自动上下料机械手设计

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1、自动上下料机械手的设计 摘要 随着机电一体化技术和计算机技术的应用，机械手的研究和开发水平获得了 迅猛的发展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域，特别是工业机械手在生产 加工中的应用。机械手是近代自动控制领域中出现的一种新型技术装备， 它能模 仿人体上肢某些动作，在生产中代替人搬运物体或操持工具进行动作， 已成为现 代机械制造系统中的一个重要组成部分。本次设计主要设计自动上下料的机械 手，该系统采用液压驱动，传动平稳，且易于控制，控制系统采用一般 PLC所具 有的位移寄存器和位移指令来编程。 关键词：机械手，液压驱动，控制系统 1绪论 1 2工业机械手的设计方案 2 2.1 工

2、业机械手的组成 2 2.2 上下料机械手的工作原理 3 2.3 规格参数的选择 3 2.4 设计路线与方案 4 2.4.1 机械手的总体设计方案 4 2.4.2 设计步骤 4 2.4.3 研究方法和措施 4 3机械手各部分的计算与分析 5 3.1 手部计算与分析 5 3.1.1 滑槽杠杆式手部设计的基本要求 5 3.1.2 手部的计算和分析 5 3.2 腕部计算与分析 12 3.2.1 腕部设计的基本要求 12 3.2.2 腕部回转力矩的计算 13 3.2.3 腕部摆动油缸设计 16 3.2.4 选键并校核强度 18 3.3 臂部计算与分析 18 3.

3、3.1 臂部设计的基本要求 18 3.3.2 手臂的设计计算 20 3.4 机身计算与分析 28 4液压系统设计 29 4.1 液压系统总体设计 29 4.2 液压元件的选择 29 4.2.1 液压缸 29 4.2.2 液压泵的选取要求及其具体选取 31 4.2.3 选择液压控制阀的原则 33 4.2.4 选择液压辅助元件的要求 33 5液压元件的保养与维修 37 5.1 液压元件的安装 37 5.2 液压系统的一般使用与维护 37 5.3 一般技术安全事项 37 6结论 39 参考文献 40 致谢 41 附录 42 I 西南科技大学应用型自

4、学考试毕业设计（论文） 1绪论 工业机械手是人类创造的一种机器，更是人类创造的一项伟大奇迹，其研究、 开发和设计是从二十世纪中叶开始的。 世界工业机械手的数目虽然每年在递增， 但市场是波浪式向前发展的。在新 世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人 代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在各行各业中还在不断开 辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转 变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。 上料机械手与卸料机械手相比，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手 适用于各种棒料，工件的自动搬运

5、及上下料工作。例如铝型材挤压成型铝棒料的 搬运及高温材料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达 180mm最大抓握重量可 达30^斤，最大行走距离为1200mm根据作业要求及载荷情况，机械手各关节运 动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构， 小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及 用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车 上，结构紧凑。电气控制系统采用 OMRON编程控制器，各种作业的实现可以通 过编程实现。 机械手涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、 传感器技术和 计算机技术等科学领域，是

6、一门跨学科综合技术。它是一种能自动控制并可以从 新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境 中的工作。 1 西南科技大学应用型自学考试毕业设计(论文) 2工业机械手的设计方案 2.1 工业机械手的组成 工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框 图： 图2-1 工业机械手各部分关系图 执行机构： 执行机构包括抓取部分(手部)、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。 (1)手部：直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。传动机构形 式多样，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。 (2)腕部：是联接手部和手

7、臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。 (3)臂部：手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是 带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定位置。 该设计的手臂有三个自由度，采用关节式坐标(绕横轴旋转，上下摆动和左 右摆动)关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性，机械臂的结构性容易进 行优化，便于提高机械手的动态操作性能。 (4)行走机构：有的工业机械手带有行走机构。 驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。 控制系统：有点位控制和连续控制两种方式。 机身：它是整个工业机械手的基础。 机械手功能： (1)它能部分的代替人工操作； (2)它能按照生产工艺

8、的要求遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的 传送和装卸； (3)它能操作必要的机具进行焊接和装配。 2.2 上下料机械手的工作原理 上下料机械手是一种专用的工业机械手， 其执行程序一般是固化好的，或只 能进行简单编程，所以机械手的动作是固定的，一种机械手只能供送一种或有限 的几种物品，程序控制系统相对比较简单。 供送料机械手可看做是一种无料槽、滑道的供送料机构，它在一个位置(料 槽)抓取物品(工件)，然后将其搬运到另一个位置。其基本动作是：上料时， 先由料槽中取出工件，带着工件到指定工位，将其放在工位上，返回； 卸料时则 从工位上取下工件，带走，放到料箱中。上料时一般有位置及方位要求

9、，而卸料 时一般无严格要求，所以上料是关键。 要完成上述动作，上下料机械手的手爪必须到达两点 (取料点一料槽；放料 点一加工工位)，这可通过机械手的手臂来实现。手爪必须做两个动作(抓取料 和放下料)，这可通过机械手的手爪闭合、 张开来实现。方位要求一般通过机械 手的手腕来满足供送料要求的运动， 轨迹应该是：直线下降一直线升起一平面圆 弧摆动一直线下降。 2.3 规格参数的选择 工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标， 一般包括以下 几个方面： (1)抓重(又称臂力)：额定抓取重量或称额定负荷，单位为公斤，本次 设计要求抓重为25kg。 (2)自由度数目：本次设计整机四

10、个自由度，手臂三个自由度，手腕两个 自由度。 (3)定位方式：有固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其 他各种位置设定和检测装置，本次设计选固定机械挡块定位。 (4)驱动方式：有气动，液动，电动和机械式四种形式，本次设计选择液 压驱动。 (5)手臂运动参数：臂部上仰60度、下俯30度、回转220度。 (6)手腕运动参数：腕部回转顺逆各180度。 (7)手指夹持范围和握力：工件直径d<100mm (8)定位精度：位置设定精度和重复定位精度。 (9)轮廓尺寸：长X宽X高(毫米)为 445.75 X223.15 X459.5mm 2.4 设计路线与方案 2.4.1 机械手

11、的总体设计方案 本课题是自动上下料机械手的设计，本设计主要任务是完成机械手的结构方 面设计，以及液压系统方面的简单设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度、 驱动机构等进行了确定。因此机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任 务。 2.4.2 设计步骤 (1)查阅相关资料； (2)确定研究技术路线与方案构思； (3)结构和运动学分析； (4)根据所给技术参数进行计算； (5)按所给规格，范围，性能进行分析，强度和运动学校核； (6)绘制工作装配图草图； (7)绘制总图及零件图等； (8)总结问题进行分析和解决。 2.4.3研究方法和措施 使用现在机械设计方法和液压传

12、动技术进行设计， 采用关节式坐标(四个自 由度，可以绕横，纵轴转动和上下左右摆动)。 液压驱动即是以油液的压力来驱动执行机构。抓重能力大，结构小巧轻便， 传动平稳，动作灵便，可无级调速，进行连续轨迹控制，易于实现直接驱动。但 因油的泄露对工作性能影响较大，故它对密封装置要求严格，且不宜在高温或低 温下工作。 3机械手各部分的计算与分析 3.1 手部计算与分析 手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的 主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。 夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状 的工件具有较大的适应性，可以抓取轴， 盘，套

13、类零件，一般情况下多采用两个 手指。手部示意图如下： 图3-1手部示意图 3.1.1滑槽杠杆式手部设计的基本要求 (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。 3.1.2手部的计算和分析 (1)手部受力分析 5 西南科技大学应用型自学考试毕业设计(论文) 图3-2 手部受力图（1） 图3-3 手部受力图（2） （2）手指尺寸初步设定 由拉杆的力平衡条件： 2sin ：:1 、Fx =0

14、 Pi cos ：： 1= P2 cos ：： 2 P1 = P 由 M M(F)=0得 pI = NLab h = ccosf p = b*tgf * N 又由工件的平均半径： Rcp =5^-^53 7. mm 初取 V手指白夹角 2 6=120, Lab =55 mm, 2c = 100mm, b = 53mm, Lcd =53mm,滑杆总长 h=170mm (3)夹紧力计算 又由于工件的直径不影响其轴心的位置即定位误差为零， 手指水平位置夹取 水平位置放置的工件。 由参考文献［2］中表2-1查得： N= 0.5G=0.5 X 25=12.5kg (3—1)

15、 又因为： P = 2b N cos2 d (3—2) c 当口取最小值时，则增力比较大，手指走到最小行程时则有 min , Xin =30 又因为： 2b.. 2 p理=一 N cos amin = 19.88kg (3—3) c PU 至 P理"" (3 — 4) 取安全系数k1 =1.5,工作情况系数 k2= 1.5,传动机构的机械效率n =0.9 19.88 M.5M.5 0.9 50kg 手指夹紧时：夹紧缸活塞移动范围 L=130mm其动彳^时间t=1.5s (由机械 手的动作节拍时间得之)，所以夹紧活塞移动得平均速度 v为: v = । ="=

16、8.67 cm s t 1.5 运动部件得总重估算况10kg 夹紧力Nf驱动力P的关系： 由于结构左右对称，在驱动力 P的作用下，每一滑槽杠杆受力相等 图3-4 夹紧力与驱动力的关系图 在不计摩擦力的情况下: P=P2=U %为夹紧状态得倾斜角％=50夹紧工件半径为50mm P P = P2=B =38.9kg 根据各力对回转支点Oi的力矩平衡条件，同样在不计摩擦力的情况下 八 PC Nb = PC 二 2cos :1 C为杠杆动力臂，即驱动销对滑槽杠杆作用力 Pi对支点Oi的垂直距离 又因为a=50mm a 50 _ C= = o

17、 = 77.8 : 78mm cos ： 1 cos50 Nb= Rc = pc 2cos ： 1 12.5 b 50 78 2 cos500  38.9 78 b = 243mm 12.5 当夹紧半径为25mmi工件时，8= 70s a 50 c = = =146.2 ： 147 mm cos: 1 cos 70 Nb= p1c = pc 2~~ 2cos -：:1 11 N a 二二〜 2 一 p 2b cos -1 12.5 50 50 - 2 b cos2 50 b 243mm (4)动作特性和传动特点 定

18、位到最大行程时，：=50 cos 二 max a Lmax Lmax = 80mm cos max 取 Lmax u 130mm 又因为cos%x1, %x <60,滑槽杠杆手指最大开闭角为 rmax a max <1200 滑槽倾斜角的变化范围可以为 -60 <3 <60 ,可见机构传动比将在下列范 围内变化: a . N 小 a 22bp b N 0.1 0.4 P 所以开始所初步取的a, b与口均符合要求。 (5)确定夹紧油缸外径D ①驱动杆行程与手指开闭范围关系 四口2 —分别为手指夹紧工件范围值时，滑槽相对于两支

19、点连接的倾斜角 L = atg 二 1 一atg ：■ 2 : 78mm 考虑到机构效率，传力比N/P的公式应力： N a 2 P 2b cos ：1 。=0.9 又因为G=250N夹紧力 又500N,: 2 ：二60； 则 Ffs - f fw =0.2 250 -50N Ff. = f fw =0.1 250 = 25N 式中：Fw 一工作负载即为重物重力Fw =250No Ff 一导轨摩擦阻力负载，对于平导轨 Ff = f （G • FG FRn一垂直于导轨的工作负载，FRn =0 f一导轨摩擦系数，取静摩擦系数为0.2,动摩擦系数为0.1 股取& =0.0

20、1-0.5s , Av-&时间内速度变化量: 巳嚏0^"掷 启动：F =Ffs Fa =54.23N 稳态：F =Ffa ■ Fw =275N ②工作压力P的确定，工作压力根据负载大小及机器的类型来初步确定。参 阅参考文献［5］中表37.5按载荷选择工作压力为1MPa。 ③计算液压缸内径DW舌塞才f直径d,由负载可知最大负载F为275N 根据液压系统设计手册表2 —2取F2为0.5 MPa ,，m为0.95 , d/D为0.7。 又因为: D 4 F P Z : 0.0223m (3—6)  根据参考文献［8］中表2 —4,将液压缸内径圆整为标准系列直径 D=

21、25mnif塞 杆直径按d/D = 0.7及参考文献［8］中表2 —5活塞直径系列取d=18mm 按工作要求夹紧力为一个夹紧缸提供， 考虑到夹紧力的稳定性。夹紧缸的工 作压力应大于复位弹簧的弹力。 又因为进油缸在有杆腔，则其有效工作面积: A = - D2 -d2 0.188cm2 PyD 2F1 ④液压缸壁厚和外径计算: (3—7) Py为最大工作压力P的1.5倍，Py=L5MPa 材料为高强度铸铁，b ］ = 60 MPa 、_ 3.125mm D1 _ D 2? =25 2 4^33mm 液压缸工作行程的确定，并参照参考文献［8］中表2-6中的系列尺寸选取标

22、准值 S=100mm ⑤缸盖厚度的确定 一般液压缸为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求计算。 t 2 0.433D2 m (3—8) 丫 6 J t -0.27mm 现取t=20mm 活塞的宽度B一般取 B=(0.6-1.0)D=0.6D=15mm ⑥夹紧缸弹簧的确定 弹簧工作载荷F=50N,最大轴直径Dmax = 18mm,最小筒直径Dmin =25mm 弹簧刚度k f- = 0.769 N f mm 查参考文献［5］中表30.2—8圆柱螺旋压缩弹簧的尺寸及参数得： 西南科技大学应用型自学考试毕业设计(论文) 材料直径d=2.5mm,弹簧中径D=25mmp*距

23、P=10.4mm单圈弹簧工作极限载荷 卜变形量为7.075mm单圈弹簧刚度k:24.5 Nmm 13 (3—9) G maxd 8PmaxC3 D =10 d C-直径比，-弹簧材料的剪切弹性模量, 钢材 G=8X105(%2), Pmax=100N 计算得Z=110mm,则活塞缸总长L=120mm。 3.2 腕部计算与分析 3.2.1 腕部设计的基本要求 手腕部件置于手部和臂部之间，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，适应性更强。手腕具 有独立的自由度，此设计手腕有绕好由转动和沿冲由左右摆动

24、两个自由度。手腕回 转运动机构为回转油缸，摆动也采用回转油缸。 他的结构紧凑，灵活，自由度符 合设计要求，它要求严格密封才能保证稳定的输出转矩。 (1)腕部处于臂部的前端，它连同手部的动静载荷均由臂部承受。腕部的 结构、重量和动力载荷直接影响着臂部的结构、重量和运动性能。因此在腕部设 计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 (2)腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支承作用，除了保证力和 运动的要求以及具有足够的强度和刚度外还应综合考虑合理布局腕部和手部的 连接、腕部自由度的检测和位置检测、管线布置以及润滑、维修调整等问题。 (3)腕部设计应充分估计环境对腕部的不良影响(如热膨胀，压力油的粘

25、 度和燃点，有关材料及电控电测元件的耐热性等问题)。 腕部的结构如图3-5所示，它可做与手臂垂直方向(例如YW方向)横移，还 可以绕YW或Z轴回转。 图3-5手腕运动示意图 3.2.2 腕部回转力矩的计算 腕部回转时，需要克服以下几种阻力： (1)腕部回转支承处的摩擦力矩 M摩： 由静力学平衡方程求得 乂摩=f (R1D1 +RD2 )X (kgf -m) (3—10) 式中：Di、D2一轴承直径(m) Ri、R2一轴承处支反力(kgf-m) f一轴承的摩擦系数，对于滚动轴承f=0.01-0.02 为简化计算取M摩=0.1M总阻力矩 G1 —工件重量(kgf)

26、 G2一手部重量(kgf) G3—手腕转动件重量(kgf) (2)克服由于G重心偏置所引起的力矩M偏： M 偏=33 (kgf) (3—11) 式中e一工件重心到手腕回转轴线的垂直距离(n) (3)克服启动惯性，所需的力矩 M惯 切及启动所用的角速度 启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角加速度 9起, 2 M惯=0.0175M(J +J工件 (3—12) 2 式中：J工件一工件对手腕回转轴线的转动惯量(kgf -m-s2 ) J一手腕回转部分对手腕回转轴线的转动惯量 (kgf-m-s2) 6一手腕回转过程的角加速(%) 中一启动过程所转过的角度(度) 手腕回

27、转所需要的驱动力矩应当等于上述三项之和： M总=M偏+M摩+M惯 因为手腕回转部分的转动惯量(J+人件)不是很大，手腕起动过程所产生的转 动力矩也不大，为了简化计算，可以将计算M偏，M摩适当放大，而省略掉M惯， 这时 M总=1.1(M偏+M摩) ①设手指，手指驱动油缸及回转油缸转动件为一个等效圆柱体， L=50cm直 径 D=10crm 贝Um=27.5kg。 ②摩擦阻力矩M摩=0.1 M总阻力矩 ③设起动过程所转过的角度 中起=20,等速转动角速度8=100% ■ .2 M偏=0.01754J +J工件》-- 2 1 O O 查型钢表有： J =万 mR2 = 0.03

28、4(kgf -m-s2 ) (3—13) 1 J工件=—m L2+3R2 =6.028 kgf -m-s2 (3—14) 12 代入 M惯=256 (Nl- m M偏=0 M摩=0.1 乂总阻力矩 西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文） M摩=0.1 M总阻力矩+265 265 M=—— 0.9 = 294.4 kg 15 (3—15) 确定转轴的最小尺寸: 0.2 I. T Wt—抗扭剖面模量，WT =0.2d3,许=294.4父10/3[1] 0.2d 1 查得k ] =60MPa, d215mm,取转轴直径d=40mm ④回转油缸所

29、产生的驱动力矩计算 回转油缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩 M总，机械手的手腕回转运 动所采用的单叶片回转油缸，具结构简图如图 3-6所示，它的回转角小于360度。 定片2与缸体1周连，动片3与输出轴4周连，当a,b □分别进出油时，动片带动输 出轴回转达到手腕回转目的。 a 图3-6叶片式摆动缸结构简图 . ,_ 2 2、 (3—16) M= p b （R -r ） 之 M ・・・ Jd、 2 式中：M总一手腕回转总的阻力矩（NJ- n） P一回转油缸的工作压力 r一缸体内径半径（cm） R—输出轴半径（cm） b一动片宽度 注：可按外形要求或

30、安装空间大小，先设定 b,R, r中两个: -2b->2,取-2b-=3 D-d D-d D=1.5-2.5,取 ~D=2 又因为 d=40mm,贝U D=80mm, b=60mm 去顶回转油缸工作压力： 2M巧 心、 ZT2 2- b(R -r ) 2 294.4 ~~ "2 2" 6 (8 -4 ) , 2 、 =8.01(kg / cm ) (3—17) 图3-4 腕部摆动油缸设计尺寸图 由于系统工作压力远远大于此压力，因此回转油缸的工作压力足以克服摩擦 力。 3.2.3 腕部摆动油缸设计 M =M摩十M偏+M惯 估计 L=45c

31、m,6=16cm,e2 =45cm, R =5cm , m杆=29.7kg e = (m杆父 e + m件 m ◎) / m杆 + m件=30cm 克服重心偏置所需的力矩 M偏=Ge = 16.41（kgf m） 西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文） 19 克服摩擦所需力矩M摩=0.1cm 克服运动惯性所需的力矩M惯: 2 2 2 _ _ _ 2 Jff =m(L 3R)/12 me = 0.7654(kg-m- s2) J件=m02 =25父 0.452 =5.1(kg-m- s2) J总=5.8654(kg-m- s2) M 惯=JW/t

32、设 w=500 / s,。起=20 2 一 M 惯=0.0175 J总 w / ⑵起=12.83(kgf - m) 则摆动所需的驱动力矩: M=M摩+M 偏 +M 惯=32.14(kgf • m) 确定转轴的最小直径: TtM 驱/WT <[T] (3—18) 抗拒剖面摸量WT -- 3 3 =d (mm ) 16 所需驱动力矩: d工3 16M 驱“ 30mm 二[]T 取 d=50mm 所以机械手的摆动采用单叶片回转油缸，定片与缸体固连，动片与转轴周连, 当两油口分别进出油时，动片带动转轴转动达到腕部摆动目的。 M = Pb(R2-r”M - ―

33、心 2 又因为: D=1.5-2.5, -2b- -2 d D-d D=2,且=3 d D -d 所以：d=50mm,所以 D=100mm, b=75mm 确定回转油缸工作压力: 2M总 b(R2 -r2) 2 =10.58 kg / cm 由于系统工作压力远远大于此压力，因此该缸的工作压力足以克

34、服摩擦力 3.2.4 选键并校核强度 转轴直径d=40mm由参考文献[5]中GB1095-79选键为bxh=12x8 键校核如下公式： 3 6P =2丁父 10 /kld <[6p] (3—19) K一接触面的高度 k=0.4h=0.4 8=3.2mm 、p=32.24mpa0[p] 转轴直径d=50mm由参考文献[5]中GB1095-79选键为bx h=20x 10 k=0.4h=0.4 W=4mm p=13.208mpa<[p] 取接方式：静连接，轻微冲击，查得[6p]=100Pa 所以满足要求 3.3臂部计算与分析 3.3.1 臂部设计的基本要求 手臂部件

35、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 作)，并带动它们作空间转动。 臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。 因此，臂部具有三个 自由度才能满足基本要求：即手臂绕横轴旋转，左右回转和俯仰运动。手臂的各 种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现， 从背部的受力情况分析，它在工作中 既直接承受腕部，手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。 因而，它的结构，工作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械 手的工作性能。 机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。臂 部要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求： (1)机械手臂

36、式机身的承载 机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。 显然，伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度逾差，而且其刚度随支臂杆的伸缩不断 变化，对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。为可提高刚度， 尽量缩短臂杆的悬伸长度，还应注意： ①根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸 臂部和机身既受弯曲（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面形状。所以机械手常用工字钢或槽钢作为支撑板，这样既 提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动 装置，传动机构以及管道，有利于结构的紧凑，外形整齐。 ②高支承刚度和选

37、择支承间的距离 臂部和机身的变形量不仅与本身刚度有关，而且同支撑的刚度和支撑件间距 离有很大关系，要提高刚度，除从支座的结构形状，底板的刚度以及支座与底版 的连接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。 ③合理布置作用力的位置和方向 在结构设计时，应结合具体受力情况，设法使各作用力的变形相互抵消。 a）设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构 简单，要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理，确定调整补偿环节，以及减 少重要不见的间隙，从而提高刚度。 b）水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位 置精度，使导向杆承受部分或者大部分自重

38、。 c）提高活塞和刚体内径配合精度，以提高手臂俯仰的刚度。 （2）臂部运动速度要高，惯性要小 机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一， 它反映机械手的生产水平，一 般是根据生产节拍的要求来决定。在一般情况，手臂回转俯仰均要求均速运动， （v和w为常数），但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击， 要求启动时间的加速度和终止前的加速度不能太大，否则引起冲击和振动。 对于告诉运动的机械手，其最大移动速度设计在 1000〜1500mm/最大回 转角速度设计在180o/s内，在大部分行程距离上平均移动速度为 1000mm/s内， 平均回转角速度为90o/s内。 西南科技大学

39、应用型自学考试毕业设计（论文） 为减少转动惯量的措施： ①减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料。 ②减少手臂运动件的尺寸轮廓。 ③减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸）， 尽可能在前伸位置下进行回转动作，并且驱动系统中设有缓冲装置。 （3）手臂动作应灵活 为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滑动摩擦代替滑动摩擦。 对于悬臂式的机械手，其传动件，导向件和定位件布置应合理，使手臂运动 过程尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生“卡死” 的现象（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。 ①计算零件重量，可分解为

40、规则的体形进行计算。 ②计算零件重心位置，求出重心至回转轴线的距离。 ③求重心位置并计算偏重力臂 P : (3—20) (3—21) (3—22) n G总=G2 +G爪+G腕+G臂十一十 1 n G1X1 iT n 二 Gi i工 i」 _2 _2 _2 _2 p_G2 +G爪+G腕+G臂+… ‘一 G2 G爪 G腕. G臂 ④计算偏重力矩: n M 偏=G^、P=Z G1X1 i= （4）位置精度要高 一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高； 关节式机械手的位置最 难控制，精度差；在手册上加设定位装置和自检测机构，能较好的控制位置精度， 检测

41、装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动，啮合件的间隙。 便于加工和安装；用于热加工的机械手, 大的机械手，还要设置防尘装置等。 3.3.2手臂的设计计算 除此之外，要求机械手通用性要好，能适合做各种作业的要求；工艺性要好, 还要考虑隔热，冷却；用于作业区粉尘 通常先进行粗略的估算，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸， 在进 行校核计算，修正设计。 为了便于进行液压机械手的设计计算，分别对俯仰缸回转油缸的设计叙述如 下： （1）小臂设计 设小臂 L=40cm,D=60cm 则 m= -： R2lp = ： 0.052 0.4 7 103 = 22kg 2 2 3

42、m回=二 R lp - "： 0.05 0.1 7 10 =0.79kg 则手臂总重： m总=22 29.7 0.79 = 52.49kg ①俯仰缸的设计计算： 设a=76mm, b = 76mm, c=176mm 当手臂处在仰角为 身的位置OA1时，驱动力P通过连杆机构产生的驱动力矩 为： M 驱=Pb cos（% + P1） 因为： tg：1二3D=型 O1D O1D 又因为：A1D ^B1C -B1O - a =76cos600 -76 = 15 cos600 一5 =-11mm O1D =C A1B =76 =76sin60 =41mm + 2.5 o tgo（尸

43、——,6=15 43 M 驱=Pbcos（ot1 + P1） 二 d 2 P= -D-P-P封-啥 （3—23） 4 P一油缸的工作压力（kg/cm2） D一油缸内径（cm） 山一活塞缸与缸径，活塞杆与端差的密封装置处的摩擦阻力（ kg） 党一通油箱，嗑=0 23 西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文） Pa 10590.3kg取 P =10600kg M 驱=10600m0.8父 cos(3.3+60)=60356.601kg cm 当手臂处在俯角为 隹的位置OA2时，驱动力P通过连杆机构产生的驱动力 M 驱=Pb cos(二 2 - %) 因为:

44、 , A,E A2E tg ： 2 =— — O2E O1C - EC A2E = B2c =OB2 -OC =bcos 一：2 -二=2.9, O1C =c, EC = A2B2 =bsin % 所以: ,」bcos ：2 ,I a2 = tg :- = 15 c -bsin 2 M 驱=Pbcos(15o -30) =95050.76kg/cm 当手臂处在水平位置即P=OA为驱动力矩时 M 驱=Pbcos(15o -30) =95050.76kgzcm 因为M驱=M惯土 M偏+ M摩，由于手臂与支柱连轴有振动轴承，摩擦力矩较小 M摩=0,所以M驱=M惯HM偏

45、验证油缸是否满足要求，满足上仰条件，出于 P1时 M驱 p - 1 bcos -1 -：-:、 b cos(tg 「+ -1) c bsin ：1 60.356 0.15 cos(tg 60o) 二 0.15 cos60o -0.05 0.3 0.15 sin60o =1134kgf 4p d2二 p \ 二 P 选取d =0.7,所以p =1MPa D 4 1134 0.49D2 二 106 \ 二 106 _ 2 0.51D 4 1134 /〉106 D=0.053m 整理得到D=63mm,则d=45mm。 ②液压缸壁和外径计算 (3

46、—24) pyD 2n 1.5 63 2 60 =5mm 27 Py =1.5P =1.5MPa 材料为高强度铸铁，［］=60Pa Di _ D 26 =63 2 5=73mm 液压缸为平底缸差，其厚度t按强度要求计算 无孔时: t - 0.433D2 _ 0.433 63 =1.67mm (3—25) 取 t=3mm ③液压缸工作行程的确定 由 AB +A2B2 =5得 S=16mm 由参考文献［8］中表2-6的系列尺寸查得：S=25cm则活塞杆L=30cm 活塞杆的稳定性校核，活塞杆由45钢制成。杆长300mm, d=45mm,最大压

47、力 P=1134N,设稳定安全系数为 Snst =8 —9 , 6s =350MPa , 6p = 280MPa , E =210GPa。 将上面参数带入式中求得： 、 fn2E 卜2 父210M109 *♦京 Y 28M106 :86 活塞杆两端可简化为较支座，故 N =1 ,活塞杆横截面为圆形i=d,故为 4 内 4 300 10- i 一 45 10^ = 26.7 因为九〈及，故不能用欧拉公式计算，使用直线公式，由参考文献［5］中表10.1 查得 a =461MPab =2.568MPa 可得: a-、s 461 106 -350 106 6—:

48、43.2 2.568 10 、w =a - b，=393MPa w a JI Pw = A：w = 一 4 3 2 - (45 10 ) = 625.04k N 而P=1134N,活塞杆的工作安全系数为n=-PCN P max = 551 > it,所以满足要求。 (2)油缸端盖的连接方式及强度计算 为保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距ti,进而决定螺钉的数目。缸的 一端为缸体与缸盖铸造成一体，另一端缸体与缸盖采用螺钉连接。 ①缸盖螺钉的计算 为保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距ti,进而决定螺钉的数目，在这 种连接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉

49、力 Q。为工作载荷Q和预进力Q。之 和。 ,・s 二=0 、s 二 D2 (3—26) =367.95kgf 式中：P一驱动力kgf P—工作压力kgf/ cm2 Z一螺钉数目，取8 ■■一 飞一—索力kgf 6s=K6, K=1.5-1.8 (3—27) 螺钉的强度条件为: 6合=—-2~ =1690kgf / cm2 = 2 [5] 二4 二 di 4 di < 式中：Qi=1.36o—计算载荷（kgf） 、：。 2 [、,.]= 一一抗拉许用应力（kgf /cm ） n n =1.2—2.5, di—螺纹内径（cm） K1Q0

50、二(d2 -D2) 表3-1常用螺钉材料的流动极限 kgf /cm2 钢号 10 A2 A3 35 45 40cr 6s 2100 2200 2400 3200 3600 6500-9000 (3—28) D 一油缸内径 4 1 - " 2 Z- ..4K1Q0+D 叫M d1 (cm) 二[、] r、 r _ 一 一一 _ 式中①=50+3s, 6s =KP =(1.5 —1.8)父 P 二 D2 P = p 4 K1 —考虑螺纹拉应力和扭应力合成作用系数取 K1=1.3 （3）大臂回转缸的设计 驱动手臂回转的力矩：

51、 M驱=M惯+M封+M回 M 封=M 封 1 +M 圭L =d0j2k-k2 1 2 M 圭t1 =一n LMP 2 D—输出轴与缸差密封处的直径（cm） 西南科技大学应用型自学考试毕业设计(论文) L一密封的有效长度(cm) do— "O形密封圈的截面直径(cm) k- "O形圈在装配时压缩率，对于回转运动， k=0.03-0.35 N —摩擦系数 P一回转轴缸的工作压力(kg/cm2) 选取==0.5 , b=10cm,p=80kg/ cm2,设 b1二6mm 若 D=1.5—2.5，则取 D = 2,D=2d d d -2^->2 ,取-2b-=3,

52、 D-d D-d - 2 10 贝^ =3d,d =6.7cm * 7cm, D=14cm 2d -d 选用O型橡胶密封圈S58型，d0=4.7mm,则 l =0.47 .2 0.05-0.052 = 0.15cm 1 o . 1 M 封 1=5 二 d2l」=5 二 7 0.15 0.5 80 = 65.98kg cm M封侧一动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力距： _ D d 1 _2 2 . M 封侧=F2 l1(D2-d2)p」 4 8 l1 =d1、2k -k2 =0.6 ,2 0.05-0.052 = 0.19cm 1c c 1 o o M 封侧=—l1(

53、D2—d2)p 0.19 (142 —72) 80 0.5-139.65kg cm 8 8 M 封径=532kg w- 、 M 惯=J0 （kg cm） t △w 一回转缸动片的角速度变化量，在启动过程中 &w=w （弧度/秒） △t 一启动过程时间 j。一手臂回转部件，对回转轴的轻功惯量（kg-cm-s2） 若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为 中，则j0 = jc +G P2 g 33 j C 一回转零件对重心轴线的转动惯量 . m工件,2 Jc 二 l Jc 12 25 2 =一 1.72 12 2 52.49 2 12 (12+3R02)

54、 2 12.13 2 2\ 0.12 (0.122 3 0.072) 2、 =6.314(kg cm s ) 2、 J 0=649.2 ( kg cm s ) 设角速度w =40/s,启动时间t = 0.1s M 惯=649.2父 ax 0.0175= 4544.5kg cm D 1 1 2.2、 M回=d bp回 pd P =-bp回(D-d) (3—29) 2 2 取 p回=0.2P=16 ( kg cm2) M回=1x10x16x(142 -72) = 11760kg cm M 驱=11760 4544.5 139.65 532 2 65.98 = 171

55、08.11kg cm 由内径公式: 8M驱. j +d ,bp 8 17108.11 \ 10 80 0.25 D2 D = 15.11cm 基本满足要求，则 D=16cm, d=8cm。 4Qj 二［二］ =0.65cm (取 d1 =8mmi (3—30) (4)缸盖连接螺钉和动片连接螺钉计算 螺钉的强度条件为： 1.3Qj - 仃=一J引叼或4之 二 d1 4 式中：d〔一螺钉的内径(cm) Qj —计算载荷(kgf) ［。］—螺钉材料作用拉应力 3.4机身计算与分析 机身是直接支撑和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降，回转或俯仰等运 动的

56、驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机体的躯干与底座相连。 因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以是固定的， 也可以是行走的，即可以沿地面或架空轨道运动。 此次设计机身为地面轨道运动 式。它的驱动系统是步进电机具型号为 Y132S—8功率2.2KW转速710r/min, 再电动机后接了一个圆锥圆柱齿轮减速器具输出速度为 1.2m/s。在后是一个制动 箱。其主要参数是由外部计算机调整和控制， 在很大程度上是由运动学和轨迹运 动而去编制小车的运行程序。由以上对机身的分析和前面的计算完成机身结构图 见附录。 由以上对机械手各执行机构的分析与计算，完成机械手总装配图

57、见附录。 4液压系统设计 4.1 液压系统总体设计 本次设计的机械手是以PLC来控制整个液压元件，通过控制液压缸的电磁换 向阀而实现机械手各个关节的运动。至于机械手在空间的运动和定位则由外部的 电脑操作系统完成，它主要先进行机器手的运动学分析， 动力学分析，轨迹规划 和编程。从而由上述系统完成整个机械手在空间的行走，定位和重复定位等操作。 (1)换向回路的选择 夹紧缸换向选用二位三通阀， 其他缸全部选用B型的三位四通电磁换向阀。 选用B型电磁阀便于微机控制，选中位为 。型是使定位准确。 (2)调速方案的选择 本系统是功率较小的，故选简单的进油路节流阀调速。 (3)缓冲回

58、路的选择 选用二位三通阀加入油路，便于微机控制，提高自动化程度。 (4)系统的安全可靠性的选择 为防止伸缩缸在仰起一定角度后的自由下滑， 都采用单向顺序阀来平衡。为 保证夹紧缸夹持工件的可靠性选用液控单向阀保压和锁紧。 4.2 液压元件的选择 4.2.1 液压缸 根据前面设计好的各种液压缸的参数。 (1)活塞缸 已知参数(包括设计出的参数)：Di，di，Fi (t),Ui (t) i一表示第几个缸的参数： 无杆腔进油： 二 2 P(t)=Fi(t)/( Di2) (4—1) 4 2 Q(t)=Vi(t) -Di2 4 有杆腔进油： 7：, 2 2 P(

59、t) =Fi(t)/[二①-di )] 4 T. 2 2 Qi(t) =M(t) ―。-di ) 4 Ni(t) =E(t) Vi(t) (2)摆动缸 已知参数：Di，di ,M i(t), Wi(t), b , P(t)=Mi(t)*(Di2.di2)] _ _ 2 2 _ Qi(t) =[b(Di -di )/8] Wi(t) Ni(t)=Mi(t) Wi(t) 注意已知参数中Fi(t),Vi(t),Mi(t),Wi(t)在前面设计中不够明确时, 析。 ① 单作用弹簧复位的夹紧缸； Di =25mm, di=18mm F = l-NN Vi =8.67cm/s

60、 注意：ti为尚未夹持工件的时间。 ②手腕回转缸 D2 =80mm, d2 =40mm, b2=60mm 1 7 f 1 294.4N>mltW M 2 = 1 265(刃 w2 =10。% ③手腕摆动缸 「1、 321.4N >mt < / M 3 =」f 2、 W3 = 50o / s 、128% J ④手臂回转缸 (4—2) (4—3) (4—4) (4—5) (4—6) 则要进行分 D4 =160mm , d4 =80mm , b4=120mm o ， w4 = 40 /s 注意：忽略角加速度和角减速度的影响 ⑤手臂仰俯活塞缸： D

61、5 =63mm, d5 =45mm 1334N t ,0.05 F5 - "134N t .0.55 V=5cm/s (3)估算流量 ①夹紧缸：Q =8.67M2M3.01 = 20.5L/min 。 4 2 ,2、 ②手腕回转缸： Q2 =———--)w =62.74L/min 400 ③手腕摆动缸： Q3 =[b(D2 -d2)/8] w-58.4L/min ④手臂回转缸： Q4 =[b(D2 -d2)/8] w=129.6L/min ⑤手臂仰俯活塞缸：Q5=V-一D2 =5 — 6.32 =1562l/min 4 4 4.2.2 液压泵的选取要求及其具体选取 (

62、1)计算液压泵的工作压力 (4—7) 其流量与 泵的工作压力是所有液压缸中工作压力最大者与管道压力损失之和。即: Ps =Pmax P Z ap一管道和各类阀的全部压力损失之和。 可先估计，一般取：z AP= (5-8)父105巳 (2)计算液压泵的流量 Qp -Kqi max 式中：K一泄露折算系数，一般，K=1.1-1.5 (3)选择液压泵的规格 参照设计手册或产品样本，选取其额定压力比 Ps高25%—60%, 上述计算一致的液压泵。 (4)计算功率，选用电动机 西南科技大学应用型自学考试毕业设计(论文) ①按工况图，找出所有缸 N-t图中最高功率点的N

63、max对应的PS (计算值) 和泵额定流量的乘积，然后除以泵的总效率 “p p N电=p?Qp (4-8) p ②确定液压泵的流量压力和选择泵的规格， 泵的工作压力的确定。考虑到正 常工作中进油路有一定的压力损失，所以，泵的工作压力为： Pp = P+ AP p Pp—液压泵的最高工作压力； P一执行元件的最高工作压力 P AP 一进油管路中的压力损失，初算时，简单系统可取 0.2—0.5MPa, ZAP =0.5 MPa, Pp=4.5+0.5=5 MPa 上述计算所得的Pp是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡，阶段出 p 现的动态压力往往超过静态压力。另外

64、考虑到，一定的压力储备量并确保泵的寿 命，因此选泵的额定压力 Pn应满足Pn (1.25-1.6) Pp Pn =1.25Pp =1.25 5 =6.25MPa ③泵流量的确定 液压泵的最大流量应为： qp = Ki(Z q)max (4—9) 式中：qp—液压泵的最大流量 p ②q)max 一同时工作的各执行元件所需流量之和的最大值。如果这时溢流 阀正进行工作，尚需加溢流阀的最小溢流量 2〜3L/min Ki一系统泄漏系数，一般取Kl=1.1-1.3,现取Kl=1.2 qp -1.2 80=96L/min ④选择液压泵的规格。根据以上算得 Pp和qp,再查阅有关手册，现

65、选用 YB-80BI双联叶片泵，该泵的基本参数为：每转排量： 10-194mL/r;泵的额定压力R =10.5 MPa ;电动机转速nB = 1500r / min ;容积效率％ = 0.85 ;总效率”=0.7。 ⑤与液压泵匹配的电动机的选定。首先分别计算出不同工况时的功率， 取它 们之间的最大值作为选取电动机规格的依据。 由于在速度较小时，泵输出的流量 减小，泵的效率急剧下降，一般当流量在 0.2-1L/min范围内时，可取0.03-0.14。 同时，应注意到，为了使所选择的电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时， 不致停车，需进行验算，即： Pn qp n 三2Pnq

66、p (4—10) 泵的工作压力：P=245.25 N / cm2 NQ(H . H ) =k ( )=1.57kW yyc 式中：k—余量系数，取K=1.05 Q一泵出油量 H 一油头 △H 一主管损失汕头 y一泵的功率 yc一传动效率直接传递为1 选电机：Y100L1 -4,N =2.2kW,n =1430rpm 4.2.3 选择液压控制阀的原则 按控制阀的额定流量大于系统最高工作压力和通过该阀的最大流量原则 4.2.4 选择液压辅助元件的要求 (1)滤油器 按泵的最大流量选取流量略大些的滤油器，滤油精度在为 100Nm网式或线 段式滤油器即可。 (2)油管和管接头的通径与阀一致来选取。 (3)油箱容积Q=50Qp 注意：Qp单位若为L/min时，V的单位为(dm)3 35 西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文） Qp 单位若为m3/min时，V的单位为m3 ①液压元件的选择 单向压力补偿调速阀：QI-63B, QI-130B, QI-23B 单向阀：