【基于PLC控制的工件搬运机械手设计】四自由度圆柱坐标机械手

1、 本科毕业论文（设计）基于PLC 控制的自动生产线工件搬运机械手设计学 院： 机械工程学院专 业：机械设计制造及其自动化班 级： 08 级学 号：学生姓名：指导教师： 李建雄2012年 06 月 8日 贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名：日 期： 目 录摘 要 . III Abstract . IV第一章 绪 论 . 51.1 选题背景 . 51.2 设计目的 . 51.3 国内外研究现状和趋势 .

2、 61.4 设计原则 . 7第二章 设计方案拟定和详细设计计算 . . 82.1 本机械手设计参数列表 . 82.2 机械手手部设计计算 . . 92.3 机械手腕部设计计算. 132.4 机械手臂部设计计算. 182.5 机身设计与计算 . 25 第三章 机械手液压系统设计 . 333.1 液压驱动系统工况计算 . 333.2 液压系统总体图设计. 39第四章 机械手电气系统设计 . 474.1 继电器-接触器控制线路的设计. 474.2 一些低压电器的选择. 504.3 机械手控制操作面板. 51第五章 机械手PLC 控制系统的设计 . 535.1 可编程控制器简介及应用 . 535.2

3、可编程控制器控制系统设计的基本原则 . 535.3 可编程控制器系统设计的步骤 . 545.4 梯形图控制程序 . 57 基于PLC 控制的自动生产线工件搬运机械手设计摘 要机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的，并且生产速度大大延缓，所以采用机械手是很有效的。本机械手主要用于金属工件的搬运工作，能够配合机床（如锻床、数控机床、组合机床）或装配线等进行重量不大于30公斤的圆柱形工件搬运。本机械手为液压驱动，采用圆柱坐标系结构，具有4个自由度

4、。本设计首先对机械手的各个部分进行了详细设计计算，选定液压缸和末端执行机构后，对连接结构进行了详细设计和强度校核。其次对机械手的液压系统进行设计，在液压系统的基础上对电气控制系统进行了合理设计和布线，最后用三菱PLC 编程控制电气系统的各执行元件从而控制液压系统电磁阀的动作。到达搬运机械手搬运工件的最终要求。关键词：机械手，搬运，液压，PLC 。 Based on PLC automatic production line of workpiece carryingmanipulatorAbstractRobots can replace the hands of heavy labor, s

5、ignificantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and automation level. Industrial production has seen the heavy work handling and long-term frequent, drab operation, if not manipulator so labor intensity is high, and production speed greatly retard,

6、 so using manipulator is very effective.This manipulator is mainly used for metal workpieces handling work, can match with machine tools (such as forging bed, nc machine tools, combination machine tools or assembly line of weight is not more than 30 kg cylindrical workpieces handling. This manipulat

7、or for hydraulic drive, using cylindrical coordinate system structure, has four degrees of freedom. The design of manipulator first each part of the detailed design calculation, select the hydraulic cylinder and end actuators, connected to the structure and strength check the detailed design. Based

8、on the hydraulic system design of the manipulator, in the hydraulic system on the base of the electrical control system is the reasonable design and wiring, and finally with mitsubishi PLC programmable control of the electric system to control the executive components of hydraulic system electromagn

9、etic valve movement. The porter carrying manipulator to a final requirements.Keywords : Manipulator, Handling, Hydraulic, PLC 第一章 绪 论1.1 选题背景机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，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

10、手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS 和柔性制造单元FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距

11、离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。1.2 设计目的本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率, 降低成本, 并使生产线发

12、展成为柔性制造系统, 适应现代自动化大生产, 针对具体生产工艺, 利用机器人技术，设计用一台装卸机械 手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。1.3 国内外研究现状和趋势目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：

13、A 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。B 工业机器人控制系统向基于PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。C 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。D 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产

14、品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；E 焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。 1.4 设计原则在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是：以任

15、务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC ）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。 第二章 设计方

16、案拟定和详细设计计算2.1 本机械手设计参数列表1、抓重：300N2、自由度：4个3、臂部运动参数：表 2-1 4、腕部运动参数：表 2-2 5、手指夹持范围：棒料，60mm120mm ，长度4501200mm6、定位方式：缓冲，定位缸定位7、驱动方式：液压（中、低压系统）8、定位精度：±3mm9、机械手工作布局图如图2.1所示 图2.1 2.2 机械手手部设计计算(1 应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需要的驱动力大小是不同的。(2 手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。(3 在保证本身刚度，强度的前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，以利于减轻

17、手臂负载。通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置采用常开式夹紧装置，他在弹簧的作用下手抓闭合下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图2-2(a为常见的滑槽杠杆式手部结构。 (a (b 图2-2 滑槽杠杆式手部结构、受力分析1手指 2销轴 3杠杆 在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F ，并通过销轴中心O 点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F 1和F 2，其力的方向垂直于滑槽的中心线1oo 和2oo 并指向o 点，交1F 和2F 的延长线于A 及B 。由XF=0 得 1F =2FYF=0 得1F =2cos F1F ='1F由Mol(F=0 得'

18、; 1F =N F ·hcos a h =F=2cos N bF a (2-1式中 a 手指的回转支点到对称中心的距离(mm。工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力F 一定时，角增大，则握力N F 也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=0300手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算：123N F K K K G (2-2式中 1K 安全系数，通常

19、1.22.0；2K 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估ga 1K 2+=其中a 是重力方向的最大上升加速度 m ax v a t =响，g=9.8 m/s ；m ax v 运载时工件最大上升速度； t 响系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s；3K 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择；G 被抓取工件所受重力（N ）。计算：设a=40mm,b=120mm,=35°；机械手达到最高响应时间为0.5s ，求夹紧力N F 和驱动力F和 驱动液压缸的尺寸。(1 设1K =1.6 max V =102 mm/s s t =0.5s ga 1K 2+=1.023K

20、=0.5 根据公式，将已知条件带入： N F =1.6³1.02³0.5³300=244.8N 根据驱动力公式得： (2 计算F =abcos 22NF =4035cos 01222244.8=986N取85. 0= (3 计算实际F F =85. 0986=1160N(4 确定液压缸的直径D(224F D d p =- 实际 (2-3选取活塞杆直径d=0.5D，选择液压缸压力油工作压力P=39.2105Pa 则 D=-）（实际25. 01F 4p =75. 01039.21160450.0224m根据液压缸内径系列表（JB826-66），选取液压缸内径为：D=3

21、2mm，根据装配关系， 外径为50mm 。则活塞杆直径为：机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。 图2-3 手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。为了保证手抓张开角为060，活塞杆运动范围为L=40tan40°34mm 。 机械手的夹持范围为60120mm 。 夹持误差不超过

22、±3mm ，分析如下： 工件的平均半径： CP R =26030+=45mm手指长L=120mm，取V 型夹角02120=偏转角： =1cos -Lsin R cp =1cos-60sin 12045=64.34°按最佳偏转角确定： =64.34° 计算理论平均半径 =c o s L s i n R 0120³sin60°cos64.34°=45mm 因为 m i n 0m a xR R R 2222max 2max 21asin L acos sin 2 sin (L -+=R LR2222224044.36sin 20404.34

23、6cos 06sin 601202 06sin 60(201-+=1.4842222min 2min 22asin L acos sin 2 sin (L -+=R LR222222404.346sin 204044.36cos 06sin 301202 06sin 30(20-+=0.166所以=1.484<3夹持误差满足设计要求。2.3 机械手腕部设计计算(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

24、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。 腕部结构有四种，分别为：(1 具有单自由度的回转缸驱动的腕部结构 (2 用齿条活塞驱动的腕部结构(3 具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构 (4 机液结合的腕部结构本次设计要求腕部有一个回转自由度，因此，综合考虑分析，选择第一种结构，其特点直接用回转油缸驱动实现腕部的回转运动，具有结构

25、简单、灵活等优点而被广泛采用。一、腕部转动时所需的驱动力矩计算 腕部转动时所需的驱动力矩可按下式计算：驱M=惯M+偏M+摩M+封M(N²m (2-4(1 腕部加速运动时所产生的惯性力矩惯M若腕部启动过程按等加速运动，腕部转动时加速度为(rad/s，启动过程所需的时间为t (s，或转过的角度为(rad，则惯M=（J +1J t (2-5或 惯M=（J +1J 22式中 J 参与腕部转动的部件对转动轴线的转动惯量（kg ²m 2）； 1J 工件对腕部转动轴线的转动惯量（kg ²m 2）。 (2腕部转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩偏M因为手抓夹持在工件中间位

26、置，所以e 等于0，即：偏M=G1e 1+G3e 3=0 (3 腕部转动轴载轴颈处的摩擦阻力矩摩M为简化计算，一般取 摩M =0.1总驱力矩M(4回转缸的动片和缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩封M ，与选用的密封装置类型有关，应根据具体情况加以分析。设夹取棒料直径100mm ，长度1000mm ，重量50Kg ，当手部夹持工件中间位置回转0180时，将手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，长h=150mm，半径为60mm ，其所受重力为G=200 N等速转动角速度s rad s /49. 3/200=。 因为 惯M=（J +1J 22(2-6J =221MR =221

27、R gG =206. 08. 920021=0.03672s m N 1J =3(121221R l m +=05. 031(5012122+=4.19792s m N 代入 惯M =(0.0367+4.1979314. 0249. 32=47m N 所以 驱M=0.1总驱力矩M +0+47驱M=52.22m N 二、腕部驱动力的计算表2-3 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm ） 设定腕部的部分尺寸：根据表2-3设缸体内壁半径R=55mm，外径按中等壁厚设计，由表4-2选取168 mm，动片宽度b=66mm，输出轴r=25mm。基本尺寸如图2-4所示。则回转缸工作压力P=(222r

28、 R b M -=025. 0055. 0(066. 02.225222-=6.59MPa，所以选择P=7MPa。 图2-4 腕部液压缸剖截面结构示意表2-4 标准液压缸外径（JB1068-67） （mm ） 三、油缸盖螺钉的计算 表2-5 螺钉间距t 与压力P 之间的关系 t 为螺钉的间距，间距与工作压强有关，见表2-4，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为： 0' sQ Q Q F F F =+ （2-7） 式中Q F 为工作载荷，'F Qs 为预紧力计算：液压缸工作压强为P=7 Mpa,所以螺钉间距t 小于80mm, 试选择8个螺钉；d/4=110/80=4.3

29、8，所以选择螺钉数目合适Z=8个危险截面 405. 011. 0S 2222-=-=r R =0.0075m2Q PS F Z=所以，=81070075. 06=6562.5NQ Qs KF F =(K=1.51.8 取K=1.5，则=Qs F 1.5³6562.5=9843.75 N0's Q Q Q F F F =+=16407N螺钉材料选择Q235， 2401601.5sM P an=则（n=1.22.5）螺钉的直径d d 6 1016014. 3164073. 14=0.0131m螺钉的直径选择d=14mm。 四、动片和输出轴间的连接螺钉连接螺钉一般为偶数，对称安装，

30、并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密，当油腔通高压油时，动片受油压作用产生一个合成液压力矩，克服输出轴上所受的外载荷力矩。由 (2282Q bpd DdMF Z f-=摩(2-8得(224Q bpF D dZfd=- (2-9QF 单个螺钉的预紧力；D 动片外径；f 被连接件配合面间的摩擦系数，钢对钢取f=0.15； d 输出轴与动片连接处的直径，初步计算可按D=（1.52.5）d D=110mm=2.5d，则d=44mm； 螺钉的强度条件为211. 34QF d合(2-10 所以d (2-11 带入有关数据，得Q F =(422d D Zfdbp -=044. 0

31、11. 0(044. 015. 084107066. 0226-=22234N螺钉材料选择Q235， 则=2. 1240s n 200MPa （n=1.22.5）螺钉的直径d 6 1020014. 3222343. 14=0.013m螺钉的直径选择d=14mm。2.4 机械手臂部设计计算（1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 （2）臂部运动速度要高，惯性要小 （3）手臂动作应该灵活 （4） 位置精度要高常见的手臂伸缩机构有以下几种： （1） 双导杆手臂伸缩机构。（2） 双层油缸空心活塞杆单杆导向结构 （3） 采用花键套导向的手臂升降结构 （4） 双活塞伸缩油缸结构 （5） 活塞杆和齿轮齿条机构

32、。先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算为F F F F F =+回摩密惯 (2-12一、手臂摩擦力的分析与计算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。AM= bG L aF =总得b G L F a=总Y=b a G F F +=总得a L a F G a += 总''a b a bF F F F F =+=+摩摩摩' 2

33、L a F G a+=总摩 (2-13式中 G 总参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N ）； L 手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m ）, 参考上一节的计算;a 导向支撑的长度（m ）;'当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面：(57. 127. 124= (2-14摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取5. 01. 0= 钢对铸铁：取3. 018. 0= +'=a a L G F 2总摩1400+1601606562.30=3864N二、手臂密封处的摩擦阻力的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O 型密封圈，当液压

34、缸工作压力小于10Mpa 。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为： 封F =0.03F。 三、手臂惯性力的计算惯F =0.1tv G 总 (2-15式中 总G 参与运动的零件的总重力（包括工件）(N；v 从静止加速到工作速度的变化量(m/s； t 启动时间(s，一般取0.010.5；设启动时间为0.2s ，v 最大为0.233m/s。 则：惯0332. 01400=163N由于背压阻力较小，可取回F =0.05F 所以F=摩F +惯F +封F +回F =3864+163+0.03F+0.05FF=4378N表2-6液压缸的工作压力 经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=4378N，根据表2-6

35、选择液压缸的工作压力P=1MPa；（1） 确定液压缸的结构尺寸： 液压缸内径的计算，如图2-6所示 图2-6双作用液压缸示意图当油进入无杆腔： 4211D P P F = (2-16当油进入有杆腔： 4(2212d D P P F -= (2-17液压缸的有效面积： 1P P S =(mm2所以 =1113. 14P P P PD （无杆腔） 214dP PD += （有杆腔） (2-18式中P 活塞驱动力(P；1p 油缸的工作压力(MPa；d 活塞杆直径；油缸机械效率，工程机械中用耐油橡胶可取=0.96；由上节求得驱动力F=4378N，1p =1MPa，机械效率=0.96 将数据代入得：=1

36、113. 14P P P PD =61016.9043783.11=0.0766根据表2-3（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=80mm. （2） 液压缸外径的设计外径按中等壁厚设计，根据表2-4（JB1068-67）取外径选择133mm. （3） 活塞杆的计算校核a ，活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L 大于直径d 的15倍以上，按拉、压强度计算：pd 4(mm (2-19设计中取活塞杆材料为碳钢，碳钢许用应力的=100120Mpa。本次取=110 则： 6101104.1343784d =0.0072m所以活塞直径按下表取d=20mm，满足

37、强度要求。表2-7活塞杆直径系列（GB/T2348-93） 现在进行稳定性校核，其稳定性条件为： kk n p p (2-20式中 k p 临界力(N； k n 安全系数，k n =24。按中长杆进行稳定性校核，其临界力k p =F(b a - (2-21 式中: F 活塞杆截面面积(mm2 ；a ，b 常数，与材料性质有关，碳钢a=461，b=2.47； 柔度系数，经计算为70。代入数据，临界力 k p =F(b a -=3.14）（707.42461102-=90463.4MPa 取k n =3 kk n p p =4378=30154.47 MPa所以活塞杆满足稳定性要求。(1 缸体材料

38、选择无缝钢管，此时端盖的连接方式多采用半环链接优点是加工和装拆方便，缺点是缸体开环槽削弱了强度(2 缸盖螺钉的计算为保证连接的紧密性，螺钉间距t 1应适当（如图2-5），在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力0Q 为工作载荷Q 和剩余预紧力SQ '之和 0Q =Q +SQ ' (2-22 式中 Q 工作载荷，Q =ZpDZP 2=；0D 螺钉中心所在圆的直径；P 驱动力。 Z 螺钉数目，Z=1t D ；SQ '剩余预紧力，S Q '=KQ，K=1.51.8； 计算：D=80mm，取0D =110mm，P=1MPa，间距与工作压强有关，见表2-5，间距应小于

39、150mm ，试选螺钉数为6个： 则 Z=1t D ，代入数据1t =57<150，满足要求；Q =ZpDZP 2=838N；选择K=1.5，SQ '=1.5Q =1255N; 0Q =Q+SQ '=837+1257=2095N 螺钉直径按强度条件计算1d lJQ 4(2-23式中 J Q 计算载荷，J Q =1.30Q ； l 许用抗拉应力，l =ns ；s 螺钉材料的屈服点，材料选择45钢，则屈服强度为352MPa ； n 安全系数，n=1.2-2.5，此处取n=2；1d 螺纹内径，1d =d-1.224S，d 为螺钉公称直径，S 为螺距。 计算：J Q =1.30Q

40、 =1.3³2095=2723.5N 代入数据： 1d lJQ 4=sn4J Q =610则螺钉公称直径为d=0.0045+(1.224³0.008=0.014m，取M14的螺钉。 2.5 机身设计与计算按照设计要求，机械手要实现手臂2000的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：（1） 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。（2） 回转缸置于升降之上的

41、结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。（3） 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如图2-7所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动-片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下端盖与连接地面的

42、的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转2000。 图2-7 回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图一、回转缸驱动力矩的计算 手臂回转缸驱动力矩驱M的计算公式为： 驱M=惯M+回M +封M(N²m (2-24惯性力矩 惯M=0J t (2-25式中 0J 臂部回转部件(包括工件 对回转轴线的转动惯量

43、（kg ²m 2）； 回转缸动片角速度变化量，在启动过程=(rad/s； t 启动过程的时间(s；若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为(前面计算得=800mm，则 2c 0gG J J += (2-26式中 c J 回转零件的重心的转动惯量。c J =3(12122R l m + (2-27回转部件可以等效为一个长1500mm ，直径为100mm 的圆柱体，质量为180Kg. 设置起动角度=180，则起动角速度=0.314rad s ，起动时间设计为0.1s 。c J =3(12122R l m +=.103.51(1216022+= 30.4 kg²m 22c 0gG J

44、 J +=30.4+92200=175 kg ²m 2惯M=0J t=175.1014.30=550m N 为了简便计算，密封处的摩擦阻力矩驱封M M 3.00=，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计，回M =0所以 驱M=550+0+0.03驱M驱M=567m N 二、回转缸尺寸的确定回转缸油腔内径D 计算公式为：238dbpM D +=驱 (2-28式中 P 回转油缸的工作压力；d 输出轴与动片连接处的直径，初步设计按D/d=1.52.5； b 动片宽度，可按2b/(D-d2选取。设计回转缸的动片宽b=60mm，工作压力为6MPa ，d=50mm23506605678+=D

45、 =123mm按标准油缸内径选取内径为125mm 。 三、油缸缸盖螺钉的计算 回转缸的工作压力为6Mpa, 所以螺钉间距t 应小于80mm 。 螺钉数目Z=tD =80125³3.14=4.9所以缸盖螺钉的数目选择6个。 危险截面 ）（22r R S -=45.0052.1022-=0.01042m所以 Q F =ZPS =10400NK F QS =Q F =14800³1.5=15600N (K=1.5 所以 Q F =10400+15600=26000N螺钉材料选择Q235，则2401.2s n=200M P a =（n=1.22.5）螺钉的直径 d Q1.3F 4=

46、0.0147mm螺钉的直径选择d=16mm.选择M16的开槽盘头螺钉。经过以上的计算，最终确定的液压缸的尺寸，内径为125mm ，外径按中等壁厚设计，根据表2-4（JB1068-67）取外径选择194mm ，输出轴径为50mm 。四、动片联接螺钉的计算动片和输出轴之间的联接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用是使动片和输出轴之间的配合面紧密接触不留间隙。根据动片所受力矩的平衡条件有驱M=摩M即(224Q bpF DdZfd=- (2-29式中: Q F 每个螺钉预紧力； D 动片的外径；f 被连接件配合面间的摩擦系数，钢对钢取f=0.15 螺钉的强度条件为: 211.34QF d 合(2-30 或1d 带入有关数据，得Q F =(422d D Zfdbp -=05. 0125. 0(05. 015. 06410606. 0226-=26200N螺钉材料选择Q235，则2401.2s n=200M P a =（n=1.22.