工业机械手的设计说明书

课程设计说明书

设计题目：工业机械手设计

学院：机电工程学院

班级：机械092班

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第四章  手臂的设计

4.1手臂伸缩的设计计算

   手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。

臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。

机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。多义性在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。

 伸缩液压缸的设计计算

 求水平伸缩直线运动液压缸的驱动力

 根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回油背压及惯性等几个方面的限力，来确定液压缸

所需的驱动力。

手臂的伸缩速度为300mm/s

行程L=400mm

 抓重100N

 液压缸活塞的驱动力的计算

式中  一一摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力。       

一一密封装置处的康擦阻力;

 一一液压缸回油腔低压油掖所造成的阻力;

 一一起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。

 、、、的计算如下。

 4.1.1. 的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况

进行估算。

 图4-15为双导向杆导向，其导向杆截面形状为圆柱面，导向杆对称配置在伸缩缸的两侧，

启动时，导向装置的摩擦阻力较大，计算如下:

 由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。

 得

式中——参与运动的零部件所受的总重力(含工件重),估算=(100+700)N=800N

 ——手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支承前端的距离(m),L=100mm

 ——导向支承的长度,a=150mm;

 一一当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。

 对子圆柱面:

 取=1.5

 ——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时:

 钢对青铜: 取

 钢对铸铁: 取=0.18~0.3

取=0.1

代入已知数据得==280N

 4.1.2.的计算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，其计算公式如下:

 “O”形密封圈 当液服缸工作压力小于10Mpa. 活寒杆直径为液压缸直径的一半，

活塞与活塞杆处都采用“O”形密封圈时，液压缸密封处的总的摩擦力为:

式中 ——为驱动力，

 ——工作压力(Pa);  P <10MPa, =0. 05~0.023,取p=2Mpa, =0.05;    

 ——伸缩的直径,d=70mm;

 ——密封的有效长度(mm).

 为了保证“O”形密封圈装人密封沟槽，井与配合件接触后起到严格的密封，在加工密

封沟槽时考虑密封圈的预压缩量，如图4--15所示。

K=0.08~0.14

  取=10mm,K=0.1,得=50mm

得 

4.1.3. 的计算  一般背压阻力较小，可按=0.05F

4.1.4. 的计算

一一参与运动的零部件所受的总重力(包括工作重量)（N）

g一一重力加速度，取10

一一由静止加速到常速的变化量=0.3m/s

一一起动过程时间(s)，一般取0.01~0.5s，对轻载

 低速运动部件取较小值，对重载高速运动部件

 取较大值。取=0.03s

所以所求驱动力，解得F=1208.04N

确定液压缸的结构尺寸

液压缸内径的计算 如图4一16，当油进入无杆腔

 当油进入有杆腔

液压缸的有效面积:

故有 ，

查表4-3圆整取D=30mm

式中  F——驱动力〔N);

 ——液压缸的工作压力,取=2Mpa;

 一一活塞杆直径(m);

 —一活塞缸内径〔m);

 ——液压缸机械效率，在工程机被中用耐油橡胶可取n =0.950

 选择适当的液压缸工作压力很重要。选高了，可以减小液压缸内径及其执行机构的尺

寸，使机械手手臂结构紧凑，但要选用价格较贵的高压油泵和阀，井使密封复杂化。选低

了，可用价格较低的泵和阀，但使结构庞大，自重增加。一般取2~8Mpa.表4-2推荐了几

织数据，可供选择液压缸工作压力时参考。

表4一2液压缸工作压力

4-3所示。

表4-3液压缸内径系列J（mm）

2. *号为（JB1086-67）标准系列 

  液压缸壁厚计算，在实际使用中有下列三种公式:

中等壁厚，即时，

式中  F——液压缸内工作压力Mpa

     ——强度系数(当为无缝钢管时=1)

      C——计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值;

      D——液压缸内径（m）

将计算结果按有关资料选择，如表4-4

表4-4标准液压缸径（JB68~67）  （mm）

取内径壁厚为4mm

2. 活塞杆的计算

2.1 活塞杆的尺寸要满足活塞(或液压缸)运动的要求和强度的要求。对

于杆长t大于直径d的I5倍(即t )活塞杆还必须具有足够的稳定性。

(1)按强度条件决定活塞杆直径d按拉、压强度计算:

或                    

查表4-5圆整取d=16mm

碳钢取=110~120Mpa，取=120Mpa；n一般不小于1.4，取n=1.4;

表4-5活塞杆直径系列（JB826~66）

2.2 活塞杆的稳定性校核

当括塞杆L>15d时，一般应进行稳定性校核。稳定性条件可表示为

式中

——临界力（N），可按材料力学有关公式计算。——安全系数，=2—4

2.2.1.大柔度杆的临界力

当时，临界力为

 =

式中为活塞杆的计算柔度（柔度系数）

 为活塞杆的计算长度（m），油缸支承情况和活塞杆端部支承情况不同，活塞杆计算长度不同，见表4—6；

 为活塞杆横截面的惯性半径（m）,

J为活塞杆截面对中性轴的惯性矩（）

E为弹性横量，E=210GPa

为长度折算系数，见表4—6；

为特定的柔度值，=，为比例极限。

 2.2.2. 中柔度杆

 当入2<入<:时，临界力为

 二F

式中F活塞杆横截面积（）

 、b—常数，与材料性质有关，见表4-7;

为特定的柔度值，，为屈服极限

  2.2.3. 短压杆

入<时，不校核压杆稳定。

4.2臂旋转机构设计

手臂回转后液压缸的设计计算

(一)手臂回转时所需的驱动力矩

 采用回转液压缸实现手臂回转运动时，其受力情况可化简成图4-20。

图4-20  手臂回转运动时的受力图

驱动手臂回转的力矩M驱，与手臂起动时所产生的惯性力矩M惯及各密封装置的摩擦阻力矩M摩相平衡。

                    M驱＝M惯+M摩+M回                 （3－1）

（1）M摩——密封装置处的摩擦力矩（N·m）

                    M摩＝M摩’+M摩”

 估计取 F’=500N ,F”=800N

 估计取 回转缸内径D=230mm ,输出轴与动片联接处的直径 d=100mm ,     动片宽度b=100mm 

           M摩’=F’R＝500×0.23÷2＝52N·m

           M摩”＝2F”R＝2×800×0.23÷2=162N·m

  所以，   M摩＝52+162=214N·m

(2)M惯——手臂起动时的惯性力矩

M惯=J0=

式中  ——回转缸动片的角速度变化量（rad/s），在起动过程中=，取=60°/s

——起动过程的时间（s）,取=0.5s

J0——手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（N·m·s2）。若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，  则

J0=Jc+

式中  Jc——回转零件对重心轴线的转动惯量

Jc=

取手臂回转零件质量m=600Kg，回转时手臂长度l=2500mm

Jc==230

Jo=230+600×0.32=280

M惯＝=600N·m

      M回——回转液压缸回油腔的背压反力矩

M回==

取,

M回==680 N·m

M驱=214+600+680=1480 N·m

(二)驱动力矩的计算

      如图4-21所示回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M驱′

M驱′==

图4-21  回转液压缸计算图

(三)回转缸内径D的计算

根据                  M驱= M驱′

M驱=

式中  D——回转缸内径（m）

      M驱——作用在动片的外载荷力矩

        p——回转液压缸的工作压力（Pa）

 选取

        b——动片宽度（m）

为减少动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度（即液压缸宽度）时，可选用

所以                 

(四)缸盖联接螺钉和动片联接螺钉计算

1.    缸盖联接螺钉计算  缸盖与回转液压缸的缸体用螺钉联接时，其螺钉的强度计算方法与伸缩液压缸缸盖螺钉强度计算方法相同。

2.    动片与输出轴联接螺钉计算  动片与输出轴用螺钉联接的结构见图4-22。联接螺钉一般为偶数，对称地安装，并用两个销钉定位。联接螺钉的作用是：使动片与输出轴的配合面紧密接触不留间隙，当油腔同高压油时，动片受油压作用，产生一个合成液压矩，克服输出轴上所受的外载荷力矩。

动片的受力情况如图4-22b所示。依动片所受力矩的平衡条件，有：

图4-22  动片与输出轴联接方式及动片受力图

于是得            

式中  FQ——每个螺钉的预紧力（N）

Z——螺钉数目，Z=6

f——被联接件配合面间的摩擦系数，钢对钢取f=0.15

所以     

螺钉的强度条件为

常用螺钉材料的屈服极限

螺钉材料为45号钢，所以取MPa

所以        

4.3 机械手手臂升降部分设计

4.3.1 臂部的结构设计

臂部做升降运动的机构

1回转缸置于升降缸之下的机身结构

2回转缸置于升降缸之上的机身结构

4.3.2 臂部的设计计算

通常先进行粗略的估算，或者是采用类比型的结构，根据运动参数初步确定有关结构的尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复数次，绘出最终的结构。

4.3.3 臂部做升降运动的油缸计算

1）计算驱动力

      （2-1）

式中  ______摩擦阻力（N），，取；

______臂部运动的零部件的总重量（包括被抓取工件），单位（N） 。

（注：必须加上不自锁的条件）

计算结果取驱动力为45000牛，即 ， 。

4.4.4确定油缸的结构尺寸

（1）油缸内径的计算

如图1-1所示，当油进入无杆腔：

当油进入有杆腔：

油缸的有效面积：

所以，      （无杆腔）                （2-2）

          （有杆腔）

式中 P______活塞的驱动力（N）；

     P1_____油缸的工作压力（MPa）；

     D______油缸内径（mm）；

     d______活塞杆直径（mm）；

     _____油缸机械效率 。

选择工作压力是很重要的问题。选高了，可减小油缸内径及其它执行机构尺寸，使机械手臂部结构紧凑，但要选较贵的高压油泵和阀；选低了则会使结构厐大，增加自重，不过可以选用较便宜的泵和阀。表4-1给出几组数据可供参考。

表1-1

通过计算所选择的油缸内径，应尽可能是标准值，油缸内径径系列（GB/T2348-93）如表1-2 。

表1-2

由表1-2可选出油缸内径为125mm 。

（2）油缸壁厚的计算

中等壁厚（）：

          （2-3）

式中 D____油缸内径（mm）；

     _____计算压力，

      ____油缸材料的许用应力（MPa）；

      ____强度系数

       C____附加厚度

由公式2-3可计算出油缸外径：

由未准油缸外径表1-3，可知C可取17，因此壁厚mm 。

表1-3

（3）活塞杆的计算

活塞杆的尺寸要满足活塞运动和强度的要求。对于杆长大于直径的15倍的活塞杆还必须具有足够的稳定性。

1按强度条件决定活塞杆直径d 

按直杆拉、压强度计算：

式中 P_____活塞杆所受的总载荷（N）；

     ____活塞杆材料的许用应力（MPa） 。

通过查活塞杆直径系列表1-4，可选出活塞杆的直径为d=25mm

表1-4

2活塞杆的稳定性校核

活塞杆长L=300mm，又，即，所以满足稳定性要求。

（4）油缸端盖的联接方式及强度计算

端盖联接采用半环联接，便于加工和装拆。

缸盖螺纹的计算，由公式2-4可计算出螺钉螺纹内径：

           （2-4）

又因为，，所以由公式2-4可得：

再从国家标准件系列表1-5中可选出联接螺钉的尺寸为M16 。

表1-5螺纹规格

臂部升降机构设计

手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。

   臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。

   机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。

手臂的伸缩速度为300m/s，行程L=400mm根636E原始数据可做出臂部升降部分的总体结构如总装配图所示。

第五章   机械手指液压原理图

一、抓取缸液压原理如图所示

二、液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表

电磁铁

序号

第六章

假设

上升、下降用三位四通电磁阀，上升Y432(+)、下降Y430(+)；

夹紧、放松用二位三通电磁阀，夹紧Y431(+)、放松Y431(-)；

右行、左行用三位四通电磁阀，右行Y433(+)、左行Y434(+)。

若采用移位指令SFT实现步进式控制，程序大简化。其控制程序的设计编制过程如下：

1）步进工步10步（启动，1~8，返回原点）分别对应M100~M111，共使用了10个单元的移位寄存器。

M100＝1，启动主令信号ST＝1→X400＝1；

1M101＝1  下降主令信号  X400＝1，到位  LS1＝1→ X401＝1。

2M102＝1  夹紧主令信号  X401＝1，到位  T450延时3s为1。

3M103＝1  上升主令信号  X450＝1，到位  LS2＝1→ X402＝1。

4M104＝1  右行主令信号  X402＝1，到位  LS3＝1→ X403＝1。

5M105＝1  下降主令信号  X403＝1，到位  LS1＝1→ X401＝1。

6M106＝1  放松主令信号  X451＝1，延时  2s（LS5＝1→X405＝1）。

7M107＝1  上升主令信号  X405＝1，到位  LS2＝1→ X402＝1。

8M110＝1  左行主令信号  X402＝1，到位  LS4＝1→ X404＝1。

9M111＝1  原点主令信号  X404＝1，到位  T452延时 2s 为1。

下一次工作，先按复位健 RT＝1→ X513＝1→移位寄存器清0复位，

            再按启动健 ST＝1→ X400＝1→M100＝1 再循环一次。

2）梯形图：

3）

4）程序清单：

LD X404    ; TA 复位＝1

AND M111

OR X405

RST M100   ; 移位寄存器清0

LD X403    ; 机械原点LS2＝1？

AND X404              LS4＝1？

ANI M101

ANI M102

ANI M103

ANI M104   ; 原点条件

ANI M105

ANI M106

ANI M107

ANI M110

ANI M111

OUT M100   ; 满足使M100＝1起动

LD M100

AND X400   ; ST＝1？

SFT M100   ;是则使M1D1＝1

LD M101    ; 下降

AND X401   ; LS1＝1？

SFT M100   ; 是则使M102＝1

LD M102    ; 夹紧

AND X450   ; 夹紧延时

SFT M100   ; 时间到M103＝1

LD M103    ; 上升

AND X402   ; LS2＝1?

SFT M100   ; 是则使M104＝1

LD M104    ; 右行

AND X403   ; LS3＝1？

SFT M100   ; 是则使M105＝1

LD M105    ;下降

AND X401   ;LS1＝1？

SFT M100   ; 是则使M106＝1

LD M106    ; 放松

AND T451   ; 延时2s

SFT M100   ; 时间到使M107＝1

LD M107    ; 上升

AND X402   ;LS2＝1？

SFT M100   ; 使M110＝1

LD M110    ; 左行

AND X404   ; LS4＝1？

SFT M100   ; 使M111=1

LD M100    ; 原点显示

OUT Y435

LD M101

OR M105    ; 下降

OUT Y430   ;

LD M102    ;

S  M201    ; 夹紧

OUT Y431   ;

OUT T450   ; 夹紧延时 3s

K 3        ;

LD M107    ;

ANI X405   ; LS5＝1？ 上升

OR M103    ;

LD M104    ; 右行

OUT Y433   ;

LD M110    ; 左行

OUT Y434   ;

LD M106    ;

OUT Y451   ; 松开，延时

K 2        ;

R M210     ; 松开

END