基于液压伺服电机传动的砖窑卸垛机器人手爪的结构设计及优化毕业论文.doc

基于液压伺服电机传动的砖窑卸垛机器人手爪的结构设计与优化摘要：机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。本文首先简要介绍了液压伺服电机传动的砖窑卸垛机器人的概念，机械手硬件和软件的组成，机械手的系统工作原理，对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计出了机械手的夹持式手部结构，机械手的手腕结构，机械手的手臂结构。它的第一轴传动采用了三级斜齿轮传动，且电动机固定在第一臂上，最后一级的齿轮固定在机座上，从而使第一、二级的斜齿轮与第一臂一起绕机座作回转运动；第二、三轴的传动，则采用了差动行星齿轮传动，它具有传动比大、结构紧凑、传动效率高的优点，该结构的输出轴与第二、三臂都直接相连，从而使二、三臂作摆动。确定液压伺服电机传动的砖窑卸垛机器人的总体结构及传动方案设计。根据机器人的运动特点，液压伺服电机传动的砖窑卸垛机器人的第一臂也采用斜齿传动，第二、三臂则采用了一齿差的摆线针轮行星齿轮传动。它们的具体设计都用传统的设计方法来计算而得。最后，根据主传动系统的确定，对总体结构的一些具体零部件进行结构设计和优化。关键字：液压伺服； 电机传动； 卸垛机器人； 手爪结构； 优化Servo motors drive the robot gripper brick destacking the structural design and optimizationAbstract: Robot (Robot) is a mechanical device which automatically performs the work. It can accept human command, they can run pre-programmed procedures can also be formulated according to the principles of artificial intelligence program of action. Its mission is to assist or replace human work, such as manufacturing, construction, or dangerous work.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典 - 查看字典详细内容This paper briefly describes the hydraulic servo motor drive of the brick kiln destacking robot concept, robotic hardware and software components, the robot system works on the robot carry out the overall design, determine the robots coordinate forms and degrees of freedom, To determine the technical parameters of the manipulator. Meanwhile, the design of the robot hand gripper-type structure, structure of the robot wrist, the robot arm structure. Its first transmission uses a three-axis helical gears and motor fixed in the first arm, and finally a fixed gear on the base, so that the first two levels of helical gear with the first arm around Base for rotary movement; second axis of transmission, the use of a differential planetary gear drive, it has a transmission ratio, compact structure, the advantages of high transmission efficiency, the structure of the output shaft and the second and third arms are Directly connected, so that the second and third arm for the swing. Determine the hydraulic servo motor drive brick destacking the overall structure of the robot and transmission design. Robot motion based on the characteristics of the hydraulic kiln drive servo motor destacking also used the robot arm of the first helical gear driving, the second and third arm of the poor by a cycloid gear planetary gear transmission. Their specific designs to the traditional design method calculated. Finally, based on the determination of the main transmission system, the overall structure of some of the specific design and optimization of structural components.Keywords：hydraulic servo，motor drive，unstacking robot，gripper structure，optimization朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典 - 查看字典详细内容 目 录第1章 绪论11.1 工业机器人的含义及技术概况11.2 工业机器人的国内外研究现状21.3 工业机器人的组成41.4 机械手在生产中的应用61.5 机械手的组成71.6 机械手的分类9第2章 方案设计及参数确定112.1 方案设计112.2 主要参数的确定112.3 料槽形式及分析动作要求12第3章 具体部位的设计143.1 抓取机构的设计143.1.1 手部设计计算14 3.1.2 腕部设计计算193.1.3 臂部伸缩机构设计233.1.4 液压元件的选择253.2 液压系统原理设计及草图293.2.1 手部抓取缸293.2.2 腕部摆动液压回路303.2.3 小臂伸缩缸液压回路313.2.4 总体系统图323.3 机身底座的机构设计333.3.1 电机的选择333.3.2 减速器的校核353.3.3 螺柱的设计与校核35第4章 机械手的定位与平稳性374.1 常用的定位方式374.2 影响平稳性和定位精度的因素374.3 机械手运动的缓冲装置38第5章 机器人手爪结构的优化405.1 优化设计的概述405.1.1 定义405.1.2 优化设计的基本理论405.1.3 优化设计的产品开发415.1.4 优化设计的特点415.1.5 优化设计的应用425.2 结构与优化的方法简介425.2.1 数学模型优化425.2.2 灵敏度分析优化435.2.3 拓扑优化设计435.3 本章小结44结论45致谢46参考文献47第1章 绪论1.1 机器人的含义及技术概述在加速科技进步中，机械制造业的发展起着关键的作用，其任务是在工业生产中迅速将工艺装备的独立单元变为自动化综合体（自动化工段，生产线和自动化车间），将来甚至实现自动化工厂。这种自动化生产最重要的特点是具有柔性，它能预料到，在节省劳力（或无人）情况下，根据工艺条件调整装配，以适应多种产品生产。当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机器人技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机器人是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中，工业机器人既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中，也有效地用于辅助操作中。工业机器人与传统自动化手段不同之处，首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中，工业机器人广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上，以完成传送装备和其它操作。随着工业技术和经济的惊人发展，标志着多品种中、小批量生产最新水平的FMS（柔性制造系统），FA（工厂自动化）技术更加引人注目；作为FMS、FA技术重要组成之一的工业机器人技术也将得到迅速发展。应用工业机器人是提高生产过程自动化，改善劳动环境条件，提高产品质量和生产效率手段之一。到目前为止，世界各国对“工业机器人”还没有做出统一的明确定义。通常所说的“工业机器人”是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。而它与“机械手”有一些区别：“工业机器人”多数指程序可变的独立的抓取、搬运工件、操纵工具的装置；“机械手”多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置。如自动线、自动机的上、下料，加工中心的自动换刀的自动化装置。工业机器人由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产社备。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。工业机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上的代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。1.2 工业机器人的国内外研究发展现状1.2.1工业机器人的发展情况机器人从50年代问世以来,经过40年的发展,己经广泛应用。20世纪80年代以来,随着机器人驱动方式的改变、信息处理速度的提高、传感器技术的发展,工业机器人技术逐渐成熟,并很快得到推广,目前已经在工业生产的许多领域得到应用。从世纪年代至今,机器人技术经历了可编程机器人!示教机器人和智能机器人三代。机器人技术是世纪中后期工业社会和经济发展的产物,机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服办的成就,是当代最高意义上的自动化。在机器人国际市场中占领份额最大的是日本，据日本机器人联合会（JAR）2007年8月公布的数据显示:2007年第二季度机器人销售额为1460亿日元，其中出口额竟达到978亿日元。在日本主要码垛机生产商有日本不二输送机工业株式会社。现已成功开发出达到脚时的高速码垛机器人，抓取重量达200kg。目前工业机器人主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、金属加工及金属制品业等。在日、美、西欧等一些工业发达的国家中，工业机器人得到越来越广泛的应用。随着生产的发展，机器人功能和性能的不断改善和提高，机器人的应用领域日益扩大，其应用范围已不仅限于制造业，还用于农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。我国工业机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家科技攻关项目支持下，仅过十几年的研制、生产和应用，使中国的机器人产业从无到有，跨出了一大步。在国内,研究机器人码垛机的单位主要有哈工大机器人研究所和上海交通大学机器人研究所。哈工大机器人研究所多年前就研制了机器人码垛机，成功地应用在全自动包装码垛生产线上,取得了良好的经济效益和社会效益。他们采用双自由度的笛卡耳坐标式机器人码垛机并结合编组机，通过一次抓取两袋或三袋，实现了800袋/h的工作能力。上海交通大学机器人研究所正在从事高速码垛技术的开发研究，取得了重要进展。然而，和国外相比,国内的码垛技术还存在很大的差距，目前，日本、美国、德国、英国等发达国家的自动码垛技术已经发展到了相当高的水平，在线式码垛机的吞吐量在不断地提高，机器人码垛机的柔性、处理速度以及抓取载荷在不断地升级，应用场合在不断地扩大，在不断地缩短差距的道路上，我国的科技工作者和广大的技术工程人员还有许多工作要做。1.2.2工业机器人的研究情况国外机器人研究的重点主要在以下几个方面： 1 机器人操作机，通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用大大提高了机器人的性能。 2 并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。 3 控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能控制21轴甚至27轴机器人，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式任以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。 4 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI，YASKAWA，FANUC和瑞典ABB、德国KUKA，REIS等公司接推出了此类产品。 5 网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备有了发展。 6可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。 国内机器人的研究现状 随着科学技术和世界各国机器人技术的发展，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜得进步。从20世纪80年代末到20世纪90年代，国家863计划吧机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。在工业机器人选型方面，确定以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机器人为主。这是中国机器人研究事业从研制到应用迈出的重要一步。一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批以机器人为主业的产业化基地已经破土而出。 我国近近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。但是，无论从工业机器人的数量上还是技术上，我们都是比较落后的。而我国作为一个工业大国，不能寄希望于其他国家得到真正的高技术，必须自主的发展我国的高技术，机器人作为高技术领域的一个重要分支，将成为21世纪各国争夺的经济技术制高点。如何在21世纪加速我国机器人的发展，使为我国早日进入机器人大国行列，已成为当务之急。由于目前我国机器人的基础数量太低，以工业机器人为例，到了2010年我国机器人拥有量只能达到世界拥有量的1.4%2%，这与我国作为21世纪前半叶世界主要制造过的要求差距太大，如果这种差距只能以进口机器人来弥补，其巨大损失不是可以用货币损失来计算的。可见，无论从资金方面考虑，还是从长远利益考虑，我们有必要自主地对机器人进行研究和开发。但是由于国内机器人的科研与开发与国外尚有较大差距，虽然计划开发的机器人基本上采用的是在国外基本成熟的技术，但国内各单位对这些技术的了解有相当部分还停留在文献上货局部技术上。所以我们应该从基本做起，有必要研制少数型号的机器人和开展一批基础技术研究作为研究机器人课题的主要研究与开发内容。1.3工业机器人的组成工业机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成。目前，具有人工智能系统的工业机器人即智能机器人还处于研究实验阶段。而应用于生产实际的多数是那些具有执行系统、驱动系统和控制系统的卸垛机器人。1执行系统 执行系统是工业机器人完成握取工件（或工具）实现所需的各种运动的机械部件，包括：手部、腕部、臂部，还有机身和行走机构。2驱动系统 驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置。采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方式有四种：液压式、气压式、电气式、机械式。3控制系统 控制系统是卸垛机器人或机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行机构按照规定的要求进行工作、并检测其正确与否。一般常见的为电气与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。就其控制方式，可分为分散控制与集中控制两种类型。若以控制的运动轨迹来分，有两种：点位控制和连续轨迹控制。工业机器人系统的具体组成如下图1-1所示图1-1 工业机器人系统1.4 机械手在生产中的应用秦砖汉瓦是古人遗留下来的宝贵财富，直到科学技术高度发展的今天，依然还是现代化建设中的必需品。而随着社会的发展和科技的进步，制砖行业已经实现了较高程度的机械化，自动化，大大提高了制造效率和降低了劳动强度。但是美中不足的是现在还是利用人工的方式进行热砖的装卸工作。劳动强度大，效率低下，工作环境恶劣，装卸工人苦不堪言。据不完全统计，每年工作在热砖装卸工作第一线的劳动人民达到200万！砖的制造过程中有一个工序是烧结，烧结后砖会发生较大变形，所以普通的码垛机器人由于自身定位的局限性，几乎很难满足要求，这也造成了热砖装卸过程中难以实现自动化的主要难题。但随着机器视觉技术的发展，现在采用机器视觉技术对已变形的热砖进行定位，可是适应变化的、不规则的砖。该项目很好地把处于科技前沿的技术成功应用于新兴的码垛和卸跺生产线，解放两百万的劳动人民，提高生产效率，利用新技术促进生产的目的，这样不仅减少了物料的损伤，而且大大的提高了生产效率。机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1）建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。2）在实现单机自动化方面各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。3） 铸、锻、焊热处理等热加工方面模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。1.5机械手组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统组成。1.5.1执行机构：包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构如图1-2所示。图1-2 机构简图 手部：是机械手与工件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。 手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。 立柱：是支承手臂的部件。手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的。 机座：是机械手的基础部分。机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支承和联接的作用。1.5.2驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。1.5.3控制系统：控制系统是机械手的指挥系统 ，它控制驱动系统，让执行机构按规定的要求进行工作，并检测其正确与否。一般常见的为电器与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。1.6机械手分类1.6.1根据所承担的作业的特点，工业机械手可分为以下三类：（1）承担搬运工作的机械手：这种机械手在主要工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。（2）生产工业用机械手：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等。（3）通用工业机械手：其用途广泛，可以完成各种工艺作业。 1.6.2按功能分类（1）专用机械手：它是附属于主机的具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少，工作对象单一，结构简单，实用可靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手.（2）示教再现机械手：采用示教法编程的通用机械手。所谓示教，即由人通过手动控制，“拎着”机械手做一遍操作示范，完成全部动作后，其储存装置即能记忆下来。机械手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作。（3）通用机械手：又称工业机器人。它是一种具有独立控制系统的机械装置。具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强的特点，适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。1.6.3按驱动方式分（1）液压传动机械手（2）气压传动机械手（3）机械传动机械手1.6.4按控制方式分（1）固定程序机械手：控制系统是一个固定程序的控制器。程序简单，程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。（2）可编程序机械手：控制系统是一个可变程序控制器。其程序可按需要编排，行程能很方便改变。第2章 方案设计及主要参数的确定2.1 方案设计根据课题要求，机械手需要具备抓取、翻转和转位等多种功能，可采用以下多种设计方案。（1）直角坐标系式，自动线成直线布置，机械手空中行走，顺序完成抓取、翻转、转位等功能。这种方案结构简单，自由度少，易于配线，但需要架空行走，油液站不能固定，这使设计复杂程度增加，运动质量增大。（2）机身采用立柱式，机械手臂上下升降，顺序完成抓取、翻转、转位等功能，自动线仍呈直线布置。这种方案可以集中设计液压，易于实现、油路定点连接，但手臂悬伸量较大。（3）机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成抓取、翻转、转位等功能。这种案具有占地面积小等优点，但配线要求较高。本设计拟采用第三种方案，如图2-1所示。这这是一种机座式机械手，具有机身旋转z、手臂伸缩x、手臂升降和腕部转动x四个自由度。 图2-1 机座式机械手2.2主要参数的确定（1）抓取重量 10kg L=250mm;（2）坐标形式和自由度 坐标形式为柱坐标式，有四个自由度。（3）工作行程工作行程由已知条件及方案分析确定：（4）运动速度直线运动速度：手臂伸缩行程l= 500mm，伸缩速度为：v=200mm/s；腕部回转角速度：定为45/s。（5）驱动方式液压传动（6）定位精度定位采用机械挡块定位，定位精度为-0.5+0.5mm。（7）控制方式采用PLC控制系统实现控制。2.3. 料槽形式及分析动作要求：2.3.1 料槽形式由于工件的形状属于小型回转体，此种形状的零件通常采用自重输送的输料槽,该装置结构简单，不需要其它动力源和特殊装置，所以本课题采用此种输料槽。2.3.2 动作要求分析如图2-2所示动作一：抓取动作二：预夹紧动作三：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 预夹紧手臂上升 手臂旋转 小臂伸长 手腕旋转 手臂转回图2-2 要求分析手臂上升，手臂有沿机座立柱做升降运动，获得较大的运动行程，升降过程由电动机连接带动螺柱旋转，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，从而使手臂回转。手腕回转和小臂伸缩主要由回转缸控制其回转范围和伸缩运动。第3章 具体部位的设计3.1抓取机构的设计3.1.1 手部的设计计算3.1.1.1对手部设计的要求3.1.1.1.1 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。3.1.1.1.2 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3-1所示。图3-1 机械手开闭示例简图3.1.1.1.3 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。3.1.1.1.4 手指应有一定的强度和刚度3.1.1.1.5 其它要求因此抓取，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。3.1.1.2 拉紧装置原理3.1.1.2.1 拉紧油缸的尺寸设计如图3-2所示：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。图3-2 油缸示意图a.液压缸内径D的计算初步确定：手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。手指对工件的夹紧力用式(3.1)计算得 （3.1）式中 手指对工件的夹紧力； 传动销与定位销的长度；连杆长度；连杆中心线与夹紧力作用线之垂线的夹角。根据设计要求可知：实际所采用的液压缸驱动力 ，查文献得公式 （3.2）式中 安全系数，一般取 1.22.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，一般取1.12.5；手爪的机械传动效率，一般取0.850.9。由此确定液压缸直径 （3.3）设夹紧缸的直径为 ，则活塞杠的直径取：，压力油的工作压力为，则根据 GB/T2348-93 液压缸内径尺寸系列取：，则活塞杆直径为选取为，行程；根据GB/T2348-93液压缸活塞杆外径尺寸系列取： 。由于活塞杆的长度较短，所以不用校核它的强度；b.缸壁厚的计算对于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算： （3.4）式中，液压缸缸筒厚度（mm）；试验压力（MPa），工作压力p16MPa时，=1.5p；工作压力p16MPa时，=1.25p，由于本次设计的液压系统压力为2.5MPa，故=1.52.5=3.75Mpa；D液压缸内径（mm）；缸材料体的许用应力（MPa）：缸体材料的抗拉强度（MPa）；n安全系数，n=3.55，一般取n=5。对于：锻钢 =100120 MPa铸钢 =100110 MPa钢管 =100110 MPa铸铁 =60 MPa现选用铸铁材料，=60Mpa。将以知数据代入上式得因结构设计需要，取=10mm。c. 缸外径D0及长度l的计算L（2030），由结构需要确定，取。d. 液压缸行程S的确定按GB/T2349-1980标准系列确定液压缸活塞行程为40mm。3.1.1.2.2运动范围（速度）a. 伸缩运动 b. 上升运动c. 下降d. 回转所以取手部驱动活塞速度 3.1.1.2.3 手部右腔流量 （3.5）3.1.1.2.4手部工作压强 （3.6）3.1.2腕部设计计算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，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求：回转 角速度以最大负荷计算：当工件处于水平位置时，回转缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重，长度。如图3-3所示。3.1.2.1计算扭矩设重力集中于离手指中心处，即扭矩为： （3.7） 工件 F S F 图3-3 腕部受力简图3.1.2.2 油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩带入公式2.9得 3.1.2.2.1 回转缸的摩擦力矩（估算值）（估算值） 3.1.2.2.2 回转缸的总摩擦力矩 （3.8）3.1.2.3 腕部回转液压缸尺寸的确定3.1.2.3.1液压缸内径的确定回转缸的驱动力矩M与回转缸的压力p的关系为： （3.9）式中，回转缸的驱动力矩；回转缸的工作压力；缸体内壁半径；输出轴半径；动片宽度。上述驱动力矩M与压力p的关系式是对应与压力腔的背压为零时的情况而言的，若低压腔有一定的背压，则P为工作压力与背压的差值。由上式腕部回转缸的驱动力矩M与回转缸的压力p的关系推导得缸体内壁半径为；其中输出轴半径r由结构设计定为。查表按标准系列圆整，取，即回转液压缸内径为， 回转液压缸回转行程的确定由方案设计可知，腕部回转行程0180。如图3-4. 图3-43.1.2.3.2 液压缸壁厚的计算对于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算： （3.10）式中，液压缸缸筒厚度（mm）；试验压力（MPa），工作压力p16MPa时，=1.5p；工作压力p16MPa时，=1.25p，由于本次设计的液压系统压力为2.5MPa，故=1.52.5=3.75Mpa；D液压缸内径（mm）；缸材料体的许用应力（MPa）： （3.11）缸体材料的抗拉强度（MPa）；n安全系数，n=3.55，一般取n=5。对于：锻钢 =100120 MPa铸钢 =100110 MPa钢管 =100110 MPa铸铁 =60 Mpa现选用铸铁材料，=60Mpa。将以知数据代入上式得因结构设计需要，取。a. 液压缸外径及宽度b的计算b（2030），由结构需要确定，取b=30mm。b. 回转液压缸回转行程的确定由方案设计可知，腕部回转行程0180，其结构形式见图12由公式 （3.12） 其中： 叶片厚度，这里取；摆动缸内径, 这里取；转轴直径, 这里取；回转缸的工作压力。上述驱动力矩与压力的关系式是对应与压力腔的背压为零时的情况而言的，若低压腔有一定的背压，则P为工作压力与背压的差值。由上式腕部回转缸的驱动力矩与回转缸的压力的关系推导回转缸的工作压力为：又因为所以 式中流量；回转缸的角速度；叶片厚度，这里取；摆动缸内径, 这里取；转轴直径, 这里取3.1.3臂伸缩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。手臂的伸缩速度为。行程。液压缸运动时所需克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定液压缸所需的驱动力。3.1.3.1 计算液压缸活塞驱动力 （3.13）式中 手臂运动时的摩擦阻力；起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。 摩擦阻力计算式中 摩擦系数（钢对铸铁：取，这里取0.3）；手臂伸缩部件的总重量（含工件的质量）。 起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力计算式中 手臂伸缩部件的总重力（包括工件重量）（）；油静止加速到常速的变化量（）,取； 起动过程时间（），一般取 0.010.5，对轻载低速运动部件取较小值，对重载高速运动部件取较大值（这里取0.4）。所以所需的总的驱动力为 3.1.3.2 根据驱动力确定液压缸结构尺寸 （3.14）式中 液压缸直径,其中；载荷率 取0 .70.85；液压缸的工作压力 取；液压缸驱动力。所以根据 GB/T2348-93 液压缸内径尺寸系列取：；根据GB/T2348-93液压缸活塞杆外径尺寸系列取： ,行程为；3.1.3.3 腔流量由公式（3.5）得：【4】 流量（） 活塞杆速度，取。3.1.3.4 手臂右腔工作压力由公式（3.6） 得： （3.15）式中：系统总的驱动力。所以代入公式（2.12）得： 3.1.4 液压元件的选择3.1.4.1绘制机构工作参数表如表3-1所示：表3-1机构工作参数表3.1.4.2由初步计算选液压泵所需液压最高压力 所需液压最大流量 选取CB-D型液压泵（齿轮泵）此泵工作压力为，转速为，工作流量Q在之间，可以满足需要。3.1.4.3验算腕部摆动缸： （3.16） （3.17）式中：机械效率取： 0.850.9容积效率取： 0.70.95所以代入公式（3.16）得：代入公式（3.17）得： =0.673rad/s因此，取腕部回转油缸工作压力 流量 圆整其他缸的数值：手部抓取缸工作压力 流量小臂伸缩缸工作压力 流量3.1.4.4确定电机规格：液压泵选取CB-D型液压泵，额定压力，工作流量在之间。选取为额定流量的泵，因此： （3.18）式中 电动机功率（）； 液压泵最大工作压力（）； 液压泵的输出流量（）； 液压泵总效率，由液压泵产品样本查出，（经验值）所以代入公式（3.18）得： 选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率，转速为。 3.1.4.5.油管尺寸的确定 3.1.4.5.1管道内径计算 （3.19） 式中 通过管道内的流量（），； 管内允许流速（），取，见表3-2。油液流经的管道推荐流速（）液压泵吸油管道，一般常取以下液压系统压油管道，压力高，管道短粘度小取大值液压系统回油管道表3-2 允许流速推荐表所以 根据参考文献3中表37.9-1，选取管道内径的铜管。3.1.4.6.管道壁厚的计算 式中 工作压力（） 管道内径（） 许用应力（），对于钢管（抗拉强度 安全系数，当时，；当时，；当时，）。对于铜管。所以 管道的外径，长度。3.1.4.7 油缸容积的确定对油缸容积初步确定 已知所选泵的总流量为，这样液压泵每分钟排出压力油的体积为，取，算出有效容积为3.2液压系统原理设计及草图3.2.1手部抓取缸 图3-5手部抓取缸液压原理图 1、手部抓取缸液压原理图如图3-5所示2、泵的供油