毕业设计自动上下料机械手设计.pdf

中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 1 中国石油大学（北京）现代远程教育中国石油大学（北京）现代远程教育 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 机械设计制造及其自动化方向机械设计制造及其自动化方向 自动上下料机械手设计 姓 名： 学 号： 性 别： 男 专 业: 机械设计制造及其自动化 批 次： 0809 层 次： 专升本 电子邮箱： 联系方式： 学习中心： 指导教师： 2011 年 4 月 22 日 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 2 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 .4 1.1 工业机械手概况 .4 1.2 工业机械手的分类 .4 1.3 工业机械手的发展趋势.5 1.4 本章小结.6 第二章第二章 工业机械手的设计方案工业机械手的设计方案 .7 2.1 工业机械手的组成 7 2.2 规格参数 8 2.3 设计路线与方案 8 2.4 本章小结 9 第三章第三章 机械手各部分的计算与分析机械手各部分的计算与分析 .10 3.1 手部计算与分析 .10 3.1.1 输入输出力的比率分析 .10 3.2 腕部计算与分析 13 3.2.1 腕部设计的基本要求 .13 3.2.2 腕部回转力矩的计算 13 3.2.3 腕部摆动油缸设计 .16 3.2.4 选键并校核强度 .17 3.3 臂部计算与分析 .18 3.3.1 臂部设计的基本要求 18 3.3.2 手臂的设计计算 20 3.4 机身计算与分析 .28 3.5 本章小结 .28 第四章第四章 液压系统液压系统 .29 4.1 液压缸 29 4.2 计算和选择液压元件 31 4.2.1 液压泵的选取要求及其具体选取 .31 4.2.2 选择液压控制阀的原则 .33 4.2.3 选择液压辅助元件的要求 .33 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 3 4.2.4 具体选择液压原件 .33 4.3 本章小结 34 第五章第五章 液压缸的保养与维修液压缸的保养与维修36 5.1 液压元件的安装 .36 5.2 液压系统的一般使用与维护.36 5.3 一般技术安全事项.36 第六章第六章 机械手控制系统机械手控制系统 37 结论结论 .38 参考文献参考文献 .39 致谢致谢 .40 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 4 第 1 章 绪 论 1.1 工业机械手概况 工业机械手是人类创造的一种机器,机械手首先是从美国开始研制的，1958年 美国联合控制公司研制出第一台机械手。工业机械手是一种模仿人体上肢的部分功 能，按照预定要求输送工作或握持工具进行操作的自动化技术装备。机械手可以在 空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。工 业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，技术复杂程度也有很大 差别。但他们都有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程 序，自动地、重复循环地进行工作。实践证明：工业机械手可以代替人手的繁重劳 动， 显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。 工业生产中经常出现笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作，采用机械手是有 效的；此外，他能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件 下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。 1.2 工业机械手的分类 1、按用途分可分为专用机械手和通用机械手 （1）专业机械手 是指附属于主机，动作程序固定，一般没有独立控制系统，只制作专门用途的 自动抓取或操作装置。 （2）通用机械手（国外泛称工业机械人） 是指程序可变的、独立的、自动化的抓取或操作装置。通用工作机械手工作范 围大、 定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。 2、按驱动方式可分为液压、气压、机械、电力传动机械手 （1）液压传动机械手 是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：抓重可达几百 公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄 露对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。 （2）气压传动机械手 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 5 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是介质来源极 方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是由于空气具有可压缩的特性，工作 速度的稳定性较差，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，适用于高速、 轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 （3）机械传动机械手 即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。 它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特 点是运动准确可靠、动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于为工 作主机的上、下料。 （4）电力传动机械手 即由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动 的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。 3、按控制方式分 （1）点位控制 它的运动分为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不 能控制其远动轨迹。 （2）连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过 程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统 复杂。 1.3 工业机械手机械手的发展趋势 1、扩大机械手在热加工行业上的应用 因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带 来不少困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手更好地为热加工作业服务。 2、提高工业机械手的性能 机械手的工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性 能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作 任务的关键因素。因此要解决好机械手的工作平稳性和快速性的要求，除了从解决 缓冲定位措施入手外，还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀，将伺服控 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 6 制系统应用于机械手上。 3、发展组合式机械手 为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的结构化设计成可以组合的型 式。组合式机械手是将一些通用部件根据作业要求，选择必要的能完成预定机能的 单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特 殊要求的机械手。它便于标准化，系列化设计和组织专业化生产，有利于提高机械 手的质量和降低造价。 4、研制具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机器人” 对于需用人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合机械手很难代替人的 劳动。因此，人们对机械手提出了更高的要求，希望具有“视觉”和“触觉”的功 能，使之对物件进行判断、选择，并能进行“手眼”协调工作。具有感觉功能 的机器人，其工作性能是比较完善的，能够准确夹持任一方位的物件，判断物件重 量，越过障碍物进行工作，自动测出夹紧力大小，并能自动调节，适用于从事复杂、 精密的操作。 随着工业机械手工作性能不断提高，应用范围不断扩大，通用化、系列化、标准 化工作进一步开展，工业机械手必将在工业生产中大量推广应用。 1.4 本章小结 本章介绍了工业机械手的概括，工业机械手的分类、发展趋势。工业机械手在 国民生产中有广泛的应用，许多机械设备都用到工业机械手，它是近代自动控制领 域内出现的一种新型的技术装备。 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 7 第2章 工业机械手的设计方案 2.1 工业机械手的组成 机械手的组成一般包括执行系统、驱动系统和控制系统等部分组成。细分则 可列为以下数项： 1、手部（或称抓取机构） 包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。 2、传送机构（或称臂部） 包括手腕、手臂等，主要起改变物件方位和位置的作用。 3、驱动部分 是驱动前两部分的动力，因此也成动力源，常用的有液压、气压、电力和机械 式驱动四种形式。液压驱动系统是由油缸、阀、油阀和油箱等组成；气压驱动系统 是由气缸、气阀、空压机（或由空气压缩机站直接提供）和储气罐等组成；电机驱 动系统是由一些电动机、专用电动机等组成。 4、控制部分 是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序） 、位置和时间（甚 至速度与加速度）等。一般包括程序控制部分和行程检测反馈部分。 5、其它部分 如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等： （1）机体（也称机身） 是用以支承和连接其他零件、部件的基础件。 （2）行走机构 是为了扩大机械手的使用空间而设置的。而本身又包括动力源、传动（减速） 机构、滚轮或连杆机构等。 （3）行程检测装置 是监测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。 （4）传感装置 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 8 其中装有某种传感器，是手指具有敏感性和自控性，用以反应手指与物件是否 接触、物件有无滑下或脱落、物件的方位是否正确、手指对物件的握紧力是否与物 件的重量相适应等。 2.2 规格参数 工业机械手的技术参数，是说明机械手规格和性能的具体指标。 1、抓重（或臂力） 抓重是机械手所能抓取或搬运物件的最大重量，它是机械手规格中的主要参 数。抓重以 10 公斤左右的机械手为数最多。一般将抓重 1 公斤以下的定为微型； 15 公斤的定为小型；530 公斤的定位中型；30 公斤以上的定为大型。机械手抓重 的大小对其他参数如行程范围、运动速度、坐标型式和缓冲装置的设计均有影响， 因此，设计时必须予以重视。 2、自由度数和坐标型式 机械手的自由度数和坐标型式的选择，应根据机械手现场具体的生产情况和工 艺的要求而定。 3、运动速度 运动速度是机械手主要参数之一，它反映了机械手的生产水平，很多机械手由 于速度低限制了它的适用范围。 4、行程范围 机械手的手臂运动行程大小与机械手的抓重大小、坐标型式、驱动方式以及使 用性能有关系，一般对于通用机械手的手臂回转应尽可能的大些使机械手具有一定 的通用性，因此一般地手臂回转行程范围应大于 180 度；手臂伸缩行程大多数在 5001000 毫米范围内选取。 2.3 设计路线与方案 2.3.1 设计步骤 1.查阅相关资料； 2.确定研究技术路线与方案构思； 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 9 3.结构和运动学分析； 4.根据所给技术参数进行计算； 5.按所给规格，范围，性能进行分析，强度和运动学校核； 6.绘制工作装配图草图； 7.绘制总图及零件图等； 8.总结问题进行分析和解决。 2.3.2 研究方法和措施 使用现在机械设计方法和液压传动技术进行设计，采用关节式坐标（四个自由 度，可以绕横，纵轴转动和上下左右摆动）。 2.4 本章小结 本章介绍了工业机械手的组成、规格参数、设计路线等内容，这种设计的机械 手组成全面，配置合理，能达到一定的使用要求。 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 10 第3章 机械手各部分的计算与分析 3.1 手部计算与分析 手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主 要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。 夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置三部分组成，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，一般情况下可采用两个手指。 手部的主要功用是当工件在传送过程中抓取和释放工件，当手指牢固地抓紧工件 时 ，可把整个系统当做静止状态看待，这时就可以用传统的静力分析方法来确定 各种力的关系及大小，从而保证机器人可靠地工作。 3.1.1输入 输出力的比率分析 手部的主要功用是当工件在传送过程中抓取和释放工件，当手指牢固地抓紧工件时 ，可 把整个系统当做静止状态看待， 这时就可以用传统的静力分析方法来确定各种力的关系及大小， 从而保证机器人可靠地工作。现以实例说明手部输入- 输出力的确定，如图c 点的力平衡方 程式为： f23= f56= r p sin2 其中：p驱动力(输入力) f23、 f56分别为杠杆 2 作用在杠杆 3 和杠杆 5 作用在杠杆 6 上的力。 由 a（a）点力矩平衡方程式可求的抓取力（输出力） ： 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 11 f= f23 1 2h h = f56 1 2h h = r p sin2 1 2h h 一般取 r p sin2 46， 即 rarcsin( 8 1 12 1 )447711 上述分析说明这类杠杆机构的最大优点就是过死点位置时产生自锁作用。上述方法 还不是一种简便而直观的方法，最直观而又有效的方法就是虚功原理。现以实例来 分析，如图根据虚功原理我们可得方程式： 2 1 pv1=fvc1 其中：v0=va=l；v1=r 而杠杆 2 的角速度，r扇形齿轮的节圆半径，la 点至固定铰 链点 or的距离。 vc的垂直分量 vc1为： vc1= vccos=locos 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 12 将 vm=r和 vc1= locos代入 2 1 pv1=fvc中可以求得输入输出力的比率 为： = f p = r 2l cos 另一实例瞬时中心确定在o3,由于o1o1o3o2o4o3 则 d l = c lh + 即 l hl = d dc 再根据平衡条件得： pp- fbr=0 即 pb2 fa1=0 由图所示的几何关系可得： lb1= l2 即2= l h 1= d dc 1 整理可得 c = f p = )(dcb ad 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 13 同样可求出其它不同手部的输入 一输出的比率0 。 3.2 腕部计算与分析 3.2.1 腕部设计的基本要求 手腕部件置于手部和臂部之间，它的作用主要是在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，适应性更强。手腕具有独 立的自由度，此设计手腕有绕x轴转动和沿x轴左右摆动两个自由度。手腕回转运动 机构为回转油缸，摆动也采用回转油缸。他的结构紧凑，灵活，自由度符合设计要 求，它要求严格密封才能保证稳定的输出转矩。 1.腕部处于臂部的前端，它连同手部的动静载荷均由臂部承受。腕部的结构、 重量和动力载荷直接影响着臂部的结构、重量和运动性能。因此在腕部设计时，必 须力求结构紧凑，重量轻。 2.腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支承作用，除了保证力和运动的 要求以及具有足够的强度和刚度外还应综合考虑合理布局腕部和手部的连接、腕部 自由度的检测和位置检测、管线布置以及润滑、维修调整等问题。 3.腕部设计应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀，压力油的粘度和燃 点，有关材料及电控电测元件的耐热性等问题）。 3.2.2 腕部回转力矩的计算 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m摩 从图3.4可知：m摩() 1122 2 f r dr d+()kgfm 12 d d -轴承直径（m） 式中： 12 r r 轴承处支反力()kgfm；可静力学平衡方程求得。 f-轴承的摩擦系数，对于滚动轴承f=0.010.02: 为简化计算取m摩0.1m= 总阻力矩 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 14 图3.4 腕部回转支承处的受力图 1 g -工件重量（kgf）， 2 g -手部重量（kgf）， 3 g 手腕转动件重量（kgf） 2.克服由于 1 g 重心偏置所引起的力矩m偏 m偏 1 ge （kgf） 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m惯 启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角加速度 及启动所用的角速度 起： m惯() 2 0.0175 2 jj + 工件 (3.8) 式中： j工件工件对手腕回转轴线的转动惯量( ) 2 kgfms j手腕回转部分对手腕回转轴线的转动惯量( ) 2 kgfms 手腕回转过程的角加速( ) 度 秒 启动过程所转过的角度（度） 手腕回转所需要的驱动力矩应当等于上述三项之和。 mmmm=+ 总偏摩惯 (3.9) 因为手腕回转部分的转动惯量()j+j工件不是很大，手腕起动过程所产生的转动 力矩也不大，为了简化计算，可以将计算m偏，m摩适当放大，而省略掉m惯，这 时()m1.1 mm=+ 总偏摩 (1)设手指，手指驱动油缸及回转油缸转动件为一个等效圆柱体，l=50cm，直 径d=10cm，则m=27.5kg。 (2)摩擦阻力矩m摩0.1m总阻力矩 (3)设起动过程所转过的角度起20o,等速转动角速度100 s = 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 15 计算：求m偏() 2 0.0175 2 jj + 工件 查型钢表有： () 22 1 0.034 2 jmrkgfms= ()() 222 1 36.028 12 jm lrkgfms=+= 工件 代入m惯256（nm） m偏0;m摩0.1m总阻力矩;m摩0.1m总阻力矩+265 m=() 265 294.4 kg 0.9 m= 确定转轴的最小尺寸 3 0.2 t wd=， t w 抗扭剖面模量 3 3 294.4 10 0.2 t t d =，查得 60 a t mp= 3 t 0.2 m d 驱 ，15dmm，取转轴直径d=40mm。 4.回转油缸所产生的驱动力矩计算 回转油缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩m总，机械手的手腕回转运动 所采用的单叶片回转油缸， 定片 1 与缸体 2 固连， 动片 3 与转轴 5 固连， 当 a,b 口分别进出油时，动片带动转轴回转达到手腕回转目的。 m= 22 r - r ) 2 p b （ m总 (3.10) 式中：m总手腕回转总的阻力矩（nm） p回转油缸的工作压力 r缸体内径半径（cm） r输出轴半径（cm） b动片宽度 注：可按外形要求或安装空间大小，先设定 b,r,r 中两个： d d =1.52.5, 2b 2 d- d ,取 d d =2， 2b d- d =3 又因为 d=40mm，则 d=80mm，b=60mm 去顶回转油缸工作压力： 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 16 22 2 () m p b rr = 总2 22 2 294.4 8.01(kg/) 6 (84 ) cm = (3.11) 由于系统工作压力远远大于此压力，因此回转油缸的工作压力足以克服摩擦 力。 3.2.3 腕部摆动油缸设计 mmmm=+ 摩偏惯 偏离重心 e 的计算及m偏 图 3.5 腕部摆动油缸设计尺寸图 估计 l=45cm， 12 16,45,5ecm ecm rcm=，29.7kmg= 杆 12 ()/emememm=+ 杆件杆件 =30cm 克服重心偏置所需的力矩16.41()mg ekgf m= 偏 克服摩擦所需力矩m摩 m摩=0.1cm 克服运动惯性所需的力矩m惯 j杆= 222 1 (3)/12m lrme+=0.7654(kg-m- 2 s ) j件= 2 2 me =25 2 0.45 =5.1(kg-m- 2 s ) 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 17 j总=5.8654(kg-m- 2 s ) m惯=jw/t 设 w= 0 50 /s ,20o= 起 m惯=0.0175 j总 2 w /起=12.83(kgfm) 则摆动所需的驱动力矩 mmmm=+ 摩偏惯 =32.14(kgfm) 确定转轴的最小直径 / t tmwtt 驱 抗拒剖面摸量 33 () 16 t wdmm = 所需驱动力矩 3 16 30 m dmm = 驱 t (3.12) 取 d=50mm 所以机械手的摆动采用单叶片回转油缸，定片与缸体固连，动片与转轴固连， 当两油口分别进出油时，动片带动转轴转动达到腕部摆动目的。 22 () 2 p b rr mm = 总 (3.13) 又因为： d d =1.52.5, 2b 2 d- d ，取 d d =2， 2b dd =3 所以：d=50mm，所以 d=100mm，b=75mm 确定回转油缸工作压力 2 22 2 10.58/ () m pkg cm b rr = 总 (3.14) 由于系统工作压力远远大于此压力，因此该缸的工作压力足以克服摩擦力。 3.2.4 选键并校核强度 转轴直径 d=40mm,由 gb1095-79 选键为 bh=128 转轴直径 d=50mm,由 gb1095-79 选键为 bh=2010 键校核如下公式 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 18 p =2t 3 10 /kld p ，k接触面的高度 0.40.4 83.2 32.24 0.40.4 104 13.208 pap pp hmm mp khmm = = = = = 取接方式：静连接，轻微冲击，查得 p =100 a p 所以满足要求 3.3 臂部计算与分析 3.3.1 臂部设计的基本要求 手臂部件是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作） ， 并带动它们作空间转动。 臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。因此，臂部具有两个自 由度才能满足基本要求：即手臂，左右回转和俯仰运动。手臂的各种运动由油缸驱 动和各种传动机构来实现，从背部的受力情况分析，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。因而，它的结构，工 作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。 机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。臂部 要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求： 1.机械手臂式机身的承载 机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。显 然， 伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度逾差，而且其刚度随支臂杆的伸缩不断变化， 对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。为可提高刚度，尽量缩 短臂杆的悬伸长度，还应注意： (1)根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸 臂部和机身既受弯曲（而且不仅是一个方向的弯曲）也受扭转，应选用抗弯和 抗扭刚度较高的截面形状。所以机械手常用工字钢或槽钢作为支撑板，这样既提高 了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置， 传动机构以及管道，有利于结构的紧凑，外形整齐。 (2)高支承刚度和选择支承间的距离 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 19 臂部和机身的变形量不仅与本身刚度有关，而且同支撑的刚度和支撑件间距离 有很大关系，要提高刚度，除从支座的结构形状，底板的刚度以及支座与底版的连 接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。 (3)合理布置作用力的位置和方向 在结构设计时，应结合具体受力情况，设法使各作用力的变形相互抵消。 (1)设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构简单， 要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理，确定调整补偿环节，以及减少重要不 见的间隙，从而提高刚度。 (2)水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精 度，使导向杆承受部分或者大部分自重。 (3)提高活塞和刚体内径配合精度，以提高手臂俯仰的刚度。 2.臂部运动速度要高，惯性要小 机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般 时根据生产节拍的要求来决定。在一般情况，手臂回转俯仰均要求均速运动， （v 和 w 为常数） ，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动 时间的加速度和终止前的加速度不能太大，否则引起冲击和振动。 对于告诉运动的机械手，其最大移动速度设计在 10001500mm/s，最大回转角 速度设计在180 / o s 内，在大部分行程距离上平均移动速度为 1000mm/s 内，平均回 转角速度为90 / o s 内。 为减少转动惯量的措施： (1)减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料。 (2)减少手臂运动件的尺寸轮廓。 (3)减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸） ， 尽可能在前伸位置下进行回转动作，并且驱动系统中设有缓冲装置。 3.手臂动作应灵活 为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滑动摩擦代替滑动摩擦。 对于悬臂式的机械手，其传动件，导向件和定位件布置应合理，使手臂运动过 程尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生“卡死”的现 象（自锁现象） 。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。 (1)计算零件重量，可分解为规则的体形进行计算。 (2)计算零件重心位置，求出重心至回转轴线的距离。 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 20 (3)求重心位置并计算偏重力臂 n 21 i= ? + =gggggg =+ 总爪腕 臂 (3.15) 2222 2 2 n 11 i= n i i= g g gggg gggg x + = + = 爪腕臂 爪腕臂 (3.16) (4)计算偏重力矩 n 11 i= gmgx = 总偏 (3.17) 4.位置精度要高 一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度教高；关节式机械手的位置最难 控制，精度差；在手册上加设定位装置和自检测机构，能较好的控制位置精度，检 测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动，啮合件的间隙。 除此之外，要求机械手同用性要好，能适合做种作业的要求；工艺性要好，便 于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热，冷却；用于作业区粉尘大的 机械手，还要设置防尘装置等。 3.3.2 手臂的设计计算 通常先进行粗略的估算，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，在进行 校核计算，修正设计。 为了便于进行液压机械手的设计计算，分别俯仰缸回转油缸的设计叙述如下： 1.小臂设计 设小臂 l=40cm,d=60cm 则 m= 223 0.050.4 7 1022r lpkg= = 则手臂总重 f mm mm=+ 总回杆 ，l=100mm m= 回 223 0.050.1 7 10r lp= =0.79kg 2229 70.7952.49mkg=+= 总 . 俯仰缸的设计计算 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 21 图 3.6 仰俯缸的设计尺寸图 设76amm=，76bmm=，176cmm= 当手臂处在仰角为 1 的位置 1 oa 时，驱动力 p 通过连杆机构产生的驱动力矩为 11 cos()mpb=+ 驱 因为 11 1 11 adbc tg o do d =， 又因为 111 11 76cos607615 cos60511 7676sin6041 oo o adbcboamm o dcabmm = =+=+= 1 tg = 2.5 43 ， 1 =15o， 11 cos()mpb=+ 驱 而 p= 2 4 d ppp 封背 p油缸的工作压力（ 2 /kg cm ） d油缸内径（cm） p 封活塞缸与缸径，活塞杆与端差的密封装置处的摩擦阻力（kg） p 背通油箱，p背=0 10590.3kg 取 =10600kg m= 驱 106000.8 cos(3.360)+=60356.601kgcm 当手臂处在俯角为 2 的位置 2 oa 时，驱动力 p 通过连杆机构产生的驱动力 22 pbcosm= 驱 （） 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 22 因为： 22 21 a ea e o eocec = 2 tg 2222 cos2.9a eb cobocb= 1 occ= 222 sineca bb= 所以 1 2 2 2 cos 15 sin o b atg cb = 则cos(1530)95050.76? o mpbkg cm= 驱 当手臂处在水平位置即oa =为驱动力矩时 cos(1530)95050.76? o mpbkg cm= 驱 因为mmmm=+ 驱惯偏摩 由于手臂与支柱连轴有振动轴承，摩擦力矩较小m摩=0 所以mmm= 驱惯偏 验证油缸是否满足要求，满足上仰条件，出于 1 时 1 sin m p cb = + 驱 -1 1 1 bcos bcos(tg+) (3.18) = 1 60.356 0.15 cos600.05 0.15 cos(60 ) 0.30.15 sin60 o o o tg + + =1134kgf 选取 d d =0.7，所以1 a pmp= 226 6 44 11340.4910 10 pdpd d p + = (3.19) 2 6 4 1134 0.51 10 d = d=0.053m 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 23 整理得到 d=63mm，则 d=45mm。 液压缸壁和外径计算 2 y p d (3.20) 1.5 63 5 2 60 mm = 1a 1.51.5 y ppmp= 高强度铸铁， =60 a p 1 26632 573ddmm+=+ = 液压缸为平底缸差，其厚度 t 按强度要求计算 无孔时 2 0.433 1.5 0.433 631.67 60 y p td mm = (3.21) 取 t=3mm 液压缸工作行程的确定 由 1122 aba bs+= 则 s=16mm 则由表 2-6 中的系列尺寸查得（液压系统设计手册） s=25cm 则活塞杆 l=30cm 活塞杆的稳定性校核，活塞杆由 45 钢制成。 杆长 300mm，d=45mm 最大压力 p=1134n 设稳定安全系数为89 st sn =，350280210 sapaa mpmp egp= 由式（10.9）求出 229 1 6 210 10 86 28 10 p e = (3.22) 活塞杆两端可简化为铰支座，故1 = ，活塞杆横截面为圆形 i= 4 d 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 24 故为 3 3 4 300 10 26.7 45 10 l i = ，因为 1 所以满足要求。 2.油缸端盖的连接方式及强度计算 为保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距 1 t ，进而决定螺钉的数目。 缸的一端为缸体与缸盖铸造成一体，另一端缸体与缸盖采用螺钉连接。 (1)缸盖螺钉的计算 为保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距 1 t ，进而决定螺钉的数目 在这种连接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力 0 q 为工作载荷 q 和预进力 o q 之和。 0ss =+ 式中： 2 0 4 367.95 d p p kgf zz = p驱动力 kgf p工作压力 kgf/ 2 cm z螺钉数目，取 8 s 预紧力 kgf s =k，k=1.5-1.8 螺钉的强度条件为： 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 25 2 1 22 11 1.34 1690/ 4 o q kgfcm dd = 合 1 1 4 q d 式中： 1 q =1.3 o 计算载荷（kgf） 表 3-1 螺钉间距 1 t 与压力 p 的关系 工作压力 1 p（ 2 /kgfcm） 螺钉间距 1 t（mm） 515 2 100 / o ws= (4.1) (3)手腕摆动缸 3 1 321.4() 3 2 128.3() 3 nm t m t 3 50 / o ws= (4)手臂回转缸 4 d =160mm 4 d =80mm 4 b =120mm 4 1 1711() 3 4 1176() 3 nm t m t 4 40 / o ws= 注意：忽略角加速度和角减速度的影响 (5)手臂仰俯活塞缸： 5 d =63mm， 5 d =45mm 5 1334(0.05) 1134(0.55) n t f n t v=5cm/s 3.估算流量 (1)夹紧缸： 1 8.673.0120.5 /min 4 ql =。 (2)手腕回转缸： 22 2 3 () 62.74 /min 400 b ddw ql = (3)手腕摆动缸： 22 3 ()/858.4 /minqb ddwl= (4)手臂回转缸： 22 4 ()/8129.6 /minqb ddwl= 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 31 (5)手臂仰俯活塞缸： 22 5 56.31562 /min 44 qvdl = = 42 计算和选择液压元件 4.2.1 液压泵的选取要求及其具体选取 （1）计算液压泵的工作压力 泵的工作压力是所有液压缸中工作压力最大者与管道压力损失之和。即： maxsi ppp=+ p 管道和各类阀的全部压力损失之和。 可先估计，一般取：p =（58） 5 10 a p （2）计算液压泵的流量 maxpi qkq，式中：k泄露折算系数，一般，k=1.11.5 （3）选择液压泵的规格 参照设计手册或产品样本，选取其额定压力比 s p 高 25%60%，其流量与上述 计算一致的液压泵。 （4）计算功率，选用电动机 按工况图，找出所有缸 n-t 图中最高功率点的 max n对应的 s p （计算值）和泵额 定流量的乘积，然后除以泵的总效率 p sp p p q n = 电 (4.2) 确定液压泵的流量压力和选择泵的规格，泵的工作压力的确定。考虑到正常工 作中进油路有一定的压力损失，所以，泵的工作压力为： pi ppp=+ p p 液压泵的最高工作压力； i p 执行元件的最高工作压力 p 进油管路中的压力损失，初算时，简单系统可取 0.20.5 a mp ， p =0.5 a mp ， p p =4.5+0.5=5 a mp 上述计算所得的 p p 是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡，阶段出现的 动态压力往往超过静态压力。另外考虑到，一定的压力储备量并确保泵的寿命，因 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 32 此选泵的额定压力 n p 应满足(1.25 1.6) np pp 1.251.25 56.25 npa ppmp= 泵流量的确定。液压泵的最大流量应为： max () pl qkq= ， p q 液压泵的最大流量 max ()q 同时工作的各执行元件所需流量之和的最大值。如果这时溢流阀正进行 工作，尚需加溢流阀的最小溢流量 23l/min l k 系统泄漏系数，一般取 l k =1.1-1.3，现取 l k =1.2 p q1.2 8096 /minl= 选择液压泵的规格。根据以上算得 p p 和 p q ，再查阅有关手册，现选用 yb-80bi 双联叶片泵，该泵的基本参数为：每转排量：10194ml/r;泵的额定压力 n p =10.5 a mp ；电动机转速1500 /min b nr=；容积效率0.85 r =；总效率0.7 =。 与液压泵匹配的电动机的选定。首先分别计算出不同工况时的功率，取它们之 间的最大值作为选取电动机规格的依据。由于在速度较小时，泵输出的流量减小， 泵的效率急剧下降，一般当流量在 0.21l/min 范围内时，可取=0.030.14。同 时，应注意到，为了使所选择的电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时，不 致停车，需进行验算，即 2 np np pq p q (4.3) 泵的工作压力：p=245.25 2 /n cm () 1.57 w c nq hh nkk yy + = 电 k余量系数，取 k=1.05 q泵出油量 h 油头 h主管损失油头 y 泵的功率 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 33 c y 传动效率直接传递为 1 选电机： 100 14,2.2k,1430ylnw nrpm= 4.2.2 选择液压控制阀的原则 按控制阀的额定流量大于系统最高工作压力和通过该阀的最大流量原则 4.2.3 选择液压辅助元件的要求 (1)滤油器 按泵的最大流量选取流量略大些的滤油器，滤油精度在为100 m网式或线段式 滤油器即可。 (2)油管和管接头的通径与阀一致来选取。 (3)油箱容积 q=50qp 注意：qp 单位若为 l/min 时，v 的单位为 3 ()dm qp 单位若为 3 /minm时，v 的单位为 3 m 4.2.4 具体选择液压元件 （1）换向回路的选择 紧缸换向选用二位三通阀，其他缸全部选用 b 型的三位四通电磁换向阀。选用 b 型电磁阀便于微机控制，选中位为 o 型是使定位准确。 （2）调速方案的选择 本系统是功率较小的，故选简单的进油路节流阀调速。 （3）缓冲回路的选择 选用二位三通阀加入油路，便于微机控制，提高自动化程度。 (4)系统的安全可靠性的选择 为防止伸缩缸在仰起一定角度后的自由下滑，都采用单向顺序阀来平衡。 为保证夹紧缸夹持工件的可靠性选用液控单向阀保压和锁紧。 液压元件的选择 单向压力补偿调速阀：qi-63b，qi-130b，qi-23b 单向阀：i-25 减压阀：i-10 单向顺序阀：xi-160b 二位三通电磁阀：23d-10b，23d-50b，23d-100b 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 34 二位四通电磁阀：24d-25b，34dy-63b，34s-160b 线隙式滤油器：xu-b327-75 xu-1337-50 压力表：y-60 确定管道尺寸时本系统主油路流量 q=160l/min，压油管的允许流速为 v=4m/s， 则内径 d=4.6/q v =4.6 160/4 =29mm 夹紧油路 d=11mm 手腕回转油路 d=18mm 手腕摆动油路 d=18mm 手腕回转油路 d=26mm 手腕仰俯油路 d=28mm 液压油箱的设计： 液压油箱的作用是储存液压油，分离液压油中的杂质和空气，同时起到分散的 作用。 1.液压油箱有效容积的确定 液压油箱在不同的工作条件下，影响散热的条件很多，通常按压力范围来 考虑。液压油箱的有效容量 v 可概略地确定为： 在中低压系统中（p6.3 a mp） ，可取 v=（57） p q 。 式中：v液压油箱有效容量； p q 液压泵额定流量 v=3 p q =696=576，故 v=576l 应当注意：设备停止运转后，设备中的那部分会因重力作用而流回液压油箱。 为了防止液压油从油箱中溢出，油箱中液压油位不能太高，一般不应超过液压油箱 高度的 2.液压油箱的外形尺寸 液压油箱的有效容积确定或，需设计液压油箱的外形尺寸，一般尺寸比（长： 宽：高）为：1：1：11：2：3 为提高冷却效率，在安装位置不受限制时，可将液压油箱的容量予以增大。 根据油箱有效容量可选 bex630。 4.3 本章小结本章小结 本章介绍了机械手液