天津商业大学机械手课设

1、机械课程设计 手指和腕部设计 学院：机械工程学院 指导教师：洪X教授 班级：机械XXXX班 学号：20XXXXXX 姓名：XXX目 录1、 绪论.12、 课程设计有关事项.22.1基本要求.22.2提交.22.3具体结构形式.22.4技术要求.23、 选题.24、 手指设计.2 4.1 确定手部结构.2 4.2 手部受力分析.34.3 手部夹紧力的计算.44.4 手部夹紧缸的设计计算.4 4.4.1 夹紧缸主要尺寸的计算.5 4.4.2 缸体结构及验算.6 4.4.3 活塞与活塞杆的设计计算.7五、手腕的驱动力矩的计算.95.1手腕转动时所需的驱动力矩.95.2回转液压缸的驱动力矩计算.11

2、5.3 手腕回转缸的尺寸及其校核.12六、参考文献.15一、绪论机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民提供耐用消费品的产业，不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械设备。机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要指标。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济战略重点之一。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，工业机械手的工业机器人的一个重要分支，它的特点是通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体

3、现了人的智能和适应性，机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，在现代化生产过程中，机械手被广泛的运用于自动化生产线中，机器人的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复和劳动，不知疲劳，不惧危险，抓举重物的力量比人手大的特点，因此机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛的得到了应用。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一

4、种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工 业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 机械手技术涉及到力学，机械学，电气液压技术，自动控制技术，传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨多种学科的综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。二、课程设计有关事项：2.1基本要求：1）结构设计2）设计计算，校核计算3）草图经知道老师检查，签字后，完成C

5、AD图纸4）携带签字后的草图与打印的装配图答辩，答辩后连草图一并收回。2.2提交1）设计计算说明书2）结构设计草图和打印的总装配各一张。2.3具体结构形式三坐标形式选一种：直角坐标式、圆柱坐标式，球坐标式。设计参数：夹持圆柱型铁质工件；工件1：重5kg，直径82mm工件2：重8kg，直径105mm工件3：重12kg，直径120mm2.4技术要求：1）Z向：上下升降距离500mm2）X向：伸缩长度300mm3）绕Z轴可转角度>120°三、选题：3.1球坐标手指和腕部设计3.2工件3四、手指设计4.1 确定手部结构根据设计要求设计出的手部结构如图4-1所示：图4-1 手部结构图图中

6、为手指对工件的夹紧力，F为夹紧缸活塞杆的推力。4.2 手部受力分析经分析，手部受力图如图4-2所示图4-2 机械手手部受力分析图由图可知，手部结构对称，则 由 得 且由 得 h=b 且由几何关系有 h由上述等式可得：FN 即 F= 式中 b 手指回转中心到夹紧力作用点之间的距离； C 手指回转中心到滑槽支点之间的距离； 工件被夹紧时手指滑槽方向与回转中心在水平方向的夹角。4.3 手部夹紧力的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、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的

7、夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算（李允文，1994）：1.5×1.02×12×9.8=720N 式中：K1安全系数，取K11.5；K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。取K21.02；K3方位系数，根据工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，K34G被抓工件所受重力（N），Gmg10×9.898N。则：NN式中 手指传力效率，取0.85。4.4 手部夹紧缸的设计计算4.4.1 夹紧缸主要尺寸的计算由前知，夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸，假设夹紧工件时的行程为25mm，时间为0.5s，则所需夹紧力为：式中： F活塞杆实际输出力； P弹弹簧压缩时的作

8、用力。其中：式中： G弹簧材料的剪切模量，对于钢材，； D弹簧的钢丝直径（3mm）； DZ弹簧中径（30mm）； Z弹簧的有效圈数（18圈）； L及S活塞的行程及弹簧的与预缩量，L=25mm, S=20mm。 F=4148+462=4880N<5000N查表 工作压力取1，考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑，取工作压力为2。由公式 得： 式中: D液压缸内径； P液压缸工作压力； 液压缸工作效率，0.95。由JB82666标准系列将缸内径圆整为D50mm，同理查得活塞杆直径d32m， 液压缸内径系列JB826-66 （mm）20253240*50*5563*（65）70（75）80*（85

9、）90*（95）100*（105）110125*（130）140*160*180200*250注：1.括号内的尺寸尽可能不用。2. *号为（JB1086-67）标准系列 活塞杆直径系列（JB82666）101214161820222528（30）323540455055（60）63（65）70（75）80（85）90（95） 液压缸工作压力作用在活塞上的外力F（N）液压缸工作压力（Mpa）作用在活塞上的外力F（N）液压缸工作压力（Mpa）50000.8120000300002.04.05000100001.52.030000500004.05.010000200002.53.0500005.0

10、7.04.4.2 缸体结构及验算缸体采用45号钢无缝钢管，由JB106867查得可取缸筒外径为60m，则壁厚5mm。（1）液压缸额定工作压力应低于一定极限值，以保证工作安全（李壮云，2008）。式中： D缸筒内径（m）； D1缸筒外径（m）；s缸筒材料的屈服点，（45号钢为340）。已知工作压力PN2<36.36，故安全。（2）为避免缸筒在工作时发生塑形变形，液压缸的额定压力PN值应与塑性变形压力有一定的比例范围。 PN（0.350.42）PPl式中：PPl缸筒发生完全塑性变形时的压力（），。计算可得： 已知实际工作压力PN2<21.67,故安全。（3）缸筒爆裂压力应远远大于耐压试

11、验压力PT。 查表知45号钢，则：取1.53，可知远远大于耐压实验压力。4.4.3 活塞与活塞杆的设计计算（1）活塞设计活塞的外径与缸筒内径一致为D=50mm，活塞宽度B一般为活塞外径的0.61.0倍， 这里取为0.8倍，则B0.8×5040mm。因是单作用弹簧缸，活塞与活塞杆采用较简单的螺纹连接。活塞与缸筒内壁采用O型密封圈密封（王懋瑶，2004）。活塞结构如下：图4-3活塞结构图对于无导向环活塞的材料，一般选用高强度铸铁HT200或球墨铸铁(陈大先，2004)，这里我们选用HT200。加工上，活塞外径D对孔轴线的径向圆跳动公差值，可按7、8级精度加工，同时其圆柱度公差值，按9、1

12、0级选取；端面T对轴线的垂直度公差值按8级精度加工；外表面粗糙度控制在之间。（2）活塞杆设计由前知活塞杆的直径d32mm，活塞一端用螺纹与活塞相连接，另一端也采用外螺纹与手指连接（如图）图4-4活塞杆外端部结构图活塞杆直径d32mm，故取，A20mm （螺纹长短型）活塞杆结构（如图）采用实心杆图4-5活塞杆结构图杆体材料采用35号钢，加工后调质到硬度为229285HBS，必要时，再经高频淬火，硬度达4555HRC。活塞杆直径d的圆柱度公差值，应按8级精度加工，其圆度公差值，应按9、10级精度加工；端面T的垂直度公差值应加工成7级精度；外圆表面粗糙度应处于0.40.8 之间（郑修本，1999）。

13、验算活塞杆的强度取活塞杆的计算长度为150mm，活塞杆已知32mm 则 ，属于短行程活塞杆，主要验算抗拉强度。 已知d32mm，故安全。式中：F液压缸最大推力，F取1.5×31094663.5； D活塞杆直径，ns安全系数，一般取ns3； 活塞杆材料屈服极限（），查资料知35号钢为310 五、手腕的驱动力矩的计算5.1手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图5-1所

14、示为手腕受力的示意图。 1.工件2.手部3.手腕 图5-1手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: 式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩();- 惯性力矩();- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩().- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩();下面以图5-2所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则: 式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量;- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。若工件中心

15、与转动轴线不重合，其转动惯量为:式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s); 起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 + ()式中: - 手腕转动件的重量(N);- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 ()式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm);- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;,- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，

16、根据,得:同理，根据(F),得:式中:- 的重量(N), 如图5-2所示的长度尺寸(cm).4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。5.2回转液压缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸，它的原理如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶液压缸的压力P驱动力矩M的关系为: 或 5.3 手腕回转缸的尺寸及其校核1.尺寸设计液压缸长度设计为,液压

17、缸内径为=190mm,半径,轴径=70mm,半径,液压缸运行角速度=，加速度时间=0.1s, 压强, 则力矩： 2.尺寸校核（1）测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： （）工件的质量为5,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量： 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为: （2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则： + （3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承，对于滑动轴承=0.1， ，为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈