加工中心上下料机械手的设计

加工中心上下料机械手设计摘要：此次毕业设计围绕着加工中心上下料机械手这一课题展开设计，侧重于机械手的结构设计，机械手的组成及其每个部位的作用。前言部分中，简介了机械手在近些年的发展，应用现状，机械手在实际生活中的应用，机械手在国内外之间的差距，以及机械手在未来的发展走向和发展前景。第二部分讨论了机械手的组成部分和控制系统，每部分之间的配合关系及其大致工作原理，初步拟定出设计机械手的方案，对机械手设计的大体上有一个清晰明确的思路。第三部分到第五部分讲述了机械手的结构设计，计算校核，电机的选型，减速器的选择，传动系统的讨论，一些回转机构和驱动机构的比较、选择。关键词：机械手，结构设计，驱动系统IThedesignofLoadingandunloadingmaterialmanipulatorinmachiningcenterAbstract：ThisdesigncentersonthetopicaboutLoadingandunloadingmaterialmanipulatorinmachiningcenter,placesemphasisonstructuraldesigninmanipulatoranditscomponents,thefunctionofeverypart.ThePrefacegivesabriefIntroductionaboutthedevelopmentinrecentyears,thecurrentapplicationinreallifeandthedisparitynativeandabroad,theTrendandprospectofdevelopmentinthefuture.Thesecondsectiondebatesaboutthecomponentsandcontrolsystemofmanipulator,thecooperativerelationbetweeneverycomponentandthegeneraloperatingprinciple,WestudyoutthePreliminaryschemeofthemanipulatorandhaveaclearideaaboutthegeneraldesign.Thesectionsfromthreetofivetalkaboutthestructuraldesign,calculationandcheck,theselectionofelectricmotorandspeedreducer,drivesysteminmanipulator,theComparisonandselectionbetweenslewingmechanismanddrivemechanism.Keywords:manipulator,structuraldesign,drivesystem.II目录1绪论.11.1选题背景和意义.11.2设计目的.21.3国内外研究现状和发展趋势.21.4设计原则.32设计方案的论证.42.1机械手的总体设计.42.1.1机械手总体结构的类型.42.1.2设计具体采用方案.52.1.3机械手的组成.63机械手腰座结构的设计.93.1机械手腰座结构的设计要求.93.2设计具体采用方案.93.2.1机械手腰座的结构设计.93.2.2腰座电机的选择.103.2.3减速器的选择.113.2.4机身升降机构计算.113.2.5机身回转机构计算.154.机械手手臂的分析及设计.194.1臂部设计的基本要求.194.2臂部的结构选择.194.3手臂伸缩驱动力计算.204.4手臂伸缩液压缸参数计算.215.机械手手部计算及分析.245.1手部设计基本要求.245.2手部力学分析.245.3夹紧力与驱动力的计算.255.4手爪夹持范围计算.27III5.5手爪夹持精度的分析计算.286结论.30参考文献.31致谢.3201绪论1.1选题背景和意义近些年来，随着机械自动化在生产和实际生活中的程度逐渐提高，机械手这一装置应时而生，也可以说是应需而生。自第一次工业革命以来，人们就设想设计一种能按照人类预先设计好的固定动作来在生产中工作，从而达到某些工作的目的。就像人的手臂一样随意地搬运东西、拿工具，而机械手正是符合这一设计需求的装置。二十世纪六十年代以来，随着计算机技术在世界范围内的逐步推广应用，机械手的生产和研究已经逐渐成为大势所趋。计算机技术使机械手的研发进度变得比以往快，从而让机械手在工厂车间里可以与计算机技术、自动化生产线技术相互搭配，优势互补。机械手的应用可谓是无处不在，比方说，它能代替人类在有害环境下处理放射性元素。在车间里，它能代替人类搬运沉重的物体。在某些场合，在计算机的控制下，机械手甚至可以排雷、灭火。此外，机械手还能再有害的环境下操作从而代替工作人员的劳作以保护人身安全。现在，FMS和FMC和机械手的联系也日益紧密，欲使FMS或FMC可用于中、小批量的生产，就应该把机械手和机床设备组合起来，这样一来，不光减小了有效占地面积，还能使其适用于多种工作环境之中。当所要生产的零件变化时，柔性制造系统或柔性制造单元也会很方便的产生相应的变化。这样一来，公司可以随时对所生产的产品的质量、品种、销路做出相应的调整。这样一来，也能更好地适应与其他企业之间的竞争。但咱们国内的高尖端的机械电子技术能力和实际工作能力与美国、德国等国家相比仍有一段不小的差距，这是一个不争的事实和严峻的问题。此外，我国工业机械手的应用范围面没有国外那么广，某些工件的批量生产的水平也低于国外。也就是说，提高工业机械手的技术与我们能否成为一个制造强国息息相关。这也为我们每年从国外进口一些特种机械手节省了很大的成本。从技术上讲，我们也不必再依赖于国外，国外能做到的，我们也能够做到甚至做的更好。故而，机械手的研发是非常非常有必要的。11.2设计目的本次毕业设计中的机械手需要与加工中心组合在一起形成生产线，达到加工中心上下料无人化、自动化的目的。当前，咱国家的制造行业发展速度挺快的，将会有越来越多的款来支持制造业的发展，也会有更多的企业主进军制造业这股洪流之中。本设计在满足任务书中要求的同时还力求适用于加工工厂车间，在加工中心工作过程中安装零件，搬运工件，提高了生产的数量和质量，降低生产成本，也缩短了人工劳动时间。1.3国内外研究现状和发展趋势二十一世纪是一个更为广泛、更加深入的开发和应用机械手的新纪元，伴随这现在技术的日新月异以及计算机技术与机电一体化相互融合技术的突飞猛进，各类型机械手的研究向着更高水平、更新的领域拓展，现在与未来的机械手将不仅具有更类似于人类的外形和基本动作，也将具有相当程度的触觉、视觉与思维能力。在机器人的发展历程中，机器人技术已经形成了一门新的学科，就是我们所熟知的机器人学。机器人技术在工业、国防、商业、农业、空间与海洋、医疗卫生、办公、社会服务等诸多领域有着极其广泛的研究和应用。现在，无论是在国内还是国外，也无论是哪种类型的机械手，都已成为科学研究中的热点。机械手在国内外的研究现状和发展趋势大致如下：(1)机械手的内部结构构造有变。比方说腕部关节的驱动系统、减速器，检测环节趋于组成一个装置。(2)控制系统智能化。当今世界可以日新月异，智能化机械手有助于人类完成更多的事情。智能化机械手也会让我们的生活更加多姿多彩，让我们的生活更富有意义。(3)集成化。集成电路技术的研发很好地解决了这个问题，为机械手的集成化打开了方便之门，同时也为机械手的内部构造大大节省了空间，使得空间的利用率也大大提高了。2(4)传感器多样化。不同的传感器所起的作用不尽相同，而传感器的数量不同又使得机械手的功能与以往不同。传感器的数量越多，机械手的对外界的感知能力就越强，所能做出的动作就越多。(5)一些工业机械手的普遍化。与以往相比，机械手的通用性得到了提高，往往能应用于多个领域。总而言之，机械手的研发趋势不外乎两种：其一是机械手的智能化程度越来越高，也就是说现如今的机械手上需要安装更多的控制器与传感器，其相应的控制系统和编程也需要比过去复杂得多；其二便是工业机械手开始与加工中心等配合使用，与实际生活中的生产制造联系的更为紧密，从而可以完成一些相对特定的工序。这样一来就需要使用一些性价比相对较高元器件，在满足加工要求的前提下，力求整个系统的简单，精准，便宜。1.4设计原则此次毕业设计的基本原则：实现任务书中所规定的几点设计要求，全面思考机械手在现实生活中的工作过程需要注意的问题。在达到工作的要求的前提下，尽量让机械手的构造简约，尽量多使用一些通用性强的标准化、模块化的元器件。在提高机械手工作可靠性的同时力求降低生产时的费用。由于在设计原则上既要达到生产时对机械手所提出而要求，也要做到设计机械手时要科学、经济。除此之外，考虑到本次设计非同寻常，意义重大，是对大学四年中所学科目如：机械设计基础，电工电子技术，自动控制原理，理论力学，材料力学，可编程控制器等专业课进行一次大综合，将综合的结果运用到本次设计中，以达到对大学所学知识进行融会贯通的目的。32设计方案的论证2.1机械手的总体设计2.1.1机械手总体结构的类型工业机械手的结构形式大致有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构四种。每种结构形式各有所长，简述如下：(1)直角坐标机械手结构实现形式为三个相互垂直的直线运动在空间完成，如图2-1(a)，其优点是精度高，缺点是结构尺寸小，不利于实现空间运动。故而有些时候直角坐标的机械手占地面积比较大。(2)圆柱坐标机器手结构实现形式为一个回转运动及两个直线运动在空间完成，如图2-1(b)，其优点是结构简单，精度较好。其工作空间是一个圆柱状的空间。(3)球坐标机器手结构实现形式为两个回转运动和一个直线运动在空间完成，如图2-1(c)，其优点是：结构简单，成本低，缺点是精度不高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。(4)关节型机器手结构实现形式为三个回转运动在空间完成，如图2-1(d)，其优点是：结构紧凑，动作灵活。在工业中这种机械手被广泛应用。关节型机器手结构，有水平关节型和垂直关节型两种。4(a)直角坐标型(b)圆柱坐标型(c)球坐标型(d)关节型图2.1四种机器手坐标形式2.1.2设计具体采用方案图2.2机械手工作布局图从上图不难看出各机械装置及工件的布局形式。考虑到机械手在加工中心中的作用，同时也联想到该系统的工艺性方面的条件，要尽可能地做到精简机构，从而降低预算资金，提高安全性能。所要设计的机械手在加工中心工作中共需要做三种运动,其中立柱要做上下升降运动，手臂要做前后伸缩运动，是为两个直线运动。此外，手臂需要做回转运动。也就是说，需要设计的机械手共有三个自由度，因此，最好的坐标结构形式选择圆柱坐标形式，即两个移动自由度一个转动自由度。其优势是:构造简单,臂部活动范围大，定位精度高，易于控制。机械手工作布局图如图2-2所示。52.1.3机械手的组成人的手需要大脑的控制、身体的支持和胳膊的传递才能得以运动。同样的道理，机械手需要执行机构、驱动系统和控制系统的相互配合才能达到目的。此三者之间的组成及相互关系如下图：1、执行机构图2.3执行结构流程图（1）手部机械手的手爪是直接与工件接触的装置，它位于整个臂部的最前方。手部与臂部之间有一根传动轴相连，臂部通过这根轴将动作传给手爪，以达到使手爪搬运、抓取工件的目的。手部设计的灵感源自于人的手指，再融入仿生学的思想设计而成。与人的手指不同的是，机械手的手指数量通常只有两指和三指等，当前以前者应用较为普遍。考虑到在加工中心中搬运工件的实际情况，本设计拟采用二指手型。（2）手臂手臂有无关节和有关节手臂之分6本次毕业设计的机械手的手臂采用无关节臂所谓如臂使指，就是指人的手臂可以控制手指做出动作。手指要“服从”人的手臂发出的命令。同样，机械手的手臂就是来指挥手爪作出一系列动作（如搬运物体）并达到预定的目的。但若欲使手爪动作精准，则臂部无疑要能做到定位精准。躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。2、驱动系统随着科技的发展，能够驱动机械手运动的系统也逐渐变得多种多样。如果按照动力源来分类的话，大体上可以分为液压驱动系统、气动驱动系统、电动驱动系统和机械驱动系统四类。这四类基本驱动系统的各自主要特点如下：（1）液压驱动系统液压技术从诞生之日起一路至今长路漫漫，现已作为一门单独的学科而名立于世。液压机构的快速反应能力和较高的动力、动力矩且易于操作的优点已逐步得到各行各业的关注。如果想要研发的机械手是一种高负载、高惯性或是工作环境恶劣的机械手的话，采用此驱动系统无疑是一种好的选择。虽然到目前为止，效率较电力低且有点儿噪音，但随着科技的进步这一缺点会被慢慢克服的。液压系统自二十世纪六十年代问世以来应用相当广泛机械手的液压驱动系统分为两类，程序控制机械手的液压驱动系统和伺服控制机械手的液压驱动系统。前者主要是用于搬运机械手，而后者则侧重于工业机械手中。（2）气动驱动系统自莱特兄弟成功制造出世界上第一架飞机并成功试飞以来，空气动力学及由其衍生的相关学科就注定了要成为未来世界的主题。与之相应的是，驱动系统也可以由气体来驱动。气动驱动系统的来源就比较广泛，并且对环境几乎无污染，这是别的驱动系统很难比拟的优势。且气动驱动系统的构造也没别的驱动系统繁琐，价格也较其他驱动系统廉价的多。如果所设计的机械手只是一中低程度的负载下工作的话，气动驱动系统当为不二之选。只不过美中不足的是它很难用于高难度的编程中。气动系统组成部分大体如下：气源；气源可以是来自于空气站，可以是各种气7体。气动三联件，即：油雾器，调压器和水分滤气器。气动阀；气动执行机构等。（3）电动驱动系统电子技术引发了第二次工业革命的到来，它与人类的生活绝对是息息相关、密不可分的。可以毫不夸张地说，电，改变了我们的世界，它将世界翻到了新的一页。电动驱动系统有一个得天独厚的优势就是它无需任何不同能量之间的转化，用起来得心应手，如臂使指且比起别的驱动系统声音小多了，控制精度也易于掌握。虽然目前来说价格比较昂贵，但相信这一难题早晚会被解决的。（4）机械驱动系统机械结构在现实生活中多种多样，不同的机械结构相互配合使用会产生许多神奇的效果，会意想不到地解决许多棘手的问题。但机械驱动系统通常来说只用于固定的场合。此种驱动系统的价格易于为人们所接受，但是在控制上精度上着实困扰着人们。机械手的驱动系统在选择时所需要考虑的因素多种多样，一定要考虑周到、细致。简单来说需要考虑到其所使用的场合、工作环境、工作任务、性价比等，往深层次上想，机械手工作时的功能耗损、控制精度、维修的成本都要在考虑范围内。总结方方面面，再加上如上所说，所选出的驱动系统应具有可操作性、实用性、有保障性。通常来说，加工中心上下料所要使用的机械手载荷若大，选用液压型驱动系统最佳，载荷若小，则气动驱动系统最适宜，而电动型驱动系统则介于此两者之间。3、控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。83机械手腰座结构的设计3.1机械手腰座结构的设计要求机械手的腰座支承着整个机械手上的所有零部件，部分驱动系统也附着于其上，它对于整个机械手的作用就像地基对于整个大楼一样。它不但有连接臂部和支承零件的作用，更是整个机械手的首个回转机构。可以说，最终夹持零件定位是否精准，腰座设计是否合理是一个十分重要的因素。故其设计时要做到以下几点：(1)腰座在安装时要合理，至少应能支撑整个机身，使机械手正常运动，并且要使机械手工作时不至晃动。(2)腰座上具有回转运动的零部件的转动惯量切忌过大。如此一来，在腰座各个部位的材料选择上就要多加注意。(3)腰座的安装应简洁、合理、拆卸方便。零部件之间和与臂部的连接面之间要有可靠的定位精度。(4)腰座里的轴承和减速器之间在运动过程中会不可避免的产生间隙，故应有一个调整间隙的机构位于其中。(5)腰座在做回转运动时最好是有一个对应的驱动装置。(6)腰座要有一定的承载能力，更要保证自身的刚度、强度。3.2设计具体采用方案3.2.1机械手腰座的结构设计机械手的机身是与臂部直接接触的部分，它不但起到顶住和把运动传递到手臂上的作用，也能使手臂实现回转运动和升降运动。并且有许多驱动件和传动装置都置于其上。不难发现，机身部分的受力情况取决于手臂的运动情况。其运动越复杂，受力情况也随之增加。本次毕业设计中的加工中心上下料拟定设计成基座式，使机械手自成一体。这9样既有利于工作时调整机体距离加工中心的位置，在不工作的状态下也可以随心所欲的移动。手臂和基座的配置形式也是不可忽视的因素。机械手的手臂应能够沿着基座在上下两个方向上移动，但要尽可能有一个比较长的上下移动距离以便于更好与加工中心配合使用。所设计的机座大致示意图如下所示：图3.1机身机座结构图3.2.2腰座电机的选择前面说过，腰座有一个回转运动，这个运动最好是用电机和减速器搭配使用来达到此目的，这也是当前研究的主要走向。首先，电力驱动的精度控制高，占用内部空间面积小。由于手爪搬运、夹持物体的精度有相当一部分原因取决于这个回转运动，故决定使用电机驱动。机身部使用了一个电机，其作用是带动机身做回转运动。带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。带动机身回转的电机：10初选转速W=60/sn=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10选择Y90L-6型笼型异步电动机如表3.1Y90S-6电动机技术数据所示:表3.1Y90L-6电动机技术3.2.3减速器的选择减速器的作用十分重要，它位于工作机和原动机之间。并且减速器最大的好处是可以用来减小轴的回转速率和增大传动时的转矩。初选WD80型圆柱蜗杆减速器。蜗杆的材料为38siMnMo调质蜗轮的材料为ZQA19-4中心矩a=80Msq=4.011传动比I=30传动惯量0.26510kgm3.2.4机身升降机构计算1.手臂偏重力矩的计算11图3.2手臂各部件重心位置图设NG30工件90手抓NG10手腕N30手臂所以8319总设m15工件m4手抓m2手腕m9手臂所GG5.12303078手臂手腕手抓工件手臂手臂手腕手腕手抓手抓工件工件以偏转力矩NM9785.1280总偏式中重心到回转轴线的距离(mm)2.升降导向立柱不自锁条件手臂在的作用下有向下的趋势，而立柱导套则防止这种趋势。总G由力平衡条件得：总hFR2hGFR总2所谓不自锁的条件为：取fFR221总16.0f即也即fh总总2mh395.3.0.NGFR3.50139.802总12因此在设计中必须考虑到立柱导套长度大于。m391式中摩擦系数f立柱导套的长度h3.手臂升降驱动力的计算由手臂升降驱动力的公式得：总密回惯摩驱GFF（1）的计算摩取又因为fR2摩16.0fNFR3.2501所以F4.8.35摩（2）的计算惯经计算tgvG总惯式中由静止加速到常速的变化量。v)/(sm启动过程时间，一般取。t)(t5.01.手臂启动速度，启动时间，带入数据得：smv/83st2kgN/89NtgGF8.302.9总惯（3）的计算密不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用型密封圈，当液压缸工作压O力小于时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：MPa10驱密F03.（4）的计算回F一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。经过以上分析计算，液压缸的驱动力为：80.30.48驱总惯回密摩驱FGF13所以当液压缸向上驱动时NF2.19驱当液压缸向下驱动时734驱4.手臂升降液压缸参数计算经过上面计算，确定了液压缸的驱动力，因此选择液压缸的工作压力，驱FMPa1为了满足要求，此时取进行计算。NF2.19驱（1）液压缸内径计算：当油进入无杆腔：421DP驱当油进入油杆腔：)(22dF驱液压缸的有效面积：1PS所以（无杆腔）113.4FD(有杆腔)21dP式中手臂升降液压缸驱动力驱FN液压缸内径D)(m活塞杆直径d液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取95.0液压缸的工作压力1P)(MPa带入数据得：mFD0518.9.1023.1.46驱驱根据液压缸内径系列（JB826-66），选取液压缸的内径为：D14（2）活塞杆直径计算活塞杆的尺寸应该满足多方面的要求，尤其是活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求最为重要，对于杆长大于直径15倍的活塞杆，还必须具有足l)15(dl够的稳定性。由于活塞杆直径有很大一部分原因取决于强度条件，故按拉压强度条件计算：d42dF驱设活塞杆材料为碳钢，碳钢，取MPa10Pa10即mFd5.4.32.96驱根据活塞杆直径系列（JB826-66）选取活塞杆直径d6所以手臂升降液压缸主要参数为：表3.2液压缸参数工作压力P液压缸内径D活塞杆直径d驱动力F1MPa55mm6mm1999.2N3.2.5机身回转机构的计算1.手臂回转液压缸驱动力矩计算手臂回转液压缸驱动力矩回密惯驱M（1）的计算惯M而tJ0惯gGJc20总12)3(RlmJc回转部件可以等效为一个高，半径为的圆柱体，圆柱体重量为m1560，设启动角速度，启动时间。NG8总srad/34.st.015所以222251)06.35.(8961)3(smNRlmJc222047.gGc总tJM6.1.031470惯（2）与的计算密回为了计算方便，密封处的摩擦阻力矩，由于回油背差一般非常的驱密M03.小，故在这里忽略不计，即。0回因此即.641驱回密惯驱MmN476驱2.手臂回转液压缸参数计算设，液压缸工作压力，则由mb60Pamd508)(2dDPb驱得M136.05.1406.7262驱所以取液压缸内径为m14式中液压缸内径D)(回转液压缸工作压力P)(Pa动片宽度b)(输出轴与动片联接处的直径d)(m所以手臂回转液压缸主要参数为：表3.3手臂回转液压缸参数工作压力P液压缸内径D动片宽度b输出轴直径d驱动力矩M4MPa140mm60mm50mm476Nm3.液压缸盖螺钉计算16由表4可以看出螺钉间距t与压力P之间的关系：为两个螺钉之间的距离，这个距离的大小随工作压力的变化而变化。则单个螺t钉在临界截面上受到的工作拉应力为：为工作载荷，为预紧力QssFQsF液压缸工作压力为,所以螺钉间距小于,试选择个螺钉MPa4tm108，所以选择螺钉数目合适个,危险截面D1038.581036.4Z面积2220156.4.6.13mrRSNZPFQ8805.06取则）（.1Ks5.KNKFQs9420685.1所以FQss17094260螺钉的强度条件为：43.21dFQs合式中动片外径D)(m螺钉材料的许用拉应力)(MPa螺钉螺纹内径1d)螺钉材料选择，取，则235Qs240)5.21(605.124nMPans即mFdQs07.16.35.141螺钉的直径选择m1由上述运算可知，的确得用到螺钉，且确定出液压缸尺寸为：，外径m14017为，输出轴直径为。m240m504.动片和输出轴之间的联接螺钉由2)(82dZfFDbPQs得NfdFQs1596)0.136.(05.8464262式中被联接件配合面间的摩擦系数，钢对铜取.f动片外径D)(m动片与输出轴配合处直径d)(动片和输出轴间联接螺钉的预紧力QsF)(N动片宽度b)(m回转液压缸工作压力（）PPa螺钉的强度条件为：43.12dFQs合螺钉材料选择，取，则235QMPas0)5.21(605.124nMPans即mFds9.164.53.141螺钉的直径选择，选择的开槽盘头螺钉。m1式中螺钉材料的许用拉应力)(MPa螺钉的直径1d)(184机械手手臂的分析及设计4.1臂部设计的基本要求1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻；2）臂部运动速度要高，惯性要小；3）手臂动作应该灵活；4）位置精度要高。4.2臂部的结构设计常见的手臂伸缩机构有以下四种：1）双导向杆手臂伸缩机构所谓的双导向杆手臂伸缩机构是指将机械手臂部的伸缩装置放置于两个平行的、具有导向作用的杆状物之间。因为这两个杆受到弯曲应力，从而与之相连的活塞杆也受力。故能做到受力分析容易计算，且传动时运动平稳。2）双层液压缸空心活塞杆单杆导向机构此种机构的特点是其工作时速率上的优势明显高于其他机构。活塞杆的横截面积大，这无疑是增大臂部强度的一个显著优势，且此机构看上去美观。但不足之处是内部工作空间较小。3）双活塞杆液压缸结构活塞杆速度先慢后快，是用短液压缸实现大行程的结构。4）活塞杆和齿轮齿条机构手臂的回转运动是通过齿轮齿条机构实现的，齿条的往复运动带动与手臂联接的齿轮做往复回转而使手臂左右摆动。通过以上，综合考虑，本设计选择双导向杆手臂伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。194.3手臂伸缩驱动力计算伸缩液压缸活塞驱动力的计算公式为：惯回密摩驱FF式中手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。摩密封装置处的摩擦阻力。密液压缸回油腔低压油液所造成的摩擦阻力。回F启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。惯（1）的计算摩经计算）（总摩aLGF2式中参与运动的零部件所受的总重量。总G)(N手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑前端的距离L)(m导向支撑的长度a)(m当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面形状有关。对于圆柱面：)57.12.()4(摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取.01钢对铸铁：取38计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁，NG80总3.025.1,导向支撑，带入数据得：mL70ma42020NaLGF3640)1270(83.02）（总摩（2）的计算惯经计算tgvF总惯式中由静止加速到常速的变化量。v)/(sm启动过程时间，一般取。t)(t5.01.手臂启动速度，启动时间，带入数据得：smv/83st2kgN/89NtgGF8.302.9总惯（3）的计算密不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用型密封圈，当液压缸工作压O力小于时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：MPa10驱密F03.（4）的计算回F一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。经过以上分析计算，液压缸的驱动力为：8.30.364驱惯回密摩驱FF所以手臂伸缩驱动力N12驱4.4手臂伸缩液压缸参数计算经过上面计算，确定了液压缸的驱动力，因此选择液压缸的工作压力NF4102驱。MPa1（1）液压缸内径计算21图4.1双作用液压缸示意图当油进入无杆腔：421DPF驱当油进入油杆腔：)(22d驱所以（无杆腔）113.4PFD(有杆腔)2d式中手臂伸缩液压缸驱动力驱FN液压缸内径D)(m活塞杆直径d液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取95.0液压缸的工作压力1P)(MPa带入数据得：mFD0743.95.10423.1.46驱驱根据液压缸内径系列（JB826-66），选取液压缸的内径为：D8（2）活塞杆直径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，对于杆长大于直l径15倍的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。)15(dl按强度条件决定活塞杆直径按拉压强度计算：d2242dF驱设活塞杆材料为碳钢，碳钢，取MPa10Pa10即mFd72.4.36驱表4.1活塞杆直径系列（JB826-66）456810121416182022252830323540455055606365707580859095根据活塞杆直径系列（JB826-66）选取活塞杆直径。md8所以手臂伸缩液压缸主要参数为：表4.2液压缸参数液压缸内径D工作压力P活塞杆直径d驱动力F80mm1MPa8mm4720N235机械手手部计算及分析5.1手部设计基本要求1）应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。2）手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。3）在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂负载。4）应保证手爪的夹持精度。5.2手部力学分析通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手爪，采用滑槽杠杆式，夹紧装置采用常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下手爪闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而手爪张开。下面对其结构进行力学分析：在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为，并通过销轴中心点，两手指的FO滑槽对销轴的反作用力为和，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指1F12向点，交和的延长线于和。O12AB由得0x21得yFcosF1由得0)(MolbhN1又因为csah24所以NFab2cos手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）a工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角（a）（b）图5.1滑槽杠杆式手部结构原理图1手指2销轴3杠杆由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会FNF导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好。405.3夹紧力与驱动力的计算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、方向与作用点进行分析、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动的载荷，以使工件保持可靠的加紧状态。25手指对工件的夹紧力可按下式计算：GKFN321式中安全系数，通常；1K0.工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按,其中是重2gaK12力方向的最大上升加速度，是重力加速度，。响tVamxg2/8.9smg运载时工件最大上升速度；maxV系统达到最高速度的时间，一般选取；响t5.03.方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择；3K被抓取工件所受重力；G表5.1驱动力与液压缸工作压力关系图作用在活塞上外力F(N)液压缸工作压力MPa作用在活塞上外力F(N)液压缸工作压力MPa500005.08.0设,机械手达到最高响应时间为，求夹紧力，驱动30,8,40mbas5.0NF力和驱动液压缸的尺寸。F（1）设6.1K设ga2smV/70axst5.0响因此2max/14.5.t响所以03.89.12K设.326根据以上公式得：NFN4.2305.143.6（2）根据驱动力公式得：abN2.70.40cos8cos22计算由于实际所采取的液压缸驱动力要大于计算，考虑手爪的机械效率，一般取。9.085.（3）取85.0即NF6.9.273计算实际NF06.859驱（4）确定液压缸的直径D因为4)(2PdF实际选取活塞杆直径，选择液压缸工作压力。d5.0MPa18.0所以mPD427.)5.(18.0436.9).1(22实际根据液压缸内径系列（JB826-66），选取液压缸的内径为：D0则活塞杆直径为：.md25.5.0所以手部夹紧液压缸的主要参数为：表5.2液压缸参数液压缸内径D活塞杆直径d工作压力P驱动力F50mm25mm0.8MPa859.06N5.4手爪夹持范围计算为了保证手爪张开角为,设手爪长为，当手爪没有张开角的时候，根120m10据机构设计，它的最小夹持半径,当张开角为时,根据双支点回转型R4min12027手爪的误差分析，取最大夹持半径。mR60ax所以机械手的夹持半径为。405.5手爪夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也与机械手夹持误差大小有关，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的变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。图5.2手抓夹持误差分析示意图以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持半径为，一般夹持误差不超过,分析如