平衡臂機械手的設計之總體設計

平衡臂機械手的設計之總體設計,平衡臂機械手的設計之總體設計,平衡,機械手,設計,總體,整體 湘潭大學 畢業(yè)設計說明書 題 目：平衡臂機械手的設計 之總體設計及基礎 學 院： 機械工程學院 專 業(yè)：機械設計制造及自動化 學 號： 2005500803 姓 名： 朱 展 港 指導教師： 楊 湘 軍 完成日期： 2009 年5月12日 湘 潭 大 學 畢業(yè)論文（設計）任務書 論文（設計）題目：平衡臂機械手的設計——總體設計及基礎 學 號 2005500803 學生姓名 朱展港 專業(yè) 機械設計及其自動化 指導教師姓名（職稱） 楊湘軍（高級工程師） 、 機電 系 主任 周友行 一、主要內容及基本要求 試設計一個用于數(shù)控車床旁自動上料的機械手，機械手的活動范圍為工作半徑2m，回轉范圍0°～360°，工作高度2m，抓起的最大重量為40kg；對于軸類零件，最大直徑120mm,對于餅類零件，最大直徑為300mm。在活動范圍內，機械手能夠抓起地面上任何位置的工件送入到臥式車床的卡盤處。動作的連貫和邏輯順序有PLC控制。 設計工作量：<1>總裝圖紙,地基基礎圖，零部件一覽表，標準件匯總表，外購件匯總表； <2>設計說明書； <3>英文翻譯成漢語(5000字)。 二、 重點研究的問題 機械，機構，機械手，夾具，弱電控制，PLC，液壓驅動或者執(zhí)行電機的控制， 地基基礎 三、 主要技術指標 最大活動半徑 2m 最大活動高度 2m 回轉活動范圍 0°～360° 最大抓取重量 40kg 抓取規(guī)格 棒料φ120mm，盤類φ300mm 四、 進度安排 各階段完成的內容 起止時間 1 調研、草圖、方案 2009.5.11～2009.5.15 2 方案評審 2009.5.15 3 計算、總體布局、原理 2009.5.15～2009.5.20 4 繪圖、設計（零部件） 2009.5.21～2009.5.30 5 整理說明書、英文翻譯 2009.5.30～2009.6.5 7 準備答辯（英語口語、自我介紹） 2009.6.5～2009.6.10 五、 應收集的資料及主要參考文獻 1 機械設計手冊編委會.機械設計手冊.第二卷.北京:機械工業(yè)出版社,2004 2 毛謙德,李振清主編.袖珍機械設計師手冊.北京:機械工業(yè)出版社,2000 3 孫恒,陳作模主編.機械原理.第六版.北京:高等教育出版社,2001 4 紀名剛主編.機械設計.北京:高等教育出版社,2003 5 成大先主編.機械設計手冊單行本.氣壓傳動.北京:化學工業(yè)工業(yè)出版社,2004 6 鐘肇新,范建東.可編程邏輯控制器原理及應用.華南理工大學出版社,2005 7 張海根.機電傳動控制.北京:高等教育出版社,2001 8 吳圣莊主編.金屬切削機床.北京:機械工業(yè)出版社,1980 9 王紹俊主編.機械制造工藝設計手冊.哈爾濱工業(yè)大學出版社,1984 10 戴曙主編.金屬切削機床設計.北京:機械工業(yè)出版社,1980 湘 潭 大 學 機械工程學院 本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 題 目 平衡臂機械手的設計之總體設計及基礎 姓 名 朱展港 學號 2005500803 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 六班 指導教師 楊湘軍 職稱 高級工程師 填寫時間 2009年6 月 8 日 2009年3月  說 明 1．根據(jù)湘潭大學《畢業(yè)設計(論文)工作管理規(guī)定》，學生必須撰寫《畢業(yè)設計（論文）開題報告》，由指導教師簽署意見，系主任批準后實施。 2．開題報告是畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學生應當在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，開題報告不合格者不得參加答辯。 3．畢業(yè)設計(論文)開題報告各項內容要實事求是，逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。 4．本報告中，由學生本人撰寫的對課題和研究工作的分析及描述，應不少于2000字。 5．開題報告檢查原則上在第2～4周完成，各系完成畢業(yè)設計開題檢查后，應寫一份開題情況總結報告。 6. 填寫說明： (1) 課題性質：可填寫A．工程設計；B．論文；C. 工程技術研究；E.其它。 (2) 課題來源：可填寫A．自然科學基金與部、省、市級以上科研課題；B．企、事業(yè)單位委托課題；C．校級基金課題；D．自擬課題。 (3) 除自擬課題外，其它課題必須要填寫課題的名稱。 (4) 參考文獻不能少于10篇。 (5) 填寫內容的字體大小為小四，表格所留空不夠可增頁。 本科畢業(yè)設計(論文)開題報告 學生姓名 朱展港 學 號 2005500803 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 指導教師 楊湘軍 職 稱 高級工程師 所在系 機設 課題來源 D 課題性質 A 課題名稱 平衡臂機械手的設計之總體設計及基礎 一、選題的依據(jù)、課題的意義及國內外基本研究情況 平衡臂結構是工廠常用來作為中小零件的吊裝設備結構之一，其原理在機構學上屬于七桿二自由度機構。它有一些較好的優(yōu)點。如果結合回轉和抓取重物的機械手爪，并實施合理的控制，便可以實現(xiàn)圓柱坐標下的運動，作為抓取物體的機械手使用。 我的設計內容主要是進行機構的總體布局設計。 平衡臂是一套平行四邊形機構。當控制端輸入兩個位置變化時，輸出端有固定的位置變化與之對應，而且，輸入端的運動或位置分為水平和垂直兩個運動分別輸入，輸出端的運動或位置也相應地做水平或垂直方向的運動。這就說明平衡臂能夠實現(xiàn)垂直平面內的運動，對輸入端實施垂直方向和水平方向的運動控制，就可以實現(xiàn)輸出端在垂直平面內的運動和位置控制。如果在輸出端裝上可控的機械手，便可以實現(xiàn)垂直面內的預定位置抓取重物。如果再配備回轉運動和機械手的自轉運動，可以實現(xiàn)空間有限范圍內任何位置對重物的抓取。 據(jù)此原理，我要….針對此機械手，而且還要對機械手的整體布局及工作原理和過程做一些介紹。在外型上，我們要解決的問題主要是我們設計出來的實體要和實物相同或相近。在大的方面，一個機械手可以分為大臂、小臂和手爪手腕等部分。而手腕部分是我們所重點要求的，對其中的每一個零件、部件及組合體的尺寸和形體都有嚴格的要求，，而且沒有手腕，取而代之的是一個吊鉤，為了將其改造成為可自動抓取的機械手，每個零件的配合都要很考究。而油路的布置也要合理。整體要整齊美觀。機構實用且經濟。 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。她的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。她的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。 到目前為止，日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快，應用最多的國家。 但是，目前的機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是減低成本和提高精度。 第二代機械手設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺，觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。 第三代機械手（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS（Flexible Manufacturing System）和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一環(huán)。 二、研究內容、預計達到的目標、關鍵理論和技術、技術指標、完成課題的方案和主要措施 這次研究的內容是機械，機構，機械手，夾具，弱電控制，PLC，液壓驅動或者執(zhí)行電機的控制，地基基礎等的設計。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、俯仰等機構，以及適于不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機械手的作用。更為主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 機械手要像人的手一樣完成各種動作是比較困難的。因為人的手指、手長、手腕、手臂由十九個關節(jié)所組成，并具有27個自由度，而生產實踐中機械手不需要這么多自由度。下面按機械手所具有的主運動和輔助運動來分析其自由度。手臂和立柱的運動成為主運動，因為它們能改變抓取工件在空間的位置。手腕和手指的運動成為輔助運動，因為手腕的運動只能改變被抓取工件的方位，而手指的夾放運動不能改變工件的位置和方位。 在確定了被抓取工件所在的空間位置，及將工件搬運到規(guī)定的位置時所需要的運動。得知我們改造的機械手包括了大臂的回轉和升降兩個運動，而將要設計的手腕的自由度僅僅是為了配合手臂完成工件的預定裝卸方位要求加以增設的。 這次設計的機械手，其手臂的運動由兩個直線運動和一個回轉所成，即沿X軸的伸縮，沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉。這種坐標型式的機械手成為圓柱坐標式機械手。它與指教坐標式相比較，占地面積大而活動范圍大，結構較為簡單，并能達到較高的定位精度，因此得到廣泛的應用。 其主要技術指標為： 最大活動半徑 2m 最大活動高度 2m 回轉活動范圍 0°～360° 最大抓取重量 40kg 抓取規(guī)格 棒料φ120mm，盤類φ300mm。 三、主要特色及工作進度 我們這次設計主要是針對此機械手，而且還要對機械手的整體布局及工作原理和過程做一些介紹。在外型上，我們要解決的問題主要是我們設計出來的實體要和實物相同或相近。在大的方面，一個機械手可以分為大臂、小臂和手爪手腕等部分。而手腕部分是我們所重點要求的，對其中的每一個零件、部件及組合體的尺寸和形體都有嚴格的要求，而且沒有手腕，取而代之的是一個吊鉤，為了將其改造成為可自動抓取的機械手，每個零件的配合都要很考究。而油路的布置也要合理。整體要整齊美觀。機構實用且經濟。工作進度2009.5.11～2009.5.15調研、草圖、方案，2009.5.15方案評審，2009.5.15～2009.5.20計算、總體布局、原理，2009.5.21～2009.5.30繪圖、設計（零部件），2009.5.30～2009.6.5整理說明書、英文翻譯，2009.6.5～2009.6.10準備答辯（英語口語、自我介紹）。 四、主要參考文獻（按作者、文章名、刊物名、刊期及頁碼列出） [1] 主編羅迎社 《材料力學》 武漢理工大學出版社，2000 [2] 主編唐增寶 何永然 劉安俊 《機械設計課程設計》華中理工大學出版社，1998 [3] 主編成大先 《機械設計手冊——聯(lián)接與緊固》北京化學工業(yè)出版社，2004 [4] 主編曹玉平 閻祥安 《液壓傳動與控制》天津大學出版社，2003 [5] 主編毛謙德 李振清 《袖珍機械設計手冊》 機械工業(yè)出版社，2006 [6] 主編黃靖遠 龔賤霞 賈延林 《機械設計學》 機械工業(yè)出版社，2000 [7] 主編陸祥生 楊秀蓮 《機械手理論及應用》 中國鐵道出版社，1985 [8] 主編符 萎 《機構設計學》 湖南大學出版社，2001 [9] 天津大學編寫組編 《工業(yè)機械手設計基礎》天津科學技術出版社出版1980 [10] 上海煤礦機械研究所 《液壓傳動設計手冊》 上海人民出版社出版 1974 [11] 主編王文斌 《機械設計手冊 第二卷》 機械工業(yè)出版社出版 2005 指導教師 意 見 指導教師簽名： 年 月 日 系意見 系主任簽名： 年 月 日 院意見 教學院長簽名： 年 月 日 目 錄 第一章 緒 論 4 1.1國內外機械手綜述 4 1.1.1簡史 4 1.1.2應用簡況 5 1.2機械手的組成和分類 5 1.2.1機械手的組成 5 1.2.2機械手的分類 7 1.3本課題研究的主要內容及意義 7 1.3.1課題 平衡臂機械手的設計之總體設計及基礎的內容及基本要求 7 1.3.2重點研究的問題 8 1.3.3主要技術指標 8 1.3.4本次設計的意義 8 第二章 平衡臂機械手機械結構的設計計算 9 2.1機械手機構的分析與設計 9 2.1.1機械手的自由度 9 2.1.2坐標形式 10 2.1.3機械手的機構簡圖以及部件尺寸 10 第三章 平衡臂機械手總體設計方案 12 3.1機械手總體系統(tǒng)的設計 12 3.2液壓機械手液壓系統(tǒng)的工作原理 12 3.3液壓系統(tǒng)的組成原理 13 3.4液壓傳動機械手的特點 13 3.5機械手的動作順序 14 3.6液壓系統(tǒng)工作原理圖 14 3.7 控制方式選擇 15 3.8平衡臂機械手總體布局方案的確定 16 第四章 平衡臂機械手總體設計及計算 18 4.1地基基礎的設計計算 18 4.2主軸的設計及強度校核 19 4.2.1主軸部件的基本要求 19 4.2.2軸的設計計算 20 4.2.2軸的校核 22 4.2.3軸上花鍵的校核 23 第五章 大臂驅動的設計計算 24 5.1大臂的驅動力矩的計算 24 5.2回轉缸的驅動力矩計算 25 5.3缸蓋的強度計算 26 5.4大手臂做升降運動時所需的驅動力 27 5.5驅動油缸的計算 28 第六章 軸承的校核 29 6.1第一對軸承 29 6.2第二對軸承 29 6.3第三對軸承 29 第七章 箱體的設計計算 30 7.1箱體支架的結構形式和材料 30 7.2鑄鐵箱體主要結構尺寸和關系 31 第八章 油管的布局 32 第九章 電機的選擇與安裝 33 9.1選擇驅動電機 33 9.2電機與泵組的安裝方式 33 設計總結 34 參考文獻 35 平衡臂機械手的設計之總體設計及基礎 摘要：論文模仿平衡臂機械手的基本功能和設計思路，根據(jù)給定的規(guī)定動作順序，綜合運用所學的基本理論、基本知識和相關的機械設計專業(yè)知識，完成了機械手的設計，并繪制必要的零部件圖和裝配圖，其中包括機器裝置的原理方案構思和擬定；原理方案的實現(xiàn)、傳動方案的設計；主要結構的設計簡圖；設計計算與說明；控制油路系統(tǒng)的設計。 工業(yè)機械手設計的主要技術關鍵問題為：夾持機構的夾緊與翻轉；行程機構的轉向與伸縮；提升機構的提升；控制油路系統(tǒng)的設計。 關鍵詞：平衡臂 工業(yè)機械手 手爪 伸縮油缸 轉動油缸 Summary： The thesis deploys the basic function and the way of design of the automatic hand , according to the given provision of action in proper order, comprehensively using the basic theories, basic knowledge and the related professional knowledge of mechanical design, completing the design of mechanical hand, and drying the diagrams of the necessary spare parts and the assemble diagram, including the consideration and the establishment of the principle;The realization of the principle, powertrains of the project; sketch plan of the structure;calculation of design and the elucidation; design of the the liquid press system. The mainly key problem of design a mechanical hand is :Clipping the object and revolving;The route of travel organization;the promotion of the organization;the design of the liquid press system. Keyword:Arm balance Industrial mechanical hand Hand claw Flexible oil urn recolcing oil urn 第一章 緒 論 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已經成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分。這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。 機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們認識：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能操作必要的機具進行焊接和裝配。從而大大得改善人工的勞動條件，顯著得提高勞動生產效率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進工業(yè)國家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應用。尤其在高溫，高壓，粉塵，噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。 機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它的特點是具備普通機械的物理性能外，還具備通用機械，記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子，軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特頂?shù)淖鳂I(yè)，后來發(fā)展到用無線電尋好操作機械手來進行月球的探測等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專用機械手，主要負數(shù)于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為Mechanical Hand，它是為主機服務的，有主機驅動；除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 1.1國內外機械手綜述 1.1.1簡史 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。她的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。同年，美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatrap機械手，原意是靈活搬運。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工大學聯(lián)合研制一種叫Unnimation-Viearm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)。 到目前為止，日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快，應用最多的國家。 但是，目前的機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是減低成本和提高精度。 第二代機械手設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺，觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。 第三代機械手（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS（Flexible Manufacturing System）和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一環(huán)。 1.1.2應用簡況 就國內機械工業(yè)，鐵路 部門應用機械手的簡況，介紹如下： （一） 熱加工方面的應用 熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了實現(xiàn)高效率和工作安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更加需要采用機械手操作 （二） 冷加工方面 冷加工方面機械手主要采用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應用，成為設備的一個組成部分。更在加工生產線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯(lián)結和重要手段。 （三） 拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。 采用機械手進行裝配更是目前研制的重點，國外已研究采用攝象機和里的傳感裝置和微型計算機聯(lián)系在一起，能確定零件的方位，達到鑲裝的目的。 1.2機械手的組成和分類 1.2.1機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。 １、 執(zhí) 行 機 構 （1） 手部 手部安裝在手臂的前端，手臂的內孔裝有傳動軸，可把動作傳給手腕，以轉動、伸屈手腕、開閉手指。 機械手手部的構造系模仿人的手指，分為無關節(jié)、固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指的數(shù)量又分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。 （2） 手臂 手臂有無關節(jié)臂和有關節(jié)臂之分。目前采用的手臂幾乎都是無關節(jié)臂。 手臂的作用是引導手指準確得抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的三個自由讀都需要精確的定位。 （3） 軀干 軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構的支架。 ２、 驅 動 系 統(tǒng) 驅動機構主要有四種：液壓驅動、氣體驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以液壓、氣動用的最多，占90%以上；電動、機械驅動用的較少。 液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱實現(xiàn)傳動。它的優(yōu)點是壓力高、體積小，出力大，動作平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需配備壓力源，系統(tǒng)復雜，成本較高。 氣動驅動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。尤其空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產生的沖擊，氣壓系統(tǒng)的裝有速度控制機構或緩沖減震機構。 電器驅動都采用三相感應電機作為動力，用大減速比減速器來驅動執(zhí)行機構；直線運動則用電機帶動絲杠螺母機構；有的采用直線電動機。電氣驅動的優(yōu)點是動力源簡單；維護、使用方便。一般只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可開，工作速度高，成本低；缺點是不易于調整。 ３、 控 制 系 統(tǒng) 機械手控制的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度和加減速度等。 機械手的控制分為點位控制和連續(xù)詭計控制兩種。控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。 程序的存儲方式分為分離存儲和集中存儲兩種。對于動作復雜的機械手（機械人），采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復雜的機械手（機械人）則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算器或微處理機控制的系統(tǒng)。 1.2.2機械手的分類 一、 按 用 途 分 類 1. 專用機械手 專用機械手是專為一定設備服務的，簡單、使用，目前在生產中運用的比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)。如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制，以獲得多種工作程序，適應多種作業(yè)的需要。 2. 通用機械手 通用機械手是在專用機械手的基礎上發(fā)展起來的。它能對不同物件完成多種動作，具有相當?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨立工作的自動話裝置。它的動作程序可以按照工作需要來改變，大概是采用順序控制系統(tǒng)。 通用機械手又分簡易型、示教再現(xiàn)型和只能機械手、草中式機械手等幾種。 二、 按控制型式分類 1. 點位控制型機械手 點位控制型機械手的運動詭計是空間二個點之間的連接?？刂泣c書越多，性能越好。它基本能滿足于各種要求，結構簡單。絕大部分機械手是點位控制型。 2. 連續(xù)軌跡控制型機械手 這種機械手的運動軌跡是空間的任意連續(xù)曲線，它能在三維空間中作極其復雜的動作。工作性能完善，但控制部分比較復雜。 控制方式分為開關式和伺服式兩種。 1.3本課題研究的主要內容及意義 1.3.1課題 平衡臂機械手的設計之總體設計及基礎的內容及基本要求 試設計一個用于數(shù)控車床旁自動上料的機械手，機械手的活動范圍為工作半徑2m，回轉范圍0°～360°，工作高度2m，抓起的最大重量為40kg；對于軸類零件，最大直徑120mm,對于餅類零件，最大直徑為300mm。在活動范圍內，機械手能夠抓起地面上任何位置的工件送入到臥式車床的卡盤處。動作的連貫和邏輯順序有PLC控制。 設計工作量：<1>總裝圖紙,地基基礎圖，零部件一覽表，標準件匯總表，外購件匯總表； <2>設計說明書； <3>英文翻譯成漢語(5000字)。 1.3.2重點研究的問題 機械，機構，機械手，夾具，弱電控制，PLC，液壓驅動或者執(zhí)行電機的控制，地基基礎。 1.3.3主要技術指標 最大活動半徑 2m 最大活動高度 2m 回轉活動范圍 0°～360° 最大抓取重量 40kg 抓取規(guī)格 棒料φ120mm，盤類φ300mm 1.3.4本次設計的意義 本次設計主要是對此機械手進行實體改造。 我們這次設計主要是針對此機械手，而且還要對機械手的整體布局及工作原理和過程做一些介紹。在外型上，我們要解決的問題主要是我們設計出來的實體要和實物相同或相近。在大的方面，一個機械手可以分為大臂、小臂和手爪手腕等部分。而手腕部分是我們所重點要求的，對其中的每一個零件、部件及組合體的尺寸和形體都有嚴格的要求，因為大部分的機械手是有人力動作部分的，而且沒有手腕，取而代之的是一個吊鉤，為了將其改造成為可自動抓取的機械手，每個零件的配合都要很考究。而油路的布置也要合理。整體要整齊美觀。機構實用且經濟。 第二章 平衡臂機械手機械結構的設計計算 2.1機械手機構的分析與設計 2.1.1機械手的自由度 機械手要像人的手一樣完成各種動作是比較困難的。因為人的手指、手長、手腕、手臂由十九個關節(jié)所組成，并具有27個自由度，而生產實踐中機械手不需要這么多自由度。下面按機械手所具有的主運動和輔助運動來分析其自由度。手臂和立柱的運動成為主運動，因為它們能改變抓取工件在空間的位置。手腕和手指的運動成為輔助運動，因為手腕的運動只能改變被抓取工件的方位，而手指的夾放運動不能改變工件的位置和方位，故它不計為自由度數(shù)，其他運動都算作自由度數(shù)。 這次參考了工廠的機械手，在確定了被抓取工件所在的空間位置，及將工件搬運到規(guī)定的位置時所需要的運動。得知我們改造的機械手包括了大臂的回轉和升降兩個運動，而將要設計的手腕的自由度僅僅是為了配合手臂完成工件的預定裝卸方位要求加以增設的，故只算成兩個自由度。 圖一 平衡臂機械手機構圖 由圖可知，此機械手在XY平面內有回轉運動，且在Z方向和X方向有直線運動，故做出它的運動軌跡圖，由于存在了安全工作區(qū)域，故選了300度旋轉范圍，如下： 圖二 回轉范圍 自由度數(shù)多少是衡量機械手技術水平的指標之一，自由數(shù)越多，可以完成的動作越復雜，通用性越強，應用范圍也越廣，但是響應的帶來了技術難度大，控制系統(tǒng)和機械結構復雜，機械手本身的體積和重量增加，成本高和維修困難。自由度少，通用性越差，但是技術上容易達到，結構簡單，使用和維修方便。所以在此次設計中，二自由度已經足夠，沒有必要盲目的加入自由度。 2.1.2坐標形式 如一圖所示的機械手，其手臂的運動由兩個直線運動和一個回轉所組成，即沿X軸的伸縮，沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉。這種坐標型式的機械手成為圓柱坐標式機械手。它與指教坐標式相比較，占地面積大而活動范圍大，結構較為簡單，并能達到較高的定位精度，因此得到廣泛的應用。 2.1.3機械手的機構簡圖以及部件尺寸 圖三 機構示意圖 在江麓機械廠的實地測繪，要進行改造的機械手機構簡圖如上圖所示 。為一個七桿二自由度機械手。其各部件的尺寸如下： 桿件一 250mm 桿件二 1250mm 桿件三 250mm 桿件四 1250mm 桿件五 1250mm 表一 機構尺寸 此機械手的尺寸恰能滿足回轉半徑1m~3m和提升工件高度≤2m的要求，所以在這次設計過程中不做改動。 由圖一計算其他尺寸： 圖中虛線所示位置就是當機械手將工件舉到最高時候的位置，實線所示的位置就是機械手在地面高度抓取工件的位置。設計手臂在這兩個位置時，桿件與水平所成的角度都為30。則Ae長度等于250=125mm，bf長度也為125mm，bC長度等于BC=250=125mm，cc產度等于bc-bC=250-125=125mm，Bb長度等于BC=250=216mm，所以確定Aa等于Ae+bf+Bb=125+125+216=466mm。即為大臂升降油缸的行程取l=500mm。其工作高度即離地面高度為H=2458mm，其支撐點b離地面的高度H2=1708mm，其B點的高度為H3=1925mm。 第三章 平衡臂機械手總體設計方案 3.1機械手總體系統(tǒng)的設計 綜合考慮了幾種驅動方式的優(yōu)缺點，由于要求的抓取重量較大（40公斤），生產節(jié)拍較長，為了得到較大的輸出力和握力，還要求傳動平穩(wěn)，所以我們決定采用液壓驅動的方式。 3.2液壓機械手液壓系統(tǒng)的工作原理 此機械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉換成油液的壓力能。壓力油經過管道及一些控制調節(jié)裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉化成機械能。手臂在運動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關。手臂做各種運動的速度決定于流入密封油缸中的油掖的容積的多少。這種借助于醞釀動著的壓力油的容積變化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機械手的液壓傳動系統(tǒng)都是屬于容積式液壓傳動。 本次設計的液壓機械手，相當于一臺專用液壓自動機械，由執(zhí)行機構，液壓系統(tǒng)、電氣控制三大部分組成。液壓傳動系統(tǒng)概括如下： 圖四 液壓傳動系統(tǒng) 3.3液壓系統(tǒng)的組成原理 由上圖可知，液壓系統(tǒng)由以下幾個主要部分組成： 1.油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉換為油液的壓力能，用這壓力油驅動整個液壓系統(tǒng)工作。 2. 液動機 壓力油驅動運動部分對外工作的部分。如：做回轉運動的液壓馬達，做回轉角度為360度的回轉油缸，控制手臂伸縮的伸縮油缸。 3.控制調節(jié)裝置 如單向閥、溢流閥、換向閥、節(jié)流閥、調速閥、減壓閥、順序閥等。各起一定的作用，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所需要的運動。 4． 輔助裝置 如油箱、濾油器、蓄能器、管路和管接頭以及壓力表等。 3.4液壓傳動機械手的特點 機械手采用液壓傳動比較采用氣壓傳動有如下特點： 1. 能得到較大的輸出力或力矩 一般要得到20~70公斤/厘米的油液壓力是比較方便的，而通常工廠的壓縮空氣均為4~6公斤/厘米。因此，在活塞面積相同的條件下，液壓機械手可比氣動機械手負荷大得多。目前，液壓機械好艘搬運重量（即抓重）已達800公斤，而氣動機械手一般搬運重量小于30公斤。 2. 液壓傳動滯后現(xiàn)象小，反應較靈敏，傳動平穩(wěn) 與空氣相比，油液的壓縮性極小，所以傳動的滯后現(xiàn)象小，傳動平穩(wěn)。氣壓傳動雖易于得到較高速度（如1米/秒以上），但空氣粘性比油低、傳動中沖擊較大，不利于精確定位。 3.輸出力和運動速度控制較容易 輸出力和運動速度在一定的油缸結構尺寸下，主要決定于油液的壓力和流量，通過調節(jié)相應的壓力和流量控制閥，能比較方便地控制輸出功率。 4． 可達到較高的定位精度 目前一般液壓機械手，在速度低于400毫米/秒、抓重較輕時，采用適宜的緩沖措施和定位方式，定位精度可達到1~0.02毫米。若采用電液伺服系統(tǒng)控制，不僅定位精度高，而且可連續(xù)任意定位，適用于高速、重負荷的通用機械手。 但是，液壓傳動也有其缺點： （1）系統(tǒng)的泄漏難以避免，影響工作效率和系統(tǒng)的工作性能。工作要求越高，對密封裝置和配合件制造精度的要求就越高。 （2）油液的黏度對溫度的變化很敏感，當溫度升高時，油的黏度即顯著降低，油液黏度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量。另外在高溫田間下工作時，必須注意油液著火等危險。 3.5機械手的動作順序 我們設計的機械手是一個上下料的機械手，它的工作流程簡圖如下： 圖五 工作流程簡圖 上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)信號控制相應的電磁換向閥，按程序依次步進動作而實現(xiàn)的。該電控系統(tǒng)的步進控制環(huán)節(jié)采用步進選線器，其步進動作是在每一步動作完成后，使行程開關的觸點閉合或依據(jù)每一步動作的預設停留時間，使時間繼電器動作而發(fā)信，使步進器順序“跳步”控制電磁閥的電磁鐵線圈斷通電，使電磁鐵按程序動作實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動控制。 3.6液壓系統(tǒng)工作原理圖 圖六 液壓系統(tǒng)工作原理圖 3.7 控制方式選擇 在現(xiàn)代工業(yè)控制中，常用的控制方式有繼電器控制、PLC控制和計算機控制?，F(xiàn)將它們各自的優(yōu)缺點比較如表2和3所示。 項目 繼電器控制 PLC 控制功能 多個繼電器接線完成 編程 適應性 重新設計、改變繼電器和接線 修改程序 控制速度 低，機械動作 快，微處理器處理 安裝施工 連線多、復雜 容易、方便 可靠性 差，觸點多，故障多 高 壽命 短 長 擴展性 困難 容易 維護 工作量大 有自診斷能力 項目 繼電器控制 PLC 控制功能 多個繼電器接線完成 編程 表二　繼電器控制與PLC控制比較 項目 計算機控制 PLC 工作目的 計算、數(shù)據(jù)管理 工業(yè)自動控制 環(huán)境 要求高 低 控制方式 中斷處理方式 循環(huán)掃描 特殊措施 掉電保護（一般） 多種抗干擾措施，自診斷、斷電保護 編程語言 匯編語言、高級語言 梯形圖、助記符、SFC等 內存 容量大 小 操作要求 專門培訓 一般技術人員 其他 用于控制需自行設計 模塊化、單元化，易于集成 表三　計算機控制與PLC控制在的比較 從以上比較可以看出，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)可靠性差，響應速度慢，觸點多，需要進行復雜大量的布線，故障多，維修困難；計算機控制系統(tǒng)雖然控速度和精度都很高，但是適應性差，對環(huán)境要求高，成本高，不適合大規(guī)模推廣；而可編程控制器則具有方便可靠，易學易用，控制精度和速度高，適應性強，成本不是很高，非常適用現(xiàn)代大規(guī)模自動化工業(yè)控制。 綜合考慮繼電器控制、計算機控制和PLC控制的各自的特點，現(xiàn)決定選用PLC控制。 3.8平衡臂機械手總體布局方案的確定 圖七 總體方案圖 上圖所看到的方案是本人了解了各種資料和參考了機械實物所設計的初步方案。平衡臂機械手工作時要一個穩(wěn)定的基礎且不需移動，所以該地基設計為嵌入水泥地里，這樣的平衡性和穩(wěn)定性好。本次設計我們沒將伸縮油缸和回轉油缸放置在同一個立柱中，因為如果這樣放置，一個是裝配時十分不方便，二個是在機械手夾持工件進行回轉時，回轉中心將更加遠離回轉油缸的中心，那樣對支撐軸的扭矩將增大，且對立柱的彎曲應力更大，機械手的壽命將縮短。所以，我們設計的是將伸縮油缸和液壓站用支撐板固定在遠離工件的立柱的另側，這樣，當機械手回轉時，回轉中心將比較靠近回轉油缸的回轉中心，這樣，即減少了支撐軸的彎曲應力，又可以使的機械手在裝配和設置油管路線時更加方便。橫向擴展一下，本人聯(lián)想到深圳沙田海港的集裝箱的起吊手臂，它在空間運行的時候，保證了集裝箱的水平放置，那樣手臂的設計將更加復雜。本人設計的機械手，在空間的運動位置是不定的，則在橫向伸縮的導桿中加入一個伸縮油缸，用來精確控制工件被夾取后在空間中的運動位置。 第四章 平衡臂機械手總體設計及計算 4.1地基基礎的設計計算 1. 查表得水泥地密度為3，水泥的承載壓強為40MPa，鑄鐵的密度為7.33。 其安裝圖如下所示： 圖八 地基基礎 2. 初步取地基的直徑為660mm，高為60mm。半圓的中心為4r/3p。 當前端吊臂滿載時，其重心距主軸的距離S1=1.5m，質量m1=100kg，力矩M1=S1·m1·g=1500N·m。 在主軸另一側電動機、液壓缸等器件的總重心距離主軸S2=0.4m，質量m2=200kg，力矩M2=S2·m2·g=800N·m。 地基一側的重心位置d=4r/3p=0.27m，能產生的最大力矩M3= =595N·m。 水泥地厚度H==0.019m，考慮到其安全性，設其安全系數(shù)為2，則H=40mm。 底部壓強為=0.2MPa≦40MPa。 4.2主軸的設計及強度校核 4.2.1主軸部件的基本要求 主軸部件是機床的重要部件之一。主軸部件通常是由主軸、主軸軸承和安裝在主軸上的傳動件組成。機床工作時，由主軸帶動工件或刀具直接參加表面成形運動，所以主軸部件的工作性能對加工質量和機床生產率有著重要的影響。 對主軸的基本要求有： ①旋轉精度 主軸部件的旋轉精度是指機床在裝配后，主軸前端機械手部分的徑向和軸向跳動的大小。主軸部件的旋轉精度決定于主軸部件的主要零件，如主軸、軸承等的制造和裝配精度。 ②剛度 對主軸部件的剛度要求是指在外力的作用下，主軸部件應具有一定的抵抗變形的能力。也就是在外力作用下，主軸應仍能保持一定的工作精度。主軸部件的剛度大小通常以使主軸前端產生單位位移時，在位移方向上所需施加的作用力來表示。它綜合地反映了主軸和軸承的變形。如果主軸部件的剛度不足，將使主軸在切削力和傳動力的作用下，產生較大的彈性變形，并且還容易引起振動。這樣不僅會降低加工精度和表面粗糙度，還會使齒輪等傳動件和軸承等因不能均勻受力而惡化工作條件。 影響主軸部件剛度的因素較多，有主軸的結構尺寸、軸承的類型和配置方式，軸承間隙的大小，傳動件的布置方式，主軸部件的制造和裝配質量等。 ③抗振性 主軸部件的振動會影響工作的質量和主軸軸承的壽命，還會發(fā)生噪聲影響工作環(huán)境。主軸部件在運轉時應盡量減少振動，這對高速和高精度的機床更為重要。 ④溫升 主軸部件在運轉中溫升過高會引起兩方面的不良后果：一是主軸部件和箱體因熱膨脹而變形，主軸的旋轉中心線和機床其他部件的相對位置發(fā)生變化，直接影響定位精度；其次是軸承等元件會因溫升過高而改變已調好的間隙和破壞政正常的潤滑條件，影響軸承的正常工作，嚴重的會發(fā)生“抱軸”。 機標JB2278-78規(guī)定，主軸在最高轉速達到穩(wěn)定溫度（溫升上升不超過每小時5°C）時，滑動軸承溫度不得超過60°C，溫升不得超過30°C；滾動軸承溫度不得超過70°C，溫升不得超過40°C。 ⑤耐磨性 主軸部件必須有足夠的耐磨性，以便能長期地保持精度。為了提高耐磨性，一般機床主軸的易磨損部件應淬硬或經氮化處理。 4.2.2軸的設計計算 1·輸入軸的功率、轉速、彎矩和轉矩。 初步設定器回轉速度為v=5r/min，從啟動到加速至工作速度的時間為T=1s，平衡臂吊起最大重物時，其重心距主軸=1.5m，其總質量大約為=200kg。在吊臂的另一側包括活塞、電機、油泵、油箱等零部件的總質量大約為=200kg，其重心距主軸=0.4m。 則，最大扭矩為=51.4N·m 其最大彎矩為150N·m 根據(jù)第三強度理論，其相當彎矩為159N·m 其功率為0.08kw 2·初步確定軸的最小直徑 選取軸的材料為35號鋼，調質處理。根據(jù)表15-3， 取＝1125（中間值），抗彎截面系數(shù)，許用應力于是得 =80mm 3·軸的結構設計 （1） 擬定軸上零件的裝配方案 其方案如圖所示 圖九 主軸 （2） 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 1） 在1-2軸段右端為了減少摩擦，選擇滾動軸承，故取1-2段的直徑=90mm；左端用定位螺釘定位，其距左端的距離=27mm。3-4段的長度根據(jù)箱體的大小確定，其長度=232mm。 2） 因軸承即受有徑向力的作用還受軸向力的作用，故選用滾動軸承和推力球軸承一起用。參照工作要求并根據(jù)=70mm，有軸承產品目錄中初步選取0基本游隙組、標準精度等級的深溝球軸承6218，其尺寸為d×D×B=90mm×135mm×25mm，推力球軸承為0基本游隙組、標準精度等級的滾動軸承51224，其尺寸為d×D×B=90mm×140mm×35mm 。左端采用軸肩定位，故=120mm，=10.軸承之間采用軸套定位。 3） 該軸與回轉缸的連接為花鍵連接，其花鍵的大小為d×D×l=82mm×88mm×100mm。即=100mm，=88mm。花鍵距左端的距離為=21mm。 4） 由于該軸所受的彎矩比較大，故軸=700mm，其直徑為花鍵的內徑，=82mm。 至此，已初步卻低昂了軸的各段直徑和長度。 （3） 軸上零件的周向定位 回轉缸與軸的周向定位均采用花鍵連接。鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為100mm，回轉缸與軸的配合為。滾動軸承與軸的周向定位由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。 （4） 確定軸上圓角和倒角尺寸 參考裝配圖，取軸端倒角為2×45o，各軸肩處的圓角半徑 4.2.2軸的校核 按彎扭合成應力校核軸的強度 作軸的彎扭矩圖 圖十 彎扭矩圖 由上圖可以看出截面C是軸的危險截面?，F(xiàn)將算出的截面C處的各值列于下表。 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F =1343N，=139N =488.6N，=50.4N 彎矩M =69856N·mm =25406N·mm 總彎矩 M=74332 N·mm 扭矩T T=47460 N·mm 表四 截面C受力 根據(jù)上表的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)應力，取α=0.6，軸的計算應力 23.58MPa 前已選定軸的材料為35鋼，調質處理，由表查得【】=80MPa。因此<【】，故安全。 4.2.3軸上花鍵的校核 按工作面上的擠壓應力進行強度校核，載荷分配不均系數(shù)ψ=0.7，花鍵的齒數(shù)z=6，齒的工作長度L100mm，花鍵齒側面的工作高度h=2mm，d=30mm，許用應力【P】=10MPa，轉矩T=87.53N·m，其強度為 =1.52MPa≦【P】 故花鍵符合要求。 第五章 大臂驅動的設計計算 5.1大臂的驅動力矩的計算 驅動平衡臂回轉時的驅動例句必須克服平衡臂起動時所產生的慣性力矩，平衡臂的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端面等處密封裝置的摩擦阻力矩，動片與缸體、定片、端蓋等處密封裝置阻力以及由于轉動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩。 圖十一 回轉缸 大臂轉動時所需的驅動力距可按下式計算： M驅=M慣+M偏+M摩+M封（公斤厘米） 式中 M驅——驅動手臂轉動的驅動力矩。 M慣——慣性力矩。 M偏——參與轉動的零部件的重量（包括臂回轉缸的動片，平衡臂，油泵，電機等）對轉動軸線所產生的偏重力矩。 M摩——大臂轉動與支承軸處的摩擦阻力矩。 M封——大臂回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩。 1. 假設大臂起動時按等加速運動，大臂轉動時的角加速度ω，起動過程所用的時間為，則 M慣=（J+） = 100/2 （公斤厘米） J——參與大臂轉動的零件對轉動軸線的轉動慣量。 ——工件對大臂轉動軸線的轉動慣量。 （公斤厘米） 2. 大臂轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩M偏 M偏= ——大臂轉動時的重量。 ——大臂轉動件的重心到軸線的偏心距。 3． 大臂轉動的摩擦阻力距M摩 M摩= ——大臂轉動軸的軸頸直徑。 =0.01 為支持反力： M摩 =（公斤厘米） 5. 回轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等密封裝置的摩擦阻力距M封，與類型有關，具體分析。 5.2回轉缸的驅動力矩計算 在機械手的平衡臂回轉運動中所采用的回轉缸，考慮選擇單葉片式擺動液壓缸，查設計手冊選擇YM1.43-304，其最大擺角可達到304度，外形尺寸為416XΦ340X167.5,重量為46m/Kg。它的工作原理如下圖所示：定片與缸體固聯(lián)，動片與回轉軸固連。動片及密封圈把油腔分為兩個，當壓力油從左邊孔進入時，推動輸出軸作順時針方向回轉，則低壓腔的油從右孔排出。反之，輸出軸作逆時針方向回轉。單葉片回轉油缸的壓力P和驅動力矩M的關系為： 圖十二 回轉缸工作原理圖 M= P== （公斤厘米） M——回轉缸的驅動力矩（公斤厘米）； P——回轉油缸的工作壓力（公斤/） R——工作壓力（厘米）； R——輸出軸半徑（厘米）； b——動片寬度（厘米）。 5.3缸蓋的強度計算 （1）缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 當缸體和剛該用法蘭連接時，螺釘除了應具有足夠的強度之外，還要保證聯(lián)結的緊密性。同時，在剛該所受的合成液壓力的作用下，聯(lián)接一定要有足夠的剩余鎖緊力，以免形成間隙而漏油。 圖十三 連接示意圖 在這種聯(lián)接中，每個螺釘在危險剖面（羅紋根部橫截面）上承受的拉力Q是工作載荷Q與剩余鎖緊力Q之和。即： Q=Q+ Q 式中 Q——工作載荷（公斤）； Q==49.0625 公斤 式中 P——剛該所受的合成液壓力（公斤）； Z——螺釘數(shù)目，Z= D——螺釘中心所在圓的直徑（毫米）； P——油缸內油液的工作壓力（公斤/厘米） Q——剩余預緊力。對于要求緊密性的聯(lián)接取Q=KQ，K=1.5~1.8所以，當取K=1.6時，Q=78.5公斤 算的Q=49.0625+78.5=127.56公斤 因此，螺釘?shù)膹姸葪l件為： = 公斤/厘米 式中螺釘材料為塑性的，而且當進行擰緊時，在危險剖面上，同時存在著拉英里和扭應力，所以應該將螺釘所受的拉力加大30%得Q=1.3Q 對于普通螺紋，內徑d=d-1.224S 所以=4760公斤/厘米，查表得鋼號為40Cr的螺釘為6500，故滿足要求。 5.4大手臂做升降運動時所需的驅動力 手臂上升是靠油壓作用在活塞上的推力實現(xiàn)的，在它上升的過程中，要克服啟動的慣性力，以及行程過程中的摩擦阻力，包括了升降軸與各部件的摩擦，以及導向滑輪與導軌槽之間的摩擦力，還要克服密封裝置處的摩擦阻力和油缸非工作腔壓力（即背壓）所造成的阻力。這些與小手臂的驅動力的考慮是一樣的，但是升降軸除此之外，還要考慮到各個部件的重量，需要克服手臂本身以及手部、手腕和被抓物件的重量 P驅=P慣+P摩+P封+P背±G 在大手臂起動時的過程中，慣性力即為它的沿活塞方向的工作負載，即： P慣= 式中g——重力加速度； ——加速或減速時間，一般=0.01~0.5s； ——時間內的速度變化量。 在大臂的運動過程中，G=（100+150+50+80+180+800）g=13600N; 故P慣=8464N P摩=f(G+Frn); G——運動部件重力 Frn——垂直于導軌的工作負載，在此時為零； f——導軌摩擦系數(shù)，此時取靜摩擦系數(shù)為0.2，動摩擦系數(shù)為0.1。則求得 Ffs=0.2=2720N Ffa=0.1=1360N 上式中Ffs為靜摩擦阻力，F(xiàn)fa為動摩擦阻力。 液壓缸密封處的摩擦力，它的精確值不易求得，常用液壓缸的機械效率進行估算： F+= 式中：F——工作循環(huán)中最大的外負載 ——液壓缸的機械效率，一般=0.9~0.97 求的=715N 查閱資料得： 在高壓系統(tǒng)中，背壓的估算值可忽略不計。 P驅=13260N。 一般情況下，P實際≥。 5.5驅動油缸的計算 1. 工作壓力的確定 選用額定壓力為25MPa的液壓缸。 A= 活塞桿直徑選用125mm。 則液壓缸內徑為： D= 2. 選用內徑為160mm的液壓缸。 3. 行程選擇為500mm。 第六章 軸承的校核 6.1第一對軸承 工作按一天8小時計算，一年360天，工作年限為10年。由于兩個軸承受力不一樣，按受力大軸承計算。已知其轉速為rpm，徑向載荷=500N，其軸承型號為6128，額定動載荷C=15KN，ε=3，動載荷系數(shù)=1.2， 55401.12h=18.9年≥10年 故該軸承符合要求。 6.2第二對軸承 工作按一天8小時計算，一年360天，工作年限為10年。由于兩個軸承受力不一樣，按受力大軸承計算。已知其轉速為rpm，徑向載荷=2124N，其軸承型號為51224，額定動載荷C=17KN，ε=3，動載荷系數(shù)=1.2，102572h=50.4年≥10年 故該軸承符合要求。 6.3第三對軸承 工作按一天8小時計算，一年360天，工作年限為10年。由于兩個軸承受力不一樣，按受力大軸承計算。已知其轉速為rpm，徑向載荷=500N，其軸承型號為51224，額定動載荷C=17KN，ε=3，動載荷系數(shù)=1.2，235466h=111年≥10年 第七章 箱體的設計計算 7.1箱體支架的結構形式和材料 箱體因承受較大的彎曲應力采用鑄造工藝，材料選用HT200。 因其屬于大型鑄件，其最大的輪廓尺寸為500，故鑄件最小壁厚15～20mm，取δ=20mm。其結構圖如下： 圖十四 箱體支架 7.2鑄鐵箱體主要結構尺寸和關系 名稱 尺寸關系 箱座壁厚δ δ=20mm 箱蓋壁厚δ1 δ1=1.6δ=19.2mm 取δ1=20mm 箱座凸緣厚度b1， 箱蓋凸緣厚度b， 箱座底凸緣厚度b2 b1=4×δ1=40mm b=4×δ=44mm b2=4×δ=4×12=48mm 連接螺釘直徑及數(shù)目 df=0.036a+12=15.6mm 取df=16mm n=6 回轉缸旁聯(lián)接螺栓直徑 d1=0.075df=12mm 取d1=12mm 蓋與座聯(lián)接螺栓直徑 d2=（0.5～0.6）df 取d2=10mm 聯(lián)接螺栓d2間的間距 l=150～200mm 定位銷直徑 d3=（0.4～0.5）df 取d3=8mm Df，d1，d2至外壁距離 df，d2至凸緣邊緣距離 C1=22,18,16 C2=20,14 軸承端蓋外徑 D2=120mm 軸承旁聯(lián)接螺栓距離 S=120mm 箱蓋，箱座筋厚 m1=9mm m2=9mm 主軸與箱內壁間距離 Δ1=89mm 大臂油缸距主軸的距離 d=404mm 表五 箱體尺寸 第八章 油管的布局 其布局圖如下所示 圖十五 油路 油管盡量沿著箱壁走，以減少空間的大小和更好的保護油管，油路控制面板放在離液壓執(zhí)行元器件進的地方，為了減少油通過的距離，減少泄油的幾率，油箱放在最下面，考慮到油箱的重量和更方便的回油。手臂上的油管沿著大臂走。 第九章 電機的選擇與安裝 9.1選擇驅動電機 根據(jù)驅動油泵的功率N=2.4kW選擇電機： 電動機型號為Y100L2—4，此電動機的基本技術參數(shù)為額定功率為3kW,轉速為1420r/min。 9.2電機與泵組的安裝方式 液壓泵組采用上置式動力源立式安裝，電動機立式安裝，液壓泵置于油箱的固定架上，占地面積小，結構緊湊，噪聲低并且便于收集漏油。 泵組和電機的安裝方式： 圖十六 電機的安裝 設計總結 首先，我要感謝楊湘軍老師，在畢業(yè)設計的過程中盡心盡力的指導我們，從方案的確定，到系統(tǒng)的設計和細節(jié)的研究，都給予了我無限的啟發(fā)和引導。這是本次畢業(yè)設計能成功的一個重要因素。當然，和本人的辛苦勞動是分不開的。 本次的畢業(yè)設計，融會了大學四年的所學知識，包括了機構設計，機械設計，材料校核，機械傳動，液壓系統(tǒng)和機電一體化等眾多知識。是一個十分綜合的課題，設計的目的也是具有十分重要的使用價值，因為機械手的運用，在很多領域都有應用。小型的機械手，能夠在車間內執(zhí)行夾取工件，成品堆放，焊接，鑄造，等等人力難為或者是有危險的工作，大型的機械手，在橋梁房屋修建，鐵路的架設，港口集裝箱的吊運等工作中發(fā)揮著不可替代的作用。 經過將近一個月的畢業(yè)設計，雖然辛苦，但是能看到自己的研究設計成果能活生生的展示在圖紙上，也是頗有成就感的。將所學知識堆積其中，找出了自己所學知識的不足，也積累了一定的設計經驗，這些寶貴的財富，對于即將走如社會工作的我來說，是千金不換的。由于拿到課題的時間較晚，設計的時間不多且所學知識有限和考慮問題的周全性，這次的設計必將包含了很多的不足和錯誤，希望各位老師能批評指正。 05級機械六班 朱展港 09年6月8號 參考文獻 [1] 主編羅迎社 《材料力學》 武漢理工大學出版社，2000 [2] 主編唐增寶 何永然 劉安俊 《機械設計課程設計》華中理工大學出版社，1998 [3] 主編成大先 《機械設計手冊——聯(lián)接與緊固》北京化學工業(yè)出版社，2004 [4] 主編曹玉平 閻祥安 《液壓傳動與控制》天津大學出版社，2003 [5] 主編毛謙德 李振清 《袖珍機械設計手冊》 機械工業(yè)出版社，2006 [6] 主編黃靖遠 龔賤霞 賈延林 《機械設計學》 機械工業(yè)出版社，2000 [7] 主編陸祥生 楊秀蓮 《機械手理論及應用》 中國鐵道出版社，1985 [8] 主編符 萎 《機構設計學》 湖南大學出版社，2001 [9] 天津大學編寫組編 《工業(yè)機械手設計基礎》天津科學技術出版社出版1980 [10] 上海煤礦機械研究所 《液壓傳動設計手冊》 上海人民出版社出版 1974 [11] 主編王文斌 《機械設計手冊 第二卷》 機械工業(yè)出版社出版 2005 36