【文章內(nèi)容簡介】 δ——氣缸筒壁厚，mD——氣缸筒內(nèi)徑（缸徑）Pt ——氣缸試驗壓力，一般取Pt =P——氣缸工作壓力[σ]——缸筒材料許用應力，[σ]=σb/sσb——材料抗拉強度S——安全系數(shù)，一般取S=6～8帶入數(shù)值得，壁厚δ= mm，取δ=6 mm。則缸筒外徑為 D1= 32+6x2=44 mm 。故該缸筒壁厚滿足強度要求。（6）氣缸進排氣口螺孔直徑的確定 氣缸進排氣口螺孔大小與空氣消耗量（缸徑、活塞桿直徑、活塞的平均速度等）及供氣壓力均有關系，故難于準確計算。由機械設計手冊，按缸徑查取。根據(jù)D=32mm，查得進排氣口螺孔直徑規(guī)格為d=.（7）活塞的厚度取決于密封圈的種類和排數(shù)。 氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋，活塞桿與氣缸蓋之間均選用O形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標準值。（8）連接螺栓直徑的確定與驗算 根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=6 mm，螺栓材料Q235，查表得屈服極限σs=240Mpa，S=，[σ]=σs/S=160Mpa，故螺栓符合要求。 臂部設計 工業(yè)機器人的臂部一般具有2～3個自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或俯仰。臂部總重量較大，受力較復雜，在運動時，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的精、動載荷，尤其高速運動時，將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性力矩），引起沖擊，影響定位的準確性。 臂部設計的基本要求 臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設計時必須考慮到手臂的受力情況，油（氣）缸及導向裝置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設計手臂時一般要滿足以下要求。（1）剛度要求高 為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。（2）導向性要好 為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。（3）重量要輕 為提高機器人的運動速度，熬盡量減小臂部運動部分的重量，以減小整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。（4）運動要平穩(wěn)，定位精度要高 由于臂部運動速度越高，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動既不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設計上要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。 手臂的常用機構(gòu) （1）手臂直線運動機構(gòu) 機器人手臂的伸縮、橫向移動均屬于直線運動。實現(xiàn)手臂往復直線運動的機構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、齒輪齒條機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)以及連桿機構(gòu)等。由于活塞油（氣）缸的體積小、重量輕，因而在機器人的手臂結(jié)構(gòu)中應用較多。 （2）手臂回轉(zhuǎn)運動機構(gòu) 實現(xiàn)機器人手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、活塞缸和連桿機構(gòu)等。 臂部運動驅(qū)動力計算 計算臂部運動驅(qū)動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負荷考慮進去。機器人工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。 （1）臂部水平伸縮運動驅(qū)動力的計算 臂部做水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油（氣）缸與活塞之間的摩擦阻力及導向桿與支承套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。 ① 驅(qū)動力Pq（N）可按下式計算： Pq =Fm + Fg 式中：Fm——各支承處的摩擦阻力（N）。 Fg——啟動過程中的慣性力（N），其大小可按下式計算： Fg =ma式中：m——包括負載質(zhì)量在內(nèi)的手臂伸縮部件的總質(zhì)量（kg）； a——啟動過程中的平均加速度（m/s2），其大小可按下式計算： a=△v/△t 式中：△v——速度增量（m/s），如果臂部從靜止狀態(tài)加速到工作速度v時，則這個過程的速度變化量就等于臂部的工作速度； △t——升降速過程所用時間（s），～。 由上面公式： 工件質(zhì)量 m1=4 kg 摩擦系數(shù)：設計氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查閱相關手冊可知，f= 標準氣爪材料為鋁合金ZL3，密度ρ=，則氣爪的質(zhì)量為： m爪=ρV爪= = kg 連接板材料為45鋼，ρ=， m板=ρV板 = 103 = kg 另外， kg。 根據(jù)本機械手的設計技術(shù)參數(shù)，伸縮手臂的行程為250mm 。 氣爪抓重為4kg，加上末端執(zhí)行器（氣爪）和連接板的重量，總質(zhì)量約為8kg。 Fm=uFN= m1g== Fg =ma=8x（△v/△t） 設要求手臂平動時，V=250mm/s，在計算慣性力時 設置啟動時間△t=，則啟動速度 △v=v=250mm/s 則Fg =ma= 所以，驅(qū)動力Fq= Fm+ Fg =+20= N由機械設計手冊， N。由上述可得，活塞式氣缸內(nèi)徑 = mm 根據(jù)標準化氣缸系列的數(shù)值進行圓整后，D=25 mm ② 活塞桿直徑的確定與長度的驗算 取活塞桿直徑d =16 mm，L= 360 mm 當活塞桿長徑比L/d 10時，一般按壓桿穩(wěn)定性來計算活塞桿直徑，而活塞桿直徑穩(wěn)定性條件是Fpu ≤Fk /nk 氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力與氣缸的安裝型式、活塞桿直徑及行程有關。 當長細比K/L≥85√m 時，F(xiàn)k = mπ2EJ/L2 當長細比K/L≤85√m 時， 對于實心活塞，由上式： 時，其中， Fpu—— 氣缸承受的軸向負荷，即氣缸的理論輸出推力，NFk——氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力，Nnk ——氣缸壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取nk—=2～6Lk——活塞桿的計算長度K——活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，m。K=d/4J——活塞桿橫截面慣性矩，m4，J=πd4/64A——活塞桿橫截面面積，A=πd2/4m——由安裝連接條件決定的系數(shù)（固定——鉸支 m=2）f——材料試驗強度值，pa，鋼材取f= paa——系數(shù)，鋼材取a=1/5000E——活塞桿材料彈性模量pa，鋼材取E= =πx122x106/8x（）=2308 mm L≤Lk 故活塞桿長度滿足要求。③ 缸筒壁厚的確定與驗算 一般氣缸筒壁厚與內(nèi)徑之比 δ/D ≤1/10 δt= DPt/2[σ] =[σ] [σ]=3 Mpa = = mm經(jīng)過圓整之后，取δ= 3 mm 。④ 氣缸進排氣口螺孔直徑的確定 由機械設計手冊，按缸徑 D= 25 mm，查得氣缸最小氣口螺紋為 M10x1。⑤氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋，活塞桿與氣缸蓋之間均選用O形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標準值?；钊暮穸热Q于密封圈的排數(shù)。⑥ 連接螺栓直徑的確定與驗算 根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑 d =6 mm， = mm 故螺栓直徑符合要求。 為使設計的標準化和簡便化，在本設計中，水平伸縮手臂采用CM2系列雙作用標準氣缸,如下圖所示。該氣缸體積小、輕巧，耐橫向負載能力強，耐扭矩能力強，不回轉(zhuǎn)精度高，安裝方便。根據(jù)以上所計算的數(shù)據(jù)，查取機械設計手冊，選擇缸徑為25mm，型號為CM2B 25300的氣缸為機械手的水平伸縮手臂。 機身設計 概述工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)有三大部分：機身、手臂（包括手腕）、手部。機身，又稱立柱。機器人必須有一個便于安裝的基礎件，這就是工業(yè)機器人的機座，機座往往與機身做成一體。機身是支撐臂部的部件，一般實現(xiàn)升降、回轉(zhuǎn)和俯仰等運動，常有1～3個自由度。機身設計時要注意下列問題：（1）要有足夠的剛度和穩(wěn)定性；（2）運動要靈活，升降運動的導套長度不宜過短，避免發(fā)生卡死現(xiàn)象，一般要有導向裝置；（3）機身布置要合理。 俯仰與回轉(zhuǎn)機身的設計（1） 升降臂部的設計 機械手升降手臂是直接支撐和驅(qū)動水平伸縮手臂的部件，實現(xiàn)機械手的豎直升降運動。這些運動的傳動機構(gòu)都安在機身上，或者直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。按照設計要求，機械手要實現(xiàn)豎直方向300mm的升降運動，實現(xiàn)該運動的機構(gòu)一般設計在機身處。為了設計合理的運動機構(gòu)，要和回轉(zhuǎn)臂一起綜合考慮、分析。常用的機械手手臂結(jié)構(gòu)有一下幾種： ? 回轉(zhuǎn)臂置于升降手臂之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能夠承受較大偏重力矩。其缺點是升降手臂在回轉(zhuǎn)臂之上，回轉(zhuǎn)臂需承受較大的壓力。 ? 回轉(zhuǎn)臂置于升降手臂之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導向，結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)臂與伸縮手臂一起升降，運動部件較大。 ? 活塞缸和齒條齒輪機構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運動時通過齒條齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)，齒條的往復運動帶動手臂連接的齒輪作往復回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動。 經(jīng)過綜合考慮，本設計選用回轉(zhuǎn)臂置于升降手臂之下的結(jié)構(gòu)。（2）臂部升降運動氣缸的設計計算 ① 俯仰運動驅(qū)動力的