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1、机械系统设计课程设计机械手手臂的俯仰运动设计 （球坐标系）学校： 专业班级： 姓名： 学号： 指导老师： 洪xx 目录1臂部及机身 32臂部设计的基本要求 33驱动机构 44俯仰摆动缸设计计算 54.1、驱动力矩的计算 54.2、俯仰摆动油缸驱动力的计算 85俯仰摆动油缸的设计计算 95.1活塞杆的计算 95.2油缸内径的计 105.3活塞杆的校核 106 液压缸盖螺钉的计算 11参考文献 13一臂部及机身 手臂部件是机械手的主要执行部件。作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并带动他们作空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态（方位）则用腕部的自由度
2、加以实现。因而，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求：即手部的伸缩 ，左右回转和升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如油缸或气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动又很多，故受力复杂。因而，它的结构，工作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、 回转和俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架
3、空轨道运动。 二，臂部设计的基本要求臂部设计首先要实现所要求的运动，为此，需满足各项基本要求。（一） 臂部应承载能力大，刚度好，重量轻。1， 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。2， 提高支撑刚度，合理选择支撑间的距离。3， 合理布置作用力的位置和方向。4， 设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚度越低，因此尽可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合型确定调整补偿环节，以减少重要部件的间隙，从而提高了刚度。5， 水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精度，使导向杆承受部分或大部分自重和抓取重量。（二） 臂部运动速度要高，惯性要小。（三） 手臂动作应灵活。
4、（四） 位置精度要高。除上面提到的要求外，还要保证机械手的通用性要好，能适应在不同环境作业；工艺性要好，便于安装和加工；用于高温环境作业的机械手，还要考虑隔热和冷却；用于粉尘大作业区的机械手，还要设置防尘装置等。三，驱动机构 根据动力源不同大致可分为气动、液压、电动和机械传动。根据课题特点，其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动，利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在
5、中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。 电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构，直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构，有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简
6、单，维护使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大，缺点是控制响应速度比较慢。 机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高成本低，缺点是不易调整。 综合考虑，本设计选用液压驱动， 因此我这次的机械手手臂的俯仰运动采用摆动式直线缸驱动。四，俯仰摆动缸设计计算4.1、驱动力矩的计算 驱动手臂俯仰的驱动力矩，应克服臂部等部件在起动时的重量对回转轴线所产生的偏重力矩和手臂在起动时所产生的惯性力矩以及各回转副处摩擦力矩，即 图A 手臂俯仰时的受力示意图一般因手臂座与立柱连接轴在O处装有滚动轴承，其摩擦力矩较小，在铰链处配合直径较小，相对
7、转角亦小，故则=+式中：手臂等部件重力对回转轴线的偏重力矩(N)=G总*p (p回转半径)G总=G工+G爪+G腕+G臂+p= (G工X工+G爪X爪+ )/ G总=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.) 图B 手臂各部件重心位置图式中手臂做俯仰运动，在起动时的惯性力矩(Nm), *0.0175 工件对臂部回转轴线的转动惯量()手臂回转部分对手臂回转轴线的转动惯量()臂部俯
8、仰过程的角速度()起动过程所需的时间,一般取秒惯性力矩的计算：回转部分截面选择“细直杆”，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)设置启动角度为，启动时间=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、俯仰摆动油缸驱动力的计算如图所示，当臂
9、部与水平位置成时，则铰接活塞杆的驱动力(即俯仰摆动油缸的驱动力)P的作用线与铅垂线的夹角是在范围内变化，而作用在活塞上的驱动力通过连杆机构产生的驱动力矩与臂部俯仰角有关。（1） 当臂部处于上仰时，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.因为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俯仰摆动缸产生的驱动力.a、b、c机械手的手臂结构尺寸.（2）
10、 当臂部处于下仰时，取A2B1=200mm,b=400mm.所以sin2= A2B1/b=200/400=0.52=arc sin 0.5=30度.因为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选择其中最大值P1=1841.67N作为俯仰摆动缸设计的驱动力。五，俯仰摆动油缸的设计计算5.1活塞杆的计算根据P=1841.67N 和表4-2选择最大工作压力P1=30kgf/c.按强度条件决定活塞杆的直径d因为=4P/d/d【】, 碳钢 取【】=1
11、0001200 kgf/c.所以 d4P/【】=4*1842/3.14/1000=1.53m=15.3mm.根据表7-1选择活塞杆直径d=20mm.5.2油缸内径的计算因为有杆腔 D=4P/P1/+d*d. 油缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶，可取=0.95.所以D=4*1842/3/0.95+20*20=35mm.根据表5-1，取油腔内径40mm .根据表5-2 取油缸外径50mm .5.3活塞杆的校核 因为活塞杆不满足的条件，所以不必对活塞杆进行校核。六，液压缸盖螺钉的计算根据表7-2所示，因为回转缸的工作压力为3Mpa,所以螺钉间距t小于120mm,每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作
12、载荷和剩余预紧力之和 式中工作载荷（N）， P缸盖所受的合成液压力，即驱动力（N） Z螺钉数目， 螺钉中心所在圆的直径（mm） 工作压力(Mpa) 剩余预紧力，螺钉所在圆的直径，根据表选择那么螺钉数目 取为工作载荷 剩余预紧力. 螺钉材料选择45#，则n为安全系数，,现取为2螺钉的强度条件为螺钉的直径计算载荷，许用抗拉强度，螺钉材料的屈服点（Mpa）螺钉螺纹内径（mm）, ,d 为螺钉公称直径，S为螺距。解得螺钉的直径选择d=10mm的圆柱头螺钉。螺纹内径螺钉强度的校核。满足要求。参考文献：1、机械制图高等教育出版社，何铭新、钱可强、徐祖茂主编 2010.72、液压与气压传动第4版，机械工业出版社，左健民主编，2011.63、工业机器人北京理工大学出版社张建民.19884、机械设计图册，化学工业出版社，成大先5、材料力学高等教育出版社，亢一澜、王世斌主编2008.113
