工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)題目：工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院班級(jí)：機(jī)械092班姓名：學(xué)號(hào)：第四章 手臂的設(shè)計(jì)4.1手臂伸縮的設(shè)計(jì)計(jì)算 手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的，一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意點(diǎn)上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動(dòng)、靜載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力較復(fù)雜。機(jī)械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。多義性在選擇合適的導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得尤其重要了。 1. 伸縮液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 1.1 求水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力 根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所需克服的摩擦、回油背壓及慣性

2、等幾個(gè)方面的限力，來(lái)確定液壓缸所需的驅(qū)動(dòng)力。手臂的伸縮速度為300mm/s行程L=400mm 抓重100N 液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 式中 一一摩擦阻力。手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，為運(yùn)動(dòng)件表面間的摩擦阻力。若是導(dǎo)向裝置，則為活塞和缸壁等處的摩擦阻力。 一一密封裝置處的康擦阻力; 一一液壓缸回油腔低壓油掖所造成的阻力; 一一起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，活塞桿所受平均慣性力。 、的計(jì)算如下。 4.1.1. 的計(jì)算不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。 圖4-15為雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向，其導(dǎo)向桿截面形狀為圓柱面，導(dǎo)向桿對(duì)稱配置在伸縮缸的兩側(cè)，啟動(dòng)時(shí)，導(dǎo)向裝置的摩擦阻力較大，計(jì)算如下: 由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配

3、置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。 得 式中參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力(含工件重),估算=(100+700)N=800N L手臂參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支承前端的距離(m),L=100mm a導(dǎo)向支承的長(zhǎng)度,a=150mm; 一一當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支承的截面形狀有關(guān)。 對(duì)子圓柱面: 取=1.5 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=0.10.15 鋼對(duì)鑄鐵: 取=0.180.3取=0.1代入已知數(shù)據(jù)得=280N 4.1.2.的計(jì)算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，其計(jì)算公式如下: (1)“O”形密封圈 當(dāng)液服缸工作壓力小于10Mpa. 活寒桿直徑為液壓缸直徑

4、的一半，活塞與活塞桿處都采用“O”形密封圈時(shí)，液壓缸密封處的總的摩擦力為:式中 F為驅(qū)動(dòng)力， P工作壓力(Pa); P 15d時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。穩(wěn)定性條件可表示為式中臨界力（N），可按材料力學(xué)有關(guān)公式計(jì)算。安全系數(shù)，=242.2.1.大柔度桿的臨界力當(dāng)時(shí)，臨界力為=式中為活塞桿的計(jì)算柔度（柔度系數(shù)） L為活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度（m），油缸支承情況和活塞桿端部支承情況不同，活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度不同，見(jiàn)表46； i為活塞桿橫截面的慣性半徑（m）,J為活塞桿截面對(duì)中性軸的慣性矩（）E為彈性橫量，E=210GPa為長(zhǎng)度折算系數(shù)，見(jiàn)表46；為特定的柔度值，=，為比例極限。 2.2.2. 中柔度桿 當(dāng)入2入:

5、時(shí)，臨界力為 二F式中F活塞桿橫截面積（） a、b常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)，見(jiàn)表4-7;為特定的柔度值，為屈服極限 2.2.3. 短壓桿入時(shí)，不校核壓桿穩(wěn)定。4.2 臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂回轉(zhuǎn)后液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算(一) 手臂回轉(zhuǎn)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 采用回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力情況可化簡(jiǎn)成圖4-20。圖4-20 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力圖驅(qū)動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)的力矩M驅(qū)，與手臂起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣及各密封裝置的摩擦阻力矩M摩相平衡。 M驅(qū)M慣+M摩+M回 （31）（1）M摩密封裝置處的摩擦力矩（Nm） M摩M摩+M摩” 估計(jì)取 F=500N ,F”=800N 估計(jì)取 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D=230mm ,輸出軸與

6、動(dòng)片聯(lián)接處的直徑 d=100mm , 動(dòng)片寬度b=100mm M摩=FR5000.23252Nm M摩”2F”R28000.232=162Nm 所以， M摩52+162=214Nm(2)M慣手臂起動(dòng)時(shí)的慣性力矩M慣=J0=式中 回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片的角速度變化量（rad/s），在起動(dòng)過(guò)程中=，取=60/s起動(dòng)過(guò)程的時(shí)間（s）,取=0.5sJ0手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nms2）。若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為， 則J0=Jc+式中 Jc回轉(zhuǎn)零件對(duì)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jc=取手臂回轉(zhuǎn)零件質(zhì)量m=600Kg，回轉(zhuǎn)時(shí)手臂長(zhǎng)度l=2500mmJc=230Jo=230+6000.32=28

7、0M慣=600Nm M回回轉(zhuǎn)液壓缸回油腔的背壓反力矩M回=取,M回=680 NmM驅(qū)=214+600+680=1480 Nm(二) 驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 如圖4-21所示回轉(zhuǎn)液壓缸的進(jìn)油腔壓力油液，作用在動(dòng)片上的合成液壓力矩即驅(qū)動(dòng)力矩M驅(qū)M驅(qū)=圖4-21 回轉(zhuǎn)液壓缸計(jì)算圖(三) 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D的計(jì)算根據(jù) M驅(qū)= M驅(qū)M驅(qū)=式中 D回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑（m） M驅(qū)作用在動(dòng)片的外載荷力矩 p回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（Pa） d輸出軸與動(dòng)片聯(lián)接處的直徑（m），初步設(shè)計(jì)時(shí)按 選取 b動(dòng)片寬度（m）為減少動(dòng)片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及動(dòng)片的懸伸長(zhǎng)度，選擇動(dòng)片寬度（即液壓缸寬度）時(shí)，可選用所以 (四) 缸蓋聯(lián)接螺釘和動(dòng)片聯(lián)

8、接螺釘計(jì)算1. 缸蓋聯(lián)接螺釘計(jì)算 缸蓋與回轉(zhuǎn)液壓缸的缸體用螺釘聯(lián)接時(shí)，其螺釘?shù)膹?qiáng)度計(jì)算方法與伸縮液壓缸缸蓋螺釘強(qiáng)度計(jì)算方法相同。2. 動(dòng)片與輸出軸聯(lián)接螺釘計(jì)算 動(dòng)片與輸出軸用螺釘聯(lián)接的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4-22。聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱地安裝，并用兩個(gè)銷釘定位。聯(lián)接螺釘?shù)淖饔檬牵菏箘?dòng)片與輸出軸的配合面緊密接觸不留間隙，當(dāng)油腔同高壓油時(shí)，動(dòng)片受油壓作用，產(chǎn)生一個(gè)合成液壓矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩。動(dòng)片的受力情況如圖4-22b所示。依動(dòng)片所受力矩的平衡條件，有：圖4-22 動(dòng)片與輸出軸聯(lián)接方式及動(dòng)片受力圖于是得 式中 FQ每個(gè)螺釘?shù)念A(yù)緊力（N）Z螺釘數(shù)目，Z=6f被聯(lián)接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對(duì)鋼取f

9、=0.15所以 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為常用螺釘材料的屈服極限螺釘材料為45號(hào)鋼，所以取MPa所以 4.3 機(jī)械手手臂升降部分設(shè)計(jì)4.3.1 臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)臂部做升降運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu) 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之下的機(jī)身結(jié)構(gòu) 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)4.3.2 臂部的設(shè)計(jì)計(jì)算通常先進(jìn)行粗略的估算，或者是采用類比型的結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)結(jié)構(gòu)的尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。如此反復(fù)數(shù)次，繪出最終的結(jié)構(gòu)。4.3.3 臂部做升降運(yùn)動(dòng)的油缸計(jì)算1）計(jì)算驅(qū)動(dòng)力 （2-1）式中 _摩擦阻力（N），?。籣臂部運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量（包括被抓取工件），單位（N） 。（注：必須加上不自鎖的條件）計(jì)算結(jié)果取驅(qū)動(dòng)力為4500

10、0牛，即 ， 。4.4.4確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸（1）油缸內(nèi)徑的計(jì)算如圖1-1所示，當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔：當(dāng)油進(jìn)入有桿腔：油缸的有效面積：所以， （無(wú)桿腔） （2-2） （有桿腔）式中 P_活塞的驅(qū)動(dòng)力（N）； P1_油缸的工作壓力（MPa）； D_油缸內(nèi)徑（mm）； d_活塞桿直徑（mm）； _油缸機(jī)械效率 。選擇工作壓力是很重要的問(wèn)題。選高了，可減小油缸內(nèi)徑及其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸，使機(jī)械手臂部結(jié)構(gòu)緊湊，但要選較貴的高壓油泵和閥；選低了則會(huì)使結(jié)構(gòu)厐大，增加自重，不過(guò)可以選用較便宜的泵和閥。表4-1給出幾組數(shù)據(jù)可供參考。表1-1作用在活塞上的驅(qū)動(dòng)力P（N）油缸工作壓力P1（MPa）5000057根據(jù)表1-1

11、在4.5萬(wàn)牛的驅(qū)動(dòng)力下，可以選取油缸工作壓力為四兆帕。再由公式2-2可得：通過(guò)計(jì)算所選擇的油缸內(nèi)徑，應(yīng)盡可能是標(biāo)準(zhǔn)值，油缸內(nèi)徑徑系列（GB/T2348-93）如表1-2 。表1-210121620253240506380(90)100(110)125(140)160(180)200(220)250(280)320(360)400注：括號(hào)內(nèi)尺寸盡可能不用。由表1-2可選出油缸內(nèi)徑為125mm 。（2）油缸壁厚的計(jì)算中等壁厚（）： （2-3）式中 D_油缸內(nèi)徑（mm）； _計(jì)算壓力， _油缸材料的許用應(yīng)力（MPa）； _強(qiáng)度系數(shù) C_附加厚度由公式2-3可計(jì)算出油缸外徑：由未準(zhǔn)油缸外徑表1-3，可

12、知C可取17，因此壁厚mm 。表1-3油缸內(nèi)徑4050638090100110125140（150）16018020020#鋼5060769510812113314616818019421924545#鋼50607695108121133146168180194219245注：缸體為無(wú)縫鋼管（3）活塞桿的計(jì)算活塞桿的尺寸要滿足活塞運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)度的要求。對(duì)于桿長(zhǎng)大于直徑的15倍的活塞桿還必須具有足夠的穩(wěn)定性。 按強(qiáng)度條件決定活塞桿直徑d 按直桿拉、壓強(qiáng)度計(jì)算：式中 P_活塞桿所受的總載荷（N）； _活塞桿材料的許用應(yīng)力（MPa） 。通過(guò)查活塞桿直徑系列表1-4，可選出活塞桿的直徑為d=25mm表1-

13、4 活塞桿的穩(wěn)定性校核活塞桿長(zhǎng)L=300mm，又，即，所以滿足穩(wěn)定性要求。（4）油缸端蓋的聯(lián)接方式及強(qiáng)度計(jì)算端蓋聯(lián)接采用半環(huán)聯(lián)接，便于加工和裝拆。缸蓋螺紋的計(jì)算，由公式2-4可計(jì)算出螺釘螺紋內(nèi)徑： （2-4）又因?yàn)?，所以由公?-4可得：再?gòu)膰?guó)家標(biāo)準(zhǔn)件系列表1-5中可選出聯(lián)接螺釘?shù)某叽鐬镸16 。表1-5螺紋規(guī)格臂部升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的，一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意點(diǎn)上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動(dòng)、靜載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力較復(fù)雜。 機(jī)械手的精度最終集中在反映

14、在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得尤其重要了。手臂的伸縮速度為300m/s，行程L=400mm根636E原始數(shù)據(jù)可做出臂部升降部分的總體結(jié)構(gòu)如總裝配圖所示。第五章 機(jī)械手指液壓原理圖一、抓取缸液壓原理如圖所示二、液壓系統(tǒng)動(dòng)作循環(huán)及電磁鐵動(dòng)作順序表電磁鐵序號(hào)動(dòng)作循環(huán)1234567891011121314臂部伸縮伸出伸出緩沖縮回縮回緩沖+臂部升降上升上升緩沖下降下降緩沖+臂部回轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)緩沖反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)緩沖停止+腕部回轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)緩沖反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)緩沖停止+夾持夾緊松開(kāi)+原位卸荷+三、機(jī)械手總的液壓控制圖第六章假設(shè)上升、下降用三位四通電磁閥，上升Y432(+)、下降Y430(+)；夾

15、緊、放松用二位三通電磁閥，夾緊Y431(+)、放松Y431(-)；右行、左行用三位四通電磁閥，右行Y433(+)、左行Y434(+)。若采用移位指令SFT實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式控制，程序大簡(jiǎn)化。其控制程序的設(shè)計(jì)編制過(guò)程如下：1） 步進(jìn)工步10步（啟動(dòng)，18，返回原點(diǎn)）分別對(duì)應(yīng)M100M111，共使用了10個(gè)單元的移位寄存器。M1001，啟動(dòng)主令信號(hào)ST1X4001； M1011 下降主令信號(hào) X4001，到位 LS11 X4011。 M1021 夾緊主令信號(hào) X4011，到位 T450延時(shí)3s為1。 M1031 上升主令信號(hào) X4501，到位 LS21 X4021。 M1041 右行主令信號(hào) X4021，

16、到位 LS31 X4031。 M1051 下降主令信號(hào) X4031，到位 LS11 X4011。 M1061 放松主令信號(hào) X4511，延時(shí) 2s（LS51X4051）。 M1071 上升主令信號(hào) X4051，到位 LS21 X4021。 M1101 左行主令信號(hào) X4021，到位 LS41 X4041。 M1111 原點(diǎn)主令信號(hào) X4041，到位 T452延時(shí) 2s 為1。下一次工作，先按復(fù)位健 RT1 X5131移位寄存器清0復(fù)位， 再按啟動(dòng)健 ST1 X4001M1001 再循環(huán)一次。2） 梯形圖：3）4） 程序清單：LD X404 ; TA 復(fù)位1AND M111OR X405RST

17、M100 ; 移位寄存器清0LD X403 ; 機(jī)械原點(diǎn)LS21？AND X404 LS41？ANI M101ANI M102ANI M103ANI M104 ; 原點(diǎn)條件ANI M105ANI M106ANI M107ANI M110ANI M111OUT M100 ; 滿足使M1001起動(dòng)LD M100AND X400 ; ST1？SFT M100 ;是則使M1D11LD M101 ; 下降A(chǔ)ND X401 ; LS11？SFT M100 ; 是則使M1021LD M102 ; 夾緊AND X450 ; 夾緊延時(shí)SFT M100 ; 時(shí)間到M1031LD M103 ; 上升AND X402 ; LS21?SFT M100 ; 是則使M1041LD M104 ; 右行AND X403 ; LS31？SFT M100 ; 是則使M1051LD M105 ;下降A(chǔ)ND X401 ;LS11？SFT M100 ; 是則使M1061LD M106 ; 放松AND T451 ; 延時(shí)2sSFT M100 ; 時(shí)間到使M1071LD M107 ; 上升AND X402 ;LS21？SFT M100 ; 使M