臂部采用连杆机构的工业机械手设计

1、臂部采用连杆机构的工业机械手设计学 院（部）： 专 业： 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 最终评定成绩 年 月摘 要本设计为了满足设计任务书的有关要求，设计开发了臂部采用连杆机构的工业机械手。论文对机械传动系统及液压缸的关键技术进行了分析。文中介绍了工业机械手的历史与现状，分析和比较了工业机械手的各种传动方式及其优缺点，探讨了工业机械手的发展方向与趋势和臂部采用连杆驱动的工业机械手的可行性与实用性。其中，根据外界负载及各种条件计算并确定出了液压驱动系统中液压缸的各种参数，并对一些关键零件进行了强度校核。在实际计算说明过程中，根据给定的位置要求运用作图法对曲柄连杆中各连杆

2、长度进行了精确的计算，并讨论了曲柄连杆机构与机械手运动轨迹的关系。同时，为提高设备整体的性能，对机械传动单元中重要部件的机械性能进行了计算，并采用作图法求出了臂部各连杆的长度，最后运用材料力学的分析方法对连接所采用部件的强度、刚度、稳定性进行了分析，保证了设备的总体精度，提高了设备的实用性，得到了比较理想的结果。通过上述方法和措施，完成了臂部采用连杆机构的工业机械手的设计。关键词：液压缸 ，连杆机构，齿轮齿条，工业机械手ABSTRACTIn order to satisfy the requirements of design of the mandate, arm of the use of

3、 linkage of industrial machinery hand were designed and developmented in this paper. Papers on the mechanical drive system and hydraulic cylinders of key technologies were analyzed. In this paper, the development of history and current situation of industrial machinery hand were described, the vario

4、us industrial machinery hand drive and their advantages and disadvantages were analysed and compared , the direction of development and trends of industrial machinery hands and the feasibility and practicality of a link-driven industrial machinery hand were discussed. Also, in accordance with the ou

5、tside world load conditions and terms ,we determined the various parameters of hydraulic cylinders in a hydraulic drive system, and checked the strength of some key components . In practical terms that the process of calculation help, according to the given location of request we use mapping to calc

6、ulate accurately the length of the connecting rod in the crank link and discussed the relationship of the crank linkage and the mechanical hand trajectory. At the same time, to improve the overall performance of equipment, the important components in mechanical transmission unit and the mechanical p

7、roperties were calculated, we done a precise calculation on the linkage of the mechanical arm focusing on analytical method.At last,the Strength, stiffness and stability of connect the components used were analyzed by material mechanics,so we ensure that the overall accuracy of the equipment and enh

8、ance the usefulness of the equipment, gained more satisfactory results.Through these methods and measures , the design of arm of the use of linkage of industrial machinery hand were completed.Keywords：cylinder, linkage, gear, industrial machinery hand目 录第1章 绪论11.1 课题的来源及研究意义11.2 工业机械手的应用现状及发展方向11.3

9、臂部采用连杆机构的工业机械手的优点2第2章 总体方案的设计32.1 设计任务分析3 设计要求3 任务分析32.2 总体方案的确定4 手部方案的确定4臂部方案的确定6第3章 手部的设计73.1 确定手部结构73.2 手指夹紧力的计算73.3 手部结构驱动力的计算73.4 传动齿轮的设计及校核7 确定齿轮的材料、热处理方法及等级精度8 按齿面的接触疲劳强度设计齿轮8 齿根的校核9 计算齿轮的主要几何尺寸10 绘制齿轮的零件图103.5 液压缸的设计与计算11 计算活塞杆的驱动力11 确定液压缸的安装形式11 确定端盖与缸筒的结构及其连接方式11 确定液压缸的基本参数11第4章 臂部的设计164.1

10、 连杆机构的选择164.2 驱动力的计算164.3 液压缸的设计与计算17确定液压缸的安装形式17确定端盖与缸筒的结构及其连接方式17 确定液压缸的基本参数174.4 连杆长度的计算及校核21 作图法求连杆长度21 校核连杆强度23第5章 电机及减速器的选择29 5.1 电动机的选择29 5.2 减速器的选择29结论30 参考文献31致谢32附录 图纸列表第1章 绪论1.1课题的来源及研究意义机械手是在机械化及自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，其特点是可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，尤其体现了人的智能性和适应性。在现代生产过程中，机械手被广泛的运

11、用于自动生产线中，机械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的技术，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，但在工业生产过程中，尤其是在自动流水线上，零件的加工和搬运都可能用到机械手，这主要是因为它具有以下一些人手所不能比拟的优点：1) 能不断重复工作和劳动, 把人从繁重单调的劳动中解放出来；2）应用范围广，环境适应性强，能代替人从事危险、有害的操作；3）机械手动作准确，可以稳定和提高产品的质量；4）提高劳动生产率和降低成本。正因为机械手具有如此之多的优点，所以机械手已经受到许多部门的重视，其在工业生产领域应

12、用也变的越来越广泛，不仅如此，工业机械手在社会服务、公共安全等非生产领域也发挥着越来越重要的作用，所以研究工业机械手技术具有巨大的现实意义，而且随着经济的不断发展，计算机和电力电子、微电子控制、液压气动等技术的快速进步,机械手技术的研究更具有远大的前景。工业机械手必将成为制造业中不可替代的重要装备和手段,同时也成为衡量一个国家制造业和科技水平的重要标志。1.2工业机械手的应用现状及发展方向在国外，工业机械手技术已经日趋成熟，在20世纪50年代初期他们就已经开始配置机械手，到目前已极为普遍，并已成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机械手公司，它们包括：瑞

13、典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter，以色列的Robogroup Tek等公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。相对于国外的先发领先优势，国内的工业机器手产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲。如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机器人公司，年利润增长在40%左右，但是至今仍未形成具有影响力的产品和有规模的产业。虽然工业机械手的应用已经相当普遍，但是工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，主要使从事繁重的工作和危险的工作，在恶劣环境下尤其明显。至于在汽车工业和电子工业之类的工业部门，机械手的应用情况决不能说是很好的

14、，其机械手应用只限于部分工序，尚未在整个生产过程中普及应用。其原因之一是工业机械手的性能还不能满足这此部门的要求，适于机械手工作的空间范围很小。此外，国内外实际上使用的定位控制的机械手，大多没有视觉、触角以及听觉。目前，世界各同正积极研制带有视觉、触角以及听觉的工业机械手，这种机械手像人的感官的一样具有听觉、视觉、触觉，并可根据人们的要求做相应的行动，所以这种机械手也叫做仿生机械手。综合分析可以知道，在人工智能、计算机科学和传感器科学的迅速发展的今天，未来的机器手技术将向着对环境自主性强、具有多种感觉能力的智能机器人的方向发展。1.3臂部采用连杆机构的工业机械手的优点工业机械手执行机构的设计主

15、要包括：(1)手部设计 (2) 腕部设计 (3) 臂部设计(4) 机身设计。其中对于臂部的设计，可根据不同的实际需求选择不同的机构来实现，比如对于要求实现伸缩运动的臂部，可选用倍增机构，导轨机构及导柱机构等，而对于实现复合运动的臂部，可采用行星轮传动机构，凸轮传动机构及连杆机构等。连杆机构尤其是四连杆机构由于其自身的特点常常用来作为机械手的臂部，而连杆式工业机械手也是一种常见的机械手类型，连杆机构主要具有以下特点：1）结构简单，易于加工。2）具有灵活性、方便性的机构特点。3）运动转换形式多样，可以任意组合到达任意位置点。4）比较容易改变运动参数以满足工件运动轨迹的变化。第2章 总体方案的设计2

16、.1设计任务分析设计要求连杆式工业机械手是采用连杆机构驱动臂部，并且能够实现给定的两个位置，要求机械手臂部具有水平伸缩功能且手部具有抓取功能。设计参数及要求：1.臂部采用连杆机构。2.手部抓取机构采用齿轮传动，且手指从张开到闭合的的时间为1s。3.抓取的工件呈圆柱形，重量为。4.臂部可以水平伸缩，且运动行程为，运动速度为为。5.工作寿命为15年，按每年300天，每天8小时计算。6. 给定的连杆支承点的初始位置和终止位置如图2.1所示。图2.1 轨迹示意图任务分析该课题要求我们设计臂部采用连杆机构，手部采用齿轮传动的工业机械手，根据设计任务书，可知此机械手的大体工作过程是：由电动机带动减速器输出

17、转矩来驱动连杆机构，整个连杆机构的运动轨迹须经过给定的初始位置和终止位置，而固定在其中一根连杆上的手部则在液压缸的驱动下来抓取工件以完成整个作业过程。分析整个工作过程可以知道该设计题目的完成需要解决以下3个问题：1.手部齿轮传动的设计及校核2.伸缩油缸的设计3.连杆长度的确定及校核2.2总体方案的确定手部方案的确定手部是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部抓取机构是多种多样的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致分为夹持和吸附两大类，由于该课题要求的工件形状为圆柱形，所以在此我们须选用夹持类手部机构更合适。夹持

18、类手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件。一般情况下，所采用两个手指，少数采用三指或多指。常用的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮机构、连杆机构来实现手指夹紧或松开。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的，气动的和电动的等几种形式。.1手指设计方案的确定夹持类的手部按其手指夹持工件时的运动方式，又可分为回转型和手指平移型两种，那么手部抓取机构的手指型式的设计方案就有以下几种可以选择：方案一：单支点回转型手指，如图2.2所示：图2.2 单支点回转型手指方案二：双支点回转型手指，如图2.3所示：图2.3双支点回转型手指方案三

19、：平移型手指，如图2.4所示：图2.4 平移型手指针对方案一，手指的张开与闭合依靠手指根部的销轴的回转运动来完成，此种方案比较简单，但是夹持工件时，手指开闭范围很大，影响手部接近工件的运动路线及方位，而此种方案不利于齿轮传动的实现。针对方案二，此种方案结构简单，形状小巧，且易于实现齿轮传动。针对方案三，手指的张开闭合靠手指的平行移动，更适合夹持平板、方料。此外，这种手指结构比较复杂、体积大，要求加工精度高。根据本课题的设计任务要求，被夹持工件为圆柱形，而且要求采用齿轮传动方式来驱动手指的张开与闭合，并综合分析以上三种方案可知，方案二是最优方案。.2驱动装置的确定驱动装置按动力源可以分为液压、气

20、动和电动三大类。其中对于气动驱动系统，虽然系统结构简单，但是难于实现伺服控制，技术尚不太成熟；而对于电动驱动系统，虽然具有低惯量、大转矩的有点，但是经济性不好；对于液压系统，由于液压技术是一种比较成熟的技术，自60年代初到现在，已在机械手中获得广泛应用，并且具有动力大、快速响应高、易于实现直接驱动，简单经济等特点，在本课题可优先选用液压驱动装置。综上所述，机械手手部的设计方案可采用液压系统驱动齿轮机构以控制双支点回转型手指的张开闭合，从而达到夹持工件的目的。如图2.5所示：1-中间齿轮 2-液压缸 3-扇形齿轮4-手指 5-销轴图2.5 手部方案示意简图臂部方案的确定该课题要求机械手的臂部采用

21、连杆机构，并且要求臂部可以做水平伸缩运动。根据此要求，我们可以选择一定行程的液压缸来实现臂部的水平伸缩运动，并且使四连杆机构通过耳轴与伸缩液压缸成一定角度相连，从而使C点的运动轨迹符合给定的位置。如图2.6所示。图2.6臂部方案示意简图第3章 手部的设计3.1 确定手部结构根据课题要求及上文所述, 由于所持工件为圆柱形,且重量为5至10千克,故可采用双指点回转型手指式手部结构,同时采用液压系统驱动活塞往复运动,通过活塞杆端部齿条,带动中间齿轮以及扇形齿轮使手指张开或闭合。3.2 手指夹紧力的计算查资料自动上下料装置与工业机械手节，手指对工件的夹紧力可按下式计算: （3.1）式中 -安全系数,通

22、常取1.22,这里取1.5 -动载系数,主要考虑惯性力的影响,可按估算,a为机械手在搬运工件的过程中的加速度,取,g为重力加速度,由此可得=1.05. -方位系数,查资料自动上下料装置与工业机械手中表56.2-3得,如表3.1，可取=4 -被抓持工件的重量,这里取N由此可得夹紧力3.3 手部结构驱动力的计算查资料自动上下料装置与工业机械手可得，作用于活塞杆上的驱动力的为： （3.2）式中 P-驱动力； b-加紧力至回转支点的垂直距离,；R-初选扇形齿轮分度圆半径； N-手指的夹紧力,；齿轮传动的机械效率,查资料可取；由此可计算得3.4 传动齿轮的设计及校核由于该齿轮传动为闭式传动,属于一般的通

23、用的机械，所以采用齿面硬度HBS的软齿面钢制齿轮，按照齿轮的设计计算原则，本设计应先按齿面接触疲劳强度设计计算，待确定了齿轮传动的参数和尺寸后，再验算轮齿齿根的弯曲疲劳强度。 确定传动齿轮的材料、热处理方法及精度等级(1)查资料机械设计表10-1，中间齿轮材料选用45号钢，调质后表面淬火,硬度为250HBS；扇形齿轮材料也选用45号钢，调质后表面淬火，硬度为220HBS，(2)由于机械手的齿轮传动为一般的齿轮传动,圆周速度不会太大 ,故可选用8级精度; 按齿面的接触疲劳强度设计齿轮由于本设计的齿轮传动为软齿面的闭式齿轮传动，齿轮的承载能力主要有齿轮接触疲劳强度决定，故可按资料机械设计设计计算公

24、式（10-9a）进行试算，即 （3.3）确定载荷系数K因该齿轮传动是软齿面的齿轮，圆周速度也不大，精度也不高，而且齿轮相对支承是对称分部，根据原动机和载荷性质查资料机械设计学基础中表5-8，取K=1.3。计算中间齿轮的转矩选取齿宽系数由于本齿轮传动中的齿轮为对称分布，且为软齿面传动，故查资料机械设计表10-7选取齿宽系数为选取材料的弹性影响系数由于两齿轮材料均为优质碳素钢，查机械设计表10-6可取材料的弹性影响系数。查取齿轮的接触疲劳强度极限由机械设计图10-21d按齿面硬度查得中间齿轮和扇形齿轮的接触疲劳强度极限分别为，。计算应力循环次数工作寿命为15年，按每年300天，每天按8小时计算。由

25、于手指由张开到闭合的时间，液压缸的行程，则可求齿轮的线速度：，进而求得转速为：则由机械设计式10-13计算应力循环次数得：=查取接触疲劳寿命系数由机械设计学基础图10-19查得接触疲劳寿命系数为：，计算接触疲劳许用应力对于接触疲劳强度计算，由于点蚀破坏发生后只引起噪声、震动增大，并不会立即导致不能继续工作的后果，故可取安全系数S=1，由资料机械设计式（10-12）得： （3.4）= （3.5）计算中间齿轮分度圆直径由于，故将代入设计计算公式得：= （3.6）确定齿轮的模数由于该齿轮传动为软齿面，为使重合度较大，取=20，则有： 故可得模数：，可取标准模数。 齿根的校核由资料机械设计中式(10-

26、5a)得弯曲强度的校核公式为：,其中 （3.7）查取齿形系数由机械设计表10-5得： 查取应力校正系数由机械设计表10-5得： 查取齿轮的弯曲疲劳强度极限由机械设计图10-20c查得：两齿轮的弯曲疲劳强度极限分别为：查取齿轮的弯曲疲劳寿命系数由机械设计图10-18查得：弯曲疲劳寿命系数分别为：查取弯曲疲劳强度的安全系数本传动要求一般的可靠性，故查资料机械设计学基础表5-10可得S=1.3.计算弯曲疲劳许用应力将以上各参数代入弯曲疲劳许用应力公式得： （3.8）（3.9）齿根弯曲疲劳强度校核（3.10） （3.11）因此，轮齿齿根的弯曲疲劳强度符合要求，是安全的。 计算齿轮的主要几何尺寸分度圆直

27、径d齿轮的中心距a齿轮的宽度b 绘制齿轮的零件图根据以上计算结果绘制齿轮的零件图，见附录。3.5 液压缸的计算与选择根据设计任务书的要求，并分析机械手的夹紧和张开过程，可选择双作用的单活塞杆液压缸，且活塞在行程终了时缓冲. 计算活塞杆驱动力根据公式（2.2）得，作用于活塞杆上的驱动力为：根据以上计算可得：扇形齿轮分度圆半径 加紧力至回转支点的垂直距离 手指的夹紧力 齿轮传动的机械效率故求得活塞杆的驱动力为： 确定液压缸的安装形式根据设计要求，并分析机械手的作业过程，由于液压缸尾部要与水平伸缩油缸相连，故液压缸尾部可采用外法兰连接，头部与齿轮外壳连接，可采用焊接的方法连接。 确定端盖和缸筒的结构

28、及其连接方式分析设计的具体要求可得，缸体的两个端盖均用法兰螺钉与缸体连接，而缸体采用铸件，端盖材料选用Q235钢，这样的结构较为简单，易加工，易装卸。 确定液压缸的基本参数.1 计算缸筒内径由前面计算可得活塞杆的驱动力为，取整个液压系统的最大压力，则根据公式， 可求得缸筒内径根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-3，从标准缸筒内径系列中选取，把重新代回公式，求得：故缸筒内径满足要求，根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-3，可选取液压缸公称压力.2 计算缸筒壁厚根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-12，缸筒壁厚的计算公式为: （3.12）式中 缸筒材料强度要求的最小值 缸筒外径公差余量

29、 腐蚀余量假设取=5mm 由于，则可采用如下实用公式：由以上计算可得 由于缸筒材料选用45号钢，查机械设计表10-1得，缸筒的抗拉强度，进而求得，其中为安全系数，通常取5.把以上各值代入公式可得: 则可取，另根据经验可取，故缸筒壁厚=4+0.5+0.5=5mm.3 校核法兰连接螺钉由于缸筒与端盖采用法兰螺钉连接，螺钉需要承受一定的拉应力和剪应力，故为了保证液压缸的安全，需校核连接螺钉的强度。在此可采用内六角圆柱头螺钉M412，材料为45号钢，性能等级为8.8级，且表面经氧化处理。查机械设计手册第三版第4卷表19-6-12，螺钉强度计算如下：可知螺纹处的拉应力: （3.13）式中 缸筒端部承受的

30、最大推力， 拧紧螺纹的系数，在此取 螺纹底径，在此取 螺钉的数量，在此=4故 则螺纹处的剪应力为： （3.14）式中 螺纹连接的摩擦系数，平均取=0.12 螺纹外径，。其他参数和计算拉应力时的参数一致。则可求合成应力为：查资料机械设计表10-1得，45号钢经调质后其抗拉强度极限为： 根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-12，取安全系数为：故螺钉的许用应力为： 由于合成应力,故法兰连接螺钉符合要求，是安全的。.4 计算活塞杆直径并校核计算活塞杆直径根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-4，由于液压缸公称压力，故可取速比.由机械设计手册第三版第4卷表19-6-20得活塞杆直径的计算公式为：

31、（3.15）把，代入公式得：根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-3得，选取活塞杆直径.强度校核根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-19得，活塞杆的材料可选用45号钢，且调质处理，材料的许用应力。由机械设计手册第三版第4卷表19-6-19得活塞杆的强度校核公式： （3.16）代入数值可得：故活塞杆的强度符合要求，是安全的。 .5 密封装置的选择查机械设计手册第三版第4卷表19-6-81和表19-6-82可得，缸筒用静密封圈以及活塞与活塞杆的密封圈均采用O型圈密封，其压力范围，温度范围及速度范围均符合要求。.6 确定活塞与活塞杆结构型式及连接方式由以前计算可得，本设计中活塞杆外端需驱动齿轮

32、旋转以控制手指的张开与闭合，而且活塞杆承受的驱动力较大，所以为了避免活塞杆在工作中产生偏心负载力，提高工作效率，活塞杆可选用实心杆体，且杆外端采用大螺栓头的连接形式以与传动齿轮相啮合,如图3.1所示。图3.1 活塞杆由于采用O型圈密封，且此液压缸行程较小，查机械设计手册第三版第4卷表19-6-14可得，采用整体活塞更为方便，如图3.2所示活塞和活塞杆的连接由多种型式，查机械设计手册第三版第4卷表19-6-15，对应于本设计，采用螺母型的连接方式更为方便，如图3.2所示。1-活塞 2-垫圈 3-活塞 4-活塞杆图3.2 活塞与活塞杆连接示意图第4章 臂部的设计4.1 连杆机构的选择根据设计任务书

33、，臂部须采用连杆机构来实现给定的运动轨迹。在连杆机构中，平面四连杆机构是结构最简单、应用最广泛的四杆机构，它具有如下的显著优点：一是两构件之间是面接触，所以单位面积承受的压力小，并且便于润滑，磨损小；二是由于两构件接触面是圆柱或平面，加工制造比较容易，易获得较高精度；三是能较好地实现多种运动规律和运动轨迹的要求。所以对于该课题我们可以选用平面四连杆机构来实现给定的运动轨迹，平面四连杆机构简图如图4.1所示。其中，AB杆为曲柄，能作整周回转运动，与电动机及减速器相连；CD杆为摇杆，主要起支撑作用，只能在一定范围作往复摆动运动；BC杆通过耳轴与伸缩液压缸成一定角度相连,以使C点可以通过给定的两个位

34、置。图4.1 曲柄摇杆机构简图4.2 驱动力的计算臂部伸缩运动时需要克服摩擦力和惯性力，则查资料自动上下料装置与工业机械手可得，其驱动力可按下式计算： （4.1）式中 起动过程的惯性力；其大小按下式估算：其中 臂部移动部件的总重量,估 重力加速度， 臂部运动速度， 起动时所用的时间，这里取摩擦阻力；包括导轨支撑之间的摩擦阻力；活塞与缸壁及密封处的摩擦阻力。查资料机械设计手册软件版常用材料的摩擦因数可得:铸铁与橡胶的动摩擦因数为则可得：490N故 4.3 液压缸的计算与选择 确定液压缸的安装形式根据设计要求，并分析机械手的作业过程，由于液压缸头部要与手部相连并驱动手部水平伸缩，而连杆则需与液压缸

35、中部成相连接，故可采用铸造的方法在缸筒中部铸造出耳轴以便与连杆连接。简图如下：图4.2 缸筒截面简图 确定端盖和缸筒的结构及其连接方式分析设计的具体要求可得，缸体的两个端盖均用法兰螺钉与缸体连接，而缸体采用铸件，端盖材料选用Q235钢，这样的结构较为简单，易加工，易装卸. 确定液压缸的基本参数.1 计算缸筒内径由前面计算可得活塞杆的驱动力为，取整个液压系统的最大压力。根据公式， 可求得缸筒内径为： （4.2）根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-3，从标准缸筒内径系列中选取标准的缸筒内径为：把重新代回公式，求得：故缸筒内径满足要求，根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-3，可选取液压缸公称

36、压力.2 计算缸筒壁厚根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-12，缸筒壁厚的计算公式为： （4.3）式中 缸筒材料强度要求的最小值 缸筒外径公差余量 腐蚀余量假设取=5mm ，由于，则可采用如下实用公式： （4.4）由前面计算可得：查机械设计手册第三版第4卷表19-6-11得，缸筒的抗拉强度为：进而求得：，其中n为安全系数，通常取5.把以上各值代入公式可得：则可取，另根据经验可取，故缸筒壁厚.3 校核法兰连接螺钉由于缸筒与端盖采用法兰螺钉连接，螺钉需要承受一定的拉应力和剪应力，故为了保证液压缸的安全，需校核连接螺钉的强度。在此可采用内六角圆柱头螺钉M412，材料为Q235钢，性能等级为8.8

37、级，且表面经氧化处理。查机械设计手册第三版第4卷表19-6-12，螺钉强度计算如下：螺纹处的拉应力 （4.5）式中 缸筒端部承受的最大推力， 拧紧螺纹的系数，在此取 螺纹底径，在此取 螺钉的数量，在此=4故 螺纹处的剪应力为： （4.6）式中 螺纹连接的摩擦系数，平均取 螺纹外径，其他参数和计算拉应力时的参数一致。则可求得合成应力为：查资料材料力学表2.1得，Q235钢的抗拉强度极限为：根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-12，取安全系数为：故螺钉的许用应力为： 由于合成应力,故法兰连接螺钉符合要求，是安全的。.4 计算活塞杆直径并校核计算活塞杆直径根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-

38、4，由于液压缸公称压力为：故可取速比.由机械设计手册第三版第4卷表19-6-20得活塞杆直径为： （4.7）把，代入公式得：根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-3得，选取标准的活塞杆直径为。强度校核根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-19得，活塞杆的材料可选用45号钢，且调质处理，由前面计算可得，材料的许用应力为： 由机械设计手册第三版第4卷表19-6-19得活塞杆的强度校核公式： （4.8）代入数值可得：故活塞杆的强度符合要求，是安全的。 弯曲稳定性校核根据机械设计手册第三版第4卷表19-6-20，当液压缸的支承长度为时，须验算活塞杆的弯曲稳定性。本设计中，液压缸的支承长度，故须验算

39、活塞杆的弯曲稳定性。在此，本设计采用实用验算法来校核其稳定性。由机械设计手册第三版第4卷表19-6-20得，活塞杆弯曲计算长度为：式中： 液压缸安装及导向系数，查机械设计手册第三版第4卷表19-6-21得，=1 行程，根据设计要求，=500mm则求得：由前面计算已知强度力,活塞杆直径，则查机械设计手册第三版第4卷表19-6-21中活塞杆弯曲计算图可得活塞杆弯曲临界长度为：则有故活塞杆稳定性良好。4.4 连杆长度的计算及校核 作图法求连杆长度根据设计任务书，给定的运动轨迹如图2所示，即C点由经一段圆弧运动到,并且要求BC杆顺时针偏转。分析给定的运动轨迹可得，BC杆由初始位置顺时针偏转运动到最终位

40、置，致使C点由经一段圆弧运动到,从而达到搬运物料的目的。在此任取,用作图法来可求其他连杆的长度。具体作图步骤如下：连接和，分别作它们的中垂线和，在和上分别任取一点，即为A点和D点，如图4.3所示。如图4.4所示，连接和，即此四连杆机构的初始位置和终止位置。在图4.4中量取各连杆长度分别为，。图4.3作图法计算示意图图4.4连杆机构示意图根据资料机械原理3-3节可得：由于,并且，故可得此连杆机构为曲柄摇杆机构。为了保证此曲柄摇杆机构具有良好的传动性能，通常应使最小转动角为，故在此需校验最小传动角是否满足要求，如图4.4所示，分析可得，传动角与有关，当为锐角时，=；若为钝角时，=-,所以在曲柄转动

41、一周的过程中，只有为和时，才会出现最小传动角。而从图4.4中还可以看出，角是随曲柄转角的变化而变化的，当=和=时，所对应的才为和由图4.4中的两个三角形和可得如下关系式： （4.9） （4.10）由以上二式，可得：那么 （4.11） （4.12）根据上式可求得可能出现最小传动角的两个位置： （4.13）- （4.14）由于之前已用作图法求得，故代入以上各式即可求得：故此连杆机构符合要求。 校核连杆强度由以上计算可得各连杆长度分别为主动杆，传动杆，摇杆，机架，为了确保机械手可以正常的工作，在此需校核各连杆的强度。.1 连杆受力分析分析连杆机构可知，当伸缩油缸完全伸出以驱动手部抓起工件的那一时刻，

42、C点所受的力及弯矩是最大的，由此分析C点的受力情况，并做其计算简图如图4.5所示。图中，表示伸缩油缸及整个手部，且;把伸缩油缸和整个手部作为一个整体并估算其总重量，即：其中，E点为其几何重心。图4.5 连杆受力分析图画出C点的受力图如图4.6所示：图4.6 连杆受力图根据力平衡方程和力矩平衡方程有，在X方向和Y方向力与力矩需保持平衡，即： （4.15） （4.16） （4.17）分析受力图列方程得：解以上方程可得：.2连杆强度校核分析整个连杆结构及C点受力情况可知，对于点C而言，伸缩油缸完全伸出以驱动手部抓起工件的那一时刻，C点所受的力及弯矩是最大的，此时，其他各连杆受力也处于最大状态，所以对

43、此时刻的各连杆进行强度校核即可。另外，各连杆均用铸件的形式，其横截面是一个长方形，如图4.7所示，由图可求连杆的横截面积为：图4.7 连杆横截面示意图对于连杆CD, 连杆材料可选用Q235，查资料材料力学表2.1可知，Q235的屈服极限为：取安全系数，则其许用应力为：；由以上计算可知，其长度为717.31mm，所受力是的反作用力，为轴向的压缩力，且。则可求作用与CD杆上的应力为： （4.18）故连杆CD符合强度要求，是安全的。 对于BC杆，连杆材料可选用20Cr，并进行渗碳淬火，查资料材料力学表2.1可知20Cr的屈服极限为：取安全系数，则其许用应力为：；由以上计算可知，BC杆长度为800mm

44、，所受力为水平方向，故可分解为沿连杆轴向方向和垂直于轴向方向的两个分力，如图4.8所示：图4.8 BC杆受力图由图可求得：沿轴向方向的分力为 ：垂直于轴向的分力为：进而求得沿轴向方向的压应力为： 由于垂直于轴向的分力使BC杆产生了弯矩，其弯矩图如图4.9所示：图4.9 BC杆弯矩图从图中可以得知，垂直于轴向的分力在BC杆上产生的弯矩从B到C是逐渐增大的，在C点时，弯矩达到最大值，计算可得：查资料材料力学公式（5.5）得，最大弯曲应力为： （4.19）其中，W为抗弯截面系数，它与截面的几何形状有关，单位是。当截面为高为h、宽为b的矩形时，抗弯截面系数，故可计算得：进而求得：综合以上计算结果可知，

45、BC杆符合强度要求，是安全的。对于AB杆，连杆材料可选用Q235，查资料材料力学表2.1可知，Q235的屈服极限，取安全系数，则其许用应力为：；由以上计算可得，AB杆长度为400mm，分析其所受的力及弯矩有：沿BC杆方向的推力，减速器的输出轴的作用力以及转矩。作出AB杆的受力简图，如图4.10所示。从图中可以看出，力可以分解为两个分力：一个是沿AB杆轴向的压力，它和是作用力与反作用力，所以有=；另一个是垂直于AB杆轴向的力，且有：.根据力和力矩的平衡方程可得：列出方程即： 图4.10 AB杆受力简图解方程可得：进而求得AB杆的压应力为： 对于垂直于轴向的分力在AB杆所产生的弯矩，作出其弯矩图如

46、图4.11所示, 从图中可以得知，垂直于轴向的分力在AB杆上产生的弯矩从B到A是逐渐增大的，在A点时，弯矩达到最大值，计算可得：图4.11 AB杆弯矩图查资料材料力学公式（5.5）得AB杆最大弯曲应力为：其中，W为抗弯截面系数，它与截面的几何形状有关，单位是。当截面为高为h、宽为b的矩形时，抗弯截面系数为：故可计算得： 进而求得： 综合以上计算结果可知，AB杆符合强度要求，是安全的。第5章 电动机及减速器的选择5.1电动机的选择由以上计算可知，使连杆机构正常工作所需要的转矩为：，在此我们试选取电动机的转速为，查资料材料力学公式（3.1）得： （4.20）故可求得电动机的功率为：查机械设计手册第

47、三版第5卷表23-1-23，可从表中选取适合的电动机，经比较可选Y180L-8型的电动机，其额定功率为，同步转速为，满载转速为。5.1减速器的选择由该课题的设计任务书可知，连杆机构执行一个循环过程所需要的时间为2s，所以由此可求得连杆机构中曲柄的转速为：由上一步计算可知选定电动机的转速为，则可求减速器的公称传动比为： 查资料机械设计手册第三版第4卷，可从表中选取符合条件的减速器，经比较可选的减速器。结 论针对本次毕业设计课题任务及要求，我查阅大量的相关资料，对设计有了比较深的认识和了解。工业机械手的执行系统主要包括手部，腕部，臂部和机身四部分，但在实际应用过程中，并不是要求必须具备这四个部分，例如在有些机械手中，并没有很明显的腕部，这要根据实际情况来决定。而对于工业机械手的自由度，则是指工业机械手的腕部和臂部等部件相对于固定坐标轴所具有的移动、旋转和左右摆动的是独立运动数，一般为了抓取空间中任意位置和方位的工件，需要有6个自由度，但是自由度数越多，机械手的结构就越复杂，所以可根据实际需要选择最合适的自由度数。根据设计的具体任务及要求，本次设计的内容由总体方案的设计、手部的设计、伸缩油缸的设计、连杆的设计及校核等四部分组成。根据整个设计过程可以得到如下结论：1、总体方案的确定。针对本次连杆式机械手的设计提出了三种方案，经比较、分析各种方案的优缺点，最