.機械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計機械手手臂的俯仰運動設(shè)計 （球坐標(biāo)系）學(xué)校： 專業(yè)班級： 姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)老師： 洪xx 目錄1臂部及機身 32臂部設(shè)計的基本要求 33驅(qū)動機構(gòu) 44俯仰擺動缸設(shè)計計算 54.1、驅(qū)動力矩的計算 54.2、俯仰擺動油缸驅(qū)動力的計算 85俯仰擺動油缸的設(shè)計計算 95.1活塞桿的計算 95.2油缸內(nèi)徑的計 105.3活塞桿的校核 106 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?11參考文獻 13一臂部及機身 手臂部件是機械手的主要執(zhí)行部件。作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并帶動他們作空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位）則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因而，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求：即手部的伸縮 ，左右回轉(zhuǎn)和升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如油缸或氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動又很多，故受力復(fù)雜。因而，它的結(jié)構(gòu)，工作范圍，靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機械手的工作性能。機身是直接支承和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降、 回轉(zhuǎn)和俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。因此臂部的運動愈多，機身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜。機身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運動。 二，臂部設(shè)計的基本要求臂部設(shè)計首先要實現(xiàn)所要求的運動，為此，需滿足各項基本要求。（一） 臂部應(yīng)承載能力大，剛度好，重量輕。1， 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。2， 提高支撐剛度，合理選擇支撐間的距離。3， 合理布置作用力的位置和方向。4， 設(shè)計臂部時，元件越多，間隙越大，剛度越低，因此盡可能使結(jié)構(gòu)簡單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合型確定調(diào)整補償環(huán)節(jié)，以減少重要部件的間隙，從而提高了剛度。5， 水平放置的手臂，要增加導(dǎo)向桿的剛度，同時提高其配合精度和相對位置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或大部分自重和抓取重量。（二） 臂部運動速度要高，慣性要小。（三） 手臂動作應(yīng)靈活。（四） 位置精度要高。除上面提到的要求外，還要保證機械手的通用性要好，能適應(yīng)在不同環(huán)境作業(yè)；工藝性要好，便于安裝和加工；用于高溫環(huán)境作業(yè)的機械手，還要考慮隔熱和冷卻；用于粉塵大作業(yè)區(qū)的機械手，還要設(shè)置防塵裝置等。三，驅(qū)動機構(gòu) 根據(jù)動力源不同大致可分為氣動、液壓、電動和機械傳動。根據(jù)課題特點，其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機械驅(qū)動用的較少。 液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動，利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓個別的達到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構(gòu)或緩沖機構(gòu)。 電氣驅(qū)動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)，有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大，缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。 機械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高成本低，缺點是不易調(diào)整。 綜合考慮，本設(shè)計選用液壓驅(qū)動， 因此我這次的機械手手臂的俯仰運動采用擺動式直線缸驅(qū)動。四，俯仰擺動缸設(shè)計計算4.1、驅(qū)動力矩的計算 驅(qū)動手臂俯仰的驅(qū)動力矩，應(yīng)克服臂部等部件在起動時的重量對回轉(zhuǎn)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩和手臂在起動時所產(chǎn)生的慣性力矩以及各回轉(zhuǎn)副處摩擦力矩，即 圖A 手臂俯仰時的受力示意圖一般因手臂座與立柱連接軸在O處裝有滾動軸承，其摩擦力矩較小，在鉸鏈處配合直徑較小，相對轉(zhuǎn)角亦小，故則=+式中：手臂等部件重力對回轉(zhuǎn)軸線的偏重力矩(N)=G總*p (p回轉(zhuǎn)半徑)G總=G工+G爪+G腕+G臂+p= (G工X工+G爪X爪+ )/ G總=9.8*（8*0.74+10*0.63+20*0.53+150*0.14）/190/9.8=0.231m所以=190*9.8*0.231=429.4 N.m(取 工件8kg120mm ；手爪10kg100mm;手腕20kg100mm; 手臂 150kg880mm.) 圖B 手臂各部件重心位置圖式中手臂做俯仰運動，在起動時的慣性力矩(Nm), *0.0175 工件對臂部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量()手臂回轉(zhuǎn)部分對手臂回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量()臂部俯仰過程的角速度()起動過程所需的時間,一般取秒慣性力矩的計算：回轉(zhuǎn)部分截面選擇“細直桿”，所以J=1/3ml*l=1/3*190*0.8*0.8=40.53 kg.;（取l=800mm）J=1/12m(l*l+3R*R)+md*d=1/12*8(0.12*0.12+3*0.0525*0.0525+8*0.8*0.8=5.1351 kg.;(取l=120mm,d=800mm)設(shè)置啟動角度為，啟動時間=0.1s,那么角速度 那么=0.0175（5.1351+40.53）*1.57/0.1=12.546N.m =+=429.4+12.546=442N.m4.2、俯仰擺動油缸驅(qū)動力的計算如圖所示，當(dāng)臂部與水平位置成時，則鉸接活塞桿的驅(qū)動力(即俯仰擺動油缸的驅(qū)動力)P的作用線與鉛垂線的夾角是在范圍內(nèi)變化，而作用在活塞上的驅(qū)動力通過連桿機構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩與臂部俯仰角有關(guān)。（1） 當(dāng)臂部處于上仰時，取A1B1=300mm,b=400mm.所以sin1= A1B1/b=300/400=0.751=arc sin 0.75=49度取b=0.4m,a=0.2m,c=0.5m.因為Tan a1=A1D/O1D=B1C/O1D.B1C=b*cos1-a ; O1D=c+b*sin1 . 所以 解得 a1=4.45度.P1=1841.67N式中P俯仰擺動缸產(chǎn)生的驅(qū)動力.a、b、c機械手的手臂結(jié)構(gòu)尺寸.（2） 當(dāng)臂部處于下仰時，取A2B1=200mm,b=400mm.所以sin2= A2B1/b=200/400=0.52=arc sin 0.5=30度.因為Tan a2=A2E/O1E=A2E/(O1C-EC)A2E=B2C=O2B-OC=b*cos2-a ;O1C=c ;EC=A2B2=b*sin2. 所以 解得 a2=26度.P2=1107.7N選擇其中最大值P1=1841.67N作為俯仰擺動缸設(shè)計的驅(qū)動力。五，俯仰擺動油缸的設(shè)計計算5.1活塞桿的計算根據(jù)P=1841.67N 和表4-2選擇最大工作壓力P1=30kgf/c.按強度條件決定活塞桿的直徑d因為=4P/d/d【】, 碳鋼 取【】=10001200 kgf/c.所以 d4P/【】=4*1842/3.14/1000=1.53m=15.3mm.根據(jù)表7-1選擇活塞桿直徑d=20mm.5.2油缸內(nèi)徑的計算因為有桿腔 D=4P/P1/+d*d. 油缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠，可取=0.95.所以D=4*1842/3/0.95+20*20=35mm.根據(jù)表5-1，取油腔內(nèi)徑40mm .根據(jù)表5-2 取油缸外徑50mm .5.3活塞桿的校核 因為活塞桿不滿足的條件，所以不必對活塞桿進行校核。六，液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎愀鶕?jù)表7-2所示，因為回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為3Mpa,所以螺釘間距t小于120mm,每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預(yù)緊力之和 式中工作載荷（N）， P缸蓋所受的合成液壓力，即驅(qū)動力（N） Z螺釘數(shù)目， 螺釘中心所在圓的直徑（mm） 工作壓力(Mpa) 剩余預(yù)緊力，螺釘所在圓的直徑，根據(jù)表選擇那么螺釘數(shù)目 取為工作載荷 剩余預(yù)緊力. 螺釘材料選擇45#，則n為安全系數(shù)，,現(xiàn)取為2螺釘?shù)膹姸葪l件為螺釘?shù)闹睆接嬎爿d荷，許用抗拉強度，螺釘材料的屈服點（Mpa）螺釘螺紋內(nèi)徑（mm）, ,d 為螺釘公稱直徑，S為螺距。解得