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机械手关节结构设计及运动学仿真分析,机械手,关节,结构设计,运动学,仿真,分析
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毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文）题目：机械手关节结构设计及运动学仿真分析（英文）：Manipulator joint structure design and kinematics simulation analysis院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 机械手关节结构设计及运动学仿真分析机械手关节结构设计及运动学仿真分析摘摘 要要本课题为机械手关节结构设计及运动学仿真分析。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。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，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的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，它能在高温、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本课题通过应用 AutoCAD 技术对机械手进行结构设计和液压传动原理设计，运用 Solidworks 技术对机械手进行三维实体造型，并进行了运动仿真，使其能将基本的运动更具体的展现在人们面前。它能实行自动上料运动；在安装工件时，将工件送入卡盘中的夹紧运动等。上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。本文重点解决的问题结构设计及仿真。本课题中主要内容是：（1）设计机械手关节结构；（2）关节结构的参数设计；（3）用仿真软件进行运动过程模拟分析以此来改善结构设计，直到得出满意的结果为止；（4）绘制总装图和零件图；目标：满足机械手关节结构的设计要求。关键词关键词：结构设计；参数设计；运动学仿真Manipulator joint structure design and kinematics simulation analysisABSTRACTThe topic for the manipulator joint structure design and kinematics simulation analysis. Industrial machinery hand is the inevitable product of industrial production,it is a copy of the upper part of the human body functions, in accordance with a predetermined transfer request or the workpiece hold the tools to operate the equipment automation technology, to achieve industrial production automation, the promotion of industrial production of the further development plays an important role in. So they have strong vitality of the people by the extensive attention and welcome. Practice has proved, the industrial robot can replace the staff of the heavy labor, significantly reduced labor intensity of workers, improve working conditions, improve labor productivity and the level of automation. Industrial production often appears in the bulky workpiece handling and frequent long-term, monotonous operation, a mechanical hand to be effective. In addition, it can be in high temperature, low temperature, water, the universe, radioactive and other toxic, pollution of the environment under the conditions of operation, but also show its superiority, there are broad development prospects.This topic through the application of AutoCAD technology on the manipulator structure design and hydraulic transmission principle of design, the use of Solidworks technology mechanical hand for3D solid modeling, and carried on the movement simulation, which can be the basic motion more specific show in front of people. It can carry out the automatic feeding movement; in the installation of the workpiece, the workpiece to the chuck clamping movement. On the manipulator movement speed is to meet productivity requirement to set up.This paper focuses on the problem - the structure design and simulation.In this paper the main content is:(1) design of mechanical hand joint structure;(2) joint structure parameter design;(3) using simulation software in motion process simulation analysis in order to improve the structure design, until satisfactory results are obtained；(4) drawing assembly drawing and parts drawing；Target：Meet the mechanical hand joint structure design requirement. 2-4Key words：Structure design；parameter design；kinematics simulation目录目录第一章 绪论 .11.1 研究机械手的意义 .11.2 工业机器人概述.11.3 机器人的历史与现状.41.4 机器人发展趋势.5第 2 章机械手关节结构形式设计 .72.1 机械手的要求与原始始据.72.1.1 原始数据及资料 .72.1.2 料槽形式及分析动作要求 .72.2 机械手的基本结构.82.3 机械手结构设计.92.3.1 机身机座的设计.92.3.2 手部结构设计 .112.3.3 腕部结构设计.142.3.4 臂伸缩的机构设计 .162.4 本章小结.18第 3 章 机械手关节参数设计 .193.1 参数设计优点 .193.2 机座结构参数设计 .193.3 伸缩臂参数设计.213.3.1 工作负载 R 和工作压力 P.213.3.2 工作速度和速比的确定 .223.3.3 液压缸缸筒内径 D 和活塞杆直径 d 的确定 .223.3.4 液压缸的计算 .233.3.5 液压缸稳定性和活塞杆强度校核 .243.3.6 连接零件的强度计算 .273.3.7 腕部回转缸的计算 .283.4 手部参数设计.303.5 本章小结.33第四章 液压系统原理设计及草图 .344.1 手部抓取缸.344.2 腕部摆动液压回路.344.3 小臂伸缩缸液压回路.354.4 总体原理图 .364.5 本章小结.37第五章机械手关节的模拟仿真 .385.1 仿真内容 .385.2 仿真方法 .385.3 机械手关节的运动学分析.395.3.1 机械手手部夹紧的运动仿真运动仿真及分析 .395.3.2 机械手腕部转动的运动仿真 .395.3.3 机械手臂部的运动仿真分析 .395.3.4 机械手的整体的运动仿真分析 .405.4 本章小结 .40第六章全文总结 .41参考文献 .42致谢 .44附录 .450第一章第一章 绪论绪论1.11.1 研究机械手的意义研究机械手的意义机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人门劳动强度，甚至危及生命。机械手就是在这种条件下诞生的，机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有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力大的特点，因此获得日益广泛的应用。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。1.21.2 工业机器人概述工业机器人概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人” （Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人） 。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把机械手关节结构设计及运动学仿真分析1具有2上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator） 。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand” ，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特 点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。机械手关节结构设计及运动学仿真分析3执行机构机器人控制系统驱动-传动系统手部腕部臂部腰部基座部（固定或移动）电、液或气驱动装置单关节伺服控制器关节协调及其它信息交换计算机图 1-1 机器人的一般组成对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛” ，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图 1-2 所示。位形检测控制系统（二）驱动传动装置执行机构工作对象智能系统控制系统（一）图 1-2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。41.31.3 机器人的历史与现状机器人的历史与现状机器人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器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。 第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议 ISIR 决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的） 、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。 在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究机械手关节结构设计及运动学仿真分析5人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在 EPROM 中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：（1）1963-1967 年为试验定型阶段。1963-1966 年， 万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967 年，该公司生产的工业机器人定型为 1900 型。（2）1968-1970 年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业机器人；1969 年该公司又自行研制出 SAM 新工业机器人，并用 21 组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司 32 条冲压自动线上的 448 台冲床都用工业机器人传递工件。（3）1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972 年，工业机器人处于技术发展阶段。1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约 200 台工业机器人，工作时间共达 60 万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制 50 台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由 25 台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从 1967，1968 年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967 年，日本丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate” ，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约 10 年的实用化时期以后，从 1980 年开始进入广泛的普及时代。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。61.41.4 机器人发展趋势机器人发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。5-9机械手关节结构设计及运动学仿真分析7第第 2 2 章机械手关节结构形式设计章机械手关节结构形式设计2.12.1 机械手的要求与原始始据机械手的要求与原始始据2.1.12.1.1 原始数据及资料原始数据及资料（1 1）原始数据：）原始数据：a、自由度（四个自由度）臂转动 180臂上下运动 500mm臂伸长（收缩）500mm手部转动 180（2 2）技术要求）技术要求主要参数的确定：a、坐标形式：直角坐标系b、臂的运动行程：伸缩运动 500mm，回转运动 180。c、运动速度：使生产率满足生产纲领的要求即可。d、控制方式：起止设定位置。e、定位精度：0.5mm。f、手指握力：392Ng、驱动方式：液压驱动。2.1.22.1.2 料槽形式及分析动作要求料槽形式及分析动作要求（1 1）动作要求分析如图）动作要求分析如图 2.12.1 所示所示动作一：送 料动作二：预夹紧8动作三：手臂上升动作四：手臂旋转动作五：小臂伸长动作六：手腕旋转图 2.1 要求分析2.22.2 机械手的基本结构机械手的基本结构本课题所设计的机械手的结构如图 2- -2 所示。机械手关节结构设计及运动学仿真分析9注：1. 机座 2.手部 3. 螺杆 4. 手臂 5. 手腕图 2-2 机械手的结构机械手主要由起固定支撑作用的机架、机械臂和手部三部分组成。机械手能够实现 4 个自由度（由于机构运动确定，因此机构的自由度等于机构的原动件数目，此机构有 4 个原动件，因此可得有 4 个自由度）的运动。其中手臂的升降利用减速箱带动螺柱的运动，以此来驱动手臂的升降。手臂的伸缩和手部的抓取用液压驱动。腕部的运动利用电机的转动来实现。最前端的手部抓取物品，通过各关节的转动，使物品在空间上运动，根据合理的控制，最终实现机械手的动作要求。2.32.3 机械手结构设计机械手结构设计2.3.12.3.1 机身机座的设计机身机座的设计 接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂，机身既可以是固定式的，也可以是行走式的。臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手的总体布局。本课题机械手的机身设计成机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。1 1 电机的选择电机的选择机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。（1）带动臂部升降的电机：10初选上升速度 V=100mm/s P=6KW所以 n=（100/6）60=1000 转/分10选择 Y90S-4 型电机，属于笼型异步电动机。采用 B 级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为 I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为 380V，额定功率为 50HZ。如表 2-1 Y90S-4 电动机技术数据所示表表 2-1 Y90S-4Y90S-4 电动机技术数据电动机技术数据满载时堵转电流堵转转矩最大转矩型号额定功率 KW电流A转速r/min效率%功率因素额定电流额定转矩额定转矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.2（2）带动机身回转的电机：10初选转速 W=60/s n=1/6 转/秒=10 转/分由于齿轮 i=3减速器 i=30所以 n=10330=900 转/分选择 Y90L-6 型笼型异步电动机电动机采用 B 级绝缘。外壳防护等级为 IP44，冷却方式为 I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为 380V，额定功率为 50HZ。如表 2-2 Y90L-6 电动机技术数据所示表表 2-2Y90L-6 电动机技术数据电动机技术数据满载时堵转电流堵转转矩最大转矩型号额定功率 KW电流 A转速r/min效率%功率因素额定电流额定转矩额定转矩机械手关节结构设计及运动学仿真分析11Y90L-61.13.291073.50.726.02.02.02 2 减速器的选择减速器的选择减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。用来降低转速和增加转矩，以满足工作需要。11初选 WD80 型圆柱蜗杆减速器。WD 为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。蜗杆的材料为 38siMnMo 调质蜗轮的材料为 ZQA19-4中心矩 a=80mmMsq=4.011 （2.1）传动比 I=30惯量 0.26510kgm2.3.22.3.2 手部手部结构设计结构设计一、对手部设计的要求一、对手部设计的要求1、有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。2、有足够的开闭范围夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图 2-3 所示。12图 2-3 机械手开闭示例简图3、力求结构简单，重量轻，体积小手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。4、手指应有一定的强度和刚度因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。二、拉紧装置原理二、拉紧装置原理如图 2-4 所示【12】：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。机械手关节结构设计及运动学仿真分析13图 2-4 油缸示意图1、右腔推力为FP=（4）DP （2.1）=（4） 0.5 25 10=4908.7N2、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：F1=（2ba） （cos）N （2.2） 其中 N=4 98N=392N，带入公式 2.2 得：F1=（2ba） （cos）N =(2 150/50) （cos30） 392 =1764N则实际加紧力为 F1实际=PK1K2/ （2.3） =1764 1.5 1.1/0.85=3424N经圆整 F1=3500N3、计算手部活塞杆行程长 L,即L=（D/2）tg （2.4） =25tg30 =23.1mm经圆整取 l=25mm4、确定“V”型钳爪的 L、。14取 L/Rcp=3 （2.5）式中： Rcp=P/4=200/4=50 （2.6）由公式（2.5） （2.6）得：L=3Rcp=150mm取“V”型钳口的夹角 2=120，则偏转角 按最佳偏转角来确定，查表得：=22395、机械运动范围（速度）【1】（1）伸缩运动 Vmax=500mm/sVmin=50mm/s（2）上升运动 Vmax=500mm/sVmin=40mm/s（3）下降 Vmax=800mm/sVmin=80mm/s（4）回转 Wmax=90/sWmin=30/s所以取手部驱动活塞速度 V=60mm/s 6、手部右腔流量Q=sv （2.7）=60r=603.1425=1177.5mm/s7、手部工作压强P= F1/S （2.8） =3500/1962.5=1.78Mpa2.3.32.3.3 腕部结构设计腕部结构设计腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个自由度的回机械手关节结构设计及运动学仿真分析15转缸驱动的腕部结构。要求：回转90 角速度 W=45/s以最大负荷计算：当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重 10kg，长度 l=650mm。如图 2-5 所示。1、计算扭矩 M113设重力集中于离手指中心 200mm 处，即扭矩 M1 为：M1=FS （2.9）=109.80.2=19.6（NM） F S F 图 2-5 腕部受力简图2、油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩 M24F=5kg S=10cm带入公式 2.9 得M2=FS=59.80.1 =4.9（NM） 3、摆动缸的摩擦力矩 M 摩4F 摩=300（N） （估算值）S=20mm （估算值）M 摩=F 摩S=6（NM）4、摆动缸的总摩擦力矩 M14M=M1+M2+M 摩 （2.10） 工件16 =30.5（NM） 5.由公式T=Pb（A1-mm）106/8 （2.11）其中： b叶片密度，这里取 b=30mm；A1摆动缸内径, 这里取 A1=100mm；mm转轴直径, 这里取 mm=30mm所以代入（2.11）公式P=8T/b（A1-mm）106=830.5/0.03（0.1-0.03）106=0.89Mpa又因为W=8Q/（A1-mm）b所以 Q=W（A1-mm）b/8 =（/4） （0.1-0.03）0.03/8 =0.2710-4m/s =27ml/s2.3.42.3.4 臂伸缩的机构设计臂伸缩的机构设计手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。 机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。本设计的手臂液压缸采用常闭式弹簧收缩，松开时，用单作用式液压缸。手臂的伸缩速度为 200m/s，行程 L=500mm1、手臂右腔流量，公式（2.7）得：【14】Q=sv =20040机械手关节结构设计及运动学仿真分析17 =1004800mm/s =0.1/10m/s =1000ml/s2、手臂右腔工作压力，公式（2.8） 得：14 P=F/S （2.12）式中：F取工件重和手臂活动部件总重，估算 F=10+20=30kg， F 摩=1000N。所以代入公式（2.12）得： P=（F+ F 摩）/S =（309.8+1000）/40 =0.26Mpa 表表 2-3 机构工作参数表机构工作参数表机构名称工作速度行程工作压力流量手部抓紧60mm/s25mm1.78Mpa117.8m/s腕部回转45/s900.89Mpa27m/s小臂伸缩200m/s500mm0.26Mpa1000ml/s4、由初步计算选液压泵14所需液压最高压力 P=1.78Mpa所需液压最大流量 Q=1000ml/s选取 CB-D 型液压泵（齿轮泵）此泵工作压力为 10Mpa，转速为 1800r/min，工作流量 Q 在 3270ml/r 之间，可以满足需要。5、验算腕部摆动缸：T=PD（A1-mm）m106/8 （2.13）W=8v/（A1-mm）b （2.14）式中：m机械效率取： 0.850.9v容积效率取： 0.70.95所以代入公式（2.13）得：18T=0.890.03（0.1-0.03）0.85106/8 =25.8（NM）TM=30.5（NM）代入公式（2.14）得：W=（82710-6）0.85/（0.1-0.03）0.03 =0.673rad/sW20速比1.331.46 ；22由上表可得本设计中的速比为： 331.3.3.33.3.3 液压缸缸筒内径液压缸缸筒内径 D D 和活塞杆直径和活塞杆直径 d d 的确定的确定a、液压缸缸筒内径 D 可按下式计算得：mmMPa.PRD62.7926. 0143129444机械手关节结构设计及运动学仿真分析23式中：，NR1294MPaP26. 0由下表可知： 表表 3.33.3 液压缸内径液压缸内径 D D 系列（系列（GB/T2348-1993GB/T2348-1993）810121620253240506380100125160200250320400取液压缸缸筒内径为：mmD80b、活塞杆直径 d 可按下式计算得：mm.Dd8 .398033113311表表 3.43.4 活塞杠直径活塞杠直径 d d 系列（系列（T2348-1993T2348-1993）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360由上表可查活塞杆直径为：mmd363.3.43.3.4 液压缸的计算液压缸的计算根据标准液压缸外径系列表选择，为了尽可能满足要求，由下表可选取液压缸外径为 ，即伸缩液压缸的壁厚为 19mmD952Dmm5 . 7表表 3.53.5 标准液压缸外径系列表（标准液压缸外径系列表（JB1068JB10686767）液压缸内径40506380901001101251401501601802002420 钢MPaP1605060769510812113316814618019421924545 钢MPaP20050607695108121133168146180194219245缸底参数计算及校核A、缸底材料：选择材料选用 35 号钢，其抗拉强度查表得Mpa540bmm.PD.y7 . 410851805050B、缸底厚度： mm53.3.53.3.5 液压缸稳定性和活塞杆强度校核液压缸稳定性和活塞杆强度校核A、 油缸稳定性的计算因为油缸的工作行程较大，则在油缸活塞杆全部伸出时，计算油缸受最大作用力压缩时油缸的稳定性。16假设油缸的活塞杆的推力为 F，油缸稳定的极限应力为，则油缸稳定性的条件kF为。kFF 按下式得到： kF121JJFFkk式中：可先算出和的值从下表查出相对应的值，然后再计算的值。1JFk12ll12JJkF机械手关节结构设计及运动学仿真分析25图 3.1时临界力的计算图512JJ ， 64411dJ 644412DDJ式中：为活塞杆直径 、为缸体外径、为缸体内径。1d1DD其中 824066436143644411.dJ 198657164809514364444412.DDJ所以 取9 . 482406198657112JJ512JJ26其中： 、为长度、上的断面惯性矩2J1J2l1l图 3.2 液压缸纵向弯曲查 时临界力的计算图，可由 且 查上表得 212JJ112ll5001l581JFk（其中， 活塞杆头部至油缸 A 点处的距离 :缸体尾部至油缸 A 点处的距离）1l2l所以：22721378482406582121JJFFkk 即油缸的稳定性是满足条件。2272137841500kFFB、活塞杆强度的验算因为活塞杆长 ，活塞杆直径 ，即为细长杆，其活塞500l36d1020 dl杆强度需同时考虑压缩和弯曲。判别最大挠度点位置之值可由式计算：xFJEx112式中 活塞杆材料的弹性模量，对于钢材 1EMPa.Pa.E51110121012 活塞杆截面惯性矩1J所以 5003397150082406101221432511l.FJEx机械手关节结构设计及运动学仿真分析27短行程液压缸的活塞杆，在工作中主要承受轴向压缩（或拉伸）载荷，故可近似地按中心受压（或受拉）进行强度验算，即 总d总dF2124式中 活塞杆外径d 空心活塞杆内径，对于实心活塞杆 1d01d F液压缸的最大推力 （）NF1500 活塞杆的压（或拉）应力 活塞杆材料的许用应力，其中为材料的屈服极限，n n/ss为安全系数，通常取，活塞杆材料选用 45 号钢，其屈服极限为41.n MPas355即 625341355./ns所以 ，满足条件要求。 总d总dF06. 325414. 31500422123.3.63.3.6 连接零件的强度计算连接零件的强度计算首先确定油缸缸筒与缸盖采用螺纹连接，钢筒与缸底采用焊接方式，此种方式能够使液压缸紧凑牢固。A、缸筒与缸底焊缝的强度计算对接焊缝的应力及强度条件为： dDFee224式中 F液压缸的最大推力 缸筒外径eD 焊接内径2d28 焊接效率，取7 . 0 焊接的许用应力。，为焊条的抗拉强度，当采用 T422 焊 nbb条时，取安全系数Pab5104200433 .n 所以MPa.dDFee728. 080951431500442222 MPanb1054420其中符合条件 3.3.73.3.7 腕部回转缸的计算腕部回转缸的计算 表表 3.63.6 螺钉间距螺钉间距 t t 与压力与压力 P P 之间的关系之间的关系工作压力MPaP螺钉的间距mmt0.5:1.5小于 1501.5:2.5小于 1202.5:5.0小于 1002.0:10.0小于 80回转缸端盖上每个螺钉在危险截面上所承受的拉力为：机械手关节结构设计及运动学仿真分析29 ，即工作拉力与参与预紧力之和总总FFF计算如下：液压缸工作压强为,所以螺钉间距 小于,试选择 6 个螺钉，MPaP1tmm150。所以选择螺钉数目合适个 mmmmD807 .4969566Z受力截面222225 .71431550mmrRS所以 NZPSF3 .47626101435. 710436，此处连接要求有密封性，故取（1.5-1.8） ，取。 KFF总k61.K NN.KFF总7 .76193 .476261所以 NNFFF总总7 .9369N7 .761903.1750螺钉材料选择 Q235,则，安全系数 n 取 1.5（1.2-2.5） Mpa.ns16051240螺钉的直径由下式得出 ，F 为总拉力即 F3 . 14d总FF mm.F.d02. 71601433 .4762314314螺钉的直径选择取标准。mmd8动片与输出轴间的连接螺钉计算动片和输出轴之间的连接螺钉一般为偶数，输出轴即为手抓液压驱动缸的缸体。螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： 30 ZifFM/dDPb总总0224为预紧力,为接合面摩擦系数，取（0.10-0.16）范围的 0.15，即钢和铸铁零0Ff件， 为接合面数，取，Z 为螺钉数目，取，D 为静片的外径，d 为输出轴直i2i2Z径，则可得： 2204dDZfibPF螺钉的强度条件为： 014Fd 带入有关数据，得：N60603. 01 . 0215. 02410404. 04226220dDZfibPF螺钉材料选择 Q235，则（安全系数） Mpa.ns160512401.22.5n :螺钉的直径 ，取。 mm.F.d15. 21601436063143140mmd8螺钉选择 M8 的开槽盘头螺钉。3.43.4 手部参数设计手部参数设计A 确定液压缸的直径与活塞杆的参数由前面计算可知：驱动力 ，液压缸的工作压力 。 NF3500MpaP78. 1设液压缸的直径 D，活塞杆的直径，则有D.d50pdD4F22所以带入数据可求得：mmm.PFD47047. 050142机械手关节结构设计及运动学仿真分析31由下表可知： 表表 3.73.7 液压缸内径液压缸内径 D D 系列（系列（GB/T2348-1993GB/T2348-1993）810121620253240506380100125160200250320400这里选择液压缸直径mmD50表表 3.83.8 活塞杠直径活塞杠直径 d d 系列（系列（T2348-1993T2348-1993）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360由，符合要求。mm.D.d25505050活塞杆长度：mmmm.al474 .465808030tan缸筒壁厚：当时， 为薄壁 ，当 时 1P3 . 1P4 . 02Dyy 10/D 2DPy10/D32式中 D缸筒直径 缸筒试验应力，当缸的额定压力 时取，所以yPMpa16PnnyP5 . 1P 5 . 1Py 缸筒材料的许用应力，为材料的抗拉强度，n 为安全系数，一般取 n/bbn=5,缸筒材料选用 35 号钢，其抗拉强度查表得，。Mpa540b 108n/b将数据代入公式得缸筒壁厚： 36. 01082505 . 12DPy，所以取缸筒壁厚，为厚壁。 385. 01P3 . 1P4 . 02Dyymm10活塞宽度：mm.D.b2550500160液压缸的缸体长度确定液压缸缸体内部长度等于活塞的行程与活塞的宽度之和，缸体外形长度还要考虑到两端盖间的厚度，一般液压缸缸体长度不应大于内径的 2030 倍。本设计中活塞杆的行程为 ，活塞宽度为 ，所以缸体内部长度为58.d 32bmm.l5405832B 液压缸端盖的设计计算端盖螺钉的设计计算表表 3.93.9 螺钉间距螺钉间距 t t 与压力与压力 P P 之间的关系之间的关系工作压力MPaP螺钉的间距mmt0.5:1.5小于 1501.5:2.5小于 1202.5:5.0小于 100机械手关节结构设计及运动学仿真分析332.0:10.0小于 80液压缸端盖上每个螺钉在危险截面上所承受的拉力为： ，即工作拉力与参与预紧力之和总总FFF计算如下：液压缸工作压强为,所以螺钉间距 小于,试选择 4 个螺钉，MPaP76. 1tmm150。所以选择螺钉数目合适个 mmmmD15012.3645044Z受力截面22222200714405 .71431550m.mmrRS所以 N.ZPSF178540071440106，此处连接要求有密封性，故取（1.5-1.8） ，取。 KFF总k61.K NN.KFF总2857178561所以 NNFFF总总4642N28571785螺钉材料选择 Q235则，安全系数 n 取 1.5（1.2-2.5） Mpa.ns16051240螺钉的直径由下式得出 ，F 为总拉力即 F3 . 14d总FF mm.F.d062. 31016014346423143146螺钉的直径选择取标准。mmd5即选用六角头螺栓（GB/T5783-2000）M5 。34端盖厚度的确定由于该液压缸前端盖通有活塞杆，即为有孔端盖，所以端盖厚度为： dDDPD.ty4330式中 D端盖止口内径（）mmD50 d端盖孔的内径（）mmd25 ，5 . 1Py Mpa160代入数据得：，取 mm.dDDPD.ty914330mmt53.43.4 本章小结本章小结本章介绍了机械手关节的参数计算，包括液压缸的缸体结构参数与校核。第四章第四章 液压系统原理设计及草图液压系统原理设计及草图4.14.1 手部抓取缸手部抓取缸图 4-1 手部抓取缸液压原理图201、手部抓取缸液压原理图如图 4-1 所示2、泵的供油压力 P 取 10Mpa，流量 Q 取系统所需最大流量即 Q=1300ml/s。机械手关节结构设计及运动学仿真分析35因此，原理图 4.1 中所示的调速阀，流量定为 7.2L/min，工作压力 P=2Mpa。采用： YF-B10B 溢流阀 2FRM5-20/102 调速阀 23E1-10B 二位三通换向阀4.24.2 腕部摆动液压回路腕部摆动液压回路 图 4-2 腕部摆动液压回路201、腕部摆动缸液压原理图如图 4-2 所示2、工作压力 P=1Mpa流量 Q=35ml/s采用：2FRM5-20/102 调速阀34E1-10B 三位四通换向阀YF-B10B 溢流阀364.34.3 小臂伸缩缸液压回路小臂伸缩缸液压回路 图 4-3 小臂伸缩缸液压回路201、小臂伸缩缸液压原理图如图 4-3 所示2、工作压力 P=0.25Mpa流量 Q=1000ml/s采用： YF-B10B 溢流阀2FRM5-20/102 调速阀23E1-10B 二位三通换向阀机械手关节结构设计及运动学仿真分析374.44.4 总体原理图总体原理图 图 4-4 总体原理图201、总体原理图如图 4-4 所示2、工作过程 小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂回转小臂收缩手部放松3、确电机规格：液压泵选取 CB-D 型液压泵，额定压力 P=10Mpa，工作流量在 3270ml/r 之间。选取 80L/min 为额定流量的泵，因此：传动功率 N=PQ/ （4.1）式中：=0.8 （经验值）38所以代入公式（4.1）得： N=1080103106/600.8=16.7KN选取电动机 JQZ-61-2 型电动机，额定功率 17KW，转速为 2940r/min。4.54.5 本章小结本章小结本章介绍了机械手各个驱动关节的驱动原理，和整体的驱动原理，包括液压泵的电机选择。机械手关节结构设计及运动学仿真分析39第五章机械手关节的模拟仿真第五章机械手关节的模拟仿真5.15.1 仿真内容仿真内容运动仿真是结构构设计的一个重要内容,机械手是一个复杂的机构，确定结构后，在运行中还会发生干涉现象，因此需要进行运动学仿真分析，确保方案可行。在运动仿真过程中，对结构零件不断进行修改，最终满足设计要求21。仿真的基本内容是对结构进行可行性分析，运动学分析，使其更好的满足生产需要。结合本次设计的机械手，仿真的内容是(1) 机械手手部夹紧的运动仿真；(2) 机械手腕部转动的运动仿真；(3) 机械手臂部的运动仿真；(4) 机械手的整体的运动仿真；5.25.2 仿真方法仿真方法运动仿真是结构设计的一个重要内容,在Pro/E的Mechanism模块中,通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来,来实现机构的运动仿真。在整体设计后, 通过仿真可以模拟机构的运动,从而检查机构的运动是否达到设计要求,是否发生干涉，实现机构的设计与运动轨迹校核。同时,可直接分析各运动副与构件在某一时刻的位置、运动量以及各运动副之间的相互运动关系及关键部件的受力情况。在Pro/E环境下进行机构的运动仿真分析,不需要复杂的数学建模、也不需要复杂的计算机语言编程,而是以实体模型为基础,集设计与运动分析于一体,实现产品设计、分析的参数化和全相关,反映机构的真实运动情况。本文以PTC公司的三维建模软件Pro/E及其中的运动学仿真功能建立机械手关节的运动仿真模型。首先在Pro/E中建立机械手关节的三维模型，然后完成整个机械手的装配，设置关节的安装位置为机构运动的初始位置，添加驱动和约束，进行运动仿真。在整个过程中，需要对建立模型等前续工作进行不断的修改和完善，才能生成所要求的机械手关节的仿真模型22-25。405.35.3 机械手关节的运动学分析机械手关节的运动学分析5.3.15.3.1 机械手手部夹紧的运动仿真运动仿真及分析机械手手部夹紧的运动仿真运动仿真及分析机械手手部夹紧运动前后的位置，运动前如图 5-1（a）和运动后 5-1（b）所示。在此运动过程中机械手工作正常，无干涉现象。 （a）运动前 （b）运动后图 5-1 机械手手部夹紧仿真效果图5.3.25.3.2 机械手腕部转动的运动仿真机械手腕部转动的运动仿真机械手腕部转动运动前后的位置，运动前如图 5-2（a）和运动后 5-2（b）所示。在此运动过程中机械手工作正常，无干涉现象 （a）运动前 （b）运动后图 5-2 机械手腕部转动仿真效果图5.3.35.3.3 机械手臂部的运动仿真分析机械手臂部的运动仿真分析机械手臂部运动前后的位置，运动前如图 5-3（a）和运动后 5-3（b）所示。在此运动过程中机械手工作正常，无干涉现象 机械手关节结构设计及运动学仿真分析41 （a）运动前 （b）运动后图 5-3 机械手臂部方向仿真效果图5.3.45.3.4 机械手的整体的运动仿真分析机械手的整体的运动仿真分析机械手的整体运动前后的位置，运动前如图
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