毕业设计（论文）-电动机座加工自动线卸料机械手设计

-PAGE6-摘要本文对工业机器人的臂部和手部进行了结构分析，并对其和其驱动装置都进行了选择。在这些结构设计完成之后，主要是对其工作原理和执行结构进行了设计及其计算。确定出各个部件的结构及其尺寸，回转装置采用的是齿条式液压缸带动齿轮及轴的移动，从而带动大手臂的回转，小手臂液压缸采用的是双作用活塞套式油缸，在设计之前首先对液压缸的种类进行了简单的介绍，对所要采用的缸的结构及零件进行了分析，并且对油缸的密封，排气装置等部分进行了简单的介绍，对液压缸的各个部件进行计算、选择。手臂部件(简称臂部或手臂)是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部(包括工件或工具)，并带动它们在空间运动。所以，手指的伸缩依靠与手指的伸缩油缸活塞杆相连接的轴的上下运动而实现。在这个阶段的设计过程中，总共画了三张装配图，若干张零件图。装配图是手部结构装配图、手臂结构装配图、回转装置装配图，零件图画了手部的零件。关键词：机械手臂部和机身设计液压传动回转装置

AbstractInthispaper,thearmandhandofrobotwereanalyzed,andtheandthedrivingdevicearecarriedouttoselect.Afterthecompletionofthestructuredesign,mainlyforitsworkingprincipleandstructureofdesignandcalculation.Todeterminethestructureandsizeofeachcomponents,rotarydeviceisdriventomovetheracktypehydrauliccylindergearandshaft,whichdrivestherotarybigarm,smallarmhydrauliccylinderisusedinadoubleactingpistontypeoilcylinder,inthedesignbeforethefirsttypeofhydrauliccylinderwereintroduced,andthestructureofpartsofthecylinderwereanalyzed,andthesealingoilcylinder,exhaustdevicepartissimplyintroduced,calculation,selecteachpartsofhydrauliccylinder.Thearmmember(referredtoasthearmorarms)isthemaincomponentofmanipulator.Itsroleistosupportthewristandhand(includingtheworkpieceortool),anddrivesthemmovinginspace.So,stretchingfingersonthetelescopicoilcylinderpistonrodandthefingerconnectedtotheshafttomoveupanddownandimplementation.Atthisstageinthedesignprocess,atotalofthreepiecesofassemblydrawingpainting,severalpartsdiagram.Assemblyisthehandstructureassemblydrawings,assemblyarmstructure,rotatingdeviceassemblydrawing,partdrawinghandparts.Keywords:manipulatorarmandbodydesignofhydraulicdriverotarydevice

目录摘要 Ⅰ1绪论 11.1机器人产生和发展 11.2机器人的今天与明天 22总体方案设计 42．1臀部和机身的作用 42．2机器人臂部结构的选择 42．3设计技术参数: 72．4卸料机械手的组成及工作原理 72．5臂部和机身设计应注意的问题 82．6臂部和机身采用的配置形式 93液压系统 113.1伸缩式液压缸 113.2液压缸的设计与计算 143.2.1液压缸的典型结构 143.2.2基本参数的确定 153.3缸筒内径 163.3.1手部夹紧力及驱动力的计算 163.3.2液压缸设计与计算应注意的问题 213.4密封装置的摩擦阻力 223.5液压缸的排气装置 234手部和臂部的设计 244.1工业机器人的构成 244.2执行机构的确定 254.2.1弹簧的设计计算 254.2.2回转装置液压缸的计算 294.2.3键的设计计算 304.2.4轴承的设计计算 314.2.5轴的校核 324.2.6齿轮的设计 344.3臂部和机身 394.3.1手臂惯性力的计算 394.3.2臂部和机身的作用 404.3.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 414.3.4合理布置作用力的位置和方向 42结论 45谢辞 46参考文献 47

1绪论1.1机器人产生和发展工业机器人自60年代初问世以来，经过了30多年的发展，已广泛应用于各个工业领域，成为制造业生产自动化中主要的机电一体化设备。机器人是“ROBOT”一词的中译名。由于影视宣传和科幻小说的影响，人们往往把机器人想象成外貌似人的机械和电子装置。但事实并非如此，特别是工业机器人，与人的外貌毫无相像之处。根据国家标准，工业机器人定义为其操作机是自动控制的，可重复编程。多用途，并可对3个以上轴进行编程。它可以是固定式或移动式。在工业自动化应用中使用。”操作机又定义为是一种机器，其机构通常由一系列互相铰接或相对滑动的构件所组成。它通常有几个自由度，用以抓取或移动物体(工具或工件)。所以对工业机器人可以理解为；拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置；它可把任一物件或工具按空间位置姿态的时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。如夹持焊钳或焊枪，对汽车或摩托车车体进行点焊或弧焊，搬运压铸成冲压成型的零件或构件，进行激光切割、喷涂、装配机械零部件等。1951年，美国麻省理工学院(MIT)开发成功第—代数控铣床，从而开辟了机械电子相结合的新纪元。1954年美国人GeorgeC.Devol在他申请的专利“Programmedarticletransfer”中，首次提出了“示教／再现机器人的概念”。1958年，美国推出世界第一台工业机器人实验样机。不久，Condec公司与Pulman公司合并，成立了Unimation公司。并于1961年制造出了用于模铸生产的工业机器人(命名为unima-Iion)。与此同时，美国AMF公司也研制生产出了另—种可编程的通用机器，并以“IndustralRobot”(工业机器人)为商品广告投入市场。1970年4月，在伊利诺斯工学院召开了第—届工业机器人会议，当时在美国已有200余台工业机器人用于自动生产线上。日本的丰田和川崎公司，于1967年分别引进了美国的工业机器入技术。经过消化、仿制、改进、创新到1980年，机器人技术在日本取得了极大的成功与普及，1980年，被日本人称之为“日本的机器人元年”。现在，日本拥有工业机器人的台数(约占世界总合数的65%)和制造技术都处于世界领先地位。其他，诸如欧洲各国以及俄罗斯也都在大力发展机器人技术。近十年来，卫生洁具开始采用施釉机器人进行施釉，可以使操作工人从高强度、高污染的工作环境中脱离出来，同时也为高效率、连续化、釉料完全控制提供了先进的手段。我国陶瓷生产线上使用的施釉机器人主要从日本、德国、意大利等国引进，我国自行研制的施釉机器人尚为空白。本文拟对进口的施釉机器人进行分析，以期早日开发出具有自主知识产权的国产施釉机器人。在施釉机器人设计过程中，首先必须在运动学范畴进行初步分析，以便为确定机构方案、选定合理结构参数和驱动源提供依据。[1]1.2机器人的今天与明天至此为止我们已很好地了解了机器人能干些什么和不大能干什么，也知道了过去对机器人的应用情况。现在让我们再看看今天正在进行着的机器人研究情况。了解了过去和现在后就能对其未来的应用有个大致清楚的预测。1.2.1在最近的将来机器人产生较大影响的领域是工厂与仓库的设计。使用感觉探测系统、自动传送系统和分级控制技术后，工厂的整个过程将自动化，无需人从事不安全且劳累的工厂工作。有一些工厂已经完全自动化，如肯塔基州弗洛伦斯的马扎克(Mazak)机床厂，该厂全部操作已由固定的和可移动式机器人及其它自动化装备所完成。日本现在也在建装配机器人的机器人化工厂。最终，大部分制造工厂可能全部自动化。这将要求机器人系统更准确，动力学性能进一步改善、传感系统、分级控制及以知识为基础的管理系统进一步发展。1.2.2标准化在机器人的辅助装置、控制系统、传感系统及其它元件的各制造生产厂之间完全没有标准化，因此成套承包制造机器人系统的极为罕见，而大多数机器人买主却寄希望于此。随着标准化的发展和成套机器人系统的增加，机器人工业将急剧扩大。全世界开发的努力将提高传感装置的能力，再结合计算机能力的发展，机器人的应用领域将不断扩展，所带来的利益将难以预料。机器人正处在发展时期，医疗保健、农业、家庭、到处都将成为它们的用武之地。下面我们将考察一些目前正在进行的研究，进而预测下一代机器人的发展方向。结论将如所料：机器人的潜在应用领域无限度广，唯一的限制仅在于我们的想象力是否张开了翅膀。[2]2总体方案设计2．1臀部和机身的作用手臂部件(简称臂部或手臂)是机器人的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部(包括工件或工具)，并带动它们在空间运动。臀部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上。如要进一步改变手部在空间的方位，可再增加腕部的运动来实现。因此，臂部如具有三个活动度就能基本满足上述要求。至于一般动作较简单的专用机器人臂部的活动度可根据需要确定，一般少于三个。从臂部的受力情况看，它在工作中既直接承受着腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。臂部除了支承腕部和手部外，它们的一些传动机构或驱动装置等，有时也安装在臂部。机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臀部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即可沿地面或架空轨道运动。[3]2．2机器人臂部结构的选择臂部是工业机器人的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并改变手部在空间的位置。工业机器人的臂部一般具有2到3个自由度，即伸缩、回转、俯仰或升降；臂部总重量较大，受力一般比较复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，尤其高速运动时将产生较大的惯性力(或惯性力矩)，引起冲击，影响定位准确性。臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机座上。设计臂部时一般要注意以下要求：1）刚度要大，常采用钢管作导向杆，用工字钢或槽钢做支撑板。2）导向性要好，为防止手臂在直移运动中，沿运动轴线发生相对转动，或设置导向装置或设计方形、花键等形式的臂杆。3）偏重力矩要小，所谓偏重力矩就是指臀部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减小臂部运动部分的重量，以减小偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。4）运动要平稳、定位精度要高，由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动既不平稳，定位精度度也不会高。故应尽量减小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定形式的缓冲措施。机器人的手臂主要包括大手臂、支撑滚轮、小手臂升降油缸及手指伸缩用油缸等有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支承连接件和位置检测元件等。此外还有与腕部(或手部)连接的有关构件及配管、线等。按手臂的运动形式分，手臂有直线运动的如手臂的伸缩、升降及横向、纵向移动；有回转运动的，如手臂的左右回转，上下摆动（即俯仰）；有复合运动的，如直线运动与回转运动的组合，两直线运动的组合，两回转运动的组合等。下面分别介绍手臂的运动机构。1）手臂的直线运动机构实现手臂的往复直线运动的机构形式较多，常见的有：活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构，丝杠螺母机构以及活塞缸和连杆机构等。为了防止手臂在进行伸缩(或升降)运动时绕轴线转动，保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用以增加手臂刚性，需采用适当的导向装置。目前常用的导向装置有单导向杆、双导向杆和四导向杆等。在手臂的伸缩运动中，油缸或气缸不能太长，可以采用齿轮齿条传动的增倍机构，使手臂移动的距离和速度按确定助比值增加。[4]2）手臂俯仰运动机构手臂俯仰运动一般采用活塞油(气)缸与连杆机构来实现，活塞缸位于手臂的下方，活塞杆和手臂用铰链连接，缸体采用尾部耳环或中部销铀等与立柱连接。3）手臂回转与升降机构手臂的回转与升降通常是通过立柱的运动机构来实现的，设计时可将升降与回转机构作为一个整体加以考虑，也可将有关部件组合而成。由单独的回转油缸和升降油缸组合而成的手臂回转升降机构，回转缸在升降缸的上部，回转缸缸体不转，其转抽与手臂相连，转动时带动手臂回转；升降是由活塞杆带动回转缸与手臂一起运动。升降缸是采用双作用活塞套式油缸，特别是导向杆布置在缸体之外，回转缸体兼作导向套。这样由助于提高结构刚性。综合以上各种臂部结构的优点，本设计上臂俯仰运动采用连杆机构来实现，下臂回转采用步进电机驱动来实现。2．3设计技术参数:2.3.1抓重:35Kg(外伸式手部)2.3.2自由度数：2个2.3.3坐标形式：类似圆柱坐标2.3.4手臂运动参数：大手臂回转（φ）：90度小手臂升降（Z）：400mm2.3.5手指夹持范围：孔径252mm定位方式：行程挡铁定位精度:±0.1mm驱动方式：液压控制方式：继电线路程序控制2．4卸料机械手的组成及工作原理卸料机械手由手指伸所油缸，小手臂，大手臂，大手臂回转装置和三指内撑式手部等部件组成，当自动线第一段电动机座输送带将工件送到卸料工位后，并在其随行夹具已定位，气动搬手松开工件时，发出指令，使卸料机械手的小手臂的升降油缸将手部下降到取料位置，手部上的定位压盘正卡在工件已加工完的上端止口及其端面上。同时，手指伸缩油缸的活塞杆下端联接着带圆锥面的推动杆，使内撑式手部的三个手指伸入到工件内的孔槽中，这时小手臂的油缸上升，将工件提起到预定的高度后，当前输送带前进到终点发信，使大手臂回转90度，此后小手臂下降将工件准确的放到转载装置前输送带的适当位置。然后，手指缩回将工件松开，小手臂上升，大手臂反方向回转90度复位，至此，一个循环结束。整个循环时间需要29秒。2．5臂部和机身设计应注意的问题臂部和机身既是机械手的主要运动部件，又是主要的受力部件，它们工作性能的好坏，对机械手的负荷能力和运动精度等影响很大。一般在臂部和机身设汁时应注意刚度问题：[5]刚度是指臂部或机身在外力作用下抵抗变形的能力。它是由外力和外力作用方向的变形量(位移)之比来度量的。如变形小则刚度大。对机械手来说，通常臂部或机身的刚度是一个比强度更突出的问题。以臂部为例，一般在结构上较多的是采用悬伸梁形式(水平或垂直悬伸)，如图4—1所示，臀部水平悬伸。显然，伸缩臂杆2的悬伸长度愈大则刚度愈差。而且其刚度是随着臂杆的伸缩不断变化的。这对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力等影响很大。为提高刚度，除了尽量缩短臂杆的悬伸长度外，还应注意以下几点；2.5.1根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸一臂杆或机身通常既受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲)也受扭转，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截顶形状。同一种材料的截面积和重量是基本相同的。其中封闭形的空心截面(圆环形或方形)与实心圆截面相比有利得多，不仅在X和Y方向的抗弯刚度(，)都较大，而且抗扭刚度也较实心的和开口的截面大得多。从表4-1中序号4还可看出，如适当减小壁厚，加大轮廓尺寸，则刚度更大。采用封闭形空心截面的结构作为臂杆，不仅有利于提高结构刚度，而且内部还可布置驱功装里、传动机构以及管道等，有利于结构紧凑外形整齐2.5.2提高支承刚度和合理选择支承间的距离—臂部或机身的变形量不仅与其本身刚度有关，而且同支承件的刚度和支承件间距离有很大关系。增加支承数目有利于提高结构刚度。如臂杆可采用三支承，但结构和工艺较复杂。2.5.3合理布置作用力的位置和方向。关于合理布置作用力的问题，在结构设计时应结合具体受力情况全面考虑。例如，可设法使各作用力引起的变形相互抵消。2．6臂部和机身采用的配置形式臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手的总体布局。它主要取决于机械手的运动要求、工作对象和作业环境场地等因素。在生产实践中出现了各种不同的配置形式，经过不断改进、不断完善，有些正在逐步向着基本定型方向发展。根据臂部和机身配置的结构特点，归纳了目前几种常用的形式，分别介绍如下：2.6.1横梁式机身设计成横梁式用于悬挂手臂部件是常见的一种配置形式，这类机械手其运动形式较多的是直移型，具有占地面积小，直观性强，能有效地利用空间等优点而被广泛应用。横梁可设计成固定的或行走的。一般情况下横梁可安装在厂房原有建筑的柱梁上，也可专门从地面架论也可安装在有关设备上，也有一些横梁为悬伸梁结构。由于臂部与横梁配置形式不一，分为单臂悬挂式、双臂悬挂式、多臂悬挂式。2.6.2立柱式机身设计成立柱式也是一种常见的配置形式，这类机械手其运动型式多为回转型、俯仰型或屈伸型等。臂部一般都可在水平面内回转，具有占地面积小而工作范围较大的特点厂泛应用于专用机械手的结构中。立柱可固定安装在机床间的空地上，也可固定在机床的床身上，主要为某种主机服务，用作上下料，或用于转运等场合，结构简单，比较实用。可以分为：单臂配置、双臂配置。[6]2.6.3基座式机身设计成基座式，这样机械手可以使独立的、自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构，可在沿地面上的专用轨道上移动，以扩大机械手的活动范围。各种运动形式均可设计成机座式，除屈伸型外，大多数手臂的原始位置部是水平安放的，也有单臂、双臂和多臂的不同。手臂相对于机身的配置形式也有所不同。综合以上各种臂部和机身配置形式的优点和喷釉工业机器人的实际工作条件，臂部和机身配置形式采用基座式。3液压系统3.1伸缩式液压缸伸缩式液压缸又称多级液压缸，当安装空间受到限制而行程要求很长时可采用这种液压缸，如某些汽车起重机液压系统中的吊臂缸。伸缩式液压缸可以是单作用的，也可以是双作用的；可以是柱塞式的，也可以是活塞式的。图（3-1）为活塞式双作用伸缩缸的工作原理图。如图（3-1）所示，当压力油通过油口A进入B腔后，压力油同时作用在第1级和第2级活塞上。由于油腔E经油口F与油箱相通，而负载与第1级活塞杆相连，因此第2级活塞连同第1级活塞一起在较低的压力推动下克服负载向外伸出，如图（3-1）小A所示。当第1级活塞运动到终点后，如图（3-1）小B，第2级活塞则在较高压力作用下继续外伸，直到行程终点，如图（3-1）小C。仅第2级活塞外伸时，回油腔C的油液经第1级活塞的环形槽D，由油口F回油箱。如果改变通油方向，由F口进入压力油，则2级活塞先缩回，当与第1级活塞杆接触后，两级活塞一道缩回，B腔油液经A口回油箱。在图（3-1）所示结构中，第1级活塞为套筒式，既是第1级活塞，又是第2级活塞的套筒。[7]图3-1活塞式双作用伸缩缸法兰连接活塞套式油缸：两端盖采用法兰连接（或后端盖与缸筒焊接），用多了螺钉分别与缸筒和相应的法兰连接（如图所示）防尘圈；2-密封压盖；3-法兰螺钉；4-前法兰端盖；5-导向套；6-活塞杆7-缸筒；8-活塞；9-螺母；10-后法兰螺盖；11-活塞密封；12-密封圈13-密封压紧螺母；14-缸筒密封；15-活塞杆密封这种液压缸有它自己的特点，此次设计采用的就是这个液压缸。优点：结构简单；易加工，易装卸；缺点：重量比罗纹连接的大，但比拉刚连接的小，外径较大，刚体为钢管，端部焊法兰。活塞套式油缸外形尺寸较大，适用于大中型液压缸，缸内径通常大于100mm,额定工作压力PN=25～40MPa,能承受较大的冲击载荷和恶劣的外界环境条件，属重型缸。双作用双活塞杆液压缸双作用双活塞杆液压缸原理如图3-2所示。端同时有相等直径的活塞伸出，因此液压缸两端的受力面积相等。当流量相等时，两个方向的运动速度相等；当两端的输入压力相等时，两个方向的输出力相等。与双作用单活塞杆液压缸相比，双作用双活塞杆液压缸在长度方向所占的空间较大，约为活塞杆行程的3倍.[8]图3-23.2液压缸的设计与计算在设计液压缸时，首先应根据工作条件和液压缸在机构中所要执行的任务来选择液压缸的类型和结构，然后按工作要求（输出的力、速度和行程）计算液压缸的结构尺寸，对液压缸进行强度计算。3.2.1液压缸的典型结构图3-3示为一种双作用单活塞杆液压缸的结构，它由缸底20、缸筒10、缸盖兼导向套9、活塞11和活塞杆18等主要零件组成。图3-3双用单活塞杆液压缸结构图1—耳环2—螺母3—防尘圈4、17—弹簧挡圈(5—套)、6.15—卡键7、14—O形密封圈8、12—Y形密封圈9—缸盖兼导向套10-—缸筒11—活塞13—耐磨环16—卡键帽18—活塞杆19—衬套20—缸底缸筒的一端与缸底焊接，另一端缸盖与缸筒用卡键6、套5和弹簧挡圈4固定，以便拆装检修，两端设有油口A和B。柱塞11与活塞杆18利用卡键15、卡键帽16和弹性挡圈17连在一起。活塞与缸孔的密封采用一对Y形聚氨酯密封圈12，由于活塞与缸孔有一定间隙，采用由尼龙1010制成的耐磨环（又叫支承环）13定心导向，活塞杆与活塞由O形密封圈14密封。较长的导向套可保证活塞杆不偏离中心，导向套外径由O形密封圈7密封，内孔由,Y形密封圈8和防尘圈3防止油液外漏和灰尘带入缸内。缸底和活塞杆端耳环1有销孔与外界连接，销孔内装有抗磨尼龙衬套19。本节以双作用单活塞杆液压缸为例设计有关的内容。3.2.2基本参数的确定1）工作负载与液压缸推力液压缸的工作负载是指工作机构在满负荷情况下，以一定速度起动时对液压缸产生的总阻力，即=(3.1)式中——工作机构的负载、自重等对液压缸产生的作用力；——工作机构在满负载下起动时的静摩擦力；———工作机构满负载起动时的惯性力。液压缸的推力F应等于或略大于其工作时的总阻力。2）运动速度液压缸的运动速度与其输入流量和活塞、活塞杆的面积有关。如果工作机构对液压缸的运动速度有一定要求，应根据所需的运动速度和缸径来选择液压泵；在速度没有要求时，可根据已选定的泵流量和缸径来确定运动速度。[9]3.3缸筒内径3.3.1手部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：（3.2）式中——安全系数，通常1.2～2.0；——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，重力方向的最大上升加速度；——运载时工件最大上升速度——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03～0.5s——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）。小于50000.8～1 20000～300002.0～4.05000～100001.5～2.030000～500004.0～5.010000～20000 2.5～3.050000以上5.0～8.0计算：设a=100mm,b=50mm,<<;机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力和驱动力和驱动液压缸的尺寸。设==1.02根据公式，将已知条件带入：=1.51.02（2）根据驱动力公式得：（3）取（4）确定液压缸的直径D选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8～1MPa,根据表3.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=125mm表3-1液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250缸筒内径即活塞外经，为液压缸的主要参数，可根据以下原则确定:1）按推力F计算缸筒内径D在液压系统给定的工作压力P后（设回油背压为零），应满足以下关系式A(3.3)式中A———液压缸的有效工作面积，对于无活塞杆腔A=，对于有活塞杆腔A=.对无活塞杆腔，当要求推力为时(3.4)对有活塞杆腔，当要求推力为时(3.5)式中P———液压缸的工作压力，由液压系统设计时给定（设回油压力为零）；φ———往返速比，φ=，由液压系统设计时给定；———液压缸机械效率，一般取=0.95圆整后，液压缸的工作压力应作相应的调整。2）按运动速度计算缸筒内径D当液压缸运动速度V有要求时，可根据液压缸的流量q计算。对于无活塞杆腔，当运动速度为，进入液压缸的流量为时(3.6)对于有活塞杆腔，当运动速度为，进入液压缸的流量为时(3.7)当液压缸有密封件密封时，泄漏很小，可取容积效率相等。同理，缸筒内径D应按和中较小的一个圆整为标准值。3）推力F与运动速度v同时给定时，缸筒内径D的计算如果系统中液压泵的类型和规格已定，则液压缸的工作压力和流量已知，此时可先根据推力计算内径，然后校核其工作速度。当计算速度与要求相差较大时，建议重新选择不同规格的液压泵。可供选择的液压泵种类很多，不同的泵有不同的额定值，液压缸的工作压力p应不超过液压泵的额定压力与系统总压力损失之差。当然，在设计液压缸时还有一个系统的综合效益问题，这一点对多缸工作系统尤为重要，应充分予以考虑。4)活塞杆直径的确定确定活塞直径d时，通常应先满足液压缸速度或速比的要求，然后再校核其结构强度和稳定性。若速比为φ，则(3.8)5)最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度（图3-4）。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度.3-4对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求H≥=（3.9）式中L——液压缸的最大行程；D——缸筒内径。活塞的宽度，一般取B=(0.6～1.0）D；导向套滑动面的长度A，在D<80mm时取A=(0.6～1.0）D，在D>80mm时取A=(0.6～1.0）d。为保证最小导向长度，过分增大A和B都是不适宜的，必要时可在导向套与活塞之间装一隔套（图中零件K），隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即:C=H-(A+B)=60-（11+9）=50(3.10)3.3.2液压缸设计与计算应注意的问题在进行液压缸设计与计算时，一般应注意以下几个问题：1）液压缸形式的选择关系到液压缸的具体结构设计和性能设计，因此必须根据系统设计要求，对不同形式的液压缸进行充分分析和对比，然后参考同类设备使用情况来确定。2）在保证实现设计要求的前提下，应使液压缸外形尺寸仅可能小。3）应尽量使活塞杆在受拉状态下承受最大的负载，但一般情况下，活塞杆多在受压状态下工作，为避免产生纵向弯曲，应保证它具有较好的稳定性。4）具体结构设计要按照推荐的结构形式进行，尽量采用标准件，结构仅可能简单，且便于加工，装配和维修。5）不一定所有液压缸都要设置缓冲和派器装置，应根据具体情况和要求而定，有时可在系统中考虑。6）确定液压缸安装固定形式时，必须考虑到缸筒和活塞杆受热后会伸长的问题。因此，定位销只能打在液压缸一端的两侧；双杆活塞缸的活塞杆与运动部件不能采用刚性连接。[10]3.4密封装置的摩擦阻力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，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：。经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：防尘圈：防尘圈的作用是：以防止活塞杆在后退时把杂质灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置，材料一般用耐油橡胶。导向环：导向环价格便宜，更换方便，摩擦阻力小，低速启动不爬行，增加了活塞杆的稳定性，多用于工程机械且行程较长的液压缸中，材料一般为青铜。排气阀：排气阀简单方便，但螺纹与锥面密封处同心度要求较高，否则拧紧排气阀后不能密封，会造成外泄露，材料一般为35钢或45钢。调速阀：节流阀由于刚性差，在节流开口一定的条件下，通过它的工作流量受工作负荷（即其出口压力）变化的影响，不能保持执行元件运动速度的稳定，因此仅适用于负载变化不大和速度稳定性要求不高的场合。由于工作负荷的变化恨那未能避免，为了改善调速系统的性能，通常是对节流阀进行压力补偿。补偿的方法之一是将定差减压阀与节流阀串联起来组合成调速阀；另一种方法是将节流阀与溢流阀并联起来组合成溢节流阀。这两种压力补偿方式都是利用流量的变化引起油路压力的变化，通过阀芯的负反馈作用，来自动调节节流阀口两端的压力差，使其基本保持不变。图3-53.5液压缸的排气装置液压系统中混入空气后，会影响液压缸运动的平稳性，如低速运动时易爬行，起动时出现冲击，振动和噪声，换向精度低等，压力过大时还会产生绝热压缩而造成局部高温。因此，在设计和使用液压缸时，必须考虑空气的排出。对于要求不高的液压缸往往不设专门的排气装置，而是将液压缸的进出油口布置在缸筒两端的最高处，使空气随油液排往油箱，再从油液中逸出。对于速度稳定性要求较高的液压缸和大型液压缸，则需要单独设置排气装置。液压缸的排气装置通常有两种形式：一种是在液压缸的最高部位处开排气孔，用细长的管道接向远处的排气阀排气，这种方式适用于液压缸不便接近的场合；另一种是将排气阀直接安装在液压缸的最高部位上。4手部和臂部的设计4.1工业机器人的构成一个较完善的机器人是由操作机(包括驱动器)和控制系统(硬件和软件)构成的，操作机是安装在机体上，由若干个回转(或移动)关节与杆件相互联接构成的多自由度主动机构组成。人们力图把它设计成具有拟人的手臂或动物肢体动作功能的—种固定式或移动式的机器，它可由操作者.电子式可编程控制装置进行控制，控制装置包括：人—机接口装置(键盘、示教盒、操纵杆等)，具有存贮记忆功能的电子控制装置(计算机、PLC或其他可编程逻辑控制装置等)与外部设备、传感器、离线编程设备等通信的输入／输出接口以及各种电源装置等。[2]工业机器人在实际应用中常与其他装置构成一个机器人系统。这个系统主要包括机器人、末端执行器，为机器人完成规定作业所需的周边设备或传感器：为操作和监控机器人、设备、传感器乃至于受机器人控制系统控制的周边设备的通信接口。机器人各组成部分之间的关系，如图4.2执行机构的确定4.2.1弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图5所示，计算过程如下。图5圆柱螺旋弹簧的几何参数1)选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力2)选择旋绕比C=10，则（3.4）3)根据安装空间选择弹簧中径D=45mm，估算弹簧丝直径4)试算弹簧丝直径（3.5）5)根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数： （3.6）选择标准为，弹簧的总圈数圈6)最后确定D=45mm，d=5mm，mm，7)对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比，本设计弹簧是2端自由，根据下列选取：当两端固定时，,当一端固定；一端自由时，；当两端自由转动时，。结论本设计弹簧b=2，因此弹簧稳定性合适。8)疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式：（3.7）选取1.3-1.7（力学性精确能高）（3.8）结论：经过校核，弹簧适应。执行机构(也称操作机）是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从功能的角度，执行机构可分为：手部结构，手臂结构，回转装置等。1）手部手部又称末端执行器，是工业机器人直接进行工作的部分，可以是各种夹持器，也可以是外伸手指托住工件式。如图所示就是手部的结构图：手指的伸缩依靠与手指伸缩油缸活塞杆相连接的轴1上下运动而实现。轴1的端部连接着带圆锥面的推动杆8。当轴1向下运动时，靠推动杆8的斜楔作用使手指10外伸，当杆1连同推动杆向上运动时，借助弹簧11的弹力使手指缩回。图示位置威胁料机械手上升后手指接触工件的瞬时位置（即杆1向上行程3毫米位置）。更换定位压盘4（5），手部可分别抓取1～5号电动机座，抓取1，3，5号电动机座用的定位压盘可见附图（装配图1--手部结构装配图）。2）臂部臂部与手部相连，本设计为2个自由度，为轮系结构，主要功用是带动手部完成预定姿态，是操作机中结构最为复杂的部分。手臂主要是由大手臂，支撑滚轮，小手臂升降油缸和手指伸缩油缸等部分组成。大手臂安装在回转轴上，小手臂的升降油缸为双作用活塞套式油缸，并采用油缸端部节流缓冲，用行程挡铁定位。手臂的结构图见附图（装配图2--手臂结构装配图）3）回转装置：大手臂的回转装置依靠带齿条的活塞油缸，通过齿轮机构实现大手臂的回转，如图所示，调整固定在箱体上的两个死挡铁螺钉1，可保证大手臂回转定位的准确性（参照图的俯视图）。调整油缸端盖处的两个死挡铁螺钉2，使它与齿条活塞端部刚刚接触或留有约0.1毫米左右的间隙，以控制大手臂的回转角度。回转装置图见附图（装配图3—回转装置装配图）齿条液压缸是一种用于驱动工作台回转的齿条传动液压缸。活塞的行程可由两端盖上的螺钉调节，端盖上的沉孔和活塞两端的凸头组成间隙式缓冲装置。4.2.2回转装置液压缸的计算回转装置的液压缸为齿条式液压缸，通过液压缸的动作，带动齿轮的转动，从而带动轴的转动，以实现手臂的旋转。1）缸筒内径的计算计算缸筒内径D时，通常有两种方法计算，一种是根据野鸭刚需要产生的推力F和系统选定的工作压力P来计算，计算式为D==2）活塞杆直径的计算活塞杆直径d的计算方法，通常是在缸筒内径D已确定，在满足一定速度比的情况下，速度比φ由液压系统设计时给定的，取φ=3.025，来确定活塞杆的直径d,其计算式为d=D=110mm（3）液压缸的行程液压缸的行程L主要是根据执行机构的运动要求而定。为了简化工艺，降低成本，增加产品通用性，应尽量采用国家标准规定的标准系列值。[10]4.2.3键的设计计算键联接是通过键实现轴和轴上零件间的周向固定以传递运动和转矩。其中，有些类型还可实现轴向固定和传递轴向力，有些类型并不能实现轴向动联接。键的剖面尺寸通常根据轴的直径已制订标准。对于薄壁空心轴，阶梯轴，传递转矩较小以及用于定位等特殊情况的，允许选用尺寸较小标准规定微小的键；有时，由于工艺需要也可选用较标准规定为大的键，键的长度按轮毂长度从标准中选取，并按传递的转矩对长度进行验算。1）键的选择：要设计的手部结构轴的直径是25，根据要求选择键的尺寸b×h=8×72）键的校核：即：MPa根据手册查键的需用弯曲应力外为125～150MPa故键满足要求。[11]4.2.4轴承的设计计算滚动轴承可分为向心轴承，推力轴承，组合轴承。向心轴承可分为径向接触和角接触向心轴承；推力轴承分为轴向接触轴承和角接触推力轴承。[9]轴承类型的选择：选择滚动轴承的类型与多种因素有关，主要是以下几点：1）允许空间；2）载荷大小和方向。例如既有径向又有轴向的联合载荷一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，如径向载荷大，轴向载荷小，可选深沟球轴承和内外圈都有挡边的圆柱滚子轴承，如同时还存在轴或壳体变形大以及安装对中性差的情况，可选用调心球轴承，调心滚子轴承；如轴向载荷大，径向载荷小，可选用推力角接触球轴承，推力圆锥滚子轴承，若同时要求调心性能，可选推力调心滚子轴承。3）轴承工作转速。4）旋转精度。一般机械均可用G级公差轴承。5）轴承的刚性。一般滚子轴承的刚性大于求轴承，提高轴承的刚性，可通过预紧，但必须适当。6）轴向游动。轴承配置通常是一端固定，一端游动，以适应轴的热膨胀冷缩，保证轴承的静动方式，一是可选用内圈或外圈无挡边的轴承，另一种是在内圈与轴或者外圈与轴承孔之间采用间隙配合。7）摩擦力矩。需要地摩擦力矩的机械（如仪器），应尽量采用球轴承，还应避免采用接触式密封轴承。8）安装与拆卸。装卸频繁时，可选用分离性轴承或选用内圈为圆锥孔的，带进定套或退卸套的调心滚子轴承，调心球轴承。所设计的轴承为手臂上的滚动轴承。由轴承所受的径向载荷为5500N，轴向载荷为2700N，n=1250r/min,由表可查得深沟球轴承的最大e值为0.44，故此时，初步计算当量载荷P，P=，1.0～1.2,取1.2X=0.56，Y=0.44代入上式得P=4271，由C=P得轴承的额定动载荷为30.8KN。查轴承手册可知轴承的各个尺寸。[11]4.2.5轴的校核综合考虑各轴情况，其中Ⅲ轴比较复杂，因而选择其为校核对象。1）作出轴的计算简图(即力学模型)；图4.1a)2）作出弯矩图；图4.1b)3）作出扭矩图；图4.1c)4）作出轴的相当弯距图；图4.1d),e),f)5）校核其危险截面（1）D齿轮齿面上的载荷：NNN（2）E齿轮齿面上的载荷：NNN（3）由可得：Nm,Nm所以NmNmNm（4）T=546.875Nm（5）由图4.1h)可以看出安装E齿轮处的总M最大，因而其危险截面出现在图4.1Ⅲ轴受力分析图轴上安装E齿轮处，计算此处所需的最小直径：＝mm式中：——考虑弯矩和转矩所产生的应力的循环不同的修正系数，取其值为1；——对转轴和转动心轴而言由参考文献[9]表18－3可取＝92Mpa。而该轴此处的实际尺寸为55mm，因此，此轴符合要求[11]。4.2.6齿轮的设计1）选择材料、热处理方法、精度等级齿轮类型及齿数（1）为了使传动结构紧凑，选用硬齿面的齿轮传动。两个齿轮均采用40Cr,渗碳淬火，HRC=58。（2）由于经常正反转，所以选用7级精度。（3）选用斜齿圆柱齿轮传动，初取＝15，，则＝u=67。2）按齿面接触疲劳强度计算由设计计算公式：(4.3)确定公式内的各计算数值：(1)试选载荷系数，各系数分别从参考文献[10]表9.7、图9.31、表9.8和表9.9中确定：＝1.25，＝1.1，＝1.17，＝1.2，可得K＝1.93。(2)齿轮传递扭矩：T＝30.518Nm(3)齿宽系数在参考文献[10]表9.12中选取＝0.7(4)由参考文献[10]表9.10可查出材料的弹性影响系数ZE=189.8(5)为节点区域系数，对于标准斜齿轮，＝＝6.16(6)为接触强度计算的重合度系数，＝＝0.552(若>1,则取＝1)，而＝＝1.627＝＝0.470(7)为接触强度计算的螺旋角系数，＝＝＝0.995(8)参考文献[10]图9.34按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限(9)计算应力循环次数：Ｎ２＝2.592/4.47=0.580(10)由参考文献[10]图9.35查得接触疲劳寿命系数＝1.0，＝1.05(11)计算接触疲劳许用应力:取失效概率为1﹪,安全系数S=1,由式得:＝＝1080MpaMpa3）计算(1)计算小齿轮分度圆直径d1t,代的值：==28.53(4.4)(2)计算模数＝＝＝1.884）按齿根弯曲强度设计按下式设计计算:(4.5)(1)K为载荷系数，，各系数分别从参考文献[10]表9.7、图9.31、表9.8和表9.9中确定：＝1.25，＝1.1，＝1.17，＝1.2，可得K＝1.93。(2)为弯曲强度计算的重合度系数，＝0.25+0.75/(其中1<<2)，则＝1.25。(3)计算抗弯强度螺旋角系数：(当>1时，按1代入，当>时，取代入)＝1－＝1－＝0.969(4)查取齿形系数:由参考文献[10]表9.11查得:(5)查取应力校正系数:由参考文献[10]表9.11查得:(6)许用应力计算：取1.4~1.8之间＝771.43Mpa=810Mpa(7)计算大,小齿轮的齿形系数与许用应力之比值：=0.00585=0.00483小齿轮的数值大。所以由公式(4.5)得弯曲强度的设计公式为：＝＝1.732对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数略大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径(取模数与齿数的乘积)有关,可取由弯曲强度算得模数1.88,并就近圆整为标准值=2，则按接触强度可算得：分度圆直径：d1=＝30mm，=＝134mm中心距：a==82..81这样设计出的齿轮传动,既满足了齿面接触疲劳强度,又满足了齿根弯曲疲劳强度,并做到结构紧凑,避免浪费。5）按标准中心距修正螺旋角===8.157(4.6)6）其它几何尺寸计算：（1）端面模数：＝＝2.02（2）计算分度圆直径：取31mm取136mm（3）计算齿轮宽度:b=取B1=28mm,B2=22mm。（4）计算齿面上的载荷：NNN（5）两齿轮变位系数分别为+0.44/-0.44.[11]4.3臂部和机身4.3.1手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是V=,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度V=V=,(4.7)4.3.2臂部和机身的作用手臂部件(简称臂部或手臂)是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部(包括工件或工具)，并带动它们在空间运动。臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上。如要进一步改变手部在空间的方位，可再增加腕部的运动来实现。因此，臂部如具有三个活动度就能基本满足上述要求。至于一般动作较简单的专用机械臂部的活动度可根据需要确定，一般少于三个。从臂部的受力情况看，它在工作中既直接承受着腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。臂部除了支承腕部和手部外，它们的一些传动机构或驱动装置等，有时也安装在臂部。机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臀部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即可沿地面或架空轨道运动。当其他条件一定比如缩短两支承间距离，可减少臂杆的变形量(和)。但必须注意，上式没有考虑支承的变形。当负荷和悬伸间距一定时，支承间距离愈小，则两支承上受力愈大，其弹性变形也愈大。此时支承的刚度将成为影响的主要矛盾。一般机械手由于臂部结构的限制，希望支承间距离尽可能小些。因此对支承的刚度必须有足够的重视。要提高支承的刚度，除了从支座的结构形状、底板的刚度(如图4—1中臂架1采用加强筋)、以及支座与底板的连接刚度等方面考虑外，特别要注意提高配合面向的接触刚度。图4-1中臂杆与导向套为滑动配合，如配合面不平整或者配合间隙较大，则臂杆与导向尝就不能在全长上均匀接触，致使局部面积上受力较大，引起的变形也较大。如采用塞铁调整的导轨等也有同样问题。因此必须注意保证配合表面的加工精度和光洁度。如采用滚动导轨或滚动轴承，则装配时应考虑施加预紧力以提高接触刚度。此外，增加支承数目也可有利于提高结构刚度。如臂杆可采用三支承，但结构和工艺较复杂。[14]4.3.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算(4.8)式中摩擦阻力，参考图5.3取f=0.16G——零件及工件所受的总重。（1）的计算设定速度为V=4;起动或制动的时间差t=0.02s;近似估算为343Kg;将数据带入上面公式有：（2）的计算210464.7=3348.7N（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最后通过以上计算当液压缸向上驱动时，F=11162.3N当液压缸向下驱动时，F=11162.3-(343×2)=10476.3N4.3.4合理布置作用力的位置和方向以臂杆为例，往复直线缸6与臂杆不同轴，是平行布置的。因此臂杆上除受轴向的驱动力外，尚有一附加的弯矩，促使臂杆弯曲变形。间时支承上受力也增加，变形也增加。这里仅是一个简单的例子，关于合理布置作用力的问题，在结构设计时应结合具体受力情况全面考虑。例如，可设法使各作用力引起的变形相互抵消。[15]1）精度机械手的精度最终集中反映在手部的位置精度上。显然，它与臀部和机身运动的位置精度关系十分密切。影响臂部和机身位置精度的因素，除了上述刚度问题外，尚有各主要运动件的制造和装配精度，手部或腕部在臀部的定位和连接方式，以及臂部和机身运动的导向装置和定位方式等。以导向装置而言，其导向精度、刚度和耐磨性等对机械手的精度和其它工作性能影响很大，在设计时必须注意。导向装置的结构形式较多，臀部相机身上常见的直线运动导向装置大致有如下几种(见图4—3)，其应用情况将在以下各节中结合具体结构介绍。2）平稳性臀部和机身的运动较多，质量较大，如果运动速度和负荷又较大，在运动状态变化时，将产生较大的冲击和振动，其工作平稳性问