四自由度圆柱坐标机械手毕业设计说明书

1、 机电工程学院 毕 业 设 计 说 明 书设计题目 : YZBZ 1型圆柱坐标式四自由度机械手设计目次1 绪论 1 1.1 工业机械手的概述 1 1.2 工业机械手在生产中的应用 1 1.3 机械手的组成概述 21.4 工业机械手的发展趋势 32 总体设计方案 4 2.1 设计题目 4 2.2 初始参数与设计要求 42.3 方案拟定 53 机械手手部设计计算 6 3.1 手部设计基本要求 6 3.2 手部力学分析 7 3.3 夹紧力及驱动力的计算 83.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 94 机械手腕部设计计算 11 4.1 腕部设计基本要求 11 4.2 腕部结构的选择 114.3 腕部回转

2、力矩的计算 125 机械手臂部设计计算 16 5.1 机械手臂部设计的基本要求 16 5.2 手臂的典型机构及结构的选择 16 5.3 手臂伸缩驱动力计算 17 5.4 手臂伸缩油缸结构的确定 19 5.5 油缸端盖的连接方式及强度计算 216 机身设计与计算 23 6.1 机身的整体设计 23 6.2 机身回转机构的设计计算 256.3 机身升降机构的设计计算 287 液压驱动系统的计算 31 7.1 绘制液压系统的工况图 31 7.2 计算和选择液压元件 36 总结 38 致谢 38 参考资料 391 绪论1. 1 工业机械手的概述工业机械手在先进制造技术领域中扮演着极其重要的角色, 是近

3、几十年发展起来 的一种高科技自动化生产设备, 是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多 功能机器,它有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 工业机械手的是工业机器人的一个重要分支, 它的特点是可通过编程来完成各种 预期的作业任务, 在构造和性能上兼有人和机器各自的优点, 尤其体现了人的智能和 适应性。 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力, 在国民经济各领域有着 广阔的发展前景。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和 计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。1. 2 工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的

4、一种控制对象。机械手可以完成许多工 作,如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛广泛。在现代工业中, 生产过程中的自动化已成为突出的主题。 各行各业的自动化水平 越来越高,现代化加工车间,常配有机械手,以提高生产效率,完成工人难以完成的 或者危险的工作。可在机械工业中,加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资 料介绍, 美国生产的全部工业零件中, 有 75%是小批量生产; 金属加工生产批量中有 四分之三在 50件以下, 零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。 从这 里可以看出,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,工业机械手就是为实现这些工序的 自动化而产生的。 目前在我国机械手常

5、用于完成的工作有:注塑工业中从模具中快速 抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序;机械手加工行业中用于取料、送料;浇铸 行业中用于提取高温熔液等等。具体应用在以下几方面:(1 建造旋转零件(转轴、盘类、环类自动线(2 在实现单机自动化方面(3 铸、锻、焊热处理等热加工方面1. 3 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1.3.1 执行机构(1 手部 既直接与工件接触的部分, 一般是回转型或平动型 (多为回转型, 因其 结构简单 。手部多为两指(也有多指 ;根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可以 用负压式或真空式的空气吸盘(主要用于吸冷的,光滑表面的零件或薄板零件和电 磁

6、吸盘。传力机构形式教多,常用的有: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。(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(一般小于 2700 , 并且要求严格密封,否则就难保证稳定的输出

7、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 臂部 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(包 括工作或夹具 ,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(或俯仰运动。手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸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

8、位精 度直接影响机械手的工作性能。(4 行走机构 有的工业机械手带有行走机构,我国的正处于仿真阶段。1.3.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同 , 工业机械手的驱动 机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手 , 结 构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.3.3 控制系统分类在机械手的控制上, 有点动控制和连续控制两种方式。 大多数用插销板进行点位 控制,也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制,采用凸轮、磁盘磁带、穿孔 卡等记录程序。主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性。1. 4 工业机械手的发展趋势(1 工业机器人性能不断提

9、高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修 , 而单机价格不断下降,平均单机价格从 91年的 10.3万美元降至 97年的 6.5万美元。 (2 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 ; 国外已有模 块化装配机器人产品问市。(3 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。(4 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、

10、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环境建模及决策控制多传感器融合配 置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥 控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与 机器人的人机交互控制, 即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统, 使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这 种系统成功应用的最著名实例。2 总体设计方案2. 1 设计题目

11、:YZBZ-1型圆柱坐标式四自由度机械手设计2. 2 初始参数与设计要求1、抓重:300N2、自由度:4个3、臂部运动参数:表 2-1 4、腕部运动参数:表 2-2 5、手指夹持范围:棒料, 60mm120mm ,长度 4501200mm6、定位方式:缓冲,死挡块定位7、驱动方式:液压(中、低压系统8、定位精度:±3mm2. 3 方案拟定2.3.1 初步分析机械手抓重为 300N ,按工业机械手的分类,属于中型,按用途分为通用机械手, 其特点是具有独立的控制系统、 程序可变、 动作灵活多样, 通用机械手的工作范围大、 定位精度高、通用性强,适合于不断变换生产品种的中小批量自动化生产。

12、由表 2-1和表 2-2、及机械手的各规格参数可以了解到,设计方案为通用型机械手,其通用性 强,应用范围广,自身体积和重量适中,成本适中,维修较容易。圆柱坐标式机械手 与直角坐标式械手相比,占地面积小而活动范围大,结构较简单,并能达到很高的定 位精度, 因此应用广泛。 但由于机械手的结构关系, 沿 Z 轴方向移动的最低位置受到 限制,故不能抓取地面上的对象。2.3.2 拟定方案由初始参数拟定整体设计方案通用机械手是 36个自由度, 而本次设计为 4由度圆柱坐标机械手, 其大致结构 如图 2-1,运动简图如图 2-2: 图 2-1 图 2-22.3.3 执行机构(1 手部 即直接与工件接触的部分

13、,一般是回转型或平移型,也有吸盘式和电磁式结构,本次选用结构简单的两支点回转型结构。手部为二指。传力机构常用有滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次选用滑槽杠杆式机构。(2腕部 连接手部与手臂的部件。要求 0180°的回转动作,因此选用具有单自 由度的回转液压缸驱动结构。此结构特点是结构紧凑,灵活。(3臂部 臂部是机械手的主要执行部件。他的作用是支撑腕部和手部(包括工件 与工具 。并带动他们作空间运动。臂部设计的基本要求为:a 承载能力大,刚度好,自重轻b 运动速度高,惯性小c 动作灵活手臂动作应灵活d 位置精度要高因此, 本设计选用双导向杆手臂伸缩结构

14、与双作用液压缸。 其特点为手臂的伸 缩缸安装在两根导向杆之间,由导向杆承受弯曲作用,活塞杆只受拉压作用, 受力简单,传动平稳,外形整齐美观,结构紧凑。2.3.4 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 根据动力源不同大致可分为气动、 液压、 电动和机械传动。 根据课题特点, 本设计选用液压驱动, 其特点是速度快, 结构简单, 控制方便,传递力矩大,并且控制精度高。3 机械手手部设计计算3. 1 手部设计基本要求(1 应具有适当的夹紧力和驱动力,应考虑到在一定的夹紧力下,不同的传动机 构所需要的驱动力大小是不同的。(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

15、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。3. 2 手部力学分析通过综合考虑,本设计选择二指双支点回转型手抓,采用滑槽杠杆式,夹紧装 置采用常开式夹紧装置,他在弹簧的作用下手抓闭合下面对其基本结构进行力学分析:滑槽杠杆 图 3-1(a为常见的滑槽杠杆式手部结构。 (a (b图 3-1 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 F 1和 F 2, 其力的方向垂直于滑槽的中心线 1oo 和 2oo 并指向 o 点,交 1F 和 2F

16、的延长线于 A 及 B 。由XF =0 得 1F =2F YF=0 得1F =2cos F1F =' 1F由 Mol(F=0 得 ' 1F =N F ·hcos a h =F=2cos N bF a 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 N F 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 =0300403. 3 夹紧力及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

17、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:123N F K K K G式中 1K 安全系数,通常 1.22.0;2K 工 作 情 况 系 数 , 主 要 考 虑 惯 性 力 的 影 响 。 可 近 似 按 下 式 估ga 1K 2+=其中 a 是重力方向的最大上升加速度 m ax v a t =响, g=9.8 m/s ;m ax v 运载时工件最大上升速度; ; t 响系统达到最高速度的时间,一般选取 0.030.5s;3K 方位系数,根据手指与工件位置不同进行选择;G 被抓取工件所受重力(N 。计算:

18、设 a=40mm,b=120mm,=35°机械手达到最高响应时间为 0.5s ,求夹 紧力 N F 和驱动力 F 和 驱动液压缸的尺寸。(1 设 1K =1.6 max V =102 mm/s s t =0.5s ga 1K 2+= =19.8+=1.02 3K =0.5 根据公式,将已知条件带入: N F =1.6×1.02×0.5×300=244.8N 根据驱动力公式得:(2 计算 F =abcos 22N F =4035cos 01222244.8=986N取 85. 0=(3 计算实际 F F =85. 0986=1160N(4 确定液压缸的直径

19、 D (224F D dp =- 实 际选取活塞杆直径 d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力 P=39.2105Pa 则 D=-(实际25. 01F 4p =75. 01039.21160450.0224m根据液压缸内径系列表(JB826-66 ,选取液压缸内径为:D=32mm,根据装配关系, 外径为 50mm 。 则活塞杆直径为:d=320.5=16mm,选取 d=16mm3. 4 机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性 好,并有足够的抓取能。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 (由臂部和腕

20、部等运动部件来决定 ,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 3-3 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 60120mm 。 夹持误差不超过 ±3mm ,分析如下: 工件的平均半径: CP R =26030+=45mm手指长 L=120mm,取 V 型夹角 02120=偏转角: =1cos-Lsin R cp =1cos -60sin 12045=64.34°按最佳偏转角确定: =64.34°计算理论平均半径 =c o

21、 s L s i nR 0120×sin60°cos64.34°=45mm 因为 m i n 0m a xR R R >> 2222max 2max 21asin L acos sin 2 sin (L -+=R LR2222224044.36sin 20404.346cos 06sin 601202 06sin 60(20-+=1.4842222min 2min 22asin L acos sin 2 sin (L -+=R LR222222404.346sin 204044.36cos 06sin 301202 06sin 30(20-+=0.16

22、6所以 =1.484<3夹持误差满足设计要求。4 机械手腕部设计计算4. 1 腕部设计基本要求(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,合理布局腕部作为机械手的执行机构, 又承担连接和支撑作用, 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设计, 机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料, 因此不太受环 境影响, 没有

23、处在高温和腐蚀性的工作介质中, 所以对机械手的腕部没有太多不利因 素。4. 2 腕部结构的选择腕部结构有四种,分别为:(1 具有单自由度的回转缸驱动的腕部结构(2 用齿条活塞驱动的腕部结构(3 具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构 (4 机液结合的腕部结构本次设计要求腕部有一个回转自由度,因此,综合考虑分析,选择第一种结构, 其特点直接用回转油缸驱动实现腕部的回转运动, 具有结构简单、 灵活等优点而被广 泛采用。4. 3 腕部回转力矩的计算4. 3. 1 腕部转动时所需的驱动力矩计算腕部转动时所需的驱动力矩可按下式计算:驱M=惯 M +偏 M +摩 M +封 M (N·m(1 腕部加速

24、运动时所产生的惯性力矩 惯 M若腕部启动过程按等加速运动,腕部转动时加速度为 (rad/s,启动过程所需的时间 为 t (s,或转过的角度为 (rad,则惯M=(J +1J t或 惯 M =(J +1J 22式中 J 参与腕部转动的部件对转动轴线的转动惯量(kg ·m 2 ; 1J 工件对腕部转动轴线的转动惯量(kg ·m 2 。(2 腕部转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 偏 M因为手抓夹持在工件中间位置,所以 e 等于 0,即:偏M=G1e 1+G3e 3=0(3 腕部转动轴载轴颈处的摩擦阻力矩 摩 M为简化计算,一般取 摩 M =0.1总驱力矩 M(4 回转

25、缸的动片和缸径、 定片、 端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 封 M , 与选用的密封装置类型有关,应根据具体情况加以分析。设夹取棒料直径 100mm , 长度 1000mm , 重量 50Kg , 当手部夹持工件中间位置回转 0180时,将手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体,长 h=150mm, 半径为 60mm ,其所受重力为 G=200 N 等速转动角速度 s rad s /49. 3/200=。 因为 惯 M =(J +1J 22J=221MR =221R gG =206. 08. 920021=0.03672s m N 1J =3(121221R l m +=05. 0

26、31(5012122+=4.19792s m N 代入 惯 M =(0.0367+4.1979314. 0249. 32=47m N 所以 驱 M =0.1总驱力矩 M +0+47驱M=52.22m N 4. 3. 2 腕部驱动力的计算表 4-1 液压缸的内径系列(JB826-66 (mm 设定腕部的部分尺寸:根据表 4-1设缸体内壁半径 R=55mm,外径按中等壁厚设 计,由表 4-2选取 168 mm ,动片宽度 b=66mm,输出轴 r=25mm。基本尺寸如图 4-1所示。则回转缸工作压力P=(222r R b M -=025. 0055. 0(066. 02.225222-=6.59M

27、Pa,所以选择 P=7MPa。 图 4-1 腕部液压缸剖截面结构示意表 4-2 标准液压缸外径(JB1068-67 (mm 4. 3. 3油缸盖螺钉的计算t 为螺钉的间距,间距与工作压强有关,见表 4-3,在这种联结中,每个螺钉在危 险剖面上承受的拉力为: 0' sQ Q Q F F F =+式中 Q F 为工作载荷, 'F Qs 为预紧力计算:液压缸工作压强为 P=7 Mpa,所以螺钉间距 t 小于 80mm, 试选择 8个螺钉;d/4=110/80=4.3<8,所以选择螺钉数目合适 Z=8个危险截面 405. 011. 0S 2222-=-=r R =0.0075m2

28、Q P S F Z=所 以 , =81070075. 06=6562.5NQ Qs KF F =(K=1.51.8 取 K=1.5,则 =Qs F 1.5×6562.5=9843.75 N0's Q Q Q F F F =+=16407N螺钉材料选择 Q235, 2401601.5sM P an=则 (n=1.22.5螺钉的直径d d 6 1016014. 3164073. 14=0.0131m螺钉的直径选择 d=14mm。4. 3. 4 动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴间的连接螺钉连接螺钉一般为偶数,对称安装,并用两个定位销定位。连接螺钉的作用:使动 片和输出轴之间的配

29、合紧密, 当油腔通高压油时, 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。由 (2282Q bpd D dM F Z f-=摩得(224Q bp F DdZfd=-QF 单个螺钉的预紧力;D 动片外径;f 被连接件配合面间的摩擦系数,钢对钢取 f=0.15;d 输出轴与动片连接处的直径,初步计算可按 D=(1.52.5 dD=110mm=2.5d,则 d=44mm;螺钉的强度条件为211.34QF d 合所以d 带入有关数据,得Q F =(422d D Zfdbp -=044. 011. 0(044. 015. 084107066. 0226-=22234N螺钉材料选择

30、 Q235, 则 =2. 1240sn200MPa (n=1.22.5螺钉的直径d 6 1020014. 3222343. 14=0.01356m螺钉的直径选择 d=14mm。5 机械手臂部设计计算5. 1 机械手臂部设计的基本要求(1臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 (2臂部运动速度要高,惯性要小 (3手臂动作应该灵活 (4位置精度要高5. 2 手臂的典型机构以及结构的选择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 双层油缸空心活塞杆单杆导向结构 (3 采用花键套导向的手臂升降结构 (4 双活塞伸缩油缸结构 (5 活塞杆和齿轮齿条机构。综合考虑, 本设计选择双导杆伸缩机构

31、, 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。5. 3 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。如此反复,绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、 惯性等 几个方面的阻力, 来确定来确定液压缸所需要的驱动力。 液压缸活塞的驱动力的计算 为F F F F F =+回 摩 密 惯5. 3. 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

32、,可按一个导向杆计算。AM= bG L aF =总得b G L F a=总Y= b aG F F +=总得a L a F G a += 总' 'a b a bF F F F F =+=+摩摩摩'2L a F G a +=总 摩式中 G 总 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:(57. 127. 124=摩擦系数,对于静摩擦且无润滑时:钢对青铜:取 5. 01. 0= 钢对铸铁:取 3.

33、 018. 0=计算:导向杆的材料选择钢,导向支撑选择铸铁 .30.51.20=', N 1400=总 G , L=656mm,导向支撑 a 设计为 160mm将有关数据代入进行计算= +'=a a L G F 2总 摩 1400+1601606562.30=3864N5. 3. 2 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: 封 F =0.03F。5. 3. 3 手臂惯性力的计算惯F =0.1tv G 总式中 总 G 参与运动的零件的总重力(包括工件

34、(N;v 从静止加速到工作速度的变化量 (m/s; t启动时间 (s,一般取 0.010.5;设启动时间为 0.2s , v 最大为 0.233m/s。 则:惯F =0.1.20332. 01400=163N由于背压阻力较小,可取 回 F =0.05F所以 F =摩 F +惯 F +封 F +回 F =3864+163+0.03F+0.05F F =4378N所以手臂伸缩驱动力为 F =4378N。5. 4 手臂伸缩油缸结构的确定表 5-1 液压缸的工作压力 经过上面的计算,确定了液压缸的驱动力 F=4378N,根据表 5-1选择液压缸的工 作压力 P=1MPa;(1 确定液压缸的结构尺寸:液

35、压缸内径的计算,如图 5-2所示 图 5-2 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔: 4211D P P F =当油进入有杆腔: 4(2212d D P P F -=液压缸的有效面积: 1P P S =(mm2所以 =1113. 14P P P PD (无杆腔214dP PD += (有杆腔式中 P 活塞驱动力 (P;1p 油缸的工作压力 (MPa;d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=4378N, 1p =1MPa,机械效率 =0.96将数据代入得:=1113. 14P P P PD =61016.9043783.11=0.0766根据表 4-1

36、(JB826-66 ,选择标准液压缸内径系列,选择 D=80mm. (2 液压缸外径的设计外径按中等壁厚设计,根据表 4-2(JB1068-67取外径选择 133mm.(3 活塞杆的计算校核a ,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:pd 4(mm设计中取活塞杆材料为碳钢, 碳钢许用应力的 =100120Mpa。 本次取 =110 则: 6101104.1343784d =0.0072m所以活塞直径按下表取 d=20mm,满足强度要求。表 5-2 活塞杆直径系列(GB/T2348-93 现在进行稳定性校核,其稳定性条

37、件为kk n p p 式中 k p 临界力 (N; k n 安全系数, k n =24。按中长杆进行稳定性校核,其临界力 k p =F(b a - 式中 F 活塞杆截面面积 (mm2 ;a , b 常数,与材料性质有关,碳钢 a=461, b=2.47; 柔度系数,经计算为 70。代入数据,临界力 k p =F(b a -=3.14 (707.42461102-=90463.4MPa 取 k n =3 kk n p p =4378=30154.47 MPa所以活塞杆满足稳定性要求。5. 5 油缸端盖的连接方式及强度计算(1 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

38、拆方便,缺点是缸体开环槽削弱了强度(2 缸盖螺钉的计算为保证连接的紧密性,螺钉间距 t 1应适当(如图 4-2 ,在这种联结中,每个螺钉在危险剖面上承受的拉力 0Q 为工作载荷 Q 和剩余预紧力 SQ '之和 0Q =Q +SQ '式中 Q 工作载荷, Q =ZpDZP 2=;0D 螺钉中心所在圆的直径;P 驱动力。Z 螺钉数目, Z=1t D ;SQ '剩余预紧力, S Q '=KQ, K=1.51.8; 计算:D=80mm,取 0D =88mm, P=1MPa,间距与工作压强有关,见表 4.3,间距应小 于 150mm ,试选螺钉数为 6个: 则 Z=1t

39、D ,代入数据 1t =46<150,满足要求;Q =ZpDZP 42=838N;选择 K=1.5, SQ '=1.5Q =1255N; 0Q =Q+SQ '=837+1257=2095N 螺钉直径按强度条件计算1d lJQ 4式中 J Q 计算载荷, J Q =1.30Q ; l 许用抗拉应力, l =ns;s 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;1d 螺纹内径, 1d =d-1.224S, d 为螺钉公称直径, S 为螺距。 计算:J Q =1.30Q =1.3×2095=2

40、723.5N 代入数据: 1d lJQ 4=sn4J Q =6103524.132.527234=0.0045m6 机身设计与计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。 一般实现手臂的回转和升降运动, 这些运动 的传动机构都安在机身上,或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此,臂部的运动 越多,机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的,也可以是行走的,既可 以沿地面或架空轨道运动。6. 1 机身的整体设计按照设计要求,机械手要实现手臂 2000的回转运动,实现手臂的回转运动机构 一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构,就要综合考虑分析。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

41、。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, 本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。 本设计机身包括两个运动, 机身的回转和升降。如图 6所示,回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与 回转缸的上端盖连接,回转

42、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,内装一花键套与花键轴配合, 活塞升降由花键轴导向。 花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定, 下短盖与连接地面 的的底座固定。这样就固定了花键轴,也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导 向杆在内部,结构紧凑。具体结构见下图。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。 回转角度一般靠机械挡块来决定, 对于本设计就 是考虑两个叶片之间可以转动的角度, 为满足设计要求, 设计中动片和静片之间可以 回转 2000。图 6 回转缸置于升降缸之上的

43、机身结构示意图 6. 2 机身回转机构的设计计算6. 2. 1 回转缸驱动力矩的计算 手臂回转缸驱动力矩 驱 M 的计算公式为:驱 M =惯 M +回 M +封 M (N·m 惯性力矩 惯 M =0J t式中 0J 臂部回转部件 (包括工件 对回转轴线的转动惯量(kg ·m 2 ; 回转缸动片角速度变化量,在启动过程 =(rad/s; t 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 (前面计算得 =800mm,则2c 0gG J J +=式中 c J 回转零件的重心的转动惯量。c J =3(12122R l m +回转部件可以等效为一个长 1500mm ,直

44、径为 100mm 的圆柱体,质量为 180Kg. 设置起动角度 =180,则起动角速度 =0.314rad s ,起动时间设计为 0.1s 。c J =3(12122R l m +=.103.51(1216022+= 30.4 kg·m 22c 0gG J J +=30.4+2.80.892200=175 kg ·m 2惯M=0J t=175.1014.30=550m N 为了简便计算,密封处的摩擦阻力矩 驱 封 M M 3.00=,由于回油背差一般非常的 小,故在这里忽略不计, 回 M =0 所以 驱 M =550+0+0.03驱 M驱M=567m N 6. 2. 2 回

45、转缸尺寸的确定回转缸油腔内径 D 计算公式为:238dbpM D +=驱式中 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=50mm23506605678+=D =123mm按标准油缸内径选取内径为 125mm 。6. 2. 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Z=tD=80125×3.14=4.9所以缸盖螺钉的数目选择 6个。 危险

46、截面 (22r R S -=45.0052.1022-=0.01042m所以 Q F =ZPS =10400NK F QS =Q F =14800×1.5=15600N (K=1.5所以 Q F =10400+15600=26000N 螺钉材料选择 Q235,则 2401.2sn =200M P a=(n=1.22.5螺钉的直径 d Q1.3F 4=0.0147mm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 4-2(JB1068-67取外径选择 194mm ,输出轴径为 50mm

47、 。6. 2. 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 的平衡条件有驱M=摩 M即(224Q bp F DdZfd=-式中 Q F 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211.34QF d 合 或1d 带入有关数据,得Q F =(422d D Zfdbp -=05. 0125. 0(05. 015. 06410606. 0226-=26200N螺钉材料选择 Q235,则 2401.2sn=200M

48、P a=(n=1.22.5螺钉的直径 d Q1.3F 4=0.0140mm螺钉的直径选择 d=14mm.选择 M14的开槽盘头螺钉。6. 3 机身升降机构的设计计算6. 3. 1 手臂片重力矩的计算 图 6-3 手臂各部件重心位置图(1 估算重量:工件 G =300N, 爪 G =200N, 腕 G =400N, 臂 G =800N (2 计算零件的重心位置,求出重心到回转轴线的距离 :工件 =1100mm, 爪 =960mm, 腕 =790mm , 臂 =430mm。由于 总 G =i G=iii GX G 所以 总臂臂 腕 腕 爪 爪 工件 工件 G X G X G X G X G +=0

49、.695m(3 计算偏重力矩M G =总 偏M G =总 偏 =1182m N 6. 3. 2 升降导向立柱不自锁条件手臂在 总 G 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,即总G >21F F +=f G f =h22R 1总所以 f h 2>若取摩擦系数 f=0.16,则导套长度 h >0.32 即 h >0.32×0.695=0.223m6. 3. 3 升降油缸驱动力的计算F F F F F G=+±回 惯 摩 密式中 F 摩 摩擦阻力, 12F F f =摩 ,取 f=0.16。G 零件

50、及工件所受的总重。(1 F 惯 的计算G v F g t=总 惯设定速度为 V=0.152m/s;起动或制动的时间差 t=0.02s; 总 G 近似估算为2800N 。将数据带入上面公式有:=2.00.8952.102800F 惯 2172N(2 摩 F 的计算f1F 2F =摩 hG F 总 =1=55. 0695. 028003538.2N所以 f 1F 2F =摩 =2×3538.2×0.16=1132.2N(3 液压缸在这里选择 O 型密封,所以密封摩擦力可以通过近似估算 F 3.00F =密 (4 由于背压阻力较小,为简便计算,可将其忽略, 回 F =0所以 F=2172+1132.2+0.03F2800± 当液压缸向上驱动时, F=6293N 当液压缸向下驱动时, F=521N6. 3. 4