五自由度机械臂设计

五自由度机械臂设计,自由度,机械,设计 五 自 由 度 机 械 手 臂 结 构 设 计答辩人：一、设计方案的确定此液压手臂由四个液压缸和一个旋转气缸实现五自由度的此液压手臂由四个液压缸和一个旋转气缸实现五自由度的空间运动。空间运动。三维总装图如下三维总装图如下机械手底部通过两条滑轨较大行程的液压缸实现水平位移。机械手底部通过两条滑轨较大行程的液压缸实现水平位移。设计方案液压油缸与前后搭档板法兰连接回转装置通过液压缸活塞杆带动齿条并驱动回转齿轮完成回转装置通过液压缸活塞杆带动齿条并驱动回转齿轮完成180180度水平回转运动。度水平回转运动。设计方案轴承座支撑板限位并导向齿条直线往复运动采用较大尺寸推力圆柱滚子轴承分担重量，由轴承座上端延伸圆凸台内径定位。设计方案升降装置通过液压缸和两滑轨及其附属直线轴承实现升降装置通过液压缸和两滑轨及其附属直线轴承实现Y Y轴升轴升降运动。降运动。液压油缸因行程较小采用前端法兰装配活塞杆直径经校核符合设计要求设计方案小臂俯仰装置通过液压缸活塞杆与小臂铰接实现较小行程小臂俯仰装置通过液压缸活塞杆与小臂铰接实现较小行程的俯仰运动。的俯仰运动。大小臂关节处通过双深沟球支撑关节装配方案实现自由回转。设计方案手腕部通过直接选型的旋转气缸带动销轴回转实现手爪俯仰。手腕部通过直接选型的旋转气缸带动销轴回转实现手爪俯仰。旋转气缸由于尺寸原因，通过小臂侧面外垫一法兰圆盘安装。二、主要零件设计选用主要零件包含四个液压油缸、一个主要零件包含四个液压油缸、一个smcsmc旋转气缸、齿轮、齿条、旋转气缸、齿轮、齿条、回转轴和手爪部分。回转轴和手爪部分。1.液压缸选用液压缸选用 通过公式通过公式 可以算出液压缸可以算出液压缸最小缸内径值，并通过相关手册尺寸对照表设计出液压缸缸径最小缸内径值，并通过相关手册尺寸对照表设计出液压缸缸径(回回转装置的转装置的F F通过计算转动惯性力矩和摩擦力矩求出。通过计算转动惯性力矩和摩擦力矩求出。）经计算，缸内径分别为经计算，缸内径分别为32mm32mm、40mm40mm、40mm40mm、50mm50mm。主要零件2.2.回转轴尺寸确定回转轴尺寸确定 回转轴尺寸由具体装配要求确定，轴径通过扭矩强度校回转轴尺寸由具体装配要求确定，轴径通过扭矩强度校核。核。轴上端由圆螺母定位。轴上端由圆螺母定位。主要零件3.3.齿轮齿条设计齿轮齿条设计 通过齿面弯曲强度校核，通过齿面弯曲强度校核，齿轮齿条选取较大模数，齿数齿轮齿条选取较大模数，齿数确定为确定为3636。油路系统方案确定4.4.手爪手爪 单活塞气缸驱动手爪两侧连杆机构实现抓紧、松开的手单活塞气缸驱动手爪两侧连杆机构实现抓紧、松开的手指运动。指运动。三、总结展望 此五自由度机械手臂可胜任很多场合，液压与气压的驱动方式具有绿色环保、工作稳定的优点。但同时此设计依然存在不足：手臂活动较为缓慢笨拙；液压系统易脏并不易维护。希望在不断学习过程中可以设计出更加完美的机械手臂。感 谢 老 师 的 聆 听 与 指 导答辩人：金东泽摘 要随着机械的发展，很多各种新型的设备被广泛的用到各行各业当中，尤其是这些搬运机械手和机械手器人，也是被用到比如物流港口以及机械加工行业，能够取代人工实现高效率的作业要求，有着非常好的操作性能，特别是对于各种不同复杂的工作环境当中，有着比较好的适应性，尤其是在矿石和建筑中往往通过人工码垛物品的话，存在一定的危险性，并且对于部分的材料重量都比较大，人工作业效率非常的低。机械手的使用也是近些年普及起来的，由于有着各方面的优点，因此受到各行各业的偏好，目前市场需求量也比较大，对于制造企业来说也是一个比较好的机遇，在工艺和性能上设计出一款更能满足市场要求的码垛设备，更有优势。本次设计的五自由度机械臂，主要是结合目前市面上的各种机械臂结构，满足用在对于物料的抓取要求，结构主要使用液压缸驱动，实现五个自由度的动作，设计的任务涵盖结构的方案确定，以及主要零部件的计算校核。并通过画图软件完成整个五自由度机械臂的零部件和整体结构的图纸。关键词：机械臂；五自由度；夹持手爪AbstractWith the development of machinery, many new types of equipment are widely used in all walks of life. Especially, these handling robots and palletizing robots are also used, such as logistics port and machining industry, which can replace the efficient operation requirements, and have very good operating performance, especially for the operation. In a variety of different complex working environment, there is a better adaptability, especially in ore and building often through artificial palletizing items, there is a certain risk, and some of the material weight is relatively large, the efficiency of manual work is very low. The use of palletizing machine is also popular in recent years. Because of the advantages of all aspects, it is preferred by all walks of life, and the demand of the market is relatively large. It is also a good opportunity for the manufacturing enterprises to design a palletizing equipment which can meet the requirements of the market more in process and performance. Advantage.The design of the five degree of freedom hydraulic manipulator, mainly combined with the current market of various hydraulic manipulator structure, to meet the requirements for the grasp of the material, the structure is mainly used hydraulic cylinder drive, the realization of the five degrees of freedom movement, the design of the task covers the structure of the project and the calculation of the main parts of the calculation. Nuclear. And complete the entire five degrees of freedom hydraulic manipulator parts and overall structure drawings by drawing software.Key words: Hydraulic manipulator; Five degree of freedom; Gripping hand目 录摘 要IAbstractII目 录III引 言1第一章 绪论21.1 课题的背景和意义21.2 机械手的发展现状及趋势3第二章 五自由度机械臂设计方案42.1 五自由度机械臂系统组成及基本原理42.2 机械手的方案确定4第三章五自由度机械手机械结构设计63.1升降装置的液压油缸的设计63.2小臂俯仰装置的液压油缸的设计63.3回转装置的液压油缸的设计73.4纵向移动装置驱动油缸设计83.5导向光杆和直线轴承的设计9第四章旋转气缸和气动夹爪的设计114.1 旋转气缸的设计114.2 气动夹爪的设计134.2.1气动夹爪的方案确定134.2.2夹爪机构的选用要点144.2.3 滑槽杠杆式钳爪的夹紧力分析与计算144.2.4 手部夹紧气缸的计算与选型16第五章 齿轮、齿条和轴的设计及校核175.1齿轮齿条的设计175.1.1齿轮齿条校核计算175.2回转轴的设计与校核195.2.1轴的尺寸确定195.2.2轴的强度校核20第六章机械手液压系统设计216.1 液压传动机械手的传动过程216.2 拟定液压系统工作原理图21总 结23参考文献24谢 辞25III引 言经历过几次工业革命的洗礼，在科学技术以及制造业蓬勃发展的今天，机械已经几乎渗透到了人类产业的各种领域。工业、农业、医学发展、军事等都离不开机械科学的辅助和指导。同样的，在制造业急速发展的世纪，机械手的应用也极为广泛。工厂车间的物料输送对于机械手的需求较为迫切。步进电机机械手、气动机械手、机械臂等类型的机械手层出不穷。人们在机械制造领域的工作效率的提高非常需要各类机械手的帮助，只有完善工业机器人的发展，人类的制造产业链才能逐步壮大起来。设计一种工作效率高、价格低廉、节能环保的工业机械手，成为了一个人类科技及制造业发展的不朽桥梁。本次设计致力于设计出一种节能绿色、工作可靠合理的五自由的机械臂，这种机械手由液压油缸和气缸驱动，并其拥有5个自由度的运动。这种机械臂可以广泛应用于机械制造业的工厂中。25第一章 绪论1.1 课题的背景和意义 目前机械行业发展的非常的好，也是取得了很大的突破，市面上也是涌现出来不少各种新型的设备，被广泛的用到各个行业，特别是现在处于技术前沿的机器人结构，被用到建设行业以及矿石作业跟交通运输，并且很多一线城市的餐厅都能看到机器人的身影，可以实现自动化送货和点单这些要求。机械手属于机械人设备，用在各种场合，尤其是现在比较普遍的上料机械手以及码垛机械手。码垛机械手能够实现对于货物的堆码作业要求，有着非常好的操作性能，货物堆码作业的对象往往都是体积和重量比较大的产品，以往的人工堆码无论是时间还是运作上，效率都非常的低，并且在一定程度上有着风险的存在，而且费用比较高，这些对于企业来说都是一种经济负担，大量的机械设备的使用可以很好的解决传统堆码作业存在的问题，尤其是现在的大型港口和物流基地，每天的货物吞吐量都是比较大的，并且有着非常严格的作业时间，这些就要用到非常多的大型吊装设备跟堆码设备，需要对货物进行很好的摆放堆放。免得大量的空间浪费。目前市面上的机械手种类比较多，用的也比较普遍，有液压驱动的也有电机驱动的机械手，这些机械手结合目前的电气控制技术以及计算机相关技术，能够实现很好的自动操作要求，只要通过把原理动作以信号的方式输入设备，就能够实现我们需要的各种动作要求，按照一定的规范来作业，上料作业也是一个要求严格的工序，不仅仅对于货物的摆放要整齐，尤其是对于高度也是有要求的，这些都是在上料作业中的常见的作业。由于机械手结构比较简单，并且对于操作的要求比较低，设备的费用也比较经济，这些都是目前码垛设备发展的一个优势，所以被很多企业普遍的使用到，市场前景也是比较好，每年的销量都是在不断的提升，因此对于制造加工单位来说，也是一个比较好的机遇，在激烈的市场竞争当中，做好设备的工艺，在设备的结构上做的更加经济，能够满足各种工况需求的上料设备，也是目前的发展趋势。对于我们行业的从业人员来说，要求也是在不断的提升。1.2 机械手的发展现状及趋势机械手的使用有着一定的历史时期了，特别是在很多港口码头，用的比较多，以往的机械手主要是需要人工进行操作，对于操作人员来说有着一定的技术要求，最早的码垛设备是国外发明的1-3。被用到各种复杂的危险环境下，主要就是代替人工来作业的，能够实现一些重量比较大的物品搬运，并且在一些金属加工当中，对于高温的物体搬运堆码，只有通过这种码垛设备，才能很好的满足生产的要求。码垛设备的使用，国外技术比较早，有着一定的基础，因此在这些机器人领域，处于比较领先的技术前沿，能够设计出各种外形结构的机械手，在工艺和制造上也是更加人性化，动作精度高。在对于一些精度比较高，要求比较复杂的机械手码垛设备，需求量还是比较大，未来的买多设备也是朝着自能化发展的。对于机械手的研发和设计，我们国家起步比较迟一点，并且在六七十年代国家在这块的技术基本都是属于空白阶段，完全没有自己的研发技术和专利。部分港口的码垛加工需求，只能通过进口国外的机械手才能满足生产的要求，这些都是要花大价钱实现购买，在机器的后期使用和技术维护上往往就有着很大的局限性，成本也比较高，随着市场的不断扩大和经济建设的发展，国内机械行业和物流行业发展比较快，因此对于这些设备的需求量曾直线上升，国家对于这些设备领域也是比较关心，投入了很大的心血和精力，鼓励很多有能力的企业实现自主研发，并且跟研究院进行合作，在国外先进设备的技术基础上不断的创新，研发属于自己技术的设备，经过几十年的发展，在机械手方面也是取得了很好的成绩。尤其是很多沿海城市，有不少这些机械手设备的生产企业，都能够独立生产各种外形结构和尺寸的设备，在自动化和精确的也都比较高，并且有些企业能够实现大批量的设备生产出口，能够实现流水线加工作业，在工艺上也都比较成熟了。随着行业的发展机械设备的要求和工艺也是越来越严格，不断提出新的标准，要适应市场的需求，这些在一定程度上对于我们的从业人员来书也是需要不断的跟新思维，跟上技术发展的步伐，为行业的发展做出一份贡献。第二章 五自由度机械臂设计方案2.1五自由度机械臂系统组成及基本原理本次的五自由度机械臂大体上是应用于车间中并进行上料下料功能的。考虑到机械臂的比其他驱动方式的机械手更加稳定，本次设计选用了液压作为机械手的驱动方式。考虑到工厂的工作环境较为复杂，需要机械手的自由度更为灵活，这次设计了可以实现五自由度的机械臂，并且附加一个机械手爪。五个自由度分别是四个液压缸和一个旋转气缸以实现的水平位移、水平回转、垂直升降、小臂俯仰和手腕俯仰运动。2.2 机械手的方案确定本次机械手的运动采用四个液压缸和一个旋转气缸进行驱动4-7。底座的旋转利用油缸带动齿轮条使整体进行回转运动。根据分析来看，齿轮齿条传动时候有一个元件是必须是固定不动的，齿条是安装在主体回转转动轴上，这样齿条的移动带动回转轴上的齿轮转动，这样主体的回转轴就会转动，从而使得整个机械手的装置就会自由的旋转运动。这样Z轴的旋转运动就可以实现了。设计出的旋转部分结构如下图所示。 图2.1 旋转装置回转部分示意图大臂小臂整体的升降运动由一个标准液压油缸实现，这个液压缸通过前置安装在主体上，考虑到油缸的行程较长，需要在液压缸两侧安装两个平行的导向光杆，这样可以实现升降方向上的确定。大臂上的末端连接着一铰接头，铰接头连接液压缸，液压缸活塞与小臂连接，油缸活塞伸缩带动小臂俯仰，小臂的俯仰运动由此实现。由于液压驱动的方式相对于其他驱动方式有着清洁，稳定等优点，因此这里选择液压缸进行驱动而不是电机驱动。接下来考虑机械手腕部的俯仰运动的实现，手爪在抓取物体的同时水平轴上也要能够实现一定范围的俯仰运动，此运动的实现通过液压缸难以实现，所以考虑到是否可以通过旋转气缸来实现，由于这种旋转气缸已经成为了一种标准成熟的气动产品，这次设计就直接采用韩国JRT和SMC品牌的气缸实现这个旋转运动，并将其安装在机械手小臂末端。手爪则是自主设计的一种结构，通过尾部一个气缸带动一个铰链使两侧的连杆机构位移，这样就能够通过液压动力实现了手爪的抓紧和松开的动作了。具体原理则是：油缸的活塞杆运动带动中间的铰接头开始平行于两侧运动，如此带动两侧的对应连杆收起放下，两侧的手爪就能够张开或者夹紧了。另外整个机械装置的纵向移动也是采用液压油缸来进行驱动，整体的液压油缸来驱动整个上部的机械手装置可以进行纵向的伸缩移动，采用油缸驱动后保证两侧的导向装置选择直线导轨配滑块来确定其导向装置。整个五自由度机械手的基本结构装置就如下图所示。图2.2 机械手总装配图第三章 五自由度机械手机械结构设计3.1升降装置的液压油缸的设计升降装置的上下运动通过一个液压缸来得以实现。考虑到升降装置位于机械手的整体下部并承载起整个摆动机构和手爪的重量，则令其可承受重量为30kg，而手爪抓取的物料重量为5KG。所以总重量则可以进行以下的计算。因此液压缸的内径计算如下所示：液压油缸的系统压力选择较小的液压油缸压力为P=0.8MPa通过公式计算得到液压油缸内径的尺寸最下限值为 故得知液压缸的内径尺寸必须大于23.6mm，查讯相关的手册的液压油缸尺寸对照表，取标准缸径尺寸为Da=40mm。 3.2小臂俯仰装置的液压油缸的设计本次的摆动的装置采用液压驱动实现。俯仰装置上包括小臂和手爪机构，俯仰装置需要驱动的重量包括小臂以及手爪和一个旋转气缸，大臂的质量按照材料密度计算为5kg，小臂为2kg左右，加上物料、手爪和旋转气缸的质量整个俯仰装置所要求承受的重量为可以大体上按照20kg来计算。那么此液压油缸的内径计算如下：液压油缸的系统压力选择较小的液压油缸压力为P=0.8MPa通过公式计算得到液压油缸内径的尺寸最下限值为 所以此液压油缸的内径尺寸不得小于15.2mm，查讯相关的手册的液压油缸尺寸对照表，选择内径为32mm的标准液压缸较为合适。3.3回转装置的液压油缸的设计考虑到机械手装置的要求，本次设计的主体回转装置的运动由一个齿条带动齿轮旋转得以实现。由于齿条连接着液压缸活塞直线运动，齿条与齿轮啮合，就可以带动整个大臂小臂以及剩余部分的转动。所以这个本身回转装置的重量，以及大臂小臂和升降装置的重量都应当是液压缸被需求的重量。按照本次的设计计算，整个升降装置的重量可以算出，包括俯仰机构和夹持手爪的总重量大致45kg，而转动机构的重量大致为20kg，所以总共重量估计预重是65Kg。同样的我们需要计算回转运动驱动时的惯性力矩和摩擦力矩。按照需求，响应时间设为0.5s，齿轮角速度为4rad/s。 （3-1）上式中 Mm各支承处的总摩擦力矩；Mg启动时惯性力矩，一般按下式计算： （3-2）上式中 J手臂部件对其回转轴线的转动惯量（kgm）;回转手臂的工作角速度（rad/s）;t回转臂启动时间（s）当Mm=83(Nm)，根据公式，液压缸的内径尺寸计算也就可以列出来了，液压油缸的系统压力选择较小的液压油缸压力为P=0.8MPa。综上所述，可以得出这个液压缸的内径尺寸的下限值为 由此可知，液压缸的内径尺寸不得小于19.24mm，查讯相关的手册的液压油缸尺寸对照表Da=32mm。3.4纵向移动装置驱动油缸设计纵向移动装置的驱动油缸是要考虑整个底座上面的重量，回转装置驱动油缸上面的总重量预估为65Kg，而滑轨上底座的总量在45kg左右。本次设计纵向位移装置的液压缸所承载的总质量按110Kg来计算。考虑到滑轨的摩擦系数总是小于1的，由公式知道液压缸只要能承载1100N的力，设计的液压油缸就可以很合理了。根据公式，液压缸的内径尺寸计算也就可以列出来了，液压油缸的系统压力选择较小的液压油缸压力为P=0.8MPa，那么升降装置的油缸内径为那么油缸的内径至少为41.84mm，本查讯相关的手册的液压油缸尺寸对照表Da=50mm。表3.1 液压缸尺寸对照表3.5导向光杆和直线轴承的设计在大行程驱动和提升机器人整个臂中的气缸的过程中，为确保操作过程中的稳定性，导向装置的设计是必要的。在此阶段，机械手的升降装置需要导向光杆和直线轴承的设计。按照摆动200N承重与负载，我们选择两个导光柱，使得轴承上的负荷均匀地分布，在两侧上的线性轴承是固定的，在导杆2个的滑动导轨分别需要。负载是100N。为此设计选择的滑动轴承具有法兰。直线轴承的基本形式如下。图3.1 直线轴承的基本形状 根据每个滑动轴承的负载承受100N，我们选用滑动轴承为LMF25，轴承中间孔径为25mm，这样导向光杆的直径也为25mm。直线轴承的基本尺寸如下表3.2所示表3.2 直线轴承的基本尺寸主要尺寸法兰垂直度径向 跳动（max）基本额定载荷口径长 度法 兰联接孔动C(kg f)静Co(kg f)mmL公差D ftP.C.DXYZ190-0.20285203.563.10.0120.0122127617325243.563.11822824325243.563.12840829406294.57.54.138561030426324.57.54.152801232436334.57.54.152791337486384.57.54.1791201642548435.595.10.0150.015901402059628515.595.110016025第四章 旋转气缸和气动夹爪的设计4.1旋转气缸的设计此五自由度机械臂臂的手爪的俯仰用的通过一个旋转气缸来实现。由于夹具抓住了材料，它必须承受要一定的负载。当也就是说当手爪开始俯仰旋转时候，此装置必须要求有一定的承重的能力。为了实现这个功能，直接选择一个旋转气缸来实现这个功能。当其旋转时，整个夹具必须能够在180度内旋转，以实现抓握旋转机构。在这个设计中，选择了一个带有齿条和小齿轮的旋转气缸，这是一个由韩国SMC公司制造的旋转气缸。这种旋转气缸有两种选择旋转的模式：90度和180度旋转。这次选择了一个可旋转180度的旋转气缸。带齿轮的旋转气缸是气缸的旋转运动，通过机架的直线运动实现。 由于选择精度高，内部采用精密滚珠轴承设计，转动精度可以达到的数值为0.01。 该系列旋转气缸的主要视图如下 图4.1 SMC旋转气缸的主要视图这次设计分析了旋转气缸的基本形状。这种力分析通常考虑旋转圆柱体的轴向载荷和偏心载荷以及它们旋转中心产生的弯矩。当此机构旋转时，轴向载荷通过旋转圆柱体的中心传递，所以尺寸由整个部件的重量和惯性决定，夹紧缸的夹紧力和夹紧力以及连接这些装置的连接板通常重量为1.10千克，夹紧力和重量的总重量估计为10千克。然后，旋转气缸的总质量为11.10kg，那么旋转圆筒的旋转台必须具有的总量为111.0N。手爪的摆动速度在V = 100毫米/秒左右旋转。液压驱动需要0.05秒。因此，液压速度为100毫米/秒。当夹爪在旋转的时候，此旋转气缸的中心受到轴向的负载载荷一定是最大的，所以力的大小可以通过重量和惯性力这样算出。其大小可以通过以下公式计算： （4-1） （4-2）旋转缸的弯曲力矩为M = FL。根据之前的计算，G的总值被定为135 N。根据夹具的旋转半径来选择旋转半径，并且此结构的旋转半径由所选择的气爪的基本尺寸决定，L = 70mm。计算得到M = 10.4 nm，查相关尺寸对照表。因为有效力矩为1.48P，P=37，所以有效力矩的范围就为4.510.5Nm，选择型号CRBU2W40-90S的旋转气缸，此气缸可以选择180度。大4.2 气动夹爪的设计4.2.1气动夹爪的方案确定考虑到设计机械手的气动夹爪，就可以考虑选取最常见的钳爪式手部机构。其他的机械手爪形式也十分丰富，常用的手部机构大致有如下几种：（1）拔杆连杆机构式夹爪（2）平行连杆机构式夹爪（3）齿轮齿条移动式夹爪（4）重力式夹爪（5）可自锁式夹爪（6）自定心式夹爪（7）根据不同直径调整的夹爪（8）压力接触销的夹爪（9）定位销式夹爪（10）定制式调整夹爪夹爪的结构一般由以下几个部分组成：1、手指手指与物料直接接触，通过手指的张开和靠拢实现物料的夹取和放下的动作。一个机械手爪一般拥有2到3个手指组成。2、传动机构手指的张开动作由它提供传动动力。3、驱动装置顾名思义，驱动装置通过液压，气动，电动等方式提供手指运动的动力。具体结构方案图如下面的示意图所示： 图4.2 手爪机构方案图4.2.2夹爪机构的选用要点1. 具有足够力进行夹紧2. 具有足够大的张开角度3. 能保证工件的准确位置定位4. 手爪结构具有符合要求的强度和刚度5. 尽可能有一定的通用性8-104.2.3 滑槽杠杆式钳爪的夹紧力分析与计算如图4.3所示，牵引杆2的端部设置有圆柱销3，并且当拉杆2向上方抬起，圆柱形销移动到两个夹爪4的滑动槽和移动夹爪4旋转围绕两个旋转指针以夹紧工件。当杠杆2被按下时，钳口4从工件上释放。设P是作用在拉杆2上的驱动力，其是柱形销上的两个夹爪的力，N是夹爪的夹紧力。钳口的尺寸比例如图所示11。图4.3 滑槽杠杆式钳爪1手架；2拉杆；3圆柱销；4钳爪根据圆柱销的平衡条件可知cos，则按照钳爪的平衡条件 得因为 ，所以 式中 a手爪回转支点（或）到对称中心线的距离；b手爪回转支点到钳口中心线的距离由以上式子我们可知，P是恒定的并且增加，并且N也增加。 但是过大会使行程超过极限，则杆（即活塞杆）的行程太大。 因此，通常优选取为3040。 这种设计选择30。为了一定能满足力的大小需求，夹紧力可以取最大值：查讯相关图表得，钢与钢的静摩擦力系数f=0.1，取抓取物料最大的加速度a为1m/。由此得出计算，4.2.4 手部夹紧气缸的计算与选型如上方图4.3所示，a=67.5mm，b=37mm，=30又求得N=540(N)P=540(N)由上述计算算出实际气缸需求力，=568.7（N）即气缸缸径：系统气源压力设为；根据设计行程要求，选取D=40mm由于工件的尺寸是独一无二的，因此只需考虑夹具和出口之间的孔，因此气缸的行程不会太大。 气缸S的行程正确选择为55毫米。根据驱动力的计算，气缸的内径最初确定为40毫米，行程设为40毫米。查SMC产品手册，选择新型 CG1系列气缸，并连接前端部法兰。 因此，我们在SMC产品中选择了CG1FN80-100。第五章 齿轮、齿条和轴的设计及校核5.1齿轮齿条的设计5.1.1齿轮齿条校核计算 系统模数m取5齿数确定：齿轮的Z暂取36。精度等级的选择：它的精度选择主要取决于周围速度。本设计齿轮转速约57r/min，速度很底。本设计的齿轮精度采用IT8. 齿条结构用于连接液压缸来带动齿轮，因此齿条采用单面齿，传动时作用力计算12：表5.1齿轮校核计算公式对照表作用力计算公式直齿轮斜齿（人字齿）轮分度圆上的圆周力Ft/NFt=2000T/d节圆上的圆周力Ft/NFt=2000T/d径向力Fr/NFr=Ft tanFr=Ft tan/cos轴向力Fx/NFx=Fttan(人字齿轮Fx=0）转矩T/N*mT=1000P/=9549P/n说明P- 齿轮传递的功率（kW）-齿轮的角速度（rad/s),=n/30n-齿轮的转速(r=min)注：1.表中d、d分别为齿轮的分度圆直径和节圆直径（mm）。 2.计算齿轮的强度时应使用Ft；计算轴和轴承时应使用Ft、Fr、Fx。 计算得： F=2000*9549*1.4/57/180=2606N （5-1） 一对传动中的齿轮齿条上所受的圆周力F是相等的，同时，模数m也是相等的。但齿形系数不相同，许用弯曲应力也是不相等的，所以要分别计算大小两齿轮齿根弯曲应力。计算时应分别代入各自的齿形系数（Y或Y）及许用弯曲应力。强度条件为： 式中，分别为大小齿轮及大齿轮的许用齿根弯曲应力，其值为： = （5-2） 式中：齿根弯曲强度的安全系数。由于断齿比点蚀破坏有更大的危险性，所以 应比有更大的值，其值见下表所示13：表5.2齿面安全系数对照表安全系数软齿面（HBS350)硬齿面（HRC38)重要传动，渗碳淬火或铸造齿轮1.01.11.11.21.31.31.41.41.61.62.2注：如在制造时对材质及工艺工艺均有严格检验的传动，安全系数数值还可以降低，但不小于1 分别为齿轮材料及齿条材料按齿轮试件进行试验求得的齿根弯曲疲劳极限值。与相似，试验结果有较大的离散性。相关手册列举了的最低值加25%的变化范围作为一般状况齿轮传动设计时的极限应力值。如齿根弯曲应力属于对称循环变应力时，应将表中查到的极限应力值减低30%。 齿轮强度校核：=1.226062.32/15/5=96.7Mpa = 满足弯曲强度条件 齿条强度校核： =1.226062.06/15/5=85.9Mpa = 所以满足弯曲强度条件。因此，齿轮齿条有关参数的选择能够满足要求。 5.2回转轴的设计与校核5.2.1轴的尺寸确定因为要求这一回转轴需要装配齿轮和旋转坐以及轴承等较多零件，所以这里选用可以用轴肩定位的阶梯轴更为合适。根据其他零件的尺寸和具体需求，设计的回转轴尺寸具体如下图所示14。图5.1回转轴结构设计5.2.2轴的强度校核考虑到这里的轴在工作时候保持着液压缸驱动的低速回转运动，轴向上受到扭矩，在这里进行轴的扭矩强度校核15-16。首先我们知道公式 （5-3） ，P=0.8MPa （5-4） （5-5）其中，P表示功率，n表示轴的转速，A0查书可以得到。现确定P的值， 由之前的分析得知 F液压缸推力，油缸的横截面积乘以0.8MPa就等于推力2573N ，角速度为6rad/s，r为齿轮分度圆半径90mm。求得这个机构的需求功率P等于1.4kw。根据角速度得知轴平均大概1.05s回转一周，所以一分钟的转速n就等于57r/min。这样29.94mm。之前设计的轴径最小值为37mm，所以满足扭转强度条件，扭转校核成立。第六章机械手液压系统设计6.1 液压传动机械手的传动过程1.机械手位于起始原点位置2.机械手回转装置使主轴旋转到指定位置3.气动手爪开始夹紧物料4.机械手大臂俯仰动作5.机械手主体位移6.机械手手臂又伸出到指定位置7.气动手爪放松并放下物料8.机械手手臂开始缩回动作9.机械手主体位移10.回转装置主轴旋转返还起始原点位置6.2 拟定液压系统工作原理图按照整个系统的工作完成情况，可以选定合适的液压油缸。选择单杆活塞液压缸进行伸缩运动，纵向运动，主轴的旋转和俯仰运动。手爪的运动选择一种气动夹爪来得以实现，以确保整个系统可以实现稳定的运动效果。下面具体说明液压系统的原理17。手臂俯仰，主体位移和主轴转动均采用单向调节器节流阀调节，速度可调，操作平稳。悬臂缸缸套设置有单向顺序阀，可调节顺序阀的弹簧力以在活塞自重引起的油压作用下保持开式链条，活塞杆和杠杆以这种方式支撑。在操作中，进入油泵的油泵油进入左右移动油缸的上腔，顺序阀的压力增加，使其开启，活塞向下移动。当活塞必须向左移动时，加压流体通过单向阀进入左右行走油缸的下腔并且不被顺序阀阻塞。它采用单向阀顺序克服手的重量等，防止滑落，性能稳定可靠。 图6.1机械臂液压原理图总 结本次设计的题目基于CATIA的五自由度机械臂装置，对于我个人的知识储备来讲是有着一定的难度的。从一开始的持续迷茫没有方向，到逐渐有些想法并且做出成品。确实经历了很多学习上的锤炼。这次的机械手设计，无论是原理上还是结构上的较为通俗易懂，可是我对于对于液压方面的知识储备十分匮乏，在经历了去图书馆借阅相关资料，询问同学和老师后，液压的相关知识也学习了很多。再有就是关于CATIA的建模和仿真操作也是请教的不少高手，虽然对老师们来说我的CATIA建模有些简陋，但是我也收获了很多很多的CATIA技巧，建模也比大一的时候熟练了不少，相信在以后的工作岗位上也能运用自如，实现个人技能的真正价值。关于轴和齿轮以及其他一些零件的设计，也是花费了不少功夫和精力的，学习好的同学和老师帮我度过了开始时候很迷茫的阶段，我真正学会了感恩，并且收获了很多成熟的计算思路。总的来说，我认为这次设计对我来说真的是一次历练，困难或者轻松与否都是一次让我在大学期间最后熟悉专业知识的好机会，收获满满成就感的同时，也会收获一个更好的未来! 参考文献1 Charles W. Beardsly, Mechanical Engineering, ASME, Regents Publishing Company,Inc,1998.2 Davis JR.Sae fatigue design handbook. 4Society of Automotive Engineers Inc；19963 T.Ramayah and Noraini Ismail,Process Planning Concurrent Engineering,Concurrent Engineering,2010.4 邱宣怀等. 机械设计M. 北京：高等教育出版社，2003:23-565 吴宗泽. 机械设计师手册M. 北京：机械工业出版社,2002:12-166 郑文纬,吴克坚. 机械原理.M 北京：高等教育出版社,2003:16-257 李学志主编. 机械CAD技术基础M. 北京：清华大学出版社,2004:132-1958 唐剑兵.机械基础与结构设计 M 重庆:重庆大学出版社,2006.2:55-999 郑向华，唐剑兵.机械基础与结构设计课程设计手册M 重庆:重庆大学出版社. 2008.10:15-6910 吴宗泽.机械零件设计手册M. 北京:机械工业出版社.2003:13-4511 于传浩,章涤峰.一种气动机械手夹持机构设计J. 液压气动与密封,2003(5)：2212 赵志刚等.材料力学M. 天津：天津大学出版社,2001:58-9113 张福润等.机械制造技术基础M. 武汉：华中科技大学出版社,2000:15-6914 王晓莉.机械制图M. 北京:科学出版社,2006:45-4615 李华.机械制造技术M 北京:高等教育出版社, 2009.2:44-9216 倪兆荣，张海筹.机械工程材料M 北京:科学出版社,2007:36-8917 耿跃峰,夏政伟.四自由度搬运机械手液压系统设计J. 液压与气动,2012(2)：42-44. 谢 辞大学的时间非常的美好，学习的过程也是特别的充实，在这几年的大学生活中学到了非常多的知识，也成熟了很多。为期几个月的毕业设计过程当中，我深深的体会到了知识的力量了，很多在平时没怎么注意到的知识点都在本次的设计过程中得到很好的运用，毕业设计真的是一个很好的检验过程，也是对于我整个大学的学习过程的考核，让我认识到知识的可贵。在这边我特别要感谢辅导老师对于我的帮助，老师平时工作也特别忙，但是依然对我们还是很严格，每周都要检查我们的进度，有时候晚上还经常催我们进度，在碰到问题的时候，老师都能抽出时间来给我们分析问题的原因，怎么去解决困难，这些都在毕业设计中有着很大的帮助，也是本次毕业设计能够很圆满结束的原因，所以要感谢老师教会我了很多专业的知识，也让我学会了怎么解决问题，这些都是对我以后的工作有很大的帮助的，让我学会了独立动手的能力。并且我也要感谢学校这些年对于我的培养，给我提供了这么好的环境，让我们能在学校学到很多本领，为将来走上社会少走点弯路，感谢学校的培养，也感谢学校的老师和领导在我们身上付出的心血。并且我也要感谢同组的同学们，在碰到问题的时候，能够互相讨论，并且能够有着很好的团队意识，这些都是很好的工作品质，也是做人做事的良好的品格，谢谢你们。总之感谢老师，感谢学校以及同学们，谢谢你们这些年对我的帮助。