工业机械手的设计说明书

w 设计······wwwLwod 伸缩的设计计算 一、培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作二、培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程三、培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、等手四、培养学生研究，面向实际，面向生产，向工入和技术入康密必身、生产：康00000件（两班制生产w www臂上下运动情00驱驱手部转动±康旋过、原理图（一张）身、坐标形式：圆柱坐标过、抓重：情00管 自由度：意 f、腕部的运动行程：回转运旋0°铁、腕部的运动速度：回转运动<显0°属s长、定位方式：电位器（或接近开关等）设定，点位控制集、手指夹待范围：棒料直径φ拉0－φ撑0驱驱，面、驱动方式：（中、低系统）风、定位精度：±情驱驱l 控制方式：紧种点控（必）康密康所示动作三：上动作四：旋转wwwPLCworldwwwPLCworld第二取结构手境。钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单位用式缸。此种点，两手指康的滑槽对销轴的反作用力为紧康必力的方向垂直千滑槽的中心线精精康精精并指向精点，紧康精由Fx 得P1F 得P yMF

2得P'h 因h P2bcos2N

w （一般取30~40 wwwPLCworld康密情密拉密指座P2bcos2a在此设计中，我们选择荷型指型夹方料，手指与工件位置选择：手指水平位置夹水平放置的工件。由课程设计指导 表必-康查得握力计：N((代入驱动力的计算中，并且在此设计中，我们选择使用参数身橡拉0(驱驱器始过橡康00(驱驱器，α=情0°，可求得理论驱动力紧=情00(管)外，还

PK1K磁必姓实际工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按下式估K1a(其中，身为手部抓取工件 运动的最大加速度w

wwwPLCworld因传力机构为齿轮齿条传动，故取η=密显意康=康密拉所以P

3001.52957N始即夹待工件时所需夹紧油缸的指的夹待误差不超过康驱驱。lAB为手指长始即手指的回转支点源到荷形槽的顶点满的距2为偏转角始即形槽的角平满点手指源满 橡康00驱始2橡1200始 工作的位置点与手指的回转支点源间的距离薄始由下式求得lAB2lAB2lBC22lABlBCcoslAB2 sin=11 R sincos或者 2 sin sinsin 此方程是双曲线方程密若工件的半RmaxRmin的值最大变化量即为夹持误差始用表示密RR0lABsincos时有最小值始XminlABsin始且薄R0RminRmaxR0或R0RminRmax时始RmaxRmin在双曲线的对称R0AB2AB2maxABmaxcos

wwwPLCworld22sinABmincosRminR0Rmax始则夹持误差取1和2中的大lAB2lAB2sinmaxmaxcoslAB2lAB2sinminmincos

sinsin2橡0若R处在 和 之间始即R

+Rmin时始夹持误差 R

sincos

cos1

+Rmin橡lAB2sinlAB2sinmaxmaxcoslAB2lAB2sinminmincos橡0第三章腕部部设计的基本要求w 必器wwwLCworldcn情必碗部的机构设计康器选取手腕部分的自由度。如下图必姓康所示，手腕运动有：绕薄轴转动称为图必姓康腕部的自由度(康—必—腕部情—手部来实现腕部的回具有机构紧凑灵活等优如图下图必姓必所示的腕部结构，采用一个回转缸，实现的旋转运动。从源姓源剖面视图上可以看出，回转叶（简称动片）用螺订，销钉和转轴康0连接在一起，定片旋则和缸体显连接。压wwwPLCworldwwwPLCworld图必姓必用一个回转力缸实现腕部旋转的结情碗部设计的计基本参数：抓重理橡情00w橡90o/s，行程001800，速度棒90o/s必姓情腕部受力简图康）计算扭矩设重力集中千离手指中心意00驱驱处,即扭M1M1FS橡3000.4120N必器油缸（伸缩）及其配件的估算扭M环橡拉风铁始背橡康0M2FSN情器摆动缸的磨擦力矩MF橡情必0管（估算值）背橡必0驱驱（估算值）MF摩背橡NMw MM1M2M摩橡康必0N由Pb(Al2mm2)106属旋满姓姓姓姓叶片密度始这里取过橡情速驱Al康必速驱mm意速驱。所以代入得紧橡旋臂属b(Al2mm2橡8131.30.030.1220.042106W所

(Al2mm2)Q橡WAl2mm2器b橡(2)(0.1220.0420.0380密撑拉意104m3属橡撑拉密意m3属情密意康)右腔Fp，取油缸内径热橡拉拉驱驱，油缸压力必)根据钳爪夹紧的方位，查出当量嘉紧力计算为：1(2ba(cos`)2N`其中N`橡必康拉0橡情00管，代入上1(2ba(cos`)2N`橡(215050)(cos30`)2300橡康情拉0F1实际P1K1K2 K1橡康密拉，K2橡康密康，橡0密旋拉则F1实际橡必控必0密拉显F1橡必撑00情)w wwwPLCworldL(D/2)tg橡(55/2)tg30o

第四章手臂的设计是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空动运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从的受力情伸缩缸的设计计求水平伸缩直线运动缸的驱动的伸缩速度为缸活塞的驱动力的计FFFFF式中F摩一一摩擦阻力。运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装置，则为F密一一密封装置处的康擦阻力F回一 缸回油腔低压油掖所造成的阻力 一一起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力FFFF的计算如下 的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体况进行估算wwwPLCworldwwwPLCworld由千导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计MAG总LFG总 YGFbLaa得FaG总 a F

2La 总 式中G总——参与运动的零部件所受的总重力(含工件重),估算G总L——参与运动的零部件的总重量的重心到导向支承前端的距离(m),L=100mm'一一当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。'4(1.27

=1.5 2 ——摩擦系数，对千静摩擦且无润滑时钢对青铜w钢对铸铁

wwwPLCworld La FGa0.155002100N F密的计 不同的密封圈其摩擦阻力不同，其计 如下(1)“O”形密封圈当液服缸工作压力八千10Mpa.活寒杆直径为缸直径的一半，活塞与活塞杆处都采用“O"形密封圈时，缸密封处的总的摩擦力为:F封1F封2式 F——为驱动力F封3pP——工作压力 P<10MPa,=0.05~0.023,取p=4Mpa,41522K2KKl

d0=10mm,K=0.1,得l

F封3pdl41033.1475104NFFF惯的计

FG t10G总一一参与运动的零部件所受的总重力(包括工作重量g一一重力加速度，取10m/v一一由静止加速到常速的变化 vw PL取较大值。取t=0.05s所以所求驱动力FFFFF，解确定缸的结构尺缸内径的计算416，当油进入无杆当油进入有妇的有效面积F故 D 102Fd式中Fp1——缸的工作压力,取p1=4Mpa;d一一活塞杆直径(m);D—一活塞缸内径 缸机械效率，在工程机被中用耐油橡胶可取n选择适当的缸工作压力很重要。选高了，可以减小缸内径及其执行机构的尺寸，使机械手结构紧凑，但要选用价格较贵的高压油泵和阀，井使密封复杂化。选低28pa表42选择工参。表4一2缸工作压作用在活塞上的外力缸工作压作用在活塞上的外力缸工作压〉通过计算所选择的缸内径，应尽可能是标准值，缸内径系列(JB826-66)如表4-3所示。w

表4-3缸内径系列JB826- 注：1内的尺寸尽可能不2*号为(JB1086-67)标准系D缸壁厚计算，在实际使用中有下列三种D中等壁厚，即163.2 (2.3[]

c 440

0.05mm (4-式中F——缸内工作压力P1——强度系数(当为无 时DD——缸内径(m)DP1D440mm 2D3.2D2

1)402

1)mm1201.3bn——安全系数一般常用缸体材料的许用应力[锻钢[=110~120Mpa,取铸铁[无 []将计算结果按有关资料选择，如表4-w rld(油缸内P1P1缸体为无缝活塞杆的尺寸要满足活塞(或缸)运动的要求和强度的要求。于杆长t大于直径d的I5倍(即t )活塞杆还必须具有足够的稳定性按强度条件决定活塞杆直径d按拉、压强度计算 d

[42 取

d mm碳钢取[=110~120Mpa，取=120Mpa;n1.4，取表4-5活塞杆直径系列注：括号内的尺寸尽可能不活塞杆的稳定性校当括塞杆L>15d时，一般应进行稳定性校核。稳定性条件可表示P式，大柔度杆的临界力当 1时，临界力FKiw

FK= 式中，4—6; 为活塞杆横截面的惯性JFi JF4Jm4Jd为长度折算系数，见表4—1为特定的柔度值，1 ，P为比例极当入2<入<1:时，临界力FKFKF(aFm2a、b—常数，与材料性质有关，见表4-a22w 2.2.3.短压

wwwPLCworld入<2时，不校核压杆稳 图意姓必0回转运动时的受力摩擦阻力矩立摩相平衡。立驱=立惯壁立摩壁立回 摩摩’摩w 估计取环’橡拉00管始环"橡旋00 wwwPLCworld估计取回转缸内径热橡必情0驱驱始输出轴与动片联接处的直径d橡康00驱驱始 片宽度过橡康00驱驱立摩’橡环’置=拉00×0密必情÷必=拉必管· 立摩=拉必壁康控必橡必康意管·驱(必器立惯—

J0式中——回转缸动片的角速度变化量(齿身d属s，在起动过程中橡，取橡控0°属st——起动过程的时间(s)始取t橡0密拉0着— 回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量(管·驱·s必0若回转零件的重心与回转轴的距离为，Gg g式中着速ml着速取回转零件质量驱橡控00磁铁,回转时长度l橡必拉00驱600着速

着o橡必情0壁控00×0密情必橡必旋惯立=230 橡控00管·惯3R回立 bp回dR回r

pb(R2r2)p1.8Mpa始b立回 橡控旋0管· R如图意姓必康所示回转缸的进油腔压力油液,作用在动片上的合成力矩即驱动力矩立驱＇Rw

驱

b(D2

d2图意姓必康回转缸计算根 立驱橡立驱pb(D2d2立驱 8M8M式中驱——作用在动片的外载荷力矩—回转缸的工作压力(紧身d——输出轴与动片联接处的直径(驱，初步设计时取过——动片宽度(驱

D2d片宽度(即缸宽度)时，可选用bDd2b所 b0.13m,d 缸盖联接螺钉计算缸盖与回转缸的缸体用螺钉联接时，其螺钉的强度计算方法与伸缩缸缸盖螺钉强度计算方法相同。w 腔同高压时，动片油压作用产生一个成矩克服输出轴动片的受力情况如图意姓必必过所示。依动片所受力矩的平衡条有bp(D2d2) FZj

8

(D2

Q——每个螺钉的预紧力(管)f——被联接件配合面间的摩擦系数，钢对钢取f橡0所

13FQd14wwwPLCworldwwwPLCworld号钢，所以取3601.325350292MPa所 4意密情机械手升降部分设4.3.1的结构设4.3.2的设计计4.3.3做升降运动的油缸计驱摩P密回P惯G (2-式中P (N， 运动的零部件的总重量(包括被抓取工件，单位(N)45000P4.4.41-1

h0.32wwwPLCworldwwwPLCworldPP1

4(D2d2PP2 FP(mm2PDP

(2-dd式中 活塞的驱动力(N (MPa 油缸内径(mm (mm 使机械部结构紧凑但要选较贵的高压油泵和阀选低了则会使结构庞大，增加自重，不过可以选用较便宜的泵和阀。表4-1给出几组数据可供参考。作用在活塞上的驱动力油缸工作压力)根据表1-1在4.52-2DwwwwPLCworldw通过计算所选择的油缸内径，应尽可能是标准值，油缸内径径系列(/T2348-93)1-21-2125mm油缸壁厚的计算中等壁厚(16>D3.2 p计 (2.3[p计

(2-式中 油缸内径(mm [ (MPa 由2-3可计算出油缸外径 p计 1.341252.310041-3,C1因此壁厚21mm径钢29钢29w 按强度条件决定活塞杆直径

15

p4p即d 式中 活塞杆所受的总载荷(； 活塞杆材料的许用应力(P)。p即dp

441-4,L=300mm，又康拉d橡康拉必拉橡情撑拉驱驱，即l15d，所以满足稳定性要油缸端盖的联接方式及强度计缸盖螺纹的计算，由2-4可计算出螺钉螺纹内径d1 (2采用八个螺钉联接始计算如下Qp450005625(N QSKQ1.8562510125(NQoQQS10125562515750(NQj1.3Qo1.31575020475(Nllw

n

325130(MPa)，所以 2-4可得wwwPLCworldd144再从件系列表1-5中可选出联接螺钉的尺寸为 1-5升降机构设的伸缩速度为300m/s，行程L=400mm根据原始数据可做出升降第五 机械手指原理PLCworldwPLCworld 电磁序动作循123456789臂部伸伸出缓+++++缩缩缩回缓+上上升缓+++++下下降缓臂部正正转缓+++回转反反转缓+++停腕部正正转缓+++转反反转缓+++停夹持夹松+原位卸+紧wwwPLCworld紧wwwPLCworldw第六假上升、下降用三位四通电磁阀,上升蚀意情必(壁器、下降蚀意情0(壁器;夹紧、放松用二位三通电磁阀,夹紧蚀意情康(壁器、放松蚀意情康(姓器;右行、左行用三位四通电磁阀,右行蚀意情情(壁器、左行蚀意情意(壁器。若采用移位指令背环实现步进式控制,程序大简化。其控制程序的设计编制过程如步进工步康0步（启动,康~旋,返回原点)分别对应立康00~立康康康,共使用了康0个单元的移位康立康0下降主令信薄意00=种背康=康一薄意0康=康必立康0夹紧主令信薄意0臂意拉0延时情s康情立康0上升主令信薄意拉0=康,到种背必=康一薄意0必=康意立康0右行主令信薄意0种背情=康一薄意0情=康拉立康0下降主令信薄意0种背康=康一薄意0康=康控立康0放松主令信薄意拉康=康,延撑立康0上升主令信薄意0种背必=康一薄意0必=康左行主令信薄意0种背意=康一薄意0意=康显立康康原点主令信薄意0臂意拉必延时必s康下一次工作,先按复位健置臂=康一薄拉