步進(jìn)電機(jī)控制的柱坐標(biāo)機(jī)械手及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)含21張CAD圖-獨(dú)家.zip

步進(jìn)電機(jī)控制的柱坐標(biāo)機(jī)械手及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)含21張CAD圖-獨(dú)家.zip,步進(jìn),電機(jī),控制,坐標(biāo),機(jī)械手,回轉(zhuǎn),機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),21,CAD,獨(dú)家 步進(jìn)電機(jī)控制的柱坐標(biāo)機(jī)械手及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長(zhǎng)期頻繁、單調(diào)的操作。搬運(yùn)機(jī)械手可以代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行單調(diào)持久的作業(yè)，實(shí)現(xiàn)一些人工不可能完成的工作，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)環(huán)境，提高了生產(chǎn)效率，已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的一種自動(dòng)化裝置。如果沒(méi)有機(jī)械手那么工人的勞動(dòng)強(qiáng)度是很高的，并且生產(chǎn)速度大大延緩。因此，對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的研究具有深刻而重要的意義。 本機(jī)械手主要用于金屬工件（棒料）的搬運(yùn)工作，能夠配合機(jī)床（如鍛床、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床）或裝配線等進(jìn)行圓柱形工件搬運(yùn)。本機(jī)械手為液壓驅(qū)動(dòng)，采用圓柱坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)，具有3個(gè)自由度。本設(shè)計(jì)首先對(duì)機(jī)械手的各個(gè)部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算，選定液壓缸和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)后，對(duì)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。其次對(duì)機(jī)械手的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)和布線，最后用PLC編程控制電氣系統(tǒng)的各執(zhí)行元件從而控制液壓系統(tǒng)電磁閥的動(dòng)作。到達(dá)搬運(yùn)機(jī)械手搬運(yùn)工件的最終要求。 關(guān)鍵詞：工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)械手、搬運(yùn)、液壓、PLC ABSTRACT Handling of heavy artifacts often appears in industrial production and frequent, monotonous operation for a long time. Carrying manipulator can replace artificial at high temperatures and dangerous drab lasting homework assignments section, implement some artificial impossible work, reduces the labor intensity, improve the working environment, improve the production efficiency, has become indispensable in modern manufacturing a kind of automatic device. If there is no manipulator so labor intensity is high, and production speed greatly retard. Therefore, the study of carrying manipulator has the profound and important significance. This manipulator is mainly used for metal artifacts (bar) handling work, to be able to cooperate with machine tools (such as forging, CNC machine, combination machine tool bed) or assembly line of cylindrical workpiece handling. This manipulator for the hydraulic pressure drive, adopt the structure of cylindrical coordinate system, with three degrees of freedom. This design first for each part has carried on the detailed design and calculation of the manipulator, the selected hydraulic cylinder and the end of the actuator, the connection structure has carried on the detailed design and strength check. Second to design of hydraulic system of the manipulator, on the basis of the hydraulic system for the reasonable design and wiring, the electrical control system with PLC programming finally control electrical system of the hydraulic system is controlled by solenoid valves. To the final requirements of carrying manipulator of porter. Keywords: industrial production, robots, handling, hydraulic, PLC I 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 緒論 4 0.1 工業(yè)機(jī)械手的概述 4 0.2 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 4 0.3 機(jī)械手的組成 5 0.4 工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 6 0.5 初始參數(shù)與設(shè)計(jì)要求 6 第1章 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)和計(jì)算 8 1.1 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)要求 8 1.2 機(jī)械手手部受力分析 8 1.3 機(jī)械手手部夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 9 1.3.1 夾緊力的計(jì)算 9 1.3.2 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 10 1.4 機(jī)械手手部驅(qū)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì) 10 1.4.1 缸筒內(nèi)徑D的設(shè)計(jì) 10 1.4.2 活塞桿直徑d的設(shè)計(jì) 11 1.4.3 缸筒壁厚δ的設(shè)計(jì) 12 1.5 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算 12 第2章 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)和計(jì)算 14 2.1 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的選擇 14 2.2 機(jī)械手手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 14 2.3 機(jī)械手手臂伸縮油缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算 15 2.3.1 工作壓力的確定 15 2.3.2 缸筒內(nèi)徑D的計(jì)算 16 2.3.3 活塞桿直徑d的設(shè)計(jì) 17 2.3.4 缸筒壁厚δ的設(shè)計(jì) 17 2.3.5 油缸端蓋的連接方式 18 第3章 機(jī)械手機(jī)身的設(shè)計(jì)和計(jì)算 19 3.1 機(jī)械手機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 19 3.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 20 3.2.1 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 20 3.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸的確定 21 3.2.3 油缸缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 21 3.2.4 動(dòng)片聯(lián)接螺釘?shù)挠?jì)算 22 3.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 22 3.3.1 手臂片重力矩的計(jì)算 22 3.3.2 升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件 23 3.3.3 升降油缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 23 3.3.4 油缸尺寸參數(shù)的計(jì)算 24 3.4 齒輪的設(shè)計(jì)和計(jì)算 25 3.4.1 齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 26 3.4.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 26 3.5 底座的設(shè)計(jì) 27 第4章 機(jī)械手主要零件的校核 28 4.1 手部驅(qū)動(dòng)液壓缸的校核 28 4.1.1 缸筒內(nèi)徑的校核 28 4.1.2 活塞桿強(qiáng)度校核 28 4.2 手臂伸縮油缸的校核 29 4.2.1 缸筒內(nèi)徑的校核 29 4.2.2 活塞桿強(qiáng)度校核 29 4.3 回轉(zhuǎn)油缸的校核 30 4.3.1 缸筒內(nèi)徑的校核 30 4.3.2 活塞桿強(qiáng)度校核 31 4.4 升降油缸的校核 32 4.4.1 缸筒內(nèi)徑的校核 32 4.4.2 活塞桿強(qiáng)度校核 32 第5章 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 34 5.1 液壓系統(tǒng)的工況分析 34 5.1.1 手部夾緊缸的工況分析 34 5.1.2 手臂伸縮缸的工況分析 34 5.1.3 機(jī)身回轉(zhuǎn)缸的工況分析 35 5.1.4 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)升降缸的工況分析 35 5.2 計(jì)算和選擇液壓元件 36 5.2.1 液壓泵的計(jì)算和選擇 36 5.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用 36 5.2.3 油箱容量的確定 36 5.2.4 液壓元件的選擇 37 5.2.5 液壓系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì) 37 5.2.6 機(jī)械手動(dòng)作順序的分析 40 5.2.7 液壓系統(tǒng)工作原理的分析 41 第6章 機(jī)械手電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 43 6.1 繼電器-接觸器控制線路的設(shè)計(jì) 43 6.2 電器元件的選擇 45 6.3 機(jī)械手控制操作面板 46 第7章 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 47 7.1 可編程控制器簡(jiǎn)介及應(yīng)用 47 7.2 可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 47 7.3 可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟 48 7.4 控制程序的梯形圖 49 7.4.1 總體方案設(shè)計(jì)梯形圖 49 7.4.2 手動(dòng)控制程序梯形圖 49 7.4.3 自動(dòng)控制程序梯形圖 50 7.4.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇 52 結(jié)論 54 致謝 55 參考文獻(xiàn) 56 緒論 0.1 工業(yè)機(jī)械手的概述 工業(yè)機(jī)械手在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色，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，是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。 工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支，它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。 0.2 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，現(xiàn)代化加工車(chē)間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？稍跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國(guó)機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個(gè)生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。具體應(yīng)用在以下幾方面： 1、建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤(pán)類(lèi)、環(huán)類(lèi)）自動(dòng)線 2、在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面 3、鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面 0.3 機(jī)械手的組成 工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。 1、執(zhí)行機(jī)構(gòu) (1) 手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤(pán)（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤(pán)。 傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 (2) 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專(zhuān)用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。 目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小（一般小于 2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 (3) 臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。 手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。 (4) 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國(guó)的正處于仿真階段。 2、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類(lèi)。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 3、控制系統(tǒng)分類(lèi) 在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷(xiāo)板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤(pán)磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 0.4 工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 1、工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的6.5萬(wàn)美元。 2、機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 3、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)：大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4、機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 5、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。 6、當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 0.5 初始參數(shù)與設(shè)計(jì)要求 1、抓重：120kg (夾鉗式手部) 2、自由度數(shù)：3個(gè)自由度（手臂的伸長(zhǎng)、縮短和整體旋轉(zhuǎn)） 3、坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)型 4、最大工作半徑：1200mm 5、手臂最大中心高：900mm 6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 伸縮行程 0～500mm 伸出速度 130mm/s 伸出速度 200mm/s 升降行程 0～500mm 上升速度 100mm/s 下降速度 150mm/s 7、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：回轉(zhuǎn)范圍 0°～200° 回轉(zhuǎn)速度 60°/s 8、手指夾持范圍：棒料: Ф100～Ф200mm 9、定位精度：±2mm 10、液壓方式：液壓傳動(dòng) 11、控制方式：采用PLC程序控制 第1章 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)和計(jì)算 1.1 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)要求 1、應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需要的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。 2、手指應(yīng)具有一定的張開(kāi)范圍，以便于抓取工件。 3、在保證本身剛度，強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕手臂負(fù)載。 4、應(yīng)保證手抓的夾持精度。 1.2 機(jī)械手手部受力分析 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，采用滑槽杠桿式，夾緊裝置采用常開(kāi)式夾緊裝置，他在彈簧的作用下手抓閉合。下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析： 滑槽杠桿圖1-1(a)為常見(jiàn)的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 (a) (b) 圖1-1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析 1、手指 2、銷(xiāo)軸 3、杠桿 在杠桿3的作用下，銷(xiāo)軸2向上的拉力為F，并通過(guò)銷(xiāo)軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷(xiāo)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(chēng)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=~ 1.3 機(jī)械手手部夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 1.3.1 夾緊力的計(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，本設(shè)計(jì)取； —工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估其中a是重力方向的最大上升加速度 ，g=9.8 m/s； 即==1.02 —運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度，本設(shè)計(jì)為100mm/s； —系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取0.03~0.5s，本設(shè)計(jì)取0.5s； —方位系數(shù)，本設(shè)計(jì)取=0.5； G—被抓取工件所受重力（N）。本文抓夾工件重量為120kg（及1176N） 設(shè)a=50mm，b=130mm，=35°。根據(jù)公式，將上述已知條件帶入公式得： 1.3.2 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可以知道，驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式為= 其中a=50mm，b=130mm，=35°， 代入上式得===3347N 考慮到機(jī)械手抓重過(guò)程中的效率問(wèn)題（?。詫?shí)際抓重所需要的驅(qū)動(dòng)力為：==3938N 1.4 機(jī)械手手部驅(qū)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì) 1.4.1 缸筒內(nèi)徑D的設(shè)計(jì) 氣缸實(shí)際推力計(jì)算公式： 氣缸公稱(chēng)壓力也稱(chēng)額定壓力，是液壓缸能以長(zhǎng)期工作壓力。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了公稱(chēng)壓力系列標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)下表1-1。 表1-1 公稱(chēng)壓力系列單位：MPa 0.63 1.0 1.6 2.5 4.0 6.3 10.0 16.0 25.0 31.5 40.0 綜合考慮后選取公稱(chēng)壓力 最高允許壓力是液壓缸在瞬間能承受最大的極限壓力。 國(guó)家規(guī)范規(guī)定為： 耐壓測(cè)試壓力是氣缸在檢查質(zhì)量時(shí)需要承受的測(cè)試壓力。在此壓力測(cè)試時(shí)間內(nèi)，全部零件不得有破壞或永久變形等異常現(xiàn)象。 國(guó)家規(guī)范規(guī)定為： 所以 可得出,參見(jiàn)表1-2，取D=50mm。 表1-2 氣缸徑尺寸系列單位（mm） 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 1.4.2 活塞桿直徑d的設(shè)計(jì) 活塞桿直徑d一般按氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比（兩腔面積比）計(jì)算， 公式為：式中—往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比，參見(jiàn)表1-3，選取； 得；參見(jiàn)表1-4，取d=32mm。 表1-3 速度比? 選擇 壓力MPa ≤10 12.5～20 ≥20 速度比? 1.33 1.46 2 表1-4 活塞桿直徑尺寸系列單位(mm） 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 35 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 活塞桿理論拉力和推力的計(jì)算 圖1-2 活塞受力分析圖 當(dāng)活塞桿伸出時(shí)理論推力： 當(dāng)活塞桿回縮時(shí)理論拉力： 式中和分別為無(wú)桿腔和有桿腔的受力面積；—系統(tǒng)額定壓力4MPa。 1.4.3 缸筒壁厚δ的設(shè)計(jì) 缸筒壁厚可按薄壁缸的缸筒的實(shí)用計(jì)算式：進(jìn)行計(jì)算。 式中：D—缸筒內(nèi)徑40(mm)； —最高允許壓力6(MPa)； —缸筒材料許用應(yīng)力（MPa）； —缸筒材料的屈服強(qiáng)度（MPa)； n—安全系數(shù)取2(一般取1.5～2.5)。 將公式轉(zhuǎn)換為 即 將公式轉(zhuǎn)換為 即 將上述數(shù)據(jù)代入公式，得到，結(jié)合表1-5標(biāo)準(zhǔn)氣缸外徑（JB1068-67）取 表1-5 標(biāo)準(zhǔn)氣缸外徑（JB1068-67） （mm） 氣缸內(nèi)徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20鋼，P＜16 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45鋼，P＜20 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 缸筒材料選取20號(hào)鋼。 1.5 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算 機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度，而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(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)械手的夾持誤差分析。 圖1-3 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)械手的夾持誤差精度。機(jī)械手的夾持范圍為Φ100~Φ200mm。夾持誤差不超過(guò)±2mm，分析如下： 工件的平均半徑：==75mm 手指長(zhǎng)L=130mm，取V型夾角 偏轉(zhuǎn)角：β===48.23° 按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：β=48.23° 計(jì)算理論平均半徑： cos48.23°=75mm 因?yàn)? 1.526 0.136 所以=1.526<2，夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。 第2章 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)和計(jì)算 2.1 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的選擇 本設(shè)計(jì)選擇雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，其手臂的伸縮油缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承擔(dān)彎曲作用，活塞桿受拉壓作用，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。 2.2 機(jī)械手手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 先進(jìn)行粗略的估算或類(lèi)比同類(lèi)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)。 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 1、 機(jī)械手手臂摩擦力的分析與計(jì)算 由于導(dǎo)向桿對(duì)稱(chēng)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）； 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 導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵。 估算，L=680mm,導(dǎo)向支撐a設(shè)計(jì)為200m； 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算 1800=4212N 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。 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0.25s，最大為0.13m/s。 則：=0.1=93.6N 由于背壓阻力較小，可取=0.05 所以=+++=4212+93.6+0.03F+0.05F =3987N 所以手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力為=3987N。 2.3 機(jī)械手手臂伸縮油缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算 根據(jù)前面的設(shè)計(jì)計(jì)算，手臂聯(lián)接面到所夾持工件的中心的距離約為900mm，考慮到抓舉重量比較大，須采用導(dǎo)軌導(dǎo)向液壓驅(qū)動(dòng)的手臂伸縮機(jī)構(gòu)。在伸縮行程為500mm。 2.3.1 工作壓力的確定 表2-1 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=3987N，根據(jù)表2-1選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa； 2.3.2 缸筒內(nèi)徑D的計(jì)算 圖2-1 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=3987N，=1MPa，機(jī)械效率=0.96 將數(shù)據(jù)代入得：==72.8mm 表1-2 液壓缸徑尺寸系列單位（mm），選擇D=80mm。 2.3.3 活塞桿直徑d的設(shè)計(jì) 活塞桿直徑d一般按液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比（兩腔面積比）計(jì)算， 公式為：式中—往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比，參見(jiàn)表1-3，選?。? 得；參見(jiàn)表1-4，取d=40mm。 活塞桿理論拉力和推力的計(jì)算 圖2-2 活塞受力分析圖 當(dāng)活塞桿伸出時(shí)理論推力： 當(dāng)活塞桿回縮時(shí)理論拉力： 式中和分別為無(wú)桿腔和有桿腔的受力面積；—系統(tǒng)額定壓力1MPa。 2.3.4 缸筒壁厚δ的設(shè)計(jì) 缸筒壁厚可按薄壁缸的缸筒的實(shí)用計(jì)算式：進(jìn)行計(jì)算。 式中：D—缸筒內(nèi)徑80(mm)； —最高允許壓力1.5(MPa)；（） —缸筒材料許用應(yīng)力（MPa）； —缸筒材料的屈服強(qiáng)度（MPa)； n—安全系數(shù)取2(一般取1.5～2.5)。 將公式轉(zhuǎn)換為 即 將公式轉(zhuǎn)換為 即 將上述數(shù)據(jù)代入公式，得到，結(jié)合表1-5標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67）取 缸筒材料選取20號(hào)鋼。 2.3.5 油缸端蓋的連接方式 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。 第3章 機(jī)械手機(jī)身的設(shè)計(jì)和計(jì)算 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)。 3.1 機(jī)械手機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。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)選用活塞缸和齒條齒輪機(jī)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3.1旋轉(zhuǎn)液壓缸所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之下的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的端蓋連接，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)?；剞D(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。 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)。 圖3.1 旋轉(zhuǎn)液壓缸 3.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 3.2.1 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=900mm)，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)1500mm，直徑為100mm的圓柱體，質(zhì)量為180Kg.設(shè)置起動(dòng)角度=180，則起動(dòng)角速度=0.314，起動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為0.1s。 === 30.4 kg·m =30.4+=175 kg·m ==175=550 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=550+0+0.03 =567 3.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸的確定 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?，可?b/(D-d)≥2選取。 設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片寬b=60mm，工作壓力為6MPa，d=50mm =123mm 按標(biāo)準(zhǔn)油缸內(nèi)徑選取內(nèi)徑為125mm。壁厚經(jīng)估算后取值15mm 活塞桿直徑d一般按液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比（兩腔面積比）計(jì)算， 公式為：式中—往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比，參見(jiàn)表1-3，選?。? 得；參見(jiàn)表1-4，取d=63mm。 3.2.3 油缸缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為6Mpa,所以螺釘間距t應(yīng)小于80mm。 螺釘數(shù)目 所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目選擇6個(gè)。 危險(xiǎn)截面 所以 所以 螺釘材料選擇Q235，則 螺釘?shù)闹睆? 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=16mm.選擇M16的開(kāi)槽盤(pán)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125mm，外徑按中等壁厚設(shè)計(jì)，根據(jù)表2-4（JB1068-67）取外徑選擇194mm，輸出軸徑為50mm。 3.2.4 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(chēng)安裝，并用兩個(gè)定位銷(xiāo)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?；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 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘?shù)闹睆? 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm.選擇M14的開(kāi)槽盤(pán)頭螺釘。 3.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 3.3.1 手臂片重力矩的計(jì)算 圖3-2 手臂各部件重心位置圖 1、估算重量： 2、計(jì)算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離: 由于 所以 3、計(jì)算偏重力矩 3.3.2 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 3.3.3 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=0.2m/s;起動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間差t=0.02s；近似估算為6114N。 將數(shù)據(jù)帶入上面公式有： (2) 的計(jì)算 = 所以 (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=6239+2005+0.03F 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)=14.8KN 當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)=2210N 3.3.4 油缸尺寸參數(shù)的計(jì)算 (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)=14.8KN，選擇油缸工作壓力為2.5MPa，代入數(shù)據(jù)： ==0.089m 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)JB1068-67，取外徑選擇168mm. (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： =0.053m 活塞桿直徑應(yīng)大于53mm。取80mm (4) 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 D=100mm，取=160mm，P=2.5MPa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，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(chēng)直徑，S為螺距。 計(jì)算： 代入數(shù)據(jù)： ===0.0068m 3.4 齒輪的設(shè)計(jì)和計(jì)算 因本方案回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用的是活塞缸和齒條齒輪。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)。又因回轉(zhuǎn)液壓缸的外徑為155mm。所以下面就齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)： 3.4.1 齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 1、選定齒輪類(lèi)型 選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 2、選定齒輪加工精度等級(jí) 因油缸速度不高，選用7級(jí)精度（GB10095-88） 3、選定齒輪材料 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，本文選擇齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS。 4、齒輪齒數(shù)的選擇 初選小齒輪的齒數(shù) 3.4.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) （注:腳標(biāo)t表示試選或試算值,下同）。 1、確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值 1）、試選 2）、計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)矩 齒輪的轉(zhuǎn)矩就是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所承受的轉(zhuǎn)矩567Nm 3）、根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取齒寬系數(shù)（對(duì)稱(chēng)布置） 4）、根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》取材料彈性影響系數(shù) 5）、根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 6）、根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 7）、根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》取接觸疲勞壽命系數(shù) 8）、計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1 2、按公式進(jìn)行計(jì)算 試算分度圓直徑，由計(jì)算式 得 mm 模數(shù)，取 3.5 底座的設(shè)計(jì) 底座是整個(gè)機(jī)械手工作的平臺(tái)，也是重要的組成部分之一。綜合考慮后，底座的材料選擇HT200。具體結(jié)構(gòu)尺寸詳見(jiàn)附件圖。 第4章 機(jī)械手主要零件的校核 4.1 手部驅(qū)動(dòng)液壓缸的校核 4.1.1 缸筒內(nèi)徑的校核 液壓缸負(fù)載率為實(shí)際使用推力與理論額定推力的比值： 值是以衡量液壓缸在工作時(shí)負(fù)載，其取值范圍在中，故選取的缸徑和液壓缸額定壓力合格。 4.1.2 活塞桿強(qiáng)度校核 1、驗(yàn)算活塞桿的拉伸強(qiáng)度: 式中：d—活塞桿直徑，前面已確定20mm； F—最大推力；為活塞材料的許用應(yīng)力， —活塞桿材料的屈服強(qiáng)度； n—安全系數(shù)，取2； 活塞桿材料選用45號(hào)鋼，=335Mpa； 所以 顯然活塞桿直徑和內(nèi)徑滿足要求。 2、活塞桿彎曲穩(wěn)定性驗(yàn)算 活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，它所承受的軸向力不能超過(guò)使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面形狀、直徑和長(zhǎng)度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)。表4-1液壓缸支承方式和末端系數(shù)ψ2的值，表4-2 、α、ψ1的值，對(duì)支承方式的不同其末端系數(shù)的取值也將不同。 表4-1液壓缸支承方式和末端系數(shù)ψ2的值 支承方式 末端系數(shù)ψ2 一端自由，一端固定 1/4 兩端鉸接 1 一端鉸接，一端固定 2 兩端固定 4 表4-2 、α、ψ1的值 材料 ×108N/m2 α ψ1 鑄鐵 5.6 80 鍛鋼 2.5 110 軟鋼 3.4 90 硬鋼 4.9 85 活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比為 柔性系數(shù)取85，采用一端鉸接，一端固定的支承方式，末端系數(shù)取2 所以，=120，采用拉金公式計(jì)算 安全系數(shù)取n=2 則 顯然選取的活塞桿徑和材料滿足要求。 4.2 手臂伸縮油缸的校核 4.2.1 缸筒內(nèi)徑的校核 液壓缸負(fù)載率為實(shí)際使用推力與理論額定推力的比值： 值是以衡量液壓缸在工作時(shí)負(fù)載，其取值范圍在中，故選取的缸徑和液壓缸額定壓力合格。 4.2.2 活塞桿強(qiáng)度校核 1、驗(yàn)算活塞桿的拉伸強(qiáng)度: 式中：d—活塞桿直徑，前面已確定40mm； F—油缸最大推力； 為活塞材料的許用應(yīng)力， —活塞桿材料的屈服強(qiáng)度； n—安全系數(shù)，取2； 活塞桿為空心桿，材料選用45號(hào)鋼，=335Mpa； 所以 顯然活塞桿直徑和內(nèi)徑滿足要求。 2、活塞桿彎曲穩(wěn)定性驗(yàn)算 活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，它所承受的軸向力不能超過(guò)使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面形狀、直徑和長(zhǎng)度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)。表4-1液壓缸支承方式和末端系數(shù)ψ2的值，表4-2 、α、ψ1的值，對(duì)支承方式的不同其末端系數(shù)的取值也將不同。 活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比為 柔性系數(shù)取85，采用一端鉸接，一端固定的支承方式，末端系數(shù)取2 所以，=120，采用拉金公式計(jì)算 安全系數(shù)取n=2 則 顯然選取的活塞桿徑和材料滿足要求。 4.3 回轉(zhuǎn)油缸的校核 4.3.1 缸筒內(nèi)徑的校核 液壓缸負(fù)載率為實(shí)際使用推力與理論額定推力的比值： 值是以衡量液壓缸在工作時(shí)負(fù)載，其取值范圍在中，故選取的缸徑和液壓缸額定壓力合格。 4.3.2 活塞桿強(qiáng)度校核 1、驗(yàn)算活塞桿的拉伸強(qiáng)度: 式中：d—活塞桿直徑，前面已確定63mm； F—油缸最大推力； 為活塞材料的許用應(yīng)力， —活塞桿材料的屈服強(qiáng)度； n—安全系數(shù)，取2； 活塞桿為空心桿，材料選用45號(hào)鋼，=335Mpa； 所以 顯然活塞桿直徑和內(nèi)徑滿足要求。 2、活塞桿彎曲穩(wěn)定性驗(yàn)算 活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，它所承受的軸向力不能超過(guò)使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面形狀、直徑和長(zhǎng)度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)。表4-1液壓缸支承方式和末端系數(shù)ψ2的值，表4-2 、α、ψ1的值，對(duì)支承方式的不同其末端系數(shù)的取值也將不同。 活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比為 柔性系數(shù)取85，采用一端鉸接，一端固定的支承方式，末端系數(shù)取2 所以，=120，采用拉金公式計(jì)算 安全系數(shù)取n=2 則 顯然選取的活塞桿徑和材料滿足要求。 4.4 升降油缸的校核 4.4.1 缸筒內(nèi)徑的校核 液壓缸負(fù)載率為實(shí)際使用推力與理論額定推力的比值： 值是以衡量液壓缸在工作時(shí)負(fù)載，其取值范圍在中，故選取的缸徑和液壓缸額定壓力合格。 4.4.2 活塞桿強(qiáng)度校核 1、驗(yàn)算活塞桿的拉伸強(qiáng)度: 式中：d—活塞桿直徑，前面已確定20mm； F—油缸最大推力； 為活塞材料的許用應(yīng)力， —活塞桿材料的屈服強(qiáng)度； n—安全系數(shù)，取2； 活塞桿為空心桿，材料選用45號(hào)鋼，=335Mpa； 所以 顯然活塞桿直徑和內(nèi)徑滿足要求。 2、活塞桿彎曲穩(wěn)定性驗(yàn)算 活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，它所承受的軸向力不能超過(guò)使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面形狀、直徑和長(zhǎng)度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)。表4-1液壓缸支承方式和末端系數(shù)ψ2的值，表4-2 、α、ψ1的值，對(duì)支承方式的不同其末端系數(shù)的取值也將不同。 活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比為 柔性系數(shù)取85，采用一端鉸接，一端固定的支承方式，末端系數(shù)取2 所以，=120，采用拉金公式計(jì)算 安全系數(shù)取n=2 則 顯然選取的活塞桿徑和材料滿足要求。 第5章 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5.1 液壓系統(tǒng)的工況分析 根據(jù)前面幾部分設(shè)計(jì)好的各液壓執(zhí)行元件的參數(shù)，現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)作進(jìn)一步的工況分析。 5.1.1 手部夾緊缸的工況分析 已知參數(shù)： D=40mm，d=20mm， ， 相應(yīng)的計(jì)算： 5.1.2 手臂伸縮缸的工況分析 已知參數(shù)： D=80mm，d=40mm， ， 相應(yīng)的計(jì)算： 無(wú)桿腔進(jìn)油情況下 有桿腔進(jìn)油情況下 5.1.3 機(jī)身回轉(zhuǎn)缸的工況分析 已知參數(shù)： D=125，d=50mm，b=60mm，M=，1.1 rad/s 相應(yīng)的計(jì)算： 5.1.4 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)升降缸的工況分析 已知參數(shù)： D=125mm，d=80mm， ， 相應(yīng)的計(jì)算： 5.2 計(jì)算和選擇液壓元件 5.2.1 液壓泵的計(jì)算和選擇 1、工作壓力： P=P=5.76MPa，估算=0.5MPa 所以 P5.76+0.5=6.26MPa 2、 流量： =70.24L/min，取K=1.1 所以QK70.24=77.264L/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CB100，n=1450r/min，Q=100L/min，P=10MPa 5.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用 取泵的總效率=0.85，則N==9.5 kw 選電機(jī)：Y160M-4，N=11kw，n=1460r/min。 5.2.3 油箱容量的確定 V=300L 5.2.4 液壓元件的選擇 表5-1 液壓元件一覽表 序號(hào) 元件名稱(chēng) 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) 11kw，1460r/min 1 3 齒輪泵 10MPa，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 節(jié)流閥 6.3MPa，12 2 9 電磁換向閥 6.3MPa，12 2 10 單向順序閥 2.5MPa，12 2 11 壓力繼電器 (1~6.3)MPa 1 12 減壓閥 6.3MPa，8 1 13 壓力表開(kāi)關(guān) 6.3MPa，4 1 5.2.5 液壓系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì) 本機(jī)械手具有手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)三個(gè)自由度。執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)由手部、手臂伸縮機(jī)構(gòu)、機(jī)身升降機(jī)構(gòu)、機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)定位裝置等組成，每-部分均由液壓缸驅(qū)動(dòng)與PLC控制。它完成的動(dòng)作循環(huán)為： 手臂前伸→手指張開(kāi)→手指夾緊抓料→手臂上升→手臂縮回→手臂回轉(zhuǎn)200°→手臂下降→手指松開(kāi)(此時(shí)主機(jī)夾頭夾著料上升) →手指閉合→手臂上升→手臂回轉(zhuǎn)→手臂下降→待料，泵卸載。 1、 夾緊氣缸氣壓回路設(shè)計(jì) 該氣壓回路的設(shè)計(jì)，詳見(jiàn)圖5-1夾緊氣缸氣壓回路： 圖5-1 夾緊氣缸氣壓回路 原理分析：該氣壓回路采用單向閥保壓和鎖緊，以保證夾緊缸夾持工作的可靠性。該回路采用進(jìn)氣路節(jié)流閥調(diào)速。該回路采用兩位三通電磁換向閥換向，從而實(shí)現(xiàn)手爪夾緊或放松的動(dòng)作。 2、 伸縮氣缸氣壓回路設(shè)計(jì) 該氣壓回路的設(shè)計(jì)，詳見(jiàn)圖5-2 伸縮氣缸氣壓回路： 圖5-2 伸縮氣缸氣壓回路 原理分析：該氣壓回路采用進(jìn)路節(jié)流閥調(diào)速。該回路采用三位四通電磁換向閥換向，從而實(shí)現(xiàn)手臂伸長(zhǎng)或縮短的動(dòng)作。 3、 升降液壓缸液壓回路設(shè)計(jì) 該液壓回路的設(shè)計(jì)，詳見(jiàn)圖5-3升降液壓缸液壓回路： 圖5-3 升降液壓缸液壓回路 原理分析：該液壓回路采用進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速。該回路采用三位四通電磁換向閥換向，從而實(shí)現(xiàn)手臂上升或下降的動(dòng)作。為防止升降液壓缸因自重自由下滑，該回路設(shè)置了單向順序閥來(lái)平衡。 4、 旋轉(zhuǎn)（齒條）液壓缸液壓回路設(shè)計(jì) 該液壓回路的設(shè)計(jì)，詳見(jiàn)圖5-4 旋轉(zhuǎn)（齒條）液壓缸液壓回路： 圖5-4 旋轉(zhuǎn)（齒條）液壓缸液壓回路 原理分析：該液壓回路采用進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速。該回路采用三位四通電磁換向閥換向，從而實(shí)現(xiàn)手臂手臂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作。 5、 整個(gè)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 該液壓回路的設(shè)計(jì)，詳見(jiàn)圖5-5 整個(gè)液壓系統(tǒng)回路： 圖5-5 整個(gè)液壓系統(tǒng)回路 5.2.6 機(jī)械手動(dòng)作順序的分析 機(jī)械手液壓系統(tǒng)電磁鐵、壓力繼電器動(dòng)作順序表如表5-2所示。 動(dòng)作順序 1Y 2Y 3Y 4Y 5Y 6Y 7Y 8Y K21 手臂前伸 - - - + - - - - - 手指張開(kāi) - - - - - - - - + 手指抓料 - - - - - - - + + 手臂上升 - + - - - - - + + 手臂縮回 - + - - + - - + + 手臂回轉(zhuǎn) - - - - - + - + + 手臂下降 - - + - - - - + + 手指張開(kāi) - - - - - - - - +