组合机床自动上料液压机械手设计毕业设计

1、本科毕业设计（论文）资料第一部分 设计说明书摘 要随着科学技术的发展，人类社会进入了一个以自动化和电子技术为标志的新时代。自动化机械大量应用于工业工程中，其中工业机械手的应用最为广泛。工业机械手是一种模仿人手动作的机器，可以取代很多的人工操作，并可以取得更高的效率。本文介绍了用于夹持外圆件的上料机械手的设计。它采用液压驱动，plc系统控制，动作平稳，控制方便。本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体座标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。介绍了自动上料液压机械手的设计理论与方法。简略的讨论了自动上料机械手的自动控制系统、液压系统、手部、腕部、手臂等主

2、要部件的结构设计。关键词： 机械手，液压传动，自由度abstract with the development of technology, the human society entered a modern ear for with automation with electronics technique for marking. automation machine large quantity is applied in industry engineering inside, among them the application of the industry machine ha

3、nd is the most extensive. the industry machine of a kind of mimicry hand action, can replace a lot of artificials operate, combining can obtain the higher efficiency.this thesis introduces to used for clipping to hold the outside circle a design for and down anticipating machine hand. it adopts the

4、liquid presses to drive, ordering a procedure control, acting steady, control convenience.the paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.at the same time,the paper gives out the primary specification parameter of

5、 this manipulator.article introduces autotransmitting hydraulic design theory and method of the manipulator. briefly discussed autotransmitting manipulator automatic control systems, hydraulic system, hand and wrist, arm and the fuselage of the main parts of structure design, etc.key phrase ： manipu

6、lator， liquid presses ，degree of freedom目录一 绪论1（一）研究背景及发展动向11 机器人与机械手的背景12 机械手的发展前景13 机械手的组成2（二）液压传动技术的发展动态向及应用情况31液压传动技术的发展动态32液压传动技术的应用3（三）液压传动的特点31液压传动的优点32液压传动的缺点4二 总体方案设计5（一）方案设计51 黑箱结构52机械手动作及工作范围的确定53驱动与控制方式的选择5（二）机械手的运动分析6三 机械手手部的设计计算8（一）机械手手爪的设计计算81选择手爪的类型及夹紧装置82夹紧力及驱动力的计算103手抓夹持范围计算114机械手手

7、抓夹持精度的分析计算125弹簧的设计计算12四 腕部的设计计算15(一) 腕部的结构151概述15（二）腕部的设计计算15（三）手腕驱动力的计算16（四）液压缸盖螺钉的计算16（五）动片和输出轴的连接螺钉的计算18（六）腕部轴承选择19五 臂部的设计计算20(一）臂部的结构201概述20（二）手臂的典型运动机构202 手臂运动机构的选择20（三）伸缩臂机构结构设计211手臂直线运动的驱动力计算212伸缩运动液压缸工作压力和结构的确定22（四）臂部回转缸的结构设计241臂部回转运动的分析计算242回转缸尺寸的初步确定253液压缸盖螺钉的计算254动片和输出轴间的连接螺钉的分析计算26（五）臂部升

8、降缸的结构设计271臂部升降运动的分析计算272轴承的选择分析29（六）底座与手臂连接处的螺栓直径的确定301计算倾覆力矩302计算受力最大的螺栓承受的工作载荷303确定每个螺栓所需的预紧力304确定螺栓直径30六 液压系统的设计32（一）液压系统简介321液压系统的组成322机械手液压系统的控制回路32（二）机械手的工作原理分析341各缸运动过程分析35七 机械手的电气控制系统设计37（一） 手动控制系统图37（二） 机械手自动方式状态图37（三）机械手独立控制面板设计图38结论 40参考文献41致 谢 42湖南工业大学本科毕业设计（论文）一 绪论（一）研究背景及发展动向1 机器人与机械手的

9、背景机器人的研制，20世纪50年代中期始于美国，50年代末出现机器人的工业产品。随后，日本、苏联和欧洲各国相继发展该项技术。中国于1972年开始研制机器人。机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，机械手是机器人的一个非常重要的分支，它的优点是可以通过编程来完成各种预期的任务，在构造和性能上有了人和机器人的各自优点，尤其体现在人的智能和适应性，机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在服务中国现代化荆棘有着不可代替的作用。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器

10、各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果，受到机械工

11、业的重视。2 机械手的发展前景工业机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。工业机械手控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器

12、人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。3 机械手的组成工业的机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。（1）执行机构手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需

13、要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、楔块杠杆式、齿轮齿条平行连杆式、内撑连杆式、右丝杠螺母式、弹簧式和重力式。腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液

14、压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的

15、静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。（二）液压传动技术的发展动态向及应用情况1液压传动技术的发展动态近年来，液压传动由于应用了电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术、磨差磨损技术及新工艺、新材料等后取得了新的发展，使液压系统和元件在水平上有了很大提高，它已经成为工业机械、工程建设机械及国防尖端产品不可缺少的重要手段。液压传动向自动化、高精度、高速化、高功率密度（小型化、轻量化）方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争力关键。液压技术作为现代

16、传动与控制的重要组成部分，将不断扩大应用领域，保持强大的竞争力，不断向前发展。2液压传动技术的应用液压传动技术发展到今天已经拥有较为完善的理论和实践基础。虽然液压传动还存在一些缺陷，但总体上优点还是盖过了缺点。正因为液压传动具有很多机械传动所不具备的优点，液压传动技术在机械工业的各个领域得到了广泛的应用，如：矿山机械、工程机械、冶金机械、建筑机械、起重机械等。液压技术的应用实现了从手动到半自动化、自动化的逐步发展，从而也推动了机械工业的向前发展。在整个机械传动工程中，液压传动技术扮演了举足轻重的角色。 （三）液压传动的特点1液压传动的优点液压传动技术与传统的机械传动相比，液压传动操作方便简单，

17、调速范围广，很容易实现直线运动，具有自动过载保护功能。液压传动容易实现自动化操作，采用电液联合控制后，可以实现更高程度的自动控制以及远程遥控。液压传动系统可以灵活布置各个元件，由于工作介质为矿物油，良好的润滑条件延长了元件的使用寿命。2液压传动的缺点由于液压传动的工作介质是流体矿物油，因而沿程、局部阻力损失和泄漏较大，泄漏的矿物油将直接对环境造成污染，有时候还容易引发各种安全事故。液压油受温度的影响很大，因而不能在很高或很低的温度条件下工作。因为液压油存在一定的压缩性，所以液压传动的传动比不恒定，不能保证很高的传动精度。密封状况的好坏对液压传动影响很大，因而液压元件必须具有较高的制造精度。液压

18、传动的故障排除不如机械传动、电气传动那样容易，因此对维护人员有较高的技术水平要求。 二 总体方案设计（一）方案设计1 黑箱结构如下图所示 图2.1 设计方案2机械手动作及工作范围的确定工件首先被机械手夹持，然后再随之一起运动。其周期运动可以表现为（按动作顺序）：夹紧工件-手腕回转-大臂上升-大臂回转-手臂延伸-放松工件-手腕反转-手臂收缩-大臂反转-大臂下降。机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下：手臂伸缩行程范围0-500mm；手臂升

19、降行程范围0-300mm；手臂回转行程范围0-90；手腕回转角度范围90；3驱动与控制方式的选择 传动系统如果机械手采用机械传动，则自由度少，难于实现特别复杂的运动。而对于组合机床自动上料的机械手，其工件的运动需要多个自由度才能完成，故不宜采用机械传动方案。如果机械手采取气压传动，由于气控信号比光、电信号慢得多, 且由于空气的可压缩性，工作时容易产生抖动和爬行，造成执行机构运动速度和定位精度不可靠，效率也较低。电气传动必须有减速装置和将电机回转运动变成直线运动的装置，结构庞大，速度不易控制。气液联合控制和电液联合控制则使系统和结构上很复杂。综上所述，我们选择液压传动方式。 控制系统也有不同的类

20、型。除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。根据设计要求，选择智能控制方式中的plc程序控制方式，这样可以使机械手的结构更加紧凑和完美。手部机构形式多样，但综合其总体构型，可分为：气吸式、电磁式和钳爪式3种。根据本组合机床加工工件的特征（导卫轮、精密铸钢件），选择钳爪式手部结构。驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小

21、，且根据本机械手坐标形式分析分析本机械手臂的运动形式及其组合情况，采用圆柱坐标形式。 参考工业机器人表9-6和表9-7，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的plc控制，圆柱坐标形式。（二）机械手的运动分析机械手的动作循环（工件平放）：夹紧工件手腕上翻90大臂上升300mm大臂回转90手臂延伸500mm放松工件手腕下翻90手臂收缩500mm大臂回转90大臂下降300mm。本机械手的工作频率是6次/min，即10s/ 次，也就是说，要在10s时间内完成上述工作循环图中的一次循环。若采用分步运动的话，那么上述平均每一个动作必须在1.25s 内完成，这样必定增加动作的难

22、度和结构的复杂性。因此，我们在整个运动过程中都将采用协调运动，这样可缓减每个动作的紧迫性。 图2.2 机械手运动流程图从t=0时开始，机械手夹紧工件，用时0.5s；t=1时，大臂开始做上升运动，运动速度v=150mm/s, 共2s；与此同时开始的还有手腕回转90，用时1s；在t=1.5s时，手臂开始回转，转90，用时1.5s；在t=2s时，手臂开始延伸，行程500mm，速度v=250mm/s, 用时2s；至此工件传输到位，手部放松用时0.5s,上述运动完成共用时4.5s。因为工件质量很小，机械手返回与其输送运动用时基本相当，且返回时大臂运动是下降运动，机械手有自重，用时将小于4.5s。因此，这

23、样安排时间足够。运动简图见图2.3。 图2.3 机械手运动简图三 机械手手部的设计计算（一）机械手手爪的设计计算 1选择手爪的类型及夹紧装置 （1）机器人夹持器的典型结构.楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。.滑槽杠杆式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。.连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。.齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮

24、旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。.平行杠杆式手爪采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。根据综合情况选择滑槽杠杆式手爪。 1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座图3.1 滑槽杠杆式手部受力分析在杠杆3的作用下，销轴gb/t882-20002向上的拉力为f，并通过销轴中心o点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为f1和f2，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交和的延长线于a及b。由=0 得 =0 得 由=0 得 （3.1） 式中 a手指的回转支点到对称中心的距离（mm）. 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分

25、析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=。2夹紧力及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。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算： (3.2)而式中 安全系数，通常在之间。工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算 （为工件上升时的最大加速度，为重力加速度）方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。被抓取工件所受重力（） 手部的机械效率，一般取。计算：设，=，求夹

26、紧力和驱动力，确定驱动液压缸的尺寸。表31 液压缸的工作压力作用在活塞上外力液压缸工作压力作用在活塞上外力液压缸工作压力小于以上（1）求。设，根据公式，将已知条件带入：（2）求。根据驱动力公式，得：（3）求。取，则（4）确定液压缸的直径 (3.3) 选取，压力油工作压力，则查机械设计手册-液压传动表2013，据则活塞杆径为：，符合。3手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为。手指长，当手抓没有张开角时，如图所示，根据机构设计，它的最小夹持半径，当张开时，如图所示，最大夹持半径计算如下：则机械手的夹持半径为。4机械手手抓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

27、，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，把工件送到指定的位置，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变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。本设计工件是棒料，以此来分析机械手的夹持精度。机械手的夹持范围（半径）为，所要夹取工件的半径范围为，一般夹持误差不超过，分析如下：钳爪对称中心到工件中心的距离为，则 (3.4)手指长，取v型夹角。当工件直径变化时，的变化量即为定位误差，工件半径由变化到时，其最大定位误差为 (3.5)其中，代入计算得：故夹持误差满

28、足设计要求。5弹簧的设计计算选择弹簧的是压缩条件，根据压缩条件，选择圆柱压缩弹簧，计算过程如下：（1）选择材料选硅锰弹簧钢，查取其许用切应力，切变模量。（2）选择旋绕比选择，则曲度系数（3）根据安装空间选择弹簧中径取，估算弹簧丝直径（4）试算弹簧丝直径取（5）根据变形情况确定弹簧的有效圈数当时，变形量，则弹簧圈数为取圈，此时弹簧的刚度为（6）确定弹簧参数最后确定（7）验算弹簧稳定性对于压缩弹簧，如其长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象，压缩弹簧的长细比应该按下列条件选取：当两端固定时，；当一端固定，一端自由时，；当两端自由转动时，。对于本设计，节距自由高度

29、，于是。本设计中弹簧是两端自由转动的，故弹簧稳定性适合。（8）疲劳强度和静应力强度的验算对于循环次数较多、在变应力下工作的重要弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数，或载荷变化的幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。由于本设计中载荷的变化幅度不大，因此只进行静应力强度验算。静应力强度安全系数计算值的计算公式及强度条件为 (3.6)式中，为弹簧材料的剪切屈服极限，为最大循环切应力，为静应力强度的设计安全系数，当弹簧的设计计算和材料的力学性能数据精确性高时，取；当精确性低时，取。远大于。结论，经过校核，弹簧适应。四 腕部的设计计算(一) 腕部的结构1概述腕部是

30、连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点：（1）结构紧凑，重量尽量轻。（2）转动灵活，密封性要好。（3）注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题 （4）要适应工作环境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。（二） 腕部的设计计算(1) 腕部设计考虑的参数 夹取工件重量0.5kg，回转。(2) 腕部的驱动力矩计算腕部的驱动力矩需要的力矩。（1）手爪、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为，直径，则（2）启动过程所转过的角度，等速转动角速度。

31、(4.1)式中手腕回转角速度（）手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（）工件对手腕回转轴线的转动惯量（）查取转动惯量公式有：代入得。摩擦阻力矩可近似取为。根据上述计算：，得出（3） 手腕驱动力的计算表4-1 液压缸的内径系列（jb826-66）（）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250表4-2 标准液压缸外径（jb826-67）（）液压缸内径405063809010011012514015016018020020钢 p5060769510812113316814618019421924545钢 p506076951081

32、21133168146180194219245设定腕部的部分尺寸：根据表4-1，设缸体内径，外径根据表4-2选择，这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为；动片宽度，输出轴。回转缸工作压力（为液压缸机械效率，），选择。（4） 液压缸盖螺钉的计算图4.1缸盖螺钉间距示意表4-3 螺钉间距t与压力p之间的关系工作压力螺钉的间距小于150小于120小于100小于80缸盖螺钉的计算，如图4-1所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4-3，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力 (4.2)液压缸的工作压强，根据表4-3，螺钉间距t小于，试选择4个螺钉，所以选择螺钉数目合适。危

33、险截面。所以，。 （）则螺钉材料选择q235，则 螺钉的直径 故选择m8螺钉。（五）动片和输出轴的连接螺钉的计算图4.2 回转缸的截面图连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。，即 (4.3)式中动片的外径；被连接件配合面间的摩擦系数，钢对铜取。螺钉的强度条件 (4.4)带入有关数据，得螺钉材料选择q235，则 螺钉直径 取，选择的开槽盘头螺钉。（六）腕部轴承选择 腕部材料选择铝合金zl303，估计轴承所受径向载荷为50n,轴向载荷较小，忽略。两处均选用深沟球轴承。现校核较小轴径处轴承。6005轴承基本数据如下： (4.5)，当量动载荷，

34、载荷系数取1，则，n为转速，由0.5s完成回转，计算得：，球轴承代入得：远大于轴承额定寿命。五 臂部的设计计算（1） 臂部的结构1概述手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、翻转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在

35、工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。 (二） 手臂的典型机构以及结构的选择1手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：（1） 双导杆手臂伸缩机构。（2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。（3） 双活塞杆液压缸结构。（4） 活塞杆和齿轮齿条机构。2 手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。（三）伸缩臂机构

36、结构设计1手臂直线运动的驱动力计算计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，要把臂部所受的全部负荷考虑进去。机械手工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力等。 (5.1)（1）的分析由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。由，得由，得由上两式得：而，则 (5.2)式中参与运动的零部件所受的总重力（含工件）； 手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离； 导向支撑的长度； 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面：（其中为摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：；钢对铸铁：）。导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁，导向支撑设计为。将有关数据代入得：（2）的分析

37、根据前面所设计数据，手臂平动，设置启动时间，启动速度。可按下式计算： （5.3）故（3）的分析不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用o型密封，当液压缸工作压力小于。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：。（4）求通过以上分析，最后计算出液压缸的驱动力：2伸缩运动液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力，根据表3-1，选择液压缸的工作压力。（1）确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图5-1所示。图5-1 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔： （5.5）当油进入有杆腔： （5.6）液压缸的有效面积： （5.7）故有： （无杆腔） (有杆腔)，选择机械效率。将数据代入

38、得：根据表4-1，选择标准液压缸内径系列，取。液压缸外径的设计根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在，所以该液压缸的外径为。活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动和强度要求。对于杆长大于直径的15倍以上的活塞杆还必须具有足够的稳定性。按拉、压强度计算：，也即 （5.8）设计中活塞杆取材料为碳钢，故，经初步计算取，由于，所以要进行稳定性校核。稳定性条件为，式中为临界力，（为活塞杆的弹性模量，取；为活塞杆的截面积；为活塞杆的柔度系数，由工业机械手设计表4-6取）；为安全系数，一般取。则，于是所以稳定性足够。（2）液压缸的尺寸参数的确定根据夹紧力和驱动力的计算，初步确定了液压缸的内径为

39、，行程为；下面要确定液压缸的缸筒长度l。缸筒长度l由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即：式中：为活塞的最大工作行程，；为活塞宽度，一般为；为活塞杆导向长度，取； 为活塞杆密封长度，由密封方式定；为其他长度，在此由于定位方式为定位块式，需要保留一定的缸体冗余长度作为缓冲，以免在运动过程中损伤到缸体，所以取。一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。另外，液压缸的结构尺寸还有最小导向长度h。于是：液压缸缸底厚度计算，本液压缸选用平行缸底，且缸底无油孔时，其中为缸底厚度；为液压缸内径；为实验压力；为缸底材料的许用应力，液压缸选用缸体材料为铸钢，。则 选取厚度。（四）臂部回转缸的结构设计1臂部回转

40、运动的分析计算（1）回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡。 （5.9）惯性力矩的计算 （5.10）式中 回转缸动片角速度变化量（），在起动过程中=t起动过程的时间(s)手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（）若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则 （5.11）式中 回转零件的重心的转动惯量。 （5.12）回转部件可以等效为一个长1800mm，直径为60mm的圆柱体，质量为159.2kg.设置起动角度=180，则起动角速度=0.314，起动时间设计为0.1s。4694.3密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03

41、，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。经过以上的计算=4839.5。2回转缸尺寸的初步确定 设计回转缸的静片和动片宽b=60mm，选择液压缸的工作压强为。d为输出轴与动片连接处的直径，设,则回转缸的内径通过下列计算： 既设计液压缸的内径为150mm,根据表4-2选择液压缸的基本外径尺寸180mm(不是最终尺寸)，再经过配合等条件的考虑。3液压缸盖螺钉的计算根据表4.3所示，因为回转缸的工作压力为8mpa,所以螺钉间距t小于80mm,根据初步估算， ，,所以缸盖螺钉的数目为（一个面6个，两个面是12个）。危险截面所以， 所以螺钉材料选择q235，则（）螺钉的直径螺钉的直径选择d=20mm

42、.选择m20的开槽盘头螺钉。经过以上的计算，需要螺钉来连接，最终确定的液压缸的截面尺寸内径为150mm，外径为230mm，输出轴径为50mm。4动片和输出轴间的连接螺钉的分析计算连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。 （5.13）于是得 （5.14）式中每个螺钉预紧力；d动片的外径；f被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15螺钉的强度条件为 （5.15）或 (5.16)带入有关数据，得=螺钉材料选择q235，则（）螺钉的直径: 螺钉的直径选择d=14mm.选择m14的开槽盘头螺钉。 （五）臂部升降缸的结构设计1臂部升降运动的分析

43、计算（1）手臂偏重力矩的计算图 5-2 手臂各部件重心位置图（1）确定各零件重量确定各零件重量、等。现在对机械手手臂做粗略估算：和总共。 于是（2）确定零件的重心位置求出机身重心到回转轴线的距离。，于是 （3）计算偏重力矩（2）升降不自锁条件分析计算手臂在的作用下有向下的趋势，而里柱导套有防止这种趋势。由力的平衡条件得也即 (5.17)不自锁的条件为： 即 取，则得取（3）手臂升降运动的液压缸驱动力的计算 (5.18)式中惯性力 摩擦阻力，取 密封摩擦力 回油阻力，可以忽略 零件及工件所受的总重的分析计算 (5.19)根据前面设定：速度；起动或制动的时间差；。将数据代入式子中得：的分析计算 (

44、5.20)则这里，液压缸选择o型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算，计算。通过以上分析，最后计算当液压缸向上驱动时，当液压缸向下驱动时，液压缸缸径的确定：考虑到底座的缸体中的活塞杆里要加入花键，故选取缸径，壁厚要适当加厚，且选活塞杆的直径为。（六）底座与手臂连接处的螺栓直径的确定1计算倾覆力矩螺栓承受的外载荷主要为手臂重力，约为，则其产生的倾覆力矩（手臂完全伸出时）：2计算受力最大的螺栓承受的工作载荷每个螺栓承受的载荷均值为由于的作用使左边的两螺栓受力增大，其值为所以左边两螺栓所承受的最大工作拉力为：3确定每个螺栓所需的预紧力保证接合面不滑动的条件为：其中：为横向载荷，其值为0；为可靠性系数

45、取值为1.2； 螺栓相对刚度的倒数，取值。那么每个螺栓所需的预紧力为：4确定螺栓直径螺栓的总拉力为选用4.8级螺栓，其。螺栓的安全系数与其直径有关，初估直径为，则安全系数取为，得螺栓的许用应力为：。则螺栓直径取d=10mm，最终选用m10螺栓。六 液压系统的设计（一）液压系统简介机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大

46、小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。1液压系统的组成液压传动系统主要由以下几个部分组成：油泵 它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。液动机 压力油驱动运动部件对外工作部分。手臂做直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角小于360的液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸）。控制调节装置 各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀

47、、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。2机械手液压系统的控制回路机械手的液压系统，根据机械手自由度的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基本控制回路组成。这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。（1）压力控制回路 调压回路 在采用定量泵的液压系统中，为控制系统的最大工作压力，一般都在油泵的出口附近设置溢流阀，用它来调节系统压力，并将多余的油液溢流回油箱。 卸荷回路 在机械手各油缸不工作时，油泵电机又不停止工作的情况下，为减少油泵的功率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在低负荷下

48、工作，所以采用卸荷回路。此机械手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。 减压回路 为了是机械手的液压系统局部压力降低或稳定，在要求减压的支路前串联一个减压阀，以获得比系统压力更低的压力。 平衡与锁紧回路 在机械液压系统中，为防止垂直机构因自重而任意下降，可采用平衡回路将垂直机构的自重给以平衡。为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而发生位移，可采用锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路。 油泵出口处接单向阀 在油泵出口处接单向阀。其作用有二：第一是保护油泵。液压系统工作时，油泵向系统供应高压油液，

49、以驱动油缸运动而做功。当一旦电机停止转动，油泵不再向外供油，系统中原有的高压油液具有一定能量，将迫使油泵反方向转动，结果产生噪音，加速油泵的磨损。在油泵出油口处加设单向阀后，隔断系统中高压油液和油泵时间的联系，从而起到保护油缸的作用。第二是防止空气混入系统。在停机时，单向阀把系统能够和油泵隔断，防止系统的油液通过油泵流回油箱，避免空气混入，以保证启动时的平稳性。（2）速度控制回路液压机械手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量q。其控制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。本机械手采用定量油泵节流调速回路。根据各油泵的运动速度要求，可分别采用li型单向节流阀、lci型单向节流阀或qi型单向调速阀等进行调节。节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是：有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。采用节流阀进行节流调速时，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起节流阀进