【導(dǎo)讀】工業(yè)機(jī)械手的主要功能是以機(jī)械來實(shí)現(xiàn)人的動作。它具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的特點(diǎn)。或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)預(yù)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。本文主要是設(shè)計一種實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中搬運(yùn)工件到達(dá)指定地點(diǎn)的專用機(jī)械手。機(jī)械手力圖結(jié)構(gòu)簡單，能滿足多種相似工件的工作要求。機(jī)械手臂部采用擺動液。壓缸實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)，帶動手部同步周轉(zhuǎn)，機(jī)身采用液壓缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)對工件的往返運(yùn)動。工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀·······························································1

　　

【正文】 紋處的剪應(yīng)力 61031 1 0 9 3 .1 2 50 .2K K F ddz? ?? ? ? 2/N mm 式中 1K —— 螺紋連接的摩擦系數(shù)，平均取 1K = 0d —— 螺紋外徑， 0d =12mm 其他參數(shù)和計算拉應(yīng)力時的參數(shù)一致。 合 成 應(yīng) 力 223 1 . 3 1 . 3 1 6 4 . 8 2 2 1 4 . 2 6 6n? ? ? ?? ? ? ? ? ? 2/N mm （ ） 查資料《機(jī)械設(shè)計》表 101 得， Q235 鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后其抗拉強(qiáng)度極限 650b? ? 2/N mm ， 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4 卷表 19612，取安全系數(shù) 27 0 ? ， 故螺釘?shù)脑S用應(yīng)力 ? ? 0650 5201 .2 5bn?? ? ? ?2/N mm （ ） 由于合成應(yīng)力 ? ? 2/Nmm ? ? 520? ? 2/N mm ,故連接螺釘符合要求，是安全的。 最終設(shè)計出的擺動液壓缸如下圖 1雙頭螺柱 2擺動缸前端蓋 3擺動缸缸筒 4擺動缸后端蓋 5軸承蓋 6螺釘 7角接觸球軸承 8密封條 9密封圈 10螺釘孔 11墊圈 圖 第 4 章 單活塞推力液壓缸的設(shè)計 活塞液壓缸的總體設(shè)計 28 活塞液壓缸的作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下運(yùn)動 ,并且端部要與臂部連接從而實(shí)現(xiàn)工件旋轉(zhuǎn)動作 . 該液壓缸總體設(shè)計方案是由液壓缸的活塞桿通過階梯軸的方式與臂部擺動缸相連接 ,活塞桿的伸縮帶動手部的上下升降 .結(jié)合液壓傳動知識和考慮到其應(yīng)具備的連接功能 ,設(shè)計出的活塞液壓缸的具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示 1活塞缸前端蓋 2缸筒 3軸套 4花鍵軸 5花鍵套 6圓柱銷 7后端蓋 8軸套 9平鍵 10墊圈 11螺釘 12螺釘 13位置檢測器 14 螺釘 圖 活塞液壓缸的各部件的設(shè)計 確定液壓缸的外負(fù)載力 根據(jù)對工件和手部臂部零部件的重量估算為總重為 400N, 設(shè)定液壓缸的外負(fù)載力為 800N. 計算缸筒內(nèi)徑 由前面計算可得活塞桿的驅(qū)動力 800PN? ，因設(shè)定的液壓缸外負(fù)載力較小 .故液壓系統(tǒng)采用差動連接 ,這樣所設(shè)計出液壓部件尺寸較大 . 假設(shè)液壓系統(tǒng)所能承受的最大公稱壓力為 max ? MPa， 29 則根據(jù)公式 2 max4F d p?? () 可求得活塞桿直徑 m a x4 4 8 0 0 2 0 . 1 93 . 1 4 2 . 5Fd m m m mP? ?? ? ?? 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4 卷表 1963，可以選取的內(nèi)徑為 20mm，考慮到活塞桿內(nèi)部要設(shè)計一個導(dǎo)向桿占用一部分的內(nèi)徑，因此從標(biāo)準(zhǔn)活塞桿直徑系列中選取 40d mm? ， 把 40d mm? 重新代回公式 2 max4F d p?? ，求得實(shí)際的壓力 求得： 224 4 8 0 0 0 . 6 3 73 . 1 4 4 0Fp M p ad? ?? ? ?? max MPa? 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4 卷表 1964，選取液壓缸的速比系數(shù)222 1 .3 3DDd? ??? 活 塞 直 徑 , 因 此 缸 筒 內(nèi) 徑 初 步 計 算 為 2 2 2 0 4 0D d m m m m? ? ? ?不 含 導(dǎo) 向 ，加上導(dǎo)向桿的直徑 20，活塞的內(nèi)徑 D=60mm。 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4 卷表 1963，從標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列中選取 63D mm? .因此活塞的內(nèi)徑為 63mm。 活塞桿強(qiáng)度的校核 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4 卷表 19620， （ 1）活塞桿的強(qiáng)度計算為： 活塞桿的公稱直徑為 40d mm? ,根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4 卷表19619 得，活塞桿的材料可選用 45號鋼，材料的許用應(yīng)力 ? ? 2400 /N mm? ? 。 30 圖 活塞桿在穩(wěn)定工況下，如果只受軸向推力或拉力，可以近似的用直桿承受拉壓負(fù)載的簡單強(qiáng)度計算公式進(jìn)行計算： ? ?662210 800 104044Pd????????? ? ?? () 其中： P活塞桿的作用力， N d活塞桿直徑， m ??? 材料的許用應(yīng)力， N/ 2mm ? ?66 222210 800 10 7 N/ =400 N/ 44P mm mmd????????? ? ? ?? 對活塞桿的危險截面的強(qiáng)度校核 , 機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4卷表 19620知 , 危險截面處的合成應(yīng)力應(yīng)該滿足 ? ? pd???? () 其中 2P 活塞桿的拉力， N 2d 危險截面的直徑， m 31 66 2 2 22221 0 8 0 0 1 01 . 8 1 . 8 / 0 . 9 / 4 0 0 /0 . 0 4n F N m m N m m N m md?????? ? ? ? ? 故活塞桿的強(qiáng)度符合要求，是安全的。 （ 2）活塞桿彎曲穩(wěn)定性驗算 《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4 卷表 19620 的實(shí)用驗算法計算 活塞桿彎曲的計算長度為 fL K S?? m () 在已知作用力 F 和活塞桿直徑 d,可以從《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4 卷表19620 中的活塞彎曲計算圖中可以在 800FN? 40d mm? 時 查到1 700fL mm? 而根據(jù)公式 fL K S?? K ? 液 壓 缸 安 裝 及 導(dǎo) 向 系 數(shù)S 行 程 mm 由《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4卷表 19621 查得 K=、 K=150mm 10 . 7 1 5 0 1 0 5 8 0 0ffL K S m m m m L m m? ? ? ? ? ? ? 故活塞桿的彎曲強(qiáng)度符合要求 液壓缸的安裝方式 整體使用頭部外法蘭連接。缸筒的固定通過拉 桿緊在缸蓋上 ,套環(huán)和缸蓋和外法蘭通過螺栓連接。端蓋的作用為固定缸筒和開設(shè)進(jìn)出油孔和與外部連接部件連接。 圖 32 計算缸筒壁厚 缸體采用鑄件，材料選用 45 號調(diào)質(zhì)鋼，這樣的結(jié)構(gòu)較為簡單，易加工，易裝卸 . 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4 卷表 19612，缸筒壁厚的計算公式為 0 1 2cc??? ? ? () 式中 0? —— 缸筒材料強(qiáng)度要求的最小值 1c —— 缸筒外徑公差余量 2c —— 腐蝕余量 假設(shè)取 ? =8mm 由于 8 0 .1 2 7 0 .0 8 0 .363D? ? ? ? 采用如下實(shí)用公式： ? ?m ax0 m 3pDp? ?? ? () 由于缸筒材料選用 45 號鋼，查《機(jī)械設(shè)計》表 101 得，缸筒的抗拉強(qiáng)度2650 /b N mm? ? ，進(jìn)而求得 ? ? 2/ 6 5 0 / 5 1 3 0 /b n N m m??? ? ?，其中 n為安全系數(shù)，通常取 5. ? ?m a x0 m a x 2 . 5 6 3 0 . 5 42 . 3 3 2 . 3 1 3 0 3 2 . 5pD m m m mp? ? ?? ? ?? ? ? ? 另外根據(jù)與其它零部件的連接需要等結(jié)構(gòu)要求 . 則可取 0 8mm? ? ，另根據(jù)經(jīng)驗可取 1 1c mm? ， 2 1c mm? 故缸筒壁厚 0 1 2cc??? ? ? =8+1+1=10mm 確定活塞的結(jié)構(gòu)型式以及其與活塞桿的連接方式 查閱《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4 卷表 19614可知，采用整體活塞更為方便。 活塞的厚度根據(jù) 機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4 卷中關(guān)于活塞的厚度設(shè)計說明可以知道其一般為活塞外徑的 — 倍 , 所用的材料為在無導(dǎo)向環(huán)的情況下需要用高強(qiáng)度的鑄鐵 HT200— 300或者球墨鑄鐵 故活塞厚度 (0 . 6 1 ) 6 3 3 7 . 8 6 3L m m m m m m? ? ? 由于加工精度要求不是很高，單獨(dú)設(shè)計一個活塞進(jìn)行加工裝配非常費(fèi)時費(fèi)力，因此本設(shè)計將活塞和活塞桿一體加工。 33 因為整個液壓系統(tǒng)的最大壓力值 max Mpa? ,故活塞與缸筒內(nèi)壁的密封采用 O型密封圈密封即能滿足要求 .在活塞上需要加工出放置 O型密封圈的環(huán)形槽 , 根據(jù)具體計算 , 活塞與缸筒內(nèi)壁密封采用兩個 G 的 O 型密封圈密封。 活塞與缸筒內(nèi)壁密槽的形式 圖 活塞的密封 花鍵套的設(shè)計 花鍵桿導(dǎo)向套是裝在液壓 缸的活塞桿內(nèi) ,用以對花鍵軸的方向確定 . 由于活塞桿的直徑為 40mm，內(nèi)置導(dǎo)向桿的直徑為 18mm，花鍵套和活塞桿部采用過盈配合。 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4卷表 19623 關(guān)于中要求的 花鍵套的滑動面的長度 A 在缸徑小于 80mm 時 , 取(0 .6 1 ) ( 3 7 .8 6 3 )A D m m?? 而且設(shè)計的缸最小導(dǎo)向長度有公式： 40 2SDH?? () 其中 H最小 導(dǎo)向長度，是從活塞支撐面中點(diǎn)，到導(dǎo)向套滑動面中點(diǎn)的距離； 34 S最大工作行程 D缸筒內(nèi)徑 1 5 0 6 3 392 0 2 2 0 2SDH m m m m m m? ? ? ? ? 而設(shè)計的導(dǎo)向套長度為 導(dǎo)向長度為 165mm,故能滿足設(shè)計要求 . 設(shè)計花鍵套的尺寸如下圖 所示： 圖 密封裝置的選擇 查《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第 4卷表 19681 和表 19682 可知，液壓缸內(nèi)的各零部件之間的動靜密封采用 O 型密封圈密封， O 形密封圈的截面為圓形，主要用于靜密封。 O 形密封圈安裝方便，價格便宜，可在 C?120~40? 的溫度范圍內(nèi)工作，但與唇形密封圈相比，運(yùn)動阻力較大，作運(yùn)動密封時容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故一般不單獨(dú)用于油缸運(yùn)動密封（可與其它密封件組合使用）。 O 形圈密封的原理如圖 （ a）所示， O 形圈裝入密封槽后 ,其截面受到壓縮后變形。在無液壓力時，靠 O形圈的彈性對接觸面產(chǎn)生預(yù)接觸壓力，實(shí)現(xiàn)初始密封，當(dāng)密封腔充入壓力油后，在液壓力的作用下， O 形圈擠向槽一側(cè)，密封面上的接觸壓力上升，提高了密封效果。任何形狀的密封圈在安裝時，必須保證適當(dāng)?shù)念A(yù)壓縮量，過小 不能密封，過大則摩擦力增大，且易于損壞，因此，安裝密封圈的溝槽尺寸和表面精度必須按有關(guān)手冊給出的數(shù)據(jù)嚴(yán)格保證。在動密封中， 35 當(dāng)壓力大于 10MPa 時， O 形圈就會被擠入間隙中而損壞，為此需在 O 形圈低壓側(cè)設(shè)置聚四氟乙烯或尼龍制成的擋圈，其厚度為 ~，雙向受高壓時，兩側(cè)都要加擋圈 , 其結(jié)構(gòu)如圖 (b)所示。 （ a）普通型 （ b）有擋板型 圖 O型密封圈的結(jié)構(gòu)原理 36 第 5 章 手部和機(jī)身連接件的設(shè)計 本次設(shè)計的主要部件是： ； ； 。 由于沒有其他機(jī)械裝置和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為輔助，因此我采用直線形聯(lián)接方式連接它們。主要的連接點(diǎn)有 2 個：手部和擺動缸的連接，擺動缸和活塞缸的連接。 擺動缸和活塞缸的連接 擺動缸和活塞桿采用階梯軸的方式一體化設(shè)計，加工時需要注意在活塞桿部分鉆出一個花鍵槽。 液壓缸連接處的圖示如下： 圖 擺動缸和活塞缸的連接 擺動缸和手部的連接 擺動缸和手部的連接采用聯(lián)接件的形式，通過螺釘緊固。 由于手部連接截面為矩形，而擺動缸的橫截面為 圓。因此聯(lián)接件的設(shè)計需要考慮到兩者形狀的影響。 為了方便聯(lián)接件和擺動缸的固定，在擺動缸前端蓋上設(shè)計出 6 個螺釘孔，通過螺釘和聯(lián)接件緊固。聯(lián)接件設(shè)計為圓筒狀，直徑小于擺動缸外徑。 在聯(lián)接件和手部的交接處，手部截面的矩形為 70X40mm，而聯(lián)接件手部端的直徑為 80mm。因此兩者之間的螺釘呈通圓心不對稱分布。中心的大螺釘取標(biāo)注螺釘 57822020 六角頭螺栓。 其聯(lián)結(jié)件的設(shè)計圖和手部端處理如下圖： 37 圖 38 圖 手部側(cè)面螺釘孔分布 39 結(jié) 論 工業(yè)機(jī)械手的的總體設(shè)計方案是液壓傳動和氣動負(fù)壓系統(tǒng)的綜合。本次設(shè)計的重點(diǎn)是液壓傳動和整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)任務(wù)書的要求，基本實(shí)現(xiàn)了擺動缸驅(qū)動活塞缸輔助，回轉(zhuǎn) 180 度等技術(shù)要求。設(shè)計出的機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定，安全可靠。 在手部的設(shè)計上，采用了結(jié)構(gòu)最為簡單的吸盤負(fù)壓式手部，其負(fù)壓行程由一個氣動系統(tǒng)進(jìn)行控制，但是氣流控制回路和進(jìn)氣裝置沒 有過多涉及。臂部擺動缸作為這個機(jī)械手的重點(diǎn)特征部件，設(shè)計上完全摒棄了書本標(biāo)準(zhǔn)件的局限。自主設(shè)計實(shí)驗完成了一個單葉片擺動液壓缸的所有工作。機(jī)身的活塞液壓缸參照了通用液壓缸的相關(guān)設(shè)計思路和步驟，根據(jù)實(shí)際設(shè)計需要的數(shù)值進(jìn)行了調(diào)節(jié)和應(yīng)有的選擇。最后的聯(lián)結(jié)部件的確定采用了裝卸簡單的螺釘固定，單部件實(shí)現(xiàn)的構(gòu)想。結(jié)構(gòu)簡單新穎，也有利于現(xiàn)實(shí)加工裝配維修。 總體來說，本設(shè)計的擺動缸驅(qū)動的機(jī)械手作為專用的機(jī)械裝置，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，在自動化裝卸生產(chǎn)線上有很廣泛的適用性，有一定經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。 40 參考文獻(xiàn) [1] 余達(dá)太 .《工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程》 ［Ｍ］ .北京：冶金工業(yè)出版社， 1999 [2] 牟喜 東 . 高速 搬運(yùn) 機(jī)械 手與 自動 化制 造 [J]. 國內(nèi) 外機(jī)電 一體 化技術(shù) ,2020(02):2427 [3] 賈培發(fā) ,王金友 .關(guān)于中國工業(yè)機(jī)器人的幾點(diǎn)思考北京 [J].國防工業(yè)出版社 . :2032 [4] 徐灝 .《 機(jī)械設(shè)計手冊 》 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [5] 王承義 .《 機(jī)械手及其應(yīng)用 》 ［Ｍ］ .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1981 [6] 孔玉安， 《 液壓技術(shù)在工程中的應(yīng)用 》 ［Ｍ］ .江蘇科學(xué)技術(shù)出版社， 1986 [7] 黃繼昌， 《 實(shí)用機(jī)械機(jī)構(gòu)圖冊 》 ［Ｍ］ . 人民郵電出版社會性 1996 [8] 濮良貴，紀(jì)名剛 .《 機(jī)械設(shè)計 》 ［Ｍ］ .北京： 高等教育出版社 ， [9] 劉鴻文 .《材料力學(xué)》 ［Ｍ］ .北京： 高等教育出版社 ， [10] 福玲 ， 陳堯明 .《液壓與氣動傳動》 ［Ｍ］ .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2020 [11] 甘永立 .《幾何量公差檢測》 ［Ｍ］ .上海 ： 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 ， [12] 孫桓，陳作模 .《 機(jī)械原理 》 （第六版）［Ｍ］ .北京：高等教育出版社， [13] 吳宗澤，羅圣國 .《 機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計 手冊》 ［Ｍ］ .北京：高等教育出版社， [14] 張玉， 《 幾何量公差與測量技術(shù)基礎(chǔ) 》 ［Ｍ］ .沈陽 ： 東北大學(xué)出版社， 1999 41 致 謝 畢業(yè)生 畢業(yè)設(shè)計是對大學(xué)四年學(xué)習(xí)的總結(jié)， 同時也是自己所學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中的一次實(shí)踐的預(yù)演 。 我在這個過程中 運(yùn)用基礎(chǔ)知識的能力、 學(xué)習(xí)吸納別人經(jīng)驗應(yīng)用于實(shí)踐的能力得到了顯著的提高。并且培養(yǎng)了解決實(shí)際問題的能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作的意識。 在 老師的指導(dǎo)下， 通過自己不斷的學(xué)習(xí) ， 對自己 專業(yè)知識 機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、 液壓于氣壓傳動、 理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程材料、機(jī)械制圖 等有進(jìn)一步的提高 。 順利完成了設(shè)計任務(wù)書中所設(shè)定的要求，設(shè)計出機(jī)身采用擺動缸傳動的機(jī)械手。兩個月以來，我在設(shè)計過程遇到過許許多多的問題，在 老師的親