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六自由度机械手结构设计六自由度机械手结构设计摘摘 要要随着人类活动领域的进一步扩大，人们对非制造业用机械手的研究空前活跃起来，对机械手智能化和多样化的要求也越来越高，需要机械手具有对外感知能力以及局部的自己规划能力等。而通用机械手也在向机构灵巧、动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修等方向快速发展。此机械手采用全液压驱动方式，采用球坐标形式，自由度数为六，分别为 Z 方向的升降运动；绕 Z 方向的回转运动；手臂的仰俯运动；X 方向的伸缩运动；手腕的仰俯运动；绕 X 方向的回转运动；主要完成手部结构、腕部结构、臂部结构和机身机构的设计，各部分缸体的结构位置的设计计算，各自由度运动的实现。具体结构设计过程中用了大量时间对机械手各部分进行了校核。在机构满足设计参数的条件下，使结构设计尽量优化。【关键词】机械手；通用；自由度；液压驱动；球坐标AbstractWith fields of human activity going further, the research on application of the manipulator in non-manufacturing sector has been rising largely. The requirements to manipulator of intelligent and diversification are increasingly higher and higher to meet peoples demand, which need manipulator with capability of external perception and local planning. And universal manipulator also has developed rapidly towards the direction of dexterous mechanism, accurate and reliable movements, rapid-reaction, light weight, high stiffness. And the universal manipulator can easy to load and unload and to be repaired easily .The number of freedom-degree manipulator which using the approach of hydraulic-driven, using spherical coordinates forms is six, which include Z direction of the movement, the rotary movement around Z direction, the swing movement of arms, X direction of the stretching exercise, swing movement of the wrist, the rotary movement around X direction. Structure of the hand, wrist, arm are caculated and designed. The checking for each part of the manipulator costs much time during process of specific structural design. In the condition of meeting the requirement of parameters, the structure is optimized as far as possible.【Keywords】 Manipulator;Universal;Freedom-degree;Hydraulic I目目 录录第第 1 章章 绪论绪论 .11.1 选题的背景和目的及意义.11.2 国内外研究状况和研究成果.11.3 课题的研究方法.21.4 本文研究内容.3第第 2 章章 总体设计方案总体设计方案 .42.1 总体设计要求.42.2 运动分析简介.42.2.1 机器人运动方程的表示 .42.2.2 构件坐标系的确定 .52.3 机械手的组成.62.4 设计路线与方案.62.4.1 设计步骤 .62.4.2 研究方法和措施 .72.5 本章小结.7第第 3 章章 手部结构的设计和计算手部结构的设计和计算 .83.1 手部设计.83.2 钳爪式手指定位误差的分析.93.3 手部夹紧油缸的设计.113.4 油缸壁厚的计算.123.5 活塞杆的计算和校核.133.6 本章小结.13第第 4 章章 腕部结构的设计和计算腕部结构的设计和计算 .144.1 腕部回转油缸的设计.144.2 腕部摆动油缸的设计.16II4.3 本章小结.19第第 5 章章 小臂的设计和计算小臂的设计和计算 .205.1 小臂结构的设计和伸缩油缸的计算.205.2 活塞杆强度和刚度的校核.235.3 导向杆的强度校核.245.4 本章小结.25第第 6 章章 俯仰缸的设计和计算俯仰缸的设计和计算 .266.1 俯仰结构的设计和计算.266.2 缸盖螺钉的强度校核.286.3 本章小结.29第第 7 章章 大臂的结构设计和计算大臂的结构设计和计算 .307.1 大臂回转缸的设计计算.307.2 油缸定片连接螺钉的校核.337.3 机械手大臂升降缸的设计和计算.347.4 机械手的不自锁的条件.367.5 本章小结.37结结 论论 .38参考文献参考文献 .39致致 谢谢 .40IIIIV1第 1 章 绪论1.1 选题的背景和目的及意义制造相似自己的机器人是人类长期以来的梦想。在不相同的历史阶段，首先是在神话、小说中曾出现各种拟人的想象物。 现代实体机器的诞生大约可以追溯到二十世纪五十年代。当时由于核工业的兴起，为了处理放射性材料采用了机械手。不久，控制论、信息论等重大学科相继问世，所有这些科学的技术成果都为机器人技术的诞生和发展莫定了根本基础。 现实世界里的机器人并不没有像小说作品里描述的那样神通广大，与真人形似到以假乱真地步。就目前水平而言，机器人一般是不具有人的形态的，即使那些用于娱乐的似人机器人，其智能的程度也远不能和人相比。大多数的机器人是用于生产活动，以提高工作效率和产品质量的。所以从这层意义上来说，机器人其实是一个通用的自动化装置。 机器人是一种具有可编程的、通用、有操作或移动能力的自动化机器。机器人的诞生和应用是社会发展的最终需要。机器人又是在现代生产和科学技术发展的基础上出现的。新一代的机器人已经在工业生产、资源开发、排险和救灾、社会服务和军事技术中发挥越来越大的作用。机器人已经得到广泛的应用。由于工业机器人与其他设备组成的生产线已经成百上千倍地提高了企业劳动的生产率，提高了产品的质量，缩短了产品更新和换代的周期。机器人的出现和发展已经使传统的工业生产的面貌发生了翻天覆地的变化，使人类的生产方式从手工的作业、机械化、自动化跨入了智能化的新时代。1.2 国内外研究状况和研究成果随着机器人技术的飞速发展，多种类型的机器人己相继问世。机器人可以按用途、结构、驱动方法、智能水平等观点进行分类。不管怎样分类，机器人的基本结构都是一样的。机器人是由臂(连杆)、关节和末端执行装置(连接工具)构成。机器人的关节连接了两个相邻的刚体，即连杆，关节提供连杆之间的相对运动。关节即运动副。一些形状和大小不同的机器人，可能有着相同的几何模型(仅几何参数不同)，并有相同的运动学分析结果。多关节机械手臂，顾名思义，关节多而长。关节越多，手臂的重量就越大，运动学分析就越复杂，随之而来的问题还有掼性的加大、过冲量的增大而引起动力学分析的复杂化，以及连杆之间的平衡问题等。随着科学技术的进步，我国工业生产的自动化程度有了一个突飞猛进的发展。2在实际的生产过程中实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行特定环境下的加工、装配等作业逐步实现自动化，已愈来愈引起人们的重视，实现生产过程的自动化成为国内外学者研究的热点之一。本文设计的机械手为液压驱动，此机械手的坐标形式采用球坐标式， （其手臂的运动由一个直线运动和两个回转运动所组成，即沿 x 轴的伸缩、绕 Y 轴的仰俯和绕 Z 轴的回转） ，这种机械手的手臂的仰俯运动能抓取地面上的物体，为了使手部能适应被抓物体方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其他状态。此坐标式的机械手动作灵活，占地面积小，工作范围大等特点。它适用于沿伸缩方向传动的形式，但结构复杂。按设计要求，使机械手能够实现预定的功能，模仿人的手臂和手腕运动，需要六个自由度。自由度指描述物体运动所需要的独立坐标数，自由度的多少反映机器运动的复杂程度。多关节手臂的优良性能是其它传统的机器人所不能比拟的，然而对它的研究碰到了许多工程上的困难，尤其是手臂的重量问题。关节多而长的机械手臂由于庞大的重量而难以在实践中推广应用。而重量问题中的瓶颈问题是驱动单元问题。从过去经验来看，形状记忆合金、磁动的伸缩、气动伸缩驱动单元的应用范围非常有限，驱动主体还需是电机，但电机的重量又是一个有待解决的问题，电机的安装位置以及其数量则是其直接的影响因素。 在多指机器人手的应用方面，由于多指机器人手通常小于所安装的机器人本体，所以可以提高机器人的整体精度。但是多手指的使用使整个系统的复杂性增加，并且由于带有多指机器人手的机器人的自由度很多，因此使得运动学和动力学分析复杂化，同时由于自由度的增加将使抓取规划工作变得困难。 1.3 课题的研究方法如前所述，多关节机械手臂的研究领域包括多关节机械手臂的运动学和动力学问题，在研究中所遇到的困难就是机械手臂重量的问题。由于机械本体的结构大大的简化，所以使多关节机械手臂的运动学及动力学分的析得以简化。从而使机械手臂更加容易控制。本文重点在于多关节的机械手臂的机构设计，解决手臂重的问题。并且，对手臂各关节处的定位及各臂在运动中的平衡问题提出了全新的解决方法。本机械手采用全液压控制及驱动，之所以采用液压，主要是考虑到结构简单，便于制造、有利于降低成本。整体设计中采用 3 个回转缸，2 个伸缩缸和一个俯仰伸缩缸。3 个回转油缸实现了 2 个腕部回转和一个大臂回转。2 个伸缩缸分别实现大臂和小臂的伸缩运动。 本课题所研究的内容正是基于以上的问题，希望能够通过理论分析和研究，设计出一种新型的多关节式机械手臂，力求结构简单，驱动器(即液压元件)数量控制在最少。31.4 本文研究内容本文将在下面对关节式通用机械手进行全面、系统的分析和讨论以实现模仿人手动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的装置。在生产中使用机械手可以提高生产的自动化水平以及劳动生产率；可以减少工人的工作强度、保证产品的质量优良、实现安全生产；尤其在高压、高温、低温、低压、易爆、粉尘、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，用机械手代替人进行正常的工作，意义更为的重大。本机械手仰俯结构这样处理有以下几个好处，首先改善了机械重心偏离回转轴太长的弊病。其次，实现同样的仰俯角度时，直线缸比回转缸更容易控制，在此，由于回转油缸的驱动力是紧靠在回转油缸的动片提供的，而直线缸由于导杆的作用，提供同样的驱动力矩，要比回转缸容易些，最后从振动的角度看，采用直线缸要比采用回转缸的振动系数要小，从而增加了稳定性。4第 2 章 总体设计方案2.1 总体设计要求本文设计的机械手为液压驱动，此机械手的坐标形式采用球坐标式， （其手臂的运动由一个直线运动和两个回转运动所组成，即沿 x 轴的伸缩、绕 Y 轴的仰俯和绕Z 轴的回转） ，这种机械手的手臂的仰俯运动能抓取地面上的物体，为了使手部能适应被抓物体方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其他状态。此坐标式的机械手动作灵活，占地面积小，工作范围大等特点。它适用于沿伸缩方向传动的形式，但结构复杂。按设计要求，使机械手能够实现预定的功能，模仿人的手臂和手腕运动，需要六个自由度。自由度指描述物体运动所需要的独立坐标数。自由度的多少反映机器运动的复杂程度。此机械手采用六个自由度：大臂回转腕部摆动正负90腕部转动正负90小臂水平伸缩550mm大臂升降200mm手臂仰俯30图 2.1 机械手运动结构示意图（1）Z 方向的升降运动；（2）绕 Z 方向的回转运动；（3）手臂的仰俯运动，上仰为30，下俯30；（4）X 方向的伸缩运动； （5）手腕的仰俯运动；（6）绕 X 方向的回转运动。2.2 运动分析简介2.2.1 机器人运动方程的表示 机器人机构可以认为是由一系列的关节连接起来的连杆机构组成。把构件的坐5标系嵌入机器人的每一个连杆结构中，可以方便正确的描述一个连杆与下一个连杆之间所在的关系。齐次的变换是描述这些坐标系之间的相对位置与方向的一种通用方法，把齐次变换记为 A 矩阵。一个 A 矩阵仅仅是描述连杆构件坐标系之间相对平移与旋转的齐次坐标变换。描述第 i 个连杆相对于第 i-1 连杆的位姿，对于本课题的六个自山度机器人，则第六个连杆相对于基座的位姿可用以下式表示: Tn=A1A2A3A4A5A6 (2.1)2.2.2 构件坐标系的确定 为了描述连杆与连杆之间的数学关系，Denavit 和 Hertenberg 提出了为关节链中的杆件建立主附一体的坐标系的矩阵方法，即 D-H 法。其运动坐标系如图 2.2 所示。X1Y1X2Y2Z1Z2Z0X4Y4X3Y3Z3Z5Z6Y5X5X6Y6Z4图 2.2 机械手 D-H 运动坐标系简图0. 机座坐标；1. 大臂升降缸坐标；2. 大臂回转缸坐标；3. 小比伸缩缸坐标；4. 手臂俯仰缸坐标；5. 腕部摆动缸坐标；6. 腕部回转缸坐标。该机械手的设计自由度为 6 个，旨在使其运动灵活，当某方向的运动不宜过大时，为满足运动要求可通过与其相关的自由度来补充，这更有利于机械手的稳定。此机械手还可以通过更换手抓，从事诸如喷涂、焊接等工作。6本机械手采用全液压控制及驱动，之所以采用液压，主要是考虑到结构简单，便于制造、有利于降低成本。整体设计中采用 3 个回转缸，2 个伸缩缸和一个俯仰伸缩缸。3 个回转油缸实现了 2 个腕部回转和一个大臂回转。2 个伸缩缸分别实现大臂和小臂的伸缩运动。2.3 机械手的组成工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如图2.3：图2.3 工业机械手各部分关系图1.执行机构：执行机构包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。（1）手部：直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。传动机构形式多样，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。（2）腕部：是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。（3）臂部：手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定位置。该设计的手臂有三个自由度，采用关节式坐标（绕横轴旋转，上下摆动和左右摆动）关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性，机械臂的结构性容易进行优化，便于提高机械手的动态操作性能。2.行走机构：有的工业机械手带有行走机构。3.驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。4.控制系统：有点位控制和连续控制两种方式。5.机身：它是整个工业机械手的基础。72.4 设计路线与方案2.4.1 设计步骤1.查阅相关的资料；2.确定研究路线和方案构思；3.结构与运动学分析；4.根据所给的技术参数进行计算；5.按所给规格，范围，性能进行分析，强度与运动学校核；6.绘制装配图草图；7.绘制总装图及零件图等；8.总结问题进行分析和解决。2.4.2 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（六个自由度，可以绕横，纵轴转动和上下左右摆动，以及Z向升降和X向伸缩运动）。2.5 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。8第 3 章 手部结构的设计和计算3.1 手部设计机械手是模仿着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动装置。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，工业机械手的手部是用来直接握持工件的部位，既直接与工件接触的部分，具有模仿人手的动作的功能。由于被握持弓箭到形状、尺寸大小、轻重和材料性能、表面状况等不同，所以工业机械手的结构三多种多样的，此机械手的手的手爪采用回转型外夹式，手爪为两指。手部设计时应考虑以下几个问题：1应具有足够的握力；2手指间应具有一定的开闭角；3应保证棒料的准确定位；4应考虑手指的通用性。考虑以上因素本机械手采用滑槽式手部结构，这种手指的优点表现在结构简单，形状小，工作灵活，其结构如图 3.1 所示.。驱动杆向下推动手指夹紧，向上拉时则手指张开，此结构传动比较双支点结构小，但开闭范围较大。图 3.1 滑槽式手部结构示意图 (3.1)22cosbNPc工件的夹取方式采用：手指水平位置夹垂直位置放置的工件时， 9 (3.2)0.5sinNGf.f 摩擦系数，钢对钢 f =0.1 (3.3) 220.5sincosbPGcf 为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效应的影响，其实际的驱动力 P实际应按以下式计算既： (3.4)12PK KP实际式中： 手部的机械效率，一般取 0.850.95。这里取 =0.9； K1 安全系数，一般取 1.22，这里取 K1=1.2； K2 工作情况系数，重要是考虑惯性力的影响； (3.5)21/Ka g g重力加速度，(g=9.8kg/s)；a工件运动时的最大加速度。a=4.9kg/s，K2=1.5 所以： (3.6)21220.5sincosK KbPGcf实际3.2 钳爪式手指定位误差的分析 采用结构简单的回转型手指则在抓取不同的直径的工件的时候，必定带来定位误差。如图 3.2 所示。图 3.2 手指定位误差示意图手指回转中心的与工件轴心的位置间距离 X，如 X1,X2，随被抓取工件的半径R 的变化而变化，因而对手指的定位精度有影响，当选用合理的手指尺寸及参数时，可以使手指的定位误差控制在较小的范围内。 10222222222cos1(sincos)sinsinABBCAB BCABABXlll lRll (3.7) 当时有最小值 XminsincosABRl . (3.8)sinXlminAB而且 X 的变化是以 R0 分界为左右对称的，若工件的半径 (3.9) 0ABR= R =lsincos由变化到时，X 值的最大变化量既定位误差，用 表示，当 R0maxRminR时， maxR (3.10)22max1max()2cossinsinsinABABABRRlll (3.11)22minmin2()2cossinsinsinABABABRRlll 取其中的较大者，如图 3.3：误差图 3.3 定位误差分析图分析图可知： R0处于在和中间时maxRminR 时最小，maxmin02RRR由前述知,可得到最佳偏转角 sincos0RlAB (3.12) 1cossincpcABRl 式中（平均半径）取为 2.5 倍，cpRABl11502537.52cpR=37.52.5=94 mmABl取 V 型手指的夹角为212011coscos0.46262 29sincpcABRl计算定位误差：=1.30 mm2 mm22max22max()2cossinsinsin505094()2 940.0.46294 0.887sin60sin60ccABABABRRlll 现取： b=83 mm c=30 mm mm 3094ABl2 830.5sin601.2 1.520cos30300.10.9P实际=593.0 kg/2cm3.3 手部夹紧油缸的设计 手部夹紧油缸采用单作用弹簧复位缸。弹工封图 3.4 单作用弹簧复位油缸示意图如图 3.4 所示，作用在活塞上的总机械载荷 P： (3.12)PPPP工封弹式中：-工作阻力（kg） ；P工件-缸密封装置处的摩擦阻力（kg） ；P封-弹簧的反作用力（kg） 。P弹12 kg / (3.13) 43)8GdPLSDZ弹（2cm式中：L活塞的行程（cm） ； S弹簧预压缩量（cm） ； G弹簧材料的剪切模量，对于钢材 G=8.1 kg/ ；5102cm d弹簧钢丝直径（cm） ； D弹簧中径（cm） ；Z弹簧的有效圈数。取：d=0.6 cm D=3.6 cm Z 取 3 P=(0.280.5)D=8.415mmkg/5438.1 100.62.5234.3758 3.63P弹2cm当油缸工作的压力不大于 100，活塞直径为油缸直径的一半时，活塞和2kg/cm活塞杆采用 O 形密封时， =0.03P (3.14)P封P作用在活塞杆上的推力。 （kg/）2cmP=718.8+234.8+0.03P 求得 P=982.6 kg/ 2cm kg/ (3.15)24DPp2cm式中 P 为油缸的工作压力 kg/ ， 取 P=35 kg/ 2cm2cm cm 45.97PDp取 D=6.3 cm 取 d=2.8 cm （D 为油缸内径，d 为活塞杆的直径） ，经计算取油缸的长度为 l=40mm流量的计算：226.32.54.6/6767 1D LQt升分t 为活塞移动行程的时间。3.4 油缸壁厚的计算 油缸的内径 D 确定后，由强度条件计算所需的最小的油缸壁厚，依据材料力学的薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： cm (3.16)2 pD计13式中： -计算压力，其值比油缸的最大工作压力 P 大 2030，即p计 =（1.21.3）P p计(3.17)D-为油缸内径 cm；-油缸材料的许用应力 kg/ 。 2cm / (3.18) bn2cm其中为油缸材料的抗拉强度（kg/） ， n 为安全系数，一般取 n=35 b2cm=600 kg/（铸铁） 2cm cm(1.21.3) 35 5.50.60.860023:现取 =0.8 cm3.5 活塞杆的计算和校核 取活塞杆的长度为 50mm，小于 1528=420 mm。所以具有足够的稳定性，不必校核其稳定性，只需按强度校核。 (3.19)2 4Pd (3.20) bn-活塞杆材料的许用压力 kg/ 2cm-活塞杆材料的抗拉强度 kg/，n-为安全系数，一般取 n 不小于 1.4，b2cm活塞杆材料一般用碳钢，=10001200 kg/b2cm kg/ kg/259396.32.842cm1000333.332cm所以强度合格。3.6 本章小结本章介绍了通用关节式机械手手部各部分的计算与分析，分别为钳爪式手指定位误差、手部夹紧油缸、油缸壁厚、活塞杆等结构，并进行了计算与校核，在使用中14能满足要求。 第 4 章 腕部结构的设计和计算4.1 腕部回转油缸的设计 工业机械手的手腕部件设置在手部和臂部之间，它的主要作用是在臂部运动的基础上进一步改变和调整手部在空间的方位，以扩大机械手动作的范围，使机械手变的更加灵巧，适应能力更强。多自由度的腕部，在空间的灵活度越好，但是活动度越多，结构越加复杂，技术难度也越大，为实现腕部的回转与仰俯运动，此处采取装有轴线互相垂直的回转油缸的双腕部结构。其设计和计算如下：驱动手腕回转运动时的驱动力必须克服手腕启动时的所产生的惯性力矩，手腕的转轴与支承孔处的摩擦力矩，动片与缸径，定片，端盖等处密封装置的摩擦阻力矩及由于转动件的重心与转动轴线不重合所产生的偏重的力矩。手腕转动时所需的驱动力矩可按以下公式计算： (4.1)MMMM驱偏摩惯式中： -驱动手转动的驱动力矩（kg cm） ；M驱 -惯性力矩（kg cm） ；M惯 -参与转动的零部件的重量（包括工件，手部，手腕回转缸的动片）M偏对转动轴线所产生的偏重力矩（kg cm） ；-手腕转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩（kg cm） 。M摩设手指夹在棒料的重心位置，故=0 ；摩擦阻力矩=0.1；设手指以M偏M摩M驱及夹紧油缸等等效为一个圆柱件，长度为 290mm，质量为 5+0.28+0.49=5.77 kg，估取为 6 kg。可求得 D=58 mm。kg2231110.0280.06 7.8 100.2844mDl （为夹紧油缸活塞杆的质量）1mkg22322110.040.05 7.8 100.4944mDl（为转动油缸直径的质量）2m估取 =5 kg（手部结构的质量） ；m手算取工件的长度：15 m123200.3210.17.8 104l m223201.310.057.8 104l若手腕转动的角速度为，启动过程所转过的角度为，则： kg (4.2)21()2MJ J惯+式中： J 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量； -工件对手腕转动的转动惯量。1J 2222120(3)(1.33 0.025 )2.861212mJlR 工2kg m 2222220(3)(0.323 0.05 )0.181212mJlR 工2kg m 222160.0290.01522mJR2kg m设启动过程所转过的角度为 =20 ，等速转动角速度 =100 /s 计算惯性力矩用如下公式： 22()21000.0175 (2.860.015)12.6kg m123.5N m2 20MJ J工惯0.0175+所以 0.1123.5137.2N m1400kg cmMMM驱驱驱确定转轴的最小尺寸： (4.3)30.2tWd-抗扭截面系数； tW (4.4) tMW所以 30.2Md要求 轴的材料选用 45 号钢，查得=4050 MPa m336137.20.0250.2 0.2 40 10Md 取 d=40mm， （之所以取这么大主要是考虑到结构的要求）回转油缸内径的计算按如下公式： 16 (4.5)28MDdbp式中： M 作用在动片(即输出轴)上的外载力矩 (kg cm) ；p -回转油缸的工作压力 （） 取 p=35 ；2kg cm2kg cmd 输出轴与动片连接处的直径（cm） ；b 动片的宽度（cm） ，为减小动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度（即油缸长度）可按 2b/(D-d) 2 选用（cm） 初取b=5cm； D 回转油缸的内径。 cm 取 D=9 cm28 140048.975 35D 流量的计算：22223()3 5 (94 ) 500.01752.13/400400bDdQ 升分；22223()3 8 (126 ) 500.01754.5/400400bDdQ 升分油缸的内径 D 确定后，由强度条件计算所需的最小的油缸壁厚，依据材料力学的薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： (4.6)2 pD计式中-计算压力，其值比油缸的最大工作压力 P 大 2030，即p计 =（1.21.3）P p计(4.7) D 为油缸内径 cm；-油缸材料的许用应力 kg/ 。 2cm (4.8) bn其中为油缸材料的抗拉强度（kg/） ， =600 kg/（铸铁） 。b2cm 2cmn 为安全系数，一般取 n=35 mm(1.21.3) 35 99.4510.2360023:现取 =10 mm174.2 腕部摆动油缸的设计 驱动手腕摆动运动采用单叶片回转油缸，摆动时的驱动力必须克服手腕启动时的所产生的惯性力矩，手腕的转轴与支承孔处的摩擦力矩，动片与缸径，定片，端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的重心与转动轴线不重合所产生的偏重矩。根据图 4.1 有：手腕转动时所需的驱动力矩可按以下公式 (4.9)MMMM驱偏摩惯式同公式 4.1 图 4.1 夹紧油缸结构简图 设手指夹在棒料的重心位置，故=0 ；M偏摩擦阻力矩=0.1；M摩M驱估算 l=360mm =132.5 mm =277 mm 1e2e设手指以及夹紧油缸等等效为一个圆柱件，长度为 360 mm，质量为 5+0.28+4=9.28 kg可求得 D=65 mm kg222322211()7.8 100.125 (0.110.09 )0.04 4.044mlRrr回杆（手指回转油缸的质量 ） ； m回 cm124 13.255 27.720 3631.44520mememlemmm 回手工件回手工件e 为摆动油缸偏离重心的距离所以克服偏心力矩 = =2931.4=910.6kg cm=9.11 kg mM偏Ge若手腕摆动的角速度为，启动过程所转过的角度为，则： kg (4.10)21()2MJJ惯工件+18式中： -参与手腕的部件对转动轴线的转动惯量；1J -工件对手腕转动的转动惯量。J工件则： 22222190.36(3)(0.363 0.325 )9 ()0.712122mJlRm 2kg m2220 0.362.6Jm l工2kg m设启动过程所转过的角度为 =20 ，等速转动角速度 =50 /s ，计算惯性力矩用如下公式：221500.0175 ()0.0175 (0.72.6)3.522 20MJJ工惯+kg m9.11 0.13.5MMMMM驱驱偏摩惯得 14kg m1400kg cmM驱确定转轴的最小直径： (4.11)316tWd-抗扭截面系数 。tW (4.12)tMW所以 (4.13)30.2Md 要求 (4.14) 轴的材料选 45 号钢，查得=4050 Mpa m 33614000.0240.2 0.2 40 10Md查表取 d=25 mm 摆动油缸内径的计算： (4.15)28MDdbp式中： M作用在动片(即输出轴)上的外载力矩 (kg ) ；p-回转油缸的工作压力 （） 取 p=80；2kg cm2kg cmd输出轴与动片连接处的直径（cm） ； b动片的宽度（cm） ，为减小动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度（即油缸长度）可按 2b/(D-d) 2 选用（cm） 初取 b=5cm；D回转油缸的内径。19 cm28 14002.55.855 80D查表取 D=6.3 cm流量的计算：22223()3 6 (6.32.5 ) 500.01751.4/400400bDdQ 升分油缸的内径 D 确定后，由强度条件计算所需的最小的油缸壁厚，依据材料力学的薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： cm (4.16)2 pD计式中： -计算压力，其值比油缸的最大工作压力 P 大 2030，即p计=（1.21.3）P p计D-为油缸内径 cm-油缸材料的许用应力 kg/ 2cm / (4.17) bn2cm其中为油缸材料的抗拉强度（kg/） ， n 为安全系数，一般取 n=35 b2cm=600 kg/（铸铁） 2cm cm(1.21.3) 80 6.31.511.6460023:现取 =16 mm4.3 本章小结本章介绍了通用关节式机械手腕部各部分的计算与分析，分别为腕部回转油缸、腕部摆动油缸等结构，并进行了计算与校核，在使用中能满足要求。20第 5 章 小臂的设计和计算5.1 小臂结构的设计和伸缩油缸的计算 手臂部件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他们作空间运动。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。此处为实现沿 X 轴伸缩的自由度要求，小臂的驱动机构设计成双作用油缸。臂部结构采用悬臂梁用无缝钢管作为导向杆，用钢板作为支撑板，这样大大提高臂的刚度，对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或者油管路，有利于机构紧凑，臂部的变形不仅与自身刚度有关，而且同支撑距离有很大的关系，其结构如图 5.1 回封1封2封3封3导导导导总图 5.1 小臂示意图手臂作水平伸缩时所需的驱动力: P驱 (5.1)PPPPPP驱工导回封惯式中： =0 水平伸缩时P工-导向装置的摩擦阻力矩P导21这种结构在启动时导向处的摩擦阻力矩较大，导向装置的结构采用双向导杆，其导向截面形状是圆柱截面。结构如图，这里取水平极限位置即小臂完全伸出时，初定活塞杆长为 550mm，直径 D=28 mm。则杆的质量： kg223110.0280.55 7.8 101.4544mdl 杆先估取导向杆的质量为 5kg550410(20.5) (550 135)5 (550327) 1 550(2.645)2202 40.55 1 7.64mmL 工回mm33058.5784.542.14 (5.2)2()LaLLaPPaPbRaRbGGaaa 导导导总总式中： a导向杆的支撑长度(cm)； 当量摩擦系数；圆柱面：=（1.271.57） 取 =1.5 ；摩擦系数对于静摩擦且无润滑，钢对铸铁取=（0.180.3） =0.25； L手臂参与运动零部件的总质量重心到支撑前端的距离（cm） ； -参与运动的零件的总重（含工件的重量）(kg)；G总kg22 784.520042.14 1.5 0.25139.8200LaPGa导总-密封装置处的摩擦阻力 。 P封在压力油液驱动活塞运动时，各密封装置处摩擦阻力之和为。P封 (5.3)123PPPP封封封封当油缸的工作压力不大于 100kg/，活塞杆的直径为活塞油缸直径的一半采2cm用 o 型密封圈时， =0.03 (5.4)12PP封封P驱伸缩油管处的摩擦阻力为：3P封 (5.5)3Pp dl 封式中：-密封圈与配合面的摩擦系数，主要与密封圈的形式，材料及之配合接触的零件材料和油液压力有关。 对于 0 型圈，当油液压力 P1528=420mm2228615.844Ad2mm (5.11) JiA (5.12)464dJ4cm式中： A活塞杆横截面的面积和；D活塞杆横截面的直径；I 为活塞杆横截面的惯性半径（cm） ；J活塞杆横截面对中性轴的惯性矩（） 。 4cm cm 2874i (5.13)li式中：-活塞杆的计算柔度（柔度系数） ； l活塞杆计算长度（cm） ； -长度折算系数（亦称约束影响系数） ，一端固定一端铰支时，=0.7 所以： 0.7 550557li 2469031206026.2sab式中： -特定的柔度值；2-为活塞杆的流动极限，查表 a=4690kg/，b=26.2kg/。s2cm2cm对于 的压杆，只会因强度不足而破坏，并不会失稳，故对短压杆只进2行强度计算。 24 (5.14)24Pd式中：P-活塞杆上所受的总机械载荷（kg） d活塞杆的直径 kg/2216226.32.844Pd2cm (5.15) bn-活塞杆材料的许用压力 kg/ 2cm-活塞杆材料的抗拉强度 kg/b2cmn-为安全系数，一般取 n 不小于 1.4，活塞杆材料一般用碳钢=10001200 kg/ b2cm则 ： kg/ 1000333.332cm5.3 导向杆的强度校核 当导向杆伸出到最大状态时，如果强度足够也就满足要求，此时的受力根据力平衡公式: N1-N2+Gg/2=0 N1150=GgL/2 L手臂参与运动零部件的总质量重心到支撑前端的距离，前边以算出L=784.5mm 、G=42.14 求得：N1=1080NN2=1286.5N受力如图 5.2：mmmm25图 5.2 导向杆弯矩图由图知最大弯曲正应力发生在 c 处，由正应力条件： Pa6331080 0.1594 100.0263232zMMDW式中为抗弯截面系数。zW由查表=170MPa 所以强度满足条件。5.4 本章小结本章介绍了通用关节式机械手小臂各部分的计算与分析，分别为伸缩油缸，活塞杆和导向杆等结构，并进行了计算与校核，在使用中能满足要求。26第 6 章 俯仰缸的设计和计算6.1 俯仰结构的设计和计算 此机械手的仰俯结构此机械手的手臂俯仰运动，采用活塞缸与连杆机构联用来实现的。手臂俯仰运动用的活塞缸位于手臂的正下方，其活塞杆和手臂用铰链连接，缸体采用尾部耳环与立柱连接。驱动力矩的计算如图 6.1 有：驱动手臂仰俯的驱动力矩，应克服手臂等部件的重量对回转轴线所产生的偏重力矩和手臂子在起动时所产生的惯性力矩以及各回转副处摩擦阻力矩， 一般因手臂座与立柱连接轴处有滚动轴承，其摩擦阻力矩较小，在铰链处的配合直径较小，相对转动的转角亦小，故摩擦阻力矩亦很小，均可忽略不计。则力矩平衡方程式可简化成： (6.1)MMM驱惯偏kg cm式中：手臂作俯仰运动，在起动时的惯性力矩（） ；M惯kg cm 手臂等部件的重量对回转轴线的偏重力矩， （）,当手臂上仰时M偏kg cm为正，下俯为负。 (6.2)MG总偏估算支撑板的质量：kg3333700 10250 106 107.8 108.19G 支 5504109020.5(55090 135)550+5 (55090327) 1 (550902.645902MGm 工回偏（）（）（）（） =35.9kg m计算起动惯性力矩 ： M惯若机械手的等速转动角速度为，起动时间为 t，则起动惯性力矩公式为： (6.3)1)MJJt工惯（kg m式中：参与手腕的部件对转动轴线的转动惯量；1J27 -工件对手腕转动的转动惯量。J工件22142.14200.41() (0.413 0.05 )22.14 (0.550.09)19.03122J 2kg m2200.550.090.4122.05J工（）2kg m设机械手的等速转动角速度为=25/s，起动时间为 t=0.4s,则：1250.0175)0.0175 (19.0322.05)450.4MJJt工惯（kg m驱动力矩：4535.980.9MMM驱惯偏kg cm下俯角上仰角图 6.1 腕部受力示意图当手臂于水平成仰角和俯角时，则作用在活塞上的驱动力与手臂仰角有12关，手臂上仰时公式取加号，并且在计算摆动时主要考虑上仰时的情况，只要是上仰条件满足，下俯一定能满足。当手臂处于仰角状态时：1 (6.3) 1111coscos()sinMPbabtgcb 驱式中： a,b,c 为机械手的手臂的结构尺寸（cm） P作用在铰接油缸活塞上的驱动力（kg） -驱动手臂仰俯的驱动力矩（）M驱kg m设 b=0.21m a=0.21m =30 c=0.41m 1 所以：1111180.90.21 cos300.21cos0.21 cos(30 )cos()0.41 0.21 sin30sinMPbatgbtgcb 驱28kg / 432.82cm确定油缸的结构尺寸： (6.4)24PDdp驱式中：p油缸的工作压力 (/)； 2cmd活塞的直径(cm)；D油缸内径(cm)；选取 p=35/ ；d=0.5D 。2cmcm444 432.844.63353PDp 查表取 D=5cm 。油缸的内径 D 确定后，由强度条件计算所需的最小的油缸壁厚，依据材料力学的薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： (6.5)2 pD计式中计算压力，其值比油缸的最大工作压力 P 大 2030，即：p计 =（1.21.3）P (6.6)p计D为油缸内径 cm；油缸材料的许用应力 kg/ 。 2cm (6.7) bn其中为油缸材料的抗拉强度（kg/） ； b2cmn 为安全系数，一般取 n=35 =600 kg/（铸铁） 2cmcm(1.21.3) 35 50.520.5760023:取 =12mm 。活塞杆稳定性的校核：L=300mm1525=375mm 所以满足。6.2 缸盖螺钉的强度校核 油缸内的工作压力较大，为了保证连接的紧密性，缸盖共用 4 个 M6 螺钉 (6.8) sn29 (6.9)24D pPQZZ (6.10)0sQQQ式中：p为油缸的工作压力（/)；2cm Z为螺钉的数目；,分别为工作载荷，危险剖面承受的拉力，和剩余锁紧力。Q0QsQ为了紧密连接：=k (6.11)sQQk=1.51.8,现选取 k=1.5 则：kg202.535 2.54726sQQQ螺钉的强度条件为：0221.31.3 72269(1.22 )(0.6 1.22 0.1)44QdS2kg/cm式中：S 为螺钉的螺距； (6.12) sn式中： 为许用拉应力 为螺钉材料的流动极限；sn为安全系数，一般 n=1.21.5，取 n=1.5。螺钉的材料选用 45 号钢，=3600/，s2cm所以：23600 1800kg/cm1.5sn所以 强度足够。6.3 本章小结本章介绍了俯仰缸各部分的计算与分析，分别为俯仰结构和缸盖螺钉的结构，并进行了计算与校核，在使用中能满足要求。30第 7 章 大臂的结构设计和计算7.1 大臂回转缸的设计计算大臂回转缸的设计计算机械手的大臂即机身是支撑手臂的部件，又是带动其运动的部件，主要是实现臂部的升降、回转、仰俯等运动的机构。由于采用驱动装置、传动装置、导向装置的不同，机身的结构布局也不同，此处采用回转缸置于升降缸之上导向杆布置在活塞缸内部的机身结构。手臂回转所需驱动力矩：采用回转油缸实现手臂回转运动。驱动手臂回转的力矩，应该与手臂起动时所产生的惯性力矩以及各密封装M驱M惯置处的摩擦阻力矩，回转油缸的压力矩相平衡。 （轴承处的摩擦力矩忽略不计）M封则有： (7.1) MMMM驱回惯封kg cm图 7.1 手臂受力分析式中：-密封装置处的摩擦力矩；（如图 7.1） ；M封 (7.2)12MMM封封封31-动片外径与油缸壁密封装置处的摩擦阻力矩，1M封-动片侧面与缸体的密封摩擦阻力矩） 。2M封 (7.3)11Mb bpR 封 (7.4)11()()2MRrbpRr封2取 b=0.08m ；=0.006m ；R=0.06m ；r=0.03 ；=0.5 ；1b 122.42.85.2MMM封封封kg cm手臂起动时所产生的惯性力矩：M惯 (7.5) 00JJMt惯式中：回转缸的动片的角速度变化量，在起动的过程中=（弧度/秒） ；: 起动的时间；t 手臂回转部件(包括工件)对回转轴的转动惯量。0J0 JJJJ板工件其他222222222022.14(0.550.41 0.3)(0.413 0.05 )1212200.410.550.5522.14 (0.550.3)5 2 (0.08 )5 (0.3)232ml =30.82kg/m设等角速度=40/s ；起动时间为 t=1s ；则：kg/m0040JJ0.0175 30.821.61Mt:惯-回转油缸的回油腔的背反压力M回kg/cm (7.6)D22222()()28dbbMbpdpRrpDd回回回回式中：回转油腔压力，一般取=0.2P=0.235=7 kg/p回p回2cmkg/m22228()71267.5688bMpDd 回回（）所以驱动力矩： kg/m21.67.565.234.35MMMM驱回惯封摆动油缸内径的计算： (7.7)28MDdbp32式中：M作用在动片(即输出轴)上的外载力矩 (kg )；P回转油缸的工作压力（） 取 P=35 ；2kg cm2kg cmd输出轴与动片连接处的直径（cm） ； b动片的宽度（cm） ，为减小动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度（即油缸长度）可按 2b/(D-d) 2 选用（cm）初取b=8 cm；D回转油缸的内径。 cm28 34.35 100611.588 35D查表取 D=12 cm。流量的计算：22223()3 8 (126 ) 500.01754.5/400400bDdQ 升分油缸的内径 D 确定后，由强度条件计算所需的最小的油缸壁厚，依据材料力学的薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： (7.8)2 pD计式中 计算压力，其值比油缸的最大工作压力 P 大 2030，即p计 =（1.21.3）P (7.9)p计D油缸内径 cm；油缸材料的许用应力 kg/， kg/ ，其中为油缸材 2cm bn2cmb料的抗拉强度（kg/） 。 2cmN 安全系数，一般取 n=35 =600 kg/（铸铁） 2cmcm(1.21.3) 35 121.261.3760023:现根据结构需要取 =25 mm选择键并校核强度：转轴的直径为 60mm，选键为：键高 h键宽 b=1118（mm）,选取长度为 50mm。假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为： (7.10)3210pTkld 式中： T传递的转矩（Nm） ；k键与轮毂槽的接触高度，k=0.5hmm ；l键的工作长度，单位为 mm ； 33圆头平键 l=l-b mm；d转轴的直径。(mm) -许用的积压应力 MPa ，代入数据：p332102 34.35 9.8 1063.80.5 11 (50 18) 60Tkld MPa查表：键的材料选用钢有轻微冲击时，=100120 MPa 故键的强度满足要求。p7.2 油缸定片连接螺钉的校核摩摩图 7.2 定片与固定轴的螺钉连接方式定片与固定轴的用螺钉连接方式如图 7.2 所示:联接螺钉一般为偶数，对称的安装，并用两销定位。其作用是：使定片与固定轴的配合紧密接触不留间隙，当油腔通过压力油时，定片受油压的作用产生一个合成液压力矩，克服输出轴上所受的外载荷力矩反作用在动片上，由于螺钉的连接作用，使被联接表面不能产生相对的滑动，为此，在安装时必须拧紧螺钉，以便在被联接件的配合表面间产生摩擦力以传递动力。依定片所受的力矩的平衡条件有： (7.11)sln22()82bdpDdMQZf摩即得： kg (7.12)22()4bpQDdZfd式中： Q每个螺钉的预加锁紧力（kg） ； b动片的宽度（cm） ，这里 b=8cm ； p回转油缸的工作压力（kg/） ，这里 p=35 kg/；2cm2cm D动片的外径，即回转油缸的内径（cm） ，这里 D=12cm；d动片与轴配合处的直径（cm） ；f被联接件配合面间的，摩擦系数（钢对钢取 f=0.15 ） ；Z螺钉的数目 ，这里 Z=8 。将以上的数据带入公式：kg22228 35()(126 )105044 8 0.15 6 bpQDdZfd34选 M8 的螺钉，则小径 d=D-1.0825P (7.13)P 为螺距 P=1.25mm d=6.647mm 螺钉的强度： ；221.31.3 10503933.60.664744Qd2kg/cm要求，l式中： -许用拉应力 ；l-螺钉材料的流动极限(kg/)，取材料为 40cr ；s2cm=65009000 (/) 。n 为安全系数，n=1.22.5s2cm所以：，条件满足。65004333.31.5sln2kg/cm7.3 机械手大臂升降缸的设计和计算对于悬臂式的机械手起传动件、导向杆和定位件的布置合理，以减少对升降支撑轴线的偏心矩，防止卡死现象，也就是自锁。手臂上升是靠油缸作用在活塞上的推力而实现的，它除克服惯性力、摩擦阻力、背压造成的阻力外，还需克服手臂、手腕、手部和被抓物件的质量。其驱动力的计算公式为： (7.14)PPPPPG驱工回总惯封 (7.15)42.142GGGGGG 总支撑板水平伸缩油缸仰俯油缸本身缸体回转油缸 (7.16)GvPgt总惯kg3222117.8 10(0.0740.05 ) 0.250.0280.364Gmm仰俯油缸kg3222117.8 10(0.180.12 ) 0.080.060.1114Gmm回转油缸kg3222117.8 10(0.140.1 ) 0.30.070.326.64Gmm本身缸体所以：42.142GGGGGG 总支撑板水平伸缩油缸仰俯油缸本身缸体回转油缸 kg42.14 16.38 12.2626.6 11114.32大臂起动时受到的平均惯性力可近似为：P惯35 (7.17)GvPgt:总惯式中：参与运动的零件的总质量（kg） （包括被抓工件的质量） ；G总 速度的变化量（m/s） ； =0.12m/svv 起动过程的时间（s） ； =0.01stt g重力加速度。 g=9.82/m s则：kg114.32 0.121409.8 0.01GvPgt总惯工作阻力：=20kg； 由前边的计算取 P工P工=0.03P封P驱=0.05P回P工带入公式：kg140200.0320 0.05 114.32PPPPPGP驱工驱回总惯封284确定油缸的结构尺寸： (7.18)24PDdp驱式中：p油缸的工作压力 (kg/) ； 2cmd活塞的直径(cm) ； D油缸内径(cm) 。选取 p=10kg/ ，d=7cm 2cm cm2244 28479.2310PDdp驱 查表取 D=10cm 流量的计算：221100.12 6056.5/4040DVQ升分油缸的内径 D 确定后，由强度条件计算所需的最小的油缸壁厚，依据材料力学的薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： cm (7.19)2 pD计式中：-计算压力，其值比油缸的最大工作压力 p 大 2030，即:p计 =（1.21.3）p (7.20)p计D-油缸内径 cm；-油缸材料的许用应力 ； 36 / (7.21) bn2cm-油缸材料的抗拉强度（/） ； b2cmn-安全系数，一般取 n=35 。 =600 kg/（铸铁） 2cmcm(1.21.3) 8 100.240.2660023 : 根据结构取 =15mm 7.4 机械手的不自锁的条件 偏重力矩：偏重力矩即手臂及其上所支撑的全部件的重量（作用在各自重心上）对手臂回转轴的静力矩，用表示，手臂前伸时则偏重力矩为最大，因手臂在12RR总重量 G 的作用下，有一顺时针方向倾斜的趋势，而导套却阻止手臂这种趋势，导套对立柱的作用力，如图 7.3 根据立柱的力平衡有：12RR (7.22)0xF (7.23)12RR (7.24)( )0AmF (7.25)1RhG (7.26)1GRh所谓不自锁的条件就是升降立柱能在导套内自由下滑，从力的观点分析必须使： (7.27)12122GFFRfGfh所以: 2hf式中:f为摩擦系数，一般钢对铁的滑动摩擦系数为 0.1，但考虑到还有其他的摩擦副作用（如升降的导向装置摩擦面、升降缸壁和活塞、活塞杆和缸盖） ，f 值可按较大的数值考虑，故取 f=0.15 37图 7.3 升降立柱的力分析-为偏重力臂即手臂等部件总重量的重心到立轴轴线间的距离（厘米） 。15504103008.5550+