工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計項目說明指導(dǎo)書

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計闡明書設(shè)計題目：工業(yè)機(jī)械手設(shè)計學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院班級：機(jī)械092班姓名：學(xué)號：第四章手臂設(shè)計4.1手臂伸縮設(shè)計計算手臂是機(jī)械手重要執(zhí)行部件。它作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運(yùn)動。臂部運(yùn)動目，普通是把手部送達(dá)空間運(yùn)動范疇內(nèi)任意點上，從臂部受力狀況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件動、靜載荷，并且自身運(yùn)動又較多，故受力較復(fù)雜。機(jī)械手精度最后集中在反映在手部位置精度上。多義性在選取適當(dāng)導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得特別重要了。1.伸縮液壓缸設(shè)計計算1.1求水平伸縮直線運(yùn)動液壓缸驅(qū)動力依照液壓缸運(yùn)動時所需克服摩擦、回油背壓及慣性等幾種方面限力，來擬定液壓缸所需驅(qū)動力。手臂伸縮速度為300mm/s行程L=400抓重100N液壓缸活塞驅(qū)動力計算 式中一一摩擦阻力。手臂運(yùn)動時，為運(yùn)動件表面間摩擦阻力。若是導(dǎo)向裝置，則為活塞和缸壁等處摩擦阻力。一一密封裝置處康擦阻力;一一液壓缸回油腔低壓油掖所導(dǎo)致阻力;一一起動或制動時，活塞桿所受平均慣性力。、、、計算如下。4.1.1.計算不同配備和不同導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力不同，要依照詳細(xì)狀況進(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)向桿對稱配備在伸縮缸兩側(cè)，啟動時，導(dǎo)向裝置摩擦阻力較大，計算如下:由于導(dǎo)向桿對稱配備，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一種導(dǎo)向桿計算。 得式中——參加運(yùn)動零部件所受總重力(含工件重),估算=(100+700)N=800NL——手臂參加運(yùn)動零部件總重量重心到導(dǎo)向支承前端距離(m),L=100mma——導(dǎo)向支承長度,a=150mm;一一當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支承截面形狀關(guān)于。對子圓柱面:取=1.5——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時:鋼對青銅：取=0.1~0.15鋼對鑄鐵：取=0.18~0.3取=0.1代入已知數(shù)據(jù)得==280N4.1.2.計算不同密封圈其摩擦阻力不同，其計算公式如下:(1)“O”形密封圈當(dāng)液服缸工作壓力不大于10Mpa.活寒桿直徑為液壓缸直徑一半，活塞與活塞桿處都采用“O”形密封圈時，液壓缸密封處總摩擦力為: 式中F——為驅(qū)動力， P——工作壓力(Pa)；P<10MPa，=0.05~0.023,取p=2Mpa，=0.05; d——伸縮油管直徑,d=70mm;L——密封有效長度(mm).為了保證“O”形密封圈裝人密封溝槽，井與配合件接觸后起到嚴(yán)格密封，在加工密封溝槽時考慮密封圈預(yù)壓縮量，如圖4--15所示。 K=0.08~0.14 取=10mm,K=0.1,得=50mm得4.1.3.計算普通背壓阻力較小，可按=0.05F4.1.4.計算 一一參加運(yùn)動零部件所受總重力(涉及工作重量)（N）g一一重力加速度，取10一一由靜止加速到常速變化量=0.3m/s一一起動過程時間(s)，普通取0.01~0.5s，對輕載低速運(yùn)動部件取較小值，對重載高速運(yùn)動部件取較大值。取=0.03s因此所求驅(qū)動力，解得F=1208.04N擬定液壓缸構(gòu)造尺寸液壓缸內(nèi)徑計算如圖4一16，當(dāng)油進(jìn)入無桿腔當(dāng)油進(jìn)入有桿腔液壓缸有效面積:故有，查表4-3圓整取D=30mm式中F——驅(qū)動力〔N);——液壓缸工作壓力,取=2Mpa;d一一活塞桿直徑(m);D—一活塞缸內(nèi)徑〔m);——液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)被中用耐油橡膠可取n=0.950選取恰當(dāng)液壓缸工作壓力很重要。選高了，可以減小液壓缸內(nèi)徑及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸，使機(jī)械手手臂構(gòu)造緊湊，但要選用價格較貴高壓油泵和閥，井使密封復(fù)雜化。選低了，可用價格較低泵和閥，但使構(gòu)造龐大，自重增長。普通取2~8Mpa.表4-2推薦了幾織數(shù)據(jù)，可供選取液壓缸工作壓力時參照。表4一2液壓缸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）〈50000.8~10~300002.0~4.05000~100001.5~2.030000~500004.0~5.010000~02.5~3.0〉500005.0~7.0通過計算所選取液壓缸內(nèi)徑，應(yīng)盡量是原則值，液壓缸內(nèi)徑系列(JB826-66)如表4-3所示。表4-3液壓缸內(nèi)徑系列JB826-66（mm）20253240*50*5563*（65）70（75）80*（85）90*（95）100*（105）110125*（130）140*160*180200*250注：1.內(nèi)尺寸盡量不用。2.*號為（JB1086-67）原則系列液壓缸壁厚計算，在實際使用中有下列三種公式:中檔壁厚，即時，(4-13)式中F——液壓缸內(nèi)工作壓力Mpa——強(qiáng)度系數(shù)(當(dāng)為無縫鋼管時=1)C——計入管壁公差及侵蝕附加厚度，普通圓整到原則壁厚值;D——液壓缸內(nèi)徑（m）將計算成果按關(guān)于資料選取，如表4-4表4-4原則液壓缸徑（JB68~67）（mm）油缸內(nèi)徑4050638090100110125140（150）16018020020鋼165060769510812113314616818019421924545鋼2050607695108121133146168180194219245缸體為無縫鋼管。取內(nèi)徑壁厚為4mm2.活塞桿計算2.1活塞桿尺寸要滿足活塞(或液壓缸)運(yùn)動規(guī)定和強(qiáng)度規(guī)定。對于桿長t不不大于直徑dI5倍(即t)活塞桿還必要具備足夠穩(wěn)定性。按強(qiáng)度條件決定活塞桿直徑d按拉、壓強(qiáng)度計算:或查表4-5圓整取d=16mm碳鋼取=110~120Mpa，取=120Mpa；n普通不不大于1.4，取n=1.4;表4-5活塞桿直徑系列（JB826~66）101214161820222528（30）323540455055（60）63（65）70（75）80（85）90（95）注：括號內(nèi)尺寸盡量不用2.2活塞桿穩(wěn)定性校核當(dāng)括塞桿L>15d時，普通應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。穩(wěn)定性條件可表達(dá)為 式中——臨界力（N），可按材料力學(xué)關(guān)于公式計算。——安全系數(shù)，=2—42.2.1.大柔度桿臨界力當(dāng)時，臨界力為 =式中為活塞桿計算柔度（柔度系數(shù)）L為活塞桿計算長度（m），油缸支承狀況和活塞桿端部支承狀況不同，活塞桿計算長度不同，見表4—6；i為活塞桿橫截面慣性半徑（m）, J為活塞桿截面對中性軸慣性矩（） E為彈性橫量，E=210GPa為長度折算系數(shù)，見表4—6；為特定柔度值，=，為比例極限。2.2.2.中柔度桿當(dāng)入2<入<:時，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)關(guān)于，見表4-7;為特定柔度值，，為屈服極限2.2.3.短壓桿入<時，不校核壓桿穩(wěn)定。臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計手臂回轉(zhuǎn)后液壓缸設(shè)計計算手臂回轉(zhuǎn)時所需驅(qū)動力矩采用回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動時，其受力狀況可化簡成圖4-20。圖4-20手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動時受力圖驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)力矩M驅(qū)，與手臂起動時所產(chǎn)生慣性力矩M慣及各密封裝置摩擦阻力矩M摩相平衡。M驅(qū)＝M慣+M摩+M回（3－1）（1）M摩——密封裝置處摩擦力矩（N·m）M摩＝M摩’+M摩”預(yù)計取F’=500N,F”=800N預(yù)計取回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D=230mm,輸出軸與動片聯(lián)接處直徑d=100mm，動片寬度b=100mmM摩’=F’R＝500×0.23÷2＝52N·mM摩”＝2F”R＝2×800×0.23÷2=162N·m因此，M摩＝52+162=214N·m(2)M慣——手臂起動時慣性力矩M慣=J0=式中——回轉(zhuǎn)缸動片角速度變化量（rad/s），在起動過程中=，取=60°/s——起動過程時間（s）,取=0.5sJ0——手臂回轉(zhuǎn)部件（涉及工件）對回轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動慣量（N·m·s2）。若手臂回轉(zhuǎn)零件重心與回轉(zhuǎn)軸距離為，則J0=Jc+式中Jc——回轉(zhuǎn)零件對重心軸線轉(zhuǎn)動慣量Jc=取手臂回轉(zhuǎn)零件質(zhì)量m=600Kg，回轉(zhuǎn)時手臂長度l=2500mmJc==230Jo=230+600×0.32=280M慣＝=600N·mM回——回轉(zhuǎn)液壓缸回油腔背壓反力矩M回==取,M回==680N·mM驅(qū)=214+600+680=1480N·m驅(qū)動力矩計算如圖4-21所示回轉(zhuǎn)液壓缸進(jìn)油腔壓力油液，作用在動片上合成液壓力矩即驅(qū)動力矩M驅(qū)′M驅(qū)′==圖4-21回轉(zhuǎn)液壓缸計算圖回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D計算依照M驅(qū)=M驅(qū)′M驅(qū)=式中D——回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑（m）M驅(qū)——作用在動片外載荷力矩p——回轉(zhuǎn)液壓缸工作壓力（Pa）d——輸出軸與動片聯(lián)接處直徑（m），初步設(shè)計時按選用b——動片寬度（m）為減少動片與輸出軸聯(lián)接螺釘所受載荷及動片懸伸長度，選取動片寬度（即液壓缸寬度）時，可選用因此缸蓋聯(lián)接螺釘和動片聯(lián)接螺釘計算缸蓋聯(lián)接螺釘計算缸蓋與回轉(zhuǎn)液壓缸缸體用螺釘聯(lián)接時，其螺釘強(qiáng)度計算辦法與伸縮液壓缸缸蓋螺釘強(qiáng)度計算辦法相似。動片與輸出軸聯(lián)接螺釘計算動片與輸出軸用螺釘聯(lián)接構(gòu)造見圖4-22。聯(lián)接螺釘普通為偶數(shù)，對稱地安裝，并用兩個銷釘定位。聯(lián)接螺釘作用是：使動片與輸出軸配合面緊密接觸不留間隙，當(dāng)油腔同高壓油時，動片受油壓作用，產(chǎn)生一種合成液壓矩，克服輸出軸上所受外載荷力矩。動片受力狀況如圖4-22b所示。依動片所受力矩平衡條件，有：圖4-22動片與輸出軸聯(lián)接方式及動片受力圖于是得式中FQ——每個螺釘預(yù)緊力（N）Z——螺釘數(shù)目，Z=6f——被聯(lián)接件配合面間摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15因此螺釘強(qiáng)度條件為慣用螺釘材料屈服極限螺釘材料為45號鋼，因此取MPa因此4.3機(jī)械手手臂升降某些設(shè)計4.3.1臂部做升降運(yùn)動機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之下機(jī)身構(gòu)造回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上機(jī)身構(gòu)造4.3.2普通先進(jìn)行粗略估算，或者是采用類比型構(gòu)造，依照運(yùn)動參數(shù)初步擬定關(guān)于構(gòu)造尺寸，再進(jìn)行校核計算，修正設(shè)計。如此重復(fù)多次，繪出最后構(gòu)造。4.3.31）計算驅(qū)動力（2-1）式中______摩擦阻力（N），，?。?______臂部運(yùn)動零部件總重量（涉及被抓取工件），單位（N）。（注：必要加上不自鎖條件）計算成果取驅(qū)動力為45000牛，即，。4.4.4（1）油缸內(nèi)徑計算如圖1-1所示，當(dāng)油進(jìn)入無桿腔：當(dāng)油進(jìn)入有桿腔：油缸有效面積：因此，（無桿腔）（2-2）（有桿腔）式中P______活塞驅(qū)動力（N）；P1_____油缸工作壓力（MPa）；D______油缸內(nèi)徑（mm）；d______活塞桿直徑（mm）；_____油缸機(jī)械效率。選取工作壓力是很重要問題。選高了，可減小油缸內(nèi)徑及其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸，使機(jī)械手臂部構(gòu)造緊湊，但要選較貴高壓油泵和閥；選低了則會使構(gòu)造厐大，增長自重，但是可以選用較便宜泵和閥。表4-1給出幾組數(shù)據(jù)可供參照。表1-1作用在活塞上驅(qū)動力P（N）油缸工作壓力P1（MPa）<50000.8~15000~100001.5~210000~02.5~30~300003~430000~500004~5>500005~7依照表1-1在4.5萬牛驅(qū)動力下，可以選用油缸工作壓力為四兆帕。再由公式2-2可得：通過計算所選取油缸內(nèi)徑，應(yīng)盡量是原則值，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：括號內(nèi)尺寸盡量不用。由表1-2可選出油缸內(nèi)徑為125mm。（2）油缸壁厚計算中檔壁厚（）：（2-3）式中D____油缸內(nèi)徑（mm）；_____計算壓力，____油缸材料許用應(yīng)力（MPa）；____強(qiáng)度系數(shù)C____附加厚度由公式2-3可計算出油缸外徑：由未準(zhǔn)油缸外徑表1-3，可知C可取17，因而壁厚mm。表1-3油缸內(nèi)徑4050638090100110125140（150）16018020020#鋼5060769510812113314616818019421924545#鋼50607695108121133146168180194219245注：缸體為無縫鋼管（3）活塞桿計算活塞桿尺寸要滿足活塞運(yùn)動和強(qiáng)度規(guī)定。對于桿長不不大于直徑15倍活塞桿還必要具備足夠穩(wěn)定性。按強(qiáng)度條件決定活塞桿直徑d按直桿拉、壓強(qiáng)度計算：式中P_____活塞桿所受總載荷（N）；____活塞桿材料許用應(yīng)力（MPa）。通過查活塞桿直徑系列表1-4，可選出活塞桿直徑為d=25mm表1-4活塞桿穩(wěn)定性校核活塞桿長L=300mm，又，即，因此滿足穩(wěn)定性規(guī)定。（4）油缸端蓋聯(lián)接方式及強(qiáng)度計算端蓋聯(lián)接采用半環(huán)聯(lián)接，便于加工和裝拆。缸蓋螺紋計算，由公式2-4可計算出螺釘螺紋內(nèi)徑：（2-4）又由于，，因此由公式2-4可得：再從國標(biāo)件系列表1-5中可選出聯(lián)接螺釘尺寸為M16。表1-5螺紋規(guī)格臂部升降機(jī)構(gòu)設(shè)計手臂是機(jī)械手重要執(zhí)行部件。它作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運(yùn)動。臂部運(yùn)動目，普通是把手部送達(dá)空間運(yùn)動范疇內(nèi)任意點上，從臂部受力狀況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件動、靜載荷，并且自身運(yùn)動又較多，故受力較復(fù)雜。機(jī)械手精度最后集中在反映在手部位置精度上。因此在選取適當(dāng)導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得特別重要了。手臂伸縮速度為300m/s，行程L=400mm根636E原始數(shù)據(jù)可做出臂部升降某些總體構(gòu)造如總裝配圖所示。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)動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表電磁鐵序號動作循環(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+原位卸荷+三、機(jī)械手總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實現(xiàn)步進(jìn)式控制，程序大簡化。其控制程序設(shè)計編制過程如下：步進(jìn)工步10步（啟動，1~8，返回原點）分別相應(yīng)M100~M111，共使用了10個單元移位寄存器。M100＝1，啟動主令信號ST＝1→X400＝1；M101＝1下降主令信號X400＝1，到位LS1＝1→X401＝1。M102＝1夾緊主令信號X401＝1，到位T450延時3s為1。M103＝1上升主令信號X450＝1，到位LS2＝1→X402＝1。M104＝1右行主令信號X402＝1，到位LS3＝1→X403＝1。M105＝1下降主令信號X403＝1，到位LS1＝1→X401＝1。M106＝1放松主令信號X451＝1，延時2s（LS5＝1→X405＝1）。M107＝1上升主令信號X405＝1，到位LS2＝1→X402＝1。M110＝1左行主令信號X402＝1，到位LS4＝1→X404＝1。M111＝1原點主令信號X404＝1，到位T452延時2s為1。下一次工作，先按復(fù)位健RT＝1→X513＝1→移位寄存器清0復(fù)位，再按啟動健ST＝1→X400＝1→M100＝1再循環(huán)一次。梯形圖：程序清單：LDX404；TA復(fù)位＝1ANDM111ORX405RSTM100；移位寄存器清0LDX403；機(jī)械原點LS2＝1？ANDX404LS4＝1？ANIM101ANIM102ANIM103ANIM104；原點條