小型夹持式机械手及手臂设计.doc

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1、1 绪论1.1课题研究的目的和意义机器人是人类很早就梦想制造的、具有仿生性且处处听命于人的自动化机器，它可以帮助人类完成很多危险、繁重、重复的体力劳动。机器人技术是现代科学技术高度集成和交融的产物，它涉及机械、控制、电子、传感器、计算机、人工智能、知识库系统以及认识科学等众多学科领域，是当代最具有代表性的机电一体化技术之一。人类文明的发展、科技的进步已和机器人的研究、应用产生了密不可分的关系。为了适应社会的需求，各院校都比较重视机器人技术和控制技术等课程在机械设计及其自动化专业的开设，使培养的学生懂得机器人设计方面的技术。经过40多年的发展，现代机器人技术在工业、农业、国防、航空航天、商业、旅

2、游、医药卫生、办公自动化及生活服务等众多领域获得了越来越普遍的应用。机器人技术不断进步与创新，所到之处使整个制造业乃至整个社会都发生了和正在发生着翻天覆地的变化。机器人是最具代表性的现代多种高新技术的综合体，它可以从某个角度折射出一个国家的科学水平和综合国力。由于社会的需求，造就了一批从事设计、开发和使用机器人的高级人才。而设计和开发的基础，是对机器人机械系统、感知系统和控制系统等的理解和掌握，才能较好的使用其中的资源来进行设计。故此本文介绍了机器人设计的基本理论，讨论了机器人本体基本结构的相关内容，描述了机器人控制器和传感器等的基本原理，然后再介绍机器人轨迹规划和静力分析方面的知识，使学生既

3、懂得怎样设计一个机器人，同时能熟练地运用此设计理论。机器人技术是现代科学技术高度集成和交融的产物，计算机技术的不断肩部和发展使机器人技术的发展一次次达到一个新的水平。机器人涉及机械、控制、电子、传感器、计算机、知识库系统以及认识科学等诸多学科领域，成为高科技中极为重要的组成部分。人类文明的发展、科技的进步已和机器人的研究、应用产生了不可分的关系。机器人技术是当代最具代表性的机电一体化技术之一。机器人已广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。机器人在现代工业中应用得特别广泛，而其与外界环境直接接触的部分是机械手，它可以代替人手，与外界环境中有毒以及有害的物质直接接触以减少对人的危害，它具有

4、能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点。人类社会的发展已离不开机器人技术，而机器人技术的进步又对推动科技发展起着不可代替的作用。因此，设计机械手有特别重要的意义。1.2国内外研究状况目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展推动了机器人学的建立，许多国家成立了机器人协会，美国、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学学位。20世纪70年代以来，许多大学开设了机器人课程，开展了机器人学的研究工作，如美国的MIT、RPI、Stanford、Ca

5、rnegie-Mellon、Conell、Purdue、Univ of California等大学都是研究机器人学富有成果的著名学府。随着机器人学的发展，相关的国际学术交流活动也日渐增多，目前最有影响的国际会议是IEEE每年举行的机器人学及自动化国际会议，此外还有国际工业机器人会议(ISIR)和国际工业机器人技术会议(CIRT)等。出版的相关期刊有“Robot Today”、“Robotics Research”、“Robotics and Automation”等多种。我国的机器人技术起步较晚，约于20世纪70年代末、80年代初开始。20世纪90年代中期，6000以下深水作业机器人试验成功，

6、以后的近10年中，在步行机器人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国际前沿领域逐步缩小了与世界先进水平的差距。1.3机械手的特点机械手最显著的特点有以下几个:（1） 可编程 生产自动化的进一步发展是柔性自动化。机械手可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。（2） 拟人化 能模仿人手和手臂的某些动作功能，用来按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全（3） 通用性 除了专门设计的专用机械手外，一般机械手在

7、执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换机械手部末端操作器(手爪、工具等)便可执行不同的作业任务。1.4机械手的组成作为一个系统，一般来说，机械手由三部分、六个子系统组成。这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机械手-环境交互系统、控制系统等。（1） 驱动系统驱动系统主要指驱动机械系统的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为电动、液压、气动以及把它们结合起来应用的综合系统。（2） 机械系统 机械系统又称操作机或执行机构系统，它由一系列连杆、关节或其他形式的运动副所组成。机械系统通常包括臂关节、腕关节和手爪等，构成一个多自由度

8、的机械系统。（3） 感知系统感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有用的信息。（4） 控制系统 控制系统的任务是根据机械手的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机械手的执行机构完成规定的引动和功能。（5） 机械手-环境交互系统 工业机械手-环境交互系统是实现机械手与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。（6） 人机交互系统人机交互系统是使操作人员参与机械手控制并与机械手进行联系的装置，一般来说，人机交互系统可分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。2 总体方案设计 设计机械手的第一步是进行总体方案设计，即在充分调查研究的基础上，进行可行性分析论证，确定夹持

9、机械手的使用范围、夹持方法、初选各部件的结构和总体布局等。这是整台机器技术设计的依据。因此，在拟定总体方案时，必须全面地考虑，使确定的方案既先进有经济效益高。2.1机械手动作规划本设计要求机械手能实现对5kg以内物品的夹持，同时实现翻转，抬起运动。为了满足设计要求，首先要考虑所要设计的机械手的自由度。在三维空间描述一个物体的位置和位姿需要6个自由度。机械手的自由度是根据用途而设计的，可能小于也可能大于6个自由度。本次设计的机械手具有两个自由度，即机械手的翻转、抬起运动，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。如图2.1所示： 图2.1 机械手动作规划示意图2.2传动方案的确定 传动方案反映运动和

10、动力传递路线和各部件的组成和联接关系。合理的传动方案首先要满足机器的功能要求，例如传动功率的大小，转速和运动形式。此外还要适应工作条件（工作环境、场地、工作制度等），满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护便利、工艺性和经济性合理等要求。同时满足这些要求是比较困难的，因此要通过分析比较多种方案，来选择能保证重点要求的较好的传动方案。2.2.1 手部方案的确定手部最重要的部分是机械夹持器，首先它应具有夹持和松紧的功能。夹持器夹持工件是，应有一定的力约束和形状约束，以保证被夹持工件在移动、停留和装入过程中，不改变姿态。当需要松开工件时，应完全松开，另外它还应保证工件夹持姿态在现几何偏

11、差在给定的公差带内。机械夹持器可分为圆弧开合型、圆弧平行开合型和直线平行开合型。本次设计选用圆弧开合型，这种类型在传动机构带动下，手指指端的运动轨迹为圆弧，两手指绕支点做圆弧运动，同时在对工件进行加紧和定心。这类夹持器对工件被夹持部位的尺寸有严格要求，否则可能会造成工件状态失常。其结构如图2.2所示。 图2.2 手爪示意图2.2.2 手臂回转方案的确定手臂回转机构有回转轴、轴承和驱动机构组成。驱动机构有直接驱动和间接驱动等形式。如图2.3所示，驱动机构和回转轴同轴，这种形式直接驱动回转轴，回转轴通过轴承的支撑和导向作用，带动手臂回转，这种结构有较高的定位精度。 图2.3 手臂回转运动示意图回转

12、机构中轴承起着相当重要的作用，用于转到关节的轴承有多种形式，球轴承是机械手结构中最常用的轴承。球轴承能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴承和轴承座的刚度不敏感。至于手臂回转轴承的选择将在以下章节用介绍。2.2.3 手臂俯仰方案的确定机械手手臂俯仰运动通常采用摆臂油（气）缸驱动、铰链连杆机构传动实现手臂的俯仰，本次设计采用油缸驱动。如图2.4所示，手臂俯仰运动用的活塞缸位于手臂下方，其活塞杆和手臂用铰链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接。 图2.4 手臂俯仰运动示意图3 机械手结构设计 对小型夹持机械手及手臂结构设计的主要内容为：手部设计、手臂回转设计和手臂俯仰设计。3.1手部设计

13、机械手的手部也叫做末端执行器，它是装在机械手手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。手部主要具有以下特点：（1） 手部和腕部相连处可拆卸。（2） 手部是机器人末端执行器。（3） 手部的通用性比较差。（4） 手部是一个独立的部件。3.1.1 手指夹紧力的确定 为了增大夹紧力，在机械手手爪加紧面上加上橡胶，通过增大摩擦系数来加大夹紧力。 选择被夹物体的材料为铁，则摩擦系数=0.45。由于设计要求能夹持5kg重的物体，所以，夹紧力为： （3.1） =108.9（N）3.1.2 手指结构设计手部设计和选用时最主要的是满足功能上的要求。首先要考虑的是要抓握什么样的工件，本次设计选用被夹持物体的材料为铁，其密

14、度，形状尺寸为圆柱体，选取高= ，则被夹持物体的半径为： = （3.2）则夹紧时手爪作用点之间的距离为2R。机械手通常利用手指与工件接触面间的摩擦力来夹持工件。工件在被夹持的过程中，从静止状态开始可能有多种运动形式。在不同的运动状态下，工件的受力情况是不同的，当工件处于静止或匀速移动状态下时，工件除了与手爪的作用力外，所承受的只用重力；当工件加速运动时，其受力情况还应考虑惯性力的影响。因此，在设计时，应对夹持器的各种工作状态进行分析，使其结构能提供必学的夹持力。根据经验和查阅相关资料，手部机构设计如下图： 图3.1 手爪设计分析图 图中,e为支持器活塞中心至手指支点的距离；为手指支点至指端（与

15、工件接触点）的长度；为手指支点销轴的半径；为液压缸所需要提供的轴向作用力；为手指回转有效分力，=；为垂直分力，；为单手指指端作用力（加持力）；为压力角；为构件间相互摩擦系数。由图可知手指对手指支点的力矩平衡式为 整理得 考虑到手指夹持工件时，若忽略摩擦影响（），则上式可简化为 （3.3）根据经验和设计要求，并考虑手部结构的特征，取=20,=60则所需提供轴向作用力为 =3.2 臂部结构设计机器人的手臂由大臂、小臂（或多臂）组成。手臂的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电动驱动几种形式，其中电动形式最为通用。臂部设计需要注意以下问题：(1) 承载能力足。不仅要考虑抓取物体的重量，还要考虑运动时的

16、动载荷。(2) 刚度高。为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，应合理选择手臂的截面形状。工字形截面弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴的大得多，所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。(3) 导向性能好，动作迅速、灵活、平稳，定位精度高。为防止手臂在直线运动过程中沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。由于臂部运动速度越高，定位前惯性力引起的冲击也就越大，运动不平稳，定位精度也不高。因此，除了臂部设计力求结构紧凑，重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。(4) 重量轻、转动惯量小。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部

17、分的重量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量。(5) 合理设计与腕和机身的连接部位。臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响机器人的外观。3.2.1 手臂材料的选择机械手手臂材料应根据手臂的工作状况来选择。根据设计要求，手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。而另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。因此，选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。机械手手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时不应有变形和断裂。从力学角度看，即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材

18、料，如钢、铸铁、合金钢等。机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料制作手臂，其中，非金属材料有尼龙6、聚乙烯(PEH)和碳素纤维等；金属材料以轻合金(特别是铝合金)为主。因此，本次设计选择手臂的材料为铝合金。3.2.2 手臂回转结构设计回转运动用步进电动机直接驱动实现手臂回转，如图2.3所示。这种结构具有结构紧凑，体积小，运动灵活，响应快，精度高等特点。回转运动结构设计最主要的是对电动机、轴承和联轴器等设计。1、 步进电动机概论手臂回转运动采用步进电动机驱动，电机轴与回转轴用联轴器进行联接。步进电动机一般作为开环伺服系统的执行机

19、构，有时也用于闭环伺服系统，它是一种将脉冲电信号转换为角位移或直线位移的一种D/A转换装置。按照输出位移的不同，步进电动机可分为回转式步进电动机和直线式步进电动机。机器人中一般采用回转式步进电动机。如果把步进电动机装在机器人回转关节轴上，则接收一个电脉冲，步进电动机就带动机器人的关节轴转过一个相应的角度。步进电动机连续不断地接收脉冲，则关节轴连续不断地转动。步进电动机转过的角度与接收的脉冲数成正比。步进电动机具有下列优点：（1） 输出角度精度高，无积累误差，惯性小。步进电动机的输出精度主要由步距角来反映。所谓步距角是指步进电动机接收一个脉冲电信号其输出轴转过的角度。目前步距角一般可以做到0.0

20、020.005甚至更小。步进电动机的实际步距角与理论步距角总存在一定的误差，这误差在电动机旋转一周的时间内会逐步积累，但当电动机旋转一周后其转轴又回到初始位置，使误差回到零。（2） 输入和输出呈严格的线性关系。输出角度不受电压、电流及波形等因素的影响，取决于输入脉冲数的多少。（3） 容易实现位置、速度控制，起、停及正、反转控制方便。步进电动机的位置(输出角度)由输入脉冲数确定，其转速由输入脉冲的频率决定，正、反转(转向)由脉冲输入的顺序决定，而脉冲数、脉冲频率、脉冲顺序都可方便地由计算机输出控制。（4） 输出信号为数字信号，可以与计算机直接接口。（5） 结构简单，使用方便，可靠性好，寿命长。步

21、进电动机按照励磁方式分有反应式、永磁式和混合式。这里以反应式步进电动机为例说明其工作原理。如图3.2所示为单定子、径向分相三相反应式伺服电动机的结构原理图。与普通电动机一样，该电动机有定子和转子两部分，其中定子又分定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，其形状如图下图所示。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的N、S极。在定子的每个磁极即定子铁心上每个齿又开了5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角是9，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1

22、/3齿距。当A相磁极上的小齿与转子上的齿对齐时，B相磁极上的小齿刚好超前或滞后转子上的齿1/3齿距角，C相磁极超前或滞后2/3齿距角。1 定子绕组；2定子铁心；3转子；4A相磁通图3.2 伺服电动机结构原理图当A相绕组通电时，转子上的齿与定子AA上的小齿对齐。若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的小齿对齐，转子沿顺时针方向转过3。如果控制线路不断地按ABCA的顺序控制步进电动机绕组的通、断电，步进电动机的转子则不停地顺时针转动。若通电顺序改为ACAA，步进电动机的转子将逆时针转动。这种通电方式称为三相单三拍通电方式。通常为了得到小的步距角和较好的输出性能，用三相六拍通电方

23、式，其通电顺序为AABBBCCCAA(顺时针)和AACCCBBBAA，相应地绕组的通电状态每改变一次，转子转过1.5。步进电动机的步距角可用下式表示 （3.4）式中： 为步进电动机的步距角；为定子绕组的相数；为转子的齿数；为通电方式常数，相拍通电时=1，相2拍通电时=2。步进电动机运动系统主要由步进电动机控制器、功率放大器及步进电动机组成。硬件步进电动机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成。它的作用是把代表转速的脉冲数分配到电动机的各个绕组上，使电动机按既定的方向和转速转到相应的位置。2、 步进电动机的选择根据需要，本设计回转运动选用5相PK系列单转轴步进电动机，型号为PK564-A

24、 。5相PK系列为1转500分割（0.72/step）的高转矩低振动型步进电动机。为了适应所有的驱动方式，导线规格设计为10条导线。其实体模型如图3.3所示： 图3.3 步进电机实体图和其配套使用的还有安装底座、弹性联轴器、制振器等。步进电动机的尺寸参数如下图： 图3.4 步进电机结构尺寸图其中： L1=46.5mm，L2=69.5。步进电动机的其它规格如表3.1： 表3.1 步进电动机规格安装尺寸mm品名保持转矩 转到惯量额定电流A/相线圈电阻 /相基本步距角重量60PK564-A步进电动机的转矩转速特性如下图： 图3.5 步进电动机的转矩转速特性图3、 电机转矩校核由于所夹持工件为回转体，

25、且回转过程为匀速转动，所以不会裁成转矩。在转到过程中，只有轴承和联轴器产生的摩擦，以及手爪结构不平衡产生的力矩。由于这些转矩损失非常小，可以忽略不计，因此所选电动机满足设计要求。4、 联轴器的选择（1） 类型选择为了隔离振动与冲击，并保证较高的定位精度，选用弹性无齿隙联轴器。（2） 载荷计算从表1得知电动机公称转矩由机械设计表14-1，即表3.2，查得,故由机械设计式（14-3） （3.5）得计算转矩为 表3.2 工作情况系数K工作机 K原动机分类工作情况及举例电动机汽轮机双缸内燃机单缸内燃机1转矩变化很小，如发电机、小型离心泵1.31.82.02转矩变化小，如透平压缩机、运输机1.52.02

26、.43转矩变化中等，如搅拌机、增压机、冲床1.72.22.64转矩变化和冲击载荷中等，如织布机、拖拉机1.92.42.85转矩变化和冲击载荷较大，如造纸机，碎石机2.32.83.26转矩变化大并有极强烈冲击载荷3.13.64.0（3） 型号选择从 4324-84中查得TL1型弹性联轴器的许用转矩为,许用最大转速为8800，轴径为614mm之间，故合用。5、轴承的选择根据工作条件决定选用角接触球轴承。由于受回转体结构尺寸的限制，选择左端支撑轴承型号为7012，右端支撑轴承型号为7000。根据经验数据和估算，确定所选轴承满足设计要求。3.2.3 手臂俯仰结构设计手臂俯仰结构如图2.4所示，手臂俯仰

27、机构采用液压缸直接驱动。俯仰机构中要有控制手臂仰起角度的机构，如图3.6所示。 图3.6 手臂俯仰结构示意图当手臂仰起到一定角度时，手臂尾部将被立柱挡住而不能继续仰起，从而控制手臂俯仰范围。这种机构结构简单，灵活性好，可靠性高。手臂俯仰结构设计最主要的是对俯仰液压缸进行设计，对手臂俯仰缸的设计将在以后章节中介绍。4 液压驱动系统设计对液压系统进行设计，应该明确液压传动系统设计、计算的步骤和方法。液压系统的设计必须重视调查研究，注意借鉴别人的经验。一般来说，液压系统设计应着重解决的主要问题是满足工作部件对力和运动两方面的要求。在满足工作性能和工作可能性的前提下，应力求系统简单、经济且维护方便。具

28、体的设计步骤如下：（1） 明确设计依据，进行工况分析（2） 初步确定液压系统参数（3） 拟定液压系统原理图（4） 计算、选择或设计液压元件4.1驱动方式的选择驱动部分是机器人系统的重要组成部分，机器人的驱动方式可分为以下几类:（1） 气压驱动 使用压力通常在 0. 40. 6Mpa，最高可达 1Mpa。气压驱动主要优点是气源方便 (一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气)，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，可以在高温、粉尘等恶劣的环境中工作。气压驱动的缺点是功率质量比小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高。适用于易燃、易爆和灰尘大的场合。（2） 液压驱动

29、液压驱动系统用2-15Mpa的油液驱动机器人，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高，快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速。用电液伺服控制液体流量和运动方向时，可以使机器入的轨迹重复性提高。液压驱动的缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多用于要求输出力较大，运动速度较低的场合。（3） 电气驱动 电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动

30、效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动己经成为最普遍，应用最多的驱动方式，90年代后生产的机器人大多数采用这种驱动方式。由于机械手的回转运动驱动负载小，要求结构简单、定位精度高，所以选用了电气驱动方式。即手臂旋转采用步进电动机做执行机构。而夹紧和抬起运动要求体积小、质量比大、驱动平稳，所以选用液压驱动方式。即采用单杆液压缸对工件进行夹紧，手臂的抬起运动靠液压缸来实现。电气驱动和液压驱动相结合，使得整个系统具有结构紧凑，成本低廉，操作方便等优点，适合于小型夹持式机械手。4.2 机械手液压驱动系统的设计计算液压驱动系统的设计是整机设计的一部分，在目前液压系统的设计主要还是经验法，即使使用计算机辅助

31、设计，也是在专家的经验指导先进行的。对液压系统进行设计计算，必须明确液压系统的动作和性能要求，例如，执行元件的运动方式、行程范围、负载条件、运动的平稳性和精度、工作循环和动作周期、工作可靠性要求等。同时还要考虑到液压系统的工作环境。所以应根据实际情况和具体设计要求来对液压系统进行设计。4.2.1 夹紧缸的设计1、 计算液压缸的总机械载荷根据机构的工作情况，总机械载荷 （4.1）式中 工作载荷，已知为653N； 密封阻力； 回油背压形成的阻力。（1） 的计算 =（N） （4.2）式中 克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力（），液压缸选O型密封圈，设液压缸工作压力16，由相关设计手册查得0.3，取

32、=0.1； 进油工作腔有效作用面积（），此值属未定数值，初估为2。 启动时 = 运动时 =（2） 的计算回油背压形成的阻力按下式计算 = （4.3）式中 回油背压，一般为，取=； 无杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2，已经初估=2=4。各值代入上式 = 分析液压缸各工作阶段受力情况，得知在工进阶段受力最大，作用在活塞上的总机械载荷为 =653+10+120=783（N）2、 确定液压缸的主要尺寸和工作压力按经验数据确定系统工作压力。工作压力 （4.4）液压缸工作腔有效工作面积 因差动比为1：2，所以=2=15.6活塞直径 D=活塞杆直径 计算所得的液压缸内径和活塞杆直径应圆整为标准系列，根据8液

33、压传动与控制M表5-3及表5-4，取标准直径，则工作压力 取。在确定液压缸活塞面积之后，还要按最低进给速度验算液压缸尺寸。设液压缸有效工作面积为，则 （4.5）式中 流量阀最小稳定流量，取调速阀最小稳定流量40mL/min； 活塞最低进给速度，本设计取20mm/min； 液压缸有效工作面积。根据上面计算值，得 =又，所以 说明液压缸尺寸满足活塞最小稳定速度要求。3、 液压缸活塞宽度B的确定对于一般的液压缸，活塞宽度 B=（0.61.0）D （4.6）根据结构需要，取B=0.6D=0.625=15mm4、 活塞缸缸体壁厚的确定液压缸的壁厚可根据结构设计来确定。本设计取=3mm5、 液压缸行程的确

34、定 液压缸的行程见参考文献8液压传动与控制M表5-5活塞行程系列。根据设计需要，选。6、 液压缸的长度L的确定按经验数据并结合液压缸的其它尺寸，取液压缸的长度L=92。7、 活塞杆长度的确定活塞杆直径确定之后，还需根据液压缸的长度确定活塞杆长度。8、 液压缸的安装方式国际标准规定了单杆液压缸的安装方式，本次设计采用加长拉杆穿过安装板的安装方式进行安装。9、 液压缸的强度和刚度校核（1） 缸筒壁厚的校核由于工作压力不高，缸体内径也不大，所以不必进行强度校核。（2） 液压缸缸盖固定螺栓直径校核液压缸缸盖固定螺栓在工作过程中，同时承受拉应力和剪切应力，根据液压缸结构取螺栓直径，其螺栓直径可按下式校核

35、 （4.7）式中 K 螺栓拧紧系数，取K=1.5； F液压缸最大作用力，前面已经计算得知F=783N； Z螺栓个数，Z=4；螺栓材料的许用应力， =，螺栓材料的屈服极限；取螺栓材料为，查材料力学表2.1，即如下表4.1，得=，为安全系数，一般取=，此处取。将以上数值代入公式 成立满足要求。 表4.1 几种常用材料的主要力学性能材料名称牌号普通碳素钢Q235Q23521623525527537346149060825271921优质碳素结构钢40453333535695981916普通合金结构钢Q345Q39027434333341247151049054919211719合金结构钢204054

36、0785835980109碳素铸钢ZG018可锻铸铁KTZ450-064506()球墨铸铁QT450-1045010()灰铸铁HT150120175（3） 活塞杆强度及稳定性校核活塞杆直径可按下式校核强度 （4.8）式中 活塞杆材料的许用应力，为材料抗拉强度，取活塞杆材料为钢，由表4.1得；为安全系数，一般取1.4。 F活塞杆所受负载；将以上数值代入公式 成立满足要求。4.2.2 手臂俯仰液压缸设计1、 确定液压缸的牵引力F根据机构的工作情况，液压缸受力如图10所示。牵引力 （4.9） 图4.1 液压缸受力分析示意图其中 支撑点左端机械手手臂的重力； 支撑点右端配重块的重力； 支点支撑力。据手

37、臂材料和结构尺寸估算其重量，然后在手臂尾部加配重块，则手臂在支点支撑作用下基本上保持平衡状态，因此只需较小的牵引力就能满足设计要求。取F=200。2、 去定液压缸的结构尺寸和工作压力按经验数据确定系统工作压力。工作压力 液压缸工作腔有效工作面积 活塞直径 D=因差动比为1：2，所以活塞杆直径 计算所得的液压缸内径和活塞杆直径应圆整为标准系列，根据液压传动与控制表5-3、表5-4，取标准直径，则工作压力 取。3、 液压缸活塞宽度B的确定对于一般的液压缸，活塞宽度由式（4.6） B=（0.61.0）D根据结构需要，取B=0.6D=0.616=9.6mm4、 活塞缸缸体壁厚的确定液压缸的壁厚可根据结

38、构设计来确定。本设计取=。5、 液压缸行程的确定液压缸的行程见8液压传动与控制M表5-5活塞行程系列。根据设计需要，选。6、 液压缸的长度L的确定按经验数据并结合液压缸的其它尺寸，取液压缸的长度L=70。7、 活塞杆长度的确定活塞杆直径确定之后，还需根据液压缸的长度确定活塞杆长度。8、 液压缸的强度和刚度校核（1） 缸筒壁厚的校核由于工作压力不高，缸体内径也不大，所以不必进行强度校核。（2） 液压缸缸盖固定螺栓直径校核液压缸缸盖固定螺栓在工作过程中，同时承受拉应力和剪切应力，根据液压缸结构取螺栓直径，其螺栓直径可按式（4.7）校核 式中 K 螺栓拧紧系数，取K=1.5； F液压缸最大作用力，前

39、面已经计算得知F=200N； Z螺栓个数，Z=4；螺栓材料的许用应力， =，螺栓材料的屈服极限；取螺栓材料为，查表4.1得=，为安全系数，一般取=，此处取。将以上数值代入公式 成立满足要求。（3） 活塞杆强度及稳定性校核活塞杆直径可按式（4.8）校核强度 式中 活塞杆材料的许用应力，为材料抗拉强度，取活塞杆材料为钢，由表4.1查得；为安全系数，一般取。 F活塞杆所受负载；将以上数值代入公式 成立满足要求。4.3液压系统原理图的拟定4.3.1 夹紧系统原理图的拟定如图4.2所示，此夹紧过程通过液压缸直接驱动。当电磁铁1DT得电时，压力油通过换向阀左位进入液压缸有杆腔，液压缸将驱动末端执行器对工件

40、进行夹紧，当电磁铁1DT失电，而电磁铁2DT得电时，压力油通过换向阀右位进入无杆腔，驱动液压缸松开工件。 图4.2 夹紧系统原理图4.3.2 俯仰系统原理图的拟定如图4.3所示，当电磁铁3DT得电时，压力油通过换向阀左位进入液压缸无杆腔，液压缸将驱动手臂仰起，当电磁铁3DT失电，而电磁铁4DT得电时，压力油通过换向阀右位进入无杆腔，液压缸将驱动手臂俯下。 图4.3 俯仰系统原理图4.3.3 系统合成如图4.4所示，机械手运动部分由压力油直接驱动。油泵采用限压式变量叶片泵。系统的工作压力用溢流阀来调节，各油缸的运动速度用节流阀来调节。机械手夹紧运动和手臂俯仰运动，采用适时切换油路节流减速缓冲。各电磁换向阀电磁铁动作情况如表4.2所示。 表4.2 电磁换向阀电磁铁动作情况分析表 电磁铁序号动作名称1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT机械手夹紧工件 - - - -+ - -机械手松开工件 - - - - -+ -机械手夹紧工件节流缓冲 -+ - -+ - -机械手松开工件节流缓冲 -+ - - -+ -机械手手臂仰起 - -+ - - -机械手手臂下俯 - - -+ - - -机械手手臂仰起节流缓冲+ -+ - - - -机械手手臂俯下节流缓冲+ - -+ - - -液压系统卸荷 - - - - - -+