多自由度机械手机电系统设计课程设计(编辑修改稿)

多自由度机械手机电系统设计课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

两个自由度的回转驱动的腕部结构。 它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。 (4) 机 液结合的腕部结构。 腕部结构和驱动机 构的选择 本设计要求手腕回转 0180 ，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。 腕部的设计计算 1. 腕部设计考虑的参数 夹取工件重量 30Kg ，回转 0180。 2. 腕部的驱动力矩计算 （ 1） 腕部的驱动力矩 需要的力矩 M惯。 （ 2） 腕部回转支撑处的摩擦力矩 M摩。 夹取棒料直径 100mm，长度 1000mm，重量 30Kg，当手部回转 0180 时，计算 力矩： （ 1） 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为 220mm，直径 120mm，其重力估算 G= 230 . 0 6 0 . 2 2 7 8 0 0 9 . 8 1 9 0G Kg m N Kg N      （ 2） 擦力矩 摩。 （ 3） 启动过程所转过的角度 启 018 =，等速转动角速度  。  22M J J 惯 工 件 启 （ ） 查取转动惯量公式有： 2 2 2 21 1 1 9 0 0 . 0 6 0 . 0 3 4 22 2 9 . 8 NJ M R N m s N m sN K g           2 2 2 2 21 1 60 1 3 12 l R N m sg        工 件 代入：   . 03 42 5. 01 25 552 0. 31 4M N m   惯 0 .1M M M M M   惯 摩 惯； 55 6 1 .1 10 .9M N m   3. 腕部驱动力的计算 表 41 液压缸的内径系列（ JB82666） （ 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 设定腕部的部分尺寸：根据表 41设缸体内空半径 R=110mm，外径根据表 32选择 121mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到 实际装配问题后，其外径为 226mm；动片宽度 b=66mm,输出轴 r=. 基 本 尺 寸 示 如 图 所 示。 则 回 转 缸 工 作 压 力   2 2 2 22 2 6 1 . 1 1 7 . 3 50 . 0 6 6 0 . 0 5 5 0 . 0 2 2 5MP M p ab R r     ，选择 8Mpa 图 腕部液压缸剖截面结构示意 表 标准液压缸外径（ JB106867） （ mm） 液压缸内径 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20 钢P 160Mpa 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45 钢200P Mpa 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 4. 液压缸盖螺钉的计算 图 缸盖螺钉间距示意 表 螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系 缸盖螺钉的计算，如图 ， t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表 ， 在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力 0 39。 sQ Q QF F F （ ） 计算： 液压缸工作压强为 P=8Mpa,所以螺钉间距 t 小于 80mm,试选择 8 个螺钉，3 . 1 4 0 . 1 1 4 3 . 1 7 8 088D   ，所以选择螺钉数目合适 Z=8个 危险截面 222 2 1 45 07 90 88 754S R r m       Q PSF Z ； SF KF ；  1 . 5 7 9 0 8 . 8 1 1 8 6 3 . 3SF K F N    所以 0 39。 sQ Q QF F F=+10545=19772N 螺钉材料选择 Q235，   240 1601 .5s M P an   则（  ） 螺钉的直径  04 QFd  （ ）   04 QFd  64 1 .3 1 9 7 7 2 0 .0 1 5 93 .1 4 1 6 0 1 0 m 螺钉的直径选择 d=16mm. （ 1） 动片和输出轴间的连接螺钉 动片和输出轴之间的连接结构见上图。 连接螺钉一般为偶数， 对称安装，并用两个定位销 定 位。 连 接 螺 钉 的 作 用 ： 使 动 片 和 输 出 轴 之 间 的 配 合 紧 密。  2282Qb p dD d M F Z f  摩 于是得  224Q bpF D dZfd () D—— 动片的外径； f—— 被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取 f= 工作压力 P（ Mpa） 螺钉的间距 t(mm) ~ 小于 150 ~ 小于 120 ~ 小 于 100 ~ 小于 80 螺钉的强度条件为  214QFd 合 () 或  14 QFd  () 带入有关数据，得    62 2 2 20 . 0 6 6 8 1 0 0 . 1 1 0 . 0 4 5 2 4 6 2 74 4 0 . 1 5 0 . 0 3 2Q bpF D d NZ fd Z        螺钉材料选择 Q235，则   240  200MPa（  ） 螺钉的直径  0 64 4 24627 200 10QFdm    螺钉的直径选择 d= M12的开槽盘头螺钉。 手臂部件是机械手的主要握持部件。 它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。 手臂运动应该包括 3 个运动：伸缩、回转和升降。 本章叙述手臂的伸缩运动， 手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。 臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。 如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。 因此，一般来说臂部应该具备 3 个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运 动。 手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。 因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。 臂部设计的基本要求 一、 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 （ 1） 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。 （ 2） 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。 （ 3） 合理布置作用力的位置和方向。 （ 4） 注意简化结构。 （ 5） 提高配合精度。 二、 臂部运动速度要高，惯性要小 机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。 对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在 1000~1500mm/s,最大回转角速度设计在 180176。 /s内，大部分平均移动速度为 1000mm/s，平均回转角速度在 90176。 /s。 在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。 减少惯量具体有 3个途径： （ 1） 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。 （ 2） 减少臂部运动件的轮廓尺寸。 （ 3） 减少回转半径  ， 再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。 （ 4） 驱动系统中设有缓冲装置。 三、手臂动作应该灵活 为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。 对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。 为此，必须计算使之满足不自锁的条件。 总结 ：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。 手臂的典型机构以及 结构的选择 1. 手臂的典型运动机构 常见的手臂伸缩机构有以下几种： （ 1） 双导杆手臂伸缩机构。 （ 2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。 （ 3） 双活塞杆液压岗结构。 （ 4） 活塞杆和齿轮齿条机构。 2. 手臂运动机构的选择 通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动 ,液压缸选取双作用液压缸。 3. 手臂直线运动的驱动力计算 先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机 构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。 如此反复，绘出最终的结构。 做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。 液压缸活塞的驱动力的计算。 F F F F F   回摩 密 惯 () 4. 手臂摩擦力的分析与计算 分析： 摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。 上图是机械手的手臂示 意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。 图 机械手臂部受力示意 计算如下： 由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。 0AM  ， bG L aF总 得 b GLF a 总 ， 0Y ， baG F F总 得 aLaFG a 总 ， 39。 39。 a b a bF F F F F   摩 摩摩 39。 2 LaFG a  总摩 () 式中 G总 — — 参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（ N）； L—— 手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（ m） ,参考上一节的计算。 a—— 导向支撑的长度（ m）。 39。  —— 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。 对于圆柱面：  39。 4 1 . 2 7 1 . 5 72      —— 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时： 钢对青铜：取 μ =~ 钢对铸铁：取 μ =~ 导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁 39。     ， 1070GN总 ，L==,导向支撑 a设计为 将有关数据代入进行计算 39。 2 2 1 . 4 1 0 . 1 61 0 7 0 0 . 3 5 9 7 8 . 60 . 1 6LF G Na              总摩 本设计要求手臂平动是 V=5 minm ,在计算惯性力的时候 ,设置启动时间  ，启动速度  V=V= , GvFgt 总惯 ()。