机械毕业设计（论文）关节型机械手设计【全套图纸】.doc

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1、第一章 绪论机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。全套图纸，加1538937061.1 研究目的及意义工业机械手具有许多人类无法比

2、拟的优点，满足了社会化大生产的需要，其主要优点如下：1.能代替人从事危险、有害的操作。只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。工伤事故多的工种，如冲压、压铸、热处理、锻造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中，应推广工业机械手或机器人。2.能长时间工作，不怕疲劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。人在连续工作几小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护、检修，即能胜任长时间的单调重复劳动。3.动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避

3、免人为的操作错误。4.机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好，能较好地适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。5.机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。由于机械手在工业自动化和信息化中发挥了以上巨大的作用，世界各国都很重视工业机械手的应用和发展，机械手的应用在我过还属于起步阶段，就显示出了许多的无法替代的优点，展现了广阔的应用前景。近十几年来，机械手的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。1.2机械手的国内外发展状况世界工业机器人继续保持快速增长态势。据国际机器人联盟（IFR）2006年5月发布的“2006世界机器人调查”显示，2005年世界新安装工业机器人

4、121000台，比2004年的97000台增长25%。这是继2003年工业机器人安装数量重回增长态势后的重大突破，2005年也成为近15年来世界工业机器人新安装台数最多的年份，比上一个峰值2000年的99000台增长22000台。图1： 1991-2005年各年世界新安装工业机器人台数据国际机器人联盟统计局预测，截至2005年底，全世界在运行中的工业机器人共有914000台，比2004年增加8%。其中，有50%来源于亚洲地区；欧洲和美洲分别占1/3和16%；而澳大利亚和非洲地区大概占1%的比例。 图2：2005年亚洲地区各主要行业对工业机器人需求比例分布图资料来源：World Robotics

5、 2006 1954年，美国的D.C戴沃尔(George C.Devol)提出一个关于工业机器人的技术方案，随后注册成为专利。1960年推出了工业机器人的实验样机。1961年定名为 Unimate的第一台工业机器人，用于模铸生产。与此同时，美国AMF公司也推出了一台数控自动通用机电装置，商品名为”VersaEran，并以“Industrial Robot为商品广告投入市场。随后，工业机器人开始在美国工业生产中得到了大力发展和广泛应用。厄恩斯特1962年介绍了带有传感器的计算机控制机械手的研究情况，麦卡锡于1958年和他在人工智能实验室的同事报告了有手、眼和耳(即机械手、电视摄像机和拟音器)的机

6、器人开发情况。皮泊也在1968年研究了计算机控制的机械手的运动问题。这时，其它国家(特别是日本)也开始认识到工业机器人的潜力。日本是机器人发展最快、应用最多的国家，日本的丰田、川崎、安川以及FUNAC等公司自1967年起，开始引进或自主开发工业机器人技术。到80年代，工业机器人在日本工业中被厂泛应用。据报到，到1984年底，安川公司的MOTOMAN系列机器人的累计台数到1993年已处于世界首位。日本已拥有工业机器人六万七千台，数量占世界首位。苏联从六、七十年代开始开发应用机器人，1963年成功的研究出第一台焊接机器人，1972年研制成功监控式具有传感器的机器人，并用于海洋考察。到1975年，苏

7、联己初步打下了设计和制造机器人的基础。此外好多国家都有活跃的研究机构，进行了大量的研究，取得了很大的成果。诸如瑞典、德国、意大利等，也都在大力发展工业机器人的研究开发和生产技术，并己拥有了各自的名牌产品。国内的机器人研究开发工作始于70年代初，到现在已经历了20多年的历程。前10年处于基层的自发状态，发展比较缓慢。后10年国家有关部门开始重视，发展比较快。特别“七五”期间国家纪委在工业机器人方面安排两件重大举措示范工程中心，后来斥资5800万元在沈阳建立机器人“机器人技术国家工程研究中心”和“智能机器人中心”;其二是组织了有高校、机械工业部及科学院参加的关于工业机器人的科技攻关，才取得了明显的

8、进步。在机器人技术方面:诸如机器人机构学、动力学分析与综合的研究、机器人的控制算法及机器人汇编语言的研究、机器人内、外部传感器的研究开发、具有多传感器控制系统的研究、离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得了一些可喜的成果，并获得了一些应用。在机器人的单元技术和基础元部件的开发方面:诸如直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压、气动元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品，但这些元部件距批量使用还有一段距离。在机器人控制装置的研制方面：已开发出具有双CPU、多LPU和分级分层控制的机器人控制装置多台，主计算机的档

9、次也逐渐生级。机器人手己开发出点焊、弧焊、喷涂、搬运、装配等多种型号。此外还开发了一些特种机器人，如AGV移动机器人、水下机器人、移动遥控机器人、主从机器人等，多数己达到实用化水平。有关机器人的周边设备，如与机器人配用的焊机、焊钳及焊接控制器、走丝机构、喷涂设备以及其他执行机构等，有的已形成产品，有的根据作业任务的需要而单独设计应用。机器人的应用工程方面:目前国内己建立了多条弧焊机器人生产线、装配机器人生产线、喷涂生产线和焊装生产线，这些基本上为摩托车或汽车制造业而建立的。 在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人，约占全球已安装台数的0.4。产生以上差距，有关专家认为主要是我国没有形成机器人

10、产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本较多，而且质量、可靠性不稳定。近年来我国的机器人自动化技术也取得了长足的发展，但是与世界发达国家相比，还有一定的差距，如可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。我国目前从事机器人研发和应用工程的单位相对较少，工业机器人的拥有量远远不能满足需求量，长期大量依靠从国外引进。 机器人倒水处理危险品1.3 工业机械手的技术发展方向国内外实际上使用的定位控制的机械手，没有“视角”和“触角”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视角”和“

11、触角”的工业机械手，使它能对所抓取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确的在机器中定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法：一是检测把握物体手臂的变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物件的滑动位移，来修正握力。 因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能： 1、能准确地抓住方位变化的物体 2、能判断对象的重量 3、能自动避开障碍物 4、抓空或抓力不足时能检测出来 这种具有

12、感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能机械手，它是具有发展前途的。 现在，工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效用是代替人从事繁重的工作和危险的工作，在恶劣环境下尤其明显。至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门，机械手的应用情况决不能说是很好的。虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序。其原因之一是，工业机械手的性能还不满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小。另外，经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而，利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只

13、要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将会飞跃发展。1.4 本课题研究内容 要求本设计能较鲜明地体现机电一体化的设计构思。所谓机电一体，是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。尽管机电一体化的产品名目繁多，并由于它们的功能不同而有不同的形式和复杂程度，但做功的机械本体部分（包括动力装置）和微点自控制部分（包括信息处理）是最基本的、必不可少的要素化。本设计要求完成以下工作：1、 拟定整体方案，特别是控制方式与机械本体的有机结合的设计方案。2、 根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部和臂部的结构。3、 各部件的设计计算。4、 机械

14、手工作装配图的设计与绘制。5、 液压系统图的设计与绘制。6、 编写设计计算说明书。第二章 机械手的总体设计2.1 工业机械手的组成工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成的，各部关系如图2.1所示。图2.1 机械手的组成2.1.1 执行机构1.手部 即直接与工件接触的部分，由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径

15、变化范围大的工件。吸附式手部分为空气负压吸盘和电磁吸盘两种。空气负压吸盘对所吸附的工件的材质不限，但要求工件表面较平整。空气负压吸盘按形成负压的方法分为挤气式，气流负压喷嘴式，真空泵式。电磁吸盘结构简单，但仅适用吸附磁性工件，并应注意被吸附的工件有剩余磁性的问题。电磁吸盘按结构形式分为固定式和转动式。由于被夹持工件是圆柱形，故把机械手的手部结构使用夹持式手部。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。除此之外，也还可用负压式或真空式的空气吸盘（它主要用于吸取冷

16、的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传动机构一般是回转型或平移型(为回转型，因其结构简单）。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。其传力结构形式比较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、丝杠螺母式、重力式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。2.腕部 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位（即姿态），以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。它可以有上下摆动，左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。如有

17、特殊要求（将轴类零件放在顶尖上，将筒类、盘类零件卡在卡盘上等），手腕还可以有一个小距离的横移。也有的工业机械手没有腕部自由度。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液（气）压缸，它的结构紧凑，灵巧，但回转角度小（一般小于 270）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。3.臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物体，并按预定要求将其搬到预定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，

18、以实现手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下: 手臂运动基本运动复合运动直线运动与回转运动的组合(即螺旋运动)两直线运动的组合(即平面运动)回转运动:如水平回转、左右摆动运动直线运动:如伸缩、升降、横移运动两回转运动的组合(即空间曲面运动)。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。手臂有三个自由度，可采用直角坐标（前后、上下、左右都是直线）

19、,圆柱坐标（前后、上下直线往复运动和左右旋转），球坐标（前后伸缩、上下摆动和左右旋转）和多关节（手臂能任意伸屈）四种方式。直角坐标占空间大，工作范围小，惯性大，其优点是结构简单、刚度高，在自由度较少时使用。圆柱坐标占空间较小，工作范围较大，但惯性也大，且不能抓取底面物体。球坐标式和多关节式占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体，多关节还可以绕障碍物选择途径，但多关节式结构复杂，所以也不常用。2.1.2 驱动机构有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。液动式的出力大，臂力

20、可达 1000N 以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在 1mm 范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。2.1.3 控制系统有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁带磁盘、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特征。2.2 关节型机械手的主要技术参数1.抓重：300N2.自由度：4个3.坐标形式：圆柱坐标4.手臂运动参数运动名称符号行程范围速度伸缩X400mm小于250mm/s升 降Z300mm小于70

21、mm/s回转0210小于90 ()/s5.手腕参数运动名称符号行程范围速度回转0180小于90 ()/s6.手指夹持范围：棒料，直径5070mm，长度4501200mm7.定位方式：电位器设定，点位控制8.驱动方式：液压（中、低压系统）9.定位精度：3mm10.控制方式：可编程控制2.3 圆柱坐标式机械手运动简图经过考虑，本设计的机械手设计成如下简图形式：图2.2 圆柱坐标式机械手第三章 关节型机械手机械系统设计3.1 手部手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构多种多样，大部分的手部结构是根据特定

22、的工件要求而定的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。 根据设计要求，这里只讨论夹钳式的手部结构。 夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件。一般情况下，多采用两个手指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或放松。 平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适于夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。但这种手指结构比较复杂、体积大，要求加工精度高。根据设计要求，工件是圆盘，

23、所以采用回转型手指，其张开和闭合靠手指根部（以枢轴支点为中心）的回转运动来完成。枢轴支点为一个的，称为单支点回转型；为两个支点的，称为双支点回转型。这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位误差。本设计要求抓取棒料，故采用夹钳式手部。3.1.1 夹紧力的计算手指加在工件上的夹紧力，是计算手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用力进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以及工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算：式中K安全系数，通常取1.22.0; K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可

24、近似按下式估算K2=1+其中a运载工件时重力方向的最大上升速度； g重力加速度，g 9.8m/s;a=运载工件时重力方向的最大上升速度； t系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取。一般取0.030.5s。 K方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。G被抓工件所受重力（N）。3.1.2夹紧缸驱动力计算如图是液压夹紧装置。手爪壳和缸壳连成一体，当压力油从液压缸右边油管进油时，活塞杆向左移动，推动手爪闭合；当压力油从液压缸左边进油时，拉动手爪张开。缸的拉力（或推力）（N）为：式中 D活塞直径（）;活塞杆直径（）;驱动压力（）。图3.1 液压缸驱动装置3.1.3 两支点回转型手指

25、的夹持误差分析与计算机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免差生手指夹持的定位误差，必须选用合理的手部机构参数，从而使夹持误差控制在较小的范围内。图3.2 两支点回转型手指若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有：对于两支点回转型手爪（尤其当a值较大时），偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的BE和BE边平行，抓不着工件。为了避免上述情况，通常按手爪抓取工

26、件的平均半径，以BCD=90为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即为：a）工件平均半径取手指为2倍的工件平均半径=2=230mm=60mm取V型夹钳的夹角2=120，取a=12mm则a）=67.83计算=60=19.61mm =|=|57.09-54.60|=2.49mm因为题目要求定位精度为3mm,所以设计满足要求。设计结果：a=12mm=60mm2=120=aa 24=55.56mm3.1.4 紧缸的计算1、设=1.5，=1.05，工件垂直方向的移动速度为0.07，机械手达到最高速度的响应时间为0.5S，=45，则=1+=1+=1.01=1.51.011.053=477.23N 2、驱动力

27、计算 2209.57N3、取=0.85=2599.49N 4、确定液压缸直径D 选取活塞杆直径d=0.5D，压力油工作压力p=30D=0.038m根据液压缸内径系列（JB108667）选取液压缸内径为：D=40mm则活塞杆直径为：d=400.5=20mm3.2 腕部手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是再臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度。一般手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动即可满足工作要求。目前，应用最广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度较小（一般小于

28、 270o），并且要求严格密封，否则就很难保证稳定的输出扭矩。因此，在要求较大或转角的情况下，采用齿条齿轮传动或链轮以及轮系结构。3.2.1 腕部设计的基本要求1、力求结构紧凑、重量轻腕部处于臂部的最前端，它连同手部的精、动载荷均由臂部承受。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。2、综合考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，有承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求以及具有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局。如应解决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题。

29、3、必须考虑工条件对于高温作业和腐蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计是应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀、压力油的粘度恶化燃点，有关材料及电控元件的耐热性等）。根据以上几点，结合设计要求，设计出腕部的结构如图 3-2。其为典型腕部结构中具有一个自由度的回转缸驱动的腕部结构。直接用回转液压（气）缸驱动实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛采用。图3.3用一个回转液压缸实现腕部旋转的结构1回转液压缸 2手爪驱动液压缸 3左进油管4手部油管 5右进油管 6固定叶片 7回转轴 8回转叶片 9缸体图3.3所示的为腕部结构，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从 B-B剖视图上

30、可以看出，回转叶片（简称动片）用螺钉、销钉和转轴 7 连接在一起，定片 6则和缸体 9 连接。压力油分别由油孔 3、5 进出油腔，实现手部的旋转。旋转角的极限值由动片、定片之间允许回转的角度来决定（一般小于 270），图示液压缸可以回转90。图示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个油管。通向手部驱动液压缸的油管是从回转缸壁通过，然后通过一个环槽结构包围手部夹紧缸，腕部回转时，不论在哪个方位油路仍可保证畅通，这种布置可使油管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管（一根供手部油管，两根供腕部回转液压缸）由手臂内通过并经腕部回转缸壁分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。3.2.2 腕部

31、回转力矩的计算腕部回转时，需要克服以下几种阻力。1、腕部回转支承处的摩擦力矩 一般为了简化计算，取=0.1阻力矩2、克服由于工件重心偏置所需的力矩=式中 e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）。3、克服启动惯性所需的力矩启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度及启动所用时间，按下式计算或者根据腕部角速度 及启动过程转过的角度启按下式：式中J工件 工件对手腕回转轴线的转动惯量（Nm）；J 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量（Nm）； 手腕回转过程的角速度（1/s）；t启 启动过程中所需时间（s），一般取 0.05-0.3s； 启动过程所转过的角度（rad）。手腕回转所需的驱动力矩相当于上

32、述三项之和。如果手腕回转部分的转动惯量（ J+）不是很大时，手腕启动过程所产生的惯性力矩也不大，为了简化计算可以将计算力矩、适当放大，而省略掉 ，这时)具体计算过程如下设：（1）手爪、手爪驱动液压缸及回转液压缸转动件为一个等效圆柱体，高为30cm,直径为20cm,其所受重力为G=400N。 （2）摩擦阻力矩=0.1 （3）启动过程所转过的角度=15=0.262rad,等速转动角速度=90=1.571求 =0.204 Nm=4.362 Nm代入 21.506Nm=0.1=21.506 Nm3.2.3 手腕回转缸的设计计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力距，为了使该机械手具有更好的通用性

33、，以及与相应的机构尺寸相吻合，设回转的基本尺寸如下：回转缸内径 D=40mm输出轴与动片连接处的直径d=10mm动片宽度b=45mm回转液压缸的工作压力p=3M 因为，所以是符合要求的。3.3 臂部手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。 臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。 臂部的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因此，它的结构、工作范

34、围、灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。由本机械手的总体设计可知该臂部分三部分：回转缸、伸缩缸和俯仰摆动液压缸。回转缸实现的是手臂旋转，伸缩缸实现的是手臂升降，俯仰缸实现的是手臂的俯仰。3.3.1 手臂伸缩液压缸3.3.1.1 伸缩液压缸的结构设计经过整体考虑，手臂作直线运动的部分设计为双导向杆手臂伸缩机构，其图如下：图3.4 双导向杆手臂伸缩机构1缸盖 2导向杆 3活塞 4缸体 5活塞杆 6导向套从图中可较清楚地看到手臂伸缩液压缸的结构；导向杆 2 在导向套内移动，以防手臂伸缩时的转动（小臂回转，手腕回转和手爪夹紧液压缸用的输油管道安装在其内）。由于手臂的伸缩缸安装在两根

35、导向杆之间，由导向管承受弯曲作用，活塞杆只受轴向的拉力和压力，故大大减少了活塞杆的受力，使传动平稳。3.3.1.2 手臂伸缩液压缸的设计计算3.3.1.2.1作水平伸缩直线运动液压缸的驱动力式中 摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力。 密封装置处的摩擦阻力。 液压缸回油腔低压油液所造成的阻力。 启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。1）的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。 图3.5 水平移动液压缸受力图图3.5为双导向杆导向，其导向杆截面形状为圆柱面，导向杆对称配置在伸缩缸的两侧，启动时，导向装置的摩

36、擦阻力较大，计算如下：由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。得 =0得 =式中 参与运动的零部件所受的总重力（含工作重力）（N）； L手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支承前端的距离（m）; a导向支承的长度（m）； 当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。对于圆柱面：=（1.271.57）摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时；钢对青铜：取=0.10.5钢对铸铁：取=0.180.3取=0.2，设手爪、手爪驱动液压缸及回转液压缸所受重力为G=400N，手臂伸缩液压缸所受重力为G=150N，则=400+150+300=850N，L=50mm，a=100mm，则=0.21.3

37、850(=442N2）的计算 不断密封圈其摩擦阻力不同，此处选用“Y”形密封圈。=pdl式中 摩擦系数，=0.060.08 P密封处的工作压力（）； d密封处的直径（m） l沿轴向的密封长度，相当于唇部的宽度（m）。根据活塞杆的直径选“Y”形密封圈型号为B16407ACM，内径为16mm，唇部宽度为7mm，设密封处工作压力为2.5，则=pdl=0.072.50.0160.007=61.58N3）的计算 一般背压阻力较小，可按=0.05p,此处忽略不计。4）的计算0.7式中 参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）（N）； g重力加速度，取9.8m/; 由静止加速到常速的变化量（m/s）；

38、启动过程时间（s），一般取0.010.5s。已知=0.07m/s，取=0.5s=12.14N手臂作水平直线运动液压缸的驱动力为=12.14+442+61.58+0=515.72N3.3.1.2.2 手臂作升降运动的液压缸驱动力G式中 摩擦阻力，如下图所示。=2f，取f=0.16 G零部件及工件所受总重力。 其他阻力的计算与上相同，省略。注意，须按h0.32计算不自锁的条件。图3.6 手臂各部件重心位置图3.3.1.3 伸缩液压缸的结构尺寸3.3.1.3.1 液压缸内径的计算图3.7双作用液压缸示意图如图3.7所示，当油进入无杆腔当油进入有杆腔液压缸的有效面积：固有 （无杆腔） （有杆腔）式中

39、F驱动力（N）； 液压缸的工作压力（）； d活塞杆直径（m）；D液压缸内径（m）；液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取=0.95。由总体设计知，手臂在收缩是液压油进入的有杆腔，取=0.95，则 由于前面的手部和腕部的液压缸内径都选的是40mm，为了使该机械手具有更好的通用性，这里也取D=40mm。3.3.1.3.2液压缸壁厚计算初选壁厚=5mm，则：因为163.2时属于中等壁厚，所以该壁厚属于中等壁厚，计算公式为：式中 液压缸内工作压力（）； 强度系数（当为无缝钢管时=1）； C让管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值；D液压缸内径（m）。该钢臂为无缝钢管，则=0.001mm所以

40、选取的壁厚满足条件。取标准液压缸外径为50mm，则壁厚为5mm。3.3.1.3.3 塞杆的计算 活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求。对于杆长l大于直径d的15倍（即l15d）的活塞杆还必须具有足够的稳定性。按强度条件决定活塞杆直径d0.002m所以d=16mm是满足要求的。活塞杆的稳定性校核 当活塞杆l15d时，一般应进行稳定性校核。因为此处活塞杆长度为200mm，直径为16mm，200/1615，所以这里不用进行活塞杆的稳定性校核。3.3.1.3.4 螺钉的计算为了保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距，查表知，间距应小于100mm，设螺钉数目为4个。表3.1 间距与压力

41、p的关系工作压力（）螺钉间距（mm）0.11.51501.52.51202.55.01005.010.080在这种连接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷和预紧力之和式中 =F驱动力（N）Z螺钉数目p工作压力（）预紧力=K K1.51.8D危险剖面直径（m）螺钉的强度条件为式中计算载荷（N）；抗拉许用应力（单位为）n=1.22.5螺纹内径（mm）螺钉材料屈服极限设螺钉的材料为45号钢，查得=360，经过计算得4.4mm，取螺钉型号为M5。表3.2螺钉材料的屈服极限钢号10Q215Q235354540Cr2102202403203606509003.3.2手臂回转液压缸3.3.2.1手臂

42、回转液压缸结构设计经考虑，手臂回转液压缸设计成如下形式：图3.8 手臂回转液压缸1缸体 2键 3动片 4左油孔 5定片 6右油孔图3.8所示的手臂结构，采用一个回转液压缸实现旋转运动。从 A-A剖视图上可以看出，回转叶片（简称动片）用键 2 和转轴连接在一起，定片 5 和缸体 1用销钉和螺钉连接。压力油分别由油孔 4、6 进出油腔，实现手部的旋转。旋转角的极限值由动片、定片之间允许回转的角度来决定（一般小于 270）。3.3.2.2手臂回转时所需的驱动力矩手臂回转时，需要克服以下几种阻力：1、回转处的摩擦阻力，一般为了简化计算，取=0.12、启动惯性所需的力矩式中手臂回转部分对轴线的转动惯量（

43、Nm） 工件对回转轴线处的转动惯量（Nm） 手臂回转过程的角速度（1/s） 启动过程所转过的角度（rad）具体计算过程如下：设：手爪、手爪驱动液压缸、手腕回转液压缸以及手臂伸缩液压缸等效为一个圆柱体，高40cm，直径为20cm，其所受重力为550N； 摩擦阻力矩=0.1； 启动过程所转过的角度=18=0.314rad，等速转动角速度=90/s=1.57转动惯量计算为：在手腕部分已算过，（Nm）代入：=0.13.3.2.3手臂回转液压缸的设计计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力距，为了使该机械手具有更好的通用性，以及与相应的机构尺寸相吻合，设回转的基本尺寸如下：回转缸内径 D=40mm

44、输出轴与动片连接处的直径d=10mm动片宽度b=45mm回转液压缸的工作压力p=3M 因为，所以是符合要求的。3.3.2.4缸盖螺钉的计算由于在计算手臂伸缩液压缸过程中已经行过缸盖螺钉的计算，此处的计算与上面相同，故不再赘述。第四章 机械手的液压驱动系统液压系统自 60 年代初到现在，已自机械手中获得广泛应用。它的优点是：动力大、力（或力矩）惯性比大、快速响应高、易于实现直接驱动等。液压系统在机械手中所起的作用是通过电液转换元件把控制信号进行功率放大，对液压动力机构进行方向、位置和速度的控制，进而控制机械手的手臂按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动液压缸。用于实现手臂的伸缩升降以及手腕、手臂的回转。4.1 程序控制机械手的液压系统这类机械手属于非伺服控制机械手，在只有简单搬运动作业功能的机械手中，常常采用简单的逻辑控制装置或编程控制，对机械手实现有限位的控制。这类机械手