机械手夹持器毕业设计论文及装配图.pdf

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1、 第二章第二章 夹持器夹持器 2.1 夹持器设计的基本要求夹持器设计的基本要求 （1）应具有适当的夹紧力和驱动力； （2）手指应具有一定的开闭范围； （3）应保证工件在手指内的夹持精度； （4）要求结构紧凑，重量轻，效率高； （5）应考虑通用性和特殊要求。 设计参数及要求 （1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松； （2） 所要抓紧的工件直径为 80mm 放松时的两抓的最大距离为 110-120mm/s ， 1s 抓紧,夹持速度 20mm/s； （3）工件的材质为 5kg，材质为 45#钢； （4）夹持器有足够的夹持力； （5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由液压缸提供动力。 2.2 夹持器结构

2、设计夹持器结构设计 2.2.1 夹紧装置设计夹紧装置设计. 2.2.1.1 夹紧力计算夹紧力计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进 行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性 力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： 123N FKKKG 2-1 式中： 1 K 安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取 1.22.0，取 1.5； 2 K 工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况 系数 2 K , 2 0.02/1 111.002 9.8 a K g = +

3、= +=，a 为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的 绝对值（m/s） ； 3 K 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定， 手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置； 手指与工件形状：V型指端夹持圆柱型工件， 3 0.5sin K f =，f为摩擦系数，为V型手指半角，此处粗略计算 3 4K,如图 2.1 图 2.1 G被抓取工件的重量 求得夹紧力 N F ， 123 1.5 1.002 4 3 9.8176.75 N FK K K MgN= = ，取整为 177N。 2.2.1.2 驱动力力计算驱动力力计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式： 2 sin N Fc F

4、ba = 式中： c滚子至销轴之间的距离； b爪至销轴之间的距离； a楔块的倾斜角 可得 2sin1772 86 sin16 195.15 34 N F ba FN c = ? ， 得出F为理论计 算值，实际采取的液压缸驱动力 F要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一 般取 0.80.9，此处取 0.88，则： 195.15 221.762 0.88 F FN = ，取 500FN= 2.2.1.3 液压缸驱动力计算液压缸驱动力计算 设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供 推力： 2 = 4 FD p 推 式中 D活塞直径 d活塞杆直径 p 驱动压力， FF

5、= 推 ,已知液压缸驱动力 F，且 50010FNKN= 由于 10FKN ，故选工作压力 P=1MPa 据公式计算可得液压缸内径： 44 500 25.231 3.14 1 F Dmmmm p = 根据液压设计手册,见表 2.1，圆整后取 D=32mm。 表 2.1 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140160180200 250 活塞杆直径 d=0.5D=0.540mm=16mm 活塞厚 B=(0.61.0)D 取 B=0.8d=0.732mm=22.

6、4mm,取 23mm. 缸筒长度 L(2030)D 取 L 为 123mm 活塞行程，当抓取 80mm 工件时，即手爪从张开 120mm 减小到 80mm，楔快向前 移动大约 40mm。取液压缸行程 S=40mm。 液压缸流量计算： 放松时流量 S dDQ=)( 4 22 226 121 (3216 ) 20 60 100.724 /min 4 qVAVL = 夹紧时流量 226 11 1 3220 60 100.965 /min 44 S qVAVDL = 2.2.1.4 选用夹持器液压缸 2.2.1.4 选用夹持器液压缸 温州中冶液压气动有限公司所生产的轻型拉杆液压缸 型号为：MOB-B-

7、32-83-FB，结构简图，外形尺寸及技术参数如下： 表2.2夹持器液压缸技术参数 图2.2 结构简图 受压面积( 2 cm ) 工 作 压力 使 用 温 度范围 允许最 大速度 效 率 传动介 质 缸径 无杆腔 有杆腔 速度比 1MPa 10 + 80 300 m/s 90 % 常规矿 物液压 油 32 mm 12.5 8.6 1.45 图2.3 外形尺寸 2.2.2 手爪的夹持误差及分析手爪的夹持误差及分析 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位精度 （由臂部和腕部等运动部件确定） ，而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品 种的中、小批量生产中，为了适应工件

8、尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定 位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图2-4，从而使夹持误差控制在较小的 范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过 1mm ，手部的最终误差取 决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。 图 2.4 工件直径为80mm，尺寸偏差 5mm ，则 max 42.5Rmm= ， min 37.5Rmm= ， 40 ep Rmm= 。 本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图2.5。 图2.5 若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示， 根据几何关系有： 22 ()2cos sinsin ABAB RR

9、Xlla =+ 简化为： 2222 2 1 (sincos)(sin) sin ABAB XRlla =+ 该方程为双曲线方程，如图2.6： 图2.6 工件半径与夹持误差关系曲线 由上图得，当工件半径为 0 R 时，X取最小值 min X ，又从上式可以求出： 0 sincos AB Rl= ，通常取2 120= ? min sin AB Xl= 若工件的半径 max R 变化到 min R 时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用表示。 在设计中，希望按给定的 max R 和 min R 来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差， 一方面可加长手指长度， 但手指过长， 使其结构增大； 另一方面可

10、选取合适的偏转角， 使夹持误差最小， 这时的偏转角称为最佳偏转角。 只有当工件的平均半径 ep R 取为 0 R 时， 夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当a值较大时） ， 偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定， 主要考虑这样极易出现在抓取半径较 小时，两手爪的BE和 B E边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工 件的平均半径 ep R ，以 90BCD= ? 为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式： 1 1 cos () sin ep AB R a l = 其中2 90amm= , 86 AB lmm= ,V型钳的夹角2 120= ? 代入得出

11、： 1 801 cos (45)56.57 sin6086 = ? ? 则 0 sincos86 sin60cos56.5741.02 AB Rlmm= ? 则 min0max RRR ，此时定位误差为 1 和 2 中的最大值。 222222 maxmin 1 ()2cossin sinsin ABABAB RR llala =+ 222222 minmin 2 ()2cossin sinsin ABABAB RR llala =+ 分别代入得： 1 0.0256mm = ， 2 0.1482mm = 所以， 0.14821mmmm = ，夹持误差满足设计要求。 由以上各值可得： 2222 2

12、 1 (sincos)(sin)55.9254 sin ABAB XRllamm =+= 取值为 56Xmm= 。 2.2.3 楔块等尺寸的确定楔块等尺寸的确定 楔块进入杠杆手指时的力分析如下： 图 2.7 上图2.7中 斜楔角，30?时有增力作用； 2 滚子与斜楔面间当量摩擦角， 22 tan()tand D=， 2 为滚子与转轴间的摩擦 角，d为转轴直径，D为滚子外径， 22 tanf=， 2 f为滚子与转轴间摩擦系数; 支点O至斜面垂线与杠杆的夹角； l杠杆驱动端杆长； l杠杆夹紧端杆长； 杠杆传动机械效率 2.2.3.1 斜楔的传动效率斜楔的传动效率 斜楔的传动效率可由下式表示： 2

13、sin = sin() + 22 tantan d D = 杠杆传动机械效率取0.834， 2 tan取0.1，d D取0.5，则可得=14.036?, 2 90 ? ，取整得=14?。 2.2.3.2 动作范围分析动作范围分析 阴影部分杠杆手指的动作范围，即 2 90 ? ，见图 2.8 图 2.8 如果 2 =，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所 以必须大于 2 。此外，当90= ? 时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在 结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。 2.2.3.3 斜楔驱动行程与手指开闭范围斜楔驱动行程与手指开闭范围 当斜楔从松开位置向下移

14、动至夹紧位置时， 沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为 L，此时对应的杠杆手指由 1 位置转到 2 位置，其驱动行程可用下式表示： 12 12 coscos (coscos) sinsin lll L = 杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为： 12 cos()cos()sl =+ 通常状态下， 2 在90 ? 左右范围内， 1 则由手指需要的开闭范围来确定。由给定 条件可知最大s为55-60mm,最小设定为30mm.即30(5060)s 。已知14= ?，可 得 2 9076= ?，有图关系： 图2.9 可知： 楔块下边为60mm， 支点O距中心线30mm， 且有 30 () tg ll = +

15、 ， 解得： 120ll+= 2.2.3.4l与与 l的确定的确定 斜楔传动比i可由下式表示： sin sin ll i Ll = 可知一定时， l l愈大，i愈大，且杠杆手指的转角在90 ? 范围内增大时，传 动比减小， 即斜楔等速前进， 杠杆手指转速逐渐减小， 则由 120ll+=分配距离为：50l =， 70l=。 2.2.3.5 1 确定确定 由前式得： (6030)30s = 1 3070cos(14 )cos(7614 )s =+ ? ， 1 50.623= ?，取 1 50= ? 。 2.2.3.6L确定确定 L为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有下图中关系 图2.10 50 (

16、cos50cos76 )82.850 sin14 L= ? ? ， 取83L=， 则楔块上边长为18.686， 取19mm. 2.2.4 材料及连接件选择材料及连接件选择 V型指与夹持器连接选用圆柱销 / 119.1GB T ，d=8mm, 需使用2个 杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销 / 119.1GB T ，d=8mm, 需使用2个 滚子与手指连接选用圆柱销 / 119.1GB T ，d=6mm, 需使用2个 以上材料均为钢，无淬火和表面处理 楔块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径12mm，螺距p=1，旋合长度为 10mm。 第三章第三章 腕部腕部 3.1 腕部设计的基本要求腕部设计

17、的基本要求 手腕部件设置在手部和臂部之间， 它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变 或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性 更强。手腕部件具有独立的自由度，此设计中要求有绕中轴的回转运动。 （1）力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结 构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时， 必须力求结构紧凑，重量轻。 （2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外， 要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部

18、与臂部和手部的连接。 （3）必须考虑工作条件 对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境 影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。 3.2 具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构 如图3.1所示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从AA剖视图上可 以看到，回转叶片（简称动片）用螺钉，销钉和转轴10连接在一起，定片8则和缸体9 连接。压力油分别由油孔5.7进出油腔，实现手部12的旋转。旋转角的极限值由动，静 片之间允许回转的角度来决定（一般小于270 ? ） ，图中缸可回转 90 ?

19、 。腕部旋转位置控 制问题，可采用机械挡块定位。当要求任意点定位时，可采用位置检测元件（如本例为 电位器，其轴安装在件1左端面的小孔）对所需位置进行检测并加以反馈控制。 图3.1 图示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个油管。通向手部驱动液压缸的油 管是从回转中心通过，腕部回转时，油路认可保证畅通，这种布置可使油管既不外露， 又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管（一根供手部油管，两根供腕部回转液压 缸）由手臂内通过并经腕架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。本设计要求手腕回 转 0 180 ，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕 部结构，采用液压驱动，参

20、考上图典型结构。 3.3 腕部结构计算腕部结构计算 3.3.1 腕部回转力矩的计算腕部回转力矩的计算 腕部回转时，需要克服的阻力有： （1）腕部回转支承处的摩擦力矩 M摩 12 12 =() 2 RR f MF DF D+ 摩 式中 1 R F ， 2 R F 轴承处支反力（N） ，可由静力平衡方程求得; 1 D , 2 D 轴承的直径（m） ； f 轴承的摩擦系数，对于滚动轴承 f =0.01-0.02；对于滑动轴承 f =0.1。 为简化计算，取 0.1MM= 摩总阻力矩，如图 3.1所示，其中， 1 G 为工件重量， 2 G 为手 部重量， 3 G 为手腕转动件重量。 图3.1 （2）克

21、服由于工件重心偏置所需的力矩 M偏 1 =MGe 偏 式中 e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离( ) m ，已知e=10mm. 则 1 =3 9.8 0.010.294MGeN mN m= = 偏 （3）克服启动惯性所需的力矩 M惯 启动过程近似等加速运动， 根据手腕回转的角速度及启动过程转过的角度启按下 式计算： =M t 惯工件 启 （J+J） 式中 工件 J 工件对手腕回转轴线的转动惯量 2 ()N m s ； J手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量 2 ()N m s ； 手腕回转过程的角速度(1 ) s ； t启启动过程所需的时间( ) s ，一般取0.05-0.3s,此处取0.1s

22、.。 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为200mm，直 径90mm，其重力估算： 23 0.0450.2 78009.897.26GKg mN KgN= ,取98N. 等效圆柱体的转动惯量： 222 111 98 0.0450.0101 222 9.8 G JMRR g = 工件的转动惯量，已知圆柱体工件 40Rmm= ， 100lmm= 2222 1 =(3)3 (3 0.040.1 )0.0037 1212 m JRl+= += 工件 要求工件在0.5s内旋转90度, 取平均角速度，即= ， 代入得： =(0.0101 0.0037)0.4335 0.1 MN m

23、N m t =+= 惯工件 启 （J+J） =0.10.2940.4335MMMMMN m=+ 总阻力矩摩偏惯总阻力矩 解可得： M总阻力矩 =0.8083N m 3.3.2回转液压缸所驱动力矩计算回转液压缸所驱动力矩计算 回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩 M总 如图3.3，定片1与缸体2固连，动片3与转轴5固连，当a, b口分别进出油时， 动片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。 图3.3 图3.4 图3.4为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。 22 () 2 R r pb Rr Mpb dM = 总 或 22 2 () M p b Rr 总 式

24、中 M总手腕回转时的总的阻力矩()N m p 回转液压缸的工作压力（Pa） R缸体内孔半径（m） r输出轴半径（m） ，设计时按 1.52.5 D d = 选取 b动片宽度（m） 上述动力距与压力的关系是设定为低压腔背压力等于零。 3.3.3回转缸内径回转缸内径D计算计算 由 MM 总阻力矩，得： 22 () 2 pb Rr M 总 ， 2 2M Rr pb + 为减少动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度时， 选用： 2 b Rr 综合考虑，取值计算如下： r=16mm，R=40mm，b=50mm，P取值为1Mpa，即如下图： 图3.5 3.3.4液压缸盖螺钉的计算液

25、压缸盖螺钉的计算 图3.6缸盖螺钉间距示意 表3.3 螺钉间距t与压力P之间的关系 上图中表示的连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为： FFF=+ 总预 ，即工作拉力与残余预紧力之和 计算如下： 液压缸工作压强为P=1Mpa,所以螺钉间距t小于150mm,试选择2个螺钉， 0.08 0.1256125.6150 42 D mmmmm = ，所以选择螺钉数目合适Z=2个 受力截面 22 222 8032 0.003436116 4 mmmm SRrm = 6 100.003436116 2267.84 2 PS FN Z =所以， 工作压力P（Mpa） 螺钉的间距t(mm) 0.5 1.5

26、小于150 1.52.5 小于120 2.55.0 小于100 5.010.0 小于80 FKF= 预 ，此处连接要求有密封性，故k取（1.5-1.8） ，取K=1.6。 1.6 2267.843628.54FKFNN= 预 所以 2267.84 3628.54=5896.38FFFNN=+=+ 总预 螺钉材料选择Q235， 240 160 1.5 s MPa n =则 ，安全系数n取1.5（1.5-2.2） 螺钉的直径由下式得出 4 1.3F d ，F为总拉力即 FF= 总 6 4 1.34 1.3 5896.38 7.81 3.14 160 10 F dmm = 螺钉的直径选择d=8mm.

27、 3.3.5静片和输出轴间的连接螺钉静片和输出轴间的连接螺钉 动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数。螺钉由于油液冲击产 生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的 大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： 22 0 () 4Pb DdMfF Zi= 摩 0 F 为预紧力, f 为接合面摩擦系数，取（0.10-0.16）范围的0.15，即钢和铸铁零件， i为接合面数，取i=2，Z为螺钉数目，取Z=2，D为静片的外径，d为输出轴直径，则 可得： () 22 0 4 bp FDd Zfi = 螺钉的强度条件为： 0 1 4F d 带入有关数

28、据，得： ()() 6 2222 0 0.04 1 10 0.080.03296.25 44 0.15 2 2 bp FDdN Zfi = 螺钉材料选择Q235，则 240 160 1.5 s Mpa n = （安全系数 1.22.5n = ） 螺钉的直径 0 4 1.3 0.998 F dmm = ，d值极小，取 6dmm= 。 螺钉选择M6的开槽盘头螺钉， /67GB T 5 46M ,如图3.7： 图3.7 3.3.6腕部轴承选择腕部轴承选择 腕部材料选择HT200， 3 7.9g cm= ，估计轴承所受径向载荷为50N,轴向载荷 较小，忽略。两处均选用深沟球轴承。现校核较小轴径处轴承。

29、 6005轴承基本数据如下： 10 r cKN= ，当量动载荷 pr pf F= ，载荷系数 p f 取1， 50 r FN= ，则 50pN= ，由公 式： 6 10 () 60 h c L n p = N为转速，由0.5s完成90 ? 回转，计算得： 60minnr= ， r cc= ，球轴承 3= 代入得： 63 39 1010 10 ()2.4 10 60 6050 h Lh = ，远大于轴承额定寿命 6 10h。 选用轴承为深沟球轴承6005，6008。 3.3.7材料及连接件，密封件选择材料及连接件，密封件选择 右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹， / 5783GB

30、 T ， 5 16M , 需用4个。 右缸盖与缸体连接选用六角头螺栓，全螺纹， / 5783GB T ， 5 16M ,需用4个。 左缸盖与缸体及法兰盘连接选用六角头螺栓，全螺纹， / 5783GB T ， 5 31M ,需用 4个。 选用垫圈防松， / 848GB T ，公称尺寸为5。 右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹， / 5783GB T ， 5 16M , 需用4个。 为定位作用，轴左侧增加一个套筒，材料为HT200，尺寸如下： 图3.8 动片与输出轴连接选用六角头螺栓 全螺纹， / 5783GB T ， 5 16M 需用2个。 密封件选择： 全部选用毡圈油环密封，材

31、料为半粗羊毛毡。 右端盖 d=40mm, 左右缸盖 d=25mm。 第四章第四章 伸缩臂设计伸缩臂设计 4.1伸缩臂设计基本要求伸缩臂设计基本要求 设计机械手伸缩臂， 底板固定在大臂上， 前端法兰安装机械手， 完成直线伸缩动作。 （1）功能性的要求 机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件 的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。 （2）适应性的要求 为便于调整，适应工件大小不同的要求，起止位置要方便调整，要求设置可调式定 位机构。为了控制惯性力，减少运动冲击，动力的大小要能与负载大小相适应，如步进 电机通过程序设计改变运动速度，力矩电机通

32、过调整工作电压，改变堵力矩的大小，达 到工作平稳、动作快捷、定位准确的要求。 （3）可靠性的要求 可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概 率。 工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工 作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。 （4）寿命的要求 产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连 续工作期限。设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施，如：选择耐磨材料、采取润滑 措施、合理设计零件的形面等。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损的零件要 便于更换。 （5）经济的要求 机械产品设备的经济性包括设计制造的经

33、济性和使用的经济性。 机械产品的制造成 本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。将机械设计课程 中学到的基本设计思想贯穿到设计中。 （6）人机工程学的要求 人机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示 清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。本设计中要充分考虑外形设计，各调整 环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。 （7）安全保护和自动报警的要求 按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必 须考虑的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡 死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警

34、装置。 设计参数 （1）伸缩长度：300mm； （2）单方向伸缩时间：1.52.5S； （3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm； （4）前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击； 4.2方案设计方案设计 液压驱动方案 （1）伸缩原理 采用单出杆双作用液压油缸，手臂伸出时采用单向调速阀进行回油节流调速，接近 终点时，发出信号，进行调速缓冲（也可采用缓冲油缸） ，靠油缸行程极限定位，采用 导向杆导向防止转动，采用电液换向阀，控制伸缩方向。 （图4.1） 图4.1 （2）液压系统的设计计算 液压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求， 液压缸及其控制元件的选择要满足 伸缩臂动力要求和运动时间要求，

35、具体设计计算参考液压传动与控制等相关教材。 由于伸缩臂做间歇式往复运动，有较大的冲击，设计时要考虑缓冲措施，可从液压回路 设计上考虑，也可从液压件结构上考虑。 设计计算参数及要求： 电磁阀流量：要满足伸缩速度的要求。 油缸直径：推力大小要能克服机构起动惯性并有一定的起动加速度，要满足运 动时间要求。 导向杆刚度：按最长伸出时机械手端部的挠度不超过规定要求。 定位方式和元件：自选。 （3）结构方案设计及强度和刚度计算 伸缩臂运动简图见图4-1 结构方案说明 a：支座1安装在机器人床身上，用于安装伸缩臂油缸和导向杆等零部件。 b：法兰4用于安装机械手，其形式和尺寸要与机械手相协调。 c：液压缸伸出

36、杆带动导向杆同时伸出300mm，伸出长度较大，设计、制造和安装 时要考虑液压缸与导向杆的平行度要求。 d：导向杆可采用直线导轨或直线导轴。直线导轨可选用外购件，直接从生产厂家 的有关资料中获得所需参数（网上查询直线导轨、直线导轴） 。采用直线导轴时可自行 设计，并且要考虑导向杆的润滑，润滑方式参考有关手册设计。 强度及刚度计算 本机械手夹持工件重量约3Kg左右，夹持器重量约15Kg，夹持器长度最大约 250mm。从受力角度分析，载荷不大，可参考其它机器作类比设计即可。伸缩臂的机构 力学模型如图4.2所示。 夹持器夹着工件，伸缩臂全部伸出，是导杆受力最大的状态,也是变形最大的位置。 在此情况下，

37、用材料力学的知识计算它的强度和刚度。 图4.2 4.3伸缩臂机构结构设计伸缩臂机构结构设计 4.3.1伸缩臂液压缸参数计算伸缩臂液压缸参数计算 4.3.1.1工作负载工作负载R 液压缸的工作负载R是指工作机构在满负荷情况下， 以一定加速度启动时对液压缸 产生的总阻力，即： imgR RRR=+ 式中： iR -工作机构的荷重及自重对液压缸产生的作用力； mR -工作机构在满载启动时的静摩擦力； gR -工作机构满载启动时的惯性力。 (1) iR 的确定 工件的质量m 2 mvr h = 2 0.8 7.85 3.141.5 2 = =5.9 (kg) 夹持器的质量 15kg(已知) 伸缩臂的质

38、量 50kg(估计) 其他部件的质量 15kg(估计) 工作机构荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N) 取Ri=860N (2) m R 的确定 Rm= 1722 . 0860=Ri (N) (3) g R 的确定 Rg= 172 1 . 010 2 . 0860 = = tg VG (N) 式中： t 为启动时间，其加速时间约为0.10.5s t =0.1s , =0.2s 总负载 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N) 取实际负载为 R =1200N 4.3.1.2液压缸缸筒内径液压缸缸筒内径D的确定的确定 D= mm Mpap R 39 11

39、4. 3 120044 = = 式中：R=1000 N5000 N , p可取0.81 a Mp , p =1 a Mp 取液压缸缸筒内径为40mm。 4.3.1.3活塞杆设计参数及校核活塞杆设计参数及校核 (1)活塞杆材料：选择45号调质钢，其抗拉强度 b =570 a Mp (2)活塞杆的直径： 查 液压传动设计手册 得， 当压力小于10Mpa时， 速比=1.33。 则可选取活塞杆直径为20mm系列，且缸筒的厚度为5mm。 最小导向长度： 30040 35 202202 lD H +=+= mm (3)活塞杆强度及压杆稳定性的计算 采用非等截面计算法 油缸稳定性的计算 因为油缸的工作行程较

40、大，则在油缸活塞杆全部伸出时，计算油缸受最大作用力压 缩时油缸的稳定性。 假设油缸的活塞杆的推理为P，油缸稳定的极限应力为Pk，则油缸稳定性的条件为 PPk。 Pk按下式得到： )()( 1 2 1 kgfJ J p p k k = 式中： 1 J pk 可按液压传动设计手册得到 64 4 1 1 d J = ； 64 )( 4 4 1 2 DD J = 式中： 1 d 为活塞杆直径 1 D 为缸体外径。 D为缸体内径。 所以， 625.19 64 202 1 = = J 15625.44 64 )4050( 22 2 = = J 所以 5 . 1 625.19 15625.44 1 2 =

41、J J 2 J 、 1 J 为长度 2 l 、 1 l 上的断面惯性矩。 查 6 . 1 1 2 = J J 时极限力的计算图，可由 1 2 1 = l l 且 mml300 1 = 查得 90 1 = J pk （其中， 1 l ：活塞杆头部至油缸A点处的距离（cm） 2 l :缸体尾部至油缸A点处的距离（cm） ） 。 所以： Nkgfpk 62 106 . 1625.1990= 。 k pp 所油缸的稳定性是满足条件的。 活塞杆强度的计算（E：材料的弹性模量）刚的弹性模量为E200Mpa。 液压传动与控制查得： 2057. 3 4 . 1 600 14. 3 120044 = = S R

42、 d 所以活塞杆强度是满足条件的。 4.3.1.4缸筒设计参数及校核缸筒设计参数及校核 (1)缸筒材料：选择ZG310-570铸钢,其抗拉强度 b =570 a Mp (2)缸筒壁厚及校核：取壁厚=5mm 3 . 0125. 0 40 5 08. 0= D 因此属于普通壁厚 缸筒壁厚的校核 max max 2.33 s pD p 式中： max p -缸筒内最高工作压力； max p =7 pa M s -材料的许用应力 570 114 5 pa b spa M M = -材料的安全系数=5 max max 740 1.16 2.332.3 1143 7 s PDmm p = 校核符合要求 (

43、3)缸筒外径： mmDD5010402 1 =+=+= 4.3.1.5缸底设计参数及校核缸底设计参数及校核 (1)缸底材料：选择Q235碳素结构钢，其抗拉强度 b =375460 a Mp (2)缸底厚度 max 7 0.50.5 404.28 4603 s P D = mm 取缸底厚度为5mm 4.3.1.6油缸零件的连接计算油缸零件的连接计算 首先确定油缸缸筒与缸盖采用螺纹连接;缸筒与缸底的连接此处选用焊接方式， 此种 方式能够使液压缸紧凑牢固。 （1）缸筒螺纹处的强度计算： 螺纹处的拉应力： / )(4/ 2 2 2 1 cmkgf Dd kp = 螺纹处的剪应力： / )(4 . 0

44、2 1 4 4 1 01 cmkgf d Dd dkpk = 合成应力： /3 222 cmkgf n += 许用应力： / 2 cmkgf n s = 式中：P:油缸的最大推力kgf; D:油缸内径cm; 0 d ：螺纹直径cm； 1 d ：螺纹内径，当采用普通螺纹时（GB196-63）时，可近似按下式 tdd224. 1 01 = （t螺距cm）; K:螺纹预紧力系数，去K1.251.5； 1 k ：螺纹那摩擦系数（0.070.2） ，一般取 1 k 0.12； s ：缸筒材料的屈服极限。 n: 安全系数，取n=1.2-2.5,一般取n=1.75. 由前面计算可得：D=40mm=4cm，则

45、查机械设计课程设计手册 ，采用普通螺纹 基本尺寸（GB/T196-2003）公称直径第二系列 4.8，可得螺距t=0.4cm; 0 d =4.8cm . 所以， cmd31. 44 . 0224. 18 . 4 1 = 。 K取1.5， 12. 0 1 =k ， /2350235 2 cmkgfMpa s = n:取1.75。 所以： /138.74 )431. 4(4/ 1005 . 1 )(4/ 2 22 2 2 1 cmkgf Dd kp = = = /45.10 )431. 4(4 . 0 31. 48 . 41005 . 112. 0 )(4 . 0 2 44 1 44 1 01 c

46、mkgf d Dd dpkk = = = /32.7645.10314.743 22222 cmkgf n =+=+= / 9 .1342/ 75. 1 5 .23235 22 cmkgfcmkgf n Mpa = n ,满足强度条件。 （2）缸筒与缸底的焊接强度计算 / 3 .120 7 . 0)5 . 45( 4 100 )( 4 2 222 2 2 1 cmkgf dD p = = = P:油缸推力kgf :焊缝效率，可取0.7 b ：焊条材料得抗拉强度 2 /cmkgf n:安全系数，取n3.34 并查到焊条材料的抗拉强度为900Mpa1200Mpa(手工焊条)， 因此缸体与缸底得焊 缝强度是满足要求得。 4.3.1.7液压油缸其他零件结构尺寸得确定液压油缸其他零件结构尺寸得确定 由于液压缸的工作负载较小，所以选定液压缸的工作压力为低压。取额定工作压力 为2.0 a Mp 。 液压缸的基本形式如下图所示： 图 4.3 整个油缸安装在下部伸缩臂基座上。 （1）活塞与活塞杆得连接结构： 油缸在一般工作条件下