.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) （球坐標(biāo)系）學(xué)校： 專業(yè)班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)老師： 洪xx 目錄1臂部及機(jī)身 32臂部設(shè)計(jì)的基本要求 33驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 44俯仰擺動(dòng)缸設(shè)計(jì)計(jì)算 54.1、驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 54.2、俯仰擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 85俯仰擺動(dòng)油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 95.1活塞桿的計(jì)算 95.2油缸內(nèi)徑的計(jì) 105.3活塞桿的校核 106 液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 11參考文獻(xiàn) 13一臂部及機(jī)身 手臂部件是機(jī)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(dòng)他們作空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位）則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因而，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)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(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如油缸或氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)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(jī)械手的工作性能。機(jī)身是直接支承和傳動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降、 回轉(zhuǎn)和俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此臂部的運(yùn)動(dòng)愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜。機(jī)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(yùn)動(dòng)。 二，臂部設(shè)計(jì)的基本要求臂部設(shè)計(jì)首先要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，為此，需滿足各項(xiàng)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(jì)臂部時(shí)，元件越多，間隙越大，剛度越低，因此盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(bǔ)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(shí)提高其配合精度和相對(duì)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(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小。（三） 手臂動(dòng)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(jī)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(jī)械手，還要考慮隔熱和冷卻；用于粉塵大作業(yè)區(qū)的機(jī)械手，還要設(shè)置防塵裝置等。三，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 根據(jù)動(dòng)力源不同大致可分為氣動(dòng)、液壓、電動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。根據(jù)課題特點(diǎn)，其中以液壓氣動(dòng)用的最多，占90%以上，電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。 液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大、運(yùn)動(dòng)平緩，可無(wú)級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用4-6個(gè)大氣壓個(gè)別的達(dá)到8-10個(gè)大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。 電氣驅(qū)動(dòng)采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，用大減速比減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直線運(yùn)動(dòng)則用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)，有的采用直線電動(dòng)機(jī)。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單，維護(hù)使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動(dòng)力，出力比較大，缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢。 機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，速度高成本低，缺點(diǎn)是不易調(diào)整。 綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用液壓驅(qū)動(dòng)， 因此我這次的機(jī)械手手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)采用擺動(dòng)式直線缸驅(qū)動(dòng)。四，俯仰擺動(dòng)缸設(shè)計(jì)計(jì)算4.1、驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 驅(qū)動(dòng)手臂俯仰的驅(qū)動(dòng)力矩，應(yīng)克服臂部等部件在起動(dòng)時(shí)的重量對(duì)回轉(zhuǎn)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩和手臂在起動(dòng)時(shí)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(shí)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(dòng)軸承，其摩擦力矩較小，在鉸鏈處配合直徑較小，相對(duì)轉(zhuǎn)角亦小，故則=+式中：手臂等部件重力對(duì)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(yùn)動(dòng)，在起動(dòng)時(shí)的慣性力矩(Nm), *0.0175 工件對(duì)臂部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量()手臂回轉(zhuǎn)部分對(duì)手臂回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量()臂部俯仰過(guò)程的角速度()起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間,一般取秒慣性力矩的計(jì)算：回轉(zhuǎn)部分截面選擇“細(xì)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(dòng)角度為，啟動(dòng)時(shí)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(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算如圖所示，當(dāng)臂部與水平位置成時(shí)，則鉸接活塞桿的驅(qū)動(dòng)力(即俯仰擺動(dòng)油缸的驅(qū)動(dòng)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(dòng)力通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩與臂部俯仰角有關(guān)。（1） 當(dāng)臂部處于上仰時(shí)，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?yàn)門an 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(dòng)缸產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力.a、b、c機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)尺寸.（2） 當(dāng)臂部處于下仰時(shí)，取A2B1=200mm,b=400mm.所以sin2= A2B1/b=200/400=0.52=arc sin 0.5=30度.因?yàn)門an 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(dòng)缸設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)力。五，俯仰擺動(dòng)油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算5.1活塞桿的計(jì)算根據(jù)P=1841.67N 和表4-2選擇最大工作壓力P1=30kgf/c.按強(qiáng)度條件決定活塞桿的直徑d因?yàn)?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(jì)算因?yàn)橛袟U腔 D=4P/P1/+d*d. 油缸機(jī)械效率，在工程機(jī)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?yàn)榛钊麠U不滿足的條件，所以不必對(duì)活塞桿進(jìn)行校核。六，液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算根據(jù)表7-2所示，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)缸的工作壓力為3Mpa,所以螺釘間距t小于120mm,每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)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(dòng)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?qiáng)度條件為螺釘?shù)闹睆接?jì)算載荷，許用抗拉強(qiáng)度，螺釘材料的屈服點(diǎn)（Mpa）螺釘螺紋內(nèi)徑（mm）, ,d 為螺釘公稱直徑，S為螺距。解得