毕业设计-机械手夹持器设计

1、 摘要 . .I TOC o 1-5 h z 绪论 .1第1章夹持器.2夹持器设计的基本要求 2夹持器结构设计 22 章 腕部 . .14腕部设计的基本要求 .14具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构 .14腕部结构计算 16 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 第3章 伸缩臂设计 27伸缩臂设计基本要求 .27方案设计 .28伸缩臂机构结构设计 .30致谢 .40 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 参考文献 .41摘 要： 本设计要求“以质量求发展，以效益求生存”，在保证零件加工质量的前 提

2、下，提高了生产率，降低了生产时间，是国内外现代机械加工工艺的主要发展方面方 向之一。手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，通过对其大小、方向、作用 点进行分析、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。手 腕部件设置在手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整 手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。将

3、机械设计课程中学 到的基本设计思想贯穿到设计中。该工艺与夹具设计结果能应用于生产要求。关键词：夹持器液压缸 伸缩臂绪论加工工艺及夹具毕业设计是对所学专业知识的一次巩固，是在进行社会实践之前对所学各课程的一次深入的综合性的总复习，也是理论联系实际的训练。机械夹具已成为机械加工中的重要装备。机械夹具的设计和使用是促进生产发展的 重要工艺措施之一。随着我国机械工业生产的不断发展，机床夹具的改进和创造已成为 广大机械工人和技术人员在技术革新中的一项重要任务。材料、结构、工艺是产品设计的物质技术基础，一方面，技术制约着设计；另一方 面，技术也推动着设计。从设计美学的观点看，技术不仅仅是物质基础还具有其本

4、身的 “功能”作用，只要善于应用材料的特性，予以相应的结构形式和适当的加工工艺，就 能够创造出实用，美观，经济的产品，即在产品中发挥技术潜在的“功能”。技术是产品形态发展的先导，新材料，新工艺的出现，必然给产品带来新的结构， 新的形态和新的造型风格。材料，加工工艺，结构，产品形象有机地联系在一起的，某 个环节的变革，便会引起整个机体的变化。工业的迅速发展，对产品的品种和生产率提出了愈来愈高的要求，使多品种，对中 小批生产作为机械生产的主流，为了适应机械生产的这种发展趋势，必然对机械夹具提 出更高的要求。第1章夹持器1.1夹持器设计的基本要求(1)应具有适当的夹紧力和驱动力;(2)手指应具有一定

5、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，执行动作为抓紧一放松；(2)所要抓紧的工件直径为80mm放松时的两抓的最大距离为110-120mm/s , 1s 抓紧决持速度20mm/s；(3)工件的材质为5kg,材质为45#钢；(4)夹持器有足够的夹持力；(5)夹持器靠法兰联接在手臂上。由液压缸提供动力。1.2夹持器结构设计夹紧装置设计.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

6、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：Fn - EK2K3G111-1式中：K 1 安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定，通常取1.22.0,取1.5;K 2一工件情况系数，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K2, L =1 +a =1 +002 = 1.002 , a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的g 9.8绝对值(m/s);K 3 一方位系数，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：V型指端夹持圆柱型工件，K3=05詈，f为摩擦系数，8为V型手指半角，此

7、处粗略计算K3定4,如图2.1图i.iG 一被抓取工件的重量求得夹紧力 FNFn =KiK2K3Mg =1.5.003.8 = 176.75N ,取整为 177N。1.2.1.2驱动力力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式:FnFc2b sin a式中:c一滚子至销轴之间的距离; b一爪至销轴之间的距离；a一楔块的倾斜角可得F =2FNbsin ac177 2 86 sin1634=195.15 N，得出F为理论计 一 、一 一.、 .一 一- 、-一 - - . ，算值，实际米取的液压缸驱动力 F要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率 n,股取0.80.9,此处取0.88,则：f = F =19

8、5.1=52 21 .7162,取 F =500N0.881.2.1.3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：F 推 JD2P式中 D活塞直径d活塞杆直径p 驱动压力,F推=F，已知液压缸驱动力F ,且F =500N 10KN由于F 10KN ,故选工作压力P=1MPa根据液压设计手册，见表2.1,圆整后取D=32mm。表1.1液压缸的内径系列(JB826-66) (mm)2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250活塞杆直径 d=0.5D=0.5X 40mm=16

9、mm活塞厚 B=(0.61.0)D 取 B=0.8d=0.7X32mm=22.4mm,取 23mm.缸筒长度 L0(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 TOC o 1-5 h z 一 二 _ 22 SQ 二一(D2 -d2)-4.qV= A V=5 4 32 -126 / 20 6 0 6 10=CL. 7 2 4 /min4夹紧时流量不. 2 S2_6qV1=Ay1D2322 20 60 10 = 0.965L/min4.41.2.1.4选用夹持器液

10、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1.2夹持器液压缸技术参数 MOB系列B型标准油品NO舞怦名材料1律畲杆S45C2耗用却环NBR3资用油封NBR40919NBR5悻股活离环NBR6以5G7蒯deNO事件名材国1前壁FC-S52缸管STKM-133固定技子S2OC40S3EFN配5r活塞本体FC 256后藕FC25略032QA350B1&CM14X1.5DDE 36 %FG 15H25N251k-J 100KM8S 50Z153PTZG1/4病僚更2训林X1算午“族2砂F钠介Q研30受月-WI (Cn母湖

11、新刎J ”me!a m瞅以工Sa528月亍172Q303065110M1050m2G18幽5525M22X1585604023303131比:耶112丽/202ZG3/8嘱6232 cMSX1530回当声92 )G129M1255221ZG1/2翻Paa一祝!mi300| m/s89045A J再见20、,、一32322.51548.6M14802511.45ZG1/20125册阅M40X214711%55峭%|mm115168M1660253ZG1/20164100soM52X218814565 H?30355555网190M2080320ZG州图2.2结构简图图1.3外形尺寸手爪的夹持误差

12、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1mm,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夹持不同直径工件时的夹持误差田4.-H件串粒CKiA图1.4工件直径为 80mm,尺寸偏差 5mm,则 Rmax = 42.5mm , Rmin = 37.5mm ? %=40

13、mm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1.5楔块等尺寸的确定楔块进入杠杆手图1.6指时的力分析如下:上图1.6中日一斜楔角，9 30=时有增力作用;外一滚子与斜楔面间当量摩擦角，tan电=(d/D)tan外 ，均为滚子与转轴间的摩擦角，d为转轴直径，D为滚子外径，tana=f2 , f2为滚子与转轴间摩擦系数；尸一支点O至斜面垂线与杠杆的夹角;l一杠杆驱动端杆长；) 、 、 . l一杠杆夹紧端杆长；”一杠杆传动机械效率斜楔的传动效率斜楔的传动效率“可由下式表示:sin 二sin( 12)tan 2 = tan 2杠杆传动机械效率0取 0.834, tan/取

14、 0.1, d/D 取 0.5,则可得 日=14.036心 ?90:取整得9 = 14动作范围分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即 电 尸90见图1.7图1.7如果=2,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，所以了必须大于外。止匕外，当尸=90二时，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。斜楔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 位置转到与位置，其驱动行程可用下式表示：l cos 1 -l cos 2 lL = =(cos 1 一cos 2)sin 二

15、 sin 二杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为：. - ：s = l cos( 1 1)一cos( 2 1)通常状态下，4在90-e左右范围内，1则由手指需要的开闭范围来确定。由给定条件可知最大As为55-60mm,最小设定为30mm.即30 As (50 60)。已知日=14二，可得72 =90日=76:有图关系：30-可知：楔块下边为60mm,支点。距中心线30mm,且有争= tg8，解得：l +l=120 (l l )1.2.3.4l与l的确定斜楔传动比i可由下式表示：4Cl l sin -i =L l sin可知e一定时，l/l愈大，i愈大，且杠杆手指的转角在90。范围内增大时，传动比

16、减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由l十l =120分配距离为：1=50, 1 =70 。1.2.35 ，3,( 3 0 . 040 )0.00 371 21 2要求工件在0.5s内旋转90度，切取平均角速度，即8=冗，代入得：M惯=(J+J工件)g=(0.0101+0.0037)三 N，m = 0.4335N mt 启0.1M总阻力矩=“摩+”偏+M惯=0.1M总阻力矩+0.294 + 0.4335N m解可得：M，h、阻力矩=0.8083 N m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M总如图3.3,定片1与缸体2周连，动片3与转轴5周连，当a, b

17、 口分别进出油时, 动片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。回转液压缸计算图 图2.4、2M总p 22b(R - r )图2.4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pb(R2 -r2) M 总2或式中 M总一一手腕回转时的总的阻力矩（N m）p 回转液压缸的工作压力（Pa）R缸体内孔半径（m）D =1.5-2.5r输出轴半径（m）,设计时按d选取b 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。回转缸内径D计算仙pb(R2-r2)2M 产2 R 4正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

18、下:r=16mm, R=40mm, b=50mm, P取值为 1Mpa,即如下图:图2.5液压缸盖螺钉的计算表2.3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)0.5 ：1.5小于1501.5 : 2.5小于1202.5 ：5.0小于1005.0 ：10.0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:上总=F + F预，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t小于150mm,试选择 2个螺钉,二 D 二 0.08 =0.1256m = 125.6mm M 150mm42，所以选择螺钉数目合适Z=2个受力截面22

19、80mm -32mm=n4=0.003436116 m2所以，FPSZ106 0.0034361162= 2267.84NKF,此处连接要求有密封性，故 k取(1.5-1.8),取K=1.6。F预=KF =1.6 2267.84N = 3628.54N所以%、= F 后=2 2 6 7. 84 3628N54 =58N9螺钉材料选择Q235,则 |二- =240 =160MPan 1.5,安全系数 n 取 1.5 (1.5-2.2)螺钉的直径由下式得出d 4 1.B八 4M1.3Fd Y n- , F为总拉力即F=F总4 13 5896.38 =7.81mm3.14 160 10螺钉的直径选择

20、d=8mm.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：Pb(D2 d2)/4 = M = fF0ZiF0为预紧力，f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,i为接合面数，取i=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：F0二 bp一 4Zfi22D -d螺钉的强度条件为:带入有关数据，得:F0 =bp4ZfiD2-d2 =0.04 1 1064 0

21、.15 2 20.082 -0.0322 =96.25NI； - I _s = 240 = l60Mpa螺钉材料选择Q235,则 n 1.5(安全系数n = 1.2 ： 25)1 .F0-d:：0=0.9 9n8 m螺钉的直径d值极小，取d =6mm螺钉选择M6的开槽盘头螺钉，GB/T67 M46,如图2.6:腕部轴承选择腕部材料选择HT200, 0=7.9g/cm3 ,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：cr =10，当量动载荷P= fpFr ,载荷系数fp2 =7.85父3.14 黑 其1.5m=Pv=P

22、rh121=5.9 (kg)夹持器的质量15kg(已知)伸缩臂的质量50kg(估计)其他部件的质量15kg(估计)工作机构荷重：Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N)取 Ri=860NRm的确定RmJ R=8602 = 172(N)V= 860 0.2 = 172Rg 的确定Rg= g &10X0.1(N)式中：川为启动时间，其加速时间约为0.10.5st =0.1s ,=0.2s总负载 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N)取实际负载为R =1200n液压缸缸筒内径 D的确定D=4 1200239mm3.14 1Mpa式中：R=1000 N 5000 N

23、 , p 可取 0.81Mpa, P = 1MPa取液压缸缸筒内径为40mm。活塞杆设计参数及校核(1)活塞杆材料：选择45号调质钢，其抗拉强度 叫=570Mpa活塞杆的直径：查液压传动设计手册得，当压力小于10Mpa时，速比* =1.33。则可选取活塞杆直径为20mm系列，且缸筒的厚度为5mm。lD 300 40H35最小导向长度:20 2202mm(3)活塞杆强度及压杆稳定性的计算采用非等截面计算法油缸稳定性的计算因为油缸的工作行程较大，则在油缸活塞杆全部伸出时，计算油缸受最大作用力 压缩时油缸的稳定性。假设油缸的活塞杆的推理为 P,油缸稳定的极限应力为Pk,则油缸稳定性的条件 为 PPk

24、0式中:Ji22Ji(kgf)pkPk按下式得到：Pk J1可按液压传动设计手册得到二di464 764式中:d1为活塞杆直径所以,Di为缸体外径。D为缸体内径。Ji二 202-=19.6 2 564J222二（50 -40 ）64= 44.1 5 6 2 5J2所以J144.15625 , =1.519.625J2、J1为长度l2、l1上的断面惯性矩。.J2 =1.6L =1pk =90查)1时极限力的计算图，可由l2 且l1 =300mm查得 J1(其中，l1 :活塞杆头部至油缸A点处的距离(cm)2:缸体尾部至油缸A点处的距离(cm)所以：pk =902 x19.625kgf =1.6x

25、106 N op pk所油缸的稳定性是满足条件的液压传动与控制查得:4R二二 S4 12003.146001.4=3.57 二 20 活塞杆强度的计算(E:材料的弹性模量)刚的弹性模量为 E = 200Mpa。所以活塞杆强度是满足条件的缸筒设计参数及校核(1)缸筒材料：选择ZG310-570铸钢,其抗拉强度屋二570Mpa(2)缸筒壁厚台及校核：取壁厚B=5mm、50.08 :=0.125 0.3因此属于普通壁厚D 40pm a D缸筒壁厚的校核2.3s- 3max式中：pmax -缸筒内最高工作压力；* =7 M pas-材料的许用应力570M pa114Mpa-材料的安全系数=5= 1.1

26、6、.一 M 二 7 40mm2.3工-3Pmax 2.3 114-3 7校核6符合要求缸筒外径:D1 = D 2、=40 10 = 50mm3.3.1.5缸底设计参数及校核(1)缸底材料：选择Q235碳素结构钢，其抗拉强度取缸底厚度为5mm二b 二375460Mpa4. 2 8mm3.3.1.6油缸零件的连接计算首先确定油缸缸筒与缸盖采用螺纹连接；缸筒与缸底的连接此处选用焊接方式，此 种方式能够使液压缸紧凑牢固。(1)缸筒螺纹处的强度计算：二kprkgf/cm2螺纹处的拉应力：-：/4(d1 -D )螺纹处的剪应力:kkp d00.4(d14 -D4一 2kgf / cm d1合成应力:0n

27、 = .；：一2 3.2 三二kgf / cm2 s夕2二二-kgf / cm 许用应力： n式中：P:油缸的最大推力kgf;D:油缸内径cm;d0:螺纹直径cm；d1 :螺纹内径，当采用普通螺纹时(GB196-63)时，可近似按下式d1 =d。-1.224t(t 螺距cm);K:螺纹预紧力系数，去K=1.251.5;k1:螺纹那摩擦系数（0.070.2）, 一般取k1 =0.12;%:缸筒材料的屈服极限n:安全系数，取n=1.2-2.5,一般取n=1.75.由前面计算可得：D=40mm=4cm,则查机械设计课程设计手册,采用普通螺纹基本尺寸（GB/T196-2003）公称直径第二系列4.8,

28、可得螺距t=0.4cm; d0=4.8cm .所以,& =4.8-1.224x0.4 = 4.31cm oK 取 1.5,k1 =0.12Cs = 235Mpa = 2350kgf /cm2n:取 1.75。所以：= 74.138kgf/cm2kp _1.5 100二/4(d12 -D2) 一二/4 (4.312-42)kk p d00.4(5-D40.12 1.5 100 4.8 4.310.4 (4.314-44)2=10.45kgf /cm2d1二n = - 3 2 = 74.142 3 10.452 = 76.32kgf/cm2235Mpa 23.522.；-=-=kgf / cm =

29、 1342.9 kgf / cm n 1.75不(尸，满足强度条件。(2)缸筒与缸底的焊接强度计算 TOC o 1-5 h z p100.2二一 =p = = 120.3kgf / cm nrTFL WJ2(D1 -d；)(52 -4.52) 0.744P:油缸推力kgf:焊缝效率，可取,=0.72b：焊条材料得抗拉强度kgf/cm n:安全系数，取n=3.34并查到焊条材料的抗拉强度为 900Mpa1200Mpa（手工焊条），因此缸体与缸底得 焊缝强度是满足要求得。3.3.1.7液压油缸其他零件结构尺寸得确定由于液压缸的工作负载较小，所以选定液压缸的工作压力为低压。取额定工作压 力为 2.0

30、Mpa。液压缸的基本形式如下图所示：图3.3整个油缸安装在下部伸缩臂基座上。(1)活塞与活塞杆得连接结构：油缸在一般工作条件下，活塞与活塞杆采用螺纹连接。具形式如图所示图3.4(2)活塞杆导向套：做成一个套筒，压入缸筒，靠缸盖与缸筒得连接压紧固定, 材料选用铸铁材料。基本结构为：图4.5图中：1为缸盖，2为橡胶防尘圈，3为活塞杆，4为活塞杆导向套。 (3)活塞与缸体得密封。采用。型密封圈密封。选用36.5内径，截面直径为3.55-0-10 mm.其基本形式如下：图3.6图中：1即为。型密封圈，2则为活塞。活塞与缸体之间靠 O型密封圈密封 (4)活塞杆端部结构形式及尺寸端部结构形式有：外螺纹的，

31、内螺纹的，光滑的，球形，耳环等等。此处因活塞杆固定，选用外螺纹连接形式。其基本结构如下:图3.7图中各尺寸可查液压传动设计手册得，当d = 20mm时，di取M161.5.L=(1.21.5) dL =(1.2 1.5) di = i.5xi6 = 24mm3.3.2导向杆机构设计导向机构的作用导向机构的作用是保证液压缸活塞杆伸出时的方向性，提供机构刚度，保证伸缩 量的准确性。导向机构的外形尺寸及材料导向选择矩形导轨导向，导轨为伸缩臂基座上得一部分，经加工而成；滑台则在其上滑动且滑台得端部靠法兰安装夹持器部分。材料选择为45号钢.，如图4.8所示:图3.8图中：1为滑台，2为伸缩臂基座，3为矩

32、形导轨的压板。此处矩形导轨是直接在基座上加工出来的，滑台在导轨面上滑动，靠压板来固定 调节。基座臂厚为10mm.o矩形导轨的弯曲强度及挠度的校核(1)导轨的弯曲应力_ Mmax =WzM = pl = 0.5 300 =150N m一 _20.04 0.025.6=4.17 10-max 一Wz150 -K =35.97Mpa 4.17 100 max严符合要求。因为只计算了一边得矩形导轨，由结构可知还有另外一边得导轨支撑，故满足条 件。杆的挠度此杆为一悬臂梁，根据简单载荷作用下梁的挠度和转角公式:I b- =2.08 101式中：EI是截面抗弯刚度12fB300 0.533 200 2.08 10= 0.03本式计算是完全把载荷加在导轨上，实际是载荷由导轨和活塞杆共同承受，所以导向杆的挠度会更小，符合设计要求转角2EI300 0.522 200 2.08 10=0.06r a d3.4符合要求。(3)导轨的表面处理及润滑导轨表面淬火，可以提高表面硬度增加导向杆的耐磨性，也可以保证导向杆的 韧性，同时需要精加工以提高导轨的精度要求；导轨的润滑可采用润滑脂润滑，或是采用润滑油润滑。此处采用润滑脂润滑。伸缩臂基座与升降臂相连靠伸缩臂基座底部的法兰。其上有4个M1