【導(dǎo)讀】機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配圖1～2張，零件圖8張，設(shè)計說明書1份。臂最大中心高:2300毫米；手臂運動參數(shù):手臂伸縮范圍，0～500毫米；手臂伸縮速度，升102豪米/秒，下降152毫米/秒；手臂回轉(zhuǎn)范圍，0°～200°；手。這篇論文詳細介紹了立。式精鍛機自動上料機械手的組成、結(jié)構(gòu)特點和工作過程。機械手主要是執(zhí)行部份、驅(qū)動。部分和控制部分組成。本文對以上各機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算以及校核方法作了具體的描述和分析，實?，F(xiàn)了機械手四個自由度、行程以及強度各方面的要求。液壓元件并確定液壓系統(tǒng)，通過上述部分設(shè)計，設(shè)計出了立式精鍛機自動上料機械手，達到本次設(shè)計的要求。

　　

【正文】 在手腕的回轉(zhuǎn)過程中，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩、轉(zhuǎn)動軸與支撐孔的摩擦力矩、密封裝置的摩擦力矩和轉(zhuǎn)動重心和轉(zhuǎn)動軸線不重合的偏重力矩，所以有： =+++M M M M M驅(qū) 慣 偏 摩 封 （ 319） （ 1） 手腕加速起動時所產(chǎn)生的慣性力矩 M慣 把手部、轉(zhuǎn)軸以及回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)部分等效為一個高 22cm，直徑 15cm 的圓柱體，其所受重力為 300N。則有手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 J： 2 2 211= m = 3 0 0 . 0 7 5 = 0 . 0 8 8 .m .s22J R N?? （ 320） 假設(shè)工件直徑 10cm，長度 100cm，質(zhì)量 60kg。工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 J工 件 ： 1= m l +12J 22工 件 （ 3R ） （ 321） 1= 6 0 +12 ? ? ?22（ 1 3 0 . 0 5 ）2= 手腕回轉(zhuǎn)角速度 = s? ，取啟動時間 t=。手腕加速起動所產(chǎn)生的慣性力矩 M慣 ： M慣 = t?工 件（ J+J ）= + ? （ ） = （ 322） （ 2）手腕轉(zhuǎn)動時工件偏重力矩 M偏 假設(shè)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心重合，所以有 M偏 = 四川理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 （ 3）腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩 M摩 為簡化計算，可取 M摩 = （ 4）密封處的摩擦阻力矩 M封 為簡化計算，可取 M封 = 根據(jù)以上的計算可知： =+++M M M M M驅(qū)慣 偏 摩 封 = + 0 + + 驅(qū) 得 M驅(qū) = (5) 回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑計算 回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩 M 22pb(R r )2M ? （ 323） 其中取動片寬度 b 取 30mm，輸出軸半徑 r=20mm，油液壓力 p=。 因為有 M M驅(qū) ,即 22pb(R r )2M ? 61= 2 . 4 1 0 0 . 0 3 2 ? ? ? ? 22（ R 0 . 0 2 ）? （ 324） 得 R=55mm,即是油缸內(nèi)徑 D=110mm。 （ 6）回轉(zhuǎn)油缸外徑計算 對于手腕回轉(zhuǎn)油缸， ?? ， 根據(jù)油缸的工作要求 ，查閱《機械設(shè)計手冊液壓傳動》，選取外徑 1D =232mm。 手臂伸縮機構(gòu)設(shè)計 手臂伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂伸縮機構(gòu)主要實現(xiàn)手臂的伸縮運動，這里采用的是雙作用單桿活塞油缸的形式，具體結(jié)構(gòu)情況如圖 33所示： 第三章 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 圖 33 手臂伸縮機構(gòu) 該機構(gòu)主要由活塞桿 油缸體 滑枕 中間架體 和油路 5 等組成。中間架體 4 的底部止口與中間座部件連接，滑枕 3的右端與夾緊缸部分連接，油缸體 2 固定在滑枕 3上，活塞桿 1固定在中間架體 4上，當壓力油分別進入油缸的 左右兩腔時，油缸體 2 帶動滑枕 3在燕尾形導(dǎo)軌內(nèi)實現(xiàn)手臂的往復(fù)運動，其行程大小由擋塊和組合行程開關(guān)來確定，伸出端裝有可調(diào)式定位螺釘，確保定位精度。手臂伸縮的導(dǎo)向裝置采用燕尾形滑枕，導(dǎo)向性能好，手臂剛度大，工作時運動平穩(wěn)。油缸的輸油管采用伸縮油管形式，可以保護油管，但工藝性較差。 手臂伸縮油缸設(shè)計計算 手臂伸縮油缸采用的是雙作用單桿活塞油缸，以下就油缸和活塞桿的尺寸計算如下： 伸縮液壓缸的驅(qū)動力 F 根據(jù)液壓缸工作時需要克服 運動件表面的阻力 F摩 、密封處的摩擦阻力 F密 、回油腔油液的阻力 F回 和起動或制動時的慣性力 F慣 ，所以驅(qū)動力 F 有： F F F F F? ? ? ?回摩 密 慣 （ 325） （ 1） 運動表面的摩擦阻力 F摩 對于燕尾形導(dǎo)軌做導(dǎo)向至承，取摩擦系數(shù) ? = 當量摩擦系數(shù) ?? = ~ ?（ ） ?? =? =? = （ 326） 假設(shè)參與運動的所有零部件總的質(zhì)量 為 60kg，工件重 60kg =FG???總摩 =+ ??（ 60 60 ） 9. 8 0. 28= N （ 327） 四川理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 （ 2）密封處的摩擦阻力 F密 采用“ O” 形密封圈，簡化計算時，可視作 F密 = （ 3）回油腔的油液壓力 F回 回油腔與油箱相連，可視為與大氣相連，故 F回 =0 （ 4）起動或制動時的慣性力 F慣 參與運動的零部件總重 60kg，工件重 60kg，伸縮速度 ， 啟 動時間取 v= gtGF ??總慣 12 0 33= 5??? = N （ 328） 由以上計算可得： F F F F F? ? ? ?回摩 密 慣 =++0+ 由此可得驅(qū)動力 F= 伸縮液壓缸的內(nèi)徑計算 手臂伸縮運動的驅(qū)動力 F 由雙作用單 桿活塞油缸提供，活塞桿直徑 d，油缸 內(nèi)經(jīng) D,取 d=,油液壓力取 10 pa? 則油缸內(nèi)徑計算如下： 221 ( d )p4FD??? （ 329） 2 ?? = 54 4 5 4 .7 60 .7 5 3 .1 4 1 .3 1 0?? ? ? 計算得 D=77，經(jīng)查表《工業(yè)機械手設(shè)計》表 43，選取液壓缸內(nèi)徑 D=80mm 油缸外徑的選擇 對于低壓缸， 16D?? ,應(yīng)按薄壁公式計算： ? ?p2D? ?? （ 330） 液壓缸采用無縫鋼管，查表可得 ??? =100Mpa 第三章 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 22 ? ? 5 6p 1 .3 1 0 0 .0 8= = 0 .0 5 m m2 2 1 0 0 1 0D? ? ??? ?? 查閱《機械設(shè)計手冊液壓傳動》，選取液壓缸外徑 1 100mmD ? 對油缸的壁厚校核： 2 2 22 2 2 20 . 4 r + 1 . 3 8 0 + 1 . 3 1 0 0= p = 0 . 1 3r 1 0 0 8 0RR? ?? ??（ ） （ ）= （ 331） 由此可見工作壓力遠小于油缸的 ??? ， 故滿足工作要求。 活塞桿尺寸的計算 活塞桿直徑 d==40mm 活塞桿的強度校核 : 活塞桿的材料為 45 鋼，桿長 L 約大于桿直徑的 15 倍，所以： 桿長 L15d=15 40? =600mm 活塞桿材料為碳鋼， s=350 paM? ， b=210 paM? ， =210 paEG， 碳鋼的? ?= 1 0 0 ~ 1 2 0 p aM? ，活塞桿的受力： 2=1 d4F?? 2= 61 4 404 Mpa?????? （ 332） 所以活塞桿的強度滿足要求。 活塞桿穩(wěn)定性校核： 特定柔度值 91 6p 2 1 0 1 0= =3 . 1 4 = 8 62 8 0 1 0E?? ? ?? （ 333） 柔度 l l = = = =30d 44??? ? （ 334） 因為 1??? ，故不能用歐拉公式計算臨界壓力，由《材料力學》表 可知，優(yōu)質(zhì)碳鋼的 a=461Mpa， b=，所以有： s2 a 4 6 1 3 5 0= = = 4 3 .2b 2 .5 6 8?? （ 335） 由此可見活塞桿滿足 2??? ， 是短壓桿，不需要校核。 油缸兩腔的流量計算 有桿腔流量 1Q 四川理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 221 1Q ( )4 D d V?? 1 3 .1 4 0 .0 0 4 8 0 .2 3 34? ? ? ?? 10 ms?? （ 336） 無桿腔流量 2Q 22 14Q D V?? 1 3 .1 4 0 .0 0 6 4 0 .1 7 64? ? ? ?? 10 ms?? （ 337） 手臂回轉(zhuǎn)油缸設(shè)計 手臂回轉(zhuǎn)油缸結(jié)構(gòu) 根據(jù)要求手臂要有回轉(zhuǎn)運動，這里采用的是回轉(zhuǎn)油缸，安裝在手臂伸縮機構(gòu)的中 間架體上，來為手臂回轉(zhuǎn)提供動力。其結(jié)構(gòu)如圖 34所示： 圖 34 手臂回轉(zhuǎn)油缸 如圖 34，手臂回轉(zhuǎn)油缸由上端蓋 轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)缸殼體 下端蓋 動片 5和定片 6 等組成，上下端蓋與缸體螺釘連接，并由上端蓋用螺釘固定在手臂伸縮機構(gòu)上，轉(zhuǎn)軸 2 支承在上下端蓋上，與動片 5固定連接，其伸出端通過花鍵軸部分與中間座的齒輪連接，向手臂傳遞運動。定片 6固定在缸體上，定、動片把油缸分成兩部分，壓力油從a、 b 兩孔進入時，推動動片轉(zhuǎn)動，并把轉(zhuǎn)動傳遞給轉(zhuǎn)軸輸出回轉(zhuǎn)運動。 手臂回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計計算 所需驅(qū)動力矩 M驅(qū) 的計算 根據(jù)手臂回轉(zhuǎn)的受力情況，當手臂回轉(zhuǎn)時，驅(qū)動力矩 M驅(qū) 要克服手臂起動時所產(chǎn)生的慣性力矩 M慣 ， 密封處的摩擦阻力矩 M封 以及回油腔的阻力矩 M回 ， 所以有 : = + +M M M M 回慣 封 （ 338） (1)手臂起動時產(chǎn)生的慣性力矩 M慣 手臂回轉(zhuǎn)部件（含工件）對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 0J 把回轉(zhuǎn)部件近似看作一直徑 22cm，高 50cm 的圓柱體，其軸線與回轉(zhuǎn)中心線相距第三章 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 24 40cm，重 160kg，則有轉(zhuǎn)動慣量 0J 220 11= m r + m l + m4 1 2J ? 2（ ）= （ 339） 角速度 ? = ，取響應(yīng)時間 t=? 0= tMJ???慣 = ?= （ 340） （ 2）密封處的摩擦力矩 M封 為簡化計算，可取 M封 = （ 3）回油腔的阻力矩 M回 由于回油腔與油箱連接，可看作與大氣連接，所以 M回 =0 綜上：所需要的驅(qū)動力矩 M驅(qū) = + +M M M M 回慣 封 =+ +0 所以 M驅(qū) = 油缸驅(qū)動力矩計算 M 21= pb d2M 2（ D ）M驅(qū) （ 341） 取回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑 D=130mm，軸與動片連接處的直徑 d=65mm，動片寬度 b=110mm， 由此可得： 5p 10 pa? 回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑計算 根據(jù) M驅(qū) =M pb= 2M 22驅(qū) （ D d ） （ 342） 取 d=, 5p= 10 pa? ， b=110mm，帶入上式 : ? 驅(qū) =130mm （ 343） 所以 D=130mm， d==65mm 中間座部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 四川理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 中間座部件作用是連接手臂升降機構(gòu)和手臂伸縮機構(gòu)的中間架體的中間部件，其結(jié)構(gòu)如圖 35： 圖 35 中間座部件 中間座部件結(jié)構(gòu)如圖 35，齒圈 1 固定在支架 4 上，并與齒輪 2嚙合，齒輪 2與手臂回轉(zhuǎn)油缸的轉(zhuǎn)軸固定連接，而回轉(zhuǎn)油缸的殼體又固定在手臂伸縮機構(gòu)的中間架體上，當回轉(zhuǎn)油缸的轉(zhuǎn)軸帶動齒輪 2自轉(zhuǎn)時，因齒圈 1固定，齒輪 2除自轉(zhuǎn)外，還繞著齒圈 1做公轉(zhuǎn)，致使手臂伸縮機構(gòu)為一整體而回轉(zhuǎn)，即手臂回 轉(zhuǎn)運動。 回轉(zhuǎn)油缸的殼體上裝有行程減速閥，齒輪 2斷面上裝有擋塊 3，當手臂回轉(zhuǎn)時，行程減速閥與擋塊相接觸壓斷閥芯徐徐關(guān)斷油路，實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)終點位置的緩沖。在支架4上裝有連接架 7，在開關(guān)座 6上裝有組合式行程開關(guān)，在手臂回轉(zhuǎn)過程中靠碰塊 5 觸動組合式行程開關(guān)發(fā)出信號，控制手臂回轉(zhuǎn)運動的位置，為使其精確定位，控制系統(tǒng)發(fā)出信號，使安裝在手臂中間架體上的定位油缸動作，實現(xiàn)插銷定位。 手臂回轉(zhuǎn)定位油缸 如圖 36所示，手