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目 錄
第一章 緒 論 4
1.1國內(nèi)外機(jī)械手綜述 4
1.1.1簡史 4
1.1.2應(yīng)用簡況 5
1.2機(jī)械手的組成和分類 5
1.2.1機(jī)械手的組成 5
1.2.2機(jī)械手的分類 7
1.3本課題研究的主要內(nèi)容及意義 7
1.3.1課題 平衡臂機(jī)械手的設(shè)計(jì)之總體設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)的內(nèi)容及基本要求 7
1.3.2重點(diǎn)研究的問題 8
1.3.3主要技術(shù)指標(biāo) 8
1.3.4本次設(shè)計(jì)的意義 8
第二章 平衡臂機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 9
2.1機(jī)械手機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) 9
2.1.1機(jī)械手的自由度 9
2.1.2坐標(biāo)形式 10
2.1.3機(jī)械手的機(jī)構(gòu)簡圖以及部件尺寸 10
第三章 平衡臂機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 12
3.1機(jī)械手總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12
3.2液壓機(jī)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(dòng)機(jī)械手的特點(diǎn) 13
3.5機(jī)械手的動(dòng)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(jī)械手總體布局方案的確定 16
第四章 平衡臂機(jī)械手總體設(shè)計(jì)及計(jì)算 18
4.1地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
4.2主軸的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 19
4.2.1主軸部件的基本要求 19
4.2.2軸的設(shè)計(jì)計(jì)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(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
5.1大臂的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 24
5.2回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 25
5.3缸蓋的強(qiáng)度計(jì)算 26
5.4大手臂做升降運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力 27
5.5驅(qū)動(dòng)油缸的計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算 30
7.1箱體支架的結(jié)構(gòu)形式和材料 30
7.2鑄鐵箱體主要結(jié)構(gòu)尺寸和關(guān)系 31
第八章 油管的布局 32
第九章 電機(jī)的選擇與安裝 33
9.1選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī) 33
9.2電機(jī)與泵組的安裝方式 33
設(shè)計(jì)總結(jié) 34
參考文獻(xiàn) 35
平衡臂機(jī)械手的設(shè)計(jì)之總體設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)
摘要：論文模仿平衡臂機(jī)械手的基本功能和設(shè)計(jì)思路，根據(jù)給定的規(guī)定動(dòng)作順序，綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，完成了機(jī)械手的設(shè)計(jì)，并繪制必要的零部件圖和裝配圖，其中包括機(jī)器裝置的原理方案構(gòu)思和擬定；原理方案的實(shí)現(xiàn)、傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)；主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡圖；設(shè)計(jì)計(jì)算與說明；控制油路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的主要技術(shù)關(guān)鍵問題為：夾持機(jī)構(gòu)的夾緊與翻轉(zhuǎn)；行程機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向與伸縮；提升機(jī)構(gòu)的提升；控制油路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：平衡臂 工業(yè)機(jī)械手 手爪 伸縮油缸 轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。
機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們認(rèn)識(shí)：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大得改善人工的勞動(dòng)條件，顯著得提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)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(yīng)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(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。
機(jī)械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械，記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)。它起源于原子，軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)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(jī)械手來進(jìn)行月球的探測等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專用機(jī)械手，主要負(fù)數(shù)于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國外稱為Mechanical Hand，它是為主機(jī)服務(wù)的，有主機(jī)驅(qū)動(dòng)；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(nèi)外機(jī)械手綜述
1.1.1簡史
機(jī)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(tái)機(jī)械手。她的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，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(chǔ)上又試制一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動(dòng)）。同年，美國機(jī)械鑄造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Versatrap機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工大學(xué)聯(lián)合研制一種叫Unnimation-Viearm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)。
到目前為止，日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快，應(yīng)用最多的國家。
但是，目前的機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式為開環(huán)式，沒有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是減低成本和提高精度。
第二代機(jī)械手設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)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(jī)械手具有感覺機(jī)能。
第三代機(jī)械手（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)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(yīng)用簡況
就國內(nèi)機(jī)械工業(yè)，鐵路 部門應(yīng)用機(jī)械手的簡況，介紹如下：
（一） 熱加工方面的應(yīng)用
熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了實(shí)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(jī)械手操作
（二） 冷加工方面
冷加工方面機(jī)械手主要采用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)結(jié)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(dòng)較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。
采用機(jī)械手進(jìn)行裝配更是目前研制的重點(diǎn)，國外已研究采用攝象機(jī)和里的傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)聯(lián)系在一起，能確定零件的方位，達(dá)到鑲裝的目的。
1.2機(jī)械手的組成和分類
1.2.1機(jī)械手的組成
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。
１、 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)
（1） 手部
手部安裝在手臂的前端，手臂的內(nèi)孔裝有傳動(dòng)軸，可把動(dòng)作傳給手腕，以轉(zhuǎn)動(dòng)、伸屈手腕、開閉手指。
機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)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(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。目前采用的手臂幾乎都是無關(guān)節(jié)臂。
手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確得抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的三個(gè)自由讀都需要精確的定位。
（3） 軀干
軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。
２、 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣體驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以液壓、氣動(dòng)用的最多，占90%以上；電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。
液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過油缸、閥、油泵和油箱實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小，出力大，動(dòng)作平緩，可無級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。尤其空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)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(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)的裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖減震機(jī)構(gòu)。
電器驅(qū)動(dòng)都采用三相感應(yīng)電機(jī)作為動(dòng)力，用大減速比減速器來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運(yùn)動(dòng)則用電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動(dòng)機(jī)。電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡單；維護(hù)、使用方便。一般只用于動(dòng)作固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可開，工作速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易于調(diào)整。
３、 控 制 系 統(tǒng)
機(jī)械手控制的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度等。
機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)詭計(jì)控制兩種。控制系統(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲(chǔ)，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。
程序的存儲(chǔ)方式分為分離存儲(chǔ)和集中存儲(chǔ)兩種。對于動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手（機(jī)械人），采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機(jī)械手（機(jī)械人）則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算器或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。
1.2.2機(jī)械手的分類
一、 按 用 途 分 類
1. 專用機(jī)械手
專用機(jī)械手是專為一定設(shè)備服務(wù)的，簡單、使用，目前在生產(chǎn)中運(yùn)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(yīng)多種作業(yè)的需要。
2. 通用機(jī)械手
通用機(jī)械手是在專用機(jī)械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它能對不同物件完成多種動(dòng)作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨(dú)立工作的自動(dòng)話裝置。它的動(dòng)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(jī)械手又分簡易型、示教再現(xiàn)型和只能機(jī)械手、草中式機(jī)械手等幾種。
二、 按控制型式分類
1. 點(diǎn)位控制型機(jī)械手
點(diǎn)位控制型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)詭計(jì)是空間二個(gè)點(diǎn)之間的連接?？刂泣c(diǎn)書越多，性能越好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡單。絕大部分機(jī)械手是點(diǎn)位控制型。
2. 連續(xù)軌跡控制型機(jī)械手
這種機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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(fù)雜的動(dòng)作。工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜。
控制方式分為開關(guān)式和伺服式兩種。
1.3本課題研究的主要內(nèi)容及意義
1.3.1課題 平衡臂機(jī)械手的設(shè)計(jì)之總體設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)的內(nèi)容及基本要求
試設(shè)計(jì)一個(gè)用于數(shù)控車床旁自動(dòng)上料的機(jī)械手，機(jī)械手的活動(dòng)范圍為工作半徑2m，回轉(zhuǎn)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(dòng)范圍內(nèi)，機(jī)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(dòng)作的連貫和邏輯順序有PLC控制。
設(shè)計(jì)工作量：<1>總裝圖紙,地基基礎(chǔ)圖，零部件一覽表，標(biāo)準(zhǔn)件匯總表，外購件匯總表；
<2>設(shè)計(jì)說明書；
<3>英文翻譯成漢語(5000字)。
1.3.2重點(diǎn)研究的問題
機(jī)械，機(jī)構(gòu)，機(jī)械手，夾具，弱電控制，PLC，液壓驅(qū)動(dòng)或者執(zhí)行電機(jī)的控制，地基基礎(chǔ)。
1.3.3主要技術(shù)指標(biāo)
最大活動(dòng)半徑 2m
最大活動(dòng)高度 2m
回轉(zhuǎn)活動(dòng)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(shè)計(jì)的意義
本次設(shè)計(jì)主要是對此機(jī)械手進(jìn)行實(shí)體改造。
我們這次設(shè)計(jì)主要是針對此機(jī)械手，而且還要對機(jī)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(shè)計(jì)出來的實(shí)體要和實(shí)物相同或相近。在大的方面，一個(gè)機(jī)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(diǎn)要求的，對其中的每一個(gè)零件、部件及組合體的尺寸和形體都有嚴(yán)格的要求，因?yàn)榇蟛糠值臋C(jī)械手是有人力動(dòng)作部分的，而且沒有手腕，取而代之的是一個(gè)吊鉤，為了將其改造成為可自動(dòng)抓取的機(jī)械手，每個(gè)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(jī)構(gòu)實(shí)用且經(jīng)濟(jì)。
第二章 平衡臂機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1機(jī)械手機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)
2.1.1機(jī)械手的自由度
機(jī)械手要像人的手一樣完成各種動(dòng)作是比較困難的。因?yàn)槿说氖种浮⑹珠L、手腕、手臂由十九個(gè)關(guān)節(jié)所組成，并具有27個(gè)自由度，而生產(chǎn)實(shí)踐中機(jī)械手不需要這么多自由度。下面按機(jī)械手所具有的主運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)來分析其自由度。手臂和立柱的運(yùn)動(dòng)成為主運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗鼈兡芨淖冏ト」ぜ诳臻g的位置。手腕和手指的運(yùn)動(dòng)成為輔助運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槭滞蟮倪\(yùn)動(dòng)只能改變被抓取工件的方位，而手指的夾放運(yùn)動(dòng)不能改變工件的位置和方位，故它不計(jì)為自由度數(shù)，其他運(yùn)動(dòng)都算作自由度數(shù)。
這次參考了工廠的機(jī)械手，在確定了被抓取工件所在的空間位置，及將工件搬運(yùn)到規(guī)定的位置時(shí)所需要的運(yùn)動(dòng)。得知我們改造的機(jī)械手包括了大臂的回轉(zhuǎn)和升降兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，而將要設(shè)計(jì)的手腕的自由度僅僅是為了配合手臂完成工件的預(yù)定裝卸方位要求加以增設(shè)的，故只算成兩個(gè)自由度。
圖一 平衡臂機(jī)械手機(jī)構(gòu)圖
由圖可知，此機(jī)械手在XY平面內(nèi)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且在Z方向和X方向有直線運(yùn)動(dòng)，故做出它的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，由于存在了安全工作區(qū)域，故選了300度旋轉(zhuǎn)范圍，如下：
圖二 回轉(zhuǎn)范圍
自由度數(shù)多少是衡量機(jī)械手技術(shù)水平的指標(biāo)之一，自由數(shù)越多，可以完成的動(dòng)作越復(fù)雜，通用性越強(qiáng)，應(yīng)用范圍也越廣，但是響應(yīng)的帶來了技術(shù)難度大，控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)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(shù)上容易達(dá)到，結(jié)構(gòu)簡單，使用和維修方便。所以在此次設(shè)計(jì)中，二自由度已經(jīng)足夠，沒有必要盲目的加入自由度。
2.1.2坐標(biāo)形式
如一圖所示的機(jī)械手，其手臂的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)所組成，即沿X軸的伸縮，沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種坐標(biāo)型式的機(jī)械手成為圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手。它與指教坐標(biāo)式相比較，占地面積大而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較為簡單，并能達(dá)到較高的定位精度，因此得到廣泛的應(yīng)用。
2.1.3機(jī)械手的機(jī)構(gòu)簡圖以及部件尺寸
圖三 機(jī)構(gòu)示意圖
在江麓機(jī)械廠的實(shí)地測繪，要進(jìn)行改造的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖如上圖所示 。為一個(gè)七桿二自由度機(jī)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(jī)構(gòu)尺寸
此機(jī)械手的尺寸恰能滿足回轉(zhuǎn)半徑1m~3m和提升工件高度≤2m的要求，所以在這次設(shè)計(jì)過程中不做改動(dòng)。
由圖一計(jì)算其他尺寸：
圖中虛線所示位置就是當(dāng)機(jī)械手將工件舉到最高時(shí)候的位置，實(shí)線所示的位置就是機(jī)械手在地面高度抓取工件的位置。設(shè)計(jì)手臂在這兩個(gè)位置時(shí)，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(chǎn)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(diǎn)b離地面的高度H2=1708mm，其B點(diǎn)的高度為H3=1925mm。
第三章 平衡臂機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案
3.1機(jī)械手總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
綜合考慮了幾種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，由于要求的抓取重量較大（40公斤），生產(chǎn)節(jié)拍較長，為了得到較大的輸出力和握力，還要求傳動(dòng)平穩(wěn)，所以我們決定采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式。
3.2液壓機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理
此機(jī)械手的液壓傳動(dòng)是以有壓力的油液作為傳遞動(dòng)力的工作介質(zhì)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵輸出壓力油，是將電動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而使手臂作伸縮、升降等運(yùn)動(dòng)，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時(shí)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(guān)。手臂做各種運(yùn)動(dòng)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(dòng)著的壓力油的容積變化來傳遞動(dòng)力的液壓傳動(dòng)稱為容積式液壓傳動(dòng)，機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)都是屬于容積式液壓傳動(dòng)。
本次設(shè)計(jì)的液壓機(jī)械手，相當(dāng)于一臺(tái)專用液壓自動(dòng)機(jī)械，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，液壓系統(tǒng)、電氣控制三大部分組成。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)概括如下：
圖四 液壓傳動(dòng)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(gè)主要部分組成：
1.油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)工作。
2. 液動(dòng)機(jī) 壓力油驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部分對外工作的部分。如：做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)，做回轉(zhuǎn)角度為360度的回轉(zhuǎn)油缸，控制手臂伸縮的伸縮油缸。
3.控制調(diào)節(jié)裝置 如單向閥、溢流閥、換向閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等。各起一定的作用，使機(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所需要的運(yùn)動(dòng)。
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(dòng)機(jī)械手的特點(diǎn)
機(jī)械手采用液壓傳動(dòng)比較采用氣壓傳動(dòng)有如下特點(diǎn)：
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(jī)械手可比氣動(dòng)機(jī)械手負(fù)荷大得多。目前，液壓機(jī)械好艘搬運(yùn)重量（即抓重）已達(dá)800公斤，而氣動(dòng)機(jī)械手一般搬運(yùn)重量小于30公斤。
2. 液壓傳動(dòng)滯后現(xiàn)象小，反應(yīng)較靈敏，傳動(dòng)平穩(wěn) 與空氣相比，油液的壓縮性極小，所以傳動(dòng)的滯后現(xiàn)象小，傳動(dòng)平穩(wěn)。氣壓傳動(dòng)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(dòng)中沖擊較大，不利于精確定位。
3.輸出力和運(yùn)動(dòng)速度控制較容易 輸出力和運(yùn)動(dòng)速度在一定的油缸結(jié)構(gòu)尺寸下，主要決定于油液的壓力和流量，通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的壓力和流量控制閥，能比較方便地控制輸出功率。
4． 可達(dá)到較高的定位精度 目前一般液壓機(jī)械手，在速度低于400毫米/秒、抓重較輕時(shí)，采用適宜的緩沖措施和定位方式，定位精度可達(dá)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(fù)荷的通用機(jī)械手。
但是，液壓傳動(dòng)也有其缺點(diǎn)：
（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(dāng)溫度升高時(shí)，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(shí)，必須注意油液著火等危險(xiǎn)。
3.5機(jī)械手的動(dòng)作順序
我們設(shè)計(jì)的機(jī)械手是一個(gè)上下料的機(jī)械手，它的工作流程簡圖如下：
圖五 工作流程簡圖
上述動(dòng)作均由電控系統(tǒng)發(fā)信號(hào)控制相應(yīng)的電磁換向閥，按程序依次步進(jìn)動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)的。該電控系統(tǒng)的步進(jìn)控制環(huán)節(jié)采用步進(jìn)選線器，其步進(jìn)動(dòng)作是在每一步動(dòng)作完成后，使行程開關(guān)的觸點(diǎn)閉合或依據(jù)每一步動(dòng)作的預(yù)設(shè)停留時(shí)間，使時(shí)間繼電器動(dòng)作而發(fā)信，使步進(jìn)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(dòng)作實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動(dòng)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(jì)算機(jī)控制。現(xiàn)將它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表2和3所示。
項(xiàng)目
繼電器控制
PLC
控制功能
多個(gè)繼電器接線完成
編程
適應(yīng)性
重新設(shè)計(jì)、改變繼電器和接線
修改程序
控制速度
低，機(jī)械動(dòng)作
快，微處理器處理
安裝施工
連線多、復(fù)雜
容易、方便
可靠性
差，觸點(diǎn)多，故障多
高
壽命
短
長
擴(kuò)展性
困難
容易
維護(hù)
工作量大
有自診斷能力
項(xiàng)目
繼電器控制
PLC
控制功能
多個(gè)繼電器接線完成
編程
表二 繼電器控制與PLC控制比較
項(xiàng)目
計(jì)算機(jī)控制
PLC
工作目的
計(jì)算、數(shù)據(jù)管理
工業(yè)自動(dòng)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(hù)（一般）
多種抗干擾措施，自診斷、斷電保護(hù)
編程語言
匯編語言、高級(jí)語言
梯形圖、助記符、SFC等
內(nèi)存
容量大
小
操作要求
專門培訓(xùn)
一般技術(shù)人員
其他
用于控制需自行設(shè)計(jì)
模塊化、單元化，易于集成
表三 計(jì)算機(jī)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(yīng)速度慢，觸點(diǎn)多，需要進(jìn)行復(fù)雜大量的布線，故障多，維修困難；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)雖然控速度和精度都很高，但是適應(yīng)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(xué)易用，控制精度和速度高，適應(yīng)性強(qiáng)，成本不是很高，非常適用現(xiàn)代大規(guī)模自動(dòng)化工業(yè)控制。
綜合考慮繼電器控制、計(jì)算機(jī)控制和PLC控制的各自的特點(diǎn)，現(xiàn)決定選用PLC控制。
3.8平衡臂機(jī)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(jī)械實(shí)物所設(shè)計(jì)的初步方案。平衡臂機(jī)械手工作時(shí)要一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)且不需移動(dòng)，所以該地基設(shè)計(jì)為嵌入水泥地里，這樣的平衡性和穩(wěn)定性好。本次設(shè)計(jì)我們沒將伸縮油缸和回轉(zhuǎn)油缸放置在同一個(gè)立柱中，因?yàn)槿绻@樣放置，一個(gè)是裝配時(shí)十分不方便，二個(gè)是在機(jī)械手夾持工件進(jìn)行回轉(zhuǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)中心將更加遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)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(yīng)力更大，機(jī)械手的壽命將縮短。所以，我們設(shè)計(jì)的是將伸縮油缸和液壓站用支撐板固定在遠(yuǎn)離工件的立柱的另側(cè)，這樣，當(dāng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)中心將比較靠近回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)中心，這樣，即減少了支撐軸的彎曲應(yīng)力，又可以使的機(jī)械手在裝配和設(shè)置油管路線時(shí)更加方便。橫向擴(kuò)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(yùn)行的時(shí)候，保證了集裝箱的水平放置，那樣手臂的設(shè)計(jì)將更加復(fù)雜。本人設(shè)計(jì)的機(jī)械手，在空間的運(yùn)動(dòng)位置是不定的，則在橫向伸縮的導(dǎo)桿中加入一個(gè)伸縮油缸，用來精確控制工件被夾取后在空間中的運(yùn)動(dòng)位置。
第四章 平衡臂機(jī)械手總體設(shè)計(jì)及計(jì)算
4.1地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算
1. 查表得水泥地密度為3，水泥的承載壓強(qiáng)為40MPa，鑄鐵的密度為7.33。
其安裝圖如下所示：
圖八 地基基礎(chǔ)
2. 初步取地基的直徑為660mm，高為60mm。半圓的中心為4r/3p。
當(dāng)前端吊臂滿載時(shí)，其重心距主軸的距離S1=1.5m，質(zhì)量m1=100kg，力矩M1=S1·m1·g=1500N·m。
在主軸另一側(cè)電動(dòng)機(jī)、液壓缸等器件的總重心距離主軸S2=0.4m，質(zhì)量m2=200kg，力矩M2=S2·m2·g=800N·m。
地基一側(cè)的重心位置d=4r/3p=0.27m，能產(chǎn)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(shè)其安全系數(shù)為2，則H=40mm。
底部壓強(qiáng)為=0.2MPa≦40MPa。
4.2主軸的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核
4.2.1主軸部件的基本要求
主軸部件是機(jī)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(dòng)件組成。機(jī)床工作時(shí)，由主軸帶動(dòng)工件或刀具直接參加表面成形運(yùn)動(dòng)，所以主軸部件的工作性能對加工質(zhì)量和機(jī)床生產(chǎn)率有著重要的影響。
對主軸的基本要求有：
①旋轉(zhuǎn)精度
主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度是指機(jī)床在裝配后，主軸前端機(jī)械手部分的徑向和軸向跳動(dòng)的大小。主軸部件的旋轉(zhuǎn)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(yīng)具有一定的抵抗變形的能力。也就是在外力作用下，主軸應(yīng)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(chǎn)生單位位移時(shí)，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(dòng)力的作用下，產(chǎn)生較大的彈性變形，并且還容易引起振動(dòng)。這樣不僅會(huì)降低加工精度和表面粗糙度，還會(huì)使齒輪等傳動(dòng)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(jié)構(gòu)尺寸、軸承的類型和配置方式，軸承間隙的大小，傳動(dòng)件的布置方式，主軸部件的制造和裝配質(zhì)量等。
③抗振性
主軸部件的振動(dòng)會(huì)影響工作的質(zhì)量和主軸軸承的壽命，還會(huì)發(fā)生噪聲影響工作環(huán)境。主軸部件在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)盡量減少振動(dòng)，這對高速和高精度的機(jī)床更為重要。
④溫升
主軸部件在運(yùn)轉(zhuǎn)中溫升過高會(huì)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(zhuǎn)中心線和機(jī)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(huì)因溫升過高而改變已調(diào)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(yán)重的會(huì)發(fā)生“抱軸”。
機(jī)標(biāo)JB2278-78規(guī)定，主軸在最高轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定溫度（溫升上升不超過每小時(shí)5°C）時(shí)，滑動(dòng)軸承溫度不得超過60°C，溫升不得超過30°C；滾動(dòng)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(jī)床主軸的易磨損部件應(yīng)淬硬或經(jīng)氮化處理。
4.2.2軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
1·輸入軸的功率、轉(zhuǎn)速、彎矩和轉(zhuǎn)矩。
初步設(shè)定器回轉(zhuǎn)速度為v=5r/min，從啟動(dòng)到加速至工作速度的時(shí)間為T=1s，平衡臂吊起最大重物時(shí)，其重心距主軸=1.5m，其總質(zhì)量大約為=200kg。在吊臂的另一側(cè)包括活塞、電機(jī)、油泵、油箱等零部件的總質(zhì)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(qiáng)度理論，其相當(dāng)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(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表15-3，
?。?125（中間值），抗彎截面系數(shù)，許用應(yīng)力于是得
=80mm
3·軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（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(dòng)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(dòng)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(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度等級(jí)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(biāo)準(zhǔn)精度等級(jí)的滾動(dòng)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(zhuǎn)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?；ㄦI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(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)缸與軸的配合為。滾動(dòng)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(yīng)力校核軸的強(qiáng)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(xiǎn)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(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，取α=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力
23.58MPa
前已選定軸的材料為35鋼，調(diào)質(zhì)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(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)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(cè)面的工作高度h=2mm，d=30mm，許用應(yīng)力【P】=10MPa，轉(zhuǎn)矩T=87.53N·m，其強(qiáng)度為
=1.52MPa≦【P】
故花鍵符合要求。
第五章 大臂驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1大臂的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算
驅(qū)動(dòng)平衡臂回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)例句必須克服平衡臂起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，平衡臂的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端面等處密封裝置的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸體、定片、端蓋等處密封裝置阻力以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。
圖十一 回轉(zhuǎn)缸
大臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力距可按下式計(jì)算：
M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封（公斤厘米）
式中 M驅(qū)——驅(qū)動(dòng)手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩。
M慣——慣性力矩。
M偏——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量（包括臂回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片，平衡臂，油泵，電機(jī)等）對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩。
M摩——大臂轉(zhuǎn)動(dòng)與支承軸處的摩擦阻力矩。
M封——大臂回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩。
1. 假設(shè)大臂起動(dòng)時(shí)按等加速運(yùn)動(dòng)，大臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角加速度ω，起動(dòng)過程所用的時(shí)間為，則
M慣=（J+） = 100/2 （公斤厘米）
J——參與大臂轉(zhuǎn)動(dòng)的零件對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
——工件對大臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
（公斤厘米）
2. 大臂轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏
M偏=
——大臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的重量。
——大臂轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到軸線的偏心距。
3． 大臂轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦阻力距M摩
M摩=
——大臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑。 =0.01
為支持反力：
M摩 =（公斤厘米）
5. 回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)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(guān)，具體分析。
5.2回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算
在機(jī)械手的平衡臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸，考慮選擇單葉片式擺動(dòng)液壓缸，查設(shè)計(jì)手冊選擇YM1.43-304，其最大擺角可達(dá)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(dòng)片與回轉(zhuǎn)軸固連。動(dòng)片及密封圈把油腔分為兩個(gè)，當(dāng)壓力油從左邊孔進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)，則低壓腔的油從右孔排出。反之，輸出軸作逆時(shí)針方向回轉(zhuǎn)。單葉片回轉(zhuǎn)油缸的壓力P和驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為：
圖十二 回轉(zhuǎn)缸工作原理圖
M=
P== （公斤厘米）
M——回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩（公斤厘米）；
P——回轉(zhuǎn)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——?jiǎng)悠瑢挾龋ɡ迕祝?
5.3缸蓋的強(qiáng)度計(jì)算
（1）缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算
當(dāng)缸體和剛該用法蘭連接時(shí)，螺釘除了應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度之外，還要保證聯(lián)結(jié)的緊密性。同時(shí)，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(gè)螺釘在危險(xiǎn)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——?jiǎng)傇撍艿暮铣梢簤毫Γü铮?
Z——螺釘數(shù)目，Z=
D——螺釘中心所在圓的直徑（毫米）；
P——油缸內(nèi)油液的工作壓力（公斤/厘米）
Q——剩余預(yù)緊力。對于要求緊密性的聯(lián)接取Q=KQ，K=1.5~1.8所以，當(dāng)取K=1.6時(shí)，Q=78.5公斤
算的Q=49.0625+78.5=127.56公斤
因此，螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為：
= 公斤/厘米
式中螺釘材料為塑性的，而且當(dāng)進(jìn)行擰緊時(shí)，在危險(xiǎn)剖面上，同時(shí)存在著拉英里和扭應(yīng)力，所以應(yīng)該將螺釘所受的拉力加大30%得Q=1.3Q 對于普通螺紋，內(nèi)徑d=d-1.224S
所以=4760公斤/厘米，查表得鋼號(hào)為40Cr的螺釘為6500，故滿足要求。
5.4大手臂做升降運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力
手臂上升是靠油壓作用在活塞上的推力實(shí)現(xiàn)的，在它上升的過程中，要克服啟動(dòng)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(dǎo)向滑輪與導(dǎo)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(qū)動(dòng)力的考慮是一樣的，但是升降軸除此之外，還要考慮到各個(gè)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(qū)=P慣+P摩+P封+P背±G
在大手臂起動(dòng)時(shí)的過程中，慣性力即為它的沿活塞方向的工作負(fù)載，即：
P慣=
式中g(shù)——重力加速度；
——加速或減速時(shí)間，一般=0.01~0.5s；
——時(shí)間內(nèi)的速度變化量。
在大臂的運(yùn)動(dòng)過程中，G=（100+150+50+80+180+800）g=13600N;
故P慣=8464N
P摩=f(G+Frn);
G——運(yùn)動(dòng)部件重力
Frn——垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，在此時(shí)為零；
f——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，此時(shí)取靜摩擦系數(shù)為0.2，動(dòng)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(dòng)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(jī)械效率進(jìn)行估算：
F+=
式中：F——工作循環(huán)中最大的外負(fù)載
——液壓缸的機(jī)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(jì)。
P驅(qū)=13260N。
一般情況下，P實(shí)際≥。
5.5驅(qū)動(dòng)油缸的計(jì)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(nèi)徑為：
D=
2. 選用內(nèi)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(shí)計(jì)算，一年360天，工作年限為10年。由于兩個(gè)軸承受力不一樣，按受力大軸承計(jì)算。已知其轉(zhuǎn)速為rpm，徑向載荷=500N，其軸承型號(hào)為6128，額定動(dòng)載荷C=15KN，ε=3，動(dòng)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(shí)計(jì)算，一年360天，工作年限為10年。由于兩個(gè)軸承受力不一樣，按受力大軸承計(jì)算。已知其轉(zhuǎn)速為rpm，徑向載荷=2124N，其軸承型號(hào)為51224，額定動(dòng)載荷C=17KN，ε=3，動(dòng)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(shí)計(jì)算，一年360天，工作年限為10年。由于兩個(gè)軸承受力不一樣，按受力大軸承計(jì)算。已知其轉(zhuǎn)速為rpm，徑向載荷=500N，其軸承型號(hào)為51224，額定動(dòng)載荷C=17KN，ε=3，動(dòng)載荷系數(shù)=1.2，235466h=111年≥10年
第七章 箱體的設(shè)計(jì)計(jì)算
7.1箱體支架的結(jié)構(gòu)形式和材料
箱體因承受較大的彎曲應(yīng)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(jié)構(gòu)圖如下：
圖十四 箱體支架
7.2鑄鐵箱體主要結(jié)構(gòu)尺寸和關(guān)系
名稱
尺寸關(guān)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(zhuǎn)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(nèi)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(hù)油管，油路控制面板放在離液壓執(zhí)行元器件進(jìn)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(jī)的選擇與安裝
9.1選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)
根據(jù)驅(qū)動(dòng)油泵的功率N=2.4kW選擇電機(jī)：
電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y100L2—4，此電動(dòng)機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)為額定功率為3kW,轉(zhuǎn)速為1420r/min。
9.2電機(jī)與泵組的安裝方式
液壓泵組采用上置式動(dòng)力源立式安裝，電動(dòng)機(jī)立式安裝，液壓泵置于油箱的固定架上，占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲低并且便于收集漏油。
泵組和電機(jī)的安裝方式：
圖十六 電機(jī)的安裝
設(shè)計(jì)總結(jié)
首先，我要感謝楊湘軍老師，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中盡心盡力的指導(dǎo)我們，從方案的確定，到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)的研究，都給予了我無限的啟發(fā)和引導(dǎo)。這是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)能成功的一個(gè)重要因素。當(dāng)然，和本人的辛苦勞動(dòng)是分不開的。
本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，融會(huì)了大學(xué)四年的所學(xué)知識(shí)，包括了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)，材料校核，機(jī)械傳動(dòng)，液壓系統(tǒng)和機(jī)電一體化等眾多知識(shí)。是一個(gè)十分綜合的課題，設(shè)計(jì)的目的也是具有十分重要的使用價(jià)值，因?yàn)闄C(jī)械手的運(yùn)用，在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用。小型的機(jī)械手，能夠在車間內(nèi)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(xiǎn)的工作，大型的機(jī)械手，在橋梁房屋修建，鐵路的架設(shè)，港口集裝箱的吊運(yùn)等工作中發(fā)揮著不可替代的作用。
經(jīng)過將近一個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，雖然辛苦，但是能看到自己的研究設(shè)計(jì)成果能活生生的展示在圖紙上，也是頗有成就感的。將所學(xué)知識(shí)堆積其中，找出了自己所學(xué)知識(shí)的不足，也積累了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這些寶貴的財(cái)富，對于即將走如社會(huì)工作的我來說，是千金不換的。由于拿到課題的時(shí)間較晚，設(shè)計(jì)的時(shí)間不多且所學(xué)知識(shí)有限和考慮問題的周全性，這次的設(shè)計(jì)必將包含了很多的不足和錯(cuò)誤，希望各位老師能批評(píng)指正。
05級(jí)機(jī)械六班 朱展港
09年6月8號(hào)
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