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（學(xué)號(hào)）：
長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）譯文
電動(dòng)機(jī)座加工自動(dòng)線卸料機(jī)械手設(shè)計(jì)
Manipulator design of the processing Automatic line the material Electric base
姓 名
學(xué) 院
機(jī)電工程學(xué)院
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化
班 級(jí)
指導(dǎo)教師
2010
年
6
月
10
日
摘 要
本論文在對(duì)工業(yè)機(jī)械手總體構(gòu)思和結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合通用機(jī)械手的給定要求
和功能，對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和計(jì)算，并擬定了整體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)思想，充分考慮機(jī)、電、軟、硬件各自特點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化，對(duì)機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中結(jié)合以往機(jī)械設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)確定了機(jī)械手的詳細(xì)尺寸。在標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用中，充分考慮實(shí)際情況和標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用準(zhǔn)則進(jìn)行了選用。由于該機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)，在油路的布置和規(guī)劃中結(jié)合機(jī)械制造的基礎(chǔ)，不但使油路符合制造的可行性，而且將油路布置成空間結(jié)構(gòu)，是機(jī)械手的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔和緊湊。
在傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)中，結(jié)合各個(gè)液壓缸的動(dòng)作，對(duì)液壓油的流量和壓力進(jìn)行了分析，結(jié)合液壓原理中各種常用回路的功能和各液壓元件的選用原則，制定出了一套完整的液壓系統(tǒng)。
在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用PLC可編程控制器作為控制主機(jī)，行程開關(guān)的開合作為中間動(dòng)作信號(hào)，在加上PLC內(nèi)部延時(shí)繼電器的使用對(duì)該機(jī)械手進(jìn)行了編程，提出了一份有不同功能模塊的梯形圖。
通過(guò)以上各部分的工作，得出了實(shí)用化、高可靠性通用機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，對(duì)其他類型的數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一定的借鑒價(jià)值。
關(guān)鍵詞：通用機(jī)械手、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、PLC
Abstract
This paper in the overall industrial manipulator design and structural analysis on the basis of Combining manipulator to establish requirements and functions of the manipulator structure of the system analysis, design and calculation and the preparation of the overall drive system and control system .
Electrical and Mechanical design integration, and give full consideration to, electronic hardware and software characteristics of their respective complementary optimization, manipulator of the overall structure, transmission, drive and control system for the analysis and design .
The structural design of the course with previous experience in mechanical design of the manipulator to determine the detailed size .In the application of standard parts, and give full consideration to the actual situation and the standard parts of the selection criteria .
As the hydraulic manipulator drivers in the asphalt layout and planning with machinery manufacturing base not only with asphalt manufacturing feasibility and layout of asphalt into space structure, Manipulator is the structure more simple and compact .
Drivers in the transmission system and equipment design,the integration of the various hydraulic cylinder moves the hydraulic oil flow and pressure analysis hydraulic principles used various circuit functions and the use of hydraulic components, draw up a complete set of hydraulic systems .
In the control system design process, using PLC as the control host, Switching trip to the Middle cooperating moves signal In addition PLC internal delay relays on the use of manipulator of programming, presented a different function module ladder .
Through the above, the part of the process come to practical use, high reliability General manipulator design, for other types of CNC system design has some reference value .
Keywords :Definitive manipulator、structural design、drive system、PLC
目錄
第一章 緒論…................. ..... .................................................................................................1
1.1 研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀 ........................................................................................................1
1.2 本課題研究目的及意義........................................................................................................2
1.3 本課題的研究?jī)?nèi)容................................................................................................................2
第二章 機(jī)械手的總體計(jì)..........................................................................................3
2.1 總體方案的比較與選定........................................................................................................3
2.1.1 各種坐標(biāo)形式機(jī)械手的比較.............................................................................................3
2.1.2選定的兩個(gè)機(jī)械手方案的概述及比較...............................................................................4
2.2 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述........................................................................................7
2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu).............................................................................................................................8
2.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu).............................................................................................................................8
2.3 機(jī)械手的主要參數(shù)................................................................................................................9
2.3.1 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù).....................................................................................................9
2.3.2 機(jī)械手的主要規(guī)格參數(shù).....................................................................................................9
第三章 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)..............................................................................9
3.1 手部的設(shè)計(jì).............................................................................................................................9
3.1.1 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)..................................................................................................................9
3.1.2 手部的計(jì)算與分析.............................................................................................................10
3.2 臂部........................................................................................................................................13
3.2.1 手臂不自鎖條件................................................................................................................ 14
3.2.2 手臂回轉(zhuǎn)缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).........................................................................................................14
3.2.3 大手臂相關(guān)參數(shù)計(jì)算.........................................................................................................15
3.2.4 手臂伸縮缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...............................................................................................23
3.2.5 手臂伸縮缸的設(shè)計(jì)計(jì)算.....................................................................................................24
致 謝..................................................................................................... ...............................30
參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................31
總 結(jié)....................................................................................................................32
第 1 頁(yè)
第一章緒論
機(jī)械手，英文名mechanical hand，是指能模仿人手和臂的某些動(dòng)作和功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。
工業(yè)機(jī)械手即在工業(yè)生產(chǎn)中所使用的機(jī)械手，是一種可編程序的自動(dòng)機(jī)械手。它是在五十年代末出現(xiàn)，近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的重要的自動(dòng)化裝置，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的重要手段。目前，在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，都采用了各種不同形式，不同功能的機(jī)械手。由于機(jī)械手的出現(xiàn)，在許多生產(chǎn)工藝中都代替了人工，使工業(yè)自動(dòng)化有了較大發(fā)展，這不僅大大的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了勞動(dòng)條件，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且使成批生產(chǎn)有了質(zhì)量技術(shù)保證，就因?yàn)槿绱耍瑱C(jī)械手的設(shè)計(jì)開發(fā)成了目前工業(yè)技術(shù)的重要課題。
1.1 研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀
機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛的應(yīng)用于機(jī)加工，鍛壓，鑄造，沖壓，焊接，裝配，噴漆，熱處理等各個(gè)行業(yè)，特別是在笨重，高溫有毒，放射性，多粉塵等惡劣危險(xiǎn)的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手由于有顯著的優(yōu)點(diǎn)而備受重視。以下是機(jī)械手在工業(yè)中的幾種典型應(yīng)用：
1．旋轉(zhuǎn)體零件生產(chǎn)流水線自動(dòng)化方面
采用機(jī)械手在旋轉(zhuǎn)體零件（如軸類、盤類、環(huán)類等）生產(chǎn)流水線上的機(jī)床之間傳送工件能夠提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化。國(guó)內(nèi)已建成的這類自動(dòng)線很多，如沈陽(yáng)泵廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線（環(huán)類），大連電機(jī)廠的4號(hào)和5號(hào)電動(dòng)機(jī)軸加工自動(dòng)線（軸類），上海拖拉機(jī)齒輪廠的齒坯加工自動(dòng)線（盤類）等。加工箱體類零件的組合機(jī)床自動(dòng)線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的，如上海動(dòng)力機(jī)廠的汽缸蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。
液壓仿形車床機(jī)械手，沈陽(yáng)第三機(jī)床廠的Y38滾齒機(jī)械手，青海第二機(jī)床廠的滾銑花鍵機(jī)床機(jī)械手等。由于這方面使用已有成熟的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類機(jī)床產(chǎn)品出廠時(shí)就附上機(jī)械手，或?yàn)橛脩糇孕邪惭b機(jī)械手提供條件。
2）注塑機(jī)有加料、合模、成型、分模等自動(dòng)工作循環(huán)，裝上機(jī)械手自動(dòng)裝卸工件，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)。
3）沖床有自動(dòng)上下料沖壓循環(huán)，裝上機(jī)械手上下料，可實(shí)現(xiàn)沖壓生產(chǎn)自動(dòng)化。目前機(jī)械手在沖床上應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是160t以上的沖床用機(jī)械手的較多。如沈陽(yáng)低壓開關(guān)廠200t沖床磁力起動(dòng)器殼體下料機(jī)械手和天津拖拉機(jī)廠400t沖床的下料機(jī)械手等;一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進(jìn)。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手（生產(chǎn)線中有兩臺(tái)多工位沖床）和天津二輕局技術(shù)研究所制作的12t和40t多工位沖床機(jī)械手等。
3.在鑄、鍛、焊等熱處理方面
在鍛造方面，機(jī)械手一般用做加熱爐，鍛壓機(jī)床或沖床的上下料和工件的傳送，其中包括多工位沖床的中間傳送。如：天津第二鍛造廠研究了JS01通用機(jī)械手用于精鍛機(jī)上下料。
在鑄造方面，機(jī)械手應(yīng)用較多的是在熔模鑄造中，也用于澆鑄，造型，制芯及清理工作。美國(guó)Dochlcn-jarvis工廠是使用工業(yè)機(jī)械手最多的，約12萬(wàn)臺(tái)，主要用于從壓型中取出鑄件，然后用噴氣法清洗鑄件表面，該廠使用機(jī)械手后鑄件質(zhì)量得到了很大提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)。
在焊接方面，焊接機(jī)械手也是應(yīng)用較多的，這種機(jī)械手可分為點(diǎn)焊接機(jī)械手和弧焊接機(jī)械手。對(duì)于點(diǎn)焊接機(jī)械手，其手臂能伸縮，俯仰，回轉(zhuǎn)，手腕能擺動(dòng)，回轉(zhuǎn)，俯仰。至于弧焊接機(jī)械手，它的焊炬能作復(fù)雜三維曲線運(yùn)動(dòng)以調(diào)節(jié)焊接范圍。
4．在裝配方面
工業(yè)機(jī)械手在裝配中的應(yīng)用，是近幾年國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展的一個(gè)重要方面，特別是在汽車制造業(yè)的汽車裝配自動(dòng)化和彈藥裝配等危險(xiǎn)作業(yè)上有很大的使用價(jià)值。目前裝配機(jī)械手正由串聯(lián)結(jié)構(gòu)向并聯(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。
1.2 本課題研究目的及意義：
工業(yè)機(jī)械手具有許多人類無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，滿足了社會(huì)化大生產(chǎn)的需要，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：
1.能代替人從事危險(xiǎn)、有害的操作。只要根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機(jī)械手就可以在異常高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險(xiǎn)環(huán)境中勝任工作。工傷事故多的工種，如沖壓、壓鑄、熱處理、鍛造、噴漆以及有強(qiáng)烈紫外線照射的電弧焊等作業(yè)中，應(yīng)推廣工業(yè)機(jī)械手或機(jī)器人。
2.能長(zhǎng)時(shí)間工作，不怕疲勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動(dòng)中解放出來(lái)，并能擴(kuò)大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾小時(shí)后，總會(huì)感到疲勞或厭倦，而機(jī)械手只要注意維護(hù)、檢修，即能勝任長(zhǎng)時(shí)間的單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)。
3.動(dòng)作準(zhǔn)確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)又可避免人為的操作錯(cuò)誤。
4.機(jī)械手特別是通用工業(yè)機(jī)械手的通用性、靈活性好，能較好地適應(yīng)產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。
5.機(jī)械手能明顯地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本。
由于機(jī)械手在工業(yè)自動(dòng)化和信息化中發(fā)揮了以上巨大的作用，世界各國(guó)都很重視工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用在我過(guò)還屬于起步階段，就顯示出了許多的無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。近十幾年來(lái)，機(jī)械手的開發(fā)不僅越來(lái)越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。
成品電動(dòng)機(jī)機(jī)體形狀很復(fù)雜，從毛胚到成品需要完成很多道加工工序，各道工序及工序之間都要實(shí)現(xiàn)機(jī)體的移位及定位，這些工序如果全靠人工完成將大大增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，不僅使加工質(zhì)量難以得到保證還增加了勞動(dòng)的危險(xiǎn)性。本課題的研究是為了設(shè)計(jì)出一種電動(dòng)機(jī)機(jī)體加工自動(dòng)線上用的輔助機(jī)械手，該機(jī)械手在機(jī)體加工自動(dòng)線能完成上料，轉(zhuǎn)位和翻轉(zhuǎn)等多種功能，提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。
1.3 本課題的研究?jī)?nèi)容 ：
本次設(shè)計(jì)的多功能機(jī)械手用于電動(dòng)機(jī)座加工自動(dòng)線上，主要由手爪、小臂、大臂等組成，具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按該自動(dòng)線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動(dòng)作。本機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，自動(dòng)線圍繞機(jī)體布置，具有大手臂旋轉(zhuǎn)、小手臂伸縮、手指伸縮共2個(gè)自由度。其中大手臂旋轉(zhuǎn)是為了將工件從自動(dòng)線轉(zhuǎn)移到卸料工位上，小臂升降手指伸縮是重復(fù)自由度，目的是擴(kuò)大升降范圍，避免小手臂頻繁升降；驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)，且選用雙聯(lián)葉片泵，系統(tǒng)壓力為2.5MPa，電機(jī)功率為3KW，共有推動(dòng)大臂旋轉(zhuǎn)油缸、小臂升降油缸、、手爪夾緊油缸共3個(gè)液壓缸；定位采用機(jī)械擋塊定位，定位精度為0.5～1mm，采用行程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制。
本機(jī)械手裝置應(yīng)具備如下功能；
1. 具有友好的人機(jī)界面，以保證人機(jī)通訊、人機(jī)互助和人機(jī)協(xié)同工作。
2.能夠自動(dòng)完成系統(tǒng)所要求的動(dòng)作，具有連續(xù)工作、單周期工作、單步工作、自動(dòng)返回原點(diǎn)、手動(dòng)返回原點(diǎn)、手動(dòng)操作等功能。
3.在保證精度的前提下，有一定的容錯(cuò)性。
4.能夠依次對(duì)柴油機(jī)機(jī)體完成上料、轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)等輔助加工功能。
5.在保證完成以上功能的前提下具有一定的通用性，使該機(jī)械手在整個(gè)柴油機(jī)機(jī)體加工自動(dòng)線都具有一定的適應(yīng)性。
第二章 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
2.1 總體方案的比較與選定
2.1.1 各種坐標(biāo)形式機(jī)械手的比較
按坐標(biāo)形式分，機(jī)械手主要有以下四種不同的類型：
1. 直角坐標(biāo)式
2. 圓柱坐標(biāo)式
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手需要在電動(dòng)機(jī)座加工自動(dòng)線卸料，包括上料，升降，轉(zhuǎn)位，等多種功能。結(jié)合設(shè)計(jì)要求對(duì)各種坐標(biāo)形式的機(jī)械手的優(yōu)缺點(diǎn)作出評(píng)析，
如下：
1. 直角坐標(biāo)式機(jī)械手（如圖2.1）。這種機(jī)械手所有的送放運(yùn)動(dòng)均為直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直觀性好，便于實(shí)現(xiàn)一定的精度要求，但本機(jī)械手需要在多個(gè)工位上完成輔助加工功能，故在相同的動(dòng)作范圍內(nèi)其所需要的空間位置大，靈活性差，同時(shí)由于手爪部分移動(dòng)，不利于電液集中配置。
圖2.1 直線坐標(biāo)式機(jī)械手
2. 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手（如圖2.2）。這是一種回轉(zhuǎn)型機(jī)械手，其手臂除了可以伸縮，可以升降外，還可以繞立柱回轉(zhuǎn)。這種機(jī)械手與直角坐標(biāo)式機(jī)械手相比，占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)亦比較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度。但是，它的手臂的升降受到機(jī)械手結(jié)構(gòu)的限制，距離地面總有一定的距離，不能從地面抓取物件，因此不能完成上料的工序。
圖2-2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手
1— 手部 2—腕部 3—臂部
2.1.2選定的兩個(gè)機(jī)械手方案的概述及比較
2.1兩種方案概述
根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)要求，該機(jī)械手能夠完成上料、升降、轉(zhuǎn)位工件等多種功能，所以，在這里設(shè)計(jì)了四個(gè)機(jī)械手將要到達(dá)并完成輔助加工的工位，依次是：上料工位、升降工位、轉(zhuǎn)位工位、再次轉(zhuǎn)位工位（見(jiàn)圖2.6和2.7）。機(jī)械手在一個(gè)周期內(nèi)的動(dòng)作過(guò)程如下：
一．上料。機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)開始前面向第一工位。開始工作后，機(jī)械手的小手臂的升降缸將手部5下降到取料位置，手部上的定位壓盤正卡在工件已加工完的上端止口及其端面上，同時(shí)，手指伸縮油缸1的活塞桿下端連接著帶圓錐面得推動(dòng)桿6，使內(nèi)撐式手部的三個(gè)手指伸入到工件內(nèi)的空槽中。
二．完成以上動(dòng)作后，機(jī)械手轉(zhuǎn)向第二工位，將工件升起，小手臂2的油缸上升，將工件提起到預(yù)定的高度。
三．接下來(lái)，大手臂回轉(zhuǎn)90度（當(dāng)前輸送帶前進(jìn)到終點(diǎn)發(fā)信）。
四．然后小手臂下降到工件準(zhǔn)確地放到轉(zhuǎn)載裝置前輸送帶的適當(dāng)位置上。
完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，機(jī)械手轉(zhuǎn)向第一工位，處于“回到原點(diǎn)”狀態(tài)。這時(shí)，第一工位的專機(jī)已經(jīng)完成加工處于“等候上料”狀態(tài)，機(jī)械手在第一工位再次完成上料后轉(zhuǎn)向第二工位，這時(shí)，在第一工位加工完畢的機(jī)體已經(jīng)順著自動(dòng)線傳至第二工位，機(jī)械手將其轉(zhuǎn)位使其完成第二工位的加工。在連續(xù)工作狀態(tài)中機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程如上所述依次循環(huán)。
總結(jié)上述各種形式的機(jī)械手，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下設(shè)計(jì)出以下兩種方案。
方案一：外形圖及運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下
圖2.5 方案一外形圖
圖2.6 方案一運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
這是一種屈伸型機(jī)械手，該機(jī)械手具有與人體上肢相類似的結(jié)構(gòu)。臂部由大臂和小臂兩個(gè)部分組成。除了大臂本身具有回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)外，小臂相對(duì)于大臂也可以俯仰，通過(guò)大臂和小臂的俯仰來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮，通過(guò)機(jī)身的回轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)使手臂面向不同的工位。該機(jī)械手有E1-E5（見(jiàn)圖2.6）共5個(gè)自由度，其中：
E1：機(jī)身繞機(jī)座回轉(zhuǎn)
E2：大臂的俯仰
E3：小臂的俯仰
E4：手腕的俯仰
E5：手腕的回轉(zhuǎn)
這種機(jī)械手采用直線式流水線，待加工的柴油機(jī)機(jī)體從流水線上依次流到A,B,C,D四個(gè)工位，機(jī)械手通過(guò)機(jī)身的回轉(zhuǎn)依次停在四個(gè)工位，分別完成上料、轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)、再次轉(zhuǎn)位四個(gè)輔助加工動(dòng)作。通過(guò)大臂、小臂和手腕的俯仰使機(jī)械手到達(dá)四個(gè)工位點(diǎn)，通過(guò)手腕的俯仰和翻轉(zhuǎn)使手爪能夠有正確的夾持姿態(tài)。
方案二：外形圖及運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下
圖2.8 方案二外形圖
圖2.9 方案二運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
這是一種圓柱坐標(biāo)坐標(biāo)式機(jī)械手。該機(jī)械手由機(jī)座、機(jī)身（即立柱）、大臂、小臂、手腕和手爪組成。有E1-E3共2自由度（立柱升降自由度E2和小臂升降自由度E3是重復(fù)自由度），其中：
E1:大手臂回轉(zhuǎn)
E2:手指伸縮
E3:小手臂升降
該機(jī)械手由直動(dòng)式液壓缸推動(dòng)齒條式活塞桿通過(guò)齒條與套在機(jī)座上的齒圈的嚙合來(lái)驅(qū)動(dòng)大手臂回轉(zhuǎn)；由直動(dòng)式液壓缸推動(dòng)小臂升降；由直動(dòng)式液壓缸推動(dòng)手指夾緊，彈簧自動(dòng)復(fù)位。
在工作中，自動(dòng)流水線環(huán)繞機(jī)座兩旁布置， 機(jī)械手在一個(gè)工位完成輔助加工后，縮回手臂，大手臂依次回轉(zhuǎn)到下一工位，伸出手臂完成相應(yīng)的功能。
2.1.2.2 兩種方案的比較
兩種方案通過(guò)流水線的不同布置都能使手爪到達(dá)指定的工位并且都能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能，手爪都具有足夠的自由度，能從正確的方位夾持電動(dòng)機(jī)座體。兩種方案都具有電液集中，占地面積小，可以從地面上抓取工件的優(yōu)點(diǎn)。所不同的是：方案一通過(guò)腰部的回轉(zhuǎn)、大臂的俯仰及小臂的俯仰來(lái)使手爪到達(dá)正確的工位，而方案二是通過(guò)大手臂回轉(zhuǎn)、小手臂的升降和手指伸縮來(lái)使手爪到達(dá)正確的工位。
但是，方案一運(yùn)動(dòng)直觀性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。首先，其臂部位置由多個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)決定，手臂在俯仰時(shí)其底部回轉(zhuǎn)角度的誤差容易在手臂端部造成誤差擴(kuò)大，通過(guò)大臂、小臂、手腕的回轉(zhuǎn)誤差累積，最終容易使手爪位置與指定位置有較大偏差。其次，越靠近機(jī)身的俯仰運(yùn)動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)力越大，使整個(gè)系統(tǒng)各液壓缸工作壓力相差很大，不易配置液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)且回轉(zhuǎn)缸出力不大。再次，方案一的手臂有多種屈伸狀態(tài)，則需要很多的定位裝置，而回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)空間狹小，不宜布置過(guò)多的機(jī)械擋塊。如果改采用連續(xù)軌跡控制的機(jī)械手，成本太高。所以在第二種方案中齒條嚙合安裝在手臂上的齒輪來(lái)推動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)，在齒條式活塞桿的端部安裝凸塊，在活塞桿的行程上安裝控制緩沖和停止的開關(guān)，由凸塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程壓合行程開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)的控制。
綜上所述，本課題采用第二種方案
2.2 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述
本課題所設(shè)計(jì)的是一種在電動(dòng)機(jī)機(jī)體加工自動(dòng)線上用的多功能機(jī)械手，屬于工業(yè)用機(jī)械手。同大部分工業(yè)機(jī)械手一樣，它是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，其組成示意圖如下：
圖2.11 機(jī)械手組成框圖
2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
1. 手部。即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型。由于回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為了減輕手部的重量，本設(shè)計(jì)采用回轉(zhuǎn)型。手爪多為兩指（也有多指），根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。本課題設(shè)計(jì)的多功能機(jī)械手需要抓取的是電動(dòng)機(jī)座體，為了便于機(jī)械手結(jié)構(gòu)尺寸的確定以及各部分的受力分析和計(jì)算，本文以JO2系列1～5號(hào)電動(dòng)機(jī)座。由于電動(dòng)機(jī)座機(jī)體內(nèi)部形狀不是很有規(guī)則，本手爪采用寬大的三指型并且在指的內(nèi)側(cè)粘貼一層橡膠以增大摩擦，就像人的手指上附有皮肉。
傳力機(jī)構(gòu)型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。
2.臂部。臂是支承被抓物、手部的重要部件。手部的作用是帶動(dòng)手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬到預(yù)定的位置。
手臂有兩個(gè)自由度，可采用直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)），球坐標(biāo)（前后伸縮、上下擺動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)）和多關(guān)節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。
2.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械式四種形式。氣動(dòng)式速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位時(shí)，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N 以下。液動(dòng)式的出力大，臂力可達(dá)1000N以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機(jī)械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在1mm范圍內(nèi)。目前常用的是氣動(dòng)和液動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)式用于小型，機(jī)械式只用于動(dòng)作簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。
1.各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)
工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),按動(dòng)力源分為液壓,氣動(dòng)和電動(dòng)三大類.根據(jù)需要也可由這三種基本類型組成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).
（1）液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù),它具有動(dòng)力大,力(或力矩)慣量比大,快速響應(yīng)高,易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn),適用于承載能力大,慣量大以及在防爆環(huán)境中工作的機(jī)械手.
（2）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 具有速度快,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維修方便,價(jià)格低等特點(diǎn),適用于中,小負(fù)載的系統(tǒng)中.但難于實(shí)現(xiàn)伺服控制,多用于程序控制的機(jī)械手中.如在上下料和沖壓機(jī)械手中應(yīng)用較多.
（3）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 由于低慣量,大轉(zhuǎn)矩的交,直流伺服電機(jī)及配套的伺服驅(qū)動(dòng)器(交流變頻器,直流脈沖調(diào)制器)的廣泛采用,這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)械手中被大量選用.
2.工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則
設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí),選擇哪一類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),要根據(jù)機(jī)械手的用途,作業(yè)要求,機(jī)械手的性能規(guī)范,控制功能,維護(hù)的復(fù)雜程度,運(yùn)行的功耗,性能與價(jià)格比以及現(xiàn)有條件等綜合因素加以考慮.在注意各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,綜合上述各因素,充分論證其合理性,可行性,經(jīng)濟(jì)性以及可靠性后進(jìn)行最終的選擇.
一般情況下機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇大致按如下原則:
（1）物料搬運(yùn)(包括上下料)用有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)械手,重負(fù)載的可選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),中等負(fù)載的可選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),輕負(fù)載的可選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).
（2)用于點(diǎn)焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)械手,要求具有任意點(diǎn)位和軌跡控制功能,需采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).
2.3 機(jī)械手的主要參數(shù)
2.3.1 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)
本課題為電動(dòng)機(jī)機(jī)體加工線上的輔助裝置之一，機(jī)械手在機(jī)體加工自動(dòng)線上完成上料，轉(zhuǎn)位和翻轉(zhuǎn)等多種功能。以JO2系列1～5號(hào)電動(dòng)機(jī)座為例，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：
（1） 最大抓取重量: 35Kg
（2） 械手的自由度: 2個(gè)
（3） 坐標(biāo)型式：類似圓柱坐標(biāo)
（4） 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：大手臂回轉(zhuǎn)（φ） 90度
小手臂升降（Z） 400毫米
（5） 手指夾持范圍： 孔徑252毫米
（6） 定位方式： 行程擋鐵
（7） 定位精度： 0.5mm
（8） 驅(qū)動(dòng)方式： 液壓
（9）性能要求：抓取靈活，送放平穩(wěn)，定位可靠。
2.3.2 機(jī)械手的主要規(guī)格參數(shù)
工業(yè)機(jī)械手的規(guī)格參數(shù)，是說(shuō)明機(jī)械手規(guī)格的具體指標(biāo)，包括以下幾個(gè)方面：
1）自由度數(shù)目和坐標(biāo)形式：自由度2個(gè)，坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)式。
2）定位方式：機(jī)械擋塊和行程開關(guān)。
3）驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)。
4）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)
5) 程序編制方法：PLC。
6）控制系統(tǒng)動(dòng)力：電。
7）驅(qū)動(dòng)源：液壓，壓力為2.5MP，液壓泵CE-B25型齒輪泵，電動(dòng)機(jī)是JO2-41-6型，功率為3kW。
8）重量：35kg。
第三章 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 手部的設(shè)計(jì)
3.1.1 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
手部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題：
（1） 手指需有足夠的夾緊力。
（2） 手指應(yīng)有一定的開閉角度范圍，其大小應(yīng)滿足工件尺寸變化的需要。
（3） 應(yīng)能保證工件的準(zhǔn)確定位。
（4） 結(jié)構(gòu)盡量緊湊、減輕重量，以利于臂部設(shè)計(jì)。
手部的結(jié)構(gòu)與分類：
手部就是與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)被夾持工件是圓柱刀柄時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)該機(jī)械手做其他用途，被夾持工件是板料時(shí)，可使用氣流負(fù)壓式吸盤。
夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
吸附式手部分為空氣負(fù)壓吸盤和電磁吸盤兩種。空氣負(fù)壓吸盤對(duì)所吸附的工件的材質(zhì)不限，但要求工件表面較平整?？諝庳?fù)壓吸盤按形成負(fù)壓的方法分為擠氣式，氣流負(fù)壓噴嘴式，真空泵式。電磁吸盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但僅適用吸附磁性工件，并應(yīng)注意被吸附的工件有剩余磁性的問(wèn)題。電磁吸盤按結(jié)構(gòu)形式分為固定式和轉(zhuǎn)動(dòng)式。
手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。
3.1.2 手部的計(jì)算與分析
一. 夾緊力（握力）的確定 :
本設(shè)計(jì)中機(jī)械手手爪在夾持工件時(shí)，都是手指在水平位置上夾持垂直放置的工件，其夾握力分析簡(jiǎn)圖如下圖3.2
圖3.2 夾握力分析簡(jiǎn)圖
N=
式中，N ——夾持工件時(shí)所需要的握力；
G——工件的重量，G =35kg =350N ；
f——摩擦系數(shù)，取 f = 21.0 ；
電動(dòng)機(jī)座機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面并不平整。為了增大夾握力，可以采取以下兩種方法：一，加大手指寬度以增加手指和機(jī)體的接觸面積；二，增大手指和機(jī)體間的摩擦系數(shù)。為此本設(shè)計(jì)一方面采用較寬手指，另一方面在手指內(nèi)側(cè)粘結(jié)波濤形的橡膠墊，如圖3.1所示，故此f 處取0.21。
將上述數(shù)值代入得 N===833.33N
考慮到工件在傳送過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生慣性力，振動(dòng)以及受到傳力機(jī)構(gòu)效率等得影響，故實(shí)際握力還應(yīng)按下式計(jì)算：
式中， η ——手部的機(jī)械效率，一般η=0.85~0.95；
K——安全系數(shù)，一般取K =1.22;
K ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，按下式估算：K=1+，
其中，a為抓取工件傳送過(guò)程中的最大加速度，g為重力加速度。
若取η=0.9；按K=1.5 ，K按a=計(jì)算，K=1+，則
=833.33*2083.33N
因?yàn)檫@個(gè)機(jī)械手手指不是完全靠摩擦力去夾緊工件，假如這個(gè)完全是靠摩擦力的話，則每個(gè)手指需要承受的握力N=/3=2083.33/3=694.44N
二，夾緊液壓缸主要尺寸得確定
1．液壓缸內(nèi)徑D D=13.1
式中，P——驅(qū)動(dòng)力，即液壓缸得實(shí)際工作載荷；
——系統(tǒng)得工作壓力，=2.5Mpa =2.5N/
——機(jī)械效率，一般取=0.95
將上述數(shù)值代入得:
D=13.1=13.1= 24.83 mm25 mm
按JB826－66(GB2348-80)標(biāo)準(zhǔn)系列直徑圓整，取D=45mm d=20mm（活塞桿直徑）
2. 液壓缸壁厚δ
δ =
式中，——試驗(yàn)壓力，=1.3*2.5=3.25Mpa
[σ]——許用壓力，選用鑄鐵材料，[σ]=60Mpa
將已知數(shù)據(jù)代入上式得:
δ == 1.125 mm
取δ =11 mm
3.液壓缸外徑及長(zhǎng)度l
=D+2δ=45+2*11=67mm
l(2030),由結(jié)構(gòu)需要確定，取長(zhǎng)度l=40 mm
4.活塞桿的計(jì)算
活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度的要求。對(duì)于桿長(zhǎng)l大于直徑d的15倍（即）的活塞桿還必須具有足夠的穩(wěn)定性。l >15 d
有總體設(shè)計(jì)可知l=40mm,d=20m，所以這里只對(duì)桿進(jìn)行強(qiáng)度的校核。
式中：
F—驅(qū)動(dòng)力（N）
d—活塞桿直徑（m）
[]—材料的許用應(yīng)力（Pa） 碳鋼取[]=100—120MPa
==36.5Mpa< 120Mpa
對(duì)于軸的直徑的校核：
d≥==1.70m
所以軸的直徑d=20mm滿足要求
5.穩(wěn)定性校核
當(dāng)活塞桿L>15d時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。該手臂活塞桿L<15·20=300mm
故無(wú)需穩(wěn)定性校核。
3.2 臂部
手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(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)。
臂部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：
（1）剛度要好 手臂的截面形狀選擇要合理，常用鋼管作手臂和導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板，以保證有足夠的剛度。
（2）偏重力矩要小 所謂偏重力矩指臂部的重量對(duì)其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的矩。
（3）重量要輕，慣量要小 由于機(jī)械手在高速情況下經(jīng)常起停和換向，為了減
少?zèng)_擊，必須有緩沖裝置。
（4）導(dǎo)向性要好 為了防止手臂在直移運(yùn)動(dòng)中沿運(yùn)動(dòng)軸線不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手部的正確方向，必須有導(dǎo)向裝置。其結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，抓取重量和運(yùn)動(dòng)行程等因素來(lái)確定。
臂部的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或氣缸）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)又較多，故受力復(fù)雜。因此，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直接影響機(jī)械手的工作性能。
有本機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)可知該臂部分兩部分：回轉(zhuǎn)缸和伸縮缸?；剞D(zhuǎn)缸實(shí)現(xiàn)的是手臂旋轉(zhuǎn)，伸縮缸實(shí)現(xiàn)的是手臂升降。
3.2.1手臂不自鎖條件
對(duì)于懸臂式的機(jī)械手,其傳動(dòng)件,導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理,使手臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程盡可能平衡,以減少對(duì)升降支承軸線的偏心力矩,特別要防止發(fā)生“卡死”現(xiàn)象（自鎖現(xiàn)象）．為此，必須使之滿足不自鎖的條件．
Ｇ總＝Ｇ工件＋Ｇ手爪＋Ｇ手腕＋Ｇ手臂
?。剑ǎ?
偏心位置：
?。?
?。絤
偏重力矩：
Ｍ偏＝＝＝Ｎ．M
升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件為：
h=0.32*1.03=0.33m
即h=0.4mm故不會(huì)自鎖
3.2.2手臂回轉(zhuǎn)缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
大臂實(shí)現(xiàn)的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，符合一般液壓缸的設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，其結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。其為典型大臂結(jié)構(gòu)中具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的大臂結(jié)構(gòu)。直接用液壓（氣）缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)小臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。
圖3-6
3.2.3大手臂相關(guān)參數(shù)計(jì)算
1.由圖3-6可知，大手臂完成旋轉(zhuǎn)90度，通過(guò)液壓系統(tǒng)帶到軸1來(lái)回運(yùn)動(dòng)，通過(guò)軸3的齒輪（齒條）帶動(dòng)軸1運(yùn)動(dòng)，軸1運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)該軸上的齒輪1運(yùn)動(dòng)，然后帶動(dòng)軸3動(dòng)，完成大手臂的旋轉(zhuǎn)，達(dá)到指定的加工自動(dòng)線的預(yù)定位置！旋轉(zhuǎn)地角度通過(guò)擋鐵來(lái)定位（旋轉(zhuǎn)90度）。構(gòu)成大手臂的零件由軸1，軸2和軸3；一對(duì)嚙合直齒輪和一對(duì)直向嚙合齒輪，根據(jù)設(shè)計(jì)要求大手臂最終的目的是‘完成來(lái)回90度的轉(zhuǎn)動(dòng)’。在這里我們需要根據(jù)軸1運(yùn)動(dòng)行程S和嚙合直此輪的傳動(dòng)比i共同完成。首先我們需要選擇軸和此輪。
1.1．首先選擇軸的型號(hào)
由于大手臂沒(méi)有特殊的要求，因而選用調(diào)質(zhì)處理的45鋼，初步估算最小軸徑：
已軸2為選擇對(duì)象，齒輪的功率P=0.5KW.轉(zhuǎn)速=6.9r/min（見(jiàn)后頁(yè)數(shù)據(jù)演算）取C=110，于是得
==110=45.8mm
由此可知軸2的軸徑
則選擇=50mm
同理可知=120mm
1.2．對(duì)于軸的直徑的校核：
d≥==5.05m
所以軸的直徑d=90mm滿足要求
1.3.穩(wěn)定性校核
當(dāng)活塞桿L>15d時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。該手臂活塞桿L<15·90=1350mm
故無(wú)需穩(wěn)定性校核。
2．由圖由圖3-6可知，大手臂完成旋轉(zhuǎn)90度，通過(guò)齒輪來(lái)完成的，由上面計(jì)算可知根據(jù)要求我們已經(jīng)選擇了兩個(gè)軸，軸徑=50mm、=120mm對(duì)此我們根據(jù)數(shù)據(jù)選擇齒輪：
2.1．按照齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度初步計(jì)算齒輪參數(shù)
因?yàn)檫x用閉式硬齒面齒輪傳動(dòng)，故先按齒面彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
式中各參數(shù)為：
2.1.試選載荷系數(shù)=1.6 ；
2.2.計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩
T=9.55=9.55=692028
2.3.按表選擇齒寬系數(shù)為φ；
2.4.取=35,則=1.8635=65 ;
2.5.查表得齒形系數(shù)，，應(yīng)力校正系數(shù)，，
2.6.許用彎曲應(yīng)力由公式計(jì)算 ；
查表得彎曲疲勞極限==310Mpa
由Y=2.0,取安全系數(shù)=1.4.
小齒輪和大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別是:
N=60=606.91（1630010）=同理可知=120mm
1.2．對(duì)于軸的直徑的校核：
d≥==5.05m
所以軸的直徑d=90mm滿足要求
1.3.穩(wěn)定性校核
當(dāng)活塞桿L>15d時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。該手臂活塞桿L<15·90=1350mm
故無(wú)需穩(wěn)定性校核。
2．由圖由圖3-6可知，大手臂完成旋轉(zhuǎn)90度，通過(guò)齒輪來(lái)完成的，由上面計(jì)算可知根據(jù)要求我們已經(jīng)選擇了兩個(gè)軸，軸徑=50mm、=120mm對(duì)此我們根據(jù)數(shù)據(jù)選擇齒輪：
2.1．按照齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度初步計(jì)算齒輪參數(shù)
因?yàn)檫x用閉式硬齒面齒輪傳動(dòng)，故先按齒面彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
式中各參數(shù)為：
2.1.試選載荷系數(shù)=1.6 ；
2.2.計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩
T=9.55=9.55=692028
2.3.按表選擇齒寬系數(shù)為φ；
2.4.取=35,則=1.8635=65 ;
2.5.查表得齒形系數(shù)，，應(yīng)力校正系數(shù)，，
2.6.許用彎曲應(yīng)力由公式計(jì)算 ；
查表得彎曲疲勞極限==310Mpa
由Y=2.0,取安全系數(shù)=1.4.
小齒輪和大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別是:
N=60=606.91（1630010）=
N= N/u=/1.86=1.068
查表可得彎曲疲勞壽命系數(shù)
==443Mpa
=
=
所以 ==0.00980
=
=2.94mm
3．確定傳動(dòng)尺寸
3.1.計(jì)算圓周速度。
V=（其中φ為4秒轉(zhuǎn)過(guò)的角速度，有些數(shù)據(jù)參考后面的計(jì)算）
=3.14
=0.051m/s
3.2.計(jì)算載荷系數(shù)K
各系數(shù)選擇如下：
查表可得使用系數(shù)K=1.5
由V=0.051m/s可得動(dòng)載系數(shù)K=1.0
查表得齒間載荷分配系數(shù)K=1.2
查圖得齒向載荷分布系數(shù)=1.05
可得
K= K K K=1.51.01.21.05=1.89
3.3.對(duì)進(jìn)行修正
m==2.94=3.11mm
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=4
3.4.計(jì)算中心距
a==
3.5．計(jì)算分度圓直徑。
435=140mm
465=260mm
3.6.計(jì)算齒頂圓直徑
140+22=144mm
260+22=264mm
3.7.計(jì)算齒寬。
b=0.7140=98.則b=98，b=（510）=104mm
但是由于設(shè)計(jì)的空間局限性，
我們選擇齒寬為b=45mm
4.校核齒輪接觸疲勞強(qiáng)度
4.1.由公式
σ=
式中各參數(shù)為：
1.K,T,,,u值同前
2.區(qū)域系數(shù)Z=2.5
3.查表可得彈性影響系數(shù)Z=189.8MPa
4.許用接觸應(yīng)力即按計(jì)算
查表可得接觸疲勞極限==1100Mpa，接觸疲勞壽命系數(shù)Z= Z=1.0,取安全系數(shù)S=1.0,則
=11001.0/1.0=1100Mpa
= Mpa
=5431 Mpa
滿足齒輪接觸疲勞強(qiáng)度。
4.2. 齒輪2用上述方法同樣可以得出是滿足齒輪接觸疲勞強(qiáng)度的，故所選的齒輪式可靠的，能夠正常使用！
4.3. 按照設(shè)計(jì)要求和參數(shù)設(shè)計(jì)范圍，齒輪齒條兩個(gè)零件的參數(shù)用上述方法得出，這里不一一計(jì)算，有些數(shù)據(jù)后頁(yè)由詳細(xì)計(jì)算！
5．大臂回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服以下幾種阻力。
一、小臂回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩M摩
一般為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取 M摩＝0.1M總阻力矩摩
二、克服啟動(dòng)慣性所需的力矩M慣
啟動(dòng)過(guò)程近似等加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)大臂回轉(zhuǎn)的角速度ω及啟動(dòng)所用時(shí)間t，按下式計(jì)算：
M慣 =J
或者根據(jù)大臂角速度ω及啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)過(guò)的角度φ啟按下式：
M慣＝J
式中J ——大臂回轉(zhuǎn)部分對(duì)大臂回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(N)
ω ——小臂回轉(zhuǎn)過(guò)程的角速度（1/s）；
——啟動(dòng)過(guò)程中所需時(shí)間（s），一般取0.05-0.3s；
——啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度（rad）。
大臂回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力矩相當(dāng)于上述二項(xiàng)之和：
= M摩+ M慣
具體計(jì)算過(guò)程如下：
設(shè)：（1）手爪、手爪驅(qū)動(dòng)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，高30cm，直徑8cm,其所受重力為117.6N，
（2）摩擦阻力矩M摩＝0.1M總阻力矩摩
（3）啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度α=90
由題意綜合估計(jì)F=2000N（計(jì)算過(guò)程參考小手臂總驅(qū)動(dòng)力）
6. 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸
圖 3-8 小手臂升降液壓缸
當(dāng)油進(jìn)入有桿腔時(shí)
F=P
液壓缸的有效面積：
S=
故