自動生產線的三自由度搬運機械臂設計含開題及11張CAD圖

自動生產線的三自由度搬運機械臂設計含開題及11張CAD圖,自動生產線,自由度,搬運,機械,設計,開題,11,十一,cad 搬運機械臂設計 摘 要 目前，由于勞動力成本和技術問題，國內搬運仍然多采用人工，不僅效率低、，而且工人的勞動強度大，存在操作者發(fā)生安全事故的隱患，因此，設計機械手以代替人工搬運的操作就變得十分重要。 本文講述了搬運機械臂結構設計。首先，通過對機械臂現狀進行全方位調研，在此基礎上提出了機械臂方案；接著，設計計算了各主要構成件的結構尺寸；然后，對液壓系統(tǒng)進行了設計；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了搬運機械臂裝配圖、主要零件圖。 通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了起重機械產品的設計方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。 關鍵字：搬運，機械臂，液壓缸，液壓系統(tǒng) Abstract At present, due to labor costs and technical problems, domestic handling still mostly uses manual, not only inefficient, but also the labor intensity of workers, there are hidden dangers of operator safety accidents. Therefore, it is very important to design a manipulator to replace manual handling operation. This paper describes the structure design of the handling manipulator. Firstly, based on the comprehensive investigation of the actuality of the manipulator, the scheme of the manipulator is put forward. Secondly, the structural dimensions of the main components are designed and calculated. Secondly, the hydraulic system is designed. Finally, the assembly drawings and main parts drawings of the manipulator are drawn by AutoCAD drawing software. Through this design, we have consolidated our professional knowledge, such as mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and interchangeability theory, mechanical drawing, etc. We have mastered the design method of hoisting machinery products and can skillfully use AutoCAD drawing software, which is of great significance to our future work and life. Key words: Handling, Manipulator, Hydraulic Cylinder, Hydraulic System 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1背景及意義 1 1.2機械臂概述 2 1.2.1機械臂的組成 2 1.2.2機械臂的分類 2 1.3 國內外發(fā)展狀況 2 第2章 總體方案設計 4 2.1 設計要求 4 2.1.1 動作要求 4 2.1.2參數要求 4 2.2方案擬定 4 2.2.1初步分析 4 2.2.2 擬定方案 4 第3章 機械臂平移機構設計 6 3.1 X向平移驅動力計算 6 3.1.1摩擦力的分析與計算 6 3.1.2密封處的摩擦阻力的計算 7 3.1.3 慣性力的計算 7 3.2 X向平移油缸的設計 7 3.2.1確定液壓缸的結構尺寸 8 3.2.2液壓缸外徑的設計 9 3.2.3液壓缸工作行程的確定 9 3.2.4活塞桿的計算校核 10 3.2.5油缸端蓋的設計 11 3.3 滑塊及導軌的設計 12 第4章 機械臂機身設計 13 4.1 機身的整體設計 13 4.2 Z向回轉機構的設計 13 4.2.1回轉缸驅動力矩的計算 13 4.2.2 回轉缸尺寸參數的確定 14 4.3 Z向升降機構的設計 16 4.3.1手臂片重力矩的計算 16 4.3.2升降導向立柱不自鎖條件 17 4.3.3升降油缸驅動力的計算 17 4.3.4升降缸尺寸參數的確定 18 第5章 機械臂臂部設計 20 5.1臂部整體設計 20 5.2臂部設計計算 20 第6章 液壓及控制系統(tǒng)設計 22 6.1機械臂運動學分析 22 6.1.1臂部回轉機構 22 6.1.2 X向平移機構 22 6.1.3臂部機械臂 24 6.2液壓系統(tǒng)方案擬定 24 6.2.1調速回路方案分析 25 6.2.2 快進回路方案分析 26 6.3液壓元件的計算和選擇 29 6.3.1液壓泵選型 29 6.3.2液壓元件的選擇 31 6.3.3液壓輔助元件的選擇 31 6.4液壓系統(tǒng)性能驗算 32 6.4.1驗算回路中的壓力損失 32 6.4.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計算 33 總 結 36 參考文獻 37 致 謝 38 39 第1章 緒論 1.1背景及意義 目前，由于勞動力成本和技術問題，國內搬運工采用人工，不僅效率低，而且工人的勞動強度大，存在操作者發(fā)生安全事故的隱患。有些搬運生產廠商為了防止操作者發(fā)生安全事故，加入了一些防護措施，如加入光電保護器等；但這不能從根本上防止操作者的安全。因此，設計機械臂以代替人工進行搬運的操作就變得十分重要。本設計就是根據這一工程應用需要，設計搬運機械臂結構。 機械臂是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。我國的工業(yè)機械臂是從80年代"七五"科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過"七五"，"八五"科技攻關，目前已經基本掌握了機械臂操作機的設計制造技術，控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術，運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆，孤焊，點焊，裝配，搬運等機器人，其中有130多臺噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線（站）上獲得規(guī)模應用，孤焊機器人已經應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，我國的工業(yè)機械臂技術及其工程應用的水平和國外比還有一定距離。 世界工業(yè)機械臂的數目雖然每年在遞增，但市場是波浪式向前發(fā)展的。在新世紀的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險的勞動環(huán)境都需要用機器人代替人工。隨著機器人應用的深化和滲透，工業(yè)機械臂在汽車行業(yè)中還在不斷開辟著新用途。機械臂的發(fā)展也已經由最初的液壓，氣壓控制開始向人工智能化轉變，并且隨著電子技術的發(fā)展和科技的不斷進步，這項技術將日益完善。 隨著社會生產不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產效率也不斷提出新要求。由于微電子技術和計算軟、硬件技術的迅猛發(fā)展和現代控制理論的不斷完善，使機械臂技術快速發(fā)展，其中液壓機械臂系統(tǒng)由于其介質來源簡便以及不污染環(huán)境、組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到工業(yè)領域的各個部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的液壓機械臂有氣控機械臂、XY軸絲杠組、轉盤機構、旋轉基座等機械部分組成。主要作用是完成機械部件的搬運工作，能放置在各種不同的生產線或物流流水線中，使零件搬運、貨物運輸更快捷、便利。 隨著工業(yè)自動化程度的提高，機械臂的應用領域越來越廣。機械臂能模擬人的手臂的部分動作，按預定的程序、軌跡及其它要求，實現抓取、搬運工件或操縱工具。機械臂可以代替很多重復性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度、提高生產效率。 1.2機械臂概述 機械臂也被稱為自動手能模仿人手臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及液壓技術自身的一些優(yōu)點，液壓機械臂已經廣泛應用在生產自動化的各個行業(yè)。 1.2.1機械臂的組成 機械臂主要由工件、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。工件是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使工件完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械臂的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械臂設計的關鍵參數。自由度越多，機械臂的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械臂有2～3個自由度。 1.2.2機械臂的分類 機械臂的種類，按驅動方式可分為液壓式、液壓式、電動式、機械式機械臂；按適用范圍可分為專用機械臂和通用機械臂兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械臂等。機械臂一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械臂。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械臂，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床搬運和工件送。這種機械臂在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動；除少數以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機械臂，國外稱為機器人 1.3 國內外發(fā)展狀況 機械臂首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械臂。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現型機械臂。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械臂就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司，專門生產工業(yè)機械臂。 1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械臂。該機械臂的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(tǒng)也是示教再現型。雖然這兩種機械臂出現在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械臂發(fā)展的基礎。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械臂，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械臂，主要用于起重運輸、焊接和設備的搬運等作業(yè)。 聯邦德國KnKa公司還生產一種點焊機械臂，采用關節(jié)式結構和程序控制。日本是工業(yè)機械臂發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械臂后大力從事機械臂的研究。前蘇聯自六十年代開始發(fā)展應用機械臂，至1977年底，其中一半是國產，一半是進口。 目前，工業(yè)機械臂大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械臂正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械臂具有感覺機能。第三代機械臂則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 一般概況國內機械行業(yè)應用的機械臂絕大部分為專用機械臂，附屬于某一設備，其工作程序是固定的。通用機械臂也有發(fā)展，目前應用的都是開關式點位控制型，伺服型已試制出數臺在調試中，連續(xù)軌跡控制型還沒有。 控制方式—有觸點固定程序控制占絕大多數，專用機械臂多采用這種控制。 第2章 總體方案設計 2.1 設計要求 2.1.1 動作要求 設計一種用于自動生產線的搬運機械臂，該機械臂能夠將工件從一個傳送帶搬運到另一個傳送帶。機械臂有三個運動自由度，分別是Z向回轉、X向移動和Z向移動?；剞D運動和直線運動可有氣壓缸、氣動馬達實現或步進電機通過傳動機構實現。由液壓控制系統(tǒng)作為整個機械臂的控制核心。設計機械臂的機械結構和液壓系統(tǒng)，使機械臂搬運的負載從一點運動到另一點。 2.1.2參數要求 本次設計選定參數如下： （1）運動范圍：Z向回轉范圍360°、X向移動500mm、Z向移動300mm （2）機械臂負載：25kg 2.2方案擬定 2.2.1初步分析 機械臂負載為25kg，按工業(yè)機械臂的分類，屬于中型，按用途分為通用機械臂，其特點是具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣，通用機械臂的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適合于不斷變換生產品種的中小批量自動化生產。圓柱坐標式機械臂與直角坐標式械手相比，占地面積小而活動范圍大，結構較簡單，并能達到很高的定位精度，因此應用廣泛。 2.2.2 擬定方案 搬運機械臂一般是3~6個自由度，而本次設計為3個自由度機械臂，通過上述調研分析，初步擬定本次如下兩個方案。 （1）方案一 采用X向平移液壓缸下置，回轉液壓缸上置的結構，結構簡圖如下： 2-1 方案一結構簡圖 （2）方案二 采用X向平移液壓缸上置，回轉液壓缸上置的結構，結構簡圖如下： 圖2-2 方案二結構簡圖 由于本設計要求完成手臂的升降，旋轉以及伸縮三個動作，通過綜合對比，考慮到采用X向平移液壓缸上置會增加機身及X向平移液壓缸負載，容易造成液壓缸磨損泄漏，因此本次采用方案一。 第3章 機械臂平移機構設計 3.1 X向平移驅動力計算 先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據運動參數初步確定有關機構的主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結構。 做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力根據液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定液壓缸所需要的驅動力。液壓缸活塞的驅動力的計算為： 3.1.1摩擦力的分析與計算 由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。 得 得 式中 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L——手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m），參考上一節(jié)的計算; a——導向支撐的長度（m）; ——當量摩擦系數，其值與導向支撐的截面有關。 對于圓柱面： ——摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取 鋼對鑄鐵：取 計算：油缸桿的材料選擇鋼，導向套支撐選擇鋼， 預估，已知L=800mm，導向支撐a設計為200mm 將有關數據代入進行計算 600=1260N 3.1.2密封處的摩擦阻力的計算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用O型密封圈，當液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： =0.03F。 3.1.3 慣性力的計算 =0.1 式中 ——參與運動的零件的總重力（包括工件）(N)； ——從靜止加速到工作速度的變化量(m/s)； ——啟動時間(s)，一般取0.01~0.5； 設啟動時間為0.2s，最大為0.233m/s。 則： =0.1=69.9N 由于背壓阻力較小，可取=0.05 所以 =+++=1260+69.9+0.03F+0.05F 求得 =1446N 所以手臂伸縮驅動力為=1446N。 3.2 X向平移油缸的設計 表3-1 液壓缸的工作壓力 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 小于5000 0.8~1 20000~30000 2.0~4.0 5000~10000 1.5~2.0 30000~50000 4.0~5.0 10000~20000 2.5~3.0 50000以上 5.0~8.0 經過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力F=4378N，根據表3-1選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa； 3.2.1確定液壓缸的結構尺寸 液壓缸內徑的計算，如圖3-2所示 圖3-2 雙作用液壓缸示意圖 當油進入無桿腔： 當油進入有桿腔： 液壓缸的有效面積： (mm) 所以 （無桿腔） （有桿腔） 式中——活塞驅動力(P)； ——油缸的工作壓力(MPa)； ——活塞桿直徑； ——油缸機械效率，工程機械中用耐油橡膠可取=0.96； 由上節(jié)求得驅動力F=1446N，=1MPa，機械效率=0.96 將數據代入得： ==43.8mm 根據表4-1（JB826-66），選擇標準液壓缸內徑系列，選擇D=50mm. 3.2.2液壓缸外徑的設計 外徑按中等壁厚設計，根據（JB1068-67）取油缸外徑76mm。 液壓缸的內徑D與其壁厚的比值D/≥10的圓筒稱為薄壁圓筒。起重運輸機械和工程機械的液壓缸，一般采用無縫鋼管，大多屬于薄壁圓筒結構，其壁厚按薄壁圓筒壁厚公式計算： ≥ 式中 ——液壓缸壁厚（m）。 D——液壓缸內徑（m）。 ——試驗壓力，一般取最大工作壓力的（1.25~1.5）倍（MPa）。額定壓力≤16Mpa,取=1.5 MPa。 ——缸筒材料的許用應力。 = ，其中為材料抗拉剛度，n為安全系數，一般取n = 5。的值為：鍛鋼： = 110~120 MPa；鑄鋼： = 100~110 MPa；無縫鋼管： = 110~110 MPa；高強度鑄鐵： = 60MPa；灰鑄鐵： = 25MPa。 在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式計算所得液壓缸的壁厚往往很小，使得液壓缸的剛度往往不夠，如在切削加工過程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過程卡死或者漏油。因此一般不作計算，按經驗選取，必要時按上式公式進行校核。 經校核滿足強度要求。 3.2.3液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程長度，可以根據執(zhí)行元件機構實際工作的最大行程來確定，并且參照表3-6中的系列尺寸來選取標準值。 表3-6 液壓缸活塞行程參數系列 （mm） Ⅰ 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 Ⅱ 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3900 Ⅲ 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3800 注：液壓缸活塞行程參數依Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序優(yōu)先選用。 由已知條件知道最大工作行程為500mm,參考上表，取液壓缸工作行程為500mm。 3.2.4活塞桿的計算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算： (mm) 設計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應力的=100~120Mpa。本次取=110 則： =4.1mm 考慮到工件夾緊油缸需內置于該活塞桿，而前述已算得工件夾緊油缸外徑為36mm，所以活塞直徑按下表取d=36mm，滿足強度和裝配要求。 表3-2 活塞桿直徑系列（GB/T2348-93） 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 現在進行穩(wěn)定性校核，其穩(wěn)定性條件為 式中 ——臨界力(N)； ——安全系數，=2~4。 按中長桿進行穩(wěn)定性校核，其臨界力=F() 式中 F——活塞桿截面面積(mm)； a，b——常數，與材料性質有關，碳鋼a=461，b=2.47； ——柔度系數，經計算為70。 代入數據，臨界力 =F()=3.14=90463.4MPa 取=3 =30154.47 MPa 所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。 3.2.5油缸端蓋的設計 (1) 缸體材料選擇無縫鋼管，此時端蓋的連接方式多采用半環(huán)鏈接優(yōu)點是加工和裝拆方便，缺點是缸體開環(huán)槽削弱了強度 (2) 缸蓋螺釘的計算 為保證連接的緊密性，螺釘間距t應適當（如圖4-2），在這種聯結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預緊力之和 =+ 式中 ——工作載荷，=； ——螺釘中心所在圓的直徑； P——驅動力。 Z——螺釘數目，Z=； ——剩余預緊力，=KQ，K=1.5~1.8； 計算： D=76mm，取=90mm，P=1MPa，間距與工作壓強有關，見表4.3，間距應小于150mm，試選螺釘數為6個： 表4-3 螺釘間距t與壓力P之間的關系 工作壓力P（Mpa） 螺釘的間距t (mm) 0.5~1.5 小于150 1.5~2.5 小于120 2.5~5.0 小于100 5.0~10.0 小于80 則 Z=，代入數據=46<150，滿足要求； ==838N； 選擇K=1.5，=1.5=1255N; =+=837+1257=2095N 螺釘直徑按強度條件計算 式中 ——計算載荷，=1.3； ——許用抗拉應力，=； ——螺釘材料的屈服點，材料選擇45鋼，則屈服強度為352MPa； n——安全系數，n=1.2-2.5，此處取n=2； ——螺紋內徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。 計算： =1.3=1.3×2095=2723.5N 代入數據： ===0.0045m 3.3 滑塊及導軌的設計 本次設計的機械臂用于搬運工件， 要求不高，因此出于成本考慮沒必要選用高精度的直線導軌，故采用在底座上加工一滑槽的形式即可。 第4章 機械臂機身設計 機身是直接支撐和驅動手臂的部件。一般實現手臂的回轉和升降運動，這些運動的傳動機構都安在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構和受力情況就越復雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。 4.1 機身的整體設計 按照設計要求，機械臂要實現手臂360°的回轉運動，實現手臂的回轉運動機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構，就要綜合考慮分析。 機身承載著手臂，做回轉，升降運動，是機械臂的重要組成部分。常用的機身結構有以下幾種： （1） 回轉缸置于升降之下的結構。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。 （2） 回轉缸置于升降之上的結構。這種結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。 （3） 活塞缸和齒條齒輪機構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。 綜合考慮，本設計選用回轉缸置于升降缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉和升降?；剞D機構置于升降缸之上的機身結構。手臂部件與回轉缸的上端蓋連接，回轉缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉運動?；剞D缸的轉軸與升降缸的活塞桿是一體的。活塞桿采用空心，內裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導向?；ㄦI軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結構是導向桿在內部，結構緊湊。具體結構見下圖。 驅動機構是液壓驅動，回轉缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉葉片的兩側來實現葉片回轉?；剞D角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉動的角度，為滿足設計要求，設計中動片和靜片之間可以回轉360°。 4.2 Z向回轉機構的設計 4.2.1回轉缸驅動力矩的計算 手臂回轉缸驅動力矩的計算公式為： =++ (N·m) 慣性力矩 = 式中 ——臂部回轉部件(包括工件)對回轉軸線的轉動慣量（kg·m）； ——回轉缸動片角速度變化量，在啟動過程=(rad/s)； ——啟動過程的時間(s)； 若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為(前面計算得=800mm)，則 式中 ——回轉零件的重心的轉動慣量。 = 回轉部件可以等效為一個長600mm，直徑為1000mm的圓柱體，質量為100Kg.設置起動角速度=70°/s，則起動角速度=1.22，起動時間設計為0.5s。 === 28 kg·m =28+=93.3kg·m ==93.3=227.6 為了簡便計算，密封處的摩擦阻力矩，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計，=0 所以 =227.6+0+0.03 =234.6 4.2.2 回轉缸尺寸參數的確定 （1）回轉缸油腔內徑D計算公式為： 式中 P——回轉油缸的工作壓力； d——輸出軸與動片連接處的直徑，初步設計按D/d=1.5~2.5； b——動片寬度，可按2b/(D-d)≥2選取。 選定回轉缸的動片寬b=50mm，工作壓力為5MPa，d=50mm =94.9mm 按標準油缸內徑選取內徑為100mm。 （2）油缸缸蓋螺釘的計算 回轉缸的工作壓力為5Mpa，所以螺釘間距t應小于80mm。螺釘數目 Z==×3.14=3.93 所以缸蓋螺釘的數目選擇6個。 危險截面 ==0.00589 所以 =4906.3N =4906.3×1.5=7359.4N (K=1.5) 所以 7359.4+4906.3=12265.7N 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘的直徑 d=10mm 螺釘的直徑選擇d=10mm.選擇M10的內六角圓頭螺釘。 經過以上的計算，最終確定的液壓缸的尺寸，內徑為100mm，外徑按中等壁厚設計，根據表4-2（JB1068-67）取外徑選擇168mm，輸出軸徑為50mm。 （3）動片聯接螺釘的計算 動片和輸出軸之間的聯接螺釘一般為偶數，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘的作用是使動片和輸出軸之間的配合面緊密接觸不留間隙。根據動片所受力矩的平衡條件有 = 即 式中 ——每個螺釘預緊力； D——動片的外徑； f——被連接件配合面間的摩擦系數，鋼對鋼取f=0.15 螺釘的強度條件為 或 帶入有關數據，得 ===10416.7N 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘的直徑d=9.3mm 螺釘的直徑選擇d=10mm.選擇M10的內六角圓頭螺釘。 4.3 Z向升降機構的設計 4.3.1手臂片重力矩的計算 圖 5-3 手臂各部件重心位置圖 (1) 估算重量：=150N，=150N，=500N (2) 計算零件的重心位置，求出重心到回轉軸線的距離: =800mm，=760mm， =400mm。 由于 = 所以 =0.5425m (3) 計算偏重力矩 =434 4.3.2升降導向立柱不自鎖條件 手臂在的作用下有向下的趨勢，而里立柱導套卻阻止這種趨勢。所謂不自鎖條件就是升降立柱能在導套內自由下滑，即 ＞= 所以 若取摩擦系數 f=0.16，則導套長度h＞0.32 即 h＞0.32×0.5425=0.1736m 4.3.3升降油缸驅動力的計算 式中 摩擦阻力，，取f=0.16。 G——零件及工件所受的總重。 (1) 的計算 設定速度為V=0.6m/s；起動或制動的時間差t=0.1s、為800N。 將數據帶入上面公式有： 489.8N (2) 的計算 =2500N 所以 =2×2500×0.16=800N (3) 液壓缸在這里選擇O型密封，所以密封摩擦力可以通過近似估算 (4) 由于背壓阻力較小，為簡便計算，可將其忽略，=0 所以 F=489.8+800+0.03F 當液壓缸向上驅動時，F=2105N 當液壓缸向下驅動時，F=505N 4.3.4升降缸尺寸參數的確定 (1) 液壓缸內徑的計算 液壓缸驅動力按上升時計算，F=2105N，由表(5-1)選擇油缸工作壓力為1.0MPa，計算如5.4節(jié)公式，代入數據： ==0.1029 根據表(4-1)可選取液壓缸內徑D=125mm。 (2) 液壓缸外徑的計算 按厚壁計算(3.2)： 式中 ——缸體材料的許用應力，無縫鋼管時=100~110MPa 根據表4-2（JB1068-67）取外徑選擇180mm. (3) 活塞桿的計算 設計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應力的=100~120Mpa。本次取=110 則： =4.94mm 活塞桿直徑應大于8.5mm。 (4) 缸蓋螺釘的計算 D=120mm，取=180mm，P=1.0MPa，間距與工作壓強有關，見表4-3，間距應小于120mm，試選螺釘數為6個： 則 Z=，代入數據=84<120，滿足要求； ==1962.5N； 選擇K=1.5，=1.5=2943.75N;=+=1962.5+2943.75=4907N 螺釘直徑按強度條件計算： 式中 ——計算載荷，=1.3； ——許用抗拉應力，=； ——螺釘材料的屈服點，材料選擇45鋼，則屈服強度為352MPa； n——安全系數，n=1.2-2.5，此處取n=2； ——螺紋內徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。 計算： =1.3=1.3×4907=6379.1N 代入數據： ===0.0068m 第5章 機械臂臂部設計 5.1臂部整體設計 手臂部件是機械臂的主要受力部件。它的作用是支承腕部和工件（包括工件），并帶動它們作空間轉動。 臂部運動的目的：把工件送到空間范圍內的任意一點。因此，臂部具有兩個自由度才能滿足基本要求：即手臂，左右回轉和升降運動。手臂的各種運動由油缸驅動和各種傳動機構來實現，從背部的受力情況分析，它在工作中既直接工件和工件的靜動載荷，而且自身運動又較多，故受力復雜。因而，它的結構，工作范圍，靈活性以及負載大小和定位精度等都直接影響機械臂的工作性能。 機身是固定的，它直接承受和傳動手臂的部件，實現臂部的回轉等運動。臂部要實現所要求的運動，需滿足下列各項基本要求： 1）機械臂式機身的承載 機械臂臂式機身的承載能力，取決于其剛度，結構上采用水平懸梁形式。顯然，手臂桿的懸伸長度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷變化，對于機械臂的運動性能，位置精度和負荷能力等影響很大。 2）臂部運動速度要高，慣性要小 機械臂臂的運動速度是機械臂主要參數之一，它反映機械臂的生產水平，一般時根據生產節(jié)拍的要求來決定。在一般情況，手臂回轉要求均速運動，（V和w為常數），但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前的加速度不能太大，否則引起沖擊和振動。 對于高速運動的機械臂，其最大移動速度設計在1000～1500mm/s，最大回轉角速度設計在180°/s內，在大部分行程距離上平均移動速度為1000mm/s內，平均回轉角速度為90°/s內。 3）位置精度要高 一般說來，直角和圓柱坐標式機械臂位置精度較高；除此之外，要求機械臂同用性要好，能適合做種作業(yè)的要求；工藝性要好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械臂，還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械臂，還要設置防塵裝置等。 5.2臂部設計計算 考慮到本次設計的機械臂最大夾持重量25kg，抓取重量較小，因此本設計選擇油缸桿伸縮機構，其手臂的伸縮油缸活塞桿安裝在導向套內，減小油缸桿的彎曲應力?；钊麠U受拉壓和彎曲載荷共同作用，受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結構緊湊。使用液壓驅動，液壓缸選取雙作用液壓缸。 選擇冷彎等邊槽鋼（GB/T6728-2002）。通過查表3.1-158根據實際物理需求，選擇H×B×t=200×100×20。理論質量為10.221kg/m.橫截面面積S=13.021,重心X。=1.517. 材料選擇優(yōu)質碳素結構鋼20鋼。 圖5-1矩形冷彎空心型鋼結構 第6章 液壓及控制系統(tǒng)設計 6.1機械臂運動學分析 根據前面幾部分設計好的各液壓執(zhí)行元件的參數，以及設計要求等對液壓系統(tǒng)作進一步的工況分析，確定每個執(zhí)行元件在工作循環(huán)各階段中的速度、載荷變化規(guī)律，繪制出液壓系統(tǒng)有關工況圖即液壓缸的P-t圖、Q-t圖、N-t圖。 6.1.1臂部回轉機構 已知參數： D=100，d=50mm，b=50mm，M=，1.22rad/s 計算工況圖： 圖6-2 6.1.2 X向平移機構 已知參數： D=50mm，d=36mm， ， 計算工況圖： 無桿腔進油情況下 圖6-3 有桿腔進油情況下： 圖6-4 6.1.3臂部機械臂 已知參數： D=125mm，d=90mm， ， 計算工況圖： 圖6-5 6.2液壓系統(tǒng)方案擬定 （a）安裝前元件應以煤油進行清洗，并要進行壓力和密封性實驗，合格后可安裝。 (b)泵及其傳動要求較高的同心度。 (c)油泵的入口，出口和旋轉方向一般在泵上均有標明，不得接反。 (d)安裝各種閥時，應注意進油口與回油口的方向。 (e)為了避免空氣滲入閥內，連接處應保持密封良好。 (f)用法蘭安裝的閥件，螺釘不能擰的過緊，因為有時擰的過緊反而密封不良。 6.2.1調速回路方案分析 （1）方案一：節(jié)流調速 節(jié)流調速，采用定量泵供油，由流量控制閥改變流入和流出執(zhí)行元件的流量以調節(jié)速度，這種系統(tǒng)稱閥控系統(tǒng)。如圖（7） 圖（7）為節(jié)流調速原理圖 其優(yōu)點是：能量損失較小，結構簡單，控制簡單，使用維護方便。 而缺點是：效率較低，發(fā)熱大。 （2）方案二：容積調速 容積調速，采用變量泵或變量馬達，以改變泵或馬達的排量調節(jié)速度。這種系統(tǒng)稱泵控系統(tǒng)。如圖（8） 圖（8）為容積調速原理圖 其優(yōu)點是：效率高，發(fā)熱小，使用維護方便。缺點是：結構相對復雜 （3）方案三：容積節(jié)流調速 容積節(jié)流調速，采用壓力反饋式變量泵供油，由流量控制閥改變流入或流出執(zhí)行元件的流量，進而調節(jié)速度，同時又使變量泵的流量與通過流量控制閥的流量相適應。如圖（9） 圖（9）為容積節(jié)流調速原理圖 其優(yōu)點是：沒有溢流損失，效率較高，速度穩(wěn)定性相對好。缺點是：會有節(jié)流損失。 以上方案，每個都有它們的優(yōu)缺點。在中小型專用機床的液壓系統(tǒng)中，進給速度的控制一般采用節(jié)流閥或者調速閥。根據銑削類專用機床工作時對低速性能和速度負載特性都有一定要求的特點，因此本次設計采用限壓式變量葉片泵和調速閥組成的容積節(jié)流調速。這種調速回路具有效率高、發(fā)熱小和速度剛性好的特點，并且調速閥安裝在回油路上，這樣具有承受負切削力的能力。 6.2.2 快進回路方案分析 （1）方案一：液壓缸差動連接快速調速 差動連接是，活塞無桿端面比有桿端面的受壓 面積大（大桿的面積），（這面積差 是差動的根本原因。）在兩端面受 壓力（壓強）相同時，無桿端面的總壓力大，會將活塞推著向有桿端移動，這就是差動。這時，將有桿腔排出的油導入無桿腔，就在泵油的基礎上增加了流量，能使活塞更快移動，形成差的快速。這種油路的連接方法如圖（10）。 圖（10）為液壓缸差動連接原理圖 其優(yōu)點是：活塞桿伸出時能獲得較快的速度，即使泵的流量較小.但這時油缸的出力較小，不適合重載.?油缸設計合理時，不需要調節(jié)，就可以使活塞桿伸出和回縮時速度相等。缺點：噪聲大。 （2）方案二：采用蓄能器的快速調速 蓄能器是，液壓或液壓系統(tǒng)中的一種能量儲蓄裝置。它在適當的時機將系統(tǒng)中的能量轉變?yōu)閴嚎s能或位能儲存起來，當系統(tǒng)需要的時，又將壓縮能或位能轉變?yōu)橐簤夯驓鈮旱饶芏尫懦鰜?，重新補供給系統(tǒng)。當系統(tǒng)瞬間壓力增大時，它可以吸收這部分的能量，以保證整個系統(tǒng)壓力正常。如圖（11） 圖（11）為蓄能器快速調速原理圖 其優(yōu)點是：反應靈敏，工作可靠。缺點是：制造困難，密封性要求高。 （3）方案三：雙泵供油快速調速 雙泵供油是，用兩個泵來提供動力，其中一個為大流量泵，用以實現快速運動；另外一個是小流量泵，則用以實現工作進給，如圖（12） 圖（12）為雙泵供油快速調速 其優(yōu)點是：功率損耗小，系統(tǒng)效率高，應用較為普遍。而缺點是：系統(tǒng)結構復雜。 經過綜合對比快速調速方法選用液壓缸差動連接快速調速。因為其工作效率高而且油的循環(huán)利用，速度的調節(jié)也比較好，而且結構相對雙泵供油，容積調速等方式簡單，制造難度比蓄能器低，而且反應靈敏。很符合現在社會的發(fā)展需要和工業(yè)生產需要。 最后把所選的液壓回路組合起來，即可以組成圖6-3所示液壓系統(tǒng)原理圖。 圖6-3液壓系統(tǒng)原理圖 6.3液壓元件的計算和選擇 6.3.1液壓泵選型 機械臂常用油泵分為齒輪油泵與柱塞泵兩類。齒輪泵多為外嚙合式，在相同體積下齒輪泵比柱塞泵流量大但油壓低。柱塞泵最大特點是油壓高（油壓范圍16～35MPa），且在最低轉速下仍能產生全油壓，固可縮短舉升時間。中輕型機械臂上多采用齒輪泵，重型機械臂常采用柱塞泵，此次設計選用齒輪泵。 （1）液壓泵工作壓力的計算 （5.1） 式中[14]:——液壓泵的最大工作壓力 （N/m2）； ——液壓缸的最大工作壓力，（Mpa）； Mpa （5.2） 式中：——油缸最大作用力（N）； ——油缸橫截面積（m2）。 由式（6.2）解得 P=P=5 MPa，估算=0.5MPa 所以 P5 +0.5=5.5MPa 為液壓泵的出油口到缸進油口處的壓力損失。用調速閥及管路復雜的系統(tǒng) 這里取Δp=10×105Pa=0.5MPa 則=5.5MPa。 （2）液壓泵功率的計算 當忽略輸送管路及液壓缸中的能量損失時，液壓泵的輸出功率應等于液壓缸的輸入功率又等于液壓缸的輸出功率。但在實際工作中，機械損失和能量損失是不可避免的，在計算中，必須要考慮。液壓泵的輸出功率為： （5.3） 式中：0——液壓泵的輸出功率（W） ——液壓缸的輸出功率 (W) V——液壓缸勻速伸長的速度 (m/s) ——液壓泵輸出到液壓缸的端的機械損失，取0.75[9]； ——液壓缸中及管路能量損失，取0.7[9]； ——舉升時間(s)，取t=60s。 由式（6.3）得 =12.346kW 液壓泵的輸入功率： （5.4） 式中：P——液壓泵的輸入功率 ——液壓泵的總效率，因我們所設計的升降機屬于中輕型機械臂，選擇齒輪泵即可。齒輪泵的總效率一般為0.6~0.7，取0.65。 則由式（6.4）得到輸入功率為。 （3）油泵流量的計算 液壓泵的輸入功率與流量有如下關系 （5.5） 式中： Pp——油泵最大工作壓力，(N/m2)； ——液壓泵的流量（m3/s）； ——液壓泵的總效率,=0.65[14]。 =29.44L/min，取K=1.1 所以QK20.24=32.4L/min ① 規(guī)格： 根據《液壓設計手冊單行本》P152，表20-5-6，選擇齒輪泵CB40，n=1460r/min，Q=40L/min，P=6MPa ② 電機選用： 取泵的總效率=0.85，則N==4.7kw 選電機：Y132M-4，N=5.5kw，n=1460r/min。 6.3.2液壓元件的選擇 表6-2 液壓元件一覽表 序號 元件名稱 規(guī)格 數量 1 線隙式過濾器 2.5MPa，100L/min 1 2 電動機 5.5kw，1460r/min 1 3 齒輪泵 5MPa，1450r/min 1 4 溢流閥 2.5MPa，12 1 5 電磁換向閥 6.3MPa，12 1 6 單向閥 6.3MPa，12 1 7 壓力表 (0~8)MPa 1 8，14 節(jié)流閥 6.3MPa，12 2 9，15，20，21 25，26，30 節(jié)流閥 6.3MPa，8 7 10，16 電磁換向閥 6.3MPa，12 2 11，17 電磁換向閥 6.3MPa，12 2 12，18 單向順序閥 2.5MPa，12 2 22，27 電磁換向閥 6.3MPa，8 2 23，28 電磁換向閥 6.3MPa，8 2 31 電磁換向閥 6.3MPa，8 1 33 壓力繼電器 (1~6.3)MPa 1 34 減壓閥 6.3MPa，8 1 35 壓力表開關 6.3MPa，4 1 注：表中元件的序號與液壓系統(tǒng)原理圖中的序號相對應。 6.3.3液壓輔助元件的選擇 （1）液壓管道尺寸的確定 油管內徑尺寸一般可以參閱所選用的液壓元件接口尺寸來確定，也可以按管路允許的流速進行計算。本系統(tǒng)主油路流量為差動時流量q = 31.81 L/min。壓油管的允許流速取v = 4m/s，則內徑d為 d = 2 = 2mm = 14.5mm 如果系統(tǒng)主油路流量按快退時取q = 29.53 L/min，則可以算得油管內徑d = 10.3mm。 綜合各種因素，現取油管的內徑d為12mm。吸油管同樣可以按上式計算（q = 24 L/min，v = 1.5m/s），現參照YBX-16變量泵吸油口連接尺寸，取吸油管內徑d為25mm。 油箱的壁厚公式為 式中 p——油管內壓力。 ——油管材料的許用應力。，其中為油管材料的抗拉強度，n為安全系數。對于鋼管，當p＜7MPa時，取n=8; 當p＜17.5MPa時，取n=6; 當p＞17.5MPa時，取n=4