工业机械手的设计项目说明指导书.doc

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=400mm
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=800N
L——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=100mm
a——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==280N

4.1.2.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=0.05F
4.1.4. 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）
〈5000
0.8~1
0~30000
2.0~4.0
5000~10000
1.5~2.0
30000~50000
4.0~5.0
10000~0
2.5~3.0
〉50000
5.0~7.0
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）
20
25
32
40*
50*
55
63*
（65）
70
（75）
80*
（85）
90*
（95）
100*
（105）
110
125*
（130）
140*
160*
180
200*
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
40
50
63
80
90
100
110
125
140
（150）
160
180
200
20钢16
50
60
76
95
108
121
133
146
168
180
194
219
245
45钢20
50
60
76
95
108
121
133
146
168
180
194
219
245
缸体为无缝钢管。
取内径壁厚为4mm

2. 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。
(1) 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）
10
12
14
16
18
20
22
25
28
（30）
32
35
40
45
50
55
（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—4
2.2.1.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。
4.2 臂旋转机构设计

手臂回转后液压缸设计计算
(一) 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=100mm
M摩’=F’R＝500×0.23÷2＝52N·m
M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=0.5s
J0——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=2500mm
Jc==230
Jo=230+600×0.32=280
M惯＝=600N·m
M回——回转液压缸回油腔背压反力矩
M回==
取,
M回==680 N·m

M驱=214+600+680=1480 N·m
(二) 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
(三) 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
(四) 缸盖联接螺钉和动片联接螺钉计算
1. 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。
2. 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=6
f——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 臂部构造设计
臂部做升降运动机构
① 回转缸置于升降缸之下机身构造
② 回转缸置于升降缸之上机身构造
4.3.2 臂部设计计算
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。
4.3.3 臂部做升降运动油缸计算
1）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拟定油缸构造尺寸
（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11
作用在活塞上驱动力P（N）
油缸工作压力P1（MPa）
<5000
0.8~1
5000~10000
1.5~2
10000~0
2.5~3
0~30000
3~4
30000~50000
4~5
>50000
5~7
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1-2
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
(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
40
50
63
80
90
100
110
125
140
（150）
160
180
200
20#钢
50
60
76
95
108
121
133
146
168
180
194
219
245
45#钢
50
60
76
95
108
121
133
146
168
180
194
219
245
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。
① 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

② 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。

第五章 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
1
2
3
4
5
6
7
8

9
10
11
12
13
14
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：
1） 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；
① M101＝1 下降主令信号 X400＝1，到位 LS1＝1→ X401＝1。
② M102＝1 夹紧主令信号 X401＝1，到位 T450延时3s为1。
③ M103＝1 上升主令信号 X450＝1，到位 LS2＝1→ X402＝1。
④ M104＝1 右行主令信号 X402＝1，到位 LS3＝1→ X403＝1。
⑤ M105＝1 下降主令信号 X403＝1，到位 LS1＝1→ X401＝1。
⑥ M106＝1 放松主令信号 X451＝1，延时 2s（LS5＝1→X405＝1）。
⑦ M107＝1 上升主令信号 X405＝1，到位 LS2＝1→ X402＝1。
⑧ M110＝1 左行主令信号 X402＝1，到位 LS4＝1→ X404＝1。
⑨ 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。
2） 梯形图：
3）
4） 程序清单：
LD X404 ；TA 复位＝1
AND M111
OR X405
RST M100 ；移位寄存器清0
LD X403 ；机械原点LS2＝1？
AND X404 LS4＝1？
ANI M101
ANI M102
ANI M103
ANI M104 ；原点条件
ANI M105
ANI M106
ANI M107
ANI M110
ANI M111
OUT M100 ；满足使M100＝1起动
LD M100
AND X400 ；ST＝1？
SFT M100 ;是则使M1D1＝1
LD M101 ；下降
AND X401 ；LS1＝1？
SFT M100 ；是则使M102＝1
LD M102 ；夹紧
AND X450 ；夹紧延时
SFT M100 ；时间到M103＝1
LD M103 ；上升
AND X402 ；LS2＝1?
SFT M100 ；是则使M104＝1
LD M104 ；右行
AND X403 ；LS3＝1？
SFT M100 ；是则使M105＝1
LD M105 ;下降
AND X401 ;LS1＝1？
SFT M100 ；是则使M106＝1
LD M106 ；放松
AND T451 ；延时2s
SFT M100 ；时间到使M107＝1
LD M107 ；上升
AND X402 ;LS2＝1？
SFT M100 ；使M110＝1
LD M110 ；左行
AND X404 ；LS4＝1？
SFT M100 ；使M111=1
LD M100 ；原点显示
OUT Y435
LD M101
OR M105 ；下降
OUT Y430 ;
LD M102 ;
S M201 ；夹紧
OUT Y431 ;
OUT T450 ；夹紧延时 3s
K 3 ;
LD M107 ;
ANI X405 ；LS5＝1？ 上升
OR M103 ;
LD M104 ；右行
OUT Y433 ;
LD M110 ；左行
OUT Y434 ;
LD M106 ;
OUT Y451 ；松开，延时
K 2 ;
R M210 ；松开
END