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分 類 號
密 級
寧
畢業(yè)設計(論文)
智能排爆機械手設計
所在學院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學 號
指導老師
2012年 3月 20日
誠 信 承 諾
我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《智能排爆機器人機械手結構設計》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。
承諾人（簽名）：
年 月 日
摘 要
在當今的大規(guī)模生產中，企業(yè)為了提高自身的生產效率,保證產品的質量,生產過程的自動化程度的尤為受到關注,機械手自動生產線成為重要的一分子,逐漸被企業(yè)通過和采用。技術水平和機械手的應用在一定程度上反映程度一個國家工業(yè)自動化水平,目前,主要承擔機械臂焊接、噴涂、處理、存儲和勞動強度重復性偉大的工作,工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。
本文是設計一臺五自由度的機械手，主要功能就是排爆。首先，本文會設計機器人的底座、大臂、小臂和機械手的結構，然后通過選擇合適的傳動方式、驅動方式，完成機器人的結構設計。
關鍵詞：機械手，驅動，傳動，結構
Abstract
In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.
In this paper I will design an industrial robot with five DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot.
Key Words: Robot,Transmission, Driving, Structure
目 錄
摘 要 III
Abstract Ⅳ
目 錄 Ⅴ
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 智能排爆機器人機械手國內外的研究現(xiàn)狀 1
1.2.1國外的研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 國內的研究現(xiàn)狀 2
1.3 智能排爆機器人機械手的關鍵技術 3
1.4 智能排爆機器人機械手的作用及應用 4
第2章 總體方案設計 5
2.1概述 5
2.2系統(tǒng)組成 5
2.3 設計內容 5
第3章 機械手的結構設計 7
3.1手部機構 7
3.1.1 手部設計基本要求 7
3.1.2 典型的手部結構 7
3.1.3 機械手手抓的設計計算 7
3.1.4 機械手手抓夾持精度的分析計算 10
3.1.5 彈簧的設計計算 11
3.2腕部結構的設計 12
3.2.1 腕部設計的基本要求 12
3.2.2 腕部的結構以及選擇 13
3.2.3 腕部的設計計算 13
3.3橫向氣缸的設計計算與校核 17
3.3.1 氣缸內徑的確定 17
3.3.2 活塞桿直徑的確定 18
3.3.3 缸筒長度的確定 18
3.3.4 氣缸筒的壁厚的確定 19
3.3.5 氣缸耗氣量的計算 19
3.3.6 活塞桿的校核 20
3.3.7 連接與密封 20
3.4臂部 20
3.4.1 臂部結構形式 21
3.4.2 臂部運動的導向裝置 22
3.5機械手機身的設計計算 23
3.5.1 機身回轉機構的設計計算 25
3.5.2 機身升降機構的計算 29
3.5.3 軸承的選擇分析 31
3.6驅動方式 31
3.7制動器及其作用 34
總結與展望 36
參考文獻 37
致 謝 38
V
第1章 緒論
第1章 緒論
1.1 前言
機器人學是當今世界中極為活躍的領域之一，這門學科是近幾十年來飛速發(fā)展起來的。其中包括機械手類，從外形看來，與人的手臂結構是非常相似的，是由一系列剛性連桿和通過一系列柔性的關節(jié)交替而成的結構。而智能排爆機器人，就是一個機械手成功運用的成功典范。
排爆機器人(Explosive Disposal Robot)是指代替人到不能去或不適宜去的有爆炸、危險等環(huán)境中、或進行了排除危險物工作的機器人，是專門用于搜索、探測、處理各種爆炸危險品的防暴機器人[1]。
機械手臂是排爆機器人的執(zhí)行機構，主要是用于對爆炸物和其它危險物的抓取、搬運還有放置工作，還有可能是攜帶武器、輔助工具等，所以對它的要求是能在工作空間內靈活地到達任意的位置，并且能夠順利完成捏、握、舉等動作[2]。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化還有自動化，能在有害環(huán)境下操作和保護人身的安全，因而廣泛地應用于機械制造、冶金、電子、輕工、原子能等一些部門。
1.2 智能排爆機器人機械手國內外的研究現(xiàn)狀
1.2.1國外的研究現(xiàn)狀
在國外，排爆機器人的研究早于國內，發(fā)展也比國內迅速，技術更加成熟，并且已經進入了實用性的階段，英、美、德、法、加拿大等許多西方國家已廣泛在軍警部門中裝備使用。
英國P.W.Allen公司生產的Defender是一款大型的排爆機器人，它的一些先進的功能可以滿足正在發(fā)展的反恐需求，例如，處理核生化裝置、擴展的光譜射頻遙感測量裝置，可通過線纜操控，也可以通過無線SSRF遙控，采用全向天線，控制半徑能夠達到2km，車體是采用模塊化結構的，主要的部件使用強度高、質量輕的鈦，大范圍配置并采用標準配件，優(yōu)點為結實耐用、維修簡單、通用性好、可靠性高[4]。
Mini—AndrosⅡ(圖1.1)是美國Remotec公司設計的Andros機器人家族中的最新產品，在設計之中它采用了先進地模塊化設計的思想，能夠使整機方便、快速拆卸。它具有2m延長桿、履帶變向底盤，可以無級調速。它車身比較小，外形尺寸為107cm×60cm×94cm，因此能夠在大型機械人不能抵達的區(qū)域內進行操作。它越障礙能力非常好，可以跨越41cm高臺和53cm的寬溝，也不受天氣干擾，能在干、濕等各種地表環(huán)境中行走，在爆炸物處理、機場安全、反劫持、核放射、生化場所的檢查還有清理等領域具備很大的應用潛力[3]。
圖 1.1 Mini—AndrosⅡ排爆機器人
1.2.2 國內的研究現(xiàn)狀
相對于國外，我國在排爆機器人研究的方面起步較晚。目前，國內在該領域進行研究的主要有中科院沈陽自動化所，北京航空航天大學，上海交通大學，華南理工大學等。
中國科學院沈陽自動所先后研制出了“靈蜥-A”、“靈蜥-B”和“靈蜥-H”等反恐防暴機器人。“靈蜥-B”(圖2)由本體、電動收纜裝置、控制臺和附件箱四部分組成，自重達180kg，是電池電力驅動的，最大直線運動速度是40米／分鐘，采用三段履帶設計可以讓機器人上和下樓梯，能跨越0.45米高的障礙，實現(xiàn)了全方位行走，具備較強地面適應能力，并應用在第十屆全國運動會期間?！办`蜥-H”是該研究所集和州衛(wèi)富機器人公司研制了反恐防爆機器人，自重有200kg，最大直線運動速度為2.40km /h，可以通過小于40°斜坡、樓梯，三段履帶設計能讓機器人平衡地上下樓梯，可以跨越400mm高的障礙；裝備有連發(fā)霰彈槍、爆炸物銷毀器、催淚彈等武器；六個自由度機械手最大伸展時抓重達5kg，最大作業(yè)高度為2.2m；還裝備便捷操縱盒、自動收線裝置、高效電池等；2005年8月通過了國家“863”驗收的排爆機器人，采用六個自由度的可伸縮式關節(jié)手臂聯(lián)動的機構，開發(fā)有爆炸物轉運箱，可以提高爆炸物的轉移速度；車底的爆炸物檢測機器人采用了兩節(jié)等長履帶腿復合型移動機構，有很強的地形的適應能力；其控制系統(tǒng)采用的是PC104計算機[5]。
圖 1.2 靈蜥-B排爆機器人
上海交通大學是我國最早從事于機器人技術研發(fā)的高校之一，Super-DII型排爆機器人是“863”計劃項目，是由上海交通大學與北京中泰通公司聯(lián)合研制，曾在北京參加了第二屆國際警用裝備博覽會。最近研發(fā)SPUER-III排爆機器人(圖3)，整機質量250kg，長1.6m，寬0.84m，高1.3m，行走速度為2.4km /h，可跨越350mm的障礙物或溝壕，爬30°~ 40°斜坡或樓梯，同時可以將整體機身抬高了350mm，手臂伸展全長為1.75m，5+ 1自由度三臂桿結構組成[6]。
圖 1.3 SPUER型排爆機器人
華南理工大學的排爆機器人研究室在廣東公安廳的支持下，最新研制出了排爆機器人MRC-5，其控制系統(tǒng)有鮮明特色，除遙控功能之外，它能夠在視覺系統(tǒng)的引導下進行計算可疑目標物的三維坐標，并且控制手爪自動抓取可疑的目標[7]。
1.3 智能排爆機器人機械手的關鍵技術
機械手是智能排爆機器人的最主要的裝置，各種作業(yè)的操作基本上都由它完成。對設計要求為：重量輕、結構簡單且堅固、尺寸和慣量都盡量小、操作必須靈活。在設計具體結構的時候，應該要根據(jù)所要實現(xiàn)的主要功能，選擇合適的自由度。在設計過程中，可以綜合考慮兩方面因素，以選定最佳的結構設計形式。在確定大臂和小臂長度時，若兩者長度不相同，需要在控制系統(tǒng)中采用比例放大或縮小等辦法來使兩者終端上的運動速度和加速度差異減小，以免操作員產生的錯誤，導致了事故發(fā)生。從技術方面來說，多關節(jié)驅動的機械手比較成熟。在設計手爪時，主要應該考慮手爪的多樣性、快速更換要求，根據(jù)可疑物品的結構特征和形狀，可以設計成鏟抱型、鉤爪型、吸附型等。同時，為機械手結構更簡單、靈活性更好，負載能力的設計應該不能過大，機械手的額定負載在5—20kg左右[3]。
1.4 智能排爆機器人機械手的作用及應用
排爆機器人一般具有排除爆炸物、消防、解救人質、搬運、射擊、摧毀、爬樓梯等功能。但此主要針對的是小型的排爆機器人，機器人一般裝多臺彩色CCD像機用對爆炸物進行觀察，還有一個多自由度的機械手，一般由多個轉動、伸縮關節(jié)組成，利用手爪、夾鉗可將爆炸物的引信、雷管擰下，運走爆炸物，這是排爆機器人很重要的組成部分。
排爆機器人為機器人中特殊的一類，是為某種特殊應用場合而設計的機器人。排爆機器人能在危險、對人體有害或無法進入的環(huán)境發(fā)揮作用。西方國家，恐怖活動是個令當局頭疼的問題。民族矛盾，一些國家的人民受到爆炸物的威脅?？植阑顒拥钠茐哪芰_到了小型戰(zhàn)爭的標準。美國“9 1 1”恐怖襲擊造成數(shù)千人死亡，損失超過了一些小型戰(zhàn)爭[8]。我國的反恐形勢日趨嚴峻，犯罪分子反社會、甚至鋌而走險。知識水平的提高使得犯罪分子具有自制炸藥、定時爆炸裝置、自制遙控的能力。防爆反恐機器人成為一種重要的反恐裝備[9]。
在排爆機器人研制中不可過分地追求先進的技術，應把針對有限目標的實際應用放在首位。排爆機器人的優(yōu)勢決定了機器人能廣泛地應用在一切可能對人員健康，甚至生命構成威脅的場所[10]。
39
第2章 機械手的結構設計
第2章 總體方案設計
2.1概述
畢業(yè)設計的目的是要把我們所學的知識綜合起來，進行靈活運用。目前的發(fā)展趨勢是機電一體化，所以，我們的畢業(yè)設計是讓我們將“機”、“電”合并起來。
2.2系統(tǒng)組成
機械手系統(tǒng)由機體、運輸代理、供電和控制裝置四個部分組成。小車和本體論元器件組成機體;主傳動機構的伸縮臂和把握機構、電源液壓傳動與機械傳動兩幅形控制裝置，主要由自動控制和手動控制兩部分。
2.3設計內容
“機”指的是機械，機械手的動作過程分為五部分：機械手的上升和下降、機械手的前伸和后縮、機械手的加緊和放松、機械手的左轉和右轉、小車的前進和后退。在這五部分中我們靠機械完成機械手的上升和下降動作，本課題所做的機械手是采用電動機帶動絲杠、螺母機構來實現(xiàn)手臂的上升和下降。
滾珠螺旋傳動是在絲杠、螺母滾道之間放入滾珠，使螺紋之間產生滾動摩擦。滾珠螺旋傳動有以下特點：
（1）傳動效率高：一般的滾珠絲杠副的傳動效率達85%-98%，是滑動絲杠副的3-4倍。
（2）運動平穩(wěn)：滾動摩擦系數(shù)非常接近常數(shù)，啟動工作摩擦力矩差別小。啟動時無沖擊，低速時候無爬行。
（3）能源預緊：預緊后能消除間隙產生過盈，提高了接觸剛度和傳動精度。同時增加的摩擦力矩相對較小。
（4）工作壽命長：滾珠絲杠螺母副摩擦的表面是高硬度和精度的，具有較長的工作壽命和精度保持性。
（5）定位精度、重復定位精度高：由于滾珠絲杠副摩擦小、無爬行、溫升小、無間隙，通過預緊、預拉伸的補償膨脹，可以達到較高的定位精度、重復定位精度。
（6）同步性好：同時用幾套相同的滾珠絲杠副，傳動幾個相同的運動部件。能得到較好的同步運動。
（7）可靠性高：潤滑密封裝置結構比較簡單，維修較方便。
（8）不自鎖：用于垂直運動，要在系統(tǒng)中加自鎖或者制動裝置。
（9）經濟性差、成本高：由于結構工藝比較復雜，故制造成本高
經過計算，選擇為：電動機型號：Y802-2，功率：1.1W，絲杠型號：Tr40×7。
機械手的機械機構為它的執(zhí)行系統(tǒng)，是機械手進行操作、抓持工件、進行各種運動的機械部件。機械部件包括手部，手臂的前后伸縮部分，手臂的上下升降部分腰轉部分以及機座以及行走機構。
第3章 機械手的結構設計
3.1手部機構
3.1.1 手部設計基本要求
（1）應當具有適當?shù)膴A緊力、驅動力。應考慮到在夾緊力下，不同的傳動機構所需驅動力的大小是不同的。
（2）手指應當具有一定的張開范圍，手指應具有足夠的開閉角度（手指張開到閉合繞支點轉過的角度），以便抓取工件。
（3）要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能的使結構緊湊、重量輕，以便利于減輕手臂的負載。
（4）應當保證手抓的夾持精度。
3.1.2 典型的手部結構
（1）回轉型：滑槽杠桿式、連桿杠桿式。
（2）移動型：兩手指相對支座作往復的運動。
（3）平面平移型。
3.1.3機械手手抓的設計計算
（1）選擇手抓的類型及夾緊裝置
本設計是機械手的設計，考慮所要達到的原始參數(shù)：手抓的張合角=，夾取的重量為10Kg。常用工業(yè)機械手的手部，按照握持工件的原理，可以分為夾持、吸附兩類。吸附式用于抓取工件表面平整或者面積較大的板狀的物體，不適合用在本方案。本設計機械手應當采用夾持式手指,此機械手按運動形式可以分為回轉型和平移型，回轉型手指的結構簡單, 適用于夾持平板方料, 而且工件徑向尺寸變化不會影響其軸心位置, 其理論夾持誤差為零。因此選擇回轉型。
通過考慮，本設計采用二指回轉型手抓和滑槽杠桿這種結構。夾緊裝置可以選擇常開式夾緊裝置，在彈簧的作用下機械手手抓閉和，壓力油作用下，彈簧壓縮，使機械手手指張開。
（2）手抓的力學分析
下面對基本結構進行力學分析：滑槽杠桿（圖3.1）。
(a) (b)
圖3.1 滑槽杠桿式手部結構、受力分析
1——手指 2——銷軸 3——杠桿
在杠桿3的作用下，銷軸2向上拉力為F，通過銷軸中心O點，手指1的滑槽對銷軸反作用力為F1和F2，力的方向于滑槽的中心線OO1和OO2垂直并指向O點，交F1和F2延長線于A、B。
由 得
由 得
由得
式中 a——手指回轉支點與對稱中心的距離（mm）.
——工件夾緊時手指滑槽方向和兩回轉支點的夾角。
分析可得，驅動力為一定時，角增大，則握力也增大，但角的過大會導致拉桿行程的過大，以及手部結構的增大，因此最好是。
（3）夾緊力及驅動力的計算
手指夾在工件上的夾緊力，是手部設計的主要依據(jù)。必須對方向、大小、作用點進行分析和計算。需克服工件的重力所產生的靜載荷和工件運動的狀態(tài)變化的慣性力產生的載荷，以便于工件保持可靠夾緊狀態(tài)。
手指對工件的夾緊力可以按照公式計算：
式中為安全系數(shù)，通常1.2~2.0；
為工作情況系數(shù)，主要受到慣性力的影響?？梢越瓢凑障率焦浪?，其中a是重力方向的最大的上升加速度；
為運載時工件的最大上升速度
t響為系統(tǒng)達到最高速度時間，一般選取0.030.5s
為方位系數(shù)，根據(jù)手指和工件位置不同進行選擇。
G為被抓取工件所受重力（N）。
表3.1液壓缸的工作壓力
作用在活塞上外力F（N）
液壓缸工作壓力Mpa
作用在活塞上外力F（N）
液壓缸工作壓力Mpa
小于5000
0.8~1
20000~30000
2.0~4.0
5000~10000
1.5~2.0
30000~50000
4.0~5.0
10000~20000
2.5~3.0
50000以上
5.0~8.0
計算：先設a=100mm,b=50mm,, 機械手達到最高的響應時間為0.5s，求夾緊力、驅動力以及驅動液壓缸的尺寸。
1）設
根據(jù)公式，將已知的條件帶入：
2）根據(jù)驅動力公式得：
3）取
4）確定液壓缸直徑D
選取活塞桿的直徑d=0.5D，選擇液壓缸的壓力油的工作壓力：
根據(jù)表4.1（JB826-66），選取液壓缸的內徑為：
則活塞桿的內徑為:
，選取
3.1.4機械手手抓夾持精度的分析計算
機械手精度設計的要求：工件的定位準確,抓取的精度高,重復定位的精度和運動的穩(wěn)定性好,并且有足夠的抓取能。
機械手能否準確地夾持工件，把工件送到指定的位置，不僅僅取決于機械手的定位精度（由臂部、腕部等運動部件決定），而且也于機械手夾持誤差的大小有關。特別是在多品種中、小批量的生產中，為了適應工件的尺寸在一定的范圍內變化，必須進行機械手的夾持誤差的計算。
該設計用棒料來分析機械手夾持誤差的精度。機械手夾持的范圍為80mm180mm。
一般夾持額誤差不超過1mm，分析如下：
（1）工件平均半徑：
手指長,取V型夾角
（2） 偏轉角按最佳的偏轉角確定：
計算
當時，帶入有：
滿足夾持誤差設計要求。
3.1.5彈簧的設計計算
選擇彈簧壓縮條件，用圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計算過程如下。
（1）選擇用硅錳彈簧鋼，查取許用切應力：
（2）選擇旋繞比為C=8，則
（3）根據(jù)安裝的空間選擇彈簧的中徑D=42mm，估算彈簧絲的直徑
（4）試算彈簧絲的直徑
（5）根據(jù)變形情況確定彈簧圈有效的圈數(shù)：
選擇標準為，彈簧的總圈數(shù)為圈
（6）最后確定：，，，
（7）對于壓縮彈簧的穩(wěn)定性的驗算
對于壓縮彈簧，如果長度較大時，則受力之后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是絕對不允許的。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，壓縮彈簧的長細比為，本設計中彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?
當兩端都固定時，；當其中一端固定，一端自由時，；當兩端都自由轉動時，。結論中本設計額彈簧，因此彈簧的穩(wěn)定性合適。
（8）疲勞強度和應力強度的驗算。
對于在循環(huán)次數(shù)較多、在變應力下工作中的彈簧，還應該進一步對彈簧的疲勞強度以及靜應力強度進行驗算。
現(xiàn)在因為本設計是在恒定的載荷情況下，所以只需要進行靜應力強度驗算。
計算公式：
選取1.31.7：
結論：經過校核，彈簧能夠適應。
3.2腕部結構的設計
3.2.1 腕部設計的基本要求
（1）力求結構緊湊、重量輕
腕部處于手臂最前端，它連同手部的靜載荷、動載荷均由臂部來承擔。顯然，腕部的結構、重量以及動力載荷，影響著臂部的結構、重量以及運轉性能。因此在腕部結構設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。
（2）結構考慮，合理布局
腕部作為機械手執(zhí)行的機構，又有承擔連接、支撐額作用，除保證力和運動的要求，還要有足夠的強度、剛度外，還應該綜合考慮，合理額布局，解決好腕部、臂部和手部之間的連接。
（3）必須考慮工作條件
在本設計中，機械手工作條件是在工作的場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境的影響，沒有處在高溫、腐蝕性的工作介質中，對機械手的腕部沒有太多不利的因素[13]。
3.2.2 腕部的結構以及選擇
（1）典型的腕部結構
1） 具有一個自由度回轉驅動的腕部結構。它的優(yōu)點：結構緊湊、靈活等。
2） 齒條活塞驅動的腕部結構?；剞D角大于270°時，可采用齒條活塞驅動的腕部結構。該結構外形尺寸大，適用于懸掛式臂部。
3） 具有兩個自由度回轉驅動的腕部結構。它使腕部有水平、垂直轉動的兩個自由度。
4）機-液結合腕部結構。
（2）腕部結構和驅動機構的選擇
本設計要求手腕回轉180°，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有一個自由度的回轉驅動腕部結構，采用液壓驅動。
3.2.3腕部的設計計算
（1）腕部設計考慮的參數(shù)
夾取工件的重量60Kg，回轉180°。
（2）縱向氣缸的設計計算和校核：
由設計任務可得，要驅動的負載大小為100Kg，考慮到氣缸未加載時實際所能輸出的力，受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前氣缸之間的摩擦力的影響，并考慮到機械爪的質量。在研究氣缸的性能和確定氣缸的缸徑時，常用到負載率β：
由《液壓與氣壓傳動技術》表3.2：
表3.2 氣缸的運動狀態(tài)與負載率
阻性負載（靜負載）
慣性負載的運動速度v
運動的速度v=3m/min=50mm/s，取β=0.60，所以實際的液壓缸負載的大小為：F=F0/β=1633.3N
（3） 氣缸內徑的確定
表3.3 氣缸內徑確定公式
項目
計算公式
缸
徑
雙作用氣缸
推力
拉力
D=1.27=1.27 =66.26mm
F為氣缸的輸出拉力 N；
P 為氣缸的工作壓力Pa
按照GB/T2348-1993標準進行圓整，取D=80 mm
表3.4氣缸缸徑尺寸系列
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
（4）活塞桿直徑的確定
由d=0.3D 估取活塞桿的直徑 d=25 mm
表3.5 活塞桿直徑系列 （mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
（5）缸筒長度的確定
缸筒的長度S=L+B+30，L為活塞的行程，B為活塞額厚度：
活塞的厚度B=(0.61.0)D= 0.780=56mm，由于氣缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+30=886 mm
導向套滑動面的長度A:
一般導向套滑動面的長度A，在D<80mm時，可取A=(0.61.0)D；在D>80mm時, 可取A=(0.61.0)d。
所以A=25mm
最小導向的長度H：
根據(jù)經驗，當氣缸最大的行程為L，缸筒的直徑為D，最小導向的長度為：H
代入數(shù)據(jù) 即最小導向長度H + =80 mm
活塞桿的長度l=L+B+A+80=800+56+25+40=961mm
（6）氣缸筒的壁厚的確定
由《液壓氣動技術手冊》可查得氣缸筒的壁厚能根據(jù)薄避筒計算公式進行計算：
式中：缸筒的壁厚（m），缸筒的內徑（m），缸筒承受的最大工作壓力（MPa），缸筒材料許用應力（MPa）。
實際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計算值的7倍；重型氣缸約取計算值的20倍，再圓整到標準管材尺碼。
參考《液壓與氣壓傳動》缸筒壁厚強度計算及校核
,我們的缸體的材料選擇45鋼，=600 MPa， ==120 MPa
n為安全系數(shù) 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉強度(Pa)
P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當工作壓力p≤16 MPa時，P=1.5p；當工作壓力p＞16 MPa時，P=1.25p
由此可知工作壓力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.5×0.6=0.9 MPa=0.3mm
參照下表 氣缸筒的壁厚圓整取 = 7 mm
表3.6 氣缸筒的壁厚 （mm）
材 料
氣缸直徑
50
80
100
125
160
200
250
320
壁 厚
鑄鐵HT15~33
7
8
10
10
12
14
16
16
鋼A3.45
5
7
8
8
9
9
11
12
鋁合金
8~12
12~14
14~17
（7）氣缸進排氣口直徑d0
v—空氣流經進排氣口的速度，可取v=1015） 選取v = 12 m/s由公式d0 = 2代入數(shù)據(jù)得：d0 = 14.014 mm。
表3.7 氣缸進排氣口直徑 （mm）
汽缸內徑D
氣缸進排氣口直徑d0
40
8
50
63
10
80
100
125
15
140
160
180
20
所以取氣缸排氣口直徑為15 mm
Q——工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（）
V——空氣流經進排氣口的速度，可取v=1025）
（8）活塞桿的校核
由于所選活塞桿的長度L10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。
參考《機械設計手冊單行本》 ，由《液壓氣動技術手冊》式中
FP0— 活塞桿承受的最大軸向壓力（N）；
FP0=1633N
FK — 縱向彎曲極限力（N）；
nK — 穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.54。綜合考慮選取2
K—活塞桿橫截面回轉半徑，對于實心桿K=d/4
代入數(shù)據(jù) K =25/4=6.25mm
E— 材料彈性模量，鋼材 E = 2.1 1011 Pa ；
J— 活塞桿橫截面慣性矩（m4）；
d— 活塞桿的直徑（m）；
L— 氣缸的安裝長度為活塞桿的長度為961mm
代入數(shù)據(jù)得 FK =2.685 N
因為FP0 = 1.34所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件；
強度校核：
由公式 d ≥n為安全系數(shù) 一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強度(Pa)代入數(shù)據(jù)得
因為FP0= 1.34所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件；
45鋼的抗拉強度=600 MPa
則4.16 mm ＜ d ，所以強度滿足要求；
綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強度滿足要求。
3.3橫向氣缸的設計計算與校核
如按原方案橫向氣缸活塞桿需承受很大的徑向力，對活塞桿的強度要求很高，耗費原材料，且壽命減短，極為不合理。故在縱向氣缸上端鉸接一工型導軌，以分擔橫向氣缸的徑向力，使整個系統(tǒng)簡約合理。
這樣橫向氣缸的工作載荷主要是縱向氣缸和導軌的摩擦力，取摩擦系數(shù) = 0.17。
估算：縱向氣缸的重量=7.9=12.30 Kg
活塞桿的重量 = 7.9l=3.72 Kg
活塞及缸蓋重量=9 Kg
所以：橫行氣缸的總載荷為:F總=(12.3+3.72+9+100)= 208.3 N
F=347.17N
3.3.1 氣缸內徑的確定
表3.8 氣缸內徑的確定公式
項目
計算公式
缸
徑
雙作用氣缸
推力
拉力
D=30.55mm
F—氣缸的輸出拉力 N；
P —氣缸的工作壓力Pa
按照GB/T2348-1993標準進行圓整，取D=32 mm
表3.9 氣缸缸徑尺寸系列 （mm）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
3.3.2 活塞桿直徑的確定
由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=10mm
表3.10 活塞桿直徑系列 （mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
3.3.3缸筒長度的確定
缸筒長度L為活塞行程，B為活塞厚度。
活塞厚度B=(0.61.0)D= 0.732=23mm由于氣缸的行程L=800mm ,所以。
導向套滑動面長度A:
一般導向套滑動面長度A，在D<80mm時，可取A=(0.61.0)D；在D>80mm時, 可取A=(0.61.0)d。所以A=20mm
最小導向長度H：
根據(jù)經驗，當氣缸的最大行程為L，缸筒直徑為D，最小導向長度為：H代入數(shù)據(jù) 即最小導向長度H=56 mm
活塞桿的長度l=L+B+A+40=800+23+20+60=903 mm
3.3.4氣缸筒的壁厚的確定
由《液壓氣動技術手冊》可查氣缸筒的壁厚可根據(jù)薄避筒計算公式進行計算：
式中：缸筒壁厚（m），缸筒內徑（m），缸筒承受的最大工作壓力（MPa），缸筒材料的許用應力（MPa）。
實際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計算值的7倍；重型氣缸約取計算值的20倍，再圓整到標準管材尺碼。
參考《液壓與氣壓傳動》缸筒壁厚強度計算及校核，我們的缸體的材料選擇45鋼
n為安全系數(shù)一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強度(Pa)。
P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當工作壓力p≤16 MPa時，P=1.5p；當工作壓力p＞16 MPa時，P=1.25p。由此可知工作壓力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.5×0.6=0.9 MPa
表3.11 氣缸筒的壁厚 （mm）
材 料
氣缸直徑
50
80
100
125
160
200
250
320
壁 厚
鑄鐵HT15~33
7
8
10
10
12
14
16
16
鋼A3.45
5
7
8
8
9
9
11
12
鋁合金
8~12
12~14
14~17
3.3.5氣缸耗氣量的計算
氣缸進排氣口直徑d0
v—空氣流經進排氣口的速度，可取v=10~15m/s 選取v = 12 m/s由公式d0 = 2，代入數(shù)據(jù)得d0 = 5.643 mm。
表3.12 氣缸進排氣口直徑 （mm）
汽缸內徑D
氣缸進排氣口直徑d0
40
8
50
63
10
80
100
125
15
140
160
180
20
所以取氣缸排氣口直徑為8 mm
Q— —工作壓力下輸入氣缸的空氣流量
V——空氣流經進排氣口的速度，可取v=10~25m/s
3.3.6活塞桿的校核
由于所選活塞桿的長度L10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。參考《機械設計手冊單行本》，由《液壓氣動技術手冊》：
L— 氣缸的安裝長度為活塞桿的長度為903mm，代入數(shù)據(jù)得 FK =3.11 N，n為安全系數(shù) 一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強度(Pa)，45鋼的抗拉強度=600 MPa。
綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強度滿足要求。
3.3.7連接與密封
氣缸的連接與密封直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確的選用連接和密封裝置，對保證氣缸正常工作有著十分重要的意義。
缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，本氣缸四根采用拉桿式雙頭螺栓連接，由于工作壓力小于1MPa，不需要強度校核。根據(jù)許用靜載荷，查《機械設計手冊單行本》表22-1-58，分別選用M10、M6的螺栓。
對于活塞與氣缸筒之間采用兩個Y型密封圈，其它摩擦副均使用O型密封圈密封。O型密封圈密封可靠，結構簡單，摩擦阻力小。O型密封圈安裝后，比被密封表面的內徑大。Y型密封圈密封可靠，使用壽命長，摩擦阻力較O型圈大。
3.4臂部
臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并改變手部在空間的位置。機械手的臂部一般具有2~3個自由度，即伸縮、回旋、俯仰或升降；專用機械手的臂部一般具有1~2個自由度，即伸縮、回轉或直移。臂部總重量較大，受力一般較復雜，在運動時，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的靜、動載荷，尤其高速運動時， 將產生較大的慣性力（或慣性距），引起沖擊，影響定位的準確性。臂部運動部分零部件的重量直接影響著臂部結構的剛度和強度。專用機械手的臂部一般直接安裝在主機上；機械手的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)一起安裝在機身（即機座）上，機身可以是固定的，也可以是行走式的、即可沿地面或導軌移動。
臂部的結構形式必須根據(jù)機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及倒向裝置的布置、內部管路與手腕的連接形式等因素，它們分別是，剛度要大，倒向性要好，偏重力矩要小，運動要平穩(wěn)、定位精度要高。
3.4.1 臂部結構形式
機械手的臂部結構一般包括臂部伸縮、回轉、俯仰或升降等運動的結構以及與其有關的結構，如傳動機構、驅動裝置、導向定位裝置、支撐連接件和位置檢測元件等。此外還有與腕部連接的有關構件及配管、線等。下面介紹一些臂部結構。
（1）圓柱坐標機器人的臂部結構，其臂部具有回轉、升降、伸縮自由度回轉運動通過齒條缸驅動齒輪回轉來實現(xiàn)升降與伸縮分別由升降油缸和伸縮油缸驅動。
（2）極坐標機器人的臂部結構，臂回轉結構為齒輪齒條缸結構，臂俯仰、臂伸縮均采用直線運動油缸。
（3）多關節(jié)型機器人的臂部結構，這種類型的機械手多用于噴漆，故也稱為噴漆機器人。其臂部有回轉、俯仰和前后移動三個運動。回轉機構為齒輪齒條缸結構，俯仰和前后運動均采用鉸鏈油缸驅動。
（4）臂部伸縮運動結構，用鋼管做成伸縮臂，由活塞桿帶動齒輪沿固定齒條滾動而產生伸縮運動，這種結構的特點是傳動效率高，易于實現(xiàn)較大行程和速度，它的行程和速度的大小與齒輪的直徑大小有關。
（5）臂部俯仰運動的結構，一般采用鉸接油（氣）缸來實現(xiàn)。鉸接油（氣）缸位于手臂下方，活塞桿與手臂之間用鉸鏈連接，缸體與立柱之間用耳叉銷軸等方式連接。
（6）臂部回轉及升降運動的結構，可采用齒條缸與升降缸實現(xiàn)臂回轉和升降，臂回轉還可用回轉缸與行星齒輪傳動，鏈條鏈輪傳動。
（7）臂部復合運動機構，它是將一個驅動運動分解為1~3個運動，并能依合成運動的形式實現(xiàn)復雜運動的機構。在一些專用機械手中常采用行星齒輪機構、凸輪機構及連桿機構等來實現(xiàn)臂部的復合運動。
3.4.2 臂部運動的導向裝置
臂部的導向裝置，機械手的手臂伸縮及升降運動機構上常設置導向裝置，其目的是：一、防止移動部件在伸縮及升降時產生不必要的轉動，以保證手臂運動方位的準確性。二、增大移動部件的剛性，減少移動部件由于自重與抓取重量所引起的變形和位移。三、承受移動部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。
導向裝置一般根據(jù)臂部的安裝形式、具體的結構及抓取重量等因素來確定，就導向裝置而言，其導向精度、剛度和耐磨性對機械手的精度和其它工作性能影響很大，在設計時必須充分注意。這里僅就幾種特殊形式作一簡單介紹：
（1）單導向桿式
單導向桿一般配置在驅動油（氣）缸體的一側或活塞桿內。放在活塞桿內時，雖然結構緊湊，但是工藝性比較差。單導向桿導向裝置結構簡單、重量輕、摩擦力小，但是承載能力較低，剛性差，而且導向桿內走管通道少。一般用于較小型的機器人。
單導向桿一般采用實心圓桿、方桿、空心圓桿、花鍵軸等。方桿比圓桿剛性好，但加工比較困難。
（2）雙導向桿式
雙到向桿一般對稱配置在驅動油（氣）缸兩側。這種形式受力情況好、剛性大，可承受重載，導向桿內部走管道多，便于油路配置。但轉動慣量增加，不利于回轉定位。雙導向桿一般采用圓桿，以便內部通走管。
（3）導軌式
導軌式的形式較多，其共同特點是剛性好，工作平穩(wěn)、導向性能好，但結構比較復雜。適用于負載較重、速度較低的機器人或專用機械手。
（4）滾珠花鍵式
焊接結構的軸套前端固接一個循環(huán)滾珠套，套內裝有若干鋼珠，并設有保持架。滾珠花鍵軸的圓弧性花鍵槽與其中一部分鋼珠配合，軸套的轉動通過循環(huán)滾珠套及鋼珠傳給花鍵軸，花鍵軸在隨手臂移動時便帶動鋼珠滾動并自行循環(huán)，實現(xiàn)滾動摩擦代替普通花鍵軸的滑動摩擦。這種結構摩擦阻力小，定向精度高，移動速度快，但是結構比較復雜，制造成本高。
本課題中要求臂部具有3個自由度、即升降、回轉、伸縮運動。臂部的結構形式必須根據(jù)機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。為了防止臂部在運動過程中產生過大的變形，手臂要有足夠的剛度，導向性要好，偏重力矩要小，運動要平穩(wěn)，定位精度要高，回轉運動用伺服電機驅動，通過一對內齒輪實現(xiàn)手臂的回轉運動。伸縮運動用伺服電機驅動，由斜齒輪帶動螺桿、螺母作相對的移動，使手臂能靈活地伸縮。升降運動用伺服電機驅動，通過絲杠與滾珠的回轉，帶動外殼體在機座外側表面作相對滑動，實現(xiàn)手臂的升降。
在手臂回轉運動中，手臂的重量通過大齒輪由交叉軸承。該軸承是根據(jù)標準的止推軸承特制設計的，8320型屬此種。8320的額定運載荷是21700ckN，額定靜載荷是57200ckN，完全可以滿足許用條件要求。該軸承的內、外圈都可有螺孔以聯(lián)接用，并且在淬火之前銑一外圈的鍵槽和大齒輪進行周向固定。
特制的交叉滾珠軸承結構尺寸如下： d=140.0mm
D=278.0mm
B=54.0mm
潤滑方式：脂潤滑。
機座：是機械手用來手臂部件，并安裝驅動裝置與其它裝置的部件，故穩(wěn)定性要好，且滿足足夠的剛度，機座為φ700的尺寸，足夠滿足運動時的平穩(wěn)。
總體結構圖見附圖
3.5機械手機身的設計計算
機身是直接支撐和驅動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉和升降運動，這些運動的傳動機構都安在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構和受力情況就越復雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。
按照設計要求，機械手要實現(xiàn)手臂1800的回轉運動，實現(xiàn)手臂的回轉運動機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構，就要綜合考慮，分析。
機身承載著手臂，做回轉，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結構有以下幾種：
（1）回轉缸置于升降之下的結構。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。
（2）回轉缸置于升降之上的結構。這種結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。
（3）活塞缸和齒條齒輪機構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現(xiàn)：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。
分析：
經過綜合考慮，本設計選用回轉缸置于升降缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉和升降。如上圖所示，回轉機構置于升降缸之上的機身結構。手臂部件與回轉缸的上端蓋連接，回轉缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉運動?；剞D缸的轉軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊麠U采用空心，內裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導向?；ㄦI軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結構是導向桿在內部，結構緊湊。具體結構見下圖。
驅動機構是液壓驅動，回轉缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉葉片的兩側來實現(xiàn)葉片回轉。回轉角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉動的角度，為滿足設計要求，設計中動片和靜片之間可以回轉1800。
圖3.2 回轉缸置于升降缸之上的機身結構示意圖
3.5.1 機身回轉機構的設計計算
（1）回轉缸驅動力矩的計算
手臂回轉缸的回轉驅動力矩，應該與手臂運動時所產生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡。
慣性力矩的計算：
式中 ——回轉缸動片角速度變化量（），在起動過程中；為起動過程的時間(s);J0——手臂回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量（）。
若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為，則
式中 ——回轉零件的重心的轉動慣量。
回轉部件可以等效為一個長1800mm，直徑為60mm的圓柱體，質量為159.2Kg.設置起動角度，則起動角速度，起動時間設計為0.1s。
密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計。
經過以上的計算
(2)回轉缸尺寸的初步確定
設計回轉缸的靜片和動片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強為8Mpa。d為輸出軸與動片連接處的直徑，設d=50mm,則回轉缸的內徑通過下列計算：
D=151mm
既設計液壓缸的內徑為150mm,根據(jù)表4.2選擇液壓缸的基本外徑尺寸180mm(不是最終尺寸)，再經過配合等條件的考慮。
（3）液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
根據(jù)表4.3所示，因為回轉缸的工作壓力為8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,根據(jù)初步估算， ，，所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目為（一個面6個，兩個面是12個）。危險截面
所以，
所以
螺釘材料選擇Q235，則（）
螺釘?shù)闹睆?
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=20mm.選擇M20的開槽盤頭螺釘。
經過以上的計算，需要螺釘來連接，最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖5.2所示，內徑為150mm，外徑為230mm，輸出軸徑為50mm。
圖3.3回轉缸的截面圖
（4）動片和輸出軸間的連接螺釘
動片和輸出軸之間的連接結構如圖6.2。連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。
于是得
式中FQ——每個螺釘預緊力；
D——動片的外徑；
f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對銅取f=0.15
螺釘?shù)膹姸葪l件為
或
帶入有關數(shù)據(jù)，得
螺釘材料選擇Q235，則 (n=1.2~1.5)
螺釘?shù)闹睆?
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm.選擇M14的開槽盤頭螺釘。
3.5.2 機身升降機構的計算
(1)手臂偏重力矩的計算
圖3.4 手臂各部件重心位置圖
1） 零件重量、、、
現(xiàn)在對機械手手臂做粗略估算：和總共=33Kg
2）計算零件的重心位置，求出重心到回轉軸線的距離。
所以，回轉半徑
3）計算偏重力矩
（2）升降不自鎖條件分析計算
手臂在的作用下有向下的趨勢，而里柱導套有防止這種趨勢。
由力的平衡條件有
即
所謂的不自鎖條件為：
即
取則
當=1650mm時，0.32=528mm
因此在設計中必須考慮到立柱導套必須大于528mm
（3）手臂做升降運動的液壓缸驅動力的計算
式中摩擦阻力，參考圖5.3
取f=0.16
G——零件及工件所受的總重。
1）的計算
設定速度為;起動或制動的時間差;近似估算為286.1Kg;將數(shù)據(jù)帶入上面公式有：
2）的計算
3）液壓缸在這里選擇O型密封，所以密封摩擦力可以通過近似估算
最后通過以上計算
當液壓缸向上驅動時，F(xiàn)=6756N
當液壓缸向下驅動時，F(xiàn)=6756-=6184N
3.5.3 軸承的選擇分析
對于升降缸的運動，對于機身回轉用的軸承有影響，因此，這里要充分考慮這個問題。對于本設計，采用一支點，雙固定，另一支點游動的支撐結構。作為固定支撐的軸承，應能承受雙向軸向載荷，故內外圈在軸向全要固定。其結構參看本章開始的——機身結構示意圖。
本設計采用兩個角接觸球軸承，面對面或者背對背的組合結構。這種結構可以承受雙向軸向載荷。
3.6 驅動方式
該機器人一共具有四個獨立的轉動關節(jié)，連同末端機械手的運動，一共需要五個動力源。
機器人常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓