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机器人焊接论文随着科技的进展与工业需求的增加，焊接技术在工业生产中所占据的分量越来越大，而且焊接技术的优良程度直接影响着零件或者产品的质量。国内焊接机器人应用虽已具有一定规模，但与我国焊接生产总体需求相差甚远。因此，大力研究并推广焊接机器人技术势在必行。本设计的重点是运用机械原理与机械制造装备设计方法设计焊接机器人的实践与方法。本次设计，是在熟悉焊接机器人在国内外现状的基础上，继而掌握焊接机器人内部结构与工作原理，并对手臂与腕部进行结构设计。合理布置了液压缸。同时熟悉机器人机械系统运动学及运动操纵学。为工业上焊接机器人的设计提供理论参考、设计参考与数据参考，为工业设计者提供设计理论与设计实践的参考。该机器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点。关键字：焊接机器人液压系统机械机构设计AbstractWiththedevelopmentoftechnologyandtheincreaseinindustrialdemand,weldinginindustrialproductionoccupiedmoreandmoreweight,andexcellentweldingtechnologydirectlyaffectsthedegreeofthequalityofpartsorproducts.Althoughthedomesticapplicationofweldingrobotwithacertainscale,butfallsfarshortoftheoveralldemandforwelding.Therefbre,greateffortstostudyandpromotetheweldingrobottechnologyisimperative.Thefocusofthisdesignistheuseofmechanicaltheoryanddesignofmachineryandequipmentdesignandmethodsofpracticeweldingrobot.Thedesignoftheweldingrobotinunderstandingthebasisofthestatusquoathomeandabroad,andthengrasptheweldingrobotandworkingprincipleoftheinternalstructure,andstructuraldesignofthearmandwrist.Rationalarrangementofthehydrauliccylinder.Atthesametimeunderstandtherobotmechanicalsystemkinematicsandmotioncontrolstudy.Forthedesignofindustrialweldingrobotstoprovideatheoreticalreference,referenceanddatareferencedesignforindustrialdesignersanddesignpractice,designtheoryreference.Therobothasagoodrigidity,highprecisionlocation,stablecharacteristics.KeywordjWeldingrobot;hydraulicsystem;mechanicalstructuredesign目录摘要错误!未定乂书签。AbstractI目录I第1章引言1第2章焊接机器人的总体方案22.1 总体设计的思路22.2 自由度与坐标系的选择22.3 传动方案论证32.4 焊接机器人的构成52.4.1 执行机构52.4.2 操纵系统分类72.5 焊接机器人的技术参数72.6 本章小结7第3章腕部结构的设计及计算83.1 腕部设计的基本要求83.2 腕部结构及选择83.2.1 典型的腕部结构83.2.2 腕部结构与驱动结构的选择93.3 腕部结构设计计算93.3.1 腕部驱动力计算93.3.2 腕部驱动液压缸的计算93.4 液压缸盖螺钉的计算103.5 动片与输出轴间的连接螺钉113.6 本章小结12第4章臂部结构的设计及计算124.1 臂部设计的基本要求124.2 手臂的典型机构与结构的选择134.2.1 手臂的典型运动机构134.2.2 手臂运动机构的选择144.3 手臂直线运动的驱动力计算144.3.1 手臂摩擦力的分析与计算144.3.2 手臂惯性力的计算154.3.3 密封装置的摩擦阻力154.4 液压缸工作压力与结构的确定154.5 活塞杆的计算校核164.6 本章小结17第5章机身结构的设计及计算175.1 机身的整体设计185.2 机身回转机构的设计计算195.3 机身升降机构的计算205.3.1 手臂偏重力矩的计算205.3.2 升降不自锁条件分析计算215.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算215.4 轴承的选择分析215.5 本章小结21总结22致谢22参考文献22第1章引言焊接机器人是从事焊接（包含切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动操纵操作机（ManiPUIatOr）,具有三个或者更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了习惯不一致的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不一致工具或者称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或者焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或者热喷涂。焊接机器人要紧包含机器人与焊接设备两部分。从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的进展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速进展，机器人技术也得到了飞速进展。工业机器人的制造水平、操纵速度与操纵精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本与价格却不断下降。在西方社会，与机器人价格相反的是，人的劳动力成本有不断增长的趋势。在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，使用机器人的利显然要比使用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。尽管机器人一次性投资比较大，但它的日常保护与消耗相关于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速进展。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各类形式的焊接加工领域。焊接机器人具有焊接质量稳固、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构与兵器工业等行业。我国自上个世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，通过二十多年的进展，在技术与应用方面均取得了长足的进展，对国民经济特别是制造业的进展起到了重要的推动作用。从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术的研究十分活跃，焊接机器人技术研究要紧集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调操纵技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面。新中国成立后，通过50年的艰难努力，中国焊接生产机械化自动化技术进展应用，取得了很大的成就，焊接生产过程机械化与自动化程度已达到20%。在以焊接技术为主导制造工艺技术的大中型骨干企业，焊接生产过程综合机械化与自动化程度已达到40%45%。在机床、锅炉、汽车、化工机械、工程机械与重型机械等国家重点骨干企业，通过引进国外先进技术及相应配套的自动化焊机、成套焊接设备、焊接生产线与柔性制造系统，使焊接生产机械化与自动化技术达到了国际90年代初的先进水平，进入世界先进之列。第2章焊接机器人的总体方案该设计的目的是为了设计一台焊接机器人，本章要紧对焊接机器人的机械结构部分进行设计与分析。2.1 总体设计的思路设计机器人大体上可分为两个阶段：(1)系统分析阶段根据系统的目标，明确所使用机器人的目的与任务；分析机器人所在系统的工作环境；根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能与方案。如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、容许的运动范围、与对温度、震动等环境的习惯性。(2)技术设计阶段根据系统的要求确定机器人的自由度与同意的空间工作范围，选择机器人的坐标形式；拟订机器人的运动路线与空间作业图；确定驱动系统的类型；选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计；绘制机器人的零件图，并确定尺寸。2.2 自由度与坐标系的选择机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，关于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总与为机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样完成各类动作是比较困难的，由于人的手指、掌、腕、臂由19个关节构成，共有27个自由度。而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度通常为36个(不包含手部)。本次设计的焊接机器人为4自由度即：腕部回转；小臂部伸缩；大臂部回转；大臂部伸缩。工业机器人的结构形式要紧有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：(1)直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2l()所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置操纵，因此，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度(m级)。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人要紧用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构错误!未找到引用源。(2)圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图21这种机器人构造比较简单，精度还能够，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。(3)球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动与一个直线运动来实现的，如图2-13)。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。要紧应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间错误!未找到引用源。(4)关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图21(d)。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛使用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型与垂直关节型两种。根据要求及在实际生产中的用途，本次设计的焊接机器人使用直角坐标。a)直角坐标型图2-1四种机器人坐标形式2.3 传动方案论证焊接机器人的驱动方式有液压式、气动式与电动机式。(1)液压驱动:是指动源(发动机或者电机)驱动油泵产生压力油，压力油再去驱动液压马达，由液压马达产生机器需要的动力。(2)气动驱动多用于开关操纵与顺序操纵的机器人，与液压驱动相比较，气动驱动由于压缩空气粘度小，因此容易达到高速；由于可利用工厂集中空气压缩机站供气，减少了动力设备；空气介质不污染环境，安全高温下可正常工作；空气取之不竭用之不尽，相关于油液廉价，故气动驱动元件比液压元件价格低(3)电机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动与步进电动机驱动。随着材料性能的提高，电动机性能也在随之提高同时电动机使用简单，因此就目前来看，机器人驱动正逐步为电动机驱动式所代替。表2三种驱动系统的比较内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出力压力高，可获得大的输出力压力相对要小，输出力小输出力较大操纵性能利用液体的不可压缩性，操纵精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹操纵气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易操纵，难以实现高速、高精度的连续轨迹操纵操纵精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹操纵，伺服特性好，操纵系统复杂响应速度很高较高很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易标准化，结构性能好，噪声低，电动机通常需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能好，用液压油作为传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于100OkPa（十个大气压）时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸与火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境防爆性能较差对环境影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机械手中的应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、电焊机械手与托运机械手适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序操纵机械手适用于中小负载、要求具有较高的位置操纵精度与轨迹操纵精度、速度较高的机械手成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂2.4 焊接机器人的构成焊接机器人由执行机构、驱动机构与操纵机构三部分构成。2.4.1 执行机构（1）手部手部既直接与工件接触的部分，通常是回转型或者平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式与内抓式两种；也能够用负压式或者真空式的空气吸盘（要紧用于可吸附的，光滑表面的零件或者薄板零件）与电磁吸盘。本设计为焊接机器人设计，因此手部并无其他结构，仅仅是一个焊枪，通过螺栓固定于腕部之上。（2）腕部腕部是连接手部与臂部的部件，并可用来调节焊枪的方位，以扩大焊枪的工作范围，并使手部变的更灵巧，习惯性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。通常腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，能够不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（通常小于270。），同时要求严格密封，否则就难保证稳固的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，使用齿条传动或者链轮与轮系结构。本次设计的焊接机器人的腕部是利用液压缸实现手部的旋转运动。设计的焊接机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动参数是实现手部回转的角度操纵在一90°+90°范围内，其基本的结构形式如图2-2所示。（r（）"<J"翻转图2-2腕部回转基本结构示意图腕部的驱动方式使用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，因此务必设计的十分紧凑能够把驱动源装在手腕上。机器人手腕的回转运动是由回转液压缸实现的。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；当回转液压缸中不一致的油腔中进油时即可实现手腕不一致方向的回转。（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部与手部（包含工作或者夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到直线运动范围内任意一点。假如改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，通常来说臂部具有一个自由度就能满足基本要求，即臂部的伸缩运动。臂部的运动通常用驱动机构（如液压缸或者者气缸）与各类传动机构来实现,从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部的静、动载荷。因此，它的结构、工作范围、灵活性与抓重大小与定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的前后伸缩运动。臂部的运动参数：伸缩行程：1850mm；伸缩速度：120Omms1400mms0机器人臂部的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。伸缩式臂部机构的驱动可使用液压缸直接驱动。（4）机身机身部分运动的目的：把臂部送到直线运动范围内任意一点。假如改变臂部的姿态（方位），则用机身的自由度加以实现。因此，机身部分具有两个自由度才能满足基本要求，即机身的伸缩、左右旋转运动。机身的各类运动通常用驱动机构（如液压缸或者者气缸）与各类传动机构来实现，从机身的受力情况分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性与抓重大小与定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现基座的上下伸缩、与机身的回转运动。机身的运动参数：伸缩行程：3650mm；伸缩速度：120Omms1400mms;回转范围：90°+90°。机器人机身的伸缩使其工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，机身的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。伸缩式机身结构的驱动可使用液压缸直接驱动。机身部分与滑轨的配置型式使用立柱式单臂配置，其回转运动的驱动源来自回转液压缸。(5)滑轨滑轨是悬臂机器人的基础部分，起悬挂作用，它将机身悬挂于导轨之上。并带动机身沿轨道直线运动。2.4.2 操纵系统分类在机械手的操纵上，有点动操纵与连续操纵两种方式。大多数用插销板进行点位操纵，也有使用可编程序操纵器操纵、微型计算机操纵，使用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。要紧操纵的是坐标位置，并注意其加速度特性。本设计使用电磁操纵。2.5 焊接机器人的技术参数一、用途：用于焊接工件二、设计技术参数：1、焊枪：；2、自由度数:4个自由度(腕部回转；小臂部伸缩；大臂部回转；大臂部伸缩4个运动)；3、坐标型式:直角坐标系；4最大工作半径:4730mm；5、手臂最低中心高:4040mm；6、手臂运动参数:伸缩行程：185Omm伸缩速度：1200mms-UOOmnVs升降行程：3650mm升降速度：1200mms-1400mms回转范围：-90°+90°；7、手腕运动参数：回转范围：-90°+90;本章从焊接机器人的有用方面入手，提出了一套总体设计方案，并根据机器人自由度的要求选取直角坐标系为本次设计坐标系。同时，就焊接机器人的构成(执行机构与驱动机构)与现实作业，给出了具体的手部、腕部、臂部与基座的结构形式；并选择液压驱动作为本次设计的驱动机构。最后，给出了设计中所需的技术参数。第3章腕部结构的设计及计算3.1 腕部设计的基本要求(1)力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量与动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量与运转性能。因此，在腕部设计时，务必力求结构紧凑，重量轻。(2)结构考虑，合理布局腕部作为焊接机器人的执行机构，又承担连接与支撑焊枪的作用，除保证力与运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部与手部的连接。(3)务必考虑工作条件关于本次设计，焊接机器人的工作条件是在工作场合中焊接工件，最大载荷为8KG,因此不太受环境影响，没有处在高温与腐蚀性的工作介质中，因此对焊接机器人的腕部没有太多不利因素。3.2 腕部结构及选择3.2.1 典型的腕部结构(1)具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M,需要克服下列几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片与静片之间同意回转的角度来决定(通常小于270。)。(2)齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于270。的情况下，可使用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大。(3)具有两个自由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平与垂直转动的两个自由度。(4)机-液结合的腕部结构。3.2.2 腕部结构与驱动结构的选择本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各类因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，使用液压驱动。3.3 腕部结构设计计算腕部设计考虑的参数：最大载荷：8KG；回转。3.3.1 腕部驱动力计算图3-1腕部支撑反力计算示意图腕部回转时要克服的阻力：F=Fr+%a.腕部回转支撑处的摩擦力矩：MLO.57Fd(3.1)其中/为轴承摩擦系数取f=0.1b.克服由于工件重心偏置所需的力矩：Mh=Gse(3.2)c.克服启动惯性所需的力矩：MC=JlD'/32(3.3)332腕部驱动液压缸的计算表3-1液压缸的内径系列(JB826-66)错误!未找到引用源。(mm)2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250表3-2标准液压缸外径(JBlO68-67)错误!未找到引用源。(mm)液压缸外径00300001025405060800020钢006508213368468094194545钢0065082133684680941945P>2Mb(R2-r2)2×61.110.066×(0.0552 - 0.02252)=135 MPa设定腕部的部分尺寸：根据表3-1设缸体内径R=40mm,外径根据表3-2选择60mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为90mm；动片宽度6=66mm,输出轴=22.5mm.基本尺寸示如图3-2所示。则回转缸工作压力：选择8Mpa图3-2腕部液压缸剖截面结构示意图3.4 液压缸盖螺钉的计算工作压力户(Mpa)螺钉的间距r(mm)0.51.5小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.0-10.0小于80缸盖螺钉的计算，如图4-3所示，为螺钉的间距，间距跟工作压强有关,见表4-3,在这种联接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力:表3-3螺钉间距,与压力夕之间的关系错误!未找到引用源。(3.4)fq0=fqfq,液压缸工作压强为P=8Mpa,因此螺钉间距f小于80mm,试选择12个螺钉,D773.14×0.0912=23.5mm<80mm因此选择螺钉数目合适Z=12个。螺钉材料选择Q235,("=1.21.5)螺钉的直径：d4x1.3 万(3.5)J=0.005m螺钉的直径选用M5o3.5 动片与输出轴间的连接螺钉动片与输出轴之间的连接结构见图4-3,连接螺钉通常为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片与输出轴之间的配合紧密。螺钉材料选择Q235,则螺钉的直径:d=0.005m螺钉的直径选用M5o3.6 本章小结本章要紧内容为腕部结构的设计包含：腕部结构的选取与腕部结构的设计计算。首先，根据腕部设计的基本要求选择与本次设计相符合的腕部结构；然后，按照给定的技术参数进行设计计算；最后，确定了腕部回转所需的回转力矩、选用回转缸与选取各关键部位螺栓的计算。第4章臂部结构的设计及计算手臂部件是机械手的要紧握持部件。它的作用是支撑腕部与手部(包含工件或者工具)，并带动它们作空间运动。手臂运动应该包含3个运动：伸缩、回转与升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转与升降运动设置在机身处，将在下一章祥述。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。假如改变手部的姿态(方位)，则用腕部的自由度加以实现。因此，通常来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、与升降运动。手臂的各类运动通常用驱动机构与各类传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、与工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。4.1 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，需要满足下列各项基本要求：一、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻关于机械手臂部或者机身的承载能力，通常取决于其刚度。以臂部为例，通常结构上较多使用悬臂梁形式(水平或者垂直悬仰)。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度与负荷能力影响很大。为提高刚度，除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外，尚应注意下列几方面：(1)根据受力情况，合理选择截面形状与轮廓尺寸；(2)提高支撑刚度与合理选择支撑点的距离；(3)合理布置作用力的位置与方向；(4)注意简化结构；(5)提高配合精度。二、臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的要紧参数之一，它反映机械手的生产水平。关于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在最大回转角速度设计在内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度与回转角速度一定的情况下,减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有4个途径错误!未找到引用源。:(1)减少手臂运动件的重量，使用铝合金材料；(2)减少臂部运动件的轮廓尺寸；(3)减少回转半径p,再安排机械手动作顺序时，先缩后回转(或者先回转后伸缩)，尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作；(4)在驱动系统中设缓冲装置。三、手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。关于悬臂式的机械手，其传动件、导向件与定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死(自锁现象)。为此，务必计算使之满足不自锁的条件错误!未找到引用源。四、位置精度要求高通常来说，直角与圆柱坐标式机械手位置精度要求较高；关节式机械手的位置精度最难操纵，故精度差；在手臂上加设定位装置与检测结构，能较好地操纵位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或者消除传动、啮合件间的间隙。总结：除此之外，要求机械手的通用性要好，能适合多种作业的要求；工艺性好，便于加工与安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热、冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。4.2 手臂的典型机构与结构的选择4.2.1 手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有下列几种：(1)双导杆手臂伸缩机构；(2)手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降与横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动与回转运动组合,两直线运动的双层液压缸空心结构；双活塞杆液压缸结构；活塞杆与齿轮齿条机构。4.2.2 手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本次设计选择液压缸伸缩机构，使用液压驱动,水平伸缩液压缸选用伸缩式液压缸；竖直伸缩液压缸选用双作用活塞缸。4.3 手臂直线运动的驱动力计算首先进行粗略的估算，或者类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的要紧尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构图。作水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力，应根据液压缸运动时所要克服的摩擦力与惯性力等几个方面的阻力进行确定。液压缸活塞的驱动力的计算公式可表示为：F=(Ap1-A2p2)m(4.1)4.3.1 手臂摩擦力的分析与计算摩擦力的计算不一致的配置与不一致的导向截面形状，其摩擦阻力是不一致的，要根据具体情况进行估算。M,=0GM=叫得y=oGa%=F%+F=Fa+Fb2L+a(4.2)式中一参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；1.手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算；a-导向支撑的长度（m）；一当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关；关于圆柱面：一摩擦系数，关于静摩擦且无润滑时:钢对青铜：取=0.10.15钢对铸铁：取=0.180.3选取：，G=500N,=1.49-0.028=1.21m,导向支撑4设计为0.016m。将有关数据代入进行计算：= 500 ×0.3×2×1.414 + 0.160.16= 989.3N4.3.2 手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是V=1200mms;假定：在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度；(4.3)= 65.5 N¾v_1070NXl.2sgr9.87V×0.02.v4.3.3 密封装置的摩擦阻力不一致的密封圈其摩擦阻力不一致，在手臂设计中，使用。型密封，当液压缸工作压力小于IOMPa。液压缸处密封的总摩擦阻力能够近似为：F摩=65N°通过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：F=1243.8N4.4 液压缸工作压力与结构的确定通过上面的计算，确定了液压缸的驱动力尸=1243.8N,根据表3-1选择液压缸的工作压力P=2MPao确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图42所示图42双作用液压缸示意图当油进入无杆腔：F=(A1p-A2p2)m(4.4)当油进入有杆腔中：F2=(A2p-Ap2)m(4.5)其中：TIm为机械效率。液压缸的有效面积：A故有：Ai=JiD2M(无杆腔)(4.6)A2=11D24-Jid24(有杆腔)错误!未找到引用源。(4.7)F=621O7V,选择机械效率。将有关数据代入：D=J7=1.13J621。=0o4255N卬V0.95×2×106根据表3-1(JB826-66),选择标准液压缸内径系列，选择D=42mm0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7mm,因此该液压缸的外径为60mmo4.5 活塞杆的计算校核一、活塞杆强度校核活塞杆的尺寸要满足活塞(或者液压缸)运动的要求与强度要求。关于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算：=F/A(4.8)设计中活塞杆取材料为碳钢，故，活塞直径d=20mm,L=1360mm,现在进行校核:=F/A<结论：活塞杆满足强度要求。二、活塞杆刚度校核图4-3刚度校核示意图现按照伸出液压缸的最小直径进行校核,为便于计算把伸出的液压缸简化成一悬臂梁。取：载荷产=400N,悬臂L=I730mm0Fl2梁转角：=2EI(4.9)Fl3梁挠度：=3E1(4.10)其中：E为材料的弹性模量：E=2IOGpa，为转动惯量:取/=1.1x10-1°EI=24,：=-0.00249rad<=-0.0288mm<结论：悬臂活塞杆满足刚度要求。4.6 本章小结本章设计了搬运机器人的手臂结构，手臂使用液压驱动伸缩机构，对驱动的液压缸的驱动力进行了计算。并对液压缸的基本尺寸进行了设计，同时对液压缸活塞杆的强度与刚度进行了校核，校核结果均满足要求。第5章机身结构的设计及计算机身是直接支撑与驱动手臂的部件。通常实现手臂的回转与升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构与受力情况就越复杂。机身是能够固定的，也能够是行走的，既能够沿地面或者架空轨道运动。5.1 机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂180。的回转运动，实现手臂的回转运动机构通常设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要构成部分。常用的机身结构有下列几种：(1)回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。(2)回转缸置于升降之上的结构。这种结构使用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。(3)活塞缸与齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析：通过综合考虑，本设计选用回转缸置于伸缩缸之上的结构。本设计机身包含两个运动，机身的回转与伸缩。回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与伸缩缸的活塞杆是一体的。具体结构见图6-1。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度通常靠机械挡块来决定，关于本设计就是考虑两个叶片之间能够转动的角度，为满足设计要求，设计中动片与静片之间能够回转1800o图5-1回转缸位于伸缩缸之上的机身结构示意图5.2 机身回转机构的设计计算(1)回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡：M=0.5Fd(5.1)惯性力矩的计算：Mc=D,32(5.2)回转部件能够等效为一个长1200mm,直径为60mm的圆柱体，质量为159.2Kg设置起动角度G=18°,则起动角速度AG=O.314,起动时间设计为0.1s。密封处的摩擦阻力矩能够粗略估算下，由于回油背差通常非常的小，故在这里忽略不计。(2)回转缸尺寸的初步确定设计回转缸的静片与动片宽尺60mm,选择液压缸的工作压强为8Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算：£)=8Omm即设计液压缸的内径为80mm,根据表4-2选择液压缸的基本外径尺寸100mm(不是最终尺寸)，再通过配合等条件的考虑。最终确定的液压缸的截面尺寸如图62所示，内径为150mm,外径为230mm,输出轴径为50mmo图52回转缸的截面图5.3机身升降机构的计算5.3.1 手臂偏重力矩的计算图5-3手臂各部件重心位置图(1)零件重量等现在对机械手手臂做粗略估算：总共约为33Kg(2)计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离p。P工件=172Omm°手和腕=6mmP皆=0