工业机械手的设计项目说明指导书

机械系统设计课程设计阐明书设计题目：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：第四章手臂设计4.1手臂伸缩设计计算手臂是机械手重要执行部件。它作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。臂部运动目，普通是把手部送达空间运动范畴内任意点上，从臂部受力状况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件动、静载荷，并且自身运动又较多，故受力较复杂。机械手精度最后集中在反映在手部位置精度上。多义性在选取适当导向装置和定位方式就显得特别重要了。1.伸缩液压缸设计计算1.1求水平伸缩直线运动液压缸驱动力依照液压缸运动时所需克服摩擦、回油背压及惯性等几种方面限力，来拟定液压缸所需驱动力。手臂伸缩速度为300mm/s行程L=400抓重100N液压缸活塞驱动力计算 式中一一摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面间摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处摩擦阻力。一一密封装置处康擦阻力;一一液压缸回油腔低压油掖所导致阻力;一一起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。、、、计算如下。4.1.1.计算不同配备和不同导向截面形状，其摩擦阻力不同，要依照详细状况进行估算。图4-15为双导向杆导向，其导向杆截面形状为圆柱面，导向杆对称配备在伸缩缸两侧，启动时，导向装置摩擦阻力较大，计算如下:由于导向杆对称配备，两导向杆受力均衡，可按一种导向杆计算。 得式中——参加运动零部件所受总重力(含工件重),估算=(100+700)N=800NL——手臂参加运动零部件总重量重心到导向支承前端距离(m),L=100mma——导向支承长度,a=150mm;一一当量摩擦系数，其值与导向支承截面形状关于。对子圆柱面:取=1.5——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=0.1代入已知数据得==280N4.1.2.计算不同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不大于10Mpa.活寒杆直径为液压缸直径一半，活塞与活塞杆处都采用“O”形密封圈时，液压缸密封处总摩擦力为: 式中F——为驱动力， P——工作压力(Pa)；P<10MPa，=0.05~0.023,取p=2Mpa，=0.05; d——伸缩油管直径,d=70mm;L——密封有效长度(mm).为了保证“O”形密封圈装人密封沟槽，井与配合件接触后起到严格密封，在加工密封沟槽时考虑密封圈预压缩量，如图4--15所示。 K=0.08~0.14 取=10mm,K=0.1,得=50mm得4.1.3.计算普通背压阻力较小，可按=0.05F4.1.4.计算 一一参加运动零部件所受总重力(涉及工作重量)（N）g一一重力加速度，取10一一由静止加速到常速变化量=0.3m/s一一起动过程时间(s)，普通取0.01~0.5s，对轻载低速运动部件取较小值，对重载高速运动部件取较大值。取=0.03s因此所求驱动力，解得F=1208.04N拟定液压缸构造尺寸液压缸内径计算如图4一16，当油进入无杆腔当油进入有杆腔液压缸有效面积:故有，查表4-3圆整取D=30mm式中F——驱动力〔N);——液压缸工作压力,取=2Mpa;d一一活塞杆直径(m);D—一活塞缸内径〔m);——液压缸机械效率，在工程机被中用耐油橡胶可取n=0.950选取恰当液压缸工作压力很重要。选高了，可以减小液压缸内径及其执行机构尺寸，使机械手手臂构造紧凑，但要选用价格较贵高压油泵和阀，井使密封复杂化。选低了，可用价格较低泵和阀，但使构造庞大，自重增长。普通取2~8Mpa.表4-2推荐了几织数据，可供选取液压缸工作压力时参照。表4一2液压缸工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力（Mpa）作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力（Mpa）〈50000.8~10~300002.0~4.05000~100001.5~2.030000~500004.0~5.010000~02.5~3.0〉500005.0~7.0通过计算所选取液压缸内径，应尽量是原则值，液压缸内径系列(JB826-66)如表4-3所示。表4-3液压缸内径系列JB826-66（mm）20253240*50*5563*（65）70（75）80*（85）90*（95）100*（105）110125*（130）140*160*180200*250注：1.内尺寸尽量不用。2.*号为（JB1086-67）原则系列液压缸壁厚计算，在实际使用中有下列三种公式:中档壁厚，即时，(4-13)式中F——液压缸内工作压力Mpa——强度系数(当为无缝钢管时=1)C——计入管壁公差及侵蚀附加厚度，普通圆整到原则壁厚值;D——液压缸内径（m）将计算成果按关于资料选取，如表4-4表4-4原则液压缸径（JB68~67）（mm）油缸内径4050638090100110125140（150）16018020020钢165060769510812113314616818019421924545钢2050607695108121133146168180194219245缸体为无缝钢管。取内径壁厚为4mm2.活塞杆计算2.1活塞杆尺寸要满足活塞(或液压缸)运动规定和强度规定。对于杆长t不不大于直径dI5倍(即t)活塞杆还必要具备足够稳定性。按强度条件决定活塞杆直径d按拉、压强度计算:或查表4-5圆整取d=16mm碳钢取=110~120Mpa，取=120Mpa；n普通不不大于1.4，取n=1.4;表4-5活塞杆直径系列（JB826~66）101214161820222528（30）323540455055（60）63（65）70（75）80（85）90（95）注：括号内尺寸尽量不用2.2活塞杆稳定性校核当括塞杆L>15d时，普通应进行稳定性校核。稳定性条件可表达为 式中——临界力（N），可按材料力学关于公式计算。——安全系数，=2—42.2.1.大柔度杆临界力当时，临界力为 =式中为活塞杆计算柔度（柔度系数）L为活塞杆计算长度（m），油缸支承状况和活塞杆端部支承状况不同，活塞杆计算长度不同，见表4—6；i为活塞杆横截面惯性半径（m）, J为活塞杆截面对中性轴惯性矩（） E为弹性横量，E=210GPa为长度折算系数，见表4—6；为特定柔度值，=，为比例极限。2.2.2.中柔度杆当入2<入<:时，临界力为二F式中F活塞杆横截面积（）a、b—常数，与材料性质关于，见表4-7;为特定柔度值，，为屈服极限2.2.3.短压杆入<时，不校核压杆稳定。臂旋转机构设计手臂回转后液压缸设计计算手臂回转时所需驱动力矩采用回转液压缸实现手臂回转运动时，其受力状况可化简成图4-20。图4-20手臂回转运动时受力图驱动手臂回转力矩M驱，与手臂起动时所产生惯性力矩M惯及各密封装置摩擦阻力矩M摩相平衡。M驱＝M惯+M摩+M回（3－1）（1）M摩——密封装置处摩擦力矩（N·m）M摩＝M摩’+M摩”预计取F’=500N,F”=800N预计取回转缸内径D=230mm,输出轴与动片联接处直径d=100mm，动片宽度b=100mmM摩’=F’R＝500×0.23÷2＝52N·mM摩”＝2F”R＝2×800×0.23÷2=162N·m因此，M摩＝52+162=214N·m(2)M惯——手臂起动时惯性力矩M惯=J0=式中——回转缸动片角速度变化量（rad/s），在起动过程中=，取=60°/s——起动过程时间（s）,取=0.5sJ0——手臂回转部件（涉及工件）对回转轴线转动惯量（N·m·s2）。若手臂回转零件重心与回转轴距离为，则J0=Jc+式中Jc——回转零件对重心轴线转动惯量Jc=取手臂回转零件质量m=600Kg，回转时手臂长度l=2500mmJc==230Jo=230+600×0.32=280M惯＝=600N·mM回——回转液压缸回油腔背压反力矩M回==取,M回==680N·mM驱=214+600+680=1480N·m驱动力矩计算如图4-21所示回转液压缸进油腔压力油液，作用在动片上合成液压力矩即驱动力矩M驱′M驱′==图4-21回转液压缸计算图回转缸内径D计算依照M驱=M驱′M驱=式中D——回转缸内径（m）M驱——作用在动片外载荷力矩p——回转液压缸工作压力（Pa）d——输出轴与动片联接处直径（m），初步设计时按选用b——动片宽度（m）为减少动片与输出轴联接螺钉所受载荷及动片悬伸长度，选取动片宽度（即液压缸宽度）时，可选用因此缸盖联接螺钉和动片联接螺钉计算缸盖联接螺钉计算缸盖与回转液压缸缸体用螺钉联接时，其螺钉强度计算办法与伸缩液压缸缸盖螺钉强度计算办法相似。动片与输出轴联接螺钉计算动片与输出轴用螺钉联接构造见图4-22。联接螺钉普通为偶数，对称地安装，并用两个销钉定位。联接螺钉作用是：使动片与输出轴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，产生一种合成液压矩，克服输出轴上所受外载荷力矩。动片受力状况如图4-22b所示。依动片所受力矩平衡条件，有：图4-22动片与输出轴联接方式及动片受力图于是得式中FQ——每个螺钉预紧力（N）Z——螺钉数目，Z=6f——被联接件配合面间摩擦系数，钢对钢取f=0.15因此螺钉强度条件为惯用螺钉材料屈服极限螺钉材料为45号钢，因此取MPa因此4.3机械手手臂升降某些设计4.3.1臂部做升降运动机构回转缸置于升降缸之下机身构造回转缸置于升降缸之上机身构造4.3.2普通先进行粗略估算，或者是采用类比型构造，依照运动参数初步拟定关于构造尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此重复多次，绘出最后构造。4.3.31）计算驱动力（2-1）式中______摩擦阻力（N），，取；______臂部运动零部件总重量（涉及被抓取工件），单位（N）。（注：必要加上不自锁条件）计算成果取驱动力为45000牛，即，。4.4.4（1）油缸内径计算如图1-1所示，当油进入无杆腔：当油进入有杆腔：油缸有效面积：因此，（无杆腔）（2-2）（有杆腔）式中P______活塞驱动力（N）；P1_____油缸工作压力（MPa）；D______油缸内径（mm）；d______活塞杆直径（mm）；_____油缸机械效率。选取工作压力是很重要问题。选高了，可减小油缸内径及其他执行机构尺寸，使机械手臂部构造紧凑，但要选较贵高压油泵和阀；选低了则会使构造厐大，增长自重，但是可以选用较便宜泵和阀。表4-1给出几组数据可供参照。表1-1作用在活塞上驱动力P（N）油缸工作压力P1（MPa）<50000.8~15000~100001.5~210000~02.5~30~300003~430000~500004~5>500005~7依照表1-1在4.5万牛驱动力下，可以选用油缸工作压力为四兆帕。再由公式2-2可得：通过计算所选取油缸内径，应尽量是原则值，油缸内径径系列（GB/T2348-93）如表1-2。表1-210121620253240506380(90)100(110)125(140)160(180)200(220)250(280)320(360)400注：括号内尺寸尽量不用。由表1-2可选出油缸内径为125mm。（2）油缸壁厚计算中档壁厚（）：（2-3）式中D____油缸内径（mm）；_____计算压力，____油缸材料许用应力（MPa）；____强度系数C____附加厚度由公式2-3可计算出油缸外径：由未准油缸外径表1-3，可知C可取17，因而壁厚mm。表1-3油缸内径4050638090100110125140（150）16018020020#钢5060769510812113314616818019421924545#钢50607695108121133146168180194219245注：缸体为无缝钢管（3）活塞杆计算活塞杆尺寸要满足活塞运动和强度规定。对于杆长不不大于直径15倍活塞杆还必要具备足够稳定性。按强度条件决定活塞杆直径d按直杆拉、压强度计算：式中P_____活塞杆所受总载荷（N）；____活塞杆材料许用应力（MPa）。通过查活塞杆直径系列表1-4，可选出活塞杆直径为d=25mm表1-4活塞杆稳定性校核活塞杆长L=300mm，又，即，因此满足稳定性规定。（4）油缸端盖联接方式及强度计算端盖联接采用半环联接，便于加工和装拆。缸盖螺纹计算，由公式2-4可计算出螺钉螺纹内径：（2-4）又由于，，因此由公式2-4可得：再从国标件系列表1-5中可选出联接螺钉尺寸为M16。表1-5螺纹规格臂部升降机构设计手臂是机械手重要执行部件。它作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。臂部运动目，普通是把手部送达空间运动范畴内任意点上，从臂部受力状况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件动、静载荷，并且自身运动又较多，故受力较复杂。机械手精度最后集中在反映在手部位置精度上。因此在选取适当导向装置和定位方式就显得特别重要了。手臂伸缩速度为300m/s，行程L=400mm根636E原始数据可做出臂部升降某些总体构造如总装配图所示。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序号动作循环1234567891011121314臂部伸缩伸出伸出缓冲缩回缩回缓冲++++++臂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、机械手总液压控制图第六章假设上升、下降用三位四通电磁阀，上升Y432(+)、下降Y430(+)；夹紧、放松用二位三通电磁阀，夹紧Y431(+)、放松Y431(-)；右行、左行用三位四通电磁阀，右行Y433(+)、左行Y434(+)。若采用移位指令SFT实现步进式控制，程序大简化。其控制程序设计编制过程如下：步进工步10步（启动，1~8，返回原点）分别相应M100~M111，共使用了10个单元移位寄存器。M100＝1，启动主令信号ST＝1→X400＝1；M101＝1下降主令信号X400＝1，到位LS1＝1→X401＝1。M102＝1夹紧主令信号X401＝1，到位T450延时3s为1。M103＝1上升主令信号X450＝1，到位LS2＝1→X402＝1。M104＝1右行主令信号X402＝1，到位LS3＝1→X403＝1。M105＝1下降主令信号X403＝1，到位LS1＝1→X401＝1。M106＝1放松主令信号X451＝1，延时2s（LS5＝1→X405＝1）。M107＝1上升主令信号X405＝1，到位LS2＝1→X402＝1。M110＝1左行主令信号X402＝1，到位LS4＝1→X404＝1。M111＝1原点主令信号X404＝1，到位T452延时2s为1。下一次工作，先按复位健RT＝1→X513＝1→移位寄存器清0复位，再按启动健ST＝1→X400＝1→M100＝1再循环一次。梯形图：程序清单：LDX404；TA复位＝1ANDM111ORX405RSTM100；移位寄存器清0LDX403；机械原点LS2＝1？ANDX404LS4＝1？ANIM101ANIM102ANIM103ANIM104；原点条