降缸依然受到各组件的重力的影响。5.1.2 手爪夹紧缸的受力情况手爪夹紧缸的受力情况主要有三种，具体分析如下：当手爪夹紧工件夹紧缸竖直向下时，由于重载运动，夹紧缸不仅受到下降的启动惯性力和夹紧缸活塞杆自身的重力，还受到手部组件的重力。夹紧缸放松工件时，夹紧缸和手部组件的位置是水平的，夹紧缸的外载荷受到连动部件的启动惯性力和手部滑槽杆摩擦力的影响。机械臂手部上下翻转时，此时夹紧缸动作保持不变，所受外载荷是摆动产生的离心力。5.1.3 手臂伸缩缸的受力情况手臂伸缩缸主要动作有两种，分别是手臂延伸动作和手臂收缩动作。手臂的动作状态只受启动惯性力地影响。手臂伸缩缸除了动作状态之外，均为动作保持阶段，此时手臂伸缩缸不受外部载荷。5.2液压元件的选择对机械臂动作进行分析，考虑到立柱工作次数较多、能量的损耗、系统的温度等因素带来的影响，本文选用了电机型号为J02-51-4，功率7.50KW，电压380v的液压泵；选用了双联齿轮泵，其中一个是额定流量为18.0L/min；额定工作压力为2.5.0MPa的高压小流量泵，一个是额定流量为125.0L/min，额定工作压力为2.50MPa的低压大流量泵。5.3液压系统原理图机械臂液压系统原理原理如图5.1所示图5.1 机械臂液压系统原理图1油箱；2过滤器；3高压小流量泵；4低压大流量泵；5单向阀；6二位二通电磁阀；7溢流阀；8三位四通电磁阀；9二位五通电磁阀；10调速阀；11单向顺序阀。机械臂液压系统工作原理如下：油箱1里的液压油经过过滤器2分为两路：经过高压小流量泵3流经单向阀5，流经三位四通电磁阀8、二位五通电磁阀9，依据系统油压的大小，电磁阀8、9依次打开，机械臂完成相应的动作。当系统压力超载时，溢流阀7将会打开，对整个回路进行过载保护。经过低压大流量泵4流经单向阀，流经二位五通电磁阀9，依据系统油压的大小，电磁阀9打开，机械臂完成抓取动作。当系统压力过载时，卸压回路对回路进行卸荷，维持回路压力稳定。5.4小结本章完成了大臂升降液压缸、夹紧液压缸、手臂伸缩液压缸的受力情况的确定，选取了合适的液压缸，构建了液压原理图。第6章 基于ansys workbench的机械臂爪有限元分析6.1 软件简介Ansys作为一款使用范围很广的仿真软件，在众多领域得到重用，作为一款专业的仿真分析软件，使用ansys进行分析，结合实际的工况，考虑实际因素，能够分析出与实际结果相符的结论，所以在很多领域上，都可以看到ansys设计的身影。专业的技术人员使用ansys对产品进行分析，找出产品设计中的薄弱点，使其能够根据实际情况进行处理。所以ansys的强大使得很多人对其进行研究，不过ansys入学较快，但是当能够真正结合使用的情况进行分析的人较少，需要一定的经验积累，本课题通过对简单的几个零部件进行受力分析，使其能够满足实际要求，与第二章设计相符。Ansys处理过程主要是：前处理、分析计算、后处理这三大模块。每个模块的都是必须的，前处理模块需要将模型简化，如果将整个装配体录入系统，将会造成系统的瘫痪，分析模块主要是要实现实际工况的录入，根据实际设计或者测试结果进行录入，对其进行受力分析。后处理是实现结果分析，与实际工况进行对比，如果分析结果与实际工况不对，可反查是否存在问题，图4.1 所示为ansys 分析模块的简图。图6.1 ansys分析模块简图6.2 对手抓的静力学分析进行分析之前ansys虽然具备制图模块，但是其效果不佳，对于刀具来说，建模十分困难，所以本课题采用的是通过上章完成的模型导入至本模块，ansys能够自动识别该模型，然后对其材质参数进行确定，本课题中的材质是45号钢，它与不锈钢参数是相同的，所以可以选用默认的不锈钢参数。然后对其进行网格划分，采用的形式也是默认的，主要考虑到电脑运行内存的缘故，形状如图6.3所示，这是前处理部分，然后需要对其进行受力分析，首先考虑的是旋转刀具在刚刚运动时，设定刀杆在螺栓固定处是不动的，所以采用固定模式，将其中心固定，即fixed support模式。在旋转刀具在刚刚开始工作的时候，有个Y轴的受力大小为500N，如图4.4所示。图6.2 模型文件导入的场景图6.3 刀具啮合网格划分、图6.4 刀具啮合载荷分析6.3 刀具后处理Ansys 的后处理模块就是通过对计算结果进行分析，得出应力、应变、位移等相关参数，此参数结果分析，观察是否满足产品的要求。如位移是否足够小，不会让系统产生振动，一般来说位移小于总结构尺寸的百分之一的话，就不会产生振动，如果超过此值的话，将会存在危险，如果应力值超过材料的屈服强度，那么材料将会失去作用，整个结构都会损坏。本课题中在求解模块中选用应力、应变、位移等相关参数然后点击求解。由于计算机的性能不同，其处理时间也不同，最后在求解模块中显示出刀具的位移、应变和应力相关参数结果，如图6.5所示。可以依据左端的结果显示位移值为3.88x10-4m。未达到其尺寸的百分之一，可以看成其位移值不会对产品振动产生影响。如图6.6所示，可以依据左端的结果显示最大形状变量是8.023e-5。如图6.6所示，可以依据左端的结果显示最大应变为8.7x108pa。它比钢的屈服强度低得多，所以它可以满足要求。图6.5 云图结 论在完成本次多功能机械臂的毕业设计这个过程中，我对自己在学校所学的专业课程，有了一个清晰的广泛的认知。我也明白了作为一个需要从无到有的产品设计师要付出的不仅仅是脑力还要有过硬的专业知识。在完成这次毕业设计中，我总结了一下几点。第一，在研究如何设计多功能机械臂时，我发现相关的资料很少。这相当于一个接近空白的领域。我在图书馆反复寻找，最后选择了相似产品的资料。这样能解决与市场联系以及专业知识的空白问题。第二，在多功能机械臂设计中，第一步需要有足够的专业知识支撑精准的设计出其整体结构以及外观。第二步要分部设计，化整为零，在整体设计的基础上设计微小部件。并且将其安装方法以及具体大小等进行仔细的核对以及精确的计算。只有先把设计的合理性和可执行性都进行评估做好充分的前期准备工作，才能加工出有用的机器。这样才能大幅度提高生产效率。第三，绘制图纸不仅需要学会使用三维软件，并且要能进行熟练的操作。一开始的时候，我并未学习使用过三维软件，这成了我毕业设计的拦路虎。但我并没有被吓
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