多功能機(jī)械臂的設(shè)計(jì)
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摘 要
在很多場(chǎng)合，使用機(jī)械臂能夠替代工人工作，按照指定的程序進(jìn)行工作。在倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)，使用機(jī)械臂進(jìn)行貨物搬運(yùn)十分常見，且在國(guó)家智能制造2025的到來(lái)之際，機(jī)械臂將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。
本課題主要是設(shè)計(jì)一款多功能機(jī)械抓手，能夠使其完成各種搬運(yùn)的任務(wù)。通過對(duì)機(jī)械臂的簡(jiǎn)介以及發(fā)展趨勢(shì)，了解機(jī)械臂研究的目的與意義；確定本課題的主要研究?jī)?nèi)容；確定本機(jī)械臂所采用的設(shè)計(jì)方案。對(duì)其自由度進(jìn)行分配，確定各連桿參數(shù)；對(duì)本機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其主要機(jī)構(gòu)的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)其傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括電機(jī)、減速器選型等；對(duì)本機(jī)械臂的手爪進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過手爪的設(shè)計(jì)，使得機(jī)械臂能夠十分方便的拿取貨物。
對(duì)多功能機(jī)械抓手方案進(jìn)行確定，使其能夠?qū)崿F(xiàn)抓取，對(duì)重要零部件包括傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、抓取結(jié)構(gòu)。使得本機(jī)械臂能夠滿足實(shí)際需求，提高機(jī)械臂的使用范圍，使得大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)能夠再次鞏固。為以后的工作做好準(zhǔn)備。
關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真
Abstract
In machinery manufacturing, robots have been widely used to improve workers' labor environment, significantly speed up production, increase labor productivity, and increase the degree of mechanization and automation of industrial production.
This paper first analyzes the research status of manipulators both at home and abroad, as well as the application background and demand analysis of the handling robots. The overall program design of the four-degree-of-freedom transport manipulator is performed on the tasks of this project. Firstly, the degree of freedom of the handling robot is determined to be four degrees of freedom. Secondly, this paper designs the gripping hand structure, arm structure, fuselage, frame and drive system of the four-degree-of-freedom handling robot and realizes four freedoms. Degree of rotation of the handling robot, axial movement, vertical lifting, four degrees of rotation of the hand and the opening and closing of the hand. In this paper, by designing the overall design of a four-degree-of-freedom handling robot, a handling robot with a modular, high-reliability material is designed, which also has a certain reference for the design of other economical handling robots.
Keywords: manipulator; pneumatic drive; kinematics simulation
目錄
摘要 I
Abstract 2
第1章 緒論 1
1.1 課題研究意義 1
1.2 機(jī)械臂發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1
1.2.1 本課題目前發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.2 機(jī)械臂發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容 3
第2章 多功能機(jī)械臂的總體方案設(shè)計(jì) 5
2.1工作原理 5
2.2 基本參數(shù)要求 5
2.2.1基本參數(shù)的確定 5
2.2.2設(shè)計(jì)要求 6
2.3整體方案 7
2.4小結(jié) 7
第3章 多功能機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
3.1底座的設(shè)計(jì) 8
3.2手部的設(shè)計(jì) 9
3.2.1機(jī)械臂手部結(jié)構(gòu)的計(jì)算 9
3.2.2豎直升降模塊的設(shè)計(jì) 10
3.2.3水平伸縮模塊的設(shè)計(jì) 11
3.3腕部的設(shè)計(jì) 11
3.3.1 概述 11
3.3.2 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的確定 12
3.4臂部的設(shè)計(jì) 14
3.4.1手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 14
3.4.2手臂偏重力矩的確定 14
3.5小結(jié) 15
第4章 多功能機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16
4.1氣動(dòng)元件的選用 16
4.2氣動(dòng)系統(tǒng)中各控制和輔助元件的選用 17
4.2.1方向控制閥的選用 17
4.2.2流量控制閥的選用 18
4.2.3壓力控制閥的選用 18
4.3液壓模塊計(jì)算 18
4.3.1 液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 18
4.3.2液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 21
在實(shí)際應(yīng)用中，液壓缸壁厚計(jì)算有下列三種情況[11]: 22
4.4活塞桿的設(shè)計(jì) 24
4.4.1活塞桿的計(jì)算 24
4.4.2活塞桿的穩(wěn)定性校核 24
4.5手臂旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì) 25
4.6 手臂升降設(shè)計(jì) 29
4.6.1臂部做升降運(yùn)動(dòng)時(shí)油缸的相關(guān)計(jì)算 29
4.6.2油缸內(nèi)徑的計(jì)算 29
4.6.3油缸壁厚的計(jì)算 31
4.6.4活塞桿的計(jì)算 31
4.7小結(jié) 32
第5章 多功能機(jī)械臂液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 33
5.1機(jī)械臂液壓缸的受力情況 33
5.1.1 大臂升降缸的受力情況 33
5.1.2 手爪夾緊缸的受力情況 33
5.1.3 手臂伸縮缸的受力情況 33
5.2液壓元件的選擇 34
5.3液壓系統(tǒng)原理圖 34
5.4小結(jié) 35
第6章 基于ansys workbench的機(jī)械臂爪有限元分析 36
6.1 軟件簡(jiǎn)介 36
6.2 對(duì)手抓的靜力學(xué)分析 37
6.3 刀具后處理 39
結(jié) 論 43
致謝 44
參考文獻(xiàn) 45
45
第1章 緒論
1.1 課題研究意義
在目前多功能化的現(xiàn)代社會(huì)，少人化、無(wú)人化倉(cāng)庫(kù)管理將會(huì)是社會(huì)發(fā)展主題，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的現(xiàn)代，機(jī)械臂技術(shù)不斷發(fā)展與成熟，使用機(jī)械臂能夠替代工人工作，按照指定的程序進(jìn)行工作，在倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)，使用機(jī)械臂進(jìn)行貨物搬運(yùn)十分常見，因?yàn)閭}(cāng)儲(chǔ)貨物移動(dòng)十分規(guī)范化，使用機(jī)械臂能夠降低人員工作的強(qiáng)度，難度，且機(jī)械臂能夠在很多人員難以到達(dá)的高溫、高鹽度環(huán)境下使用。通過倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械臂的運(yùn)用，能夠大幅度減少倉(cāng)儲(chǔ)人員的數(shù)量，提高人員的工作效率。對(duì)于重量較大的物料，更是難以處理，本課題通過設(shè)計(jì)一款只能倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械臂，使其能夠幫助人們處理日常的工作。提高生產(chǎn)倉(cāng)儲(chǔ)的效率，降低工作難度，減少車間的工作人員，在理論上與實(shí)際上都對(duì)社會(huì)有著極好的好處。
1.2 機(jī)械臂發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1 本課題目前發(fā)展現(xiàn)狀
最初設(shè)計(jì)的機(jī)械臂主要用于教學(xué)場(chǎng)合，他能夠能夠簡(jiǎn)單抓取實(shí)物，作為演示作用的一種機(jī)器，后隨著機(jī)械臂結(jié)合單片機(jī)等進(jìn)行控制，能夠十分方便的拿取實(shí)物。得到不斷的發(fā)展。自1962年Versatran機(jī)械臂發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)Y軸功能，能夠簡(jiǎn)單碼垛稍重貨物，德國(guó)從上個(gè)世紀(jì)70年代開始，敏銳的感覺到機(jī)械臂將會(huì)得以大幅度發(fā)展，所以在機(jī)械臂上面大投入，在起重行業(yè)、生成流水線使用上[1]?？梢钥吹降聡?guó)的技術(shù)不斷發(fā)展也日趨成熟，隨著機(jī)械臂的不斷發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械臂的使用壽命，以及平均故障時(shí)間也進(jìn)行了提高。對(duì)其可靠性也進(jìn)行了研發(fā)。使其精準(zhǔn)度能夠達(dá)到±1mm，能夠滿足一般生產(chǎn)的要求。機(jī)械臂的發(fā)展主要可以分為以下幾種階段[1]。
第一階段的機(jī)械臂主要用于教學(xué)目的，或者簡(jiǎn)單的碼垛貨物。通過機(jī)械臂能夠提升生產(chǎn)效率，不過其自動(dòng)化程度低，效果一般。在使用時(shí)間長(zhǎng)了，還需人工進(jìn)行調(diào)整；
第二階段的機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，具備編程能力，能夠結(jié)合各種傳感器進(jìn)行工作，具備反饋能力；目前廠區(qū)所用的機(jī)械臂大部分都是這一階段的；
第三階段機(jī)械臂具備柔性制造能力，即其能夠根據(jù)傳感器能夠具備在生產(chǎn)中及時(shí)矯正的能力，使得機(jī)械臂能夠具備智能化，目前仍在研制過程之中[2]。
最初設(shè)計(jì)的機(jī)械臂主要用于教學(xué)場(chǎng)合，他能夠能夠簡(jiǎn)單抓取實(shí)物，作為演示作用的一種機(jī)器，后隨著機(jī)械臂結(jié)合單片機(jī)等進(jìn)行控制，能夠十分方便的拿取實(shí)物。得到不斷的發(fā)展。自1962年Versatran機(jī)械臂發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)功能，能夠簡(jiǎn)單碼垛稍重貨物，德國(guó)從上個(gè)世紀(jì)70年代開始，敏銳的感覺到機(jī)械臂將會(huì)得以大幅度發(fā)展，所以在機(jī)械臂上面大投入，在起重行業(yè)、生成流水線使用上?？梢钥吹降聡?guó)的技術(shù)不斷發(fā)展也日趨成熟，隨著機(jī)械臂的不斷發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械臂的使用壽命，以及平均故障時(shí)間也進(jìn)行了提高。對(duì)其可靠性也進(jìn)行了研發(fā)。使其精準(zhǔn)度能夠達(dá)到±1mm，能夠滿足一般生產(chǎn)的要求。機(jī)械臂的發(fā)展主要可以分為以下幾種階段。
第一階段的機(jī)械臂主要用于教學(xué)目的，或者簡(jiǎn)單的碼垛貨物。通過機(jī)械臂能夠提升生產(chǎn)效率，不過其自動(dòng)化程度低，效果一般。在使用時(shí)間長(zhǎng)了，還需人工進(jìn)行調(diào)整；
第二階段的機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，具備編程能力，能夠結(jié)合各種傳感器進(jìn)行工作，具備反饋能力；目前廠區(qū)所用的機(jī)械臂大部分都是這一階段的；
第三階段機(jī)械臂具備柔性制造能力，即其能夠根據(jù)傳感器能夠具備在生產(chǎn)中及時(shí)矯正的能力，使得機(jī)械臂能夠具備智能化，目前仍在研制過程之中。
1.2.2 機(jī)械臂發(fā)展趨勢(shì)
機(jī)械臂通過其控制系統(tǒng)對(duì)零部件進(jìn)行加工，能夠獲取符合要求的零部件，上世紀(jì)60年代出現(xiàn)的簡(jiǎn)單使用的機(jī)械臂，給機(jī)械帶來(lái)了革命，而上世紀(jì)70年代，隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，人們開始用機(jī)械臂加工復(fù)雜零部件了。這對(duì)機(jī)械制造來(lái)說(shuō)是一場(chǎng)正在的革命。目前的機(jī)械臂向著更為高端方向發(fā)展，其主要的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾種：
第一：智能化，隨著科技的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助軟件以及人工智能技術(shù)的不斷升級(jí)，使得機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)智能化成為基礎(chǔ)；
第二：模塊化，隨著分組越來(lái)越明確，人們對(duì)機(jī)械臂的要求也越來(lái)越多所以通過模塊化實(shí)施的機(jī)械臂將會(huì)得以大發(fā)展；
第三：多軸化，目前使用較多的是三軸或者四軸，而采用多軸化能夠完成各種總類的操作。目前的五軸、六軸甚至七軸機(jī)械臂已經(jīng)出現(xiàn)，相信隨著時(shí)間的變化，其價(jià)格將會(huì)越來(lái)越低的。將會(huì)得到更大規(guī)模的利用。
1.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容
隨著工廠自動(dòng)化程度越來(lái)越高，工廠內(nèi)使用機(jī)械臂進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)是十分常見的，所以本課題通過設(shè)計(jì)一款三自由度的機(jī)械臂，能夠使其完成多功能的任務(wù)。本課題的主要內(nèi)容可以分為以下幾個(gè)步驟。具體的內(nèi)容如下.
第一：緒論，通過對(duì)機(jī)械臂的簡(jiǎn)介以及發(fā)展趨勢(shì)，了解機(jī)械臂研究的目的與意義；確定本課題的主要研究?jī)?nèi)容；
第二：本機(jī)械臂的總體方案設(shè)計(jì)，確定機(jī)械臂工作環(huán)境，對(duì)其自由度進(jìn)行分配，確定各連桿參數(shù)；
第三：對(duì)本機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其主要機(jī)構(gòu)的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)其傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括電機(jī)。諧波齒輪減速器等；
第四：對(duì)本機(jī)械臂的手爪進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過手爪的設(shè)計(jì)，使得機(jī)械臂能夠十分方便的拿取貨物。
最初設(shè)計(jì)的機(jī)械臂主要用于教學(xué)場(chǎng)合，他能夠能夠簡(jiǎn)單抓取實(shí)物，作為演示作用的一種機(jī)器，后隨著機(jī)械臂結(jié)合單片機(jī)等進(jìn)行控制，能夠十分方便的拿取實(shí)物。得到不斷的發(fā)展。自1962年Versatran機(jī)械臂發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)功能，能夠簡(jiǎn)單碼垛稍重貨物，德國(guó)從上個(gè)世紀(jì)70年代開始，敏銳的感覺到機(jī)械臂將會(huì)得以大幅度發(fā)展，所以在機(jī)械臂上面大投入，在起重行業(yè)、生成流水線使用上[1]?？梢钥吹降聡?guó)的技術(shù)不斷發(fā)展也日趨成熟，隨著機(jī)械臂的不斷發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械臂的使用壽命，以及平均故障時(shí)間也進(jìn)行了提高。對(duì)其可靠性也進(jìn)行了研發(fā)。使其精準(zhǔn)度能夠達(dá)到±1mm，能夠滿足一般生產(chǎn)的要求。機(jī)械臂的發(fā)展主要可以分為以下幾種階段[7]。
第一階段的機(jī)械臂主要用于教學(xué)目的，或者簡(jiǎn)單的碼垛貨物。通過機(jī)械臂能夠提升生產(chǎn)效率，不過其自動(dòng)化程度低，效果一般。在使用時(shí)間長(zhǎng)了，還需人工進(jìn)行調(diào)整；
第二階段的機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，具備編程能力，能夠結(jié)合各種傳感器進(jìn)行工作，具備反饋能力；目前廠區(qū)所用的機(jī)械臂大部分都是這一階段的；
第三階段機(jī)械臂具備柔性制造能力，即其能夠根據(jù)傳感器能夠具備在生產(chǎn)中及時(shí)矯正的能力，使得機(jī)械臂能夠具備智能化，目前仍在研制過程之中。
第2章 多功能機(jī)械臂的總體方案設(shè)計(jì)
2.1工作原理
多功能機(jī)械臂的工作原理是仿造人類手臂關(guān)節(jié)的活動(dòng)結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)的，一般機(jī)械臂都運(yùn)用在環(huán)境惡劣、流水線或者是危險(xiǎn)性的工作環(huán)境下。本文設(shè)計(jì)的這種多功能機(jī)械臂主要功能是搬運(yùn)，具體來(lái)說(shuō)就是把一個(gè)地方的物品搬運(yùn)到固定位置上去，這樣的自動(dòng)化設(shè)備可以有效減輕勞動(dòng)力。本文設(shè)計(jì)的這種多功能機(jī)械臂運(yùn)用在流水工作線上，所以對(duì)多功能機(jī)械臂的活動(dòng)順序和對(duì)時(shí)間的掌控都有比較高的要求了。多功能機(jī)械臂在搬運(yùn)物體時(shí)，要保證機(jī)械臂能平穩(wěn)，快速，精準(zhǔn)的運(yùn)行。機(jī)械臂原理圖如圖2.1所示。
圖2.1機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.2 基本參數(shù)要求
2.2.1基本參數(shù)的確定
機(jī)械臂的設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)、功能和各種驅(qū)動(dòng)及動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，機(jī)械臂的基本參數(shù)的確定應(yīng)該是機(jī)械臂的第一步。本文設(shè)計(jì)機(jī)械臂的基本參數(shù)如下表所示[3]。
表2-1 機(jī)械臂工作過程中的主要參數(shù)
2.2.2設(shè)計(jì)要求
本課題設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)械臂，要求由四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，分別是手臂可以旋轉(zhuǎn)，還有手臂能夠繞著軸來(lái)擺動(dòng)，最后是手臂可以?shī)A緊松開，達(dá)到加持物品的效果。
機(jī)械臂的工作過程可分為：
1）機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是利用電機(jī)傳遞的動(dòng)力，帶動(dòng)傳動(dòng)軸、齒輪運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步帶動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)；
2）手部的運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是靠凸輪驅(qū)動(dòng)擺桿，進(jìn)而帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最后經(jīng)過內(nèi)部機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)；
3）利用凸輪的運(yùn)動(dòng)原理，使圓通實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)手臂進(jìn)行擺動(dòng)；
4）轉(zhuǎn)盤的往復(fù)回轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)是通過圓柱凸輪帶動(dòng)齒條、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)完成的。
2.3整體方案
在設(shè)計(jì)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)時(shí)候，要對(duì)實(shí)際的工作環(huán)境還有使用情況詳細(xì)分析，然后根據(jù)情況來(lái)設(shè)計(jì)能夠符合要求的機(jī)械臂才行。機(jī)械臂的設(shè)計(jì)需要滿足的條件：①要留足機(jī)械臂的工作空間，并且設(shè)計(jì)的機(jī)械臂應(yīng)能夠以多種運(yùn)動(dòng)形式完成不同要求的工作。②機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)該在滿足機(jī)械臂具體的工作環(huán)境和要求的前提下，通過對(duì)人的手臂功能的模仿學(xué)習(xí)之后，進(jìn)行機(jī)械臂的具體結(jié)構(gòu)、機(jī)械臂的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)[4]。
圖2.2機(jī)械臂實(shí)物圖
圖中1—機(jī)座，2—液壓缸，3—旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，4—手臂，5—手爪，6—法蘭盤7—手桿。
第3章 多功能機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1底座的設(shè)計(jì)
機(jī)械臂的底座的主要作用是承重，不僅要承受機(jī)器人全部重量，還要承受機(jī)械臂的工作載荷，因此需要有較大的強(qiáng)度和剛度。機(jī)械臂能否正常工作，取決于底座的安裝基面的大小。
由于機(jī)械臂對(duì)底座的結(jié)構(gòu)要求較低，只要機(jī)械臂的定位合理即可，本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械臂其底座如圖所示。
圖3.1底座三維圖
3.2手部的設(shè)計(jì)
3.2.1機(jī)械臂手部結(jié)構(gòu)的計(jì)算
機(jī)械臂夾持爪要根據(jù)手爪的工作環(huán)境來(lái)選取，主要參考依據(jù)有被搬運(yùn)物品的質(zhì)量、大小、形狀和機(jī)械臂夾持爪的工作行程，本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂的參數(shù)為:M=30.0kg,夾持點(diǎn)和轉(zhuǎn)軸中心的最大力臂為46.0mm,由這些參數(shù)來(lái)確定夾持手爪的規(guī)格。夾持手爪夾持物品的夾持力的計(jì)算如下[5]：
? 公式?(3.1)
式中 ——安全系數(shù)，(取值為1.2~2)；
——工況系數(shù)，一般情況下受器件慣性力的影響較大,?
a——被搬運(yùn)物品的加速度，
g——被搬運(yùn)物品的重力加速度；
——位置系數(shù)；
?? G——被搬運(yùn)物品的重量；
分別取,,;?則由能公式(3.1)可得:
公式(3.2)
所以?shī)A持力矩(取最小的夾持力計(jì)算) 為:
公式(3.3)
由計(jì)算結(jié)果知，可選取型號(hào)為SMC,MHC2- 16D- A198S的手爪，其主要參數(shù)：（1）手爪開合時(shí)間0.03s；（2）手爪的夾持力矩75N.m；（3）重復(fù)定位精度為0.02mm。
圖3.2手爪結(jié)構(gòu)圖
3.2.2豎直升降模塊的設(shè)計(jì)
豎直臂的作用是控制機(jī)械臂的升降，它的驅(qū)動(dòng)方式是氣壓驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樨Q直臂不易定位，考慮到工作中工作行程和工作壓力等因素的影響，所以本設(shè)計(jì)選取了雙聯(lián)氣缸。
由于活塞桿要克服載荷收縮做工，所以氣缸的內(nèi)徑D的大小要結(jié)合機(jī)械臂工作壓力和工作載荷來(lái)確定，具體過程如下：
公式(3.4)
式中 D——?dú)鈮焊椎膬?nèi)徑m；
F——?dú)鈮夯钊艿降妮d荷N；
P——?dú)鈮焊资艿降膲毫a；
η——?dú)飧卓偟臋C(jī)械效率（的取值范圍0.3~0.5）；
考慮到氣缸中活塞桿的直徑和具體工作情況的影響：
公式 (3.5)
將 ，代入公式（3.5）計(jì)算得：
公式（3.6）
式中 t——豎直臂氣缸的伸縮時(shí)間，
s——豎直臂氣缸的收縮行程，
F——豎直臂氣缸的收縮行程，
3.2.3水平伸縮模塊的設(shè)計(jì)
因?yàn)樗奖壑辉谄矫鎯?nèi)運(yùn)動(dòng)，且僅有一端需要定位，所以采用水平鋼桿和氣壓缸組合使用的方法來(lái)保證了水平臂的剛性，選用筆形氣缸就可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
將 ，代入式（3.5）計(jì)算得：
公式（3.7）
式中 t——豎直臂氣缸的伸縮時(shí)間，
s——豎直臂氣缸的收縮行程，
F——豎直臂氣缸的收縮行程，
根據(jù)3.2.2和3.2.3的計(jì)算結(jié)果，選取型號(hào)為SMC,CXSM10-70-Z75的氣缸，其重復(fù)定位精度為0.020mm。
3.3腕部的設(shè)計(jì)
3.3.1 概述
機(jī)械臂的手部與臂部是靠腕部進(jìn)行連接的，腕部對(duì)手部有支承作用。因?yàn)橥蟛孔饔玫闹匾?，所以腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量緊湊，材料選取密度較小的，這樣的腕部重量較輕，轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)比較靈活[6]。
本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械臂腕部具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖3.3腕部結(jié)構(gòu)圖
3.3.2 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的確定
機(jī)械臂手腕回轉(zhuǎn)時(shí)，啟動(dòng)產(chǎn)生的慣性力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔之間的摩擦阻力矩、密封裝置的摩擦阻力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)的重心與軸線不重合產(chǎn)生的偏重力矩對(duì)手腕的回轉(zhuǎn)影響較大，因此在設(shè)計(jì)手腕時(shí)就不得不從這幾方面進(jìn)行入手。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩具體可按下式來(lái)計(jì)算[7]：
公式（3.8）
式中 M驅(qū)——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩
M慣——慣性力矩
M偏——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩
M摩——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦力矩
腕部回轉(zhuǎn)時(shí)受力如圖所示。
圖3.4腕部回轉(zhuǎn)力矩圖
⑴ 摩擦阻力矩M摩
公式（3.9）
式中 f——軸承摩擦系數(shù)，滾動(dòng)軸承取f=0.020，滑動(dòng)軸承取f=0.10；
N1 、N2 ——軸承的支承反力；
D1 、D2 ——軸承直徑
由設(shè)計(jì)參數(shù)得,, ,,， f=0.10。
由公式（3.9）代入數(shù)值計(jì)算可得
公式（3.10）
⑵ 工件重心偏置力引起的偏置力矩M偏
公式（3.11）
式中 G1——工件重量（N）
e——偏心距
將e=0.02，G1=300N代入公式（3.11）計(jì)算得
公式（3.12）
⑶ 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩M慣
公式 （3.13） 式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度（1/s）
t——手腕啟動(dòng)過程中所用時(shí)間（s）
J——手腕回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m）
J工件——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m）
由已知計(jì)算得J=3.0，J工件 =6.0，=0.30m/ m,t=1.50s,代入公式（3.13）
得
公式（3.14）
由于受到驅(qū)動(dòng)缸密封處摩擦損失的影響，設(shè)計(jì)時(shí)M的取值應(yīng)該比理論值偏大
，一般按下式進(jìn)行計(jì)算[8]。
公式（3.15）
將公式（3.10）、（3.12）、（3.14）計(jì)算的結(jié)果代入得
公式（3.16）
綜上計(jì)算知手腕驅(qū)動(dòng)力矩為12.12
3.4臂部的設(shè)計(jì)
3.4.1手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
臂部不僅是用來(lái)支承手部和腕部的主要部件，也是機(jī)械臂的主要執(zhí)行部件。它不僅承受手臂自身的重量，還要承受手部、手腕、和被抓取工件的重量。手臂的設(shè)計(jì)是否合理將直接影響機(jī)械臂的工作性能，因此手臂的設(shè)計(jì)必須考慮以下因素的影響[8]：
①機(jī)械臂的抓取重量、運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)速度和定位精度的要求
② 手臂受力情況、導(dǎo)向裝置和油缸的分布、手腕與內(nèi)部管路的連接方式。
綜合剛度、導(dǎo)向性、偏重力矩和穩(wěn)定性等因素對(duì)機(jī)械臂臂部的設(shè)計(jì)的影響，本設(shè)計(jì)選擇的手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng),液壓缸選取雙聯(lián)液壓缸。
3.4.2手臂偏重力矩的確定
手臂偏重力矩的計(jì)算公式
公式（3.17）
經(jīng)過初步計(jì)算可得，，，。
所以手臂所受的外力為
公式（3.18）
初步取各部分長(zhǎng)度為，，，
計(jì)算出平均偏重長(zhǎng)度為
公式（3.19）
由公式（3.17）代入數(shù)據(jù)計(jì)算得偏重力矩為
公式（3.20）
3.5小結(jié)
本章確定了機(jī)械臂的機(jī)身底座、手爪的相關(guān)數(shù)據(jù)以及確定了水平升降模塊和垂直升降模塊的氣缸內(nèi)徑和型號(hào),對(duì)機(jī)械臂的手臂、腕部和臂部進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
第4章 多功能機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1氣動(dòng)元件的選用
氣壓泵是氣壓回路的心臟，主要為回路提供動(dòng)力。進(jìn)行氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)時(shí)，首先要完成氣壓泵的選擇。而氣壓泵的選擇主要確定氣壓泵的類型和氣壓泵具體型號(hào)，氣壓泵的類型要根據(jù)氣壓回路對(duì)氣壓的特性要求來(lái)確定，氣壓泵的具體型號(hào)是由氣壓回路中氣壓缸的耗氣量總和、所需的氣體壓力、氣壓泵的吸入流量和氣壓泵的輸出氣壓進(jìn)行參考選取的。
氣缸的換氣量Q主要受氣缸的直徑D、氣缸的動(dòng)作時(shí)間、行程S、氣缸管道內(nèi)的容積、換向閥到氣缸管道的容積等因素的影響，為了方便計(jì)算，一般忽略這些因素的影響，因此在單位時(shí)間內(nèi)氣缸內(nèi)空氣耗氣量Q的計(jì)算過程如下：
， 公式（4.1）
式中 Q——在單位時(shí)間內(nèi)氣缸壓縮氣體的消耗量(m3s)；
Q1——無(wú)活塞桿端氣缸進(jìn)氣的情況下壓縮氣體的消耗量（m3s)；
Q2——有活塞桿端氣缸進(jìn)氣的情況下壓縮氣體的消耗量（m3s)；
t1、t2——?dú)飧變?nèi)活塞的往返程時(shí)間（s）；
S——?dú)飧變?nèi)活塞的行程（m）；
D——?dú)飧變?nèi)部的直徑（m）；
d——?dú)飧變?nèi)活塞桿的直徑（m）；
①水平臂氣缸內(nèi)的壓縮空氣耗氣量計(jì)算過程如下：
由公式（4.1）計(jì)算得：
公式（4.2）
式中 t——水平臂氣缸壓縮空氣的時(shí)間，t=0.6s
s——水平臂氣缸壓縮空氣的行程，s=60mm
D——水平臂氣缸的缸徑，D=13mm
②豎直臂氣缸內(nèi)的壓縮空氣耗氣量計(jì)算過程如下[10]：
由公式（4.1）計(jì)算得：
公式（4.3）
式中 t——豎直臂氣缸壓縮空氣的時(shí)間，t=0.5s
s——豎直臂氣缸壓縮空氣的行程，s=70mm
D——豎直臂氣缸的缸徑，D=35mm
綜上①②兩部分的計(jì)算,本課題最后選用參數(shù)為：LB:0.0178; 220V50HZ; 0.80MPa；0.245kw的氣壓泵。
4.2氣動(dòng)系統(tǒng)中各控制和輔助元件的選用
在氣動(dòng)系統(tǒng)中，氣壓泵、控制閥、氣動(dòng)回路和執(zhí)行氣動(dòng)缸的相互配合是機(jī)械臂完成指定的工作要求和任務(wù)的關(guān)鍵。氣動(dòng)控制閥保證了整個(gè)氣動(dòng)回路的有序運(yùn)行，氣動(dòng)回路中的各類控制閥控制各執(zhí)行元件的動(dòng)作順序和速度的方式是通過改變壓縮空氣的方向和流量來(lái)控制的，氣壓泵的壓縮空氣進(jìn)而帶動(dòng)各氣壓缸等執(zhí)行元件的工作。
4.2.1方向控制閥的選用
在氣壓回路中，執(zhí)行元件的啟動(dòng)、停止和方向變化是由方向控制閥來(lái)控制的。它的工作原理是通過改變壓縮氣體的方向及通斷，來(lái)控制氣動(dòng)回路中的執(zhí)行元件完成指定要求的工作。方向控制閥種類較多，可以將其分為如下3類[11]：
（1）按閥內(nèi)空氣流通方向分為：①單向型控制閥；②雙向控制閥。
（2）按控制方式分為：①電磁控制型換向閥；②氣壓控制換向閥；③機(jī)械換向閥；④人力控制閥。
（3）按照定義分為：①按閥內(nèi)換氣端口的數(shù)量定義為幾通閥②按閥內(nèi)閥芯有、切換工作位置的數(shù)目定義為幾位閥。
所研究的機(jī)械臂要滿足①自動(dòng)控制的要求②氣缸工作時(shí)的具體要求，綜合考慮了機(jī)械臂的技術(shù)要求，所以本課題選擇了先導(dǎo)性2位5通電磁換向閥。
4.2.2流量控制閥的選用
通過流量控制閥對(duì)機(jī)械臂的各個(gè)動(dòng)作元件的速度進(jìn)行有效的控制，機(jī)械臂才能保證其動(dòng)作過程的完整進(jìn)行。流量控制閥是通過控制流過流量控制閥的氣流流通截面積的改變來(lái)控制氣動(dòng)回路中的流量，流量控制閥大體上可以分為3種：①排氣節(jié)流閥②節(jié)流閥③單向節(jié)流閥。因?yàn)楸菊n題所選用的是雙向工作氣缸，所以需要2個(gè)單向節(jié)流閥組合的來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4.2.3壓力控制閥的選用
壓力控制閥作為氣動(dòng)回路中首選氣壓元件，它的功能是控制回路中氣流壓力的變化，按照功能可以將其分為：①減壓閥；②順序閥；③溢流閥（安全閥）。本課題所選用的是溢流閥，它主要用于氣壓泵的出口處，當(dāng)回路中壓力過大時(shí)，可以對(duì)整個(gè)回路起到過載保護(hù)作用。
4.3液壓模塊計(jì)算
4.3.1 液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
本課題所設(shè)計(jì)機(jī)械臂的手臂伸縮速度為250.0mm/s，其行程L=400.0mm，其抓重300.0N；
公式（4.4）
式中 ——摩擦阻力；
——密封裝置處的摩擦阻力；
——液壓缸回油腔內(nèi)的低壓油液所造成的阻力；
——啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，活塞桿所受到平均慣性力。
其中、、、的具體計(jì)算如下。
（1）的計(jì)算。
本課題設(shè)計(jì)導(dǎo)向桿是截面為圓柱面的雙向?qū)驐U，導(dǎo)向桿對(duì)稱均布在伸縮缸的兩側(cè)，啟動(dòng)開始時(shí)，導(dǎo)向桿受到摩擦阻力較大，具體計(jì)算如下:
由于導(dǎo)向桿的配置是對(duì)稱的，兩個(gè)導(dǎo)向桿的受力情況是相同的，因此計(jì)算過程中只計(jì)算一個(gè)導(dǎo)向桿。
公式（4.5）
公式（4.6）
公式 （4.7）
公式（4.8）
公式（4.9）
由公式（4.5）、（4.6）、（4.7）、（4.8）、（4.9）聯(lián)合得
公式（4.10）
公式（4.11）
式中 ——參與運(yùn)動(dòng)的零部件和工件所受的總重力,本設(shè)計(jì)具體值為
L——支承桿和手臂結(jié)構(gòu)的重量的中心的距離,；
a——導(dǎo)向支承桿的長(zhǎng)度,;
——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值受導(dǎo)向支承桿的截面形狀影響。
對(duì)于圓柱面來(lái)說(shuō) 的計(jì)算如下:
取=1.5
——摩擦系數(shù)
常見材料的摩擦系數(shù)如下：①鋼對(duì)青銅: 取 ②鋼對(duì)鑄鐵: 取，
取，代入已知數(shù)據(jù)得
公式（4.12）
（2）的計(jì)算
液壓缸密封處的總摩擦力計(jì)算如下:
公式（4.13）
公式（4.14）式中 ——驅(qū)動(dòng)力，
d——伸縮油管的直徑,d=70mm；
P——工作壓力(Pa)；P<10.0MPa,μ取值范圍為0.0230~0.050,取p=4.0Mpa,=0.050；
L——密封的有效長(zhǎng)度。
公式（4.15）
公式（4.16）
公式（4.17）取=10mm,K=0.1代入公式（4.17）計(jì)算得
公式（4.18）
公式(4.19)
（3）的計(jì)算
由于背壓阻力較小，F(xiàn)回的計(jì)算一般取
（4）的計(jì)算
公式（4.20）
公式(4.21)
式中 ——參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力(包括工件重量)（N）
g——重力加速度，取10
——靜止加速到常速的速度變化量
——啟動(dòng)過程的時(shí)間(s)，其取值范圍為，取=0.050s。
綜上（1）、（2）、（3）、（4）的計(jì)算，所求驅(qū)動(dòng)力為，
F=453.13N 公式（4.22）
4.3.2液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸
（1） 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算
①油進(jìn)入無(wú)桿腔的情況如下：
公式（4.23）
② 油進(jìn)入有桿腔的情況如下：
公式（4.24）
液壓的有效面積:
公式（4.25）
由公式（4.23）、（4.24）代入數(shù)值計(jì)算得
公式(4.26)
公式(4.27)
由計(jì)算結(jié)果查表4-1得，液壓缸內(nèi)徑 D取整D=40mm
式中 F——驅(qū)動(dòng)力〔N)；
——液壓缸的工作壓力,取=4Mpa；
D——活塞缸內(nèi)徑〔m)；
d——活塞桿直徑(m)；
——液壓缸機(jī)械效率，取。
表4-1 液壓缸工作壓力表
表4-2液壓缸內(nèi)徑系列JB826-66（mm）
（2） 液壓缸壁厚計(jì)算
在實(shí)際應(yīng)用中，液壓缸壁厚計(jì)算有下列三種情況[11]:
①中等壁厚，時(shí)，
公式（4.28）
公式（4.29）式中 ——液壓缸內(nèi)的工作壓力
——鋼管的強(qiáng)度系數(shù)，其中無(wú)縫鋼管=1
——計(jì)入管壁公差及侵蝕的附加厚度
D——液壓缸內(nèi)徑（m）
②壁薄，時(shí)，
公式（4.30）
公式（4.31）
③壁厚，時(shí)，由得
公式（4.32）
公式（4.33）
式中 ——材料的抗拉強(qiáng)度（）
n——安全系數(shù)，n的取值范圍為3.5~5
——常用缸體材料的許用應(yīng)力
常見幾種材料的許用應(yīng)力如下，鍛鋼的取值范圍為110.0~120.0Mpa,本文取用=120.0Mpa；鑄鐵=60.0Mpa；無(wú)縫鋼管的取值范圍為100.0~110.0Mpa。
表4-3 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸徑（JB68~67）（mm）
4.4活塞桿的設(shè)計(jì)
4.4.1活塞桿的計(jì)算
因?yàn)榛钊麠U直d由強(qiáng)度條件決定,故具體計(jì)算要考慮拉、壓強(qiáng)度的影響，計(jì)算過程如下[12]:
公式 (4.34)
公式（4.35）
碳鋼,取;一般不小于1.4，取
由公式（4.34）、（4.35）計(jì)算得
公式 (4.36)
由公式（4.36）結(jié)果得，活塞桿直徑d取整d=10mm
4.4.2活塞桿的穩(wěn)定性校核
由活塞桿長(zhǎng)度和直徑的關(guān)系來(lái)確定是否進(jìn)行穩(wěn)定性校核。當(dāng)括塞桿長(zhǎng)度L＞15d時(shí)，就必須進(jìn)行校核了，校核過程如下[11]：
公式（4.37）
式中 ——臨界力（N），由材料力學(xué)中的有關(guān)公式計(jì)算可得。
——安全系數(shù)，其取值范圍為
活塞桿的臨界力有三種情況，具體情況如下：
（1）大柔度桿
當(dāng)時(shí)，臨界力為
公式(4.38)
式中 ——柔度系數(shù)，活塞桿的計(jì)算柔度
i——活塞桿橫截面的慣性半徑（m）,
J——活塞桿截面對(duì)中性軸的慣性矩（），
E——彈性橫量，E=210GPa
——長(zhǎng)度折算系數(shù)，
——特定的柔度值，，為比例極限。
（2）中柔度桿
當(dāng)時(shí)，臨界力為
公式（4.39）
式中 F——活塞桿橫截面積（）
a、b——與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，
——特定的柔度值，，為屈服極限
（3）短壓桿
短壓桿的時(shí)候，由于，此時(shí)活塞桿L<15d,因此不進(jìn)行壓桿穩(wěn)定的校核。
4.5手臂旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)
由機(jī)械臂手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)確定機(jī)械臂手臂的回轉(zhuǎn)液壓缸，回轉(zhuǎn)液壓缸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受力情況如圖4.1所示。
圖4.1 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受力圖
機(jī)械臂手臂的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算如下：
公式（4.40）
（1）密封裝置處的摩擦力矩
公式（4.41）
估計(jì)取 ,；取回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 ,輸出軸與動(dòng)片聯(lián)接處的直徑為,
公式(4.42)
公式 (4.43)
公式(4.44)
(2)手臂啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩
公式 (4.45)
式中——?jiǎng)悠撬俣鹊淖兓?，啟?dòng)時(shí)，。
——啟動(dòng)過程所需的時(shí)間（s）,取
公式（4.46）
式中 ——回轉(zhuǎn)零件相對(duì)于重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
公式（4.47）
將手臂回轉(zhuǎn)零件質(zhì)量，回轉(zhuǎn)時(shí)手臂長(zhǎng)度代入公式（4.45）、（4.46）、（4.47）中計(jì)算得
公式(4.48)
公式(4.49)
公式(4.50)
（3）回轉(zhuǎn)液壓缸回油腔的背壓反力矩
公式（4.51）
取,
公式 (4.52)
公式(4.53)
①驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算
公式（4.54）
圖4.2 回轉(zhuǎn)液壓缸計(jì)算圖
②回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D的計(jì)算
根據(jù) 公式（4.55）
公式（4.56）
公式（4.57）式中D——回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑（m）
M驅(qū)——作用在動(dòng)片的外載荷力矩
b——?jiǎng)悠瑢挾龋╩）
p——回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（Pa）
d——輸出軸和動(dòng)片聯(lián)接處的距離（m），初步設(shè)計(jì)時(shí)按D=2d計(jì)算
b——?jiǎng)悠膶挾?
公式（4.58）選擇動(dòng)片寬度b（即液壓缸寬度）時(shí),考慮到動(dòng)片的懸伸長(zhǎng)度和動(dòng)片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷的影響，可采用如下約束
公式（4.59）
由公式（4.59）的約束關(guān)系結(jié)合公式（4.58）的計(jì)算，最終得出下列結(jié)果
4.6 手臂升降設(shè)計(jì)
4.6.1臂部做升降運(yùn)動(dòng)時(shí)油缸的相關(guān)計(jì)算
機(jī)械臂臂部做升降運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
公式 （4.60）式中 ——摩擦阻力（N），，?。?
——臂部運(yùn)動(dòng)的零部件和被抓取工件的總重力，單位（N）。
（注：必須加上不自鎖的條件）
計(jì)算結(jié)果為驅(qū)動(dòng)力為45000牛，即 。
4.6.2油缸內(nèi)徑的計(jì)算
手臂升降液壓缸內(nèi)徑如圖所示
圖4.3 油缸內(nèi)徑圖
①油進(jìn)入無(wú)桿腔的情況如下：
公式（4.61）
②油進(jìn)入有桿腔的情況如下：
公式（4.62）
油缸的有效面積：
公式（4.63）
由公式（4.61）、（4.62）、（4.63） 得
公式（4.64）
公式（4.65）
式中 P——活塞受到的驅(qū)動(dòng)力（N）；
P1——油缸的工作壓力（）；
D——油缸的內(nèi)徑（mm）；
d——活塞桿的直徑（mm）；
——油缸的機(jī)械效率。
表4-4 壓力選擇參考表
查表4-4知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力為4~5萬(wàn)牛時(shí)，油缸工作壓力應(yīng)選取為4MPa。再由公式計(jì)算得：
公式（4.66）
表4-5 液壓缸缸內(nèi)徑表（GB/T2348-93）
注：括號(hào)內(nèi)的尺寸為理論尺寸，能不用盡可能不選用。
由公式（4-66）計(jì)算結(jié)果選取的油缸內(nèi)徑，查表4-5可選出油缸內(nèi)徑為125mm 。
4.6.3油缸壁厚的計(jì)算
油缸壁厚的具體計(jì)算如下：
中等壁厚（）
公式 （4.67）
式中 D—— 油缸內(nèi)徑（mm）；
——計(jì)算壓力，P計(jì)的取值范圍為；
——油缸材料的許用應(yīng)力（）；
——強(qiáng)度系數(shù)；
C——油缸的附加厚度；
由公式（4.67）代入數(shù)值計(jì)算得出油缸外徑為
公式（4.68）
查表4-6油缸外徑表，可知C可取17，因此壁厚mm 。
表4-6 油缸外徑表
注：缸體為無(wú)縫鋼管
4.6.4活塞桿的計(jì)算
活塞桿的尺寸設(shè)計(jì)是必須要符合活塞運(yùn)動(dòng)的要求及強(qiáng)度的要求。當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度超過直徑的15倍時(shí)，必須要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性校核。具體計(jì)算如下：
因?yàn)榛钊麠U是直桿，所以應(yīng)按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算：
公式(4.69)
公式(4.70)
式中 P——活塞桿所受的總載荷（N）；
——活塞桿材料的許用應(yīng)力（） 。
公式(4.71)
通過查活塞桿直徑系列表表4-7，選用了直徑為d=25mm的活塞桿。
表4-7 活塞桿直徑系列表
由活塞桿長(zhǎng)度L=300.0mm，知，，此時(shí)不需要進(jìn)行穩(wěn)定性校核，因?yàn)樵摶钊麠U滿足設(shè)計(jì)要求。
4.7小結(jié)
本章首先完成了氣動(dòng)元件和液壓閥的選取，然后完成了液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力和液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)，最后完成了活塞桿的設(shè)計(jì)、校核以及手臂回轉(zhuǎn)、升降液壓缸的設(shè)計(jì)和油缸壁厚的確定。
第5章 多功能機(jī)械臂液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1機(jī)械臂液壓缸的受力情況
5.1.1 大臂升降缸的受力情況
大臂升降缸無(wú)論是否工作都會(huì)受到力的作用，具體情況分析如下：
①機(jī)械臂下降時(shí)，升降缸除了受活塞桿自身的重力，還受機(jī)械臂組件啟動(dòng)慣性力和機(jī)械臂組件的重力。
②機(jī)械臂上升過程中，升降缸除了受到各組件的重力外，還要克服運(yùn)動(dòng)部件重載運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力。
③機(jī)械臂動(dòng)作完成時(shí)，升降缸停止動(dòng)作，升降缸依然受到各組件的重力的影響。
5.1.2 手爪夾緊缸的受力情況
手爪夾緊缸的受力情況主要有三種，具體分析如下：
①當(dāng)手爪夾緊工件夾緊缸豎直向下時(shí)，由于重載運(yùn)動(dòng)，夾緊缸不僅受到下降的啟動(dòng)慣性力和夾緊缸活塞桿自身的重力，還受到手部組件的重力。
②夾緊缸放松工件時(shí)，夾緊缸和手部組件的位置是水平的，夾緊缸的外載荷受到連動(dòng)部件的啟動(dòng)慣性力和手部滑槽桿摩擦力的影響。
③機(jī)械臂手部上下翻轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)夾緊缸動(dòng)作保持不變，所受外載荷是擺動(dòng)產(chǎn)生的離心力。
5.1.3 手臂伸縮缸的受力情況
手臂伸縮缸主要?jiǎng)幼饔袃煞N，分別是手臂延伸動(dòng)作和手臂收縮動(dòng)作。手臂的動(dòng)作狀態(tài)只受啟動(dòng)慣性力地影響。手臂伸縮缸除了動(dòng)作狀態(tài)之外，均為動(dòng)作保持階段，此時(shí)手臂伸縮缸不受外部載荷。
5.2液壓元件的選擇
對(duì)機(jī)械臂動(dòng)作進(jìn)行分析，考慮到立柱工作次數(shù)較多、能量的損耗、系統(tǒng)的溫度等因素帶來(lái)的影響，本文選用了電機(jī)型號(hào)為J02-51-4，功率7.50KW，電壓380v的液壓泵；選用了雙聯(lián)齒輪泵，其中一個(gè)是額定流量為18.0L/min；額定工作壓力為2.5.0MPa的高壓小流量泵，一個(gè)是額定流量為125.0L/min，額定工作壓力為2.50MPa的低壓大流量泵。
5.3液壓系統(tǒng)原理圖
機(jī)械臂液壓系統(tǒng)原理原理如圖5.1所示
圖5.1 機(jī)械臂液壓系統(tǒng)原理圖
1—油箱；2—過濾器；3—高壓小流量泵；4—低壓大流量泵；5—單向閥；6—二位二通電磁閥；7—溢流閥；8—三位四通電磁閥；9—二位五通電磁閥；10—調(diào)速閥；11—單向順序閥。
機(jī)械臂液壓系統(tǒng)工作原理如下：
油箱1里的液壓油經(jīng)過過濾器2分為兩路：①經(jīng)過高壓小流量泵3流經(jīng)單向閥5，流經(jīng)三位四通電磁閥8、二位五通電磁閥9，依據(jù)系統(tǒng)油壓的大小，電磁閥8、9依次打開，機(jī)械臂完成相應(yīng)的動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)壓力超載時(shí)，溢流閥7將會(huì)打開，對(duì)整個(gè)回路進(jìn)行過載保護(hù)。②經(jīng)過低壓大流量泵4流經(jīng)單向閥，流經(jīng)二位五通電磁閥9，依據(jù)系統(tǒng)油壓的大小，電磁閥9打開，機(jī)械臂完成抓取動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)壓力過載時(shí)，卸壓回路對(duì)回路進(jìn)行卸荷，維持回路壓力穩(wěn)定。
5.4小結(jié)
本章完成了大臂升降液壓缸、夾緊液壓缸、手臂伸縮液壓缸的受力情況的確定，選取了合適的液壓缸，構(gòu)建了液壓原理圖。
第6章 基于ansys workbench的機(jī)械臂爪有限元分析
6.1 軟件簡(jiǎn)介
Ansys作為一款使用范圍很廣的仿真軟件，在眾多領(lǐng)域得到重用，作為一款專業(yè)的仿真分析軟件，使用ansys進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際的工況，考慮實(shí)際因素，能夠分析出與實(shí)際結(jié)果相符的結(jié)論，所以在很多領(lǐng)域上，都可以看到ansys設(shè)計(jì)的身影。專業(yè)的技術(shù)人員使用ansys對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的薄弱點(diǎn)，使其能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理。所以ansys的強(qiáng)大使得很多人對(duì)其進(jìn)行研究，不過ansys入學(xué)較快，但是當(dāng)能夠真正結(jié)合使用的情況進(jìn)行分析的人較少，需要一定的經(jīng)驗(yàn)積累，本課題通過對(duì)簡(jiǎn)單的幾個(gè)零部件進(jìn)行受力分析，使其能夠滿足實(shí)際要求，與第二章設(shè)計(jì)相符。
Ansys處理過程主要是：前處理、分析計(jì)算、后處理這三大模塊。每個(gè)模塊的都是必須的，前處理模塊需要將模型簡(jiǎn)化，如果將整個(gè)裝配體錄入系統(tǒng)，將會(huì)造成系統(tǒng)的癱瘓，分析模塊主要是要實(shí)現(xiàn)實(shí)際工況的錄入，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)或者測(cè)試結(jié)果進(jìn)行錄入，對(duì)其進(jìn)行受力分析。后處理是實(shí)現(xiàn)結(jié)果分析，與實(shí)際工況進(jìn)行對(duì)比，如果分析結(jié)果與實(shí)際工況不對(duì)，可反查是否存在問題，圖4.1 所示為ansys 分析模塊的簡(jiǎn)圖。
圖6.1 ansys分析模塊簡(jiǎn)圖
6.2 對(duì)手抓的靜力學(xué)分析
進(jìn)行分析之前ansys雖然具備制圖模塊，但是其效果不佳，對(duì)于刀具來(lái)說(shuō)，建模十分困難，所以本課題采用的是通過上章完成的模型導(dǎo)入至本模塊，ansys能夠自動(dòng)識(shí)別該模型，然后對(duì)其材質(zhì)參數(shù)進(jìn)行確定，本課題中的材質(zhì)是45號(hào)鋼，它與不銹鋼參數(shù)是相同的，所以可以選用默認(rèn)的不銹鋼參數(shù)。
然后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用的形式也是默認(rèn)的，主要考慮到電腦運(yùn)行內(nèi)存的緣故，形狀如圖6.3所示，這是前處理部分，然后需要對(duì)其進(jìn)行受力分析，首先考慮的是旋轉(zhuǎn)刀具在剛剛運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)定刀桿在螺栓固定處是不動(dòng)的，所以采用固定模式，將其中心固定，即fixed support模式。在旋轉(zhuǎn)刀具在剛剛開始工作的時(shí)候，有個(gè)Y軸的受力大小為500N，如圖4.4所示。
圖6.2 模型文件導(dǎo)入的場(chǎng)景
圖6.3 刀具嚙合網(wǎng)格劃分
、
圖6.4 刀具嚙合載荷分析
6.3 刀具后處理
Ansys 的后處理模塊就是通過對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出應(yīng)力、應(yīng)變、位移等相關(guān)參數(shù)，此參數(shù)結(jié)果分析，觀察是否滿足產(chǎn)品的要求。如位移是否足夠小，不會(huì)讓系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，一般來(lái)說(shuō)位移小于總結(jié)構(gòu)尺寸的百分之一的話，就不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，如果超過此值的話，將會(huì)存在危險(xiǎn)，如果應(yīng)力值超過材料的屈服強(qiáng)度，那么材料將會(huì)失去作用，整個(gè)結(jié)構(gòu)都會(huì)損壞。本課題中在求解模塊中選用應(yīng)力、應(yīng)變、位移等相關(guān)參數(shù)然后點(diǎn)擊求解。
由于計(jì)算機(jī)的性能不同，其處理時(shí)間也不同，最后在求解模塊中顯示出刀具的位移、應(yīng)變和應(yīng)力相關(guān)參數(shù)結(jié)果，如圖6.5所示?？梢砸罁?jù)左端的結(jié)果顯示位移值為3.88x10-4m。未達(dá)到其尺寸的百分之一，可以看成其位移值不會(huì)對(duì)產(chǎn)品振動(dòng)產(chǎn)生影響。如圖6.6所示，可以依據(jù)左端的結(jié)果顯示最大形狀變量是8.023e-5。如圖6.6所示，可以依據(jù)左端的結(jié)果顯示最大應(yīng)變?yōu)?.7x108pa。它比鋼的屈服強(qiáng)度低得多，所以它可以滿足要求。
圖6.5 云圖
結(jié) 論
在完成本次多功能機(jī)械臂的畢業(yè)設(shè)計(jì)這個(gè)過程中，我對(duì)自己在學(xué)校所學(xué)的專業(yè)課程，有了一個(gè)清晰的廣泛的認(rèn)知。我也明白了作為一個(gè)需要從無(wú)到有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師要付出的不僅僅是腦力還要有過硬的專業(yè)知識(shí)。在完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我總結(jié)了一下幾點(diǎn)。
第一，在研究如何設(shè)計(jì)多功能機(jī)械臂時(shí)，我發(fā)現(xiàn)相關(guān)的資料很少。這相當(dāng)于一個(gè)接近空白的領(lǐng)域。我在圖書館反復(fù)尋找，最后選擇了相似產(chǎn)品的資料。這樣能解決與市場(chǎng)聯(lián)系以及專業(yè)知識(shí)的空白問題。
第二，在多功能機(jī)械臂設(shè)計(jì)中，第一步需要有足夠的專業(yè)知識(shí)支撐精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)出其整體結(jié)構(gòu)以及外觀。第二步要分部設(shè)計(jì)，化整為零，在整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)微小部件。并且將其安裝方法以及具體大小等進(jìn)行仔細(xì)的核對(duì)以及精確的計(jì)算。只有先把設(shè)計(jì)的合理性和可執(zhí)行性都進(jìn)行評(píng)估做好充分的前期準(zhǔn)備工作，才能加工出有用的機(jī)器。這樣才能大幅度提高生產(chǎn)效率。
第三，繪制圖紙不僅需要學(xué)會(huì)使用三維軟件，并且要能進(jìn)行熟練的操作。一開始的時(shí)候，我并未學(xué)習(xí)使用過三維軟件，這成了我畢業(yè)設(shè)計(jì)的攔路虎。但我并沒有被嚇倒，我先從基礎(chǔ)學(xué)起，不斷的探索發(fā)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)的過程中也找到了運(yùn)用三維軟件的樂趣。之后我完成了二維圖紙的繪制以及三維軟件制圖。在這個(gè)過程中，我體會(huì)到了設(shè)計(jì)規(guī)范的重要性，設(shè)計(jì)規(guī)范也為我之后的工作帶來(lái)了便利。
最后我得出結(jié)論，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅僅要膽大心細(xì)，要有創(chuàng)造力和想象力而且最重要的是要對(duì)自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品負(fù)責(zé)。要準(zhǔn)確的把握每一個(gè)裝配零件的尺寸，不然一毫米的誤差都會(huì)給企業(yè)帶來(lái)巨大的損失，在生產(chǎn)加工中也會(huì)有不必要的浪費(fèi)。這次畢業(yè)實(shí)際也讓我明白負(fù)責(zé)是設(shè)計(jì)員必須具備的品質(zhì)，他們肩膀上扛的是對(duì)工作對(duì)產(chǎn)品的責(zé)任。
致謝
時(shí)間過得很快畢業(yè)設(shè)計(jì)即將完成這也就意味著我的大學(xué)生活將要結(jié)束，這美好的校園生活以后將只能存在我的回憶之中，想想剛開學(xué)那會(huì)老師說(shuō)三年的時(shí)光很快一眨眼就了，當(dāng)時(shí)還處在剛上大學(xué)正沉浸在美好的
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