工业机械手的设计说明书解析.docx
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工业机械手的设计说明书解析
机械系统设计
课程设计说明书
设计题目：
工业机械手设计
学院：
机电工程学院
班级：
机械092班
姓名：
学号：
第四章手臂的设计
4.1手臂伸缩的设计计算
手臂是机械手的主要执行部件。
它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。
臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。
机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。
多义性在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。
1.伸缩液压缸的设计计算
1.1求水平伸缩直线运动液压缸的驱动力
根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回油背压及惯性等几个方面的限力，来确定液压缸
所需的驱动力。
手臂的伸缩速度为300mm/s
行程L=400mm
抓重100N
液压缸活塞的驱动力的计算
式中一一摩擦阻力。
手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。
若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力。
一一密封装置处的康擦阻力;
一一液压缸回油腔低压油掖所造成的阻力;
一一起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。
、、、的计算如下。
4.1.1.的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况
进行估算。
图4-15为双导向杆导向，其导向杆截面形状为圆柱面，导向杆对称配置在伸缩缸的两侧，
启动时，导向装置的摩擦阻力较大，计算如下:
由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。
得
式中——参与运动的零部件所受的总重力（含工件重）,估算=（100+700）N=800N
L——手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支承前端的距离（m）,L=100mm
a——导向支承的长度,a=150mm;
一一当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。
对子圆柱面:
取=1.5
——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时:
钢对青铜:
取=0.1~0.15
钢对铸铁:
取=0.18~0.3
取=0.1
代入已知数据得==280N
4.1.2.的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，其计算公式如下:
（1）“O”形密封圈当液服缸工作压力小于10Mpa.活寒杆直径为液压缸直径的一半，
活塞与活塞杆处都采用“O”形密封圈时，液压缸密封处的总的摩擦力为:
式中F——为驱动力，
P——工作压力（Pa）;P<10MPa,=0.05~0.023,取p=2Mpa,=0.05;
d——伸缩油管的直径,d=70mm;
L——密封的有效长度（mm）.
为了保证“O”形密封圈装人密封沟槽，井与配合件接触后起到严格的密封，在加工密
封沟槽时考虑密封圈的预压缩量，如图4--15所示。
K=0.08~0.14
取=10mm,K=0.1,得=50mm
得
4.1.3.的计算一般背压阻力较小，可按=0.05F
4.1.4.的计算
一一参与运动的零部件所受的总重力（包括工作重量）（N）
g一一重力加速度，取10
一一由静止加速到常速的变化量=0.3m/s
一一起动过程时间（s），一般取0.01~0.5s，对轻载
低速运动部件取较小值，对重载高速运动部件
取较大值。
取=0.03s
所以所求驱动力，解得F=1208.04N
确定液压缸的结构尺寸
液压缸内径的计算如图4一16，当油进入无杆腔
当油进入有杆腔
液压缸的有效面积:
故有，
查表4-3圆整取D=30mm
式中F——驱动力〔N）;
——液压缸的工作压力,取=2Mpa;
d一一活塞杆直径（m）;
D—一活塞缸内径〔m）;
——液压缸机械效率，在工程机被中用耐油橡胶可取n=0.950
选择适当的液压缸工作压力很重要。
选高了，可以减小液压缸内径及其执行机构的尺
寸，使机械手手臂结构紧凑，但要选用价格较贵的高压油泵和阀，井使密封复杂化。
选低
了，可用价格较低的泵和阀，但使结构庞大，自重增加。
一般取2~8Mpa.表4-2推荐了几
织数据，可供选择液压缸工作压力时参考。
表4一2液压缸工作压力
作用在活塞上的外力F（N）
液压缸工作压力（Mpa）
作用在活塞上的外力F（N）
液压缸工作压力（Mpa）
〈5000
0.8~1
20000~30000
2.0~4.0
5000~10000
1.5~2.0
30000~50000
4.0~5.0
10000~20000
2.5~3.0
〉50000
5.0~7.0
通过计算所选择的液压缸内径，应尽可能是标准值，液压缸内径系列（JB826-66）如表
4-3所示。
表4-3液压缸内径系列JB826-66（mm）
20
25
32
40*
50*
55
63*
（65）
70
（75）
80*
（85）
90*
（95）
100*
（105）
110
125*
（130）
140*
160*
180
200*
250
注：
1.内的尺寸尽可能不用。
2.*号为（JB1086-67）标准系列
液压缸壁厚计算，在实际使用中有下列三种公式:
中等壁厚，即时，
（4-13）
式中F——液压缸内工作压力Mpa
——强度系数（当为无缝钢管时=1）
C——计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值;
D——液压缸内径（m）
将计算结果按有关资料选择，如表4-4
表4-4标准液压缸径（JB68~67）（mm）
油缸内径
40
50
63
80
90
100
110
125
140
（150）
160
180
200
20钢16
50
60
76
95
108
121
133
146
168
180
194
219
245
45钢20
50
60
76
95
108
121
133
146
168
180
194
219
245
缸体为无缝钢管。
取内径壁厚为4mm
2.活塞杆的计算
2.1活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求。
对
于杆长t大于直径d的I5倍（即t）活塞杆还必须具有足够的稳定性。
（1）按强度条件决定活塞杆直径d按拉、压强度计算:
或
查表4-5圆整取d=16mm
碳钢取=110~120Mpa，取=120Mpa；n一般不小于1.4，取n=1.4;
表4-5活塞杆直径系列（JB826~66）
10
12
14
16
18
20
22
25
28
（30）
32
35
40
45
50
55
（60）
63
（65）
70
（75）
80
（85）
90
（95）
注：
括号内的尺寸尽可能不用
2.2活塞杆的稳定性校核
当括塞杆L>15d时，一般应进行稳定性校核。
稳定性条件可表示为
式中
——临界力（N），可按材料力学有关公式计算。
——安全系数，=2—4
2.2.1.大柔度杆的临界力
当时，临界力为
=
式中为活塞杆的计算柔度（柔度系数）
L为活塞杆的计算长度（m），油缸支承情况和活塞杆端部支承情况不同，活塞杆计算长度不同，见表4—6；
i为活塞杆横截面的惯性半径（m）,
J为活塞杆截面对中性轴的惯性矩（）
E为弹性横量，E=210GPa
为长度折算系数，见表4—6；
为特定的柔度值，=，为比例极限。
2.2.2.中柔度杆
当入2<入<:
时，临界力为
二F
式中F活塞杆横截面积（）
a、b—常数，与材料性质有关，见表4-7;
为特定的柔度值，，为屈服极限
2.2.3.短压杆
入<时，不校核压杆稳定。
4.2臂旋转机构设计
手臂回转后液压缸的设计计算
（一）手臂回转时所需的驱动力矩
采用回转液压缸实现手臂回转运动时，其受力情况可化简成图4-20。
图4-20手臂回转运动时的受力图
驱动手臂回转的力矩M驱，与手臂起动时所产生的惯性力矩M惯及各密封装置的摩擦阻力矩M摩相平衡。
M驱＝M惯+M摩+M回（3－1）
（1）M摩——密封装置处的摩擦力矩（N·m）
M摩＝M摩’+M摩”
估计取F’=500N,F”=800N
估计取回转缸内径D=230mm,输出轴与动片联接处的直径d=100mm,动片宽度b=100mm
M摩’=F’R＝500×0.23÷2＝52N·m
M摩”＝2F”R＝2×800×0.23÷2=162N·m
所以，M摩＝52+162=214N·m
（2）M惯——手臂起动时的惯性力矩
M惯=J0=
式中——回转缸动片的角速度变化量（rad/s），在起动过程中=，取=60°/s
——起动过程的时间（s）,取=0.5s
J0——手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（N·m·s2）。
若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则
J0=Jc+
式中Jc——回转零件对重心轴线的转动惯量
Jc=
取手臂回转零件质量m=600Kg，回转时手臂长度l=2500mm
Jc==230
Jo=230+600×0.32=280
M惯＝=600N·m
M回——回转液压缸回油腔的背压反力矩
M回==
取,
M回==680N·m
M驱=214+600+680=1480N·m
（二）驱动力矩的计算
如图4-21所示回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M驱′
M驱′==
图4-21回转液压缸计算图
（三）回转缸内径D的计算
根据M驱=M驱′
M驱=
式中D——回转缸内径（m）
M驱——作用在动片的外载荷力矩
p——回转液压缸的工作压力（Pa）
d——输出轴与动片联接处的直径（m），初步设计时按选取
b——动片宽度（m）
为减少动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度（即液压缸宽度）时，可选用
所以
（四）缸盖联接螺钉和动片联接螺钉计算
1.缸盖联接螺钉计算缸盖与回转液压缸的缸体用螺钉联接时，其螺钉的强度计算方法与伸缩液压缸缸盖螺钉强度计算方法相同。
2.动片与输出轴联接螺钉计算动片与输出轴用螺钉联接的结构见图4-22。
联接螺钉一般为偶数，对称地安装，并用两个销钉定位。
联接螺钉的作用是：
使动片与输出轴的配合面紧密接触不留间隙，当油腔同高压油时，动片受油压作用，产生一个合成液压矩，克服输出轴上所受的外载荷力矩。
动片的受力情况如图4-22b所示。
依动片所受力矩的平衡条件，有：
图4-22动片与输出轴联接方式及动片受力图
于是得
式中FQ——每个螺钉的预紧力（N）
Z——螺钉数目，Z=6
f——被联接件配合面间的摩擦系数，钢对钢取f=0.15
所以
螺钉的强度条件为
常用螺钉材料的屈服极限
螺钉材料为45号钢，所以取MPa
所以
4.3机械手手臂升降部分设计
4.3.1臂部的结构设计
臂部做升降运动的机构
1回转缸置于升降缸之下的机身结构
2回转缸置于升降缸之上的机身结构
4.3.2臂部的设计计算
通常先进行粗略的估算，或者是采用类比型的结构，根据运动参数初步确定
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