毕业设计（论文）-轮辐磨边机出料装置设计.doc

济南大学泉城学院毕业设计济南大学泉城学院毕 业 设 计题 目 轮辐磨边机出料装置设计 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机设07Q2 学 生 苏丽娜 学 号 20073014055 指导教师 顾英妮 二一一年五月二十九日1 前言1.1课题提出的背景和意义一机械手产生的背景：机械手的研发，始于20世纪50年代末的美国。当时的美国联合控制公司研制出第一台机械手。结构比较简单：机体上的一个回转长臂+装有电磁快的工件抓放机构。其控制系统是示教形的。20世纪60年代初，美国联合控制公司在此基础上又试制成一台数控示教再现机械手。其运动系统模仿坦克，手臂可以回转，伸缩，仰俯。并用液压来驱动；用磁鼓作为控制系统的存储装置，这为以后的坐标通用机械手的发展奠定了基础。同一时期，美国机械制造公司也研发了一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱能实现回转，升降等动作。并采用液压驱动控制系统。这两种机械手都成为日后世界工业机械手发展的基础。1978年，斯坦福大学，麻省理工学院和美国Unimate公司联合研制开发了一种Unimate-Vicarm型工业机械手，并由小型电子计算机进行控制，用于装配作业时，定位误差的绝对值小于1毫米。从1970年开始，联邦德国机械制造业开始使用机械手，主要用于起重机的焊接，运输和设备的上下料等作业。联邦德国的KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构，并用程序控制。在各国中，工业机械手应用最多，发展最快的国家当属日本，从20世纪60年代末引进美国的两种机械手并大力从事机械手的研究，目前日本机器人研发技术遥遥领先。从60年代前苏联开始研发机械手。目前，大部分工业机械手还属于第一代，主要依靠人工进行控制，改进方向是以降低成本和提高精度为主。第二代机械手在加紧研制，因为有微型计算进控制系统，因此具有视觉，触觉能力，甚至能听和思考。在机械手上安装各种传感器，将感觉信息反馈，让机械手具有感觉能力。第三代机械手则能独立完成工作中的任务。他与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步向着柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC的重要环节之一。二机械手的应用及意义：机械手，是指通过预定的程序控制，根据手臂运动的基本原理，能模仿人手完成某些单调固定的动作。如：抓取，搬运，堆垛，等自动操作的机械装置。它的用途可归纳为以下几类：1：建造旋转零件自动线 建造旋转零件体（盘类、环类、轴类零件）自动线，机床之间传递工件一般采用机械手。2：实现单机自动化1）冲床能自动上下冲压循环，机械手上下料可实现冲压生产自动化。2）各种半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀、松开的功能，但上下料仍需人工，装上机械手，能实现全自动生产。3）注塑机有合模、加料、成型、分模等自动工作循环，机械手自动取料，可实现全自动生产。三应用机械手的意义总结如下；（一）.可以减轻人力，实现某些固定形式的操作运动。从而提高了工作效率，节约生产成本。（二）.还能代替人，实现繁重劳动，在高温，高压，低温，低压，噪声，粉尘，放射性或高污染，毒性危害等不利于人劳作的环境下工作，以保护人身安全的同时，实现操作。（三）.工作误差小，能较准确的完成预定的工作要求。此外，因其应用范围广泛，工作效率高，安全，工作误差小等优点，而被广泛应用于机械加工，装备，运输，化工，冶炼，轻工业和原子能等工业领域以及医学等领域。1.2设计的主要内容1.2.1机械手的种类：现在对工业机械手的分类没有规定的标准。一）、按规格分类：1.微型的搬运重量小于1公斤；2.小型的一搬运重量大于10公斤；3.中型的搬运重量小于50公斤；4.大型的搬运重量大于100公斤；目前大多数工业机械手搬运重量介于1公斤和30公斤。最小搬运重量为0.5公斤，最大的能达到800公斤。二）、按功能分类：1、简易工业机械手有可编程序和固定程序两种。可变程序可插销板或顺序转动控制来给定程序，固定程序有挡块转鼓控制和凸轮转鼓。这种机械手多为液动或气动，因为结构简单，改编程序比较容易。只使用在程序较简单的点位控制，但为一般单机服务的搬运作业已足够。所以，这种机械手的数量最多。2、智能工业机械手（机器人）由电子计算机控制，通过各种传感元件等具有触觉、视觉、热感、行走机构等。3、计算机数控工业机械手 可通过更换穿孔带或者其他记忆介质来改变机械手的动作，还可进行多种控制。还可以是普通的微型计算机技术或者可编程控制。4、记忆再现工业机械手这种机械手由人工通过实验装置传动，由磁鼓（或磁带）记录程序，此类机械手就按自动记忆的程序进行循环动作。这是应用较多的一种，多为电液伺服驱动。与上一种相比有较多的自由度，可以进行程序较复杂的作业，应用性较广。三）、按照驱动的原理，可分为气动式，液压式，机械式，电动式机械手；四）、按照应用范围，可分为：1、专用机械手附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，这种工业机械手工作对象不变，使用可靠，手动比较简单，施用于大批生产自动线或作为自动上，下料的专用机。2、通用机械手；具有独立控制系统，动作灵敏，动作灵活多变，程序可变的机械手。通用机械手定位精度高，通用性强，工作范围大，适用于工件多变的中小批量自动化生产。按照运动轨迹可以分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。1.2.2所做课题及主要任务当今世界，随着工业的快速发展，对经济效益的追求，日趋激烈，因此，工作效率成为制胜的关键。很多高温、易燃、粉尘、毒性气体等各种不利于人体操作的场合的工作，必将由机械手取代。一方面可以把人从繁重单一的劳动中解放出来，节省人力。另一方面可以在危险工作条件下保护人身安全，实现安全生产。由于机器的可重复操作性较强，比较适合担任重复单调的劳动。大幅度提高了劳动生产效率。更重要的是，由于机器的操作误差较小，因此提高了总体的生产质量。在轮辐磨边机出料装置的设计中，考虑用机械手操作。节省了人力，节约了成本，也提高了生产效率。本课题将要完成的主要任务如下：1)本此设计的机械手为通用机械手，灵活性好、具有较好的通用性、能灵活的适应多种产品品种的不断变化，以符合柔性生产的要求。因此相对于专用机械手来说，其适应范围更广泛；2）拟定整体方案，特别是控制方式、传感和机械本体的有机结合的设计方案；3）根据课题要求选取机械手的自由度和坐标形式；4）根据课题要求对各部件的设计计算，设计出机械手的各执行部件，包括：手臂、手腕、手爪等部件的设计。手臂可以实现升降和回转运动；手腕能实现伸缩，灵活抓取物品；手爪能实现对工件的夹持与松开。5）机械手装配图与各零件图的设计与绘制。6）撰写设计说明书。2机械手机械部分设计计算2.1机械手的总体设计方案2.1.1.机械手的自由度和坐标式按照机械手手臂的运动形式的不同，以及考虑到各种组合情况，其坐标形式可以分为直角坐标，球坐标，圆柱坐标等。机械手的自由度决定了机械手的运动情况。2.1.2机械手的各部分组成：由控制系统、执行机构、驱动系统、辅助装置组成。1.控制系统控制系统的主要作用是按照预定的程序，控制机械手的动作，包括方向、速度、位置等方面。复杂动作的机械手则采用可编程控制器、微型计算机进行控制。简单的机械手一般不设有专用的控制系统，只需要控制阀、继电器、行程开关、以及电路便可以实现对机械手的控制。2.执行机构机械手的执行机构，由手腕、手爪、手臂、支柱本组成。手爪用来抓取、松开工件，能模仿人手抓取物品的动作。手腕连接手臂与手爪，传递力矩。并可以简单的回转，伸缩，设计将对机械手各部分进行设计，如定位精度的计算以及机械手手爪结构的设计；同时还将计算机械手手臂伸缩、手腕升降、手爪夹紧松开、以及旋转机械手所需要的液压缸驱动力的大小，最终确定出合适的液压缸的型号和缸径。3驱动系统主要实现执行机构的动作，常用的机械手的传动系统分为气压传动、液压传动、电力传动和机械传动等几种形式。4.辅助装置辅助装置是机械手各部分的连接装置，如，管道、油箱、基座、仪表等。2.2.机械手手爪的设计2.2.1手指的形状和分类本设计采用的是夹持式手部机构，它由手指和传动力矩系统组成。夹持式是最常见的一种，其中最常用的是两指式；按照手指夹持工件的部位又可分为内卡式和外夹式两种，本次设计采用外夹式。2.2.2手爪设计时的注意事项1）手指之间应该具有一定的开闭角2）应该保证机械手指准确的对工件进行定位3）机械手指具有足够的强度和刚度4）应该适当考虑所抓部件的外形和材料要求2.2.3夹持手部的计算分析1.手部夹持力的计算机械手的手指在设计时，不但要求要保证手指要有足够的对工件的夹持力，以达到在抓取和搬运工件时的可靠性要求，而且还要有一定的开闭尺寸范围，以满足工件尺寸变化的要求。手指对工件的夹紧力可以按照以下公式计算：F9.8*K1*K2*K3*G (N) (2.1)式中的安全系数一般是取1.2-2；工作情况系数，主要是考虑到惯性力的影响；可以按照1+0.1a进行估算，a为机械手在搬运工件时的加速度。根据设计要求，被抓取工件的重量（22Kg）方位系数选择：对于本次设计的机械手，K1取1.5工作情况系数为K2=1+a/g。a为抓取工件最大加速度a为5米每二次方秒。得K2=1.5.根据手指与工件形状和手指与工件位置的不同，进行选择，由于手是垂直位置夹取水平位置的工件，故取K3=0.5（tg+a/b）粗略估算取K3=1因此 F9.8*K1*K2*K3*22=495(N)2.夹紧驱动力的计算如下图所示的手部结构，在拉杆作用下，销轴受得向上的力为P，并通过中心点O，两手指多销轴的反作用力为P1、P2，受力方向如图所示，由直角三角形关系，可得：AOC=BOC=。根据销轴的受力平衡关系，得：式中：b=64mm 手指转动中心到Fx=0,P1=P2;Fy=0P=2P1cosP1=P/2cos1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座图2.1手部受力分析设定销轴对手指的作用力为p1。手指夹紧工件所需的力为夹紧力。假如握力为N，且作用在过手指与工件的对称面，假定两个力大小相等，方向相反。由手指的力矩平衡 ：m01(F)=0 可得：P1h=Nb 又因为h=a/cosP=2b(cos)N/a (2.2)带入具体的数据，工件重：220N，钳口的夹角：120,=30时，拉紧油缸的驱动力P和实际计算的驱动力如下所述：根据钳爪夹持工件的方位，水平放置钳爪夹持工件时，夹紧力为： N=0.5G把已知条件代入得夹力为：N=110N由驱动力计算公式可得： P=2b(cos)N/a 又因为P=P代入数据，可得: 2*45/27(cos30)*49=122.5(N)P(实际)=PK1K2/ (2.3)取=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1则P(实际)=122.5*1.5*1.1/0.85=238N钳爪的定位误差分析图2.2钳爪示意图钳爪和钳口的连接点为E，设爪口对称中心O到工件中心O的距离为x,根据几何关系，可得:x= (2.4)当工件直径变化时，x的变化量即为定位误差，设工件半径由Rmax变化到Rmin 时，其定位误差为： =- (2.5)其中1=45mm, 2=120,a=27mm,b=5mm, Rmax=30mm, Rmin=15mm.代入公式计算可得：最大定位误差 最大定位误差=44.2-44.7=0.51所以符合要求。2.3机械手手腕部的设计2.3.1手腕部的设计要求手腕部件设置于臂部和手爪之间，其主要作用是在臂部运动的基础上进一步协调和改变手部在空间的方位，以扩大机械手的运动范围，进而提高机械手的灵活度，增强适应性。图2.3机械手设计示意图手部设计的基本要求是：机构紧凑，重量轻巧。腕部连接手爪和手臂，手部的动静载荷均由臂部承受。很显然，腕部的重量、结构和动力载荷，直接影响着手臂的重量、结构和运转性能。所以，腕部的设计，务必严谨考虑，力求结构紧凑，重量轻。一、保证力和运动的要求以及具有足够强度和刚度。二、综合考虑布局合理。考虑各种因素，腕部既要作为机械手执行部件的一部分，又要支撑连接的作用。所以除去上述因素，还应该保证布局合理。图2.4手腕回转缸运动简图三、必须考虑工作条件。对于腐蚀性介质中工作和高温作业中的机械手，应充分考虑腕部对工作环境的不良影响，以便于材料和结构的改进。2.3.2手腕回转时的受力计算分析腕部回转时需要克服以下几种阻力1、腕部回转支撑处的摩擦力矩M简化之，可取 M=M总/102、克服工件重心偏置所需的力矩M偏M偏=ae式中e为工件重心到手腕部回转轴线的垂直距离 由于 e=0, 故 M偏=03、克服启动惯性力矩M惯本次设计要求手臂的平动速度是V=，计算惯性力时，启动时间 ，由此可得，启动速度，故式中g重力加速度一般取启动时间为 0.01s0.05s。对高速重载运动取较大值，对低速轻载运动部件取较小值。参与运动的所有零部件所受的总重力（包括工件重量），单位N。由静止状态加速到常速度的速度变化量。4、手腕回转所需的驱动力为三部分的和 M总=M摩+M偏+M惯 =M总/10+M惯 =0.15n.m2.4机械手手臂部的设计2.4.1手臂结构的特点及要求在本设计中液压驱动的机械手臂所要具备的运动形式应该有：直线往复运动、回转往复运动、以及两种运动的组合运动。其中直线往复运动包括有手臂的升降、平移和伸缩移动。回转往复运动包括有手臂的上下和左右的摆动。为了防止机械手的手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使得液压缸内的活塞杆不受很大的弯曲力矩的作用。需要设置导向装置以增加手臂的刚性。目前常使用的导向装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，具体的安装形式应该考虑到设计的具体结构和抓取工件的重量等因素的综合影响。在安装的时候按照尽量减小运动部件的重量和减少对回转中心的转矩影响的前提下进行安装。所以手臂的结构设计应当注重以下几个方面：一、在尽量节省材料满足运动要求的前提下刚度要大，防止在运动过程中手臂产生影响运动精度的变形。手臂的截面适宜选取工字型截面。因为工字型截面在满足刚度要求的前提下还具有导向性好的优点。二、偏重力矩要小。所谓偏心力矩就是指臂部的重量对于支撑轴的静力矩。为了满足这已要求，在满足手臂自身的刚度和强度要求下应当尽量减少臂部运动部分的重量。以减少偏心力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。三、要满足运动平稳，定位精度要高。尽量使设计的结构排列紧凑，并采取一定的缓冲措施。四、导向性要好。为了防止手臂在直线运动时，沿运动直线发生相对运动，或设计方形、花键等形式的臂杆，或设置导向装置。五、定位精度要高、运动要平稳。由于臂部重量越大，运动速度越高，振动越明显，运动稳定性越差，因此要尽量减少臂部的重量，使结构紧凑，重量轻。机械手的自由度是决定机械手运动方式的重要条件。按照设计中的抓取工件的要求，本机械手采取球坐标的坐标形式。所满足的运动条件即手臂的伸缩运动，手臂的升降运动以及手臂的左右回转运动。手臂的各种运动都是基于液压缸的运动来实现的，手臂的回转和升降运动是沿立柱运动来实现的。手臂的横向伸缩运动是通过液压缸的前后驱动来实现的。3 驱动系统3.1驱动系统的分类与特点机械手的驱动方式有气动、液动、电动三种方式。一种机械手的驱动方式可以只有一种，也可以是几种驱动方式的联合使用。下面对三种驱动方式的特点简单介绍一下。1.气动驱动 气动系统成本低、结构简单，适用于节拍较快、精度要求不高且负载较小的场合，常用于抓取、弹性握持、真空吸附和点位控制工作场合，维修简单，能在粉尘、高温等恶劣环境中使用，可实现高速运作，气体泄露无影响。但是精度定位困难，冲击比较严重。 2.电动驱动根据各种电机的选择，有直流电机、步进电机、伺服电机或异步电机等电动驱动方式。适用于中等负载，特别适合运动轨迹严格、动作复杂的工业机械手。3.液压驱动液压驱动的功率体积比较大，常用于大负荷的场合。流量、压力均容易控制，可实现无级调速；结构相对简单、便于维修，反应灵敏、可实现连续轨迹控制，虽然大部分液体对温度变化敏感，油液的泄露易燃。但是综合考虑各种因素，有的中小型专用机械会应用液压驱动，重型机械手多应用液压驱动。主要原因如下节详细介绍。3.2驱动系统的选择及其计算：3.2.1液压系统的特点：这次设计机械手，我选择液压驱动，液压系统的特点如下：1、工作环境适应范围广，在易燃、易爆、强辐射、强磁、振动等恶劣环境中，液压系统具有优越性。作为轮辐磨边机出料装置，工作环境振动性较强，磨削后，空气中难免会有金属碎屑。因此适合采用液压驱动。2、动作迅速，反应敏捷。液压系统建立所需的压力只需要很短的时间。液压系统还能实现过载保护，便于安全生产。3、液压系统的结构原理简单，便于机器的维护和维修。4、能量可暂时储备，液压油储存在油罐中，当发生突然断电等情况时，其工艺流程不致突然中断，减少对机器造成的损坏。5、采用油液作为原动件，元件相对运动的两表面润滑性能好，摩擦力小，延长了使用寿命。6、液压元件是标准化、通用化、易于制造、便于设计和使用。3.2.2液压传动系统的组成：液压系统主要由：控制元件、执行部件、动力元件、工作介质和辅助装置等五部分组成。1控制元件:包括压力阀、方向阀、流量阀等。其作用是根据具体工作需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的流量、压力和流向进行控制调节。2执行部件：包括液压马达、油缸。它们的作用是能量转化 将液压能转换成机械能。马达做旋转运动，油缸做直线运动。3动力元件：主要包括油泵，其作用是通过液体，将原动机的机械能转换成液压能；是液压传动中的主要动力部分。4工作介质：工作介质是指应用于各类液压传动中的乳化液或液压油，它通过液动机和油泵实现能量转换。5辅助装置：除上述四部分以外的其他元件，包括滤油器、蓄能装置、管件、冷却器、压力表及油箱等，它们的作用同样重要。 3.2.3液压系统主要组成部件的功能： 油泵 它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。 液动机 压力油驱动运动部件对外工作部分。，液动机就是手臂伸缩油缸，因此，手臂可以做直线运动。也有作回转运动的液动机，一般称之为油马达，回转角小于360的液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸）。 控制调节装置 各种阀类，如溢流阀、节流阀、单向阀、顺序阀、调速阀、减压阀等，各起一定作用，使机械手的手腕、手臂、手指等能够完成所要求的运动。3.2.4液压缸系统的设计及其计算液压系统简介机械手的液压驱动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电机带动油泵输出压力油，将电机供给的机械能转化成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞运动，从而使手臂做伸缩、升降等运动，将油液压力能转换成机械能。手臂在运动时需要克服的摩擦力，夹紧工件的握力，都与油液的压力和活塞的有效面积有关。这种借助于运动着的压力油容积变化来传递液压传动称为容积式液压传动。活塞杆直径的计算分析圆棒中心距R=18mm 手指上端扇形半径故P=2*64*495/18=1568又P0=P/=1844.7（为液压缸的传动效率）根据液压缸类型确定油缸的结构尺寸：油缸工作时，进油腔压力油液作用于活塞上的合成液压力即驱动力应该与活塞杆上的总机械载荷相平衡。即Pz=P0=1844.7所以。油缸（即活塞）的有效面积可表示为：S=P/p1油缸（即活塞）的直径可由下式计算：D*D=4P/(p(1-0.5*0.5) (p油缸的工作压力)根据油缸内径系列，查表的D=65，故可得活塞杆直径d=35mm。夹紧油缸壁厚计算由于 （3.1）式中，D油缸内径试验压力，约为油缸最大压力的20%30%缸体材料许用拉应力。取= 4.03mm, 故取=8mm液压缸直径的设计计算考虑到液压缸内的力的分析计算，液压缸内的无杆腔所要克服的作用力为液压缸本身的摩擦阻力以及工作时做承受的工作力。力的计算公式为： （3.2）式中的符号代表：为液压缸本身的摩擦阻力F为活塞杆上输出的作用力液压缸的负载效率为： （3.3）式中的F0代表了液压缸的理论输出作用力 （3.4）的计算用计算代替 （3.5）D通过查表可得圆整后的数值为65mm因为要求d/D=0.10.4，所以可得活塞杆的直径为：d=0.1D0.4D查表可得圆整后的直径为32mm按照公式进行校核校核公式为 （3.6）由于故所以液压缸直径的设计满足要求。液压缸壁厚的设计计算为了保证液压系统的正常工作，液压缸缸筒必须要有一定的厚度来承受液压油的油压力。液压油对液压缸壁的作用力是均匀的，一般液压缸的壁厚要求为壁厚与内径的比值要小于或等于1/10。壁厚的计算公式如下： （3.7）式中符号代表内容为：液压缸缸筒的壁厚 P试验压力，取为Py=1.5PnD液压缸的内径在设计中液压缸所采用的制作材料为ZL3，所以：将部分数据代入计算公式，可得壁厚为：=3mm。在设计中，为了保证手爪夹持工件的角度张开角达到60度，活塞杆的运动长度应该为34mm。手指有一定的夹持范围，取手指的长为100mm。在设计中有两种极限位置需要考虑，一是手指没有张开角的时候，即手爪处于不工作状态的时候。这时的结构示意图如下：图3.1手爪结构示意图（1）此时机构的最小夹持半径为R=40mm.而是手指完全张开的时候，即手指处于完全夹持工作状态的时候，这时的结构示意图如下： 图3.2手爪结构示意图（2）这时的机械手手爪的张开角度为60度。最大的半径为：所以由上面的两种极限情况算得机械手的夹持半径为40mm90mm摩擦力的分析与计算分析：不同的导向截面积形状和不同的配置，其摩擦阻力是不同的，需要根据具体情况进行计算。本设计是双向导杆，导向杆对称配置在伸缩缸两侧。具体计算步骤如下：由于导向杆是对称分布的，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆进行计算。；得：,，式中 L运动的各零部件的总重量的重心与手臂到支撑前端的距离（m）; 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取钢对铸铁：取计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁 ，L=1.00-0.050=0.50m,导向支撑a设计为0.050m参与运动的各零部件所受的总重力（含工件）; 当量摩擦系数，与导向支撑的截面形状有关。对于圆柱面a导向支撑的长度（m）;密封处的摩擦阻力针对不同的密封圈，其摩擦阻力不同，在本次手臂设计中，采用圆形密封圈密封。当液压缸工作压力小于2Mpa时，液压缸密封处的总摩擦阻力可以近似为:经上述分析与计算，可以得出液压缸的驱动力为：(N)选择液压缸并计算驱动力图3.3手臂伸缩液压缸简图首先粗略的进行一下估算，并通过与其它的同类结构相类比，根据液压缸的运动参数初步确定一下相应机构的主要尺寸，然后再对估计出来的尺寸进行校核计算。对于校核出来不符合机构设计的参数再进行修改，修改完毕后在进行校核计算。如此循环往复，直到得出最终的数据，绘出最终的合适结构。在确定液压缸做水平伸缩直线运动时的驱动力的时候，根据液压缸运动时所要克服的摩擦、惯性力等等几个方面的阻力，来确定液压缸做此运动所需要的驱动力。液压缸活塞所受的驱动力的计算公式为： （3.8）上面公式里的符号：摩擦阻力。手臂在运动件表面间运动时所产生的摩擦阻力，在导向装置中表现为活塞与缸壁之间的摩擦阻力。密封装置处的摩擦阻力。在液压缸启动和制动时，活塞杆所到的受平均作用力。液压缸回油腔时的低压油液所造成的阻力。液压缸结构和工作压力的确定进过上述计算，确定了液压缸的驱动力F=4890，选择液压缸的工作压力P=3.0Mpa液压缸的机构尺寸：缸内径的计算，如下图所示： 图3.4双作用液压缸示意图当液压油进入无杆腔: （3.9）当液压油进入有杆腔： （3.10）液压缸的有效面积: （3.11） （3.12）故可得：F=6210N ，选择机械效率 将相关数据代入：根据下表，选择标准液压缸内径系列，选择D=35mm，活塞直径为20mm。表2-1 液压缸的内径系列（mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250液压缸外径的设计计算 综合考虑装配等因素，考虑到液压缸的壁厚为4mm,所以该液压缸的外径为45mm。活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞杆的运动要求和强度要求。其中，杆长L应大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算如下：本次设计确定了机械手的手臂结构，手臂采用双向导杆手臂伸缩机构，对驱动系统的液压缸的驱动力，进行了详细的计算，并对液压缸的基本尺寸进行了设计。 4 工业机械手升降结构的设计计算机械手升降结构示意图，如下：图4.1机械手升降台结构示意图4.1手臂升降运动驱动力的计算 （4.1）（1）式子中的摩擦力为其中f取值为0.16G为工件的重量（2）式中的计算公式为在计算中，首先设定速度V=4m/min。时间差值t=0.02s。G的数值近似估算为80kg。将数据代入公式得： (4.2)（3）式中的计算公式为 (4.3) (4.4)4.2机械手手臂升降运动液压缸的工作压力和结构在上面的计算中，确定了液压缸的驱动力为4890N，根据此数据来选择液压缸的工作压力，液压缸的工作压力为P=4.0MPa 然后进行液压缸内径的计算，来确定液压缸的结构尺寸。当液压油进入有杆腔时: (4.5)当液压油进入无杆腔时: 液压缸的有效面积为：所以有： F=4890N，=，选择机械效率.将有关数据代入公式：据查表可得，选择标准液压缸内径系列，选择D=45mm.活塞杆直径为25mm.（1）液压缸外径的设计根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在8mm，所以该液压缸的外径为53mm.（2）活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算： （4.6）设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径d=25mm,L=1200mm,现在进行校核。结论： 活塞杆的强度足够。5 工业机械手回转机构的计算与设计5.1回转液压缸驱动力的计算在机械手运动时，手腕部所需要提供的驱动力矩为，在手腕部回转支撑处的摩擦力矩为。当机械手指回转90度抓取时计算力矩，这时候将手指，手指驱动液压缸以及回转液压缸等效看做为一个圆柱体。摩擦力矩为等速转动角速度为在启动过程中所转过的角度为 (5.1)查取转动惯量公式有： (5.2) 代入：6 机械手未来的发展趋势目前，工业机械手的应用范围仍限于在重复简单的操作方面节省人力，代替人从事危险、繁重、单调重复，尤其是环境恶劣的工作。工业机械手主要用于铸造、热处理、机械加工等方面、无论性能、品种和数量方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要逐渐扩大应用范围、重点发展热处理、铸造等反面的机械手，以改善作业条件、减轻劳动强度。应用专用机械手的同时，发展相应的通用机械手。有条件的还可以研发计算机控制机械手、示教式机械手和组合机械手等。将机械手的各种运动构件，如伸缩、横移、摆动、仰俯、升降等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以可以根据不同的作业要求选择不同的加紧机构，便可以组成不同用途的机械手。既能用于设计制造，又能用于更换工件，扩大应用范围。还能减少冲击，正确定位，提高速度，以便于更好的发挥机械手的作用。国外机械制造业中工业机械手发展较快，应用较多。目前主要用于横锻压力机、机床的上下料，以及喷漆、点焊等作业，它能通过一定的程序来完成规定的操作。目前，国内外实际使用的大部分机械手是定位控制的，没有“触觉”和”视觉”反馈。机械手发展的主流趋势是大力研发具有特定智能的机械手，使其具有特定的传感能力，根据外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生偏移时，能自动更正并自行监测。目前对于视觉功能和触觉功能的研究，已经取得一定的成绩。此外还应大力研发记忆再现型、研究伺服型，以及具有视觉、触觉等性能的机械手，并通过与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的基本单元之一。为了使机械手用“视觉”去处理带有方位变化的工件和分辨形状不同的零部件，它通过视觉传感器输入三个视觉方向的视觉信息，用计算机进行图形分辨，以判断是否是所要抓取的工件。同时，为了防止夹持力度过大，损害物件，或力度过小使物件滑落，一般采用两种措施：1、通过检测握持物体手臂的变形幅度，来确定适当的握力；2、直接检测手爪与物件之间的滑移，来调整握力。所以，这种机械手就具有以下几方面的性能：1、能准确的抓住方位变化的物体；2、能判断物体的重量；3、能自动避开障碍物；4、抓力不足或抓空时能检测出来；这种具有感知力并能够对感知的信号做出反应的工业机械手称之为“智能机械手”，未来具有广阔的研发前景。根据目前情况分析预测，未来机械手的发展趋势如下：研制各类传感器及其传感器，如视觉、听觉、味觉、触觉和测距传感器等，用传感器感知周围的环境信息、状态信息、位置信息以完成状态检测、模式识别。提高运动精度和运动速度，减少占用空间和重量，加速机械手各功能部件的模块化和标准化，将机械手的各个控制模块、检测模块、机械模块组成不同结构的机械手。研发各类结构比较新型并能适用于不同类型的场合，如开发多关节、多自由度的手指和手臂。开发微动机构用以保证精度。开发各类行走机器人，以适应于不同场合。我相信，随着社会科技技术的不断进步与发展，在不远的未来，机械手必将得到普遍应用，代替人类从事繁重单调的劳动，更好的服务于人类，服务于社会，服务于美好的生活。结 论本次设计所要设计的机械手主要包括以下几方面的主要内容：手爪的设计，手腕的设计，手臂的设计，液压缸驱动装置的设计以及