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小型 夹持 机械手 手臂 设计

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黄河科技学院本科毕业设计（论文）任务书 工 学院 机 械 系 机械设计制造及其自动化 专业 2008 级 3 班学号 学生 指导教师 毕业设计（论文）题目 小型夹持式机械手及手臂设计 毕业设计（论文）工作内容与基本要求（目标、任务、途径、方法，应掌握的原始资料（数据）、参考资料（文献）以及设计技术要求、注意事项等）一、设计技术要求、原始资料（数据）、参考资料（文献）机器人在现代工业中应用得特别广泛，而其与外界环境直接接触的部分是机械手，它可以代替人手，与外界环境中有毒以及有危害的物质直接接触以减少对人的危害，因此，设计机械手有特别重要的意义。本课题要求设计出一个小型夹持式机械手及手臂部分。能实现对5kg以内的物品夹持，同时实现翻转，抬起运动。在做本课题时，需要查阅机械制图、机械设计、机器人技术基础等资料。二、设计目标与任务设计出满足要求的小型夹持式机械手及手臂，并完成该机械手及手臂主要部分的装配图与部分零件图，查阅文献资料不少于12篇，其中外文资料不少于2篇。 1、文献综述一篇，不少于3000字，与专业相关的英文翻译一篇，不少于3000汉字。 2、毕业设计说明书一份，内容与字数都不少于规定的任务量。3、图纸若干（折合后不少于A1图纸3张，可以用计算机绘图）。 4、包含本次设计的所有内容的光盘一张。毕业设计（论文）撰写规范及有关要求，请查阅黄河科技学院本科毕业设计（论文）指导手册。三、时间安排1-4 周 完成开题报告、文献翻译、文献综述及总体方案设计5-10 周 完成总体设计、完成部分机构的装配图及部分零件图并撰写说明书10-12 周 修改论文、资格审查等13 周 毕业答辩毕业设计（论文）时间： 2012 年 2 月 13 日至 2012 年 5 月 15 日计 划 答 辩 时 间： 2012 年 5 月 19 日专业（教研室）审批意见：审批人签名：黄河科技学院毕业设计开题报告表课题名称小型夹持式机械手及手臂设计课题来源教师拟订课题类型AX指导教师学生姓名专 业机械设计制造及其自动化学 号一、调研资料的准备根据任务书的要求，在做本课题之前，查阅了与该课题相关的资料,学习了使用各种电脑软件绘图工具等等，有：机械制图、机械设计、机电一体化技术、机械制造工艺学与毕业设计指导手册等一系列与设计相关的材料。有：AUTOCAD，CAXA等二维绘图软件。二、设计的目的与要求 毕业设计是大学教学中最后一个实践性教学环节，通过该设计过程，可以检验我对所学知识融会贯通的程度，大量翻阅与课题相关的资料，丰富了自己的知识面，同时培养我处理工程中实际问题的能力，熟悉使用了制图软件，办公软件等等，提高了动手能力。因此对于这次的设计，我觉得意义特别重大。三、设计的思路与预期成果 1、设计思路这次设计的课题是小型机械手及手臂的设计，本课题应该先去了解其作用，市场前景等因素，然后先整体后局部，先抽象后具体。根据设计任务的要求，在搜集、归纳分析资料的基础上，明确系统的主要 功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案选优。深度理解机械手，及其手臂的整体结构，弄清楚各部分工作的原理及相互之间的作用关系；其次根据所选参数并结合实际因素，运用二维软件对各部分进行造型设计；最后参照已有的资料和多方经验，创造性的对机械手臂进行最佳的工艺过程安排。2、预期的成果 （1）设计出既符合使用要求又经济合理的数控工作台；（2）完成文献综述一篇，不少与3000字，与专业相关的英文翻译一篇，不少于3000字；（3）绘制装配图和部分零件图；（4）完成内容与字数都不少于规定量的毕业设计说明书一份；（5）刻录包含本次设计所有内容的光盘一张。四、任务完成的阶段内容及时间安排 2月17日之前完成开题报告；3月 2 日之前完成文献翻译；3月13日之前完成文献综述及总体方案设计；3月30日之前完成装配图和部分零件图的绘制；4月27日之前完成设计说明书；4月30日之前完成所有设计任务并修改；5月19日毕业答辩。五、完成设计所具备的条件因素 我已修完机械制图、机械设计、机电一体化技术、机械制造工艺学、机械制造技术基础、电工学、数控原理与系统、数控机床构造及毕业设计指导等课程，同时借助图书馆的相关文献资料并查询相关的网络等资源。 指导教师签名： 日期： 课题来源：（1）教师拟订；（2）学生建议；（3）企业和社会征集；（4）科研单位提供课题类型：（1）A工程设计（艺术设计）；B技术开发；C软件工程；D理论研究；E调研报告 （2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。2目 录 1任务书 1 2开题报告 23指导教师评阅表 4 4主审教师评审表 55毕业设计（论文）答辩评审与总成绩评定表 66毕业设计说明书 77文献综述44 8文献翻译54 9光盘 10设计图纸或实验数据记录黄河科技学院毕业设计说明书 第 II 页 小型夹持式机械手及手臂摘 要小型夹持式机械手由于可以代替人手，与外界环境中有毒以及有害的物质直接接触以减少对人的危害，并且具有能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大等特点而受到越来越广泛的重视。由于本设计要兼顾机械系统和控制系统的要求，因此在机械手液压控制系统的一般原理上进行了新的设计，并对机械手进行了轨迹规划，使它较好的达到了实际的设计要求。鉴于本项目中机械手的机械系统和控制系统的设计与实现工作已经基本完成，本文主要侧重于对液压控制部分的设计工作进行描述。首先，本文将概述小型夹持式机械手的基本组成和特点，并且阐述了国内外研究状况。其次，本文将对机械手的总体方案进行设计，并最终确定传动方案。再次，本文将详细阐述机械手的机械系统和液压控制系统的原理和设计过程。并给出示意图和图表加以说明。最后，本文将对机械系统和控制系统进行有机的结合，并对小型夹持式机械手及手臂进行了简单的轨迹规划。关键词：夹持式，机械手，轨迹规划Small-sized and Holding-styled Mechanical Hand Am Author :Wu di Tutor : Yang HansongAbstractThe small-sized and holding-styled mechanical hand has been emphasized more and more widely because it can take the place of human hands and therefore avoid the direct touch with toxic and harmful materials to lessen the harm to people; also it can work repeatedly without feeling weary and worrying the dangerous condition; at the same time it has more strength than human hands when snatching heavy goods. This design makes some innovations based on the general principle of the hydraulic pressure control system of mechanical hand to meet the need of mechanical system and control system. Also the design makes projects on tracks for mechanical hand to make it meet the practical design needs better. The paper mainly describes how to design the hydraulic pressure control system because the design and realization of mechanical system and control system has been completed basically in the project.First, we will expound the basic components and features of the small-sized and holding-styled mechanical hand in this paper; then we summarize the research status home and abroad.Second, we will design the general schemes for the mechanical hand and then select transmission for the final scheme.Next we will elaborate on the principle and designing process of the mechanical system and hydraulic pressure control system. Also we give sketch maps and charts to explain.Finally we combine the mechanical system with the hydraulic pressure control system organically and make simple projects on tracks of the small-sized and holding-styled mechanical hand and arm.Key words: holding-styled, mechanical hand, projects on tracks黄河科技学院毕业设计(文献综述) 第 8 页 毕业设计文献综述 院（系）名称工学院机械系 专业名称机械设计制造及其自动化 学生姓名 指导教师 学号2012年 03 月 10 日机械手设计摘要：机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。关键词 ：夹持、机械手、手臂、发展、原理、应用 前言随着科学与技术的发展, 机械手的应用领域也不断扩大.目前, 机械手不仅应用于传统制造业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能,航空,航天,医药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等服务业领域中.如,水下机器人,抛光机器人,打毛刺机器人,擦玻璃机器人,高压线作业机器人,服装裁剪机器人,制衣机器人,管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人,作战机器人,侦察机器人,哨兵机器人,排雷机器人,布雷机器人等军用机器人都是机械手应用的典型。机械手广泛应用于各行各业.而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺。一、机械手的历史它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。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。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。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和柔性制造单元FMC中的重要一环节。二、机械手的组成分类及驱动2.1 机械手的组成一般来说，机械手主要有以下几部分组成：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，主要起改变物件方向和位置的作用。3.驱动部分 它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压气压电力和机四种驱动形式。4.控制部分 它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。5.其它部分 如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。2.2 机械手的分类机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：1. 按使用范围分类：（1）专用机械手 一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。（2）通用机械手 指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工其的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。2. 按运动坐标型式分类：（1）直角坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X方向的移动)、左右移动(定为沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)；（2） 圆柱坐标式机械手 手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；（3）球坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)；（4）多关节式机械手 这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。3. 按驱动方式分类：（1）液压驱动机械手 以压力油进行驱动；（2）气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动；（3）电力驱动机械手 直接用电动机进行驱动；（4）机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。4. 按机械手的臂力大小分类：（1）微型机械手 臂力小于1；（2）小型机械手 臂力为110；（3）中型机械手 臂力为1030；（4）大型机械手 臂力大于30。2.3 机械手的驱动如前所述，机械手有四种驱动方式，而当中的液压与气压跟机械和电力相比，具有以下优点：1. 空间布局安装不受严格的空间限制，能构成其它方法难以组成的复杂驱动系统。2液压与气压驱动传递的运动均匀平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向。3. 操作控制方便，省力，易于实现自动控制、中远距离控制、过载保护。与电气控制、电子控制结合，易于实现自动工作循环和自动过载保护。4. 液压与气压元件属机械工业基础件，标准化、系列化和通用化程度较高，有利于缩短设计、制造和降低制造成本。基于以上几点，液压与气压驱动在生产中应用最为广泛。液压与气压作为机械手的两种常见驱动方式，其发展也对机械手的应用具有一定的促进作用。液压与气压都是以流体（液压油液或压缩空气）为工作介质进行能量传递和控制的。液压的优点是单位质量输出功率大，因为液压传动的动力元件可以采用很高的压力（一般可达32MPa,个别场合更高），因此，在同等输出功率下具有体积小、质量轻、运动惯性小、动态性能好的特点。而气压传动的突出优点是：介质李源极为方便，输出力小，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，冲击大，而且起源压力较低，因此，气压机械手抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以一般适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。相比之下，液压一般用于低速，重载和低污染的环境下。众所周知，液压驱动多年来一直以矿物型液压油为工作介质，然而油压存在着污染环境、易燃烧、浪费能源的严重问题，一方面有背于当今制造业环保、节能的发展方向，另一方面在一定程度上限制了液压技术的发展和应用。随着科学技术的进步和人类环保、能源危机意识的提高，除了继续使用高水基液作为液压介质外，促使人们重新认识和研究以纯水(不含任何添加剂的天然水(含海水和淡水)作为工作介质的“绿色”液压技术一纯水液压传动技术，并在近20年来使其不论在理论上还是在应用研究上，都得到了持续稳定地复苏和发展。纯水液压传动具有无污染危害，阻染性与安全性好、温升小，介质经济性好，维护监测成本较低，黏度对温度变化不敏感，压力损失小，发热小，传动效率高，流量稳定性好，系统的刚性大等技术优势。虽然纯水液压传动还存在泄漏与磨损、气蚀、液压冲击、振动和噪声、材料腐蚀与老化等技术难题，但随着新工艺、新材料以及新技术的不断出现和发展，终将会得以解决。未来，预计纯水液压将会是主要的发展热点和方向。三、机械手的应用意义及发展趋势3.1 机械手应用意义机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一(张志献，2002)。新世纪，生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故。在机械工业中，机械手的应用具有以下意义：3.1.1. 可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。3.1.2. 可以改善劳动条件、避免人身事故在高 温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。同时，在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3.1.3.可以减少人力，便于有节奏的生产应用 机 械 手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。3.2 机械手的发展趋势目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械数的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量产产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。集中体现到一下三个方面。3.2.1重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高, 它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等。3.2.2模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置, 使机械手运动自如。模块化机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是机械手的一个重要的发展方向。3.3 .3 机电一体化由“可编程序控制器- 传感器- 液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件, 使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”; 省配线的复合集成系统, 不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而PLC的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越可能。总结 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。机械工业的规模和技术水平是很亮国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序连接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动迁都非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用和好的解决了这种情况，他不存在重复的偶然失误，也能有效避免了人身事故。综上所述，随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺。参考文献1 吴振彪主编. 工业机器人M. 武汉：华中科技大学出版社，1997.2 熊有伦. 机器人学M. 北京：机械工业出版社，1993.3 熊有伦. 机器人技术基础M. 武汉：华中理工大学出版社，1996.4 余达太，马香峰等著. 工业机器人应用工程M. 北京：冶金工业出版社，1999.5 殷际英，何广平编著. 关节机器人M. 北京：化工工业出版社，1994.6 吴瑞祥编著.机器人技术及应用M. 北京：北京航空航天大学出版社，1994.7 蔡自兴.机器人学M. 北京: 清华大学出版社，2000.8 方建军，何广平编著. 智能机器人M. 北京：化工工业出版社，2002.9 张福学编著. 机器人学智能机器人传感技术M. 北京：电子工业出版社，1996.10 曲道奎. 机器人技术新进展. 2000高技术发展报告R. 北京科学出版社，2000.11 美迈克普瑞德科著，宗光华等译. 机器人控制器与程序设计M. 北京：科学出版社，2004.12 K.A.Tahboub.Natural and Manmade Share-Control Systems: An Overview, Proceedings of the 2001 IEEE, International Conference on Robot and Automation,2001.13 R.L.Wernli. AUVS-The Maturity of the Technology. OCEANS 99 MTS/IEEE Coference Proceedings.14 A.Tonge. Marlin. The UK Military UUV Programme-A Programme Overview. Proceedings of the International UUV Conference, Newport,RI,2000,(4):31-38.黄河科技学院毕业设计说明书 第 IV 页 目 录 1 绪论.1 1.1 课题研究的目的和意思.1 1.2 国内外研究状况.21.3 机械手的特点.21.4 机械手的组成.32 总体方案设计.42.1 机械手动作规划.42.2 传动方案的确定.42.2.1 手部方案的确定.52.2.2 手臂俯仰方案的确定.52.2.3 手臂回转方案的确定.63 机械手结构设计.73.1 手部设计.73.1.1 手指夹紧力的确定.73.1.2 手部结构设计.73.2 臂部结构设计. 9 3.2.1 手臂材料的选择. 9 3.2.2 手臂回转结构设计.103.2.3 手臂俯仰结构设计.154 机械手液压驱动系统设计.164.1 驱动方式的选择.164.2 驱动系统的设计计算.174.2.1 夹紧缸设计.174.2.2 手臂俯仰缸设计.224.3 液压系统原理图的拟定.25 4.3.1 夹紧系统原理图的拟定.25 4.3.2 俯仰系统原理图的拟定.25 4.3.3 系统合成.264.4 液压泵的计算.275 机械手轨迹规划.28结论.30致谢.31参考文献.32黄河科技学院毕业设计说明书 第 32 页 1 绪论1.1课题研究的目的和意义机器人是人类很早就梦想制造的、具有仿生性且处处听命于人的自动化机器，它可以帮助人类完成很多危险、繁重、重复的体力劳动。机器人技术是现代科学技术高度集成和交融的产物，它涉及机械、控制、电子、传感器、计算机、人工智能、知识库系统以及认识科学等众多学科领域，是当代最具有代表性的机电一体化技术之一。人类文明的发展、科技的进步已和机器人的研究、应用产生了密不可分的关系。为了适应社会的需求，各院校都比较重视机器人技术和控制技术等课程在机械设计及其自动化专业的开设，使培养的学生懂得机器人设计方面的技术。经过40多年的发展，现代机器人技术在工业、农业、国防、航空航天、商业、旅游、医药卫生、办公自动化及生活服务等众多领域获得了越来越普遍的应用。机器人技术不断进步与创新，所到之处使整个制造业乃至整个社会都发生了和正在发生着翻天覆地的变化。机器人是最具代表性的现代多种高新技术的综合体，它可以从某个角度折射出一个国家的科学水平和综合国力。由于社会的需求，造就了一批从事设计、开发和使用机器人的高级人才。而设计和开发的基础，是对机器人机械系统、感知系统和控制系统等的理解和掌握，才能较好的使用其中的资源来进行设计。故此本文介绍了机器人设计的基本理论，讨论了机器人本体基本结构的相关内容，描述了机器人控制器和传感器等的基本原理，然后再介绍机器人轨迹规划和静力分析方面的知识，使学生既懂得怎样设计一个机器人，同时能熟练地运用此设计理论。机器人技术是现代科学技术高度集成和交融的产物，计算机技术的不断肩部和发展使机器人技术的发展一次次达到一个新的水平。机器人涉及机械、控制、电子、传感器、计算机、知识库系统以及认识科学等诸多学科领域，成为高科技中极为重要的组成部分。人类文明的发展、科技的进步已和机器人的研究、应用产生了不可分的关系。机器人技术是当代最具代表性的机电一体化技术之一。机器人已广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。机器人在现代工业中应用得特别广泛，而其与外界环境直接接触的部分是机械手，它可以代替人手，与外界环境中有毒以及有害的物质直接接触以减少对人的危害，它具有能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大等特点。人类社会的发展已离不开机器人技术，而机器人技术的进步又对推动科技发展起着不可代替的作用。因此，设计机械手有特别重要的意义。1.2国内外研究状况目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展推动了机器人学的建立，许多国家成立了机器人协会，美国、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学学位。20世纪70年代以来，许多大学开设了机器人课程，开展了机器人学的研究工作，如美国的MIT、RPI、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、Univ of California等大学都是研究机器人学富有成果的著名学府。随着机器人学的发展，相关的国际学术交流活动也日渐增多，目前最有影响的国际会议是IEEE每年举行的机器人学及自动化国际会议，此外还有国际工业机器人会议(ISIR)和国际工业机器人技术会议(CIRT)等。出版的相关期刊有“Robot Today”、“Robotics Research”、“Robotics and Automation”等多种。我国的机器人技术起步较晚，约于20世纪70年代末、80年代初开始。20世纪90年代中期，6000以下深水作业机器人试验成功，以后的近10年中，在步行机器人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国际前沿领域逐步缩小了与世界先进水平的差距。1.3机械手的特点机械手最显著的特点有以下几个:（1） 可编程 生产自动化的进一步发展是柔性自动化。机械手可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。（2） 拟人化 能模仿人手和手臂的某些动作功能，用来按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全（3） 通用性 除了专门设计的专用机械手外，一般机械手在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换机械手部末端操作器(手爪、工具等)便可执行不同的作业任务。1.4机械手的组成作为一个系统，一般来说，机械手由三部分、六个子系统组成。这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机械手-环境交互系统、控制系统等。（1） 驱动系统驱动系统主要指驱动机械系统的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为电动、液压、气动以及把它们结合起来应用的综合系统。（2） 机械系统 机械系统又称操作机或执行机构系统，它由一系列连杆、关节或其他形式的运动副所组成。机械系统通常包括臂关节、腕关节和手爪等，构成一个多自由度的机械系统。（3） 感知系统感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有用的信息。（4） 控制系统 控制系统的任务是根据机械手的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机械手的执行机构完成规定的引动和功能。（5） 机械手-环境交互系统 工业机械手-环境交互系统是实现机械手与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。（6） 人机交互系统人机交互系统是使操作人员参与机械手控制并与机械手进行联系的装置，一般来说，人机交互系统可分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。2 总体方案设计 设计机械手的第一步是进行总体方案设计，即在充分调查研究的基础上，进行可行性分析论证，确定夹持机械手的使用范围、夹持方法、初选各部件的结构和总体布局等。这是整台机器技术设计的依据。因此，在拟定总体方案时，必须全面地考虑，使确定的方案既先进有经济效益高。2.1机械手动作规划本设计要求机械手能实现对5kg以内物品的夹持，同时实现翻转，抬起运动。为了满足设计要求，首先要考虑所要设计的机械手的自由度。在三维空间描述一个物体的位置和位姿需要6个自由度。机械手的自由度是根据用途而设计的，可能小于也可能大于6个自由度。本次设计的机械手具有两个自由度，即机械手的翻转、抬起运动，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。如图2.1所示： 图2.1 机械手动作规划示意图2.2传动方案的确定 传动方案反映运动和动力传递路线和各部件的组成和联接关系。合理的传动方案首先要满足机器的功能要求，例如传动功率的大小，转速和运动形式。此外还要适应工作条件（工作环境、场地、工作制度等），满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护便利、工艺性和经济性合理等要求。同时满足这些要求是比较困难的，因此要通过分析比较多种方案，来选择能保证重点要求的较好的传动方案。2.2.1 手部方案的确定手部最重要的部分是机械夹持器，首先它应具有夹持和松紧的功能。夹持器夹持工件是，应有一定的力约束和形状约束，以保证被夹持工件在移动、停留和装入过程中，不改变姿态。当需要松开工件时，应完全松开，另外它还应保证工件夹持姿态在现几何偏差在给定的公差带内。机械夹持器可分为圆弧开合型、圆弧平行开合型和直线平行开合型。本次设计选用圆弧开合型，这种类型在传动机构带动下，手指指端的运动轨迹为圆弧，两手指绕支点做圆弧运动，同时在对工件进行加紧和定心。这类夹持器对工件被夹持部位的尺寸有严格要求，否则可能会造成工件状态失常。其结构如图2.2所示。 图2.2 手爪示意图2.2.2 手臂回转方案的确定手臂回转机构有回转轴、轴承和驱动机构组成。驱动机构有直接驱动和间接驱动等形式。如图2.3所示，驱动机构和回转轴同轴，这种形式直接驱动回转轴，回转轴通过轴承的支撑和导向作用，带动手臂回转，这种结构有较高的定位精度。 图2.3 手臂回转运动示意图回转机构中轴承起着相当重要的作用，用于转到关节的轴承有多种形式，球轴承是机械手结构中最常用的轴承。球轴承能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴承和轴承座的刚度不敏感。至于手臂回转轴承的选择将在以下章节用介绍。2.2.3 手臂俯仰方案的确定机械手手臂俯仰运动通常采用摆臂油（气）缸驱动、铰链连杆机构传动实现手臂的俯仰，本次设计采用油缸驱动。如图2.4所示，手臂俯仰运动用的活塞缸位于手臂下方，其活塞杆和手臂用铰链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接。 图2.4 手臂俯仰运动示意图3 机械手结构设计 对小型夹持机械手及手臂结构设计的主要内容为：手部设计、手臂回转设计和手臂俯仰设计。3.1手部设计机械手的手部也叫做末端执行器，它是装在机械手手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。手部主要具有以下特点：（1） 手部和腕部相连处可拆卸。（2） 手部是机器人末端执行器。（3） 手部的通用性比较差。（4） 手部是一个独立的部件。3.1.1 手指夹紧力的确定 为了增大夹紧力，在机械手手爪加紧面上加上橡胶，通过增大摩擦系数来加大夹紧力。 选择被夹物体的材料为铁，则摩擦系数=0.45。由于设计要求能夹持5kg重的物体，所以，夹紧力为： （3.1） =108.9（N）3.1.2 手指结构设计手部设计和选用时最主要的是满足功能上的要求。首先要考虑的是要抓握什么样的工件，本次设计选用被夹持物体的材料为铁，其密度，形状尺寸为圆柱体，选取高= ，则被夹持物体的半径为： = （3.2）则夹紧时手爪作用点之间的距离为2R。机械手通常利用手指与工件接触面间的摩擦力来夹持工件。工件在被夹持的过程中，从静止状态开始可能有多种运动形式。在不同的运动状态下，工件的受力情况是不同的，当工件处于静止或匀速移动状态下时，工件除了与手爪的作用力外，所承受的只用重力；当工件加速运动时，其受力情况还应考虑惯性力的影响。因此，在设计时，应对夹持器的各种工作状态进行分析，使其结构能提供必学的夹持力。根据经验和查阅相关资料，手部机构设计如下图： 图3.1 手爪设计分析图 图中,e为支持器活塞中心至手指支点的距离；为手指支点至指端（与工件接触点）的长度；为手指支点销轴的半径；为液压缸所需要提供的轴向作用力；为手指回转有效分力，=；为垂直分力，；为单手指指端作用力（加持力）；为压力角；为构件间相互摩擦系数。由图可知手指对手指支点的力矩平衡式为 整理得 考虑到手指夹持工件时，若忽略摩擦影响（），则上式可简化为 （3.3）根据经验和设计要求，并考虑手部结构的特征，取=20,=60则所需提供轴向作用力为 =3.2 臂部结构设计机器人的手臂由大臂、小臂（或多臂）组成。手臂的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电动驱动几种形式，其中电动形式最为通用。臂部设计需要注意以下问题：(1) 承载能力足。不仅要考虑抓取物体的重量，还要考虑运动时的动载荷。(2) 刚度高。为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，应合理选择手臂的截面形状。工字形截面弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴的大得多，所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。(3) 导向性能好，动作迅速、灵活、平稳，定位精度高。为防止手臂在直线运动过程中沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。由于臂部运动速度越高，定位前惯性力引起的冲击也就越大，运动不平稳，定位精度也不高。因此，除了臂部设计力求结构紧凑，重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。(4) 重量轻、转动惯量小。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量。(5) 合理设计与腕和机身的连接部位。臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响机器人的外观。3.2.1 手臂材料的选择机械手手臂材料应根据手臂的工作状况来选择。根据设计要求，手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。而另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。因此，选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。机械手手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时不应有变形和断裂。从力学角度看，即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料，如钢、铸铁、合金钢等。机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料制作手臂，其中，非金属材料有尼龙6、聚乙烯(PEH)和碳素纤维等；金属材料以轻合金(特别是铝合金)为主。因此，本次设计选择手臂的材料为铝合金。3.2.2 手臂回转结构设计回转运动用步进电动机直接驱动实现手臂回转，如图2.3所示。这种结构具有结构紧凑，体积小，运动灵活，响应快，精度高等特点。回转运动结构设计最主要的是对电动机、轴承和联轴器等设计。1、 步进电动机概论手臂回转运动采用步进电动机驱动，电机轴与回转轴用联轴器进行联接。步进电动机一般作为开环伺服系统的执行机构，有时也用于闭环伺服系统，它是一种将脉冲电信号转换为角位移或直线位移的一种D/A转换装置。按照输出位移的不同，步进电动机可分为回转式步进电动机和直线式步进电动机。机器人中一般采用回转式步进电动机。如果把步进电动机装在机器人回转关节轴上，则接收一个电脉冲，步进电动机就带动机器人的关节轴转过一个相应的角度。步进电动机连续不断地接收脉冲，则关节轴连续不断地转动。步进电动机转过的角度与接收的脉冲数成正比。步进电动机具有下列优点：（1） 输出角度精度高，无积累误差，惯性小。步进电动机的输出精度主要由步距角来反映。所谓步距角是指步进电动机接收一个脉冲电信号其输出轴转过的角度。目前步距角一般可以做到0.0020.005甚至更小。步进电动机的实际步距角与理论步距角总存在一定的误差，这误差在电动机旋转一周的时间内会逐步积累，但当电动机旋转一周后其转轴又回到初始位置，使误差回到零。（2） 输入和输出呈严格的线性关系。输出角度不受电压、电流及波形等因素的影响，取决于输入脉冲数的多少。（3） 容易实现位置、速度控制，起、停及正、反转控制方便。步进电动机的位置(输出角度)由输入脉冲数确定，其转速由输入脉冲的频率决定，正、反转(转向)由脉冲输入的顺序决定，而脉冲数、脉冲频率、脉冲顺序都可方便地由计算机输出控制。（4） 输出信号为数字信号，可以与计算机直接接口。（5） 结构简单，使用方便，可靠性好，寿命长。步进电动机按照励磁方式分有反应式、永磁式和混合式。这里以反应式步进电动机为例说明其工作原理。如图3.2所示为单定子、径向分相三相反应式伺服电动机的结构原理图。与普通电动机一样，该电动机有定子和转子两部分，其中定子又分定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，其形状如图下图所示。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的N、S极。在定子的每个磁极即定子铁心上每个齿又开了5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角是9，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距。当A相磁极上的小齿与转子上的齿对齐时，B相磁极上的小齿刚好超前或滞后转子上的齿1/3齿距角，C相磁极超前或滞后2/3齿距角。1 定子绕组；2定子铁心；3转子；4A相磁通图3.2 伺服电动机结构原理图当A相绕组通电时，转子上的齿与定子AA上的小齿对齐。若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的小齿对齐，转子沿顺时针方向转过3。如果控制线路不断地按ABCA的顺序控制步进电动机绕组的通、断电，步进电动机的转子则不停地顺时针转动。若通电顺序改为ACAA，步进电动机的转子将逆时针转动。这种通电方式称为三相单三拍通电方式。通常为了得到小的步距角和较好的输出性能，用三相六拍通电方式，其通电顺序为AABBBCCCAA(顺时针)和AACCCBBBAA，相应地绕组的通电状态每改变一次，转子转过1.5。步进电动机的步距角可用下式表示 （3.4）式中： 为步进电动机的步距角；为定子绕组的相数；为转子的齿数；为通电方式常数，相拍通电时=1，相2拍通电时=2。步进电动机运动系统主要由步进电动机控制器、功率放大器及步进电动机组成。硬件步进电动机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成。它的作用是把代表转速的脉冲数分配到电动机的各个绕组上，使电动机按既定的方向和转速转到相应的位置。2、 步进电动机的选择根据需要，本设计回转运动选用5相PK系列单转轴步进电动机，型号为PK564-A 。5相PK系列为1转500分割（0.72/step）的高转矩低振动型步进电动机。为了适应所有的驱动方式，导线规格设计为10条导线。其实体模型如图3.3所示： 图3.3 步进电机实体图和其配套使用的还有安装底座、弹性联轴器、制振器等。步进电动机的尺寸参数如下图： 图3.4 步进电机结构尺寸图其中： L1=46.5mm，L2=69.5。步进电动机的其它规格如表3.1： 表3.1 步进电动机规格安装尺寸mm品名保持转矩 转到惯量额定电流A/相线圈电阻 /相基本步距角重量60PK564-A步进电动机的转矩转速特性如下图： 图3.5 步进电动机的转矩转速特性图3、 电机转矩校核由于所夹持工件为回转体，且回转过程为匀速转动，所以不会裁成转矩。在转到过程中，只有轴承和联轴器产生的摩擦，以及手爪结构不平衡产生的力矩。由于这些转矩损失非常小，可以忽略不计，因此所选电动机满足设计要求。4、 联轴器的选择（1） 类型选择为了隔离振动与冲击，并保证较高的定位精度，选用弹性无齿隙联轴器。（2） 载荷计算从表1得知电动机公称转矩由机械设计表14-1，即表3.2，查得,故由机械设计式（14-3） （3.5）得计算转矩为 表3.2 工作情况系数K工作机 K原动机分类工作情况及举例电动机汽轮机双缸内燃机单缸内燃机1转矩变化很小，如发电机、小型离心泵1.31.82.02转矩变化小，如透平压缩机、运输机1.52.02.43转矩变化中等，如搅拌机、增压机、冲床1.72.22.64转矩变化和冲击载荷中等，如织布机、拖拉机1.92.42.85转矩变化和冲击载荷较大，如造纸机，碎石机2.32.83.26转矩变化大并有极强烈冲击载荷3.13.64.0（3） 型号选择从 4324-84中查得TL1型弹性联轴器的许用转矩为,许用最大转速为8800，轴径为614mm之间，故合用。5、轴承的选择根据工作条件决定选用角接触球轴承。由于受回转体结构尺寸的限制，选择左端支撑轴承型号为7012，右端支撑轴承型号为7000。根据经验数据和估算，确定所选轴承满足设计要求。3.2.3 手臂俯仰结构设计手臂俯仰结构如图2.4所示，手臂俯仰机构采用液压缸直接驱动。俯仰机构中要有控制手臂仰起角度的机构，如图3.6所示。 图3.6 手臂俯仰结构示意图当手臂仰起到一定角度时，手臂尾部将被立柱挡住而不能继续仰起，从而控制手臂俯仰范围。这种机构结构简单，灵活性好，可靠性高。手臂俯仰结构设计最主要的是对俯仰液压缸进行设计，对手臂俯仰缸的设计将在以后章节中介绍。4 液压驱动系统设计对液压系统进行设计，应该明确液压传动系统设计、计算的步骤和方法。液压系统的设计必须重视调查研究，注意借鉴别人的经验。一般来说，液压系统设计应着重解决的主要问题是满足工作部件对力和运动两方面的要求。在满足工作性能和工作可能性的前提下，应力求系统简单、经济且维护方便。具体的设计步骤如下：（1） 明确设计依据，进行工况分析（2） 初步确定液压系统参数（3） 拟定液压系统原理图（4） 计算、选择或设计液压元件4.1驱动方式的选择驱动部分是机器人系统的重要组成部分，机器人的驱动方式可分为以下几类:（1） 气压驱动 使用压力通常在 0. 40. 6Mpa，最高可达 1Mpa。气压驱动主要优点是气源方便 (一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气)，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，可以在高温、粉尘等恶劣的环境中工作。气压驱动的缺点是功率质量比小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高。适用于易燃、易爆和灰尘大的场合。（2） 液压驱动 液压驱动系统用2-15Mpa的油液驱动机器人，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高，快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速。用电液伺服控制液体流量和运动方向时，可以使机器入的轨迹重复性提高。液压驱动的缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多用于要求输出力较大，运动速度较低的场合。（3） 电气驱动 电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动己经成为最普遍，应用最多的驱动方式，90年代后生产的机器人大多数采用这种驱动方式。由于机械手的回转运动驱动负载小，要求结构简单、定位精度高，所以选用了电气驱动方式。即手臂旋转采用步进电动机做执行机构。而夹紧和抬起运动要求体积小、质量比大、驱动平稳，所以选用液压驱动方式。即采用单杆液压缸对工件进行夹紧，手臂的抬起运动靠液压缸来实现。电气驱动和液压驱动相结合，使得整个系统具有结构紧凑，成本低廉，操作方便等优点，适合于小型夹持式机械手。4.2 机械手液压驱动系统的设计计算液压驱动系统的设计是整机设计的一部分，在目前液压系统的设计主要还是经验法，即使使用计算机辅助设计，也是在专家的经验指导先进行的。对液压系统进行设计计算，必须明确液压系统的动作和性能要求，例如，执行元件的运动方式、行程范围、负载条件、运动的平稳性和精度、工作循环和动作周期、工作可靠性要求等。同时还要考虑到液压系统的工作环境。所以应根据实际情况和具体设计要求来对液压系统进行设计。4.2.1 夹紧缸的设计1、 计算液压缸的总机械载荷根据机构的工作情况，总机械载荷 （4.1）式中 工作载荷，已知为653N； 密封阻力； 回油背压形成的阻力。（1） 的计算 =（N） （4.2）式中 克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力（），液压缸选O型密封圈，设液压缸工作压力16，由相关设计手册查得0.3，取=0.1； 进油工作腔有效作用面积（），此值属未定数值，初估为2。 启动时 = 运动时 =（2） 的计算回油背压形成的阻力按下式计算 = （4.3）式中 回油背压，一般为，取=； 无杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2，已经初估=2=4。各值代入上式 = 分析液压缸各工作阶段受力情况，得知在工进阶段受力最大，作用在活塞上的总机械载荷为 =653+10+120=783（N）2、 确定液压缸的主要尺寸和工作压力按经验数据确定系统工作压力。工作压力 （4.4）液压缸工作腔有效工作面积 因差动比为1：2，所以=2=15.6活塞直径 D=活塞杆直径 计算所得的液压缸内径和活塞杆直径应圆整为标准系列，根据8液压传动与控制M表5-3及表5-4，取标准直径，则工作压力 取。在确定液压缸活塞面积之后，还要按最低进给速度验算液压缸尺寸。设液压缸有效工作面积为，则 （4.5）式中 流量阀最小稳定流量，取调速阀最小稳定流量40mL/min； 活塞最低进给速度，本设计取20mm/min； 液压缸有效工作面积。根据上面计算值，得 =又，所以 说明液压缸尺寸满足活塞最小稳定速度要求。3、 液压缸活塞宽度B的确定对于一般的液压缸，活塞宽度 B=（0.61.0）D （4.6）根据结构需要，取B=0.6D=0.625=15mm4、 活塞缸缸体壁厚的确定液压缸的壁厚可根据结构设计来确定。本设计取=3mm5、 液压缸行程的确定 液压缸的行程见参考文献8液压传动与控制M表5-5活塞行程系列。根据设计需要，选。6、 液压缸的长度L的确定按经验数据并结合液压缸的其它尺寸，取液压缸的长度L=92。7、 活塞杆长度的确定活塞杆直径确定之后，还需根据液压缸的长度确定活塞杆长度。8、 液压缸的安装方式国际标准规定了单杆液压缸的安装方式，本次设计采用加长拉杆穿过安装板的安装方式进行安装。9、 液压缸的强度和刚度校核（1） 缸筒壁厚的校核由于工作压力不高，缸体内径也不大，所以不必进行强度校核。（2） 液压缸缸盖固定螺栓直径校核液压缸缸盖固定螺栓在工作过程中，同时承受拉应力和剪切应力，根据液压缸结构取螺栓直径，其螺栓直径可按下式校核 （4.7）式中 K 螺栓拧紧系数，取K=1.5； F液压缸最大作用力，前面已经计算得知F=783N； Z螺栓个数，Z=4；螺栓材料的许用应力， =，螺栓材料的屈服极限；取螺栓材料为，查材料力学表2.1，即如下表4.1，得=，为安全系数，一般取=，此处取。将以上数值代入公式 成立满足要求。 表4.1 几种常用材料的主要力学性能材料名称牌号普通碳素钢Q235Q23521623525527537346149060825271921优质碳素结构钢40453333535695981916普通合金结构钢Q345Q39027434333341247151049054919211719合金结构钢2040540785835980109碳素铸钢ZG170-50027050018可锻铸铁KTZ450-064506()球墨铸铁QT450-1045010()灰铸铁HT150120175（3） 活塞杆强度及稳定性校核活塞杆直径可按下式校核强度 （4.8）式中 活塞杆材料的许用应力，为材料抗拉强度，取活塞杆材料为钢，由表4.1得；为安全系数，一般取1.4。 F活塞杆所受负载；将以上数值代入公式 成立满足要求。4.2.2 手臂俯仰液压缸设计1、 确定液压缸的牵引力F根据机构的工作情况，液压缸受力如图10所示。牵引力 （4.9） 图4.1 液压缸受力分析示意图其中 支撑点左端机械手手臂的重力； 支撑点右端配重块的重力； 支点支撑力。据手臂材料和结构尺寸估算其重量，然后在手臂尾部加配重块，则手臂在支点支撑作用下基本上保持平衡状态，因此只需较小的牵引力就能满足设计要求。取F=200。2、 去定液压缸的结构尺寸和工作压力按经验数据确定系统工作压力。工作压力 液压缸工作腔有效工作面积 活塞直径 D=因差动比为1：2，所以活塞杆直径 计算所得的液压缸内径和活塞杆直径应圆整为标准系列，根据液压传动与控制表5-3、表5-4，取标准直径，则工作压力 取。3、 液压缸活塞宽度B的确定对于一般的液压缸，活塞宽度由式（4.6） B=（0.61.0）D根据结构需要，取B=0.6D=0.616=9.6mm4、 活塞缸缸体壁厚的确定液压缸的壁厚可根据结构设计来确定。本设计取=。5、 液压缸行程的确定液压缸的行程见8液压传动与控制M表5-5活塞行程系列。根据设计需要，选。6、 液压缸的长度L的确定按经验数据并结合液压缸的其它尺寸，取液压缸的长度L=70。7、 活塞杆长度的确定活塞杆直径确定之后，还需根据液压缸的长度确定活塞杆长度。8、 液压缸的强度和刚度校核（1） 缸筒壁厚的校核由于工作压力不高，缸体内径也不大，所以不必进行强度校核。（2） 液压缸缸盖固定螺栓直径校核液压缸缸盖固定螺栓在工作过程中，同时承受拉应力和剪切应力，根据液压缸结构取螺栓直径，其螺栓直径可按式（4.7）校核 式中 K 螺栓拧紧系数，取K=1.5； F液压缸最大作用力，前面已经计算得知F=200N； Z螺栓个数，Z=4；螺栓材料的许用应力， =，螺栓材料的屈服极限；取螺栓材料为，查表4.1得=，为安全系数，一般取=，此处取。将以上数值代入公式 成立满足要求。（3） 活塞杆强度及稳定性校核活塞杆直径可按式（4.8）校核强度 式中 活塞杆材料的许用应力，为材料抗拉强度，取活塞杆材料为钢，由表4.1查得；为安全系数，一般取。 F活塞杆所受负载；将以上数值代入公式 成立满足要求。4.3液压系统原理图的拟定4.3.1 夹紧系统原理图的拟定如图4.2所示，此夹紧过程通过液压缸直接驱动。当电磁铁1DT得电时，压力油通过换向阀左位进入液压缸有杆腔，液压缸将驱动末端执行器对工件进行夹紧，当电磁铁1DT失电，而电磁铁2DT得电时，压力油通过换向阀右位进入无杆腔，驱动液压缸松开工件。 图4.2 夹紧系统原理图4.3.2 俯仰系统原理图的拟定如图4.3所示，当电磁铁3DT得电时，压力油通过换向阀左位进入液压缸无杆腔，液压缸将驱动手臂仰起，当电磁铁3DT失电，而电磁铁4DT得电时，压力油通过换向阀右位进入无杆腔，液压缸将驱动手臂俯下。 图4.3 俯仰系统原理图4.3.3 系统合成如图4.4所示，机械手运动部分由压力油直接驱动。油泵采用限压式变量叶片泵。系统的工作压力用溢流阀来调节，各油缸的运动速度用节流阀来调节。机械手夹紧运动和手臂俯仰运动，采用适时切换油路节流减速缓冲。各电磁换向阀电磁铁动作情况如表4.2所示。 表4.2 电磁换向阀电磁铁动作情况分析表 电磁铁序号动作名称1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT机械手夹紧工件 - - - -+ - -机械手松开工件 - - - -