工业机械手的设计说明书解读

1、机械系统设计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班姓名：学号：第四章手臂的设计41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用内的任意点上，从懵部的受力情况 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程精度上。多义性在选择合适的导向装垃和 定位方式就显得尤其重要了。1.伸缩液压缸的设计计算1.1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

2、面的限力，来确左液压缸 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汁算F =偏+件+耳训+ 4式中 F肆一一摩擦阻力。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。饱一一密封装豊处的康擦阻力；一一液压缸回油腔低圧油掖所造成的阻力；心一一起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。矗、存、矗、F慣的计算如下。4.1.1. 半的计算不同的配置和不同的导向截而形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情 况进行估算。*半移劝浅览轨旻力團图4-15为双导向杆导向，其导向杆截而形状为圆柱而，导向杆对称配置在伸缩缸的两侧, 启动时，导

3、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。a得G=G息L + a式中G总一一参与运动的零部件所受的总重力(含工件動，估算G=(1OO+7OO)N=8OONL手臂参与运动的零部件的总重虽的重心到导向支承前端的距离(m).L=100mm a导向支承的长度,a= 150mm;“ 一一当虽:摩擦系数，英值与导向支承的截而形状有关。对子圆柱而：“ 兰X“ = (1.27 1.57)“ 取“ =1.52)/ 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时:钢对青铜：取 =0.1-0.15钢对铸铁：取“ =0.18-0.3取 =0代入已知数据得你=“G仝严| = 0.15x8

4、00x 2xl（Jr（）jN =280N4.12伦的计算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，其计算公式如下：（1）“O“形密封圈当液服缸工作压力小于lOMpa.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：岛+尸对2 = 003F式中F为驱动力，心3 = M /P工作压力（Pa）; P/2x0.1 + 0.12 =50mm得u = / = 2xltf x3.14xl0x5xl0A = 31.44.1.3. 心的计算 一般背压阻力较小，可按=0.05F4.1.4. F惯的计算惯 g 10x0.03G总一一参与运动的零部件所受的总重力（包括工作重M）（

5、N）g一一重力加速度，取10?/av由静止加速到常速的变化量G =0.3m/saZ 一一起动过程时间(s), 般取0.010.5s,对轻载 低速运动部件取较小值，对重载髙速运动部件 取较大值。取7=O.O3s所以所求驱动力F =心+ + F +他,解得F=1208.04N确左液压缸的结构尺寸液压缸内径的计算如图4 一 16,当汕进入无杆腔故有=28mm,FP -44当油进入有杆腔F =卩詡-P4液压缸的有效面积: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:d 一一活塞杆直径(m);D活塞缸内径(m);“一一液压缸机械效率，在工程机被中用耐油橡胶可取n =0.

6、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苴执行机构的尺 寸，使机械手手臂结构紧凑，但要选用价格较贵的髙压油泵和阀，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28Mpa.表牛2推荐了几 织数据.可供选择液圧缸工作压力时参考。表4 一 2液压缸工作压力作用在活塞上的外力H(N)液压缸工作压力(Mpa)作用在活塞上的外力F (N)液压缸工作圧力(Mpa)15d时，一般应进行稳左性校核。稳泄性条件可表示为P 人时，临界力你为i式中几为活塞杆的汁算柔度（柔度系数）L为活塞杆的讣算长度（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

7、度不同，见表4-6：i为活塞杆横截而的惯性半径（m，J为活塞杆截而对中性轴的惯性矩（加1）J=hE为弹性横量，E=210GPa “为长度折算系数，见表46；人为特泄的柔度值，A = J，*为比例极限。4-C活音杆的计奠长皮杆加支承悄況两堵ti文M * ft文渣压负安铁形氏和计算2Bff1f.J91 &度折算O*.50.711222中柔度杆你当入2入人:时，临界力耳为Fk 二 F(a-bA)式中F活塞杆横截而积(m2 )a、b常数，与材料性质有关，见表4-7;人为特定的柔度值，4=匕产，人为屈服极限2.2.3短压杆入人时，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

8、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，其受力悄况可化简成图4-20。b)图4-20手臂回转运动时的受力图驱动手臂回转的力矩M枣，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Ms相平衡。M 驱=M+M：+M 回（3-1）（1）M桥一一密封装置处的摩擦力矩（Nm）+Mf估计取 F =500N ,F” =800N估讣取回转缸内径D二230mm，输出轴与动片联接处的直径d=100mm , 动 片宽度b二100mmM廉二F R = 500X0. 23宁2 = 52N mM 來” =2F R = 2X800X0. 234-2=162N m所以，M 療= 52+162二214

9、N m（2）M惯一一手臂起动时的惯性力矩M 惯二 J。 = J0 Ar式中 5回转缸动片的角速度变化量（rad/s）,在起动过程中 e二。， 取4Q二60 /sAr起动过程的时间（s），取/二0.5sJo手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（N-m-s2）o若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为p，则Jo=Jc+ P2g式中Jc一回转零件对重心轴线的转动惯量412取手臂回转零件质量m=600Kg,回转时手臂长度1二2300mm600x2.5212二 230Jo二230+600X0. 3二280M，:回转液压缸回油腔的背压反力矩gj：bp 回 pdp*bR2_)取 p = l.SMpa,

10、b = 1000劝_1.8xyX(0.12-0.052)xl06=680 N mM 萨214+600+680二1480 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R卜駆，=J bppdp = p (D2-d2)图4-21回转液压缸计算图（三） 根据回转缸内径D的计算M戸灯pb(D2-d2)式中D回转缸内径（m）M郭一一作用在动片的外载荷力矩P回转液压缸的工作压力（Pa）d输出轴与动片联接处的直径（m）,初步设计时按牛2选 取b动片宽度（m）为减少动片与输岀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，

11、可选用所以bDd2/? = 0.13m,(1 = 013m（四）缸盖联接螺钉和动片联接螺钉讣算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4-22o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动片与输岀轴联接方式及动片受力图于是

12、得式中Fq每个螺钉的预紧力（N）Z螺钉数目，Z二6f一一被联接件配合面间的摩擦系数，钢对钢取f二0.15所以013x1.8x1()64x6x0.15x0.13(0.262-0J32) = 25350螺钉的强度条件为137vd所以1.3x25350 292MPa 0.32/9。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:c1_图1-1P = PXrj = P、x?7当油进入有杆腔：n nc 兀(OP = P2X/ = X 7油缸的有效面积：F = (nun2)A(2-2)所以，) = 1.13(无杆腔)D=+沪（有杆腔）*龙斥x 式中P活塞的驱动力（N）；P1

13、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；选低了则会使结构虎大, 增加自重，不过可以选用较便宜的泵和阀。表41给出儿组数据可供参考。表1-1作用在活塞上的驱动力P(N)油缸工作压力Pl (MPa)5000057根据表1J在4.5万牛的驱动力下，可以选取油缸工作压力为四兆帕。再山公 式22可得：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1-21012162()25324050638

14、0(90)100(110)125(140)160(180)200(220)250(280)320(360)400注：括号内尺寸尽可能不用。 山表1-2可选出油缸内径为125mm。(2)油缸壁厚的计算中等壁厚(163.2)：(2-3)升+C(236-/?汁)0式中D油缸内径(mm)；P计计算压力，计=(1213州cr油缸材料的许用应力(MP； 強度系数C附加厚度由公式23可计算出油缸外径：J =-+ C(236-旳.)01.3x4x125 厂C2.3x100-100 4 + C山未准油缸外径表13,可知C可取17,因此壁厚d = 21mm。表1-3油缸内径405063809010011()125

15、140(150)16018020#钢5060769510812113314616818019421945#钢50607695108121133146168180194219注：缸体为无缝钢管(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。按强度条件决定活塞杆直径d按直杆拉、压强度计算：一心式中P活塞杆所受的总载荷(N)；cr活塞杆材料的许用应力(MPa)。/4x 45000V 7TX100 23.94?wm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1-432. 3ti. 40. 45. 50. 56.

16、 63. 70. SO. 90. 100.110. 125, )40. 160, 180. 200, 220. 250, 2S0.320, 360活塞杆直径系列（GE/T 23481993加m活塞杆的稳定性校核活塞杆长L=300mm, 乂 15xd二15x25二375mm ,即/ 14.16(/?z/h)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 o表1-5螺纹规格内六角花形半沉头螺钉（摘自GB/T 2674-2004）螺纹规格dM6M8MIOM12(M14)M16M20a max22.533.545b min3848臂部升降机构设讣手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部

17、和手部，并带动它们 在空间运动。臂部运动的U的，一般是把手部送达空间运动范用内的任意点上，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，而且自身运动乂较多，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二400mm根636E原始数据可做岀臂部升 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动作循环1234567891011121314臂 部伸 缩伸岀 伸岀缓冲 缩回缩回缓冲+臂

18、部 升 降上升 上升缓冲 下降下降缓冲+臂 部 回 转正转 正转缓冲 反转反转缓冲停止+腕 部回 转正转 正转缓冲 反转反转缓冲 停止+夹 持夹紧 松开+原位卸荷+三、机械手总的液压控制图夹紧臂部伸缩臂部升降臂部回转腕部回转J7第六章假设上升、下降用三位四通电磁阀，上升Y432(+)、下降430(+):夹紧、放松用二位三通电磁阀，夹紧Y431(+)、放松431 (-):右行、左行用三位四通电磁阀，右行433(+).左行434(+) 0若采用移位指令SFT实现步进式控制，程序大简化。英控制程序的设计编制过程如下：1)步进工步10步(启动，18,返回原点)分别对应MlOOIlll,共使用了 10个

19、单元的移位 寄存器。1100 = 1,启动主令信号 ST = lX400=l：M101 = l下降主令信号X400 = l,到位LS1 = 1-X401 = lM102 = l夹紧主令信号X401 = l,到位T450延时3s 为 loM103 = l上升主令信号X450 = l,到位LS2=1-X402 = lM104 = l右行主令信号X402 = l,到位LS3=1-X403 = lGM105 = l下降主令信号X403 = l,到位LS1 = 1-*X401 = lcM106=l放松主令信号X451 = l,延时2s (LS5=l-*X405=l)oM107 = l上升主令信号X405

20、 = l,到位LS2 = 1-X402=l,M110=l左行主令信号X402 = l,到位LS4 = 1-X404 = KMlll = l原点主令信号X404 = l,到位T452延时2s 为 1,先按复位健RT=1- X513 = l移位寄存器淸0复位,再按启动健ST=1- X400 = l-M100=l再循环一次。2）梯形图:3)歩进控制图niw nios nT m 彳甘Mf甘Mf廿JF 厲| n;nw.nuoi csQUIn x*vsnn nri o muII-卜01 IIIHwisrtoi150 K5nw? i as IIIH niosmms IIJT.3IInutIlT51 Efni&r. Ec-i4）程序淸单:LD X404AND MillOR X405RST M100LD X403AND X404ANI M101ANI M102ANI M103ANI M104ANI M105AN