发动机缸盖生产工艺研发——搬运机械手设计 陈晓佟 4th Ver..docx

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1、发动机缸盖生产工艺研发-搬运机械手设计摘要本设计主要是对发动机缸盖生产线上的搬运机械手进行结构设计和分析，其搬运对象为发动机缸盖。根据发动机缸盖的各个参数，以及对其进行抓取和搬运的要求，设计出机械手的末端执行器、腕部、小臂、大臂、腰座和基座的结构和尺寸大小。利用动态静力学方法将瞬时惯性力系转化为静力系，作出机械手的整体受力简图，然后对机械手各部件的受力情况进行具体分析，计算各机构的最大受力参数，对大臂和小臂进行强度校核，对各机构进行电机和减速器的选用，并核算是否满足工作要求。关键词：搬运机械手；发动机缸盖生产线；受力分析Engine cylinder head production techn

2、ology research and development - handling manipulator design AbstractThe design is mainly to the engine cylinder head production line on the conveying manipulator for structure design and the analysis , and its handing object is the engine cylinder head. According to the parameters of the crankshaft

3、 and the requirements for grasping and handling, the structure and size of the terminal actuator, wrist, arm, arm, waist and base of the manipulator are designed. Using dynamic statics method to transform the instantaneous inertial force system into the static force system, drawing the overall stres

4、s diagram of the mechanical hand, then analyzing the force of each part of the manipulator, calculating the maximum force parameters of each mechanism, checking the strength of the large arm and the small arm, and selecting the motor and the reducer for each mechanism. And check if they meet the req

5、uirements of the work.Keywords: Handling manipulator; engine cylinder head production line; force analysis目录1绪论11.1工业机械手11.1.1工业机械手发展概述11.1.2国内外研究情况11.2机械手的组成及分类21.2.1机械手的组成21.2.2机械手的分类31.3设计目标41.4主要研究内容42搬运机械手的总体结构设计52.1机械手的工作任务及工作空间52.2机械手的基本形式选择72.3机械手的主要部件及运动72.4机械手的相关技术参数83搬运机械手的各部分结构设计103.1末端执

6、行器103.1.1末端执行器气缸所需输出力计算113.1.2末端执行器气缸参数计算及型号选择133.2腕部153.3手臂部分163.4腰座和基座部分174机械手的力学分析与强度校核184.1静力学分析194.1.1腕部与末端执行器连接关节处受力分析194.1.2大臂与小臂连接关节处受力分析204.1.3腰座与大臂连接关节处受力分析204.1.4小臂受力分析214.1.5大臂受力分析224.1.6受力分析结果234.1.7惯性力最大状态下受力分析234.2强度校核254.2.1小臂强度校核254.2.2大臂强度校核275机械人电机及减速器的选择295.1机械手驱动电机及减速器选型要求及安装位置2

7、95.2腕部俯仰运动的驱动电机与减速器选择305.3小臂俯仰运动的驱动电机与减速器选择315.4大臂俯仰运动的驱动电机与减速器选择315.5腰部回转运动的驱动电机与减速器选择326总结34参考文献35谢辞361 绪论1.1 工业机械手1.1.1 工业机械手发展概述在近年来，工业机械手快速的发展，已经覆盖到人类活动的各个领域，这跟它所具有的优点有很直接的关系，因为机械手善于在恶劣的工作环境下，如高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和有污染的场合，完成重复的、单调的、高精度要求的，以及进行不间断的工作，极大程度地改善了工人的劳动条件。所以机械手受到各大行业的青睐，例如汽车制造、机械加工、交通运输、

8、食品、医药等行业中都有着它的身影，特别是在机床和流水线上，机械手的应用更为普遍。现代科技不断进步，社会经济高速发展，市场竞争激烈，为满足生产需求，在减轻人们的劳动强度的同时，提高产品的生产效率和质量，在汽车行业出现了各种自动化加工设备，其中作为现代工业自动化的重要支柱的工业机器人就包括在内，其中作为可以进行自动化搬运作业的工业机器人搬运机械手，现在已经广泛应用到了汽车及其零部件制造业的自动化流水生产线当中。机械手的研究和发展，带动了我国自动化水平的提高，也给各大小企业带来了巨大的发展机遇和前景，而且随着科技的进步和社会的发展，机械手的普及应用程度将会越来越大，机械手的优点也将不断地被放大，因此

9、，机械手在未来将会得到更快速的发展。1.1.2 国内外研究情况首个对机械手进行研发的国家是美国，美国联合控制公司在1958年开发出世界上第一台结构特点为箱体上装有一个可以旋转的长臂，前段装有电磁铁的工件抓放机构的示教型控制系统的机械手，4年以后，该公司又研制出一台控制系统为示教再现型的机械手，同年，美国机械制造公司研究出一种不仅可以实现手臂的升降、旋转和伸缩，连控制系统也进行了改良的，能灵活进行搬运工作的多自由度机械手，这台机械手较之前其它类型的机械手有了重大的改进，而该机械手所采用的液压驱动大大提高了机械手的功能。之后，美国各大行业公司也逐渐对机械手进行开发和研制。1960年，名为Versa

10、tran和Unimate的两种机械手在美国第一次，进行搬运作业。为了保证工作的完成，搬运机械手依据其需要搬运的各种不同类型或者形态的工件来选择安装不同的末端执行器，以便顺利的抓持工件，将工件从一个加工位置搬运到另一个加工位置。搬运机械手的出现极大程度地减轻人类繁重的体力劳动。世界上机床自动化生产线、码垛搬运、机床上下料、集装箱、自动化装配流水线等已经广泛的运用了自动工作的搬运机械手，目前世界上已经运用超过10万台的搬运机械手，如今还在随着科技和经济的发展在不断递增。虽然最早开始研制机械手的国家是美国，但却有很多的国家对机械手的研究并不落后于美国，甚至对机械手的发展速度比美国要更快，其中较为突出

11、的是日本，日本不仅在机械手的发展速度上领先其它国家，连对机械手应用的普及程度也大于其它国家，特别是在汽车行业方面。我国的机械手研究开始于70年代初，当时机械手的应用在世界各国引起一股热潮，在这样的趋势影响下，我国机械手的研究开始起步，但远远没有达到应用的程度，人们并没有注意到其广阔的发展前景，因此其进展相当缓慢，机械手的发展可以说还处于萌芽的阶段。到了80年代，我国机械手的研究终于进入发展阶段。这归因于世界上各种高科技机械手的出现，对我国科技的发展造成一定程度的冲击，再加上改革开发的贯彻和实施，我国机械手的研究和发展受到政府的重视与支持，开始投入人力物理开展对机械手的研究和探索。在“七五”计划

12、开展期间，我国为了完成示教再现式机械手的核心计算开发，投入了大量资金，对机械手的驱动系统、控制系统以及其零部件进行大力研发，从而研发出了搬运、喷涂和焊接机械手。我国在1986年开始实施863技术研究发展计划，使我国自动化机械手的发展开始跟上世界机械手发展的脚步，经过艰辛地研究与探索，各种跨越性的科研成果不断出现，我国终于开始成功研制出不同种类的机械手。到90年代，我国机械手开始进入适用化阶段，各大企业被机械手巨大的发展前景所吸引，开始将其引入制造加工的领域，机械手的应用和普遍程度开始逐渐提高。经过多年以来的研究与探索，尽管中国机械手已经具备了相当的发展基础，但是在核心技术的研究，原创性部件、高

13、可靠的基础性功能部件的批量生产和应用等方面，相比其它发达国家，我国还有一定的距离，毕竟我国对机械手的研究起步比较迟，发展速度和科技方面还没有特别的优势。1.2 机械手的结构组成及分类1.2.1 机械手的结构组成组成机械手的结构有执行机构、驱动机构、控制系统和位置检测装置：（一）执行机构机械手的执行机构能使机械手完成各种动作，来改变被夹持工件的位置状态，如转动、摆动、移动或者复合的动作等。而执行机构的上升下降、伸缩、旋转等运动方式称为机械手的自由度，是机械手的重要参数，一般来说，自由度越多的机械手越灵活，而结构也更为复杂。而机械手的执行机构又由末端执行器、腕部、手臂、腰座和基座等组成。 末端执行

14、器末端执行器是用来夹持工件或者操作工具的部位，机械手末端执行器的结构形式有很多种，根据所要夹持工件的大小、形状、材料、尺寸、重量或者特定的作业要求等等，来选择合适的类型，比如夹持类型、吸附类型、托举类型等等。 腕部机械手的腕部是用来连接末端执行器与手臂的部件，它的结构比较紧凑，而且重量较轻，比较常见的结构是具有一个自由度的回转驱动腕部结构，主要是让腕部进行90度或者180度的回转。 手臂手臂是用来支撑被抓工件、末端执行器以及腕部的重要部位。手臂的状态决定了末端执行器的位置，手臂与末端执行器配合运动来准确地抓取工件，并将工件搬运到指定的位置。 腰座腰座是支撑手臂的部位，与手臂的回转运动和升降（或

15、俯仰）运动都有密切的联系。 基座机械手的基座则是安装手臂、动力源和其它执行机构的支架。（二）控制系统常用的机械手的控制方式为点动控制和连续控制，采用PLC控制是机械手的控制方式中比较常用的，因为PLC的控制方式相对简单，自动化程度比较高，只要写出对应机械手作业要求的的PLC程序就可以完成对机械手的控制。控制系统要考虑的要素有动作形式，运动的速度，位置的要求等。（三）驱动机构驱动执行机构运动的即为机械手的驱动机构。根据采用的动力源的不同，工业机械手的驱动机构可分为液压、气动、电动和机械驱动四类。（四）位置检测装置位置检测装置可以控制机械手执行机构的运动位置，并反馈给控制系统目前执行机构的实际位置

16、，然后与设定的位置进行比较后通过控制系统对位置进行调整，使执行机构能够以一定的精度达到设定位置，满足机器人的运动精度要求。1.2.2 机械手的分类（1）按驱动机构分类机械手的驱动机构主要有4种类型，分别是液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中用的比较多的类型是液压驱动和气压驱动。液压驱动机械手的驱动系统通常有油缸、伺服阀、油泵、油箱等，它的特点是具有很大的抓举能力，动作比较平稳，耐冲击性强，耐震动性好，结构比较紧凑，而不足的地方是对液压元件的精度、密封性等要求较高，可能造成漏油的情况，对环境造成污染；气压驱动机械手的驱动系统主要有气缸、气阀、气罐和空压机等，它的特点是动作较为迅速，而且结

17、构简单，成本也比较便宜，维修方面也很方便，缺点是速度控制比较困难，而且气压不能过高，因此力度较低；电气驱动机械手较为常见，因为它驱动力大，反应快，电源方便，对信号的检测、传输和处理都比较简单，控制方案较为灵活，电机一般采用步进电机和直流伺服电机，而电机的速度比较高，所以通常需要用减速器来配合使用；机械驱动机械手用得比较少，主要是用在一些动作固定的场合，它的特点是成本低，动作可靠性高，工作效率快，只是不容易调整。（2）按坐标结构方式分类机械手的结构类型大概分为4种，分别为直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。1.3 设计对象本次设计主要对象为汽车发动机缸盖生产线上的搬运机械手，该机

18、械手将压铸后未切边的工件从流水线上搬运至切边机中进行切边，然后将切边后的工件搬运出来放入流水线中输送至下一工序。对于发动机缸盖这种形状较大、质量较重的零件，通过人工搬运会存在很多的困难，比如对工人体力要求较高，且存在一定的危险，需要的作业空间较多等，从而导致生产效率低，生产成本较高。所以使用搬运机器人代替人工搬运能够很好地解决这些问题，它能够不断重复工作，且力量巨大，从而降低了产品的生产成本，保证了工作的安全性，产品的质量和生产效率也能得到有效提高，改善了人们的工作环境，让汽车制造业逐渐实现自动化生产。1.4 主要研究内容本次毕业设计主要是设计一个抓取工件为汽车发动机缸盖的搬运机械手结构。根据

19、发动机缸盖的各项参数，以及对其进行抓取和搬运的要求，设计出机械手的末端执行器、腕部、小臂、大臂、腰座和基座的结构。在设计出机械手的各部分结构后，对其整体结构进行受力分析，并计算出机械手在工作过程中负载最大情况下各机构受力的大小，然后在机械手的最大受力状态下对大臂和小臂的强度进行校核，最后根据各机构的最大负载以及机械手正常工作下各轴的转速和角速度，选择合适的电动机和减速器并进行数据的核算。2 搬运机械手的总体结构设计2.1 机械手的工作任务及工作空间机械手的工作任务和工作空间，对机械手的选型、驱动和控制系统的选择、各部分尺寸大小和自由度的确定起着至关重要的作用，因此，在设计机械手之前，首先要根据

20、机械手的应用场合及抓取对象等，确定机械手的安装位置，工作的流程。（1）抓取对象机械手的抓取对象是长宽为300x300 mm，高度为80 mm的发动机缸盖，切边前工件的重量约25KG，工件的结构如图 2.1所示，工件的相关尺寸参数如图 2.2所示。图2.1 发动机缸盖结构图 图2.2 发动机缸盖相关尺寸参数（2）工作内容该机械手用于发动机缸盖压铸后的切边工程，将压铸出来的缸盖从取料位夹取放入切边机加工，将加工后的工件夹取放至放料位输送至下一工程进行加工。搬运机械手工作循环要求：从取料位取料将工件放入切边机加工将切边机内加工后工件取出将工件放到放料位进行下一个循环。机械手搬运自动线布置示意如图2.

21、3所示。图2.3 机械手搬运自动线布置示意图搬运机械手具体工作步骤如下：（1） 末端执行器从作业原点垂直向上移动300mm（末端执行器最低点与上料输送带的竖直距离为500mm）（2） 末端执行器向左转动45到取料位的正上方中心处。（3） 末端执行器向下移动350 mm，闭合夹爪，抓紧工件。（4） 末端执行器夹持工件，向上移动300mm（5） 向右转动90到达切边机正前方（6） 末端执行器夹持工件向前移动500 mm（进入切边机）（7） 向下移动300 mm，松开夹爪，放置工件（8） 向上移动300 mm（9） 向后移动500 mm（退出切边机） （10） 末端执行器向前移动500 mm（11）

22、 向下移动300 mm,闭合夹爪，抓紧工件（12） 夹持工件向上移动300mm（13） 向后移动500 mm（退出切边机） （14） 回转90到达放料位置正上方中心（15） 向下移动300mm，松开夹爪，放置工件（16） 向上移动到工件上方（17） 返回作业原点进入下一循环2.2 机械手的基本形式选择根据机械手的工作要求和工作环境以及工件的外形、尺寸、质量等工况条件，将机械手设计为四自由度关节型机械手，搬运机械手的总体结构如图2.1所示，机械手的主要执行机构主要包括基座、腰座、大臂、小臂、腕部及末端执行器，机械手的驱动机构采用电机及气缸驱动。2.3 机械手的主要部件及运动各部位运动设计方案如下

23、：（1）腰座回转：腰座位于基座上方，腰座可带动机械手的其他机构实现360的回转，基座的作用是支撑腰座、大臂、小臂等机构。（2）大臂俯仰：大臂位于腰座上方，可随腰座做360的回转，同时大臂可以在竖直平面内75的俯仰。（3）小臂俯仰：小臂与大臂靠旋转副连接，为了使末端工作机构具有更大的活动空间的同时，能够控制小臂与大臂之间的夹角，小臂也可以在竖直平面内75的俯仰。（4） 腕部俯仰：腕部与小臂靠旋转副连接，为了使末端执行器具有更大的活动空间的同时，能控制腕部与小臂之间的夹角，腕部也可以在竖直平面内75的俯仰。各机构的运动分别由独立的驱动装置驱动，并且各机构间又能相互联系，但是运行时互不干涉。2.4

24、机械手的相关技术参数1、搬运工件重量：25KG2、自由度数量：43、坐标形式：关节型4、最大工作半径：1800搬运机械手整体结构如图2.4所示，机械手结构简图如图2.5所示。图2.4 搬运机械手整体结构图图2.5 搬运机械手结构简图3 搬运机械手的各部分结构设计3.1 末端执行器根据发动机缸盖的大小、形状和质量，机械手的末端执行器设计为夹持型结构，使用气缸驱动，通过气缸的运动使手爪达到夹紧和松开的效果，夹爪与工件接触部分材料为黄铜，其余材料均为Q235钢。结构如图3.1所示。图3.1 末端执行器3.1.1 末端执行器气缸所需输出力计算末端执行器受力情况如图3.2所示，对末端执行器进行受力分析图

25、3.2 末端执行器受力简图 忽略铰接处摩擦，AB杆为二力杆，只在两端受力且所受力沿杆曲线,受力如图3.3所示；图3.3 AB杆受力简图 静平衡状态下，B、D点所受外力对C点取距，代数和为零，黄铜摩擦系数为=0.27，受力如图3.4所示，即：FBAlBCsin+G2LH-FNLCD=0G2=FN图3.4 弯杆BCD受力简图 静平衡状态下，A点合外力为零，受力如图3.4所示，因FAB=F，即：FC=2FABcos图3.4 A点受力分析图因FAB=FBA，综合以上分析可得：FC=G(1LCD-LH)coslBCsin=245(10.2786.6-150)173.213=139.5N所以气缸所需输出力

26、为139.5N，3.1.2 末端执行器气缸参数计算及型号选择（1）气缸缸径确定该气缸用于控制夹爪的夹紧与松开，需要提供足够的夹持力。由于难以直接确定气缸的实际输出力，所以选择气缸缸径时，需确定气缸负载率气缸负载率=气缸实际负载F气缸理论输出力F0 （式3.2）因气缸负载率大小的选取，与气缸的动作状态有关，由表3.1可知，气缸负载率=70%：表 3.1 气缸动作状态与负载率关系表气缸动作状态静负载（如夹紧、低速铆接等）气缸速度在50500mm/s范围内的水平或垂直动作气缸速度在500mm/s以上至气缸允许最大运动速度范围内负载率70%50%30%因气缸实际负载力F为2548N，由式3.2计算可得

27、气缸的理论输出力F0为：F0=F=139.50.7=199.3 N由公式3.3计算可得，所需气缸活塞面积S=FnP=199.30.50.7=569.4 mm2：F=nPS （式3.3）其中：F 所需要的气缸实际输出力，由计算可知，气缸所需输出力为139.5N；P 系统压力，一般为 0.6-0.8Mpa，本次计算取0.7Mpa；S 气缸的活塞面积；n 安全系数，一般气缸水平使用取0.7，垂直使用取0.5，因气缸动作方向为上下运动，故取n=0.5；所以所需气缸缸径D=2S=2569.43.14=27 mm，由表3.2取标准内径D=32mm。 表3.2 气缸标准内径表 （单位：mm）81012162

28、0253240506380（110）125（140）160（180）200（220）250320400500（2）气缸行程确定为了保证末端执行器手爪张开角为150，末端执行器夹紧与张开状态下机构运动简图如图3.5所示，根据末端夹持器结构设计，需运动83.5mm，因需要压紧的时候，一般会将行程吃进35mm，所以气缸行程为88.5mm，由表3.3取标准行程为100mm。 表3.3 气缸标准行程表 （单位：mm）缸径标准行程1252550751001251501752002503003504004505006007008001000图3.5 末端执行器机构夹紧与张开状态下运动简图（3）型号选择根据设

29、计方案，需要缸径为32mm，气缸行程为100mm的双作用气缸，故选择SMC公司型号为的MDB1D32-100Z-NW-M9BW的单杆双作用气缸，气缸结构如图3.6 所示，气缸参数见表3.4。表3.4 气缸参数表缸径（mm）杆径（mm）使用压力（MPa）理论输出力行程（mm）OUTIN32120.051.0563N484N100图3.6 气缸结构图3.2 腕部腕部的上端与电动机的转轴连接，从而实现腕部俯仰摆动，腕部的下端与末端执行器连接。腕部结构如图3.7 所示。图 3.7 腕部结构图3.3 手臂部分常见的机械手手臂运动机构有以下三种：（1） 双导杆手臂伸缩机构（2） 双活塞杆液压缸结构（3）

30、活塞杆和齿轮齿条机构本次设计的机械手手臂运动机构选择为双导杆伸缩机构，使用电机驱动。3.3.1 小臂小臂的长度设计为1000mm, 为了避免电机和减速器的转轴负荷过大的同时合理分配力和力矩，小臂与水平方向的夹角不超过60度，结构如图3.8所示。图3.8 小臂结构图3.3.2 大臂大臂的长度设计为800mm，为了避免电机和减速器的转轴负荷过大的同时合理分配力和力矩，大臂与水平方向的夹角在30度到90度范围内，结构如图3.9所示。图3.9 大臂结构图3.4 腰座和基座部分腰座的最上端与大臂连接，连接处安装电机和减速器，实现大臂的转动，腰座的底部与基座的连接，连接处安装电机和减速器，实现机械手的整体

31、转动。基座的安装采用地脚螺栓固定，腰座结构如图3.10所示，基座结构如图3.11所示。图3.10 腰座结构图图3.11 基座结构图4 机械手的力学分析与强度校核 机械手各个关节所承受的力和力矩，是机械手结构设计的基础。在设计人员设计机械手的时候，他们首先要考虑的问题是如何让机械手拥有足够好的力学性能，这就要对机械手的结构进行受力分析。惯性力的大小由速度和质量决定，在以前，机械手的机械速度很低，惯性力可忽略不计，因此可以把整个机械手的结构当做一个静力系统，只需要进行静力分析即可。而随着科技的发展，机械手的运动速度不断提升，机构和所要搬运物体的质量越来越大，机械手在作业过程中所产生的惯性力已经不能

32、够被忽略，因此要对机械手整体结构进行动力学分析。常见的动力学分析方法有Kane方法、Langrange方法和动态静力学方法。根据所设计机械手的条件，选择的动力学分析方法为动态静力学方法，即利用动态静力学方法将瞬时惯性力系转化为静力系，对机械手各部分进行受力分析。搬运机械手的受力简图如图4.1所示：图4.1 搬运机械手受力简图受力分析的时候，需要把机械手在运动过程中产生的惯性力考虑进去，但因为组成机械手的零部件数量较多，如果将机械手运动时所有零部件的惯性力全部加以考虑，那么受力分析就会变得复杂；由于许多质量较小的部件在运动时产生的惯性力很小，对机械手各关节的受力影响也很小，因此在本次受力分析过程

33、中，忽略质量很小的构件所产生的惯性力，只考虑计算其它体积和质量相对较大的构件所产生的惯性力。在这里只考虑机械手大臂、小臂、腕部、末端执行器和工件运动过程中产生的惯性力。4.1 静力学分析4.1.1 腕部与末端执行器连接关节处受力分析该关节所受到的力如图4.2所示，关节的A处受到腕部、末端执行器和重物的总重力为G1，关节的B处受到的力可分解为轴X和轴Y方向的力Fbx和Fby，关节的C处受到杆CE的拉力Fce。可以把ABC看成一个整体，然后对轴B进行力矩平衡分析和对ABC进行受力平衡分析后得：FCELCBsin10+Fx1Ly1=G1+Fy1Lx1FBX=Fx1-FCEcos1 （4-1）FBy=

34、-FCEsin1+G1+Fy1图4.2 腕部与末端执行器连接关节处受力简图4.1.2 大臂与小臂连接关节处受力分析该关节所受到的力如图4.3所示，关节的E处受到杆EC的拉力Fec，关节的F处受到杆FI的拉力Ffi，关节的D处受到力可分解为X轴和Y轴方向上的力Fdx1和Fdy1，可以把DEF看成一个整体，然后对轴D进行力矩平衡分析和对DEF进行受力平衡分析后得：FECLDEsin10=FFILFDsinEDF+9-2FDX1=FFIcos2-FECcos1 （4-2）FDY1=FFIsin2-FECsin1已知LdeLbc，可推得Lfd与水平面的夹角等于EDF+9，又因为四边形DEIJ为平行四边

35、形，所以DFI=EDF+9-2。图4.3 大臂与小臂连接关节处受力简图4.1.3 腰座与大臂连接关节处受力分析腰座与腰座的连接关节处所受到的力如图4.4所示，杆HG的拉力Fgh，杆HJ的推力Fhj以及杆HL的拉力Fhl，这三个力满足受力平衡，因此可对轴J进行力矩平衡分析，可得：FGHsin2-1LHJ=FHLsin4LJL （4-3）依据图中几何关系分析可得53-1，然后根据三角形正弦定理和余弦定理可知：LHJsin4=LHLsin5 （4-4）图4.4 大臂与腰座连接关节处受力简图4.1.4 小臂受力分析小臂受到的力如图4.5所示，杆GH的拉力Fgh，小臂运动时产生的惯性力可分为X轴和Y轴方

36、向上的力Fx2和Fy2，小臂的自身重力为G2，轴B对其的作用力可分为X轴和Y轴方向上的力Fbx和Fby，轴D对其的作用力可分为X轴和Y轴方向上的力Fdx2和Fdy2。对轴D进行力矩平衡分析和对小臂进行受力平衡分析后得： G2+Fy212LBDcos1+FByLBDcos1=FGHLGDsin2-1+FBxsin1LBDFGHcos2+FBX=FDX2+FX2 （4-5）FGHsin2+G2+Fy2+FBy=FDy2根据机械手结构可知轴D处满足力平衡方程：FDX=FDx1+FDx2 FDy=FDy1+FDy2 （4-6）已知四边形DGHJ为平行四边形，可得GHJ2-1。图4.5 小臂受力简图4.

37、1.5 大臂受力分析如图4.6所示，大臂受到轴D的压力可分为X轴和Y轴方向上的力Fdx和Fdy，自身的重力G3，大臂运动时产生的惯性力可分为X轴和Y轴方向上的力Fx3和Fy3，轴J的反作用力以及杆MK的推力Fmk，对轴J进行力矩平衡分析可得：FDxLDJsin2+FMKLJMsinJMK=FDyLDJcos2+G3+Fy312LDJcos2+FX312LDJsin2 （4-7）依据图中几何关系分析可得76-（8-2），然后利用三角形正弦定理和余弦定理可知：LJKsinJMK=LKMsin7 （4-8）LKM=LJM+LJK-2LJMLJKcos7图4.6 大臂受力简图4.1.6 受力分析结果通

38、过对机械手的三个连接关节处及大臂、小臂进行力学分析后，不难发现，所有方程里面，只有Lhl和Lkm两个自变量，其余的未知量皆可通过它们来进行计算获得，即其它未知量是关于Lhl和Lkm的函数，机械手各构件的位置角度等是根据Lhl和Lkm决定的。4.1.7 惯性力最大状态下受力分析当机械手的手部到达搬运工作行程的最远处时，机械手整体的加速度最大，受到的惯性力也最大。此状态下，手部在Y轴方向上的速度为0.5m/s，加速度为2.5m/s；X轴方向上的速度为1m/s,加速度为3.5m/s；Ly1=160mm，Lx1=130mm，9=45，10=80，2=50；经UG计算得机械手的手部和腕部质量总和为16.

39、5kg，发动机缸盖质量为25kg，则惯性力Fx1和Fy1分别为：Fx1=16.5+253.5=145.25NFy1=16.5+252.5=103.75N把数据代入公式（4-1）得：1=10-9=35Fce0.13sin80+145.250.16=(16.525103.75)0.13145.25=Fbx+Fcecos35Fby（Fcesin3516.525103.75）计算可得Fce34.04N，Fbx173.13N，Fby110.96N。把数据代入公式（4-2）得：-34.040.11sin80Ffi0.11sin（904550）Fdx1Fficos50-（-34.04cos35）Fdy1Ff

40、isin50（34.04sin35）计算可得Ffi33.65N，Fdx16.25N，Fdy11.7N。机械手在此运动状态下，小臂重心在Y轴方向上的速度为0.4m/s,加速度为2.1m/s；X轴方向上的速度为0.7m/s,加速度为2.8m/s；经UG计算小臂质量为48.12kg，则惯性力Fx2和Fy2分别为：Fx248.122.1101.052NFy248.122.8134.736N把数据代入公式（4-5）得：481.2134.736120.74cos35-110.960.74cos35Fgh0.17sin（5035）173.13sin350.74Fghcos50173.13Fdx2101.05

41、2Fghsin50481.2134.736110.96Fdy2计算可得Fgh1044.03N，Fdx2743.17N，Fdy21304.75N。把数据代入公式（4-6）得：FdxFdx1Fdx2749.42NFdyFdy1Fdy21303.05N把数据代入公式（4-3）和（4-4）得：1044.03sin（5035）0.2Fhlsin40.220.2 sin4Lhlsin5此状态下4=35，5=85计算可得Fhl382.16N，Lhl0.35m。机械手在此运动状态下，大臂重心在Y轴方向上的速度为0.2m/s,加速度为1.2m/s；X轴方向上的速度为0.3m/s,加速度为1.4m/s；经UG计算

42、大臂质量为60.47kg，则惯性力Fx3和Fy3分别为：Fx360.471.272.564NFy360.471.484.658N把数据代入公式（4-7）和（4-8）得：749.420.68sin50Fmk0.22sinJMK1303.050.68cos50604.784.6581/20.68cos5072.5641/20.68sin500.2 / sinJMKLkm/sin7此状态下765，JMK35计算可得Fmk2763.63N，Lkm0.33m。4.2 强度校核4.2.1 小臂强度校核依据小臂的最大受力状态分析可知，此状态下小臂受到的剪力较大，需要对小臂的强度进行校核。本次设计小臂采用铝合

43、金7075-T651材料，该材料的拉伸强度为572Mpa，抗弯强度为503Mpa,许用剪应力为120Mpa。此状态下小臂受到的剪力有：FgFghsin（21）270.21N 方向垂直小臂向下Fbd（G2Fy2）sin（901）504.55N 方向垂直小臂向下FbFbxsin1Fbysin（901）193.38N 方向垂直小臂向上Fd504.55270.21-193.38581.38N 方向垂直小臂向上小臂的截面为长120mm宽80mm的矩形。截面面积ABH0.080.120.0096m抗弯截面系数WzBH/60.080.1260.000192m小臂的剪力图和弯矩图如图4.7和图4.8所示：图4

44、.7 小臂剪力图图4.8 小臂弯矩图最大剪力Fs311.17N0.311KN 最大弯矩M75.42Nm0.07542KNm最大剪应力Fs/A0.3110.009632.39Mpa 最大弯曲应力M/Wz0.075420.000192392.8Mpamax强度满足条件。4.2.2 大臂强度校核依据大臂的最大受力状态分析可知，此状态下大臂受到的轴向压力较大，需要对大臂的强度进行校核。本次设计大臂采用铝合金7075-T651材料，该材料的拉伸强度为572Mpa，屈服强度为503Mpa,许用剪应力为120Mpa。设安全系数为2，则许用压应力c5722286Mpa此状态下，大臂受到轴D的压力为：FdFDx+FDy749.42+1303.051503.19N大臂