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1、目录摘要IABSTRACT 第一章绪论 11.1课题背景及目的11.2本课题研究的意义11.3自动上下料机构的组成分类及特点2第二章总体设计方案 32.1机械手设计要求32.2动作要求分析42.3机械手的基本形式42.4机械手材料的选择52.5自动上下料机构布局拟定52.6驱动方式的选择72.7 CK6140型数控车床的主要参数8第三章机械手结构设计 93.1手部的设计93.1.1手部的概述93.1.2机械手部的典型结构93.1.3手爪设计原则123.1.4机械式手爪设计123.1.5手部驱动力计算133.2臂部的设计163.2.1手臂的常用机构173.2.2手臂设计原则173.2.3臂部驱动
2、力计算183.3机身的设计213.3.1机身的整体设计213.3.2机身回转机构的设计计算24333机身升降液压缸的设计计算26第四章机械手的运动分析 334.1液压缸的设计选择334.2 机械手的手爪的运动344.3 机械手的臂部的运动344.4 机 械 手 的 整 体 运 动 分析34总结 36致谢 3738参考文献摘要本课题主要进行生产线轴套类零件自动上下料机构设计，该设计属于机械 手的一部分，生产线轴套类零件自动上下料机构是在机械化、自动化生产过程 中发展的一种新型装置，实现了胚料的抓取、 自动定位、夹紧以及工件的回放 机械手能代替人类重复完成枯燥危险的工作，提高劳动生产力，减轻人的劳
3、动 强度。该机构涵盖了位置控制技术、可编程序控制技术、检测技术等。本课题 设计的液压机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样。根据工件的变化及生产 技术的要求随时更改相关参数，可代替人工在高温危险区进行作业。关键词： 机械手 轴套类零件自动上下料机构 提升 旋转2ABSTRACTThis topic mainly production spool and sleeve type parts automatic feeding mechanism design. The design is part of the manipulator, the production spool and sleev
4、e type parts automatic feeding mechanism is the development of mechanization and automation of the production process of a new type of device to achieve the blank to grab, automatic positioning, clamping and workpiece playback. Mechanical hand can replace the human to complete the boring work, impro
5、ve labor productivity, reduce labor intensity. The organization covers the position control technology, programmable control technology, detection technology, etc. This topic design of the hydraulic manipulator can grasp the object in space, flexible and diverse movements. According to the change of
7、， 那么就 能充分发挥万能机床的潜力，这对制造业的生产无疑是有重大意义的。机床的自 动上下料机构，是制造车间里重要的组成部分。于是，该机构应该与自动机床和 自动线一起设计。在自动化加工的装配生产线中，能自动完成将工件向加工或装配机械供给 并上下料的机构，称为自动上下料机构。自动上下料机构就是为完成让毛坯自 动地选择加工位置，准确的定位、夹紧以及取下加工完的零件所必须的许多功 能的总和。有关数据显示，在工件的加工装配过程中，工件的供给、上料、下料及搬1运等工序所需要的费用很多，约占全部费用的 -，所费的工时也约占全部工时3的-以上，并且绝大多数的事故都发生在这些工序中。而对一些工业相比较发3达的
8、国家来说，自动上下料机构大量存在于各类制造业中，自动化的生产过程 不但提高了生产率，解放了劳动力，而且对提高产品质量，降低成本，促进产 业结构优化起到了一定的积极作用。伴随着工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，人们对生产工件的 效率也有了新的期盼。人力工作显然已经满足不了工业自动化的要求了， 所以, 我们必须开发新的设备自动生产以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其 中，机械手是自动化发展过程中的重要产物之一。在机械工业中，自动上下料机构的意义可以概括如下：1、提高生产过程中的自动化程度它有利于完成材料的传送、工件的调整、刀具的替换以及零件的装配等的 自动化程度，从而大大地提高了生产率
9、，降低了工业成本。2、改善劳动条件，避免人身事故在咼温、咼压、低压、有灰尘、噪声、有放射性或者其他毒性污染的场合 中，工人无法正常工作，而应用自动上下料机构就可以排除环境的不利影响， 轻松的完成需要的工作，从而避免了不必要的人身事故的发生。3、减轻人力，并便于有节奏的生产总体来说，合理的利用自动化上下料机构，是工业发展的必经之路。1.2本课题研究的意义(1) 通过对轴套类零件自动上下料机构的设计， 使我们对大学期间学过的知识进行了复习和回顾；（2）使我更深入的学习了液压缸和 PLC的有关知识；（3）增强了自我学习，自我解决问题的能力。1.3自动上下料机构的组成分类及特点自动上下料机构的类型自动
10、上下料机构可用于各种机床，它可分为料斗式自动上下料机构、料仓 式半自动上下料机构。料斗式自动上下料机构用于形状简单、尺寸较小、重量较轻的工件，如小 型轴、套、销、环类零件，工件在装料容器中不需要固定位置，由抓取机构来 自动排列和送出。而料仓式半自动上下料机构则用于尺寸和重量较大或形状较复杂而自动排 列困难的工件，或需要工序时间较长的工件，如连杆、齿轮、曲轴等，工件由 工人在料仓中排列好，然后就可以自动送出了。自动上下料机构的组成自动上下料机构的组成如表1-1所示：表1-1自动上下料装置组成表名称主要作用料仓式料斗式1.料道将工件从伫料器上传送至 上料机构可能有必有2.装料容器贮存工件必有必有3
11、.抓取定向机构使散乱的工件定向排列并 送出无有4.上料机构将定向好的工件按一定的 生产节拍送往机床或夹具必有可能有5.下料机构将加工完毕的工件从机床 或夹具中卸下并运出可能有可能有6.隔料器逐个的从料道中放出工件（可由上料机构兼）有有7.剔除器（抛料 机构）将定向不正确或多余的工件抛回料斗无可能有8.搅拌器（消除 堵塞机构）消除工件堵塞或搅拌工件， 增加定向或然率可能有有9.二次（或多次） 定向机构使某些料斗送出的工件最终达到完全定向无有10.驱动机构驱动抓取定向机构或其他机构运动的工件有有11.安全机构当发生故障或料道中工件 积存过多时自动停车一般无有12.检测机构检测工件疋向情况并发出 指
12、令控制自动上下料装置 的工件一般无可能有第二章总体设计方案2.1机械手设计要求轴套类零件的加工是生产过程中的重要组成部分，机械手要实现的就是降 低非切削处理的时间，提高生产率，从而提高机器乃至整个生产线的效率。自 动上下料机构相对来说比较复杂，多个零件之间的协调行动，因此需要自动上 下料机构灵活、准确、精度高。机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统等三部分组成，它们之间的 关系如图2-1所示：图2-1机械手的组成方框图2.2动作要求分析动作一：送料 动作二：预夹紧 动作三：手臂上升 动作四：手臂旋转 动作五：小臂伸长 动作六：手腕旋转预夹紧手臂匕升1 手臂旋转手譬忡长*手怦转回手腕旋转图2-
13、2机械手动作简易图2.3机械手的基本形式机械手的机械组成部分可以当作是由一些连杆依靠关节组合起来的。机械 手有两种关节，即转动关节和移动关节。连杆和关节的组装可以有不同的坐标 形式，共有四种：直角坐标形式，圆柱坐标形式，球坐标形式，关节坐标形式 各坐标形式如图2-3所示：图2-3机械手的基本形式由于本课程设计主要针对数控车床的上下料机构，需要实现的功能是胚料 的抓取、自动定位、夹紧和工件的回放，机械手的运动方式有：伸缩、升降、 旋转。因此，本次设计选择圆柱坐标式机械手更为合理，相应的机械手具有三 个自由度。圆柱坐标形式的机械手除了简单的“抓-放”作业外，还可以用在很多其 它的地方。圆柱坐标形式
14、的机械手的结构比较紧凑，在垂直方向和径向有两个 往返运动，定位精度很高。在本次课程设计中，当料台上放置一个轴套类零件 时，机械手的手臂在伸缩液压缸的驱动下伸长，手爪在液压缸活塞的驱动下张 开，夹紧工件。然后升降液压缸启动，手臂上升一定高度后，机械手在旋转液 压缸的驱动下，逆时针旋转 180°。这样，机械手臂就指向了数控机床的主轴 方向，然后将工件放在车床的相应位置，接着，液压缸的活塞回拉，手爪松开， 机械手臂缩回，并且降到一个核实的位置。数控机床加工完成之后，机械手臂 上升、伸长，夹取工件，然后车床上的三爪卡盘松开，机械手臂再次旋转180° 之后，将已经加工好的工件放在料台
15、上，接着，手爪松开、缩回、下降，回到 原始位置。至此，一个完整的自动上下料过程完成了。2.4机械手材料的选择机械手的材料应该根据自动上下料机构的工作条件来决定，以此来满足机 械手的设计和制造要求。从设计的角度分析，机械手需要移动，完成各种动作，首先它要满足重量轻以便于移动。另外，在工作过程中，手臂会产生振动，这 就是的运动精度下降。因此，它的材料、硬度、刚度、弹性模量的选择都要认 真考虑。本课程设计的机械手，没有承受高的负载，也不需要高的弹性模量和 强度，结合材料成本、加工及其他因素来分析，初步选定此机械手的材料为45钢。2.5自动上下料机构布局拟定根据生产机构的布局，自动上下料机构的位置分布
16、图有以下三种：（1）机械手放在车床与料台中间1料台 2手爪 3#缩缸 4族转缸 5升降缸 6数控机床图2-4 机械手放在车床与料台中间的布局(2) 桁架形式卜桁架A升降缸A手爪4 -输送带5-数控机床图2-5桁架形式的布局(3) 输送线与机床有一定夹角的布局23451-输送带2-机床3-手爪4-伸缩缸W升降缸6-旋转缸图2-6输送线与机床有一定夹角的布局对于桁架形式的布局来说，每一台机床前的立柱必不可少，以用来支撑机 械手，并且机械手沿着水平方向移动时，驱动的要求复杂，而且成本高，因此 不提倡采用。对于有夹角的布局，虽可以实现对工件的抓取和回放，却仅适用 于普通车床，适合对象范围小，占地还大，
17、手臂的运动多且复杂，不提倡采用。 机械手放在车床与料台中间的布局，针对数控车床自动上下料，车床与料台平 行布置，机械手在中间位置，相比较而言，这个方案在可以完成任务的情况下, 成本相对较低，所占用的空间也比较小，简单易行，且执行速度起来效率更高， 所以本次设计采用此方案。2.6驱动方式的选择机械手常用的驱动方式有气压驱动、液压驱动和电机驱动三种类型。这三 种驱动方式的特点如表2-1所示：表2-1自动上下料机构驱动方式对比表内容驱动方式气压驱动液压驱动电机驱动控制性能气体压缩性大，精度 低，阻尼效果差，低 速不易控制利用液体的不可压 缩性，控制精度较 高，输出功率大，可 无级调速，反应灵 敏，可
18、实现连续轨迹 控制控制精度高，功率较 大，能精确定位，反 应灵敏，可实现高速、 高精度的连续控制， 伺服特性好，控制系 统复杂结构性能 及体积结构适当，执行机构 可标准化，系列化， 通用化，易实现直接 驱动。功率/质量大， 体积小，结构紧凑， 密封问题较小结构适当，执行机构 可标准化，模拟化， 易实现直接驱动。功 率/质量大，体积小， 密封问题较大伺服电机易于标准 化，结构性能好，噪 声低，电动机一般需 配置减速装置，除DD 电动机外，难以直接 驱动，无密封问题在工业机械手中的应用范围适用于中小负载驱 动、精度要求较低的 有限点位程序控制 机械手，如冲压机械 手本体的启动平衡 及装配机械手气动
19、 夹具适用于重载，低速驱 动，电液伺服系统适 用于喷涂机械手、点 焊机械手和托运机 械手适用于中小负载，要 求具有较高的位置控 制精度和轨迹控制精 度、速度较咼的机械 手,如AC伺服喷涂机 械手、点焊机械手。 弧焊机械手等输出功率大，压力范围为0.4 0.7Mpa很大，压力范为514Mpa较大响应速度较高很高很高成本低液压兀件成本较咼高对环境的 影响排气时有噪声液压系统易漏油，对环境有污染无安全性防爆性能好，高于1000kpa时应注意设备的抗压性防爆性能较好，用液 压油作传动介质，在 一定条件下有火灾 危险设备自身无爆炸和火 灾的危险，直流有刷 电动机换向时有火 花，对环境的防爆性 能较差维修
20、及使 用方便，使用寿命长， 可靠性高方便，但油液对环境 温度有一定要求较复杂以上驱动方式各有千秋，一般对机械手驱动系统的要求如下：反应灵敏，即要求力矩转动惯量比和力矩质量比要大，反复地启动、制动、正反转可以顺利进行；质量尽可能要轻，所占空间小，单位质量可输出高的功率和效率；驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；安全可靠，操作和维护方便；成本低，对环境无污染，噪声小。由表2-1和本次设计对于机械手驱动系统的要求，初步决定采用液压驱动 的方式。2.7 CK6140型数控车床的主要参数机床轮廓尺寸（长X宽X高）2265mmX 1050mrX 1466mm主轴线距地面咼度1100 mm床身最大工件回
21、转直径400 mm最大车削长度1000 mm主轴头形成6#C型床头箱长度610 mm2500r/mi n主轴转速范围100中心高205 mm主轴孔径52 mm主轴锥孔莫式6号主轴线与床身边缘的间距300 mm第三章机械手结构设计3.1手部的设计3.1.1手部的概述后部的操作器也可以理解为机械手所在的手的位置，可以用来完成作业和 抓住工件，其被装在机器人的手爪位置。其中手爪有所谓的通用性，其主要作 用是抓握、持握及释放被抓的工件。按照夹持原理的不同可以将手爪分成三大类，它们分别是真空类，机械类 和磁力类。其中真空类是真空式的呈吸盘样式，真空类有可以根据不同形成真 空的原理分为三种，它们分别是挤气
22、负压式，气流负压式以及真空吸盘。机械类 又可以根据关节的数量分为单关节与多关节类手爪，按手指的数目可以被分为 二指与多指的手爪。而磁力类就是所谓的的真空式手爪，也叫做无指类手爪。3.1.2机械手部的典型结构（1）连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧或放松运动，由于 杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用图3-1连杆杠杆式手爪（2）楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松开和夹紧，来实现抓取工件的动作1-杠杆2-弹簧3-滚轮4-楔块5-驱动器图3-2楔块杠杆式手爪(3) 齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的
23、夹紧与松开 动作。图3-3齿轮齿条式手爪(4) 平行连杆式手爪采用平行四边形结构，不需要导轨就可以保证手爪的两指保持平行运动, 且比带有导轨的平移手爪的摩擦力要小很多。图3-4平行连杆式手爪(5) 滑槽杠杆式手爪当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力, 当活塞向右运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的 物体。图3-5滑槽杠杆式手爪3.1.3 手爪设计原则具有足够的夹紧力应该考虑到手抓在工作过程中产生的惯性力和振动的原因，以及工件质量 也是一个很重要的因素，由此学确定手抓的夹紧力，这样才会保证工件不脱落 或松动。具有足够的强度和刚度在工作的过程中，手
24、抓会受到惯性力与振动的作用，还会受到工件被夹持 而产生的反作用力作用，因此为了有效预防手爪发生断裂或变形，需要手抓本 身有很好的刚度和强度。手指间应具有一定的张开范围 所谓手指间的开闭角就是两只手指在闭合与张开的过程中形成的极限角 度。然而开闭角需要满足能使得工件顺畅被松开或夹取，需要考虑到被夹取工 件的最大尺寸问题当夹持的工件直径不同时。保证工件准确定位 需要依照被抓前取得工件的外形的不同而选择不同的手指的形状，目的是 为了使得被夹持工件跟手指之间保持相对精准的位置。为了减小手臂的负担载荷，尽力使重量变轻，结构变得相对紧凑。3.1.4 机械式手爪设计在机械手中，驱动机构是非常重要的部分，其中
25、驱动装置及其方案在比 较的程度上决定了某种机械手所具有的性能价格等。手指张合一般采用气动， 机械驱动，电动和液压的方式来控制。当利用液压的方式时有很多的优点，比 如说驱动力足够大，控制相对方便，重量相对较轻，尺寸非常紧凑以及结构相 对简单。因此，本次设计选择液压驱动。在驱动源中，传动机构可以通过使得机械手上的爪钳打开与合上而实现 夹紧力的产生。通常传动机构可以分为齿轮齿条形式，滑槽式以及杠杆式等好 多种形式。在本文的设计中，采用的是双支点，杠杆连杆式，其中连杆跟驱动 杆的尾端是由销轴联系起来的，为了实现手指的闭合与松开运动，需要通过驱 动杆件在做往复直线的运动过程中，利用连杆推得两指各自绕着支
26、点进行回转 的动作。手爪是指其材料和形状对夹紧力有重大影响的并与工件直接接触的部 分。一般来说，夹紧工件的接触点与所要求的夹紧力呈反比，越低的夹紧力对 夹紧工件越安全。为了满足功能上的需求，考虑到本设计中的套类零件尺寸大 小，其自身的重量，因此我们采用二指机械式手爪夹持工件的外圆柱表面。3.1.5手部驱动力计算1手指夹紧力的计算图3-6手爪受力分析简图26(1) 设工件重量 m=4kg a =80° ,b=5mn, c=80mn, f=0.2(2) 当工件被夹持时，夹紧力可由下式计算：(3-1)N - K1K2K3G0式中K1 安全系数，取K1=1.5K2 工况系数，取K2=2K3
27、方位系数，取K3=1由公式3-1计算得 N - K1K2K3G0=1.5X 2X 1X 4X 9.8=117.6N(3) 如上图所示所示，Q为活塞杆推力，N为手指夹紧工件的夹紧力，则由 力矩平衡条件，知(3-2)1 Qb tan； = Nc 2其中， a =80° ,b=5mm c=80mm代入数值得 Q= 2Nc=2如17"80 = 663.55Nbtan：5 tan802液压缸内径的计算由机械设计手册，液压缸的内径可有下式计算:(3-3)式中一机械效率，考虑密封件的摩擦阻力损失，橡胶密封常取=0.954Q4 663655= 33.34mmP 液压缸工作腔的工作压力，由表
28、3-1，取p = °.8°6 Pa表3-1按负载选择工作压力负载/kN< 5510102020303050>50工作压力/MPa<0.811.5 22.533445代入数值得- p 二 0.8 1060.95表3-2 液压缸内径系列(JB826-66)2025324070758085110125130140505563659095100105160180200250根据标准化液压缸内径进行圆整，取 D=40mm3活塞杆直径的设计与校核液压缸传递力主要靠活塞杆，它的主要作用有承受压力、弯曲力、拉力、冲击振动等，但必须有充足的强度和刚度。所以，在此我们取材料Q
29、235抗拉强度二b=375460MPa 取 400MPa根据液压传动与控制手册，可得活塞杆直径的选取原则：当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.30.5 ;当活塞杆受压时，一般选取 d/D=0.50.7 根据表3-3，取d=20mm表3-3活塞杆直径系列156810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400活塞杆的直径d按式(3-4 )进行校核(3-4)式中F 活塞杆上的作用力CT 活塞杆的许用应力,二b 材料的抗拉强度S 安全系数，S=1.4代入数值得二 3.25mm成立故活塞杆直径满足
30、强度要求4缸筒壁厚的计算与校核缸体是液压缸中最重要的零件，当液压缸的工作压力较高或缸体内径较大 时，需要进行强度校核。本设计选用45号钢作为缸体的材料，抗拉强度crb=600MPa 取壁厚 S =5mm(3-5)当D/ S <10时，壁厚S按下列公式进行校核：21.3pt式中 S 液压缸筒壁厚D 液压缸内径Pt液压缸试验压力，取 Pt=1.5PP 液压缸工作压力(7 缸筒材料许用应力，(7 =(7 b/s(T b材料的抗拉强度S 安全系数，一般取S=5代入数据得40j ”20+ 0.4汉 1.5江 0.81120 1.3 沃 1.5 域 0.8故缸筒壁厚满足强度要求。5.液压缸外径的确定
31、Dj = D 2d =40+5>2=50mm表3-4标准液压缸外径(JB1068-67)液压缸内径405063809010011012514015016018020020钢p< 160MPa5060769510812113316814618019421924545钢p< 200MPa506076951081211331681461801942192456连接螺栓直径的确定与校核根据载荷的大小，初定螺栓直径d=6mm螺栓材料为Q235性能等级为4.6 ,查表得材料屈服极限(Ts=240Mpa安全系数S=1.5, (T=(T s/S=160Mpa液压缸盖固定螺栓直径可按下式计算：
32、(3-6)5.2kF二 Z I式中k 螺纹拧紧系数，k=1.121.5F 液压缸负载Z 固定螺钉个数(T 螺杆材料的许用应力c s 材料的屈服极限S 安全系数，S=1.22.5d -5.2 1.3 0.8:4 160代入数据得 二0.5mm成立故螺钉符合强度要求。7密封与防尘通常我们常见的活塞杆的密封形式不仅有 O形、丫形、V形、U形密封圈考虑到设计与维护等多方面因素，本设计选用O形密封圈3.2臂部的设计支承被夹取工件、手部、手腕我们主要通过手臂来完成。它的主要作用是 用手指去抓取物件，然后按预定的要求将其放在指定的地方。为了实现手臂的各种运动，工业机械手的手臂通常由驱动源（如液压、气 压或电
33、机等）和驱动手臂运动的部件（如齿轮齿条机构、油缸、气缸、螺旋机 构、凸轮机构和连杆机构）相配合组成。!直线运动：如伸缩.升降、横移运动中基本运动X严I回转运动：如水平回转、上下摆动（即俯仰）运动。直线运动与回转运动的组合（即螺範运动人 手臂运动复合运动5两直线运动的组合（即平面运动人I两回转运动的组合（即空间曲面运动人图3-7手臂的运动形式3.2.1手臂的常用机构（1）手臂直线运动机构我们知道机器人手臂的直线运动主要有伸缩、横向移动。为了实现手臂往 复直线运动，通常我们采取的机构形式主要有活塞油缸、丝杠螺母机构以及连 杆机构、齿轮齿条机构等。因为活塞油缸的具有体积小、重量轻的优点，所以 在机器
34、人的手臂结构中多被采用。（2）手臂回转运动机构了实现机器人手臂回转运动我们通常采用的机构形式有很多种，大体可以 分为活塞缸、链轮传动机构、齿轮传动机构、连杆机构、叶片式回转缸等。机械手手臂需完成的是伸缩运动，故采用活塞式液压缸。3.2.2手臂设计原则确定臂部的结构形式必须依据机器人的动作自由度、运动形式、抓取重量、等因素来度量。与此同时，在设计时还要要考虑手臂的受力情况，手腕的连接 形式、油缸及导向装置的布置、内部管路等因素。因此手臂设计时要考虑以下 要求：（1）刚度要求高合理选择手臂的截面形状有利于减小臂部在运动过程中产生过大的变形程 度。圆截面一般比工字形截面弯曲刚度大；实心轴比空心管的弯
35、曲刚度和扭转 刚度都小的多，所以我们常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支撑板。（2）导向性要好或设置导向装置，花键等形式、或设计方形的臂杆，能有效防止手臂沿运 动轴线直线运动中发生相对转动。（3）重量要轻尽量减小臂部运动部分的重量，能有效提高机器人的运动速度从而以减小 整个手臂对回转轴的转动惯量。（4）运动要平稳，定位精度要高一般臂部运动速度越高与惯性力引起的定位前的冲击呈正比，所以运动不 平稳，定位精度不高。所以，在设计过程中除了采用一定形式的缓冲措施，臂 部设计上要力求重量轻外，结构紧凑。3.2.3臂部驱动力计算考虑臂部所受的全部负荷能使臂部运动驱动力和力矩的计算更精确。通常 臂部所
36、受的负荷主要有惯性力、重力、摩擦力等。1工作负载的计算臂部做水平伸缩运动时，第一要考虑克服摩擦阻力，其中包括液压缸与活 塞之间的摩擦阻力，支承套与导向杆之间的摩擦阻力等因素，第二还要克服启 动过程中的惯性力因素。在当作机构在满负载的情况下，以一定的加速度启动时对液压缸产生的总 阻力我们称液压缸的工作负载。Fr = Fm Fg（3-7）Fr 工作负载Fm 工作机构在满载启动时的静摩擦力Fg 工作机构在满载启动时的惯性力，可按牛顿第二定律求出Fg 二 ma 二 m9t(3-8)式中m 运动部件的总质量，kga 运动部件的平均加速度，m/s2v t时间内速度的变化量，m/st 升降速过程所用时间，s
37、，一般为0.010.5s工件质量m=4kg f=0.2标准手爪材料为铝合金ZL3,密度= 2.75 103kg/m3，则气爪的质量为:m爪八V爪二 2.75 1 03 0.048 0.087 0.066 = 0.76kg连接板材料为45钢，J2= 7.85 103kg/m3m板八V板=7.85 103 0.086 0.08 0.05 = 2.7004kg另外，伸缩手臂导杆伸出件质量约为 0.5kg根据本机械手的设计技术参数，伸缩手臂的行程为250mm手爪抓重为4kg，加上手爪和连接板的重量，总质量约为8kgFm 八只 =0.2 8 9.8 = 15.68N(3-9)vFg 二 ma = m g
38、t设要求手臂平动时，v=250mm/s在计算惯性力时，设置启动时间 t=0.1s，则启动速度 v =v=250mm/s则Fg二 ma =8 昭=20N0.1Fr 二 Fm Fg=15.68+20=35.68N2液压缸内径的计算由机械设计手册，液压缸的内径可有下式计算:(3-3)式中 -机械效率，考虑密封件的摩擦阻力损失，橡胶密封常取=0.95代入数值得14 汉 35.68I 二 0.8 106 0.95P-液压缸工作腔的工作压力，由表3-1，取p= 0.8 106 Pa=7.73mm根据标准化液压缸内径进行圆整，取 D=25mm3活塞杆的设计与校核液压缸的直径可由下式计算(3-10)缸的速度比
39、 '过大时，无杆腔中会有大的背压产生，速度比过小就会造成活塞杆太细，稳定性不好。推荐液压缸的速度比如表3-5所示：二 D=25 严11.33=12.45mm表3-5液压缸往复速度比推荐值工作压力p/MPa< 101.25 20> 20往复速度比申1.331.46,22代入数据得30根据标准化活塞杆直径进行圆整，取 d=14mm 活塞杆的直径d按下式进行校核(3-4)式中F-活塞杆上的作用力(T卜-活塞杆材料的许用应力,-b材料的抗拉强度S-安全系数，S=5代入数值得4 35.68: 80 10二 2.42mm成立故活塞杆直径满足强度要求4缸筒壁厚的计算与校核液压缸大多数十薄
40、壁筒，即 D-10，其最薄处的壁厚可由下式计算即:6_PD_2式中S 液压缸筒壁厚D液压缸内径Pt液压缸试验压力，取 Pt=1.5PP 液压缸工作压力(7 缸筒材料许用应力，(7 =(7 b/S(T b材料的抗拉强度S 安全系数，一般取S=5代入数据得1.5 0.8 252 120=0.125mm经过圆整之后，取S =3mm则液压缸外径D D 2d =25+3X2=31mm5.缸底和缸盖的设计缸盖和缸底的材料均设计为35号钢，由表3-6缸底与缸筒的连接为外螺纹 连接。表3-6工程机械液压缸基本参数及连接形式液压缸内径D (mm40 50 63 80100 110 125140 160 180
41、200 220 250缸盖连接形式外螺纹连接法兰连接内卡环连接速率比申1.33 1.46 21.46 2行程L/mm(812) D3.3机身的设计工业机器人是由三部分机械结构组成的：手部、手臂、机身。机身，又叫 做立柱。机器人要有一个物件是他便于安装，即机座，机座大多数是与机身做 成一体的。机身是通过支撑臂部来实现作用的，一般包括升降、回转和俯仰等 动作，含有13个自由度。机身设计时需要考虑如下问题：(1) 要有足够的稳定性和刚度；(2) 运动灵便，升降缸的导套长度不能太短了，不然会发生卡死现象，而 且要有导向装置；(3) 机身布置要合理。3.3.1机身的整体设计按照设计要求，手臂要完成旋转运
42、动，实现手臂回转运动的机构一般都设 计在机身处。为了设计出靠谱的运动结构，这就要求我们全部地考虑分析。机 身承载手臂，做升降、回转运动，是机械手不可或缺的部分。常用的机身结构 有以下几种：（1）回转缸放在升降缸下面的机构。这种结构的长处是可以承载较大的偏重力矩，缺点是旋转运动的路径长。（2） 回转缸放在升降缸上面机构。这种结构使用的是单杆活塞缸，结构较 小。不过回转缸也要做升降运动，这样运动的部件就比较大了。（3）活塞缸和齿轮齿条机构。手臂的回转运动是通过齿轮齿条机构来实现 的，齿条的来回运动使得与手臂连接的齿轮作往复旋转，那么手臂就会左右摆 动。图3-8回转缸置于升降缸之下的机身结构示意图3
43、1图3-10活塞缸和齿轮齿条机构经过系统全面的考虑与分析，本次设计决定采用回转缸放在升降缸上面的 机构。在本此设计中，机身含有两个运动，即机身的回转和升降。如图3-9所示，回转机构放在升降缸上面。手臂部分与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与 缸体连接，手臂随着回转缸做旋转运动。驱动机构仍然采用液压驱动，回转缸 也有两个油孔，一个是进油孔，一个是出油孔，分别导向回转叶片的两侧来辅 助叶片的转动。回转度数则是由机械挡块来决定的，对于本设计来说，两个叶 片之间可以转动的角度是个值得考虑的问题，为了适合设计，缸中动片和静片 之间可以回转180°3.3.2机身回转机构的设计计算1回转缸驱动力的
44、计算回转缸的回转驱动力矩 M驱，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩 M惯及各密封装置处的摩擦阻力矩 M阻相平衡。M驱二M惯M阻M回(3-12)惯性力矩的计算AgoM 惯二 J。；二 J。一(3-13)式中 '回转缸转动片角速度变化量，rad /s，在启动过程中“t 启动过程的时间，sJo 手臂回转部件对回转轴线的转动惯量，kg m2G 2(3-14)J。 = Jc2g式中 Jc 回转零件的重心的转动惯量'手臂回转零件的重心与回转轴的距离Jc=12（l2+3R2）（ 3-15）回转部件可以等效为一个长 400mm直径为280mm质量为145.9kg的圆柱设启动角=18°,
46、1.9mm取 D=190mm3连接螺栓直径的确定与校核根据载荷的大小，初定螺栓直径d=24mm螺栓材料为Q235性能等级为4.6，查表得材料屈服极限（T s=240Mpa安全系数S=1.5， c= cs/S=160Mpa回转缸盖固定螺栓直径可按下式计算：4X.3Fd 制（3-17）代入数据得d%.148故螺钉符合强度要求经过以上的计算，需要螺钉来连接，最终确定的液压缸的截面尺寸如图3-11所示，内径为190mm外径为300mm输出轴径为60mm图3-11回转缸的截面图3.3.3机身升降液压缸的设计计算1驱动力的计算液压缸作垂直运动时，除了要克服自身的重力外，还要承受手部、手臂、工件等的总重力，
47、以及做升降运动的全部部件的惯性力，故其驱动力F驱可按下式计算：Fg(3-18)Fm 各支撑处的摩擦力，NF g 启动时总惯性力，NW运动部件的总重力，N 土一上升时为正，下降时为负运动部件包括夹持重物、手爪、水平伸缩液压缸、回转液压缸以及连接各 个液压缸的连接板。第三章已算过夹持重物、手爪、以及连接液压缸的连接板 的重量，总质量约为8kg。连接板、水平伸缩液压缸、旋转缸的制造材料是一样的，为45钢，其密度鳥5= 7.85 103kg/m3水平伸缩液压缸质量 m - fVj =7.85 103 二/4 0.052 0.36 = 5.55kg连接板质量为 m - ： 45M 二 7.85 100.
49、0.95代入数值得58.47 mm根据标准化液压缸内径进行圆整，取 D=70mm3活塞杆直径的设计与校核活塞杆的材料取 Q235抗拉强度 b=375460MPa取400MPa根据表3-3，取d=28mm活塞杆的直径d按下式进行校核(3-4)式中F-活塞杆上的作用力(T卜-活塞杆材料的许用应力,S匚b-材料的抗拉强度S-安全系数，S=5代入数值得=5.20mm 成立故活塞杆直径满足强度要求。取 L=500mm当活塞杆受到轴向力压力作用时，有可能产生弯曲，当此轴向力达到临界 值Fk时，会出现压杆不稳定的现象，临界值 Fk的大小与活塞杆长度和直径,以及缸的安装方式等因素有关。只有当活塞杆计算长度I
50、10d时，才进行活塞杆的纵向稳定性计算。使缸保持稳定的条件为：Fcr(3-19)cr式中F 缸承受的轴向压力Fcr 活塞杆不产生弯曲变形的稳定临界力 n cr 稳定性安全系数，n cr =26，取n cr =2IFcr可根据细长比的范围按下述有关公式计算:k当细长比mi时，Fcri 二 2EJ当细长比t乞mi，且m I i =20120时,FcrfA(3-20)(3-21)当细长比i必时'缸具有足够的稳定性'不必校核(3-22)iEA 2Fncr式中I 安装长度，其值与安装形式有关，见表3-7k活塞杆最小截面的惯性半径，k = d = 74m 柔性系数，对钢取m=85i由缸支承
51、方式决定的末端系数，其值见表3-7E 活塞杆材料弹性模量，钢材取 E = 2.06 1011Pa活塞杆横截面惯性矩,二 d464f材料试验强度值，pa，钢材取f =4.91 108Pa兀d2A 活塞杆横截面面积，A二4a 实验常数，钢材取 a=1/5000lk 活塞杆的计算长度表3-7缸的安装长度代入数据得上iEA2Fncr=441.9mm11兀汉28_64 2.06 101042 2040.6 2I冬Ik成立，故活塞杆长度符合要求Fcr 二i 二2 EJ4211 兀 X 28-124 -2.06 101064I2丿 3 2450 10= 9.8 105NFcr卜一成立，故活塞杆稳定性符合要求
52、ncr4缸筒壁厚的计算与校核液压缸大多数为薄壁筒，即氏10，其最薄处的壁厚用材料力学薄壁圆筒公式计算，即:(3-11 )式中PtS 液压缸筒壁厚液压缸内径液压缸试验压力，取 液压缸工作压力T 缸筒材料许用应力, t b材料的抗拉强度 安全系数，Pt=1.5P般取S=5(T = (T b/s代入数据得1.5 0.8 70o =2 120二 0.35mm经过圆整之后，取S =7mm则液压缸外径D D 2d =70+7X2=84mm5.缸筒长度的确定液压缸工作行程表3-8 (a) 液压缸行程系列(GB 2349-80)2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表3-8 (b) 液压缸行程系列(GB 2349-80)406390110140180220280360450550700900110014001800220028
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