三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)含proe三維仿真及10張CAD圖

三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)含proe三維仿真及10張CAD圖,自由度,圓柱,坐標(biāo),工業(yè),機(jī)器人,設(shè)計(jì),proe,三維,仿真,10,cad 摘 要 機(jī)器人也被稱為自動(dòng)手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。 本次設(shè)計(jì)首先，通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行分析，在此分析基礎(chǔ)上提出了其設(shè)計(jì)方案采用三自由度圓柱坐標(biāo)型；接著，對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算選擇；然后，對(duì)各主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核；最后，通過(guò)AutoCAD制圖軟件繪制了機(jī)械手裝配圖及主要零部件圖，并采用Pro/E軟件建立了三維模型。 通過(guò)本次設(shè)計(jì)，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識(shí)，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機(jī)械制圖等；掌握了普通機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對(duì)今后的工作于生活具有極大意義。 關(guān)鍵字：機(jī)器人，圓柱坐標(biāo)，液壓，運(yùn)動(dòng)學(xué) Abstract Manipulator is also known as automatic hand, which can imitate some movement functions of human hand and arm, and is used to grasp and carry objects or tools according to fixed procedures. Firstly, through the analysis of the structure and principle of industrial robots, this paper puts forward that the design scheme of industrial robots is based on three-degree-of-freedom cylindrical coordinates; secondly, the main technical parameters are calculated and selected; secondly, the main parts are designed and checked; finally, the assembly drawings and main parts drawings of reducers are drawn by AutoCAD drawing software. Pro/E software was used to build the three-dimensional model. 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 common mechanical products and can skillfully use AutoCAD drawing software, which is of great significance to our future work and life. Key words: Robot, Cylindrical coordinates, Hydraulic, Kinematics 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1背景及意義 1 1.2機(jī)器人概述 1 1.2.1機(jī)器人的組成 2 1.2.2機(jī)器人的分類 2 1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 第2章 總體方案設(shè)計(jì) 4 2.1 設(shè)計(jì)要求 4 2.1.1 動(dòng)作要求 4 2.1.2參數(shù)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(jī)器人手部設(shè)計(jì) 6 3.1手部分析 6 3.2夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 7 3.3 夾緊油缸的設(shè)計(jì) 8 3.4手抓的設(shè)計(jì) 8 第4章 機(jī)器人臂部設(shè)計(jì) 11 4.1臂部整體設(shè)計(jì) 11 4.2手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 12 4.2.1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算 12 4.2.2手臂密封處的摩擦阻力的計(jì)算 13 4.2.3手臂慣性力的計(jì)算 13 4.3手臂伸縮油缸的設(shè)計(jì) 14 4.3.1確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 14 4.3.2液壓缸外徑的設(shè)計(jì) 15 4.3.3活塞桿的計(jì)算校核 15 4.3.4 油缸端蓋的設(shè)計(jì) 16 第5章 機(jī)器人機(jī)身設(shè)計(jì) 18 5.1 機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 18 5.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18 5.2.1回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 18 5.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸參數(shù)的確定 19 5.3機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 21 5.3.1手臂片重力矩的計(jì)算 21 5.3.2升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件 22 5.3.3升降油缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 22 5.3.4升降缸尺寸參數(shù)的確定 23 第6章 機(jī)器人液壓及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 6.1液壓系統(tǒng)方案擬定 25 6.1.1調(diào)速回路方案分析 25 6.1.2 快進(jìn)回路方案分析 26 6.1.3夾緊回路的選擇 27 6.2液壓元件的計(jì)算和選擇 28 6.2.1液壓泵 28 6.2.2確定油箱容量 29 6.2.3液壓元件的選擇 29 6.3液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算 29 6.3.1驗(yàn)算回路中的壓力損失 29 6.3.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計(jì)算 31 第7章 基于Pro/E的三維設(shè)計(jì) 33 7.1 Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件概述 33 7.2三維設(shè)計(jì) 33 7.2.1升降缸體 33 7.2.2伸縮缸體 34 7.2.3轉(zhuǎn)動(dòng)缸體 34 7.2.4支座 34 7.2.5總成三維裝配 35 7.3仿真分析 35 7.3.1 Pro/E仿真介紹 35 7.3.2仿真 36 總 結(jié) 39 參考文獻(xiàn) 40 致 謝 41 42 第1章 緒論 1.1背景及意義 目前，由于勞動(dòng)力成本和技術(shù)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)機(jī)床的上下料仍然采用人工上下料，不僅效率低、精度低，而且工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在操作者發(fā)生安全事故的隱患。有些機(jī)床生產(chǎn)廠商為了防止操作者發(fā)生安全事故，在機(jī)床上加入了一些防護(hù)措施，如加入光電保護(hù)器等；但這不能從根本上防止操作者的安全。因此，設(shè)計(jì)機(jī)器人以代替人工進(jìn)行上下料的操作就變得十分重要。本設(shè)計(jì)就是根據(jù)這一工程應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)上下料機(jī)器人結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。 機(jī)器人是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人是從80年代"七五"科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)"七五"，"八五"科技攻關(guān)，目前已經(jīng)基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆，孤焊，點(diǎn)焊，裝配，搬運(yùn)等機(jī)器人，其中有130多臺(tái)噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，孤焊機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來(lái)，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定距離。 隨著社會(huì)生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對(duì)生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計(jì)算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展，其中液壓機(jī)器人系統(tǒng)由于其介質(zhì)來(lái)源簡(jiǎn)便以及不污染環(huán)境、組件價(jià)格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點(diǎn)，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的液壓機(jī)器人有氣控機(jī)器人、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)基座等機(jī)械部分組成。主要作用是完成機(jī)械部件的搬運(yùn)工作，能放置在各種不同的生產(chǎn)線或物流流水線中，使零件搬運(yùn)、貨物運(yùn)輸更快捷、便利。 隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。機(jī)器人能模擬人的手臂的部分動(dòng)作，按預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具。機(jī)器人可以代替很多重復(fù)性的體力勞動(dòng)，從而減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率。 1.2機(jī)器人概述 機(jī)器人也被稱為自動(dòng)手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展以及液壓技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn)，液壓機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。 1.2.1機(jī)器人的組成 機(jī)器人主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)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(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)器人的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)器人的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)器人有2～3個(gè)自由度。 1.2.2機(jī)器人的分類 機(jī)器人的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、液壓式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)器人；按適用范圍可分為專用機(jī)器人和通用機(jī)器人兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)器人等。機(jī)器人一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是用專用機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)器人在國(guó)外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國(guó)外，目前主要是搞第一類通用機(jī)器人，國(guó)外稱為機(jī)器人 1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)器人首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)器人。商名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)器人就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人。 1962年美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)器人。該機(jī)器人的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)器人出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)器人，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)械制造業(yè)是從1970年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)器人，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)器人，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)器人后大力從事機(jī)器人的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開(kāi)始發(fā)展應(yīng)用機(jī)器人，至1977年底，其中一半是國(guó)產(chǎn)，一半是進(jìn)口。 目前，工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，是機(jī)器人具有感覺(jué)機(jī)能。第三代機(jī)器人則能獨(dú)立完成工作中過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)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(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)應(yīng)用的機(jī)器人絕大部分為專用機(jī)器人，附屬于某一設(shè)備，其工作程序是固定的。通用機(jī)器人也有發(fā)展，目前應(yīng)用的都是開(kāi)關(guān)式點(diǎn)位控制型，伺服型已試制出數(shù)臺(tái)在調(diào)試中，連續(xù)軌跡控制型還沒(méi)有。 控制方式—有觸點(diǎn)固定程序控制占絕大多數(shù)，專用機(jī)器人多采用這種控制。 第2章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)要求 2.1.1 動(dòng)作要求 選定要求為設(shè)計(jì)的機(jī)器人能在幾臺(tái)機(jī)械設(shè)備之間搬運(yùn)和裝卸工件。由手部握緊工件，往上抬起離開(kāi)定位裝置，手臂縮回，水平回轉(zhuǎn)90度，手部放下工件。 2.1.2參數(shù)要求 本次設(shè)計(jì)選定參數(shù)如下： （1）伸縮行程：800mm，伸縮速度，250mm/s； （2）升降行程：330mm，升降速度，60mm/s； （3）回轉(zhuǎn)范圍：210°，回轉(zhuǎn)速度，70°/s； （4）參考抓取重量：15kg。 2.2方案擬定 2.2.1初步分析 機(jī)器人抓重為15kg，按工業(yè)機(jī)器人的分類，屬于中型，按用途分為通用機(jī)器人，其特點(diǎn)是具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動(dòng)作靈活多樣，通用機(jī)器人的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適合于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人與直角坐標(biāo)式械手相比，占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到很高的定位精度，因此應(yīng)用廣泛。 2.2.2 擬定方案 (1)由初始參數(shù)擬定整體設(shè)計(jì)方案 通用機(jī)器人是3~6個(gè)自由度，而本次設(shè)計(jì)為3由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1： 圖2-1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 (2)整體結(jié)構(gòu) 由于本設(shè)計(jì)要求完成手臂的升降，旋轉(zhuǎn)以及伸縮三個(gè)動(dòng)作。則可以考慮升降在下或回轉(zhuǎn)缸在下兩種方式。通過(guò)綜合考慮，本次試驗(yàn)決定采用升降缸在下的形式。 第3章 機(jī)器人手部設(shè)計(jì) 3.1手部分析 手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類最常見(jiàn)的主要有夾鉗式，本設(shè)計(jì)主要考慮夾鉗式手部設(shè)計(jì)。 夾鉗式手部是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成，它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤、套類零件，一般情況下多采用兩個(gè)手指。 滑槽杠桿式手部設(shè)計(jì)的基本要求為： (1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。 (2)手指應(yīng)具有一定的開(kāi)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。 本設(shè)計(jì)考慮到設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便，采用了滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型的手部結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)圖如下。 驅(qū)動(dòng)桿可以連接液壓缸，由液壓缸帶動(dòng)其往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而讓手指夾緊或放松。 通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手抓，用了滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型的手部結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)圖如下。 驅(qū)動(dòng)桿可以連接液壓缸，由液壓缸帶動(dòng)其往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而讓手指夾緊或放松。 下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析： (a) (b) 圖3-1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析 1-手指 2-銷軸 3-杠桿 在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過(guò)銷軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點(diǎn)，交和的延長(zhǎng)線于A及B。 由 =0 得 = 由 =0 得 = = 由=0 得=·h F= 式中 a-手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離(mm)。 -工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。 由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力F一定時(shí)，角增大，則握力也隨之增大，但角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=~ 3.2夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算： 式中 ——安全系數(shù)，通常1.2~2.0； ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋是重力方向的最大上升加速度 ，g=9.8 m/s ； ——運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度；； ——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取0.03~0.5s； ——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇； G——被抓取工件所受重力（N）。 計(jì)算：設(shè)a=40mm，b=120mm，=35°；機(jī)器人達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為0.5s，求夾緊力和驅(qū)動(dòng)力和 驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。 (1) 設(shè)=1.6 =60 mm/s =0.5s ==1.01 =0.5 根據(jù)公式，將已知條件帶入： =1.6×1.01×0.5×15kg×9.8=119N 根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得： (2) ==119=479N 取 (3) ==599N 3.3 夾緊油缸的設(shè)計(jì) 確定液壓缸的直徑D 選取活塞桿直徑d=0.5D，選擇液壓缸壓力油工作壓力P=3MPa 則 D=18.42mm 根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列表（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=25mm，根據(jù)裝配關(guān)系，外徑為36mm。 則活塞桿直徑為： d=250.5=12.5mm，根據(jù)活塞桿標(biāo)準(zhǔn)系列選取d=12mm。 3.4手抓的設(shè)計(jì) 機(jī)器人的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確，抓取精度高，重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能。 機(jī)器人能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)器人的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件來(lái)決定），而且也于機(jī)器人夾持誤差大小有關(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，一定要進(jìn)行機(jī)器人的夾持誤差分析。 圖3-3 手抓夾持誤差分析示意圖 該設(shè)計(jì)以棒料來(lái)分析機(jī)器人的夾持誤差精度。 機(jī)器人的夾持范圍為Φ30~Φ60mm。 夾持誤差不超過(guò)±3mm，分析如下： 工件的平均半徑： ==45mm 手指長(zhǎng)L=120mm，取V型夾角 偏轉(zhuǎn)角：β ===64.34° 按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： β=64.34° 計(jì)算理論平均半徑 120×sin60°cos64.34°=45mm 因?yàn)? 1.484 0.166 所以=1.484<3 夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。 第4章 機(jī)器人臂部設(shè)計(jì) 4.1臂部整體設(shè)計(jì) 手臂部件是機(jī)器人的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并帶動(dòng)它們作空間轉(zhuǎn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。因此，臂部具有兩個(gè)自由度才能滿足基本要求：即手臂，左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由油缸驅(qū)動(dòng)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從背部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的靜動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力復(fù)雜。因而，它的結(jié)構(gòu)，工作范圍，靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機(jī)器人的工作性能。 機(jī)身是固定的，它直接承受和傳動(dòng)手臂的部件，實(shí)現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。臂部要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，需滿足下列各項(xiàng)基本要求： 1）機(jī)器人臂式機(jī)身的承載 機(jī)器人臂式機(jī)身的承載能力，取決于其剛度，結(jié)構(gòu)上采用水平懸伸梁形式。顯然，伸縮臂桿的懸伸長(zhǎng)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(duì)于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，位置精度和負(fù)荷能力等影響很大。 2）臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 機(jī)器人臂的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)器人主要參數(shù)之一，它反映機(jī)器人的生產(chǎn)水平，一般時(shí)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來(lái)決定。在一般情況，手臂回轉(zhuǎn)要求均速運(yùn)動(dòng)，（V和w為常數(shù)），但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)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(dòng)。 對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在1000～1500mm/s，最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在180°/s內(nèi)，在大部分行程距離上平均移動(dòng)速度為1000mm/s內(nèi)，平均回轉(zhuǎn)角速度為90°/s內(nèi)。 3）手臂動(dòng)作應(yīng)靈活 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。 對(duì)于懸臂式的機(jī)器人，其傳動(dòng)件，導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理，使手臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生“卡死”的現(xiàn)象（自鎖現(xiàn)象）。 4）位置精度要高 一般說(shuō)來(lái)，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人位置精度較高；除此之外，要求機(jī)器人同用性要好，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(jī)器人，還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)器人，還要設(shè)置防塵裝置等。 考慮到本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人最大夾持重量15Kg，抓取重量較小，因此本設(shè)計(jì)選擇油缸桿伸縮機(jī)構(gòu)，其手臂的伸縮油缸活塞桿安裝在導(dǎo)向套內(nèi)，減小油缸桿的彎曲應(yīng)力?；钊麠U受拉壓和彎曲載荷共同作用，受力簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。使用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓缸選取雙作用液壓缸。 4.2手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。 做水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦、慣性等幾個(gè)方面的阻力，來(lái)確定來(lái)確定液壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力。液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算為 4.2.1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算 由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。 得 得 式中 參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L——手臂與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m），參考上一節(jié)的計(jì)算; a——導(dǎo)向支撐的長(zhǎng)度（m）; ——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。 對(duì)于圓柱面： ——摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無(wú)潤(rùn)滑時(shí)： 鋼對(duì)青銅：取 鋼對(duì)鑄鐵：取 計(jì)算：油缸桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向套支撐選擇鋼， 預(yù)估，已知L=800mm，導(dǎo)向支撐a設(shè)計(jì)為200mm 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算 600=1260N 4.2.2手臂密封處的摩擦阻力的計(jì)算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用O型密封圈，當(dāng)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。 4.2.3手臂慣性力的計(jì)算 =0.1 式中 ——參與運(yùn)動(dòng)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(dòng)時(shí)間(s)，一般取0.01~0.5； 設(shè)啟動(dòng)時(shí)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(qū)動(dòng)力為=1446N。 4.3手臂伸縮油缸的設(shè)計(jì) 表5-1 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(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力F=4378N，根據(jù)表5-1選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa； 4.3.1確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖5-2所示 圖4-2 雙作用液壓缸示意圖 當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔： 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔： 液壓缸的有效面積： (mm) 所以 （無(wú)桿腔） （有桿腔） 式中——活塞驅(qū)動(dòng)力(P)； ——油缸的工作壓力(MPa)； ——活塞桿直徑； ——油缸機(jī)械效率，工程機(jī)械中用耐油橡膠可取=0.96； 由上節(jié)求得驅(qū)動(dòng)力F=1446N，=1MPa，機(jī)械效率=0.96 將數(shù)據(jù)代入得： ==43.8mm 根據(jù)表4-1（JB826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=50mm. 4.3.2液壓缸外徑的設(shè)計(jì) 外徑按中等壁厚設(shè)計(jì)，根據(jù)（JB1068-67）取油缸外徑外徑選擇76mm. 4.3.3活塞桿的計(jì)算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求。對(duì)于桿長(zhǎng)L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算： (mm) 設(shè)計(jì)中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應(yīng)力的=100~120Mpa。本次取=110 則： =4.1mm 考慮到手部夾緊油缸需內(nèi)置于該活塞桿，而前述已算得手部夾緊油缸外徑為36mm，所以活塞直徑按下表取d=36mm，滿足強(qiáng)度和裝配要求。 表5-2 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(xiàn)在進(jìn)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(shù)，=2~4。 按中長(zhǎng)桿進(jìn)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(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)，碳鋼a=461，b=2.47； ——柔度系數(shù)，經(jīng)計(jì)算為70。 代入數(shù)據(jù)，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。 4.3.4 油缸端蓋的設(shè)計(jì) (1) 缸體材料選擇無(wú)縫鋼管，此時(shí)端蓋的連接方式多采用半環(huán)鏈接優(yōu)點(diǎn)是加工和裝拆方便，缺點(diǎn)是缸體開(kāi)環(huán)槽削弱了強(qiáng)度 (2) 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 為保證連接的緊密性，螺釘間距t應(yīng)適當(dāng)（如圖4-2），在這種聯(lián)結(jié)中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預(yù)緊力之和 =+ 式中 ——工作載荷，=； ——螺釘中心所在圓的直徑； P——驅(qū)動(dòng)力。 Z——螺釘數(shù)目，Z=； ——剩余預(yù)緊力，=KQ，K=1.5~1.8； 計(jì)算： D=76mm，取=90mm，P=1MPa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見(jiàn)表4.3，間距應(yīng)小于150mm，試選螺釘數(shù)為6個(gè)： 表4-3 螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系 工作壓力P（Mpa） 螺釘?shù)拈g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(shù)據(jù)=46<150，滿足要求； ==838N； 選擇K=1.5，=1.5=1255N; =+=837+1257=2095N 螺釘直徑按強(qiáng)度條件計(jì)算 式中 ——計(jì)算載荷，=1.3； ——許用抗拉應(yīng)力，=； ——螺釘材料的屈服點(diǎn)，材料選擇45鋼，則屈服強(qiáng)度為352MPa； n——安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2； ——螺紋內(nèi)徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。 計(jì)算： =1.3=1.3×2095=2723.5N 代入數(shù)據(jù)： ===0.0045m 第5章 機(jī)器人機(jī)身設(shè)計(jì) 機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)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(yùn)動(dòng)。 5.1 機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)手臂210°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮分析。 機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)器人的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種： （1） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)路線長(zhǎng)，花鍵軸的變形對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響較大。 （2） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。 （3） 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)齒條齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動(dòng)。 綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)機(jī)身包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降。如圖6所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸體連接，由缸體帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊麠U采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向。花鍵軸與與升降缸的下端蓋用鍵來(lái)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(guò)花鍵軸固定了活塞桿。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸通過(guò)兩個(gè)油孔，一個(gè)進(jìn)油孔，一個(gè)排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來(lái)決定，對(duì)于本設(shè)計(jì)就是考慮兩個(gè)葉片之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中動(dòng)片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)210°。 5.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5.2.1回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 手臂回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算公式為： =++ (N·m) 慣性力矩 = 式中 ——臂部回轉(zhuǎn)部件(包括工件)對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m）； ——回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片角速度變化量，在啟動(dòng)過(guò)程=(rad/s)； ——啟動(dòng)過(guò)程的時(shí)間(s)； 若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為(前面計(jì)算得=800mm)，則 式中 ——回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 = 回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個(gè)長(zhǎng)600mm，直徑為1000mm的圓柱體，質(zhì)量為100Kg.設(shè)置起動(dòng)角速度=70°/s，則起動(dòng)角速度=1.22，起動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為0.5s。 === 28 kg·m =28+=93.3kg·m ==93.3=227.6 為了簡(jiǎn)便計(jì)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(jì)，=0 所以 =227.6+0+0.03 =234.6 5.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸參數(shù)的確定 （1）回轉(zhuǎn)缸油腔內(nèi)徑D計(jì)算公式為： 式中 P——回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力； d——輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑，初步設(shè)計(jì)按D/d=1.5~2.5； b——?jiǎng)悠瑢挾龋砂?b/(D-d)≥2選取。 選定回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片寬b=50mm，工作壓力為5MPa，d=50mm =94.9mm 按標(biāo)準(zhǔn)油缸內(nèi)徑選取內(nèi)徑為100mm。 （2）油缸缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為5Mpa，所以螺釘間距t應(yīng)小于80mm。螺釘數(shù)目 Z==×3.14=3.93 所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目選擇6個(gè)。 危險(xiǎn)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?shù)闹睆? d=10mm 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm.選擇M10的內(nèi)六角圓頭螺釘。 經(jīng)過(guò)以上的計(jì)算，最終確定的液壓缸的尺寸，內(nèi)徑為100mm，外徑按中等壁厚設(shè)計(jì)，根據(jù)表4-2（JB1068-67）取外徑選擇168mm，輸出軸徑為50mm。 （3）動(dòng)片聯(lián)接螺釘?shù)挠?jì)算 動(dòng)片和輸出軸之間的聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱安裝，并用兩個(gè)定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔檬鞘箘?dòng)片和輸出軸之間的配合面緊密接觸不留間隙。根據(jù)動(dòng)片所受力矩的平衡條件有 = 即 式中 ——每個(gè)螺釘預(yù)緊力； D——?jiǎng)悠耐鈴剑? f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對(duì)鋼取f=0.15 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 或 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得 ===10416.7N 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘?shù)闹睆絛=9.3mm 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm.選擇M10的內(nèi)六角圓頭螺釘。 5.3機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5.3.1手臂片重力矩的計(jì)算 圖 5-3 手臂各部件重心位置圖 (1) 估算重量：=150N，=150N，=500N (2) 計(jì)算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離: =800mm，=760mm， =400mm。 由于 = 所以 =0.5425m (3) 計(jì)算偏重力矩 =434 5.3.2升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件 手臂在的作用下有向下的趨勢(shì)，而里立柱導(dǎo)套卻阻止這種趨勢(shì)。所謂不自鎖條件就是升降立柱能在導(dǎo)套內(nèi)自由下滑，即 ＞= 所以 若取摩擦系數(shù) f=0.16，則導(dǎo)套長(zhǎng)度h＞0.32 即 h＞0.32×0.5425=0.1736m 5.3.3升降油缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)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(jì)算 設(shè)定速度為V=0.6m/s；起動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間差t=0.1s、為800N。 將數(shù)據(jù)帶入上面公式有： 489.8N (2) 的計(jì)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(guò)近似估算 (4) 由于背壓阻力較小，為簡(jiǎn)便計(jì)算，可將其忽略，=0 所以 F=489.8+800+0.03F 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)=2105N 當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)=505N 5.3.4升降缸尺寸參數(shù)的確定 (1) 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算 液壓缸驅(qū)動(dòng)力按上升時(shí)計(jì)算，F(xiàn)=2105N，由表(5-1)選擇油缸工作壓力為1.0MPa，計(jì)算如5.4節(jié)公式，代入數(shù)據(jù)： ==0.1029 根據(jù)表(4-1)可選取液壓缸內(nèi)徑D=125mm。 (2) 液壓缸外徑的計(jì)算 按厚壁計(jì)算(3.2)： 式中 ——缸體材料的許用應(yīng)力，無(wú)縫鋼管時(shí)=100~110MPa 根據(jù)表4-2（JB1068-67）取外徑選擇180mm. (3) 活塞桿的計(jì)算 設(shè)計(jì)中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應(yīng)力的=100~120Mpa。本次取=110 則： =4.94mm 活塞桿直徑應(yīng)大于8.5mm。 (4) 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 D=120mm，取=180mm，P=1.0MPa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見(jiàn)表4-3，間距應(yīng)小于120mm，試選螺釘數(shù)為6個(gè)： 則 Z=，代入數(shù)據(jù)=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(qiáng)度條件計(jì)算： 式中 ——計(jì)算載荷，=1.3； ——許用抗拉應(yīng)力，=； ——螺釘材料的屈服點(diǎn)，材料選擇45鋼，則屈服強(qiáng)度為352MPa； n——安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2； ——螺紋內(nèi)徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。 計(jì)算： =1.3=1.3×4907=6379.1N 代入數(shù)據(jù)： ===0.0068m 第6章 機(jī)器人液壓及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.1液壓系統(tǒng)方案擬定 6.1.1調(diào)速回路方案分析 （1）方案一：節(jié)流調(diào)速 節(jié)流調(diào)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(diào)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(diào)速原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：能量損失較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便。 而缺點(diǎn)是：效率較低，發(fā)熱大。 （2）方案二：容積調(diào)速 容積調(diào)速，采用變量泵或變量馬達(dá)，以改變泵或馬達(dá)的排量調(diào)節(jié)速度。這種系統(tǒng)稱泵控系統(tǒng)。如圖（8） 圖（8）為容積調(diào)速原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：效率高，發(fā)熱小，使用維護(hù)方便。缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜 （3）方案三：容積節(jié)流調(diào)速 容積節(jié)流調(diào)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(jìn)而調(diào)節(jié)速度，同時(shí)又使變量泵的流量與通過(guò)流量控制閥的流量相適應(yīng)。如圖（9） 圖（9）為容積節(jié)流調(diào)速原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：沒(méi)有溢流損失，效率較高，速度穩(wěn)定性相對(duì)好。缺點(diǎn)是：會(huì)有節(jié)流損失。 以上方案，每個(gè)都有它們的優(yōu)缺點(diǎn)。在中小型專用機(jī)床的液壓系統(tǒng)中，進(jìn)給速度的控制一般采用節(jié)流閥或者調(diào)速閥。根據(jù)銑削類專用機(jī)床工作時(shí)對(duì)低速性能和速度負(fù)載特性都有一定要求的特點(diǎn)，因此本次設(shè)計(jì)采用限壓式變量葉片泵和調(diào)速閥組成的容積節(jié)流調(diào)速。這種調(diào)速回路具有效率高、發(fā)熱小和速度剛性好的特點(diǎn)，并且調(diào)速閥安裝在回油路上，這樣具有承受負(fù)切削力的能力。 6.1.2 快進(jìn)回路方案分析 （1）方案一：液壓缸差動(dòng)連接快速調(diào)速 差動(dòng)連接是，活塞無(wú)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(dòng)的根本原因。）在兩端面受 壓力（壓強(qiáng)）相同時(shí)，無(wú)桿端面的總壓力大，會(huì)將活塞推著向有桿端移動(dòng)，這就是差動(dòng)。這時(shí)，將有桿腔排出的油導(dǎo)入無(wú)桿腔，就在泵油的基礎(chǔ)上增加了流量，能使活塞更快移動(dòng)，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(dòng)連接原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：活塞桿伸出時(shí)能獲得較快的速度，即使泵的流量較小.但這時(shí)油缸的出力較小，不適合重載.?油缸設(shè)計(jì)合理時(shí)，不需要調(diào)節(jié)，就可以使活塞桿伸出和回縮時(shí)速度相等。缺點(diǎn)：噪聲大。 （2）方案二：采用蓄能器的快速調(diào)速 蓄能器是，液壓或液壓系統(tǒng)中的一種能量?jī)?chǔ)蓄裝置。它在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)需要的時(shí)，又將壓縮能或位能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤夯驓鈮旱饶芏尫懦鰜?lái)，重新補(bǔ)供給系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)瞬間壓力增大時(shí)，它可以吸收這部分的能量，以保證整個(gè)系統(tǒng)壓力正常。如圖（11） 圖（11）為蓄能器快速調(diào)速原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：反應(yīng)靈敏，工作可靠。缺點(diǎn)是：制造困難，密封性要求高。 （3）方案三：雙泵供油快速調(diào)速 雙泵供油是，用兩個(gè)泵來(lái)提供動(dòng)力，其中一個(gè)為大流量泵，用以實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)；另外一個(gè)是小流量泵，則用以實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給，如圖（12） 圖（12）為雙泵供油快速調(diào)速 其優(yōu)點(diǎn)是：功率損耗小，系統(tǒng)效率高，應(yīng)用較為普遍。而缺點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比快速調(diào)速方法選用液壓缸差動(dòng)連接快速調(diào)速。因?yàn)槠涔ぷ餍矢叨矣偷难h(huán)利用，速度的調(diào)節(jié)也比較好，而且結(jié)構(gòu)相對(duì)雙泵供油，容積調(diào)速等方式簡(jiǎn)單，制造難度比蓄能器低，而且反應(yīng)靈敏。很符合現(xiàn)在社會(huì)的發(fā)展需要和工業(yè)生產(chǎn)需要。 6.1.3夾緊回路的選擇 用二位四通電磁閥來(lái)控制夾緊，松開(kāi)換向動(dòng)作時(shí)，為了避免工作時(shí)因?yàn)橥蝗粩嚯姸砷_(kāi)，應(yīng)該采用失電夾緊方式?？紤]到夾緊時(shí)間可以調(diào)節(jié)和當(dāng)油路壓力瞬時(shí)下降時(shí)還能保持夾緊力，所以要接入節(jié)流閥調(diào)速和單向閥保壓。在該回路中還裝有減壓器，用來(lái)調(diào)節(jié)夾緊力的大小和保持夾緊力的穩(wěn)定。 最后把所選的液壓回路組合起來(lái)，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 6.2液壓元件的計(jì)算和選擇 6.2.1液壓泵 ① 工作壓力： P=P=5 MPa，估算=0.5MPa 所以 P5 +0.5=5.5MPa ② 流量： =29.44L/min，取K=1.1 所以QK20.24=32.4L/min ③ 規(guī)格： 根據(jù)《液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》P152，表20-5-6，選擇齒輪泵CB40，n=1460r/min，Q=40L/min，P=6MPa ④ 電機(jī)選用： 取泵的總效率=0.85，則N==4.7kw 選電機(jī)：Y132M-4，N=5.5kw，n=1460r/min。 6.2.2確定油箱容量 V=100L 6.2.3液壓元件的選擇 表7 液壓元件一覽表 序號(hào) 元件名稱 規(guī)格 數(shù)量 1 線隙式過(guò)濾器 2.5MPa，100L/min 1 2 電動(dòng)機(jī) 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(kāi)關(guān) 6.3MPa，4 1 注：表中元件的序號(hào)與液壓系統(tǒng)原理圖中的序號(hào)相對(duì)應(yīng)。 6.3液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算 6.3.1驗(yàn)算回路中的壓力損失 本系統(tǒng)較為復(fù)雜，有多個(gè)液壓執(zhí)行元件動(dòng)作回路，其中環(huán)節(jié)較多，管路損失較大的要算注射缸動(dòng)作回路，故主要驗(yàn)算由泵到注射缸這段管路的損失。 ⑴沿程壓力損失 沿程壓力損失，主要是注射缸快速注射時(shí)進(jìn)油管路的壓力損失。此管路長(zhǎng) 5m，管內(nèi)徑0.032m，快速時(shí)通過(guò)流量2.7L/s；選用20號(hào)機(jī)械系統(tǒng)損耗油，正常運(yùn)轉(zhuǎn)后油的運(yùn)動(dòng)粘度ν＝27mm2/s，油的密度ρ＝918kg/m3。 油在管路中的實(shí)際流速為 油在管路中呈紊流流動(dòng)狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)為： 求得沿程壓力損失為： ⑵局部壓力損失 局部壓力損失包括通過(guò)管路中折管和管接頭等處的管路局部壓力損失Δp2，以及通過(guò)控制閥的局部壓力損失Δp3。其中管路局部壓力損失相對(duì)來(lái)說(shuō)小得多，故主要計(jì)算通過(guò)控制閥的局部壓力損失。 單向順序伺17的額定流量為50L/min，額定壓力損失為0.4MPa。電液換向閥2的額定流量為190L/min，額定壓力損失0.3 MPa。單向順序閥18的額定流量為150L/min，額定壓力損失0.2 MPa。 通過(guò)各閥的局部壓力損失之和為 從大泵出油口到注射缸進(jìn)油口要經(jīng)過(guò)單向閥13，電液換向閥2和單向順序閥18。單向閥13的額定流量為250L/min，額定壓力損失為0.2 MPa。 通過(guò)各閥的局部壓力損失之和為： 由以上計(jì)算結(jié)果可求得快速注射時(shí)，小泵到注射缸之間總的壓力損失為 ∑p1＝(0.03＋0.88)MPa＝0.91MPa 大泵到注射缸之間總的壓力損失為 ∑p 2＝(0.03＋0.65)MPa＝0.68MPa 由計(jì)算結(jié)果看，大小泵的實(shí)際出口壓力距泵的額定壓力還有一定的壓力裕度，所選泵是適合的。 綜合考慮各工況的需要，確定系統(tǒng)的最高工作壓力為6.3MPa，也就是溢流閥7的調(diào)定壓力。 6.3.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計(jì)算 ⑴計(jì)算發(fā)熱功率 液壓系統(tǒng)的功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量。 發(fā)熱功率計(jì)算如下 Phr＝Pr－Pc 對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，Pr是整個(gè)工作循環(huán)中雙泵的平均輸入功率。 系統(tǒng)總輸出功率 求系統(tǒng)的輸出有效功率： 由前面給定參數(shù)及計(jì)算結(jié)果可知：合模缸的外載荷為90kN，行程0.35m；注射缸的外載荷為192kN，行程0.2m；預(yù)塑螺桿有效功率5kW，工作時(shí)間15s；開(kāi)模時(shí)外載荷近同合模，行程也相同。注射機(jī)輸出有效功率主要是以上這些。 總的