機械手夾持器設(shè)計說明書【圖紙插入論文了】

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1、 機械手夾持器設(shè)計 持器設(shè)計的基本要求 （ 1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力； （ 2）手指應(yīng)具有一定的開閉范圍； （ 3）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度； （ 4）要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高； （ 5）應(yīng)考慮通用性和特殊要求。 設(shè)計參數(shù)及要求 （ 1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動作為抓緊 放松； （ 2）所要抓緊的工件直徑為 80松時的兩抓的最大距離為 110s ， 1夾持速度 20mm/s； （ 3）工件的材質(zhì)為 5質(zhì)為 45#鋼； （ 4）夾持器有足夠 的夾持力； （ 5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由液壓缸提供動力。 持器結(jié)構(gòu)設(shè)計 緊裝置設(shè)計 . 緊力計算 手指加在工件上的夾緊力是設(shè)計手部的主

2、要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按下列公式計算： 1 2 3 K K G 2中： 1K 安全系數(shù)，由機械手的工藝及設(shè)計要求確定 ,通常取 2K 工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計算最大加速度，得出工作情況系數(shù)2K, 20 . 0 2 / 11 1 1 . 0 0 29 . 8aK g ， a 為機器人搬運工件過程的加速度或減速度的絕對值（ m/s）； 3K 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定， 手指與工件位置：手指水 平放置 工件

3、垂直放置； 手指與工件形狀： V 型指端夾持圓柱型工件， 30 .5 f ， f 為摩擦系數(shù)， 為 V 型手指半角，此處粗略計算 3 4K ,如圖 被抓取工件的重量 求得夾緊力 ， 1 2 3 1 . 5 1 . 0 0 2 4 3 9 . 8 1 7 6 . 7 5 K K M g N ，取整為 177N。 動力力計算 根據(jù)驅(qū)動力和夾緊力之間的關(guān)系式： 2 s i 中： c 滾子至銷軸之間的距離； b 爪至銷軸之間的距離； a 楔塊的傾斜角 可得 2 s i n 1 7 7 2 8 6 s i n 1 6 1 9 5 . 1 534NF b o，得出 F 為理論計算值，實際采取的液壓缸驅(qū)動力

4、 F 要大于理論計算值，考慮手爪的機械效率 ，一般取 處取 ： 1 9 5 . 1 52 2 1 . 7 6 20 . 8 8 ，取 500 壓缸驅(qū)動力計算 設(shè)計方案中壓縮彈簧使爪牙張開，故為常開式夾緊 裝置，液壓缸為單作用缸，提供推力： 2= 4F D p推 式中 D 活塞直徑 d 活塞桿直徑 p 驅(qū)動壓力， 推 ,已知液壓缸驅(qū)動力F ，且 5 0 0 1 0F N K N 由于 10F ，故選工作壓力 P=1據(jù)公式計算可得液壓缸內(nèi)徑： 4 4 5 0 0 2 5 . 2 3 13 . 1 4 1FD m m m 根據(jù)液壓設(shè)計手冊 ,見表 整后取 D=32 表 壓缸的內(nèi)徑系列（ 20 25

5、32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 活塞桿直徑 d=406塞厚 B=( 取 B=32 23缸筒長度 L (20 30)D 取 L 為 123塞行程，當(dāng)抓取 80件時，即手爪從張開 120小到 80快向前移動大約 40液壓缸行程 S=40 液壓缸流量計算： 放松時流量 )(4 222 2 61 2 1 ( 3 1 6 ) 2 0 6 0 1 0 0 . 7 2 4 / m i A V L 夾緊時流量 2 2 61 1 1 3 2 2 0 6 0 1 0 0 . 9 6 5 / m

6、i q V A V D L 用夾持器液壓缸 溫州中冶液壓氣動有限公司 所生產(chǎn)的輕型拉桿液壓缸 型號為： 構(gòu)簡圖，外形尺寸及技術(shù)參數(shù)如下： 表 持器液壓缸技術(shù)參數(shù) 圖 構(gòu)簡圖 工作壓力 使用溫度范圍 允許最大速度 效率 傳動介質(zhì) 缸徑 受壓面積 ( 2 速度比 無桿腔 有桿腔 110 + 80 300 m/s 90% 常規(guī)礦物液壓油 32 圖 形尺寸 爪的夾持誤差及分析 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決與機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，

7、需要注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，見圖 2而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過 1，手部的最終誤差取決與手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補償能力 。 圖 工件直徑為 80寸偏差 5，則 m a x 4 2 m m ， m 7 m m ， 40。 本設(shè)計為楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，屬于兩支點回轉(zhuǎn)型手指夾持，如圖 圖 把工件軸心位置 C 到手爪兩支點連線的垂直距離 X 表示，根據(jù)幾何關(guān)系有： 22( ) 2 c o ss i n s i A l l a 簡化為： 2 2 2 221 ( s i n c o s ) ( s i n )s i n A B A l l a

8、該方程為雙曲線方程，如圖 圖 件半徑與夾持誤差 關(guān)系曲線 由上圖得，當(dāng)工件半徑為 0R 時， X 取最小值 又從上式可以求出： 0 s i n c o ，通常取 2 120 o m in s 若工件的半徑 化到 ， X 值的最大變化量，即為夾持誤差，用 表示。 在設(shè)計中，希望按給定的 確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長手指長度，但手指過 長，使其結(jié)構(gòu)增大；另一方面可選取合適的偏轉(zhuǎn)角 ，使夾持誤差最小，這時的偏轉(zhuǎn)角稱為最佳偏轉(zhuǎn)角。只有當(dāng)工件的平均半徑 為 0R 時，夾持誤差最小。此時最佳偏轉(zhuǎn)角的選擇對于兩支點回轉(zhuǎn)型手爪（尤其當(dāng) a 值較大時），偏轉(zhuǎn)角 的大小不易按夾持誤差最小的條

9、件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時，兩手爪的 平行，抓不著工件。為避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑 以 90o 為條件確定兩支點回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角 ，即下式： 1 1c o s ( ) s i 其中 2 90a , 86,V 型鉗的夾角 2 120 o 代入得出： 1 8 0 1c o s ( 4 5 ) 5 6 . 5 7s i n 6 0 8 6 0 s i n c o s 8 6 s i n 6 0 c o s 5 6 . 5 7 4 1 . 0 2l m m m m a R ，此時定位誤差為 1 和 2 中的最大值。 2 2 2 2 2 2m a xm i ) 2

10、c o s s i ns i n s i A B A l a l a 2 2 2 2 2 2m i n m i ) 2 c o s s i ns i n s i A B A l a l a 分別代入得： 1 0 5 6 ， 2 0 8 2 所以， 0 . 1 4 8 2 1m m m m ，夾持誤差滿足設(shè)計要求。 由以上各值可得： 2 2 2 221 ( s i n c o s ) ( s i n ) 5 5 . 9 2 5 4s i n A B A l l a m m 取值為 56X 。 塊等尺寸的確定 楔塊進入杠桿手指時的力分析如下： 圖 圖 斜楔角， 30o 時有增力作用； 2 滾子與斜

11、楔面間當(dāng)量摩擦角， 22t a n ( ) t a ， 2 為滾子與轉(zhuǎn)軸間的摩擦角， d 為轉(zhuǎn)軸直徑， D 為滾子外徑，22f ，2 支點 O 至斜面垂線與杠桿的夾角； l 杠桿驅(qū)動端桿長； l 杠桿夾緊端桿長； 杠桿傳動機械效率 楔的傳動效率 斜楔的傳動效率 可由下式表示： 2s s ) 22ta n ta 杠桿傳動機械效率 取 可得 = 2 90o ，取整得 =14o 。 作范圍分析 陰影部分杠桿手指的動作范圍，即 2 90o，見 圖 果 2，則楔面對杠桿作用力沿桿身方向，夾緊力為零，且為不穩(wěn)定狀態(tài)，所以 必須大于 2。此外，當(dāng) 90 o 時，杠桿與斜面平行，呈直線接觸，且與回轉(zhuǎn)支點在結(jié)構(gòu)

12、上干涉，即為手指動作的理論極限位置。 楔驅(qū)動行程與手指開閉范圍 當(dāng)斜楔從松開位置向下移動至夾緊位 置時，沿兩斜面對稱中心線方向的驅(qū)動行程為L，此時對應(yīng)的杠桿手指由1位置轉(zhuǎn)到2位置，其驅(qū)動行程可用下式表示： 12 12c o s c o s ( c o s c o s )s i n s i 杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為： 12 c o s ( ) c o s ( ) 通常狀態(tài)下，2在 90 o 左右范圍內(nèi)，1則由手指需要的開閉范圍來確定。由給定條件可知最大 s 為 55小設(shè)定為 0 ( 5 0 6 0 )s 。已知 14 o ，可得2 9 0 7 6 圖關(guān)系： 圖 知：楔塊下邊為 60點

13、O 距中心線 30有30() ，解得： 120 l 的確定 斜楔傳動比 i 可由下式表示： s i ns i 可知 一定時， i 愈大，且杠桿手指的轉(zhuǎn)角 在 90 o 范圍內(nèi)增大時，傳動比減小，即斜楔等速前進，杠桿手指轉(zhuǎn)速逐漸減小，則由 120 分配距離為： 50l ， 70l 。 定 由前式得： ( 6 0 3 0 ) 3 0s 13 0 7 0 c o s ( 1 4 ) c o s ( 7 6 1 4 )s o o o，1 o，取1 50 o。 定 L 為沿斜面對稱中心線方向的驅(qū)動行程，有下圖中關(guān)系 圖 0 ( c o s 5 0 c o s 7 6 ) 8 2 . 8 5 0s i n

14、 1 4L 83L ，則楔塊上邊長為 19料及連接件選擇 V 型指與夾持器連接選用圓柱銷 / ， d=8需使用 2 個 杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷 / ， d=8需使用 2 個 滾子與手指連接選用圓柱銷 / ， d=6需使用 2 個 以上材料均為鋼 ，無淬火和表面處理 楔塊與活塞桿采用螺紋連接，基本尺寸為公稱直徑 12距 p=1，旋合長度為10第三章 腕部 部設(shè)計的基本要求 手腕部件設(shè)置在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強。手腕部件具有獨立的自由度，此設(shè)計中要求有繞中軸的回轉(zhuǎn)運動。 （

15、 1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運 轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 （ 2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 （ 3）必須考慮工作條件 對于本設(shè)計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。 有一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的典型腕部結(jié)

16、構(gòu) 如圖 示，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸，實現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)運動 。從 A A 剖視圖上可以看到，回轉(zhuǎn)葉片（簡稱動片）用螺釘，銷釘和轉(zhuǎn)軸 10 連接在一起，定片 8 則和缸體 9連接。壓力油分別由油孔 出油腔，實現(xiàn)手部 12 的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角的極限值由動，靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于 270o ），圖中缸可回轉(zhuǎn) 90 o 。腕部旋轉(zhuǎn)位置控制問題，可采用機械擋塊定位。當(dāng)要求任意點定位時，可采用位置檢測元件（如本例為電位器，其軸安裝在件 1 左端面的小孔）對所需位置進行檢測并加以反饋控制。 圖 示手部的開閉動作采用單作用液壓缸，只需一個油管。通向手部驅(qū)動液壓缸的油管是從回轉(zhuǎn)中心通過，腕部回轉(zhuǎn)時，油路認

17、可保證暢通，這種布置可使油管既不外露，又不受扭轉(zhuǎn)。腕部用來和臂部連接，三根油管（一根供手部油管，兩根供腕部回轉(zhuǎn)液壓缸）由手臂內(nèi)通過并經(jīng)腕架分別進入回轉(zhuǎn)液壓缸和手部驅(qū)動液壓缸。本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn) 0180 ，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動，參考上圖典型 結(jié)構(gòu)。 部結(jié)構(gòu)計算 部回轉(zhuǎn)力矩的計算 腕部回轉(zhuǎn)時，需要克服的阻力有： （ 1）腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 1212= ( )2 D F D摩 式中 1 2 軸承處支反力（ N），可由靜力平衡方程求得 ; 1D , 2D 軸承的直徑（ m）； f 軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承 f =于滑動軸承

18、 f = 為簡化計算，取 0 . 1 總 阻 力 矩，如圖 示，其中， 1G 為工件重量， 2G 為手部重量， 3G 為手腕轉(zhuǎn)動件重量。 圖 2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 1=M 式中 e 工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離 ()m ，已知 e=10則 1= 3 9 . 8 0 . 0 1 0 . 2 9 4M G e N m N m 偏 （ 3）克服啟動慣性所需的力矩 啟動過 程近似等加速運動，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度 及啟動過程轉(zhuǎn)過的角度 啟 按下式計算： =M t慣 工 件啟（ J+J ） 式中 工件J 工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 2()N m s ； J 手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的

19、轉(zhuǎn)動慣量 2()N m s ； 手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度 (1 )s ； 啟動過程所需的時間 ()s ，一般取 處取 手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，高為 200徑 90重力估算： 230 . 0 4 5 0 . 2 7 8 0 0 9 . 8 9 7 . 2 6G K g m N K g N ,取 98N. 等效圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量： 2 2 21 1 1 9 80 . 0 4 5 0 . 0 1 0 12 2 2 9 . 8 R 工件的轉(zhuǎn)動慣量，已知圓柱體工件 40R ， 100l 2 2 2 21= ( 3 ) 3 ( 3 0 . 0 4 0 . 1 ) 0 . 0 0

20、3 71 2 1 2 l 工 件 要求工件在 旋轉(zhuǎn) 90 度 , 取平均角速度，即 = ， 代入得： = ( 0 . 0 1 0 1 0 . 0 0 3 7 ) 0 . 4 3 3 50 . 1M N m N 慣 工 件啟（ J+J ） = 0 . 1 0 . 2 9 4 0 . 4 3 3 5M M M M M N m 總 阻 力 矩 摩 偏 慣 總 阻 力 矩 解可得： 力 矩 = 轉(zhuǎn)液壓缸所驅(qū)動力矩計算 回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力矩 如圖 片 1 與缸體 2 固連，動片 3 與轉(zhuǎn)軸 5 固連，當(dāng) a, b 口分別進出油時，動片帶動轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，達到手腕回轉(zhuǎn)的目的。 圖 回轉(zhuǎn)液

21、壓缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩M 。 22()2b R rM p b d M 總 或 222 r 總 式中 手腕回轉(zhuǎn)時的總的阻力矩 () p 回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（ R 缸體內(nèi)孔半徑（ m） r 輸出軸半徑（ m），設(shè)計時按 選取 b 動片寬 度（ m） 上述動力距與壓力的關(guān)系是設(shè)定為低壓腔背壓力等于零。 轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 D 計算 由 總 阻 力 矩 ，得： 22()2p b R 總 ， 22 為減少動片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度時，選用： 2 綜合考慮，取值計算如下： r=16R=40b=50P 取值為 1如下圖： 圖 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?/p>

22、 圖 蓋螺釘間距示意 表 釘間距 t 與壓力 P 之間的關(guān)系 上圖中表示的連接中，每個螺釘在危險截面上承受的拉力為： F F F總 預(yù) ，即工作拉力與殘余預(yù)緊力之和 計算如下： 液壓缸工作壓強為 P=1以螺釘間距 t 小于 150選擇 2 個螺釘，0 . 0 8 0 . 1 2 5 6 1 2 5 . 6 1 5 042D m m m m m ，所以選擇螺釘數(shù)目合適 Z=2 個 受力截面222 2 28 0 3 2 0 . 0 0 3 4 3 6 1 1 64m m m r m 61 0 0 . 0 0 3 4 3 6 1 1 6 2 2 6 7 . 8 42 所 以 ， 工作壓力 P（ 螺釘

23、的間距 t( 小于 150 小于 120 小于 100 小于 80 F ，此處連接要求有密封性，故 k ?。?取 K= 1 . 6 2 2 6 7 . 8 4 3 6 2 8 . 5 4F K F N N 預(yù) 所以 2 2 6 7 . 8 4 3 6 2 8 . 5 4 = 5 8 9 6 . 3 8F F F N N 總 預(yù) 螺釘材料選擇 240 1601 . 5s M P 則 ，安全系數(shù) n 取 螺釘?shù)闹睆接上率降贸?4 1 ， F 為總拉力即 總 64 1 . 3 4 1 . 3 5 8 9 6 . 3 8 7 . 8 13 . 1 4 1 6 0 1 0Fd m m 螺釘?shù)闹睆竭x擇 d

24、=8片和輸出軸間的連接螺釘 動片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見上圖。連接螺釘一般為偶數(shù)。螺釘由于油液沖擊產(chǎn)生橫向載荷，由于預(yù)緊力的作用，將在接合面處產(chǎn)生摩擦力以抵抗工作載荷，預(yù)緊力的大小，以接合面不產(chǎn)生滑移的條件確定，故有以下等式： 22 0( ) 4P b D d M i 摩 0F 為預(yù)緊力 ,f 為接合面摩擦系數(shù)，?。?圍的 鋼和鑄鐵零件，i 為接合面數(shù)，取 i =2， Z 為螺釘數(shù)目，取 Z=2， D 為靜片的外徑， d 為輸出軸直徑，則可得： 220 4 dZ 螺釘?shù)膹姸葪l件為： 01 4帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得： 62 2 2 20 0 . 0 4 1 1 0 0 . 0 8 0 . 0 3 2

25、9 6 . 2 54 4 0 . 1 5 2 2 d NZ f i 螺釘材料選擇 則 240 1601 . 5s M p （安全系數(shù) : ） 螺釘?shù)闹睆?04 1 . 3 0 . 9 9 8Fd m m， d 值極小，取 6d 。 螺釘選擇 開槽盤頭螺釘， / 67 5 46M ,如圖 圖 腕部軸承選擇 腕部材料選擇 37 .9 g ，估計軸承所受徑向載荷為 50N,軸向載荷較小，忽略。兩處均選用深溝球軸承?，F(xiàn)校核較小軸徑處軸承。 6005 軸承基本數(shù)據(jù)如下： 10N ，當(dāng)量動載荷 f F ，載荷系數(shù) 1， 50，則 50，由公式：610 ()60h cL N 為轉(zhuǎn)速，由 成 90o 回轉(zhuǎn)，計

26、算得： 60 ， ，球軸承 3 代入得： 63 391 0 1 0 1 0( ) 2 . 4 1 06 0 6 0 5 0 ，遠大于軸承額定壽命 610h 。 選用軸承為深溝球軸承 6005， 6008。 料及連接件，密封件選擇 右端軸 承端蓋與腕部回轉(zhuǎn)缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋， / 5783 ， 5 16M ,需用 4 個。 右缸蓋與缸體連接選用六角頭螺栓，全螺紋， / 5783 ， 5 16M ,需用 4 個。 左缸蓋與缸體及法蘭盤連接選用六角頭螺栓，全螺紋， / 5783 ， 5 31M ,需用4 個。 選用墊 圈防松， / 848 ，公稱尺寸為 5。 右端軸承端蓋與腕部回轉(zhuǎn)缸連接選

27、用六角頭螺栓，全螺紋， / 5783 ， 5 16M ,需用 4 個。 為定位作用，軸左側(cè)增加一個套筒，材料為 寸如下： 圖 片與輸出軸連接選用六角頭螺栓 全螺紋， / 5783 ， 5 16M 需用 2 個。 密封件選擇： 全部選用氈圈油環(huán)密封，材料為半粗羊毛氈。 右端蓋 d=40左右缸蓋 d=25第四章 伸縮臂設(shè)計 縮臂設(shè)計基本要求 設(shè)計機械手伸縮臂，底板固定在大臂上，前端法蘭安裝機械手，完成直線伸縮動作。 （ 1）功能性的要求 機械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準確，工作協(xié)調(diào)。 （ 2）適應(yīng)性的要求 為便

28、于調(diào)整，適應(yīng)工件大小不同的要求，起止位置要方便調(diào)整，要求設(shè)置可調(diào)式定位機構(gòu)。為了控制慣性力，減少 運動沖擊，動力的大小要能與負載大小相適應(yīng)，如步進電機通過程序設(shè)計改變運動速度，力矩電機通過調(diào)整工作電壓，改變堵力矩的大小，達到工作平穩(wěn)、動作快捷、定位準確的要求。 （ 3）可靠性的要求 可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下，在預(yù)定使用壽命期內(nèi)能完成規(guī)定功能的概率。 工業(yè)機械手可自動完成預(yù)定工作，廣泛應(yīng)用在自動化生產(chǎn)線上，因此要求機械手工作必須可靠。設(shè)計時要進行可靠性分析。 （ 4）壽命的要求 產(chǎn)品壽命是產(chǎn)品正常使用時因磨損而使性能下降在允許范圍內(nèi)而且無需大修的連續(xù)工作期限。設(shè)計中要考慮采取減少摩擦和磨

29、損的措施，如： 選擇耐磨材料、采取潤滑措施、合理設(shè)計零件的形面等。因各零部件難以設(shè)計成相等壽命，所以易磨損的零件要便于更換。 （ 5）經(jīng)濟的要求 機械產(chǎn)品設(shè)備的經(jīng)濟性包括設(shè)計制造的經(jīng)濟性和使用的經(jīng)濟性。機械產(chǎn)品的制造成本構(gòu)成中材料費、加工費占有很大的比重，設(shè)計時必須給予充分注意。將機械設(shè)計課程中學(xué)到的基本設(shè)計思想貫穿到設(shè)計中。 （ 6）人機工程學(xué)的要求 人機工程學(xué)也稱為技術(shù)美學(xué)，包括操作方便宜人，調(diào)節(jié)省力有效，照明適度，顯示清晰，造型美觀，色彩和諧，維護保養(yǎng)容易等。本設(shè)計中要充分考慮外形設(shè)計，各調(diào)整環(huán)節(jié)的設(shè)計要方便人體接近，方 便工具的使用。 （ 7）安全保護和自動報警的要求 按規(guī)范要求，采取

30、適當(dāng)?shù)姆雷o措施，確保操作人員的人身安全，這是任何設(shè)計都必 須考慮的，是必不可少的。在程序設(shè)計中要考慮因故障造成的突然工作中斷，如機構(gòu)卡死、工件不到位、突然斷電等情況，要設(shè)置報警裝置。 設(shè)計參數(shù) （ 1）伸縮長度： 300 （ 2）單方向伸縮時間： （ 3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于 2 （ 4）前端安裝機械手，伸縮終點無剛性沖擊； 案設(shè)計 液壓驅(qū)動方案 （ 1）伸縮原理 采用單出桿雙作用液壓油缸，手臂伸出時采用 單向調(diào)速閥進行回油節(jié)流調(diào)速，接近終點時，發(fā)出信號，進行調(diào)速緩沖（也可采用緩沖油缸），靠油缸行程極限定位，采用導(dǎo)向桿導(dǎo)向防止轉(zhuǎn)動，采用電液換向閥，控制伸縮方向。（圖 圖 2）液

31、壓系統(tǒng)的設(shè)計計算 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計要滿足伸縮臂動作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運動時間要求，具體設(shè)計計算參考液壓傳動與控制等相關(guān)教材。由于伸縮臂做間歇式往復(fù)運動，有較大的沖擊，設(shè)計時要考慮緩沖措施，可從液壓回路設(shè)計上考慮，也可從液壓件結(jié)構(gòu)上考慮。 設(shè)計計算參數(shù)及要求： 電磁閥流量：要滿足伸縮速度的要求。 油缸直徑：推力大小要能克服機構(gòu)起動慣性并有一定的起動加速度，要滿足運動時間要求。 導(dǎo)向桿剛度：按最長伸出時機械手端部的撓度不超過規(guī)定要求。 定位方式和元件：自選。 （ 3）結(jié)構(gòu)方案設(shè)計及強度和剛度計算 伸縮臂運動簡圖見圖 4 結(jié)構(gòu)方案說明 a：支座 1 安裝在機器人

32、床身上，用于安裝伸縮臂油缸和導(dǎo)向桿等零部件。 b：法蘭 4 用于安裝機械手，其形式和尺寸要與機械手相協(xié)調(diào)。 c：液壓缸伸出桿帶動導(dǎo)向桿同時伸出 300出長度較大，設(shè)計、制造和安裝時要考慮液壓 缸與導(dǎo)向桿的平行度要求。 d：導(dǎo)向桿可采用直線導(dǎo)軌或直線導(dǎo)軸。直線導(dǎo)軌可選用外購件，直接從生產(chǎn)廠家的有關(guān)資料中獲得所需參數(shù)（網(wǎng)上查詢直線導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軸）。采用直線導(dǎo)軸時可自行設(shè)計，并且要考慮導(dǎo)向桿的潤滑，潤滑方式參考有關(guān)手冊設(shè)計。 強度及剛度計算 本機械手夾持工件重量約 3右，夾持器重量約 15持器長度最大約250受力角度分析，載荷不大，可參考其它機器作類比設(shè)計即可。伸縮臂的機構(gòu)力學(xué)模型如圖 示。 夾持器

33、夾著工件，伸縮臂全部伸出，是導(dǎo)桿受力最大的狀態(tài) ,也是變形最大的位置。在此情 況下，用材料力學(xué)的知識計算它的強度和剛度。 圖 縮臂機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 縮臂液壓缸參數(shù)計算 作負載 R 液壓缸的工作負載 R 是指工作機構(gòu)在滿負荷情況下，以一定加速度啟動時對液壓缸產(chǎn)生的總阻力，即： i m R R 式中： 工作機構(gòu)的荷重及自重對液壓缸產(chǎn)生的作用力； 工作機 構(gòu)在滿載啟動時的靜摩擦力； 工作機構(gòu)滿載啟動時的慣性力。 (1) 確定 工件的質(zhì)量 m 2m v r h 20 . 87 . 8 5 3 . 1 4 1 . 52 = 夾持器的質(zhì)量 15知 ) 伸縮臂的質(zhì)量 50計 ) 其他部件的質(zhì)量 15計 ) 工作

34、機構(gòu)荷重： 5+50+15)*10=859(N) 取 60N (2) 確定 1 0 (N) (3) 確定 1 7 0 G (N) 式中： t 為啟動時間，其加速時間約為 t = =負載 R=g+60+172+172=1204(N) 取實際負載為 R =1200N 壓缸缸筒內(nèi)徑 D 的確定 D= p 0044 式中： R=1000 N 5000 N , p 可取 1 p =1 取液壓缸缸筒內(nèi)徑為 40 塞桿設(shè)計參數(shù)及校核 (1)活塞桿材料：選擇 45 號調(diào)質(zhì)鋼，其抗拉強度 b =570 (2)活塞桿的直徑：查液壓傳動設(shè)計手冊得，當(dāng)壓力小于 10，速比 = 則可選取活塞桿直徑為 20列，且缸筒的厚

35、度為 5 最小導(dǎo)向長度： 3 0 0 4 0 352 0 2 2 0 2 (3)活塞桿強度及壓桿穩(wěn)定性的計算 采用非等截面計算法 油缸穩(wěn)定性的計算 因為油缸的工作行程較大，則在油缸活塞桿全部伸出時，計算油缸受最大作用力壓縮時油缸的穩(wěn)定性。 假設(shè)油缸的活塞桿的推理為 P，油缸穩(wěn)定的極限應(yīng)力為 油缸穩(wěn)定性的條件為P 下式得到： )()( 121 式中： 1壓傳動設(shè)計手冊得到 64411 ；64)( 4412 式中： 1d 為活塞桿直徑 1D 為缸體外徑。 D 為缸體內(nèi)徑。 所以， J 1 5 6 2 4050(222 J 所以 、 1J 為長度 2l 、 1l 上的斷面慣性矩。 查 由 121 0

36、01 查得 901 中， 1l ：活塞桿頭部至油缸 A 點處的距離（ 2l :缸體尾部至油缸 A 點處的距離（ 。 所以： Nk g fp k 62 。 所油缸的穩(wěn)定性是滿足條件的。 活塞桿強度的計算（ E：材料的彈性模量）剛的彈性模量為 E 200 液壓傳動與控制查得：044 所以活塞桿強度是滿足條件的。 筒設(shè)計參數(shù)及校核 (1)缸筒材料：選擇 鋼 ,其抗拉強度 b =570 (2)缸筒壁厚 及校核：取壁厚 =5 D 因此屬于普通壁厚 缸筒壁厚的校核 m a x m a 3 3 式中： 缸筒內(nèi)最高工作壓力； 7 s 570 1145 p =5 m a xm a 0 1 . 1 62 . 3

37、3 2 . 3 1 1 4 3 7 校核 符合要求 (3)缸筒外徑： 0104021 底設(shè)計參數(shù)及校核 (1)缸底材料：選擇 素結(jié)構(gòu)鋼，其抗拉強度 b 375 460 (2)缸底厚度 m a x 70 . 5 0 . 5 4 0 4 . 2 84603 取缸底厚度為 5缸零件 的連接計算 首先確定油缸缸筒與缸蓋采用螺紋連接 ;缸筒與缸底的連接此處選用焊接方式，此種方式能夠使液壓缸緊湊牢固。 （ 1）缸筒螺紋處的強度計算： 螺紋處的拉應(yīng)力： /)(4/ 2221 g 螺紋處的剪應(yīng)力：/)(合成應(yīng)力： /3 222 g 許用應(yīng)力： / 2s 式中： P:油缸的最大推力 D:油缸內(nèi)徑 0d ：螺紋直

38、徑 1d ：螺紋內(nèi)徑，當(dāng)采用普通螺紋時（ ，可近似按下式 （ t 螺距 ; K:螺紋預(yù)緊力系數(shù)，去 K 1k ：螺紋那摩擦系數(shù)（ 一般取 1k s ：缸筒材料的屈服 極限。 n: 安全系數(shù)，取 n=般取 n=由前面計算可得： D=40查機械設(shè)計課程設(shè)計手冊，采用普通螺紋基本尺寸（ 196稱直徑第二系列 得螺距 t=0d = 所以， 。 K 取 k ， /2 3 5 02 3 5 2g fM p n:取 所以： /)(4/ 222221g /2222 g / 22 g g p a n ,滿足強度條件。 （ 2）缸筒與缸底的焊接強度計算 /100)(42222221g P:油缸推力 :焊縫效率，可

39、取 0.7 b ：焊條材料得抗拉強度 2/ n:安全系數(shù)，取 n 4 并查到焊條材料的抗拉強度為 9001200工焊條 )，因此缸體與缸底得焊 縫強度是滿足要求得。 壓油缸其他零件結(jié)構(gòu)尺寸得確定 由于液壓缸的工作負載較小，所以選定液壓缸的工作壓力為低壓。取額定工作壓力為 2.0 液壓缸的基本形式如下圖所示： 圖 個油缸安裝在下部伸縮臂基座上。 （ 1）活塞與活塞桿得 連接結(jié)構(gòu)： 油缸在一般工作條件下，活塞與活塞桿采用螺紋連接。其形式如圖所示 圖 2）活塞桿導(dǎo)向套：做成一個套筒，壓入缸筒，靠缸蓋與缸筒得連接壓緊固定，材料選用鑄鐵材料?；窘Y(jié)構(gòu)為： 圖 中： 1 為缸蓋， 2 為橡膠防塵圈， 3

40、為活塞桿， 4 為活塞桿導(dǎo)向套。 （ 3）活塞與缸體得密封。 采用 O 型密封圈密封。選用 徑，截面直徑為 其基本形式如下： 圖 中： 1 即為 O 型密封圈， 2 則為活塞?；钊c缸體之間靠 O 型密封圈密封。 （ 4）活塞桿端部結(jié)構(gòu)形式及尺寸 端部結(jié)構(gòu)形式有：外螺紋的，內(nèi)螺紋的，光滑的，球形，耳環(huán)等等。此處因活塞桿固定，選用外螺紋連接形式。其基本結(jié)構(gòu)如下： 圖 中各尺寸可查液壓傳動設(shè)計手冊得 ，當(dāng) d 20， 1d 取 . L=(1d , ) L 1d 向桿機構(gòu)設(shè)計 向機構(gòu)的作用 導(dǎo)向機構(gòu)的作用是保證液壓缸活塞桿伸出時的方向性，提供機構(gòu)剛度，保證伸縮量的準確性。 向機構(gòu)的外形尺寸及材料 導(dǎo)

41、向選擇矩形導(dǎo)軌導(dǎo)向，導(dǎo)軌為伸縮臂基座上得一部分，經(jīng)加工而成；滑臺則在其上滑動且滑臺得端部靠法蘭安裝夾持器部分。材料選擇為 45 號鋼 .，如圖 示： 圖 圖中： 1 為滑臺， 2 為伸縮臂基座， 3 為矩形導(dǎo)軌的壓板。 此處矩形導(dǎo)軌是直接在基座上加工出來的，滑臺在導(dǎo)軌面上滑動，靠壓板來固定調(diào)節(jié)。 基座臂厚為 10 形導(dǎo)軌的彎曲強度及撓度的校核 (1)導(dǎo)軌的彎曲應(yīng)力 1 5 03 0 622 2 M p 50 6m a x 符合要求。 因為只計算了一邊得矩形導(dǎo)軌，由結(jié)構(gòu)可知還有另外一邊得導(dǎo)軌支撐，故滿足條件。 (2)桿的撓度 此桿為一懸臂梁，根據(jù)簡單載荷作用下梁的 撓度和轉(zhuǎn)角公式： 22 ，33

42、I 式中： 截面抗彎剛度 62 03 0 63 本式計算是完全把載荷加在導(dǎo)軌上，實際是載荷由導(dǎo)軌和活塞桿共同承受，所以導(dǎo)向桿的撓度會更小，符合設(shè)計要求。 轉(zhuǎn)角 r a 22 = 符合要求。 (3)導(dǎo)軌的表面處理及潤滑 導(dǎo)軌表面淬火，可以提高表面硬度增加導(dǎo)向桿的耐磨性，也可以保證導(dǎo)向桿的韌性，同時需要精加工以提高導(dǎo)軌的精度要求； 導(dǎo)軌的潤滑可采用潤滑脂潤滑，或是采用潤滑油潤滑。此處采用潤滑脂潤滑。 伸縮臂基座與升降臂相連靠伸縮臂基座底部的法蘭。其上有 4 個 內(nèi)六角圓柱頭螺釘。 縮臂范圍控制與調(diào)整 伸縮臂伸縮范圍控制靠行程開關(guān)與活動擋塊，這里特別解釋如下：設(shè)備附件活動擋塊， 它用在當(dāng)設(shè)備安裝好后

43、，可以靠它在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)臂的伸長量，其結(jié)構(gòu)圖如圖 此活動擋塊可套裝在導(dǎo)向桿上， a 處可以壓住行程開關(guān)壓柱，從而壓動行程開關(guān)使行程開關(guān)實現(xiàn)動作。 此外除上述調(diào)節(jié)外，還可以調(diào)節(jié)連接件的旋入導(dǎo)向桿和液壓活塞桿的長度，實現(xiàn)對伸長度的微調(diào)。保證把工件精確地放在加工機床作業(yè)臺上。行程開關(guān)使用 微型開關(guān)。 圖 文） 第五章 驅(qū)動系統(tǒng) 動系統(tǒng)設(shè)計要求 本次設(shè)計的工業(yè)機械手屬坐標式液壓驅(qū)動機械手。具有手臂伸縮，回轉(zhuǎn)，升降，手腕回轉(zhuǎn)四個自由度。因此，相應(yīng)地有手腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)、手臂伸縮機構(gòu)，手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)，手臂升降機構(gòu)等構(gòu)成。各部分均用液壓缸或液壓馬達驅(qū)動與控制。 設(shè)計要求 （ 1）滿足工業(yè)機械手動作順序要求。動作順序

44、的各個動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應(yīng)的電磁鐵，按程序依次步進動作而實現(xiàn)。 （ 2）機械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準確，工作協(xié)調(diào)。 （ 3）液壓控制系統(tǒng)設(shè) 計要滿足伸縮臂動作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運動時間要求 動系統(tǒng)設(shè)計方案 采用葉片泵供油，動作順序：從原位開始 升降臂下降 夾持器夾緊 升降臂上升 底座快進回轉(zhuǎn) 底座慢進 手腕回轉(zhuǎn) 伸縮臂伸出 夾持器松開 伸縮臂縮回；待加工完畢后，伸縮臂伸出 夾持器夾緊 伸縮臂縮回 底座快退 (回轉(zhuǎn) ) 底座慢退 手腕回轉(zhuǎn) 升降臂下降 夾持器

45、松開 升降臂上升到原位停止，準備下次循環(huán)。 上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應(yīng)的電磁鐵（電磁換向閥），按程序依次步進動作而實現(xiàn)。 （ 1）各液壓缸的換向回路 為便于機械手的自動控制，采用可編程控制器進行控制，前分析可得系統(tǒng)的壓力和流量都不高，選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化成都和經(jīng)濟效益。液壓機械手采用單泵供油，手臂伸縮，手腕回轉(zhuǎn)，夾持動作采用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不干擾，實現(xiàn)同步或非同步運動，換向閥采用中位“ O”型換向閥。 （ 2）調(diào)速方案 整個液壓系統(tǒng)只用單泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用液壓泵的全流量是無法滿足設(shè)計要求

46、的。盡管有的液壓缸是單一速度工作， 但也需要進行節(jié)流調(diào)速，用以保證液壓缸的平穩(wěn)運行。各缸可選擇進油路或回油路節(jié)流調(diào)速，選用節(jié)流閥河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 調(diào)速。 單泵供油系統(tǒng)以所有液壓缸中需流量最大的來選擇泵的流量。系統(tǒng)較為簡單，所需元件較少，經(jīng)濟性好，考慮到系統(tǒng)功率較小，其溢流損失也較小。 （ 3）緩沖回路 伸縮臂處設(shè)置緩沖回路，使用單向節(jié)流閥 （ 4）系統(tǒng)安全可靠性 夾緊缸在夾緊工件時，為防止失電等意外情況，設(shè)置鎖緊保壓回路。 手臂升降缸在系統(tǒng)失壓的情況下會自由下落或超速下行，所以在回路中設(shè)置平衡回路。 動系統(tǒng)設(shè)計 功能設(shè)計分析 （ 1）夾持器采用單 出桿雙作用缸，保證運動過程中不使工

47、件下掉，夾持器夾緊工件后，鎖緊回路由先導(dǎo)型順序閥和單向閥組成。順序閥的設(shè)置在夾持器松開回油過程中起到緩沖作用。 （ 2）底座回轉(zhuǎn)采用擺動液壓缸，正反方向均采用單向調(diào)速閥調(diào)速。由于回轉(zhuǎn)部分的重量大，回轉(zhuǎn)長度長，因此手臂回轉(zhuǎn)時具有很大的動能。為此，除采用調(diào)速閥的回油節(jié)流閥調(diào)速閥外，還在回油路上安裝雙溢流閥，進行減速緩沖。 （ 3）手臂伸縮采用單出桿雙作用缸，手臂伸出時，由單向閥和節(jié)流閥組成的調(diào)速回路進行回油節(jié)流調(diào)速。手臂縮回時，回油路設(shè)置調(diào)速閥以完成緩沖作用。 （ 4）手臂升降運動采 用單出桿雙作用缸，上升和下降均由單向調(diào)速閥回油節(jié)流。因為升降缸為立式，在其液壓缸下腔油路中安裝單向順序閥，避免因整個手臂運動部分的自重而下降，起支撐平衡作用。 （ 5）伸縮臂進油路設(shè)置蓄能保壓回路，伸出完全后，進油路壓力升高，壓力繼電器發(fā)出電信號導(dǎo)致?lián)Q向閥通電，泵卸荷，單向閥自動關(guān)閉，由蓄能器保壓。 （ 6）單泵供油，采用先導(dǎo)型溢流閥卸荷，設(shè)置二位二通換向閥。 壓泵的確定與所需功率計算 系統(tǒng)各執(zhí)行元件最大需用流量 夾緊缸： ： 15 L/降缸： （論文） 回轉(zhuǎn)缸： b、泵的排量 31 0 1 3 .