关于搬运作用机械手的应用结构设计大学论文.doc

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1、摘要1998年ABB公司推出IRbl400系列小机器人，其循环时间只有0.4s，控制器包括软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一柜，只有洗衣机变换器那样大小。FANUC公司2000年9月宣称它的控制器为世界最小。工业机器人的应用从单机、单元向系统发展。多达百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体(多智能体)。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。机器人技术是涉及机械学、传感器技术、驱动技术、控制技术、通信技术和计算机技术的一门综合性高新技术，既是光机电软一体化的重要基

2、础，又是光机电软一体化技术的典型代表。其产品主要有两大类，即以日本和瑞典为代表的一系列特定应用的机器人，如弧焊、点焊、喷漆装备、刷胶和建筑等，并形成了庞大的机器人产业。另一类是以美国、英国为代表的智能机器人开发，由于人工智能和其它智能技术的发展远落后于人们对它的期望，目前绝大部分研究成果未能走出实验室。机器人系统集成技术也是由几个主要发达国家所垄断。近年来，机器人技术并未出现突破性进展，各国的机器人技术研究机构和制造厂商都继续在技术深化、引进新技术和扩大应用领域等方面进行探索。关键词： 机械手； 液压缸； 液压传动； 活塞Abstract1998 ABB IRbl400 series smal

3、l robot, the cycle time of only 0.4 s, controller including software, high voltage, drive, and user interface are integrated in a cabinet, only washing machine size converter. FANUC company in September 2000 claimed its controller is the smallest. The application of industrial robots from single mac

4、hine, the unit to the system development. Up to more than one hundred sets of machines of microcomputer and people in and around intelligent equipment and operating personnel to form a large group (multi-agent). Multinational conglomerates of monopoly and the globalization of the world many manufact

5、urers products join together, has realized the standardization, open, networked virtual manufacturing, for the development of the industrial robot systematic. Robotics is related to mechanics, sensor technology, drive technology, control technology, communication technology and computer technology o

6、f a comprehensive new and high technology, is not only the important opto-mechatronics integration of soft foundation, a typical representative of the soft and optical integration technology. Its products mainly include two categories, namely, represented by Japan and Sweden, a series of specific ap

7、plication of the robot, such as arc welding, spot welding, spray painting equipment, cementing and construction, etc., and formed a huge industry robot.Another kind is the intelligent robot development represented by the United States, Britain, due to the development of artificial intelligence and o

8、ther intelligence is far behind the people expect of it, at present most of the results of the study are not out of the lab. Robot system integration technology is dominated by several major developed countries. There was no breakthrough in recent years, robot technology, robot technology research i

9、nstitutions and manufacturers of all countries are to continue deepening in technology, the introduction of new technology to explore and expand the application field, etc.Key words： Manipulator; Hydraulic Cylinder; Hydraulic Drive; Piston 目 录 第一章绪论 1 第二章手部结构设计 2 2.1 手抓的结构选定 2 2.2 液压缸的选定 3 2.2.1 液压缸

10、内径的确定 3 2.2.2液压缸外径的确定 3 2.2.4 液压缸活塞杆的确定及校核 4 2.2.5 活塞的最大行程 4 2.2.6钢筒底部厚度的确定 4 2.2.7 缸盖螺钉的计算 5 2.2.8 钢筒头部法兰厚度的确定 6 2.2.9 液压缸其它元件的确定 7 第三章摆动缸的选定 8 3.1 联接部分的设计 8 3.2 连接部分材料的选定与连接方法 9 第四章手臂的结构设计 10 4.1 手臂的结构初定 10 4.2 小臂受力分析 10 4.3 小臂液压缸的确定 11 4.3.1 小臂液压缸的受力分析 11 4.3.2 液压缸内径的确定 11 4.3.3 液压缸外径的确定 11 4.3.4

11、 钢筒壁厚校核 12 4.3.5 液压缸活塞杆的确定及校核 13 4.3.6 活塞的最大行程 13 4.3.7 钢筒底部厚度的确定 13 4.3.8 缸盖螺钉的计算 14 4.3.9 钢筒头部法兰厚度的确定 15 4.3.10 液压缸其它元件的确定 16 4.4 小臂套筒的设计 17 4.4.1 材料的选定 17 4.4.2 内套的设计 17 4.4.3 外套的设计 17 第五章支小臂液压缸的确定 18 5.1 支小臂液压缸的摆动角度确定 18 5.2 支小臂缸的受力分析 18 5.3 液压缸的确定 19 5.3.1 液压缸内径的确定 19 5.3.2 液压缸的外径及壁厚的确定 19 5.3.

12、3 液压缸活塞杆的确定及校核 20 5.3.4 活塞的最大行程 21 5.3.5 钢筒底部厚度的确定 21 5.3.6 缸盖螺钉的计算 22 5.3.7 缸盖头部法兰厚度的确定 23 5.3.8 缸筒与端部焊接 24 5.3.9 液压缸的其他元件的确定 24 第六章大臂的结构设计 26 6.1 大臂材料的选定 26 6.2 大臂受力受力分析 26 6.3 支大臂液压缸的确定 27 6.3.1 液压缸内径的确定 27 6.3.2 液压缸的外径及壁厚的确定 28 6.3.3 缸筒壁厚的校核 28 6.3.4 液压缸活塞杆的确定及校核 29 6.3.5 活塞杆的最大允许行程 29 6.3.6钢筒底部

13、厚度的确定 30 6.3.7 缸盖螺钉的计算 30 6.3.8 缸盖头部法兰厚度的确定 32 6.3.9 缸筒与端部焊接 32 6.3.10 液压缸的其他元件的确定 33 第七章底座的设计 34 7.1 底座材料及尺寸选定 34 7.2 底板螺栓的确定 34 7.2.1 受翻转力矩的螺栓组连接 34 7.2.2 缸盖螺钉的计算 35 第八章液压系统传动方案的确定 36 8.1 各液压缸的换向回路 36 8.2 调速方案 36 第九章计算和选择液压元件 37 9.1 阀的种类和功用 37 9.2 拟定液压系统 37 9.3 液压系统中的辅助装置 38 第十章液压系统原理图 38 结论 41 参考

14、文献 42 致谢 43沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章绪论第一章 绪论为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开发。德国正研究开发“MOVE AND PLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的

15、设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重

16、新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人

17、化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，以系统集成带动机器44人技术的全面发展，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部设计第二章手部结构设计2.1 手抓的结构选定 拟定最大抓取重量为60N，根据工作位置和工作环境的需要，决定采用单滑销缸式手部见图1，滑销缸式手部。图1 滑销缸式手部 手抓机架拟定材料为HT200，图中有关参数，初步选定如下： = 60（手指的抓取半角 =4570）; =0.2 (物件与手指接触处的摩擦系数 f=0.10.5)； =0.9 (手部的机械效率 =0.850.9

18、)； =1.3 (安全系数 )； (工作情况系数 )； ； 整个手抓部分长度选择. 夹紧时由力学公式： 2-1 2-2夹紧时活塞杆的力由公式： 初步估算手抓的重量约为30N。2.2 液压缸的选定2.2.1 液压缸内径的确定液压缸的理论输出F可按下式计算： 2-3 ：活塞杆的实际作用力（N ）； ：负载率，一般取0.50.7； ：液压缸的总效率，一般取0.90.95； 由表17-6-3查得液压缸的工作压力初选为P=1MPa.由公式： 2-4 由17-6-26可选用标准液压缸内径D=63mm。2.2.2液压缸外径的确定按壁厚筒有关公式确定：其中： (钢筒材料屈服强度。由表20-6-7查得) 钢筒发

19、生完成塑性变形的压力 因为 故选择，即工作压力小于。即工作压力小于。本液压缸最大工作压力为，所以设计选择的壁厚可满足压力的要求。2.2.4 液压缸活塞杆的确定及校核设计中根据工作压力的大小，选用速度比是由表20-6-16查得=1.33 根据表20-6-16取标准值d=32mm由于活塞杆在稳定工况下，只受轴向推力或拉力，所以可以近似的用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行计算： （100-110）Mpa；所以满足工作时的强度需要。2.2.5 活塞的最大行程 2-5 ：活塞杆弯曲失稳临界压缩力 ； ：活塞杆纵向压缩力； ：安全系数，通常； ：材料的弹性模量； 钢材的E=2.1105 N/mm2

20、：活塞杆横截面惯性矩 由表20-6-2取液压缸标准行程280mm。2.2.6钢筒底部厚度的确定钢筒底部为平面，其厚度1可以按照四周嵌进的圆盘强度公式进行计算： 2-6 其中：P：筒内最大工作压力 （）; :筒底材料许用应力（前面求得 ）； ：计算厚度外直径 取 所以，综合上述条件，钢筒底部厚度选择7.5mm。2.2.7 缸盖螺钉的计算由表 2-1-8可知活塞=0.5m/s则取=0.0133m/s活塞杆退回速度，=0.01m/s活塞杆退回速度。由公式： 2-7 ：活塞杆的运动速度； ：流入液压缸的流量； ：活塞的有效面积； 由公式 2-8 其中：缸盖所受的负载液压力； Z:螺钉数目； 螺钉的强度

21、条件 2-9 = 由公式 选择标准六角螺栓：M8402.2.8 钢筒头部法兰厚度的确定有公式可得： 2-10其中F：法兰在钢筒最大内压下所承受的轴向压力； ：法兰外圆直径；因为选定的螺栓为M8，所以为了方便安装，法兰圆外径选定为135mm。 :螺栓直径， ； ：法兰材料的许用应力； ：缸筒外径到螺栓中线的距离； 取法兰厚度为7.5mm。为了防止油液的泄漏，两端盖内部需装入 0型密封圈，所以端盖向内凹处厚度选择7.5mm，即整个端盖厚度为15mm。2.2.9 液压缸其它元件的确定a.缸盖的材料缸盖本身又是活塞杆的导向套时，缸盖选用铸铁拟定HT200b.活塞的材料无导向环的活塞可用耐磨铸铁，灰铸铁

22、（HT300，HT350），球墨铸铁，初步拟定为HT300。c.密封圈的选择密封件大多采用0型密封圈，参考手册表10-4-4可知，查得0型密封圈标准值，即截面直径d=3.55mm，故端盖厚度符合要求。d.管接头的确定 由公式： 2-11 ：按推荐值选定，一般=3m/s.求得mm， 取标准值。所以整个液压缸的长度为 大体估算整个液压缸加上油液的重量约为30N。所以，此设计的液压缸见图2，液压缸的结构。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 摆动缸的选定第三章摆动缸的选定手腕的旋转部分由摆动缸来实现。由于手抓部位的活塞缸 d=63mm，D=76mm，所以选择标准摆动缸的轴径45mm，外径为120

23、mm。图2 液压缸的结构3.1 联接部分的设计由于摆动缸的轴径外凸无法直接连于活塞杆上，设计一连接结构见图3,摆动缸的轴部联接。图3 摆动缸的轴部联接3.2 连接部分材料的选定与连接方法初步选定此连接结构的材料为HT200。摆动缸的轴与连接部分通过键连接，为防止所传递的转矩过大，故选择花键连接。根据实际情况选择标准花键832366。初步估计此摆动缸及连接装置重50N，为确保工作所需的油量，估算长度为300mm。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计第四章手臂的结构设计4.1手臂的结构初定拟定驱动大臂的液压缸和驱动小臂的液压缸安装在手臂的同侧。4.2小臂受力分析小臂和大臂之间为

24、铰链接，且推动小臂的液压缸也和小臂铰连接。拟定两铰链接触之间的距离L=500mm。小臂受力示意见图4，小臂的受力分析。图4 小臂的受力分析 得所以得所以剪力和弯矩图如上最大危险截面为 B 处4.3 小臂液压缸的确定4.3.1 小臂液压缸的受力分析 初步拟定大臂俯仰角度为3090，小臂的运动的范围-3060。则对小臂的受力分析如下： 当小臂上扬到最大角度，即 45时，小臂液压缸所受的推力最大，所以只需计算此时F需即可满足设计需求。 4.3.2 液压缸内径的确定 液压缸的理论输出F可按下式计算： 4-1 ：活塞杆的实际作用力（N ）； ：负载率，一般取0.50.7； ：液压缸的总效率，一般取0.9

25、0.95； 由表20-6-3查得液压缸的工作压力初选为P=1.5MPa. 由公式： 由20-6-26可选用标准液压缸内径D=50mm。4.3.3液压缸外径的确定 按壁厚有关公式确定： 4-2 =(1.21.3)Pmax； =1.5p=2.25Mpa； =1.252.25=2.81Mpa； :油缸内径（mm）；钢筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，初选45钢； 4-3查表17-6-7可知 =610 MPa ：缸体材料的需用拉应力； ：冲击系数，由表2-3-6可查得 =12； 初选壁厚 =6 mm 则=0.12（0.080.3）所以选择下面的壁厚公式计算： 初选成立综上所述，从表20-6-9中

26、选择标准液压缸外径60mm，所以液压缸壁厚为=（60-50）/2=5mm。4.3.4 钢筒壁厚校核 额定压力 ： 4-4其中：=360Mpa (钢筒材料屈服强度。由表17-6-7查得)所以 钢筒发生完成塑性变形的压力 因为： 故选择 即工作压力小于。本液压缸最大工作压力为，所以设计选择的壁厚可满足压力的要求。4.3.5 液压缸活塞杆的确定及校核设计中根据工作压力的大小，选用速度比是由表17-6-16查得=1.33 根据表20-6-16取标准值d=25mm由于活塞杆在稳定工况下，只受轴向推力或拉力，所以可以近似的用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行计算： （100-110）Mpa；所以满足工

27、作时的强度需要。4.3.6 活塞的最大行程 4-5 ：活塞杆弯曲失稳临界压缩力 ：活塞杆纵向压缩力； ：安全系数 通常=3.56； ：材料的弹性模量； 钢材的E=2.1105 N/mm2 ：活塞杆横截面惯性矩 综合小臂的设计需求和表17-6-2取液压缸标准行程220mm。4.3.7 钢筒底部厚度的确定钢筒底部为平面，其厚度1可以按照四周嵌进的圆盘强度公式进行计算： 4-6其中： ：筒内最大工作压力（P=Pmax=2.25Mpa）； ：筒底材料许用应力 （前面求得p=50.83Mpa）； 计算厚度外径 取D2=45mm 所以，综合上述条件，钢筒底部厚度选择7.5mm。4.3.8 缸盖螺钉的计算由

28、表2-1-8可知活塞=0.5m/s则取=0.02m/s，活塞杆退回速度，=0.023m/s 活塞杆退回速度。由公式： 4-7 ：活塞杆的运动速度（m/s） ：流入液压缸的流量（m3/ s）； ：活塞的有效面积（m2）； 由公式: : 工作载荷 其中：缸盖所受的负载液压力； ：螺钉数目，Z= , , 螺钉的强度条件： 4-8 ：材料的许用应力。 由公式： 4-9其中： 选择标准六角螺栓 M835。 4.3.9 钢筒头部法兰厚度的确定 由公式可得 4-10 其中 ：法兰在钢筒最大内压下所承受的轴向压力； =法兰外圆直径 因为选定的螺栓为M8，所以为了方便安装，法兰圆外径选定为120mm。 ：螺栓直

29、径， =8mm； ：法兰材料的许用应力； ：缸筒外径到螺栓中线的距离； 取法兰厚度为7.5mm。为了防止油液的泄漏，两端盖内部需装入 0型密封圈，所以端盖向内凹处厚度选择7.5mm，即整个端盖厚度为15mm。4.3.10 液压缸其它元件的确定a.缸盖的材料 缸盖本身又是活塞杆的导向套时，缸盖选用铸铁拟定HT200b.活塞的材料 无导向环的活塞可用耐磨铸铁，灰铸铁（HT300，HT350），球墨铸铁，初步拟定为HT300。c.密封圈的选择 密封件大多采用0型密封圈，参考手册表10-4-4可知，查得0型密封圈标准值，即截面直径d=3.55mm，故端盖厚度符合要求。d.管接头的确定由公式： 4-11

30、 ：液体流量，L/min； ：按推荐值选定，一般=3m/s.求得mm， 取标准值。 所以整个液压缸的长度为： 大体估算整个液压缸加上油液的重量约为30N。4.4 小臂套筒的设计4.4.1 材料的选定 初定小臂材料为的空心圆管，长度为。4.4.2 内套的设计 由于内套与活塞缸之间不能有接触，所以初步选定内套圆管的内径为156mm，外径为177mm，长度为280mm。 内套的重量约为： G=4.4.3 外套的设计由于内套与外套之间必须接触，且内套与外套之间需要留有一定的余量，所以初步选定内套圆管的内径为179mm，外径为200mm，长度为260mm。内套的重量约为 所以整个小臂的长度为500mm整

31、个小臂的重量为 30+113.3+124.2=267.5N沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 支小臂液压缸设计第五章支小臂液压缸的确定5.1 支小臂液压缸的摆动角度确定 初步拟定大臂俯仰角度为6090，小臂俯仰角度的范围为0455.2 支小臂缸的受力分析由公式可求出推力P推 M推：油缸输出的推力P推对小臂摆动中心O所产生的起力矩()； M重：手臂偏重对中心O的偏重力矩()； M惯：手臂向上摆动的起动惯性力矩(）； M摩：摩擦力矩(）； 5-1 ：参与摆动零件（偏重）对摆动中心的转动惯量 () ：手臂向上摆动的切向角加速度，= 拟定 （弧度/秒） （起动时间） = = , 0型密封圈的摩擦

32、阻力矩()，为安装角度， 由公式 F = 可求出液压缸的理论输出力 F ：活塞杆的实际作用力 (N) ：负载率，一般取0.50.7 ； ：液压缸的总效率，一般取0.90.95 ； 取 , 5.3 液压缸的确定5.3.1 液压缸内径的确定由表17-6-3查得液压缸的工作压力初选为.由公式： 由17-6-9 可选用标准液压缸内径D=125mm。5.3.2 液压缸的外径及壁厚的确定 按壁厚有关公式确定： 5-2 ， ；取 ， 钢筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，初选45钢； 5-3查表17-6-7可知 ； ：冲击系数，由表2-3-6可查得 初选壁厚= 12mm，则 = 0.096（0.080.

33、3）；根据表17-6-8公式进行计算： 初选成立综上所述，从表17-6-9中选择标准液压缸外径A型146mm。 : 额定工作压力 其中： (钢筒材料屈服强度。由表17-6-7查得)所以 钢筒发生完成塑性变形的压力： 因为：本液压缸最大工作压力为，所以设计选择的壁厚可满足压力的要求。5.3.3 液压缸活塞杆的确定及校核 设计中根据工作压力的大小，选用速度比是由表17-6-16查得=1.33 由公式 根据表20-6-16取标准值由于活塞杆在稳定工况下，只受轴向推力或拉力，所以可以近似的用直杆承受拉 压载荷的简单强度计算公式进行计算： 所以满足工作时的强度需要。5.3.4 活塞的最大行程 5-4 ：

34、活塞杆弯曲失稳临界压缩力： ：活塞杆纵向压缩力 ：安全系数 通常 取 ：材料的弹性模量； 钢材的N/mm2 ：活塞杆横截面惯性矩 （mm4）圆截面 拟订大臂与小臂铰接时的角度为135液压缸安装时铰链焊接处为小臂，与大臂焊接处为；根据余弦定理可得，最大行程为。5.3.5 钢筒底部厚度的确定 钢筒底部为平面，其厚度可以按照四周嵌进的圆盘强度公式进行计算： 5-5其中： 筒内最大工作压力（P=Pmax=3Mpa）； ：筒底材料许用应力 （前面求得p=50.83Mpa）； ：计算厚度外径 取=90mm 所以，综合上述条件，钢筒底部厚度选择12mm。5.3.6 缸盖螺钉的计算由表2-1-8可知活塞 则活

35、塞杆退回速度， 活塞杆退回速度。由公式： ：活塞杆的运动速度（） ：流入液压缸的流量（）； ：活塞的有效面积（）； 由公式： 工作载荷 5.6其中： 缸盖所受的负载液压力（N）； 螺钉数目， 缸盖所受的负载液压力 :螺钉中心所在圆的直径; 油缸内油液的工作压力 剩余紧缩力对于要求紧密的连接 取 螺钉的强度条件为 ： 5.7 材料的许用应力； ，n:安全系数，n=5； , ； 取标准的开槽沉头螺钉M835。5.3.7 缸盖头部法兰厚度的确定 有公式可得 5-8 其中 法兰在钢筒最大内压下所承受的轴向压力； :法兰外圆直径； 螺栓直径； 缸筒外径到螺栓中线的距离； 选定螺栓为M8，为了安装方便，法兰外圆直径选定为180