多自由度 机械手机电系统设计课程设计

机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：

（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。这种结构采用单缸活塞杆，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） 活塞缸和齿条齿轮机构。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：

经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如上图所示，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。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。

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。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转1800。

2.4.2 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置处的摩擦阻力矩

M驱，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩M惯及各密封装

M阻相平衡。

M驱?M惯?M阻?M回 (6.1)

惯性力矩的计算

M惯?J0??J0?? (6.2) ?t式中 ??——回转缸动片角速度变化量（rads），在起动过程中??=?；

?t——起动过程的时间(s);

J0——手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（N?m?s2）

。

若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为?，则

J0?Jc?G2?g (6.3)

式中

Jc——回转零件的重心的转动惯量。

Jcz?m?l2?3R2?12 (6.4)

回转部件可以等效为一个长1800mm，直径为60mm的圆柱体，质量为159.2Kg.设置起动角度?=18，则起动角速度?0

?=0.314rads，起动时间设计为0.1s。

Jcz?m?l2?3R2?12?43N?m?s2

J0?Jc?G2??1495N?m?s2 g2??0.314N?m?s4694.3 M惯?J0??J0=1495???t0.1密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下这里忽略不计。 经过以上的计算

M阻=0.03M驱，由于回油背差一般非常的小，故在

M驱=4839.5N?m?s2

（2） 回转缸尺寸的初步确定

设计回转缸的静片和动片宽b=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：

D?8M驱?d2bp (6.5) D=151mm

既设计液压缸的内径为150mm,根据表4.2选择液压缸的基本外径尺寸180mm(不是最终尺寸)，再经过配合等条件的考虑。

（3） 液压缸盖螺钉的计算

根据表4.3所示，因为回转缸的工作压力为8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,根据初步估算， L??D?3.14?150?471mm，t'?个面6个，两个面是12个）。

L471??78.5Z6t,所以缸盖螺钉的数目为（一

0.152?0.052危险截面S??R??r???0.0157m2

422所以，FQ?PS?20933N ZFQS?KFQ K?1.51.8

FQS?KFQ=1.5?20933?31400N

所以FQ=20933+31400=52333N

0螺钉材料选择Q235，则????螺钉的直径d??sn?240?200MPa（n?1.21.22.5）

4?1.3FQ0?????4?1.3?52333?0.020m 63.14?200?10螺钉的直径选择d=20mm.选择M20的开槽盘头螺钉。

经过以上的计算，需要螺钉来连接，最终确定的液压缸内径为150mm，外径为230mm，输出轴径为50mm

（4） 动片和输出轴间的连接螺钉

连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片

bp2dD?d2??M摩?FQZf?2 和输出轴之间的配合紧密。 8于是得

式中

FQ?bpD2?d2??4Zfd

FQ——每个螺钉预紧力；

D——动片的外径；

f——被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15 螺钉的强度条件为

?合1.3FQ?d124????

d1?或 带入有关数据，得

4FQ???? 6bp0.06?8?1022FQ?D?d??0.152?0.052??40000N?4Zfd=4?Z?0.15?0.05

螺钉材料选择Q235，则????螺钉的直径 d??sn?240?200MPa（n?1.21.22.5）

4?1.3FQ0?????4?1.3?40000?0.0135m 63.14?200?10螺钉的直径选择d=14mm.选择M14的开槽盘头螺钉。

2.4.3 机身升降机构的计算

1.手臂偏重力矩的计算

图 6.3 手臂各部件重心位置图

（1） 零件重量

G工件、

G爪、G腕、G臂等。

G工件?60Kg

现在对机械手手臂做粗略估算：G爪和G腕总共=33Kg

G臂?16.2Kg

G总?G工件+G爪+G腕+G臂=109.2Kg

(2)计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离?。

?工件=1920mm

?手和腕=1.69mm ?臂=0.88mm

???工件G工件??手腕G手腕??臂G臂G (6.6)

总