【文章內(nèi)容簡介】 升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準(zhǔn)確，工作協(xié)調(diào)。 （ 2） 適應(yīng)性的要求 為便于調(diào)整，適應(yīng)工件大小不同的要求，起止位置要方便調(diào)整，要求設(shè)置可調(diào)式定位機(jī)構(gòu)。為了控制慣性力，減少運(yùn)動沖擊，動力的大小要能與負(fù)載大小相適應(yīng) ，如步進(jìn)電機(jī)通過程序設(shè)計(jì)改變運(yùn)動速度，力矩電機(jī)通過調(diào)整工作電壓，改 變堵 力矩的大小，達(dá)到工作平穩(wěn)、動作快捷、定位準(zhǔn)確的要求。 （ 3） 可靠性的要求 可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下，在預(yù)定使用壽命期內(nèi)能完成規(guī)定功能的概率。 工業(yè)機(jī)械手可自動完成預(yù)定工作，廣泛應(yīng)用在自動化生產(chǎn)線上，因此要求機(jī)械手工作必須可靠。設(shè)計(jì)時要進(jìn)行可靠性分析。 （ 4） 壽命的要求 產(chǎn)品壽命是產(chǎn)品正常使用時因磨損而使性能下降在允許范圍內(nèi)而且無需大修的連續(xù)工作期限。設(shè)計(jì)中要考慮采取減少摩擦和磨損的措施，如：選擇耐磨材料、采取潤滑措施、合理設(shè)計(jì)零件 的形面等。因各零部件難以設(shè)計(jì)成相等壽命，所以易磨損的零件要便于更換。 （ 5） 經(jīng)濟(jì)的要求 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性包括設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)性和使用的經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械產(chǎn)品的制造成本構(gòu)成中材料費(fèi)、加工費(fèi)占有很大的比重，設(shè)計(jì)時必須給予充分注意。將機(jī)械設(shè)計(jì)課程中學(xué)到的基本設(shè)計(jì)思想貫穿到設(shè)計(jì)中。 （ 6） 人機(jī)工程學(xué)的要求 人機(jī)工程學(xué)也稱為技術(shù)美學(xué)，包括操作方便宜人，調(diào)節(jié)省力有效，照明適度，顯示清晰，造型美觀，色彩和諧，維護(hù)保養(yǎng)容易等。本設(shè)計(jì)中要充分考慮外形設(shè)計(jì)，各調(diào)整環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要方便人體接近，方便工具的使用。 （ 7） 安全保護(hù)和自動報(bào)警 的要求 按規(guī)范要求，采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，確保操作人員的人身安全，這是任何設(shè)計(jì)都必 須考慮的，是必不可少的。在程序設(shè)計(jì)中要考慮因故障造成的突然工作中斷，如機(jī)構(gòu)卡死、工件不到位、突然斷電等情況，要設(shè)置報(bào)警裝置。 設(shè)計(jì)參數(shù) （ 1） 伸縮長度： 300mm； （ 2） 單方向伸縮時間： ～ ； （ 3） 定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于 2mm； （ 4） 前端安裝機(jī)械手，伸縮終點(diǎn)無剛性沖擊； 方案設(shè)計(jì) 液壓驅(qū)動方案 （ 1） 伸縮原理 采用單出桿雙作用液壓油缸，手臂伸出時采用單向調(diào)速閥進(jìn)行回油節(jié)流調(diào)速，接近終點(diǎn)時， 發(fā)出信號，進(jìn)行調(diào)速緩沖（也可采用緩沖油缸），靠油缸行程極限定位，采用導(dǎo)向桿導(dǎo)向防止轉(zhuǎn)動，采用電液換向閥，控制伸縮方向。（圖 ） 圖 （ 2） 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足伸縮臂動作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運(yùn)動時間要求，具體設(shè)計(jì)計(jì)算參考《液壓傳動與控制》等相關(guān)教材。由于伸縮臂做間歇式往復(fù)運(yùn)動，有較大的沖擊，設(shè)計(jì)時要考慮緩沖措施，可從液壓回路設(shè)計(jì)上考慮，也可從液壓件結(jié)構(gòu)上考慮。 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)及要求： ① 電磁閥流量：要滿足伸縮速度的要求。 ② 油缸直徑：推力大小要能克服機(jī)構(gòu)起動慣性并有一定的起動加速度，要滿足運(yùn)動時間要求。 ③ 導(dǎo)向桿剛度：按最長伸出時機(jī)械手端部的撓度不超過規(guī)定要求。 ④ 定位方式和元件：自選。 （ 3） 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及強(qiáng)度和剛度計(jì)算 伸縮臂運(yùn)動簡圖見圖 41 ① 結(jié)構(gòu)方案說明 a：支座 1 安裝在機(jī)器人床身上，用于安裝伸縮臂油缸和導(dǎo)向桿等零部件。 b：法蘭 4 用于安裝機(jī)械手，其形式和尺寸要與機(jī)械手相協(xié)調(diào)。 c：液壓缸伸出桿帶動導(dǎo)向桿同時伸出 300mm，伸出長度較大，設(shè)計(jì)、制造和安裝時要考慮液壓缸與導(dǎo)向桿的平行度要求。 d：導(dǎo)向桿可 采用直線導(dǎo)軌或直線導(dǎo)軸。直線導(dǎo)軌可選用外購件，直接從生產(chǎn)廠家的有關(guān)資料中獲得所需參數(shù)（網(wǎng)上查詢直線導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軸）。采用直線導(dǎo)軸時可自行設(shè)計(jì)，并且要考慮導(dǎo)向桿的潤滑，潤滑方式參考有關(guān)手冊設(shè)計(jì)。 ② 強(qiáng)度及剛度計(jì)算 本機(jī)械手夾持工件重量約 3Kg 左右，夾持器重量約 15Kg，夾持器長度最大約250mm。從受力角度分析，載荷不大，可參考其它機(jī)器作類比設(shè)計(jì)即可。伸縮臂的機(jī)構(gòu)力學(xué)模型如圖 所示。 夾持器夾著工件，伸縮臂全部伸出，是導(dǎo)桿受力最大的狀態(tài) ,也是變形最大的位置。在此情況下，用材料力學(xué)的知識計(jì)算它的強(qiáng)度和剛度 。 圖 伸縮臂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 伸縮臂液壓缸參數(shù)計(jì)算 工作負(fù)載 R 液壓缸的工作負(fù)載 R 是指工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)荷情況下，以一定加速度啟動時對液壓缸產(chǎn)生的總阻力，即： i m gR R R R? ? ? 式中： iR 工作機(jī)構(gòu)的荷重及自重對液壓缸產(chǎn)生的作用力； mR 工作機(jī)構(gòu)在滿載啟動時的靜摩擦力； gR 工作機(jī)構(gòu)滿載啟動時的慣性力。 (1) iR 的確定 ① 工件的質(zhì)量 m 2m v r h? ? ?? ? ?20 .87 .8 5 3 .1 4 1 .52??? ? ? ?????= (kg) ②夾持器的質(zhì)量 15kg(已知 ) ③伸縮臂的質(zhì)量 50kg(估計(jì) ) ④其他部件的質(zhì)量 15kg(估計(jì) ) 工作機(jī)構(gòu)荷重： Ri=(+15+50+15)*10=859(N) 取 Ri=860N (2) mR 的確定 Rm= ???? Ri? (N) (3) gR 的確定 Rg= ???????? tg VG (N) 式中： t? 為啟動時間，其加速時間約為 ～ t? = , ?? = 總負(fù)載 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N) 取實(shí)際負(fù)載為 R =1200N 液壓缸缸筒內(nèi)徑 D 的確定 D= mmMpapR 12 0044 ????? 式中： R=1000 N 5000 N , p 可取 ～ 1 aMp , p =1 aMp 取液壓缸缸筒內(nèi)徑為 40mm。 活塞桿設(shè)計(jì)參數(shù)及校核 (1)活塞桿材料：選擇 45 號調(diào)質(zhì)鋼，其抗拉強(qiáng) 度 b? =570 aMp (2)活塞桿的直徑：查《液壓傳動設(shè)計(jì)手冊》得，當(dāng)壓力小于 10Mpa 時，速比 ? =。 則可選取活塞桿直徑為 20mm 系列，且缸筒的厚度為 5mm。 最小導(dǎo)向長度： 3 0 0 4 0 352 0 2 2 0 2lDH ? ? ? ? ?mm (3)活塞桿強(qiáng)度及壓桿穩(wěn)定性的計(jì)算 采用非等截面計(jì)算法 ① 油缸穩(wěn)定性的計(jì)算 因?yàn)橛透椎墓ぷ餍谐梯^大，則在油缸活塞桿全部伸出時，計(jì)算油缸受最大作用力壓縮時油缸的穩(wěn)定性。 假設(shè)油缸的活塞桿的推理為 P，油缸穩(wěn)定的極限應(yīng)力為 Pk，則油缸穩(wěn)定性的條件為PPk。 Pk 按下式得到： )()( 121kgfJJpp kk ? 式中： 1Jpk可按《液壓傳動設(shè)計(jì)手冊》得到 64411 dJ ?? ； 64 )(4412 DDJ ?? ? 式中： 1d 為活塞桿直徑 1D 為缸體外徑。 D 為缸體內(nèi)徑。 所以， 21 ??? ?J 15 )4050(222 ??? ?J 所以 15 62 12 ??JJ 2J 、 1J 為長度 2l 、 1l 上的斷面慣性矩。 查 2 ?JJ時極限力的計(jì)算圖，可由 121?ll且 mml 3001 ? 查得 901 ?Jpk （其中， 1l ：活塞桿頭部至油缸 A 點(diǎn)處的距離（ cm） 2l :缸體 尾部至油缸 A 點(diǎn)處的距離（ cm））。 所以： Nk g fp k 62 2 ???? 。 kpp? 所油缸的穩(wěn)定性是滿足條件的。 ② 活塞桿強(qiáng)度的計(jì)算（ E：材料的彈性模量）剛的彈性模量為 E＝ 200Mpa。 《液壓傳動與控制》查得：120214 ??????SRd?? 所以活塞桿強(qiáng)度是滿足條件的。 缸筒設(shè)計(jì)參數(shù)及校核 (1)缸筒材料：選擇 ZG310570 鑄鋼 ,其抗拉強(qiáng)度 b? =570 aMp (2)缸筒壁厚 ? 及校核：取壁厚 ? =5mm ???? D? 因此屬于普通壁厚 缸筒壁厚的校核 m a x m a x2 .3 3spDp? ?? ? 式中： maxp 缸筒內(nèi)最高工作壓力； maxp =7 paM s? 材料的許用應(yīng)力 570 1145 pabs p aM M?? ?? ? ? ? 材料的安全系數(shù) ? =5 m a xm a x7 40 3 114 3 7sPD mmp? ??? ? ?? ? ? ? 校核 ? 符合要求 (3)缸筒外徑： mmDD 50104021 ????? ? 缸底設(shè)計(jì)參數(shù)及校核 (1)缸底材料：選擇 Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼，其抗拉強(qiáng)度 b?? 375～ 460 aMp (2)缸底厚度 m a x 70. 5 0. 5 40 4. 284603sPD? ?? ? ? ? ?mm 取缸底厚度為 5mm 油缸零件的連接計(jì)算 首先確定油缸缸筒與缸蓋采用螺紋連接 。缸筒與缸底的連接此處選用焊接方式，此種方式能夠使液壓缸緊湊牢固。 （ 1）缸筒螺紋處的強(qiáng)度計(jì)算： 螺紋處的拉應(yīng)力： ]/[)(4/ 2221 cmk gfDdkp ?? ?? 螺紋處的剪應(yīng)力：]/[)(2144101 cmk g fdDddkpk???? 合成應(yīng)力： ]/][[3 222 cmk g fn ???? ??? 許用應(yīng)力： ]/[][ 2cmkgfns?? ? 式中： P:油缸的最大推力 [kgf]。 D:油缸內(nèi)徑 [cm]。 0d ：螺紋直徑 [cm]； 1d ：螺紋內(nèi)徑，當(dāng)采用普通螺紋時（ GB19663）時，可近似按下式 tdd ??（ t 螺距 [cm]） 。 K:螺紋預(yù)緊力系數(shù)，去 K＝ ～ ； 1k ：螺紋那摩擦系數(shù)（ ～ ），一般取 1k ＝ ； s? ：缸筒材料的屈服極限。 n: 安全系數(shù)，取 n=,一般取 n=. 由前面計(jì)算可得： D=40mm=4cm，則查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》，采用普通螺紋基本尺寸（ GB/T1962021）公稱直徑第二系列 ，可得螺距 t=。 0d = . 所以， cmd ???? 。 K 取 ， ?k ， ]/[2 3 5 0235 2cmk g fM p as ??? n:取 。 所以： ]/[)(4/ )(4/ 222221cmk gfDd kp ??? ???? ??? ]/[)( )(244144101 cmk g fdDddpkk ????????????? ]/[ 22222 cmk g fn ??????? ??? ]/[][ 22 cmk gfcmk gfnMpa ???? ][?? ?? n ,滿足強(qiáng)度條件。 （ 2）缸筒與缸底的焊接強(qiáng)度計(jì)算 ]/[)(4100)(42222221cmk g fdD p ?????? ???? P:油缸推力 [kgf] ? :焊縫效率，可取 ? ＝ b? ：焊條材料得 抗拉強(qiáng)度 [ 2/cmkgf ] n:安全系數(shù)，取 n＝ ～ 4 并查到焊條材料的抗拉強(qiáng)度為 900Mpa～ 1200Mpa(手工焊條 )，因此缸體與缸底得焊 縫強(qiáng)度是滿足要求得。 液壓油缸其他零件結(jié)構(gòu)尺寸得確定 由于液壓缸的工作負(fù)載較小，所以選定液壓缸的工作壓力為低壓。取額定工作壓力為 aMp 。 液壓缸 的 基本形式如下圖所示： 圖 整個油缸安裝在下部伸縮臂基座上。 （ 1）活塞與活塞桿得連接結(jié)構(gòu)： 油缸在一般工作條件下，活塞與活塞桿采用螺紋連接。其形式如圖所示 圖 （ 2）活塞桿導(dǎo)向套：做成一個套筒，壓入缸筒，靠缸蓋與缸筒得連接壓緊固定，材料選用鑄鐵材料?；窘Y(jié)構(gòu)為：