1、摘要隨著科技的發展和工業需求的增加，焊接技術在工業生產中所占據的分量越來越大，而且焊接技術的優良程度直接影響著零件或產品的質量。國內焊接機器人應用雖已具有一定規模，但與我國焊接生產總體需求相差甚遠。因此，大力研究并推廣焊接機器人技術勢在必行。本設計的重點是運用機械原理和機械制造裝備設計方法設計焊接機器人的實踐和方法。本次設計，是在了解焊接機器人在國內外現狀的基礎上，進而掌握焊接機器人內部結構和工作原理，并對手臂和腕部進行結構設計。合理布置了液壓缸。同時了解機器人機械系統運動學及運動控制學。為工業上焊接機器人的設計提供理論參考、設計參考和數據參考，為工業設計者提供設計理論和設計實踐的參考。該機器

2、人具有剛性好，位置精度高、運行平穩的特點。關鍵字：焊接機器人液壓系統機械機構設計Abstract|Withthedevelopmentoftechnologyandtheincreaseinindustrialdemand,weldinginindustrialproductionoccupiedmoreandmoreweight,andexcellentweldingtechnologydirectlyaffectsthedegreeofthequalityofpartsorproducts.Althoughthedomesticapplicationofweldingrobotwithac

3、ertainscale,butfallsfarshortoftheoveralldemandforwelding.Therefore,greateffortstostudyandpromotetheweldingrobottechnologyisimperative.Thefocusofthisdesignistheuseofmechanicaltheoryanddesignofmachineryandequipmentdesignandmethodsofpracticeweldingrobot.Thedesignoftheweldingrobotinunderstandingthebasis

4、ofthestatusquoathomeandabroad,andthengrasptheweldingrobotandworkingprincipleoftheinternalstructure,andstructuraldesignofthearmandwrist.Rationalarrangementofthehydrauliccylinder.Atthesametimeunderstandtherobotmechanicalsystemkinematicsandmotioncontrolstudy.Forthedesignofindustrialweldingrobotstoprovi

5、deatheoreticalreference,referenceanddatareferencedesignforindustrialdesignersanddesignpractice,designtheoryreference.Therobothasagoodrigidity,highprecisionlocation,stablecharacteristics.Keyword:Weldingrobot;hydraulicsystemmechanicalstructuredesign目錄摘要IAbstractII目錄J.LL第1章引言1.第2章焊接機器人的總體方案32.1 總體設計的思路

6、3.2.2 自由度和坐標系的選擇32.3 傳動方案論證4.2.4 焊接機器人的組成6.2.4.1 執行機構6.2.4.2 控制系統分類8.2.5 焊接機器人的技術參數82.6 本章小結8.第3章腕部結構的設計及計算1.05.1 腕部設計的基本要求1.05.2 腕部結構及選擇105.2.1 典型的腕部結構1.05.2.2 腕部結構和驅動結構的選擇105.3 腕部結構設計計算1.15.3.1 腕部驅動力計算1.15.3.2 腕部驅動液壓缸的計算115.4 液壓缸蓋螺釘的計算125.5 動片和輸出軸間的連接螺釘1.35.6 本章小結1.3第4章臂部結構的設計及計算1.51.1.3 臂部設計的基本要求

7、1.51.2.3 手臂的典型機構以及結構的選擇161 手臂的典型運動機構1.61 手臂運動機構的選擇1.61.3.3 手臂直線運動的驅動力計算1.71 手臂摩擦力的分析與計算171 手臂慣性力的計算1.81 密封裝置的摩擦阻力1.81.4.3 液壓缸工作壓力和結構的確定181.5.3 活塞桿的計算校核1.91.6.3 本章小結20第5章機身結構的設計及計算211 機身的整體設計2.11 機身回轉機構的設計計算221 機身升降機構的計算231.7 手臂偏重力矩的計算231.7 升降不自鎖條件分析計算241.7 手臂做升降運動的液壓缸驅動力的計算241 軸承的選擇分析251 本章小結25總結26致

8、謝27參考文獻28第1章引言焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業機器人。根據國際標準化組織（ISO）工業機器人術語標準的定義，工業機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機（Manipulator）,具有三個或更多可編程的軸，用于工業自動化領域。為了適應不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執行器。焊接機器人就是在工業機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。焊接機器人主要包括機器人和焊接設備兩部分。從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術經歷了一個長期緩慢的發展過程。到了90年代，隨著計算機技術、微電子技

9、術、網絡技術等的快速發展，機器人技術也得到了飛速發展。工業機器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方社會，和機器人價格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的趨勢。在西方國家，由于勞動力成本的提高為企業帶來了不小的壓力，而機器人價格指數的降低又恰巧為其進一步推廣應用帶來了契機。減少員工與增加機器人的設備投資，在兩者費用達到某一平衡點的時候，采用機器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大，它一方面可大大提高生產設備的自動化水平，從而提高勞動生產率，同時又可提升企業的產品質量，提高企業的整體競爭力。雖然機器人一次性投資比較大，但它的日常維護和消耗相對

10、于它的產出遠比完成同樣任務所消耗的人工費用小。因此，從長遠看，產品的生產成本還會大大降低。而機器人價格的降低使一些中小企業投資購買機器人變得輕而易舉。因此，工業機器人的應用在各行各業得到飛速發展。據不完全統計，全世界在役的工業機器人中大約有將近一半的工業機器人用于各種形式的焊接加工領域。焊接機器人具有焊接質量穩定、改善工人勞動條件、提高勞動生產率等特點，廣泛應用于汽車、工程機械、通用機械、金屬結構和兵器工業等行業。我國自上個世紀70年代末開始進行工業機器人的研究，經過二十多年的發展，在技術和應用方面均取得了長足的發展，對國民經濟尤其是制造業的發展起到了重要的推動作用。從目前國內外研究現狀來看，

11、焊接機器人技術的研究十分活躍，焊接機器人技術研究主要集中在焊縫跟蹤技術、離線編程與路徑規劃技術、多機器人協調控制技術、專用弧焊電源技術、焊接機器人系統仿真技術、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術等七個方面。新中國成立后，經過50年的艱苦努力，中國焊接生產機械化自動化技術發展應用，取得了很大的成就，焊接生產過程機械化與自動化程度已達到20%。在以焊接技術為主導制造工藝技術的大中型骨干企業，焊接生產過程綜合機械化與自動化程度已達到40%45%。在機床、鍋爐、汽車、化工機械、工程機械和重型機械等國家重點骨干企業，通過引進國外先進技術及相應配套的自動化焊機、成套焊接設備、焊接生產線和柔性制造系統，使焊

12、接生產機械化與自動化技術達到了國際90年代初的先進水平，進入世界先進之列。第2章焊接機器人的總體方案該設計的目的是為了設計一臺焊接機器人，本章主要對焊接機器人的機械結構部分進行設計和分析。總體設計的思路設計機器人大體上可分為兩個階段:(1)系統分析階段錯誤！未找到引用源。根據系統的目標，明確所采用機器人的目的和任務；錯誤！未找到引用源。分析機器人所在系統的工作環境；錯誤！未找到引用源。根據機器人的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。如機器人的自由度、信息的存儲量、計算機功能、動作精度的要求、容許的運動范圍、以及對溫度、震動等環境的適應性。(2)技術設計階段錯誤！未找到引用源。根據系統的要求確

13、定機器人的自由度和允許的空間工錯誤!錯誤!錯誤!錯誤!未找到引用源未找到引用源未找到引用源未找到引用源作范圍，選擇機器人的坐標形式；擬訂機器人的運動路線和空間作業圖；確定驅動系統的類型；選擇各部件的具體結構，進行機器人總裝圖的設計;繪制機器人的零件圖，并確定尺寸。自由度和坐標系的選擇機器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當于固定坐標系所具有的獨立運動數，對于一個構件來說，它有幾個運動坐標就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機器人的自由度數。機器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由19個關節組成，共有27個自由度。而生產實踐中不需要機器人的手有這

14、么多的自由度一般為3-6個(不包括手部)。本次設計的焊接機器人為4自由度即：腕部回轉；小臂部伸縮；大臂部回轉；大臂部伸縮。工業機器人的結構形式主要有直角坐標結構、圓柱坐標結構、球坐標結構、關節型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下：(1)直角坐標機器人結構直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現的，如圖2-1(a)所示。由于直線運動易于實現全閉環的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度(pm級)。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸

15、大得多。直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業及搬運作業，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結構錯誤！未找到引用源。(2)圓柱坐標機器人結構圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現的，如圖2-1(b)0這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業。其工作空間是一個圓柱狀的空間。(3)球坐標機器人結構球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現的，如圖2-1(c)0這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業。其工作空間是一個類球形的空間錯誤！未找到引用源。(4)關節型機器人結構關節型機器人的空間運

16、動是由三個回轉運動實現的，如圖2-1(d)0關節型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業，都廣泛采用這種類型的機器人。關節型機器人結構，有水平關節型和垂直關節型兩種。根據要求及在實際生產中的用途，本次設計的焊接機器人采用直角坐標。a)直角坐標型b)圓柱坐標型c)球坐標型d)關節型圖2-1四種機器人坐標形式傳動方案論證焊接機器人的驅動方式有液壓式、氣動式和電動機式。(1)液壓驅動：是指動源(發動機或電機)驅動油泵產生壓力油，壓力油再去驅動液壓馬達，由液壓馬達產生機器需要的動力。(2)氣動驅動多用于

17、開關控制和順序控制的機器人，與液壓驅動相比較，氣動驅動由于壓縮空氣粘度小，所以容易達到高速；由于可利用工廠集中空氣壓縮機站供氣，減少了動力設備；空氣介質不污染環境，安全高溫下可正常工作；空氣取之不竭用之不盡，相對于油液廉價，故氣動驅動元件比液壓元件價格低(3)電機驅動可分為普通交流電動機驅動，交、直流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。隨著材料性能的提高，電動機性能也在隨之提高并且電動機使用簡單，所以就目前來看，機器人驅動正逐步為電動機驅動式所代替。表2-1三種驅動系統的比較內容驅動方式液壓驅動氣動驅動電機驅動輸出力壓力局，可獲得大的輸出力壓力相對要小，輸出力小輸出力較大控制性能利用液體的不口壓縮

18、性，控制精度較高，輸出功率大，可尢級調速，反應靈敏，可實現連續軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現高速、高精度的連續軌跡控制控制精度局,功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現局速、高精度的連續軌跡控制，伺服特性好，控制系統復雜響應速度很高較局很高結構性能及體積結構適當，執行機構可標準化、模擬化，易實現直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較大結構適當，執行機構可標準化、模擬化，易實現直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較小伺服電動機易標準化，結構性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外,難以直接驅動，結構緊湊，無密封問題

19、安全性防爆性能好，用液壓油作為傳動介質，在一定條件卜后火災危險防爆性能好，高十1000kPa（十個大氣壓）時應注意設備的抗壓性設備自身無爆炸和火災危險，直流后刷電動機換向時有火花，對環境防爆性能較差對環境影響液壓系統易漏油，對環境后污染排氣時有噪聲無在工業機械手中的應用范圍適用于重載、低速驅動，電液伺服系統適用于噴涂機械手、電焊機械手和托運機械手適用于中小負載驅動、精度要求較低的有限點位程序控制機械手適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較局的機械手成本液壓兀件成本較局成本低成本高維修及使用方便，但油液對環境溫度有一定要求方便較復雜焊接機器人的組成焊接機器人由執行機構、

20、驅動機構和控制機構三部分組成。執行機構（1）手部手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。本設計為焊接機器人設計，因此手部并無其他結構，僅僅是一個焊槍，通過螺栓固定于腕部之上。（2）腕部腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調節焊槍的方位，以擴大焊槍的工作范圍，并使手部變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單

21、的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度小（一般小于2700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。本次設計的焊接機器人的腕部是利用液壓缸實現手部的旋轉運動。設計的焊接機器人的腕部的運動為一個自由度的回轉運動，運動參數是實現一、一0一0手部回轉的角度控制在-90均0范圍內，其基本的結構形式如圖2-2所示。-0Q師轉圖2-2腕部回轉基本結構示意圖腕部的驅動方式采用直接驅動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設

22、計的十分緊湊可以把驅動源裝在手腕上。機器人手腕的回轉運動是由回轉液壓缸實現的。將夾緊活塞缸的外殼與擺動油缸的動片連接在一起；當回轉液壓缸中不同的油腔中進油時即可實現手腕不同方向的回轉。（3）臂部手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到直線運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態（方位），則用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部具有一個自由度就能滿足基本要求，即臂部的伸縮運動。臂部的運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部的靜、動載荷。因此，它的

23、結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。本次設計實現臂部的前后伸縮運動。臂部的運動參數：伸縮行程：1850mm；伸縮速度：1200mm/s1400mm/s機器人臂部的伸縮使其手臂的工作長度發生變化，在直角坐標式結構中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達到的最遠距離。伸縮式臂部機構的驅動可采用液壓缸直接驅動。（4）機身機身部分運動的目的：把臂部送到直線運動范圍內任意一點。如果改變臂部的姿態（方位），則用機身的自由度加以實現。因此，機身部分具有兩個自由度才能滿足基本要求，即機身的伸縮、左右旋轉運動。機身的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現，

24、從機身的受力情況分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。本次設計實現基座的上下伸縮、以及機身的回轉運動。機身的運動參數：伸縮行程：3650mm；伸縮速度：1200mm/s1400mm/s；回轉范圍：-90°40。機器人機身的伸縮使其工作長度發生變化，在直角坐標式結構中，機身的最大工作長度決定其末端所能達到的最遠距離。伸縮式機身結構的驅動可采用液壓缸直接驅動。機身部分和滑軌的配置型式采用立柱式單臂配置，其回轉運動的驅動源來自回轉液壓缸。(5)滑軌滑軌是懸臂機器人的基礎

25、部分，起懸掛作用，它將機身懸掛于導軌之上。并帶動機身沿軌道直線運動。2.4.2控制系統分類在機械手的控制上，有點動控制和連續控制兩種方式。大多數用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。本設計采用電磁控制。2.5焊接機器人的技術參數一、用途：用于焊接工件二、設計技術參數：1、焊槍：；2、自由度數:4個自由度(腕部回轉；小臂部伸縮；大臂部回轉；大臂部伸縮4個運動)；3、坐標型式：直角坐標系；4、最大工作半徑：4730mm；5、手臂最低中心高：4040mm；6、手臂運動參數：伸縮行程：1850m

26、m伸縮速度：1200mm/s1400mm/s升降行程：3650mm升降速度：1200mm/s1400mm/s回轉范圍：-90。為0。；007、手腕運動參數：回轉范圍：-90為002.6本章小結本章從焊接機器人的實用方面入手，提出了一套總體設計方案，并根據機器人自由度的要求選取直角坐標系為本次設計坐標系。同時，就焊接機器人的組成（執行機構和驅動機構）以及現實作業，給出了具體的手部、腕部、臂部和基座的結構形式；并選擇液壓驅動作為本次設計的驅動機構。最后，給出了設計中所需的技術參數。第3章腕部結構的設計及計算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的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由

27、臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。(2)結構考慮，合理布局腕部作為焊接機器人的執行機構，又承擔連接和支撐焊槍的作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。(3)必須考慮工作條件對于本次設計，焊接機器人的工作條件是在工作場合中焊接工件，最大載荷為8KG因此不太受環境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對焊接機器人的腕部沒有太多不利因素。腕部結構及選擇典型的腕部結構(1)具有一個自由度的回轉驅動的腕部結構它具有結構緊湊、靈活等優點而被

28、廣腕部回轉，總力矩M,需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用。回轉角由動片和靜片之間允許回轉的角度來決定(一般小于270°)。(2)齒條活塞驅動的腕部結構在要求回轉角大于2700的情況下，可采用齒條活塞驅動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大。(3)具有兩個自由度的回轉驅動的腕部結構它使腕部具有水平和垂直轉動的兩個自由度。(4)機-液結合的腕部結構。腕部結構和驅動結構的選擇本設計要求手腕回轉，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。腕部結構設計計算腕部設計考慮的參數：最大載荷：8KG回轉3.3.1腕部驅動力計算腕部回轉時要克服的阻力：F=

29、R+Fr2a.腕部回轉支撐處的摩擦力矩：M=0.5fFd(3.1)其中f為軸承摩擦系數取f=0.1b.克服由于工件重心偏置所需的力矩：M=G3e(3.2)c.克服啟動慣性所需的力矩：M=ttD4/32(3.3)3.3.2腕部驅動液壓缸的計算表3-1液壓缸的內徑系列(JB826-66)錯誤！未找到引用源。(mm)2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250液壓缸外徑04053608090011012514015016018010020鋼567911111112006508213368468094194522表3-2標準液壓缸

30、外徑(JB1068-67)錯誤！未找到引用源。(mm)45鋼56791111111200650821336846809419452MbR2-r2設定腕部的部分尺寸：根據表3-1設缸體內徑R=40mm,外徑根據表3-2選擇60mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為90mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖3-2所示。則回轉缸工作壓力：=7.35Mpa261.110.0660.0552-0.02252選擇8Mpa圖3-2腕部液壓缸剖截面結構示意圖液壓缸蓋螺釘的計算圖3-3缸蓋螺釘間距示意圖表3-3螺釘間距t與壓力P之間的關系錯誤！未找到引用源。工作

31、壓力P(Mpa)0.51.51.52.52.55.05.010.0螺釘的間距t(mm)小于150小于120小于100小于80缸蓋螺釘的計算，如圖4-3所示，t為螺釘的間距，間距跟工作壓強有關,見表4-3,在這種聯接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力：(3.4)FQ=FqFQQ0QQs液壓缸工作壓強為P=8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇12個螺釘,二D3.140.0912所以選擇螺釘數目合適螺釘材料選擇Q235,12Z=12個=23.5mm(n=1.21.5)<80mm螺釘的直徑：d一V41.3F二二d=0.005m螺釘的直徑選用M5。動片和輸出軸間的連接螺釘動片和輸出軸之間的

32、連接結構見圖4-3，連接螺釘一般為偶數，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘的作用：使動片和輸出軸之間的配合緊密。螺釘材料選擇Q235,則(n=1.21.5)螺釘的直徑:d=0.005m螺釘的直徑選用M5。本章小結本章主要內容為腕部結構的設計包括：腕部結構的選取和腕部結構的設計計算。首先，根據腕部設計的基本要求選擇與本次設計相符合的腕部結構；然后，按照給定的技術參數進行設計計算；最后，確定了腕部回轉所需的回轉力矩、選用回轉缸以及選取各關鍵部位螺栓的計算。第4章臂部結構的設計及計算手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部(包括工件或工具)，并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括

33、3個運動：伸縮、回轉和升降。本章敘述手臂的伸縮運動，手臂的回轉和升降運動設置在機身處，將在下一章祥述。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(方位)，則用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部應該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。4.1臂部設計的基本要求臂部設計首先要實現所要求的運動，為此，需要滿足下列各項基本要求：一、臂部應承載

34、能力大、剛度好、自重輕對于機械手臂部或機身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結構上較多采用懸臂梁形式(水平或垂直懸伸)。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對機械手的運動性能、位置精度和負荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應注意以下幾方面：(1)根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸；(2)提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離；(3)合理布置作用力的位置和方向；(4)注意簡化結構；(5)提高配合精度。二、臂部運動速度要高，慣性要小機械手手部的運動速度是機械手的主要參數之一，它反映機械手的生產水平。對于高速度運動的機械手

35、，其最大移動速度設計在最大回轉角速度設計在內，大部分平均移動速度為，平均回轉角速度在。在速度和回轉角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4個途徑錯誤！未找到引用源。：(1)減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料；(2)減少臂部運動件的輪廓尺寸；(3)減少回轉半徑p,再安排機械手動作順序時，先縮后回轉(或先回轉后伸縮)，盡可能在較小的前伸位置下進行回轉動作；(4)在驅動系統中設緩沖裝置。三、手臂動作應該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運

36、動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發生機構卡死(自鎖現象)。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件錯誤！未找到引用源。四、位置精度要求高一般來說，直角和圓柱坐標式機械手位置精度要求較高；關節式機械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設定位裝置和檢測結構，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環節以減少或消除傳動、嚙合件問的問隙。總結：除此之外，要求機械手的通用性要好，能適合多種作業的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業區粉塵大的機械手還要設置防塵裝置等。以上要求是相互制約的，應該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設計出

37、完美的、性能良好的機械手。手臂的典型機構以及結構的選擇手臂的典型運動機構常見的手臂伸縮機構有以下幾種：(1)雙導桿手臂伸縮機構；(2)手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結構；(1)雙活塞桿液壓缸結構；(2)活塞桿和齒輪齒條機構。手臂運動機構的選擇通過以上，綜合考慮，本次設計選擇液壓缸伸縮機構，使用液壓驅動，水平伸縮液壓缸選用伸縮式液壓缸；豎直伸縮液壓缸選用雙作用活塞缸。手臂直線運動的驅動力計算首先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據運動參數初步確定有關機構的主要尺寸，

38、再進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結構圖。作水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力，應根據液壓缸運動時所要克服的摩擦力和慣性力等幾個方面的阻力進行確定。液壓缸活塞的驅動力的計算公式可表示為：F=(Aipi-A2P2)卬(4.1)手臂摩擦力的分析與計算摩擦力的計算不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據具體情況進行估算。圖4-1機械手臂部受力示意圖計算如下：'Ma=0G總L=aFb%Y=0G總屋=FaF摩二Fa摩+F幄=WFa+N'Fb(4.2)式中-參與運動的零部件所受的總重力(含工件)(N);L-手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離(

39、參考上一節的計算；a-導向支撐的長度(m)；當量摩擦系數，其值與導向支撐的截面有關;對于圓柱面：k-摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取巧0.10.15鋼對鑄鐵：取40.180.3選取：，G=500N,L=1.49-0.028=1.21m,導向支撐a設計為0.016m。將有關數據代入進行計算：=G=5000.3,a2x1.414+0.16)I=989.3N0.16手臂慣性力的計算本設計要求手臂平動是V=1200mm/s；假定：在計算慣性力的時候，設置啟動時間，啟動速度；Gv卜梧二g：t（4.3）3:1070NN慣gAt9.8N/Kg父0.02s密封裝置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不

40、同，在手臂設計中，采用。型密封，當液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：F摩二65N經過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅動力：F=1243.8N液壓缸工作壓力和結構的確定經過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力F=1243.8N,根據表3-1選擇液壓缸的工作壓力P=2MPa。確定液壓缸的結構尺寸：液壓缸內徑的計算，如圖4-2所示圖4-2雙作用液壓缸示意圖當油進入無桿腔：Fi=(Aipi-A2P2)中(4.4)當油進入有桿腔中：F2=(A2pi-Aip2)中(4.5)其中：m為機械效率。液壓缸的有效面積：A故有：Ai=jD2/4(無桿腔)(4.6)A2=jD2/4-R2/

41、4(有桿腔)錯誤！未找到引用源。(4.7)F=62i0N,選擇機械效率。將有關數據代入：c4F62i0Di.i30.04255，二Pi'0.952i06根據表3-i(JB826-66),選擇標準液壓缸內徑系列，選擇D=42mm。液壓缸外徑的設計：根據裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm,所以該液壓缸的外徑為60mm。活塞桿的計算校核一、活塞桿強度校核活塞桿的尺寸要滿足活塞(或液壓缸)運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的i5倍以上，按拉、壓強度計算：(4.8)片F/A設計中活塞桿取材料為碳鋼，故，活塞直徑d=20mm,L=i360mm,現在進行校核:(T=F/A<同結論：

42、活塞桿滿足強度要求。二、活塞桿剛度校核現按照伸出液壓缸的最小直徑進行校核，為便于計算把伸出的液壓缸簡化成懸臂梁。取:載荷F=400N,懸臂梁轉角:梁撓度:L=1730mm。Fl2片一再Fl3cd=3EI(4.9)(4.10)其中：E為材料的彈性模量：E=210Gpa10I為轉動慣量：取I=1.1M0=-0.0288mm<EI=249=-0.00249rad<q結論：懸臂活塞桿滿足剛度要求。4.6本章小結本章設計了搬運機器人的手臂結構，手臂采用液壓驅動伸縮機構，對驅動的液壓缸的驅動力進行了計算。并對液壓缸的基本尺寸進行了設計，同時對液壓缸活塞桿的強度和剛度進行了校核，校核結果均滿足要

43、求。第5章機身結構的設計及計算機身是直接支撐和驅動手臂的部件。一般實現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。機身的整體設計按照設計要求，機械手要實現手臂1800的回轉運動，實現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

44、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：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伸縮缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉和伸縮。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。回轉缸的轉軸與伸縮缸的活塞桿是一體的。具體結構見圖6-1。驅動機構是液壓驅動，回轉缸通過兩個油孔，一個進油孔

45、，一個排油孔，分別通向回轉葉片的兩側來實現葉片回轉。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18000圖5-1回轉缸位于伸縮缸之上的機身結構示意圖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：M=0.5fFd(5.1)慣性力矩的計算：4_、M=兀D/32(5.2)回轉部件可以等效為一個長1200mm,直徑為60mm的圓柱體，質量為159.2Kg設置起動角度6=180,則起動角速度切=0.314,起動時間設計為0.1s。密封

46、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。(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=80mm即設計液壓缸的內徑為80mm,根據表4-2選擇液壓缸的基本外徑尺寸100mm(不是最終尺寸)，再經過配合等條件的考慮。最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖6-2所示，內徑為150mm,外徑為230mm,輸出軸徑為50mm。圖5-2回轉缸的截面圖5.3機身升降機構的計算手臂偏重力矩的計算圖5-3手臂各部件重心位置圖(1)零件重量等現在對機械手手臂做粗

47、略估算：總共約為33Kg計算零件的重心位置，求出重心到回轉軸線的距離伊P工件=l720mmP手和腕=6mmP臂=0.88mmp_PiG工件+P手腕G手腕+P臂G臂G總(5.3)P工彳G工件+P手腕G手腕+P臂G臂G總=1500mm所以，回轉半徑。(2)計算偏重力矩M=G'：；(5.4)升降不自鎖條件分析計算手臂在的作用下有向下的趨勢，而立柱導套有防止這種趨勢；所謂的不自鎖條件為：傾角小于或等于摩擦角因此在設計中必須考慮到立柱導套必須大于480mm。手臂做升降運動的液壓缸驅動力的計算二F摩二N,G總.|里士亙1-a(5.5)式中："-摩擦阻力，參考圖6-3Gv4慣二；-gt(5

48、.6)G-零件及工件所受的總重。(1)摩擦驅動力的計算設定速度為V=4;起動或制動的時間差At=0.02s；近似估算為286.1Kg；將數據帶入上面公式有：F摩=5000NF慣=6600N(2)液壓缸在這里選擇。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=5000N當液壓缸向下驅動時：F=6600N軸承的選擇分析對于伸縮缸的運動，機身回轉受軸承的影響。因此，這里要充分考慮這個問題。對于本設計，采用一支點，雙向固定，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。本設計采用兩個球軸承錯誤！未找到引用源。的組合結構。本章小結本章對機械