工业机械手设计论文

编号：本科毕业设计工业机械手的设计题目学院专业年级姓名指导教师完成日期工业机械手的设计中文摘要机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的是机械手的工作过程，机械手抓取机构的设计，以及由PLC输出三路脉冲,分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。关键词：机械手；单片机；液压缸；设计；AbstractAbstractManipulatorindustrialrobotsystemstraditionalmandate,Robotisoneofthekeycomponents.Manipulatorusingthemechanicalstructureofscrew-ball,slider,andothermechanicaldevicescomposition;ElectrichaveACmotor,inverter,sensor,andotherelectronicdevicecomponents.Thedevicecoversaprogrammablecontroltechnology,positioncontroltechnology,detectiontechnology,Mechatronicsisatypicalrepresentativeofoneofthemachines.Isarobotthatisdescribedinthisarticlework,designofrobotcrawlingmechanism,aswellasbythePLCoutputsthreepulses,horizontalaxis,verticalaxisinverterdriven,respectively,controlthemanipulatorofthehorizontalaxisandtheverticalaxisprecisepositioning,enablingprecisemovementofmanipulatorfunction.Thisprojectintendstodevelopmaterialhandlingrobottograbobjectsinspace,flexible,canreplacehumanoperationareaofhightemperaturesanddangerousjob,andaccordingtotheworkpiecechangesandmovementprocessesofchangeatanytimeattherequestoftherelevantparameters.KeyWords:Manipulator；PLC；hydro-cylinder；devise；TOC\o"1-5"\h\z中文摘要 I英文摘要 II目 录 III\o"CurrentDocument"引 言 1\o"CurrentDocument"第一章.工业机械手的概述 21.1机械手的发展及现状 21.2课题研究的意义 3\o"CurrentDocument"第二章.工业机械手的设计 42.1设计的目地 42.2设计的内容 42.3机械手的工作过程 42.4抓取机构的设计 62.4.1机械手手部的设计计算 62.4.2机械手腕部的设计计算 102.4.3机械手臂部设计计算 152.4.4机械手手臂升降机构设计 192.4.5机械手手臂回转机构设计 22第三章.小结与展望 26参考文献 27致 谢 28引言在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。本课题拟开发物料搬运机械手，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。第一章工业机械手的概述1.1机械手的发展及现状机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统组成。⑷（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1.1所示。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。（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。（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。工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已成为现代制造生产系统中的一个重要的组成部分。机械手的迅速发展是由于它具有积极作用正日益为人们所认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能照生产工艺的要求，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。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，机械手受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。该技术在我国近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业企业的重视。但目前使用的机械手的电气控制系统一般采用继电器和开关元件组成的控制系统，不能实现较为复杂的逻辑控制和较多功能控制方式的选择，因而现场使用功能和控制方式单一，不能进行在线管理。工业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构型式亦各不相同，技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地、重复循环地进行工作。1.2课题研究的意义机械手具有以下几方面的性能：（1） 能准确的抓住方位变化的物体。（2） 能判断对象的重量。（3）能自动避开障碍物。这种具有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械手，它是有发展前途的。目前，工业机械手广泛应用于各种制造行业中，如电器制造行业、汽车制造行业、塑料加工行业、通用机械制造行业以及金属加工行业等，都使用了工业机械手。随着社会生产的进一步发展和科学技术的进步，工业机械手的功能和性能将进一步得到改善和提高，因此，工业机械手的应用领域将越来越广。第二章工业机械手的设计2.1设计目的毕业设计是大学生在完成基础课和专业课等学习之后进行的综合性实践教学环节，总的目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学的理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高，并运用所学的理论知识，通过调研，设计一个机电控制方面的课题，收到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力，具体有以下几点：（1）通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、实用资料的方法和能力。（2）通过查阅课程理论知识，运用所学的基础课，专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案，分析具体问题，进行工程设计能力。2.2设计的内容和要求设计通用圆柱坐标系机械手及控制系统。设计中的机械手各动作由液压缸驱动，并有电磁阀控制，技术指标如下：表2.1机械手的技术指标1动作符号行程范围速度伸缩X400mm小于250mm/s升降Z400mm小于70mm/s回转①0-210°小于90°/s表2.2机械手的技术指标2抓重自由度定位精度控制方式200N-300N四个±3mmPLC手腕运动参数：回转©行程范围0—180° 速度小于90°/s手指夹持范围：棒料半径40—70mm,棒料长度450—1200mm,重量30kg2.3机械手的工作过程机械手的结构和各部分动作示意图,如图2.1所示。机械手的工作均由电机驱动,它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。分析工作过程。机械手的初始位置停在原点,按下启动后按扭后,机械手将下降——加紧工件——上升——右移——再下降——放松工件——在上升——左移八个作,完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换,是由相应的限位开关来控制的,而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降,若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号图2.1机械手的结构和各部分动作示意图1-伸缩液压缸2-夹持器液压缸3-机械手手部4-大梁5-电机控制方面的要求：为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式,而自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。单步工作方式：从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一次启动按钮,机械手完成一步动作后自动停止。单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。连续工作方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在连续工作方式下设置两种停车状态：正常停车：在正常工作状态下停车。按下复位按钮，机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停止在当前状态。当故障排除后，需手动回到原点。2.4抓取机构设计2.4.1手部设计计算2.4.1.1、对手部设计的要求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，且不损坏棒料的已加工表面。对于刚性很差的棒料夹紧力大小应该设计得可以调节，对于本应考虑采用自锁安全装置。有足够的开闭范围本机械手手部的手指有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。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2.2所示：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。手指应有一定的强度和刚度其它要求对于夹紧机械手，根据工件的形状为圆形棒料，因此最常采用的是外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。2.4.1.2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抓，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抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而手抓张开。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F,并通过销轴中心O点，两手指的滑槽对销轴的反作用力为F和F其力的方向垂直于滑槽的中心线OO和OO12，12并指向O点，交F和F的延长线于A和B。⑹12cos,由€M(F)=0又因为h又因为h二所以F= Fa一手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）,一工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角由分析可知，当驱动力F一定时，,角增大，则握力F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,=30…〜40。。图2.3滑槽杠杆式手部结构原理图手指 2手指 2——销轴 3——杠杆手指2.4.1.3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。手指对工件的夹紧力可按下式计算：⑺F>KKKG式中K—安全系数，通常1.2~2.0；

K2—工乍情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按于1€冷，其中a是重力方向的最大上升加速度，a=匕*,g是重力加速度，g二9.8m/s2。t响V__运载时工件最大上升速度；maxt—系统达到最高速度的时间，一般选取0.03~0.5；响K—方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择；3G—被抓取工件所受重力；表2.3驱动力与液压缸工作压力关系图[1]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MPa〈50000.8〜120000〜300002.0〜4.05000〜100001.5〜2.030000〜500004.0〜5.010000〜200002.5〜3.0>500005.0〜8.0设a=40mm,b=80mm,a=30。，机械手达到最高响应时间为0.5s,求夹紧力F,驱动力F和驱动液压缸的尺寸。1)设K二1.61K二1€-21)设K二1.61K二1€-2g设V =70mm/smaxt=0.5s响因此Va=—max=007=0.14m/s20.5所以K二1€014二1.01432 9.8K=0.5K=0.53根据以上公式得：二1.6„1.0143„0.5„300二243.4N2)根据驱动力公式得：2bcos2bcos2aF= F计算aN2„80„cos23040„243.4=730.2N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…=0.85〜0.9。取…=0.85F 730.2F =-计算=一二=859.06N 即F=859.06N实际… 0.85 驱确定液压缸的直径D 因为F =兀(°2—d2)卩选取活塞杆直径d€0.5D，选择液压缸工作压力P€0.8〜1MPa。4F : 4,859.06所以D€ 实际€ €0.0427m兀P(l—0.52) 3.14,0.8,106,(1-0.52)根据液压缸内径系列(JB826-66),选取液压缸的内径为：D=50mm则活塞杆直径为：d€0.5D€0.5,50€25mm.所以手部夹紧液压缸的主要参数为：表2.4手部夹紧液压缸的主要参数液压缸内径D活塞杆直径d工作压力p驱动力F50mm25mm0.8MPa859.06N2.4.1.4手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为120„,设手抓长为100mm,当手抓没有张开角的时

候,根据机构设计，它的最小夹持半径R€40mm，当张开角为120„时,根据双

min支点回转型手抓的误差分析，取最大夹持半径R€60mm。max所以机械手的夹持半径为10〜60mm。2.4.1.5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，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。⑵图2.4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40〜60mm,一般夹持误差不超过1mm,分析如下:工件的平均半径：

R€ €50mm平均2手抓长L€100mm, 取V型夹角29=120。偏转角„按最佳偏转角确定：R€COS-R€COS-1 平均—Lsin9COS-150100…sin60,€54.7。计算得R-计算得R-Lsin9cos„=100…sin60。…cos54.7。=50mm0式中R—理论平均半径0因为R因为R>R>Rmax0min一a2一*£2sin„TOC\o"1-5"\h\z,R、 一a2一*£2sin„L2+（——max）2—2L——maxcosI sin9 sin9I1002+（椅"一-.'1002+（40）2一2X10040cos54.7。一-.'1002+（40）2一2X10040cos54.7。一a2一、1002sin54.72-402sin60。 sin60。所以A=0.939<1 夹持误差满足设计要求。2.4.2机械手腕部设计计算2.4.2.1腕部设计的基本要求 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能，因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的联接。€0.923一a2一L2sin„\o"CurrentDocument"i'/R、 》R一a2一L2sin„A€21L2+（ min）2—2L——minA€2sin9 sin93）工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。2.4.2.2腕部的结构选择腕部的结构有四种，分别为：（1）具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构直接用回转液压缸驱动，实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛使用。（2）用齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于270°的情况下，可采用齿条活塞驱动腕部结构。（3）具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构它使腕部具有绕垂直和水平轴转动的两个自由度。（4）机—液结合的腕部结构此手腕具有传动简单、轻巧等特点，但结构有点复杂。本设计要求手腕回转180°，综合以上分析考虑，腕部结构选择具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构。2.4.2.3腕部回转力矩计算腕部在回转时一般需要克服以下三种阻力：（1） 腕部回转支承处的摩擦力矩M摩为简化计算，一般取M€0.1M摩 总力矩（2） 克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏M€Ge偏1式中G—夹持工件重量（N）;1e—工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）；（3） 克服启动惯性所需的力矩M惯启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度®及启动所需时间t,按下式启计算： M=（J,J）—惯 工件t启或者根据腕部角速度€及启动过程转过的角度甲计算:启=（=（八J工件）€22®启式中J工件一工牛对手腕回转轴线的转动惯量N„m„s2）；式中J一手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量N„m„s2）；€一手腕回转过程的角速度（rad/s）;t一启动过程中所需时间，一般取0.05〜0.3s；启®一启动过程所转过的角度（rad）;启手腕回转所需的总的阻力矩相当于上述三项之和，即M=M+M+M总力矩 摩偏惯设抓取一根轴，其直径D=100mm,长度l=500mm,m二50kg,当手抓夹持在工件中间位置回转180。,将手抓、手抓驱动液压缸和回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，长h=150mm,半径为50mm,其所受重力为G,启动过程所转过的角度®=0.314rad,等速转动角速度€=2.616rad/s。启圆柱体重力G=兀x0.052x0.15x7800kg/m3x9.8N/kg=90N因为手抓夹持在工件中间位置，所以工件重心到手腕回转轴线的垂直距离为0，即e等于0,所以M=Ge=0。偏1由于 M惯=（八J工件）莎启J=mR2

2J=mR2

21G2gR2=1x21x0.052=0.012N„m„s229.8J=—m(l2+3R2)=—x50x(0.52+3x0.052)=1.07N-m-s2工件12 1 12€2 2.6162M=(J,J) =(0.012,1.07)x =11.8N„m惯工件2® 2x0.314启又因为M=0.1M摩 总力矩所以M =M+M+M=0.1M +0+11.8总力矩 摩 偏 惯 总力矩即M =13.1N„m总力矩2.4.2.4腕部工作压力计算液压缸内径mm202532405055636520钢PW160MPa70758085909510010545钢PW200MPa110125130140160180200250设定腕部的部分尺寸：根据上表设缸体内孔半径R€55mm,外径选择133mm,考虑到实际装配问题后，其外径为180mm，动片宽度b=66mm，输出轴半径r€22.5mm。表2.6标准液压缸外径系列（JB1068-67）⑴液压缸外径mm405063809010011012514015016018020020钢PW160MPa5060769510812113316814618019421924545钢PW200MPa50607695108121133168146180194219245由于实际回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩M总力矩，即:M=Pb(R2一r2)>M2 总力矩式中M —手腕回转时的总的阻力矩（N-m）；总力矩P—回转液压缸工作压力（MPa）；R—缸体内孔半径（mm）；r一输出轴半径（mm）；b—动片宽度（mm）；2„13.12M2„13.1所以P>总力矩= =0.16Mpa所以b(R2—r2)0.066„(0.0552—0.02252) ,取P=1Mpa所以腕部回转液压缸主要参数为：表2.7腕部回转液压缸主要参数工作压力p缸体内径R输出轴半径r回转力矩M动片宽度B1MPa110mm22.5mm13.1N・m66mm2.4.2.5液压缸盖螺钉计算

表2.8螺钉间距t与压力P之间的关系[1]工作压力P(MPa)螺钉的间距t(mm)0.5〜1.5<1501.5〜2.5<1202.5〜5.0<1005.0〜10.0<80t为螺钉的间距，间距跟工作压力有关，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为:f fF，F+FF为工作载荷，F为预紧力QsQQsQQs液压缸工作压力为P，1MPa，所以螺钉间距t小于150mm，试选择8个螺钉聖，2„3.14„0.055„103，43.18<150mm，所以选择螺钉数目合适Z，8个，危88险截面面积0112—00452S，…R2—…r2，3.14„ ，0.007908875m24SP0.007908875SP0.007908875„1„106，988.61Nf fF，KF(K，1.5〜1.8)取K，1.5则F，KF，1.5„988.61，1482.92NQsQQsQf所以F，F+F，988.61+1482.92，2471.53NQsQQs螺钉的强度条件为：1.3„FG， Qs<Q]合 …d24式中R—缸体内孔半径(mm)；[g]—螺钉材料的许用拉应力(MPa)；d一螺钉螺纹内径(mm)；1螺钉材料选择Q235，取g，240MPa，贝VQ]，巳，240，160MPa(n，1.2~2.5)s n1.5i'4x1.3Fi'4x1.3Fd1 …Q]°"■4x1.3x2471.533.14x160x106，0.00516m回转液压缸盖螺钉的直径选择d，6mm2.4.2.6动片和输出轴间联接螺钉计算动片和输出轴间联接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位，联接螺钉的作用是使动片和输出轴之间的配合紧密，当油腔通高压油时，动片受油压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。由 (D2—d2)二FZf-8Qs2得F€=^P(D2-d2)= 0.066x1XI06(0.112—0.0452)=3078.47NQs 4Tfd 4x8x0.15x0.045式中 f—被联接件配合面间的摩擦系数，钢对铜取 f=0.15；D一缸体内径(mm)；d一动片与输出轴配合处直径(mm)；fF—动片和输出轴间联接螺钉的预紧力N)；Qsb一动片宽度(mm)；P—回转液压缸工作压力(Pa)；f1QTJ1螺钉的强度条件为： „二.XQs<[„]合 …d24螺钉材料选择Q235螺钉材料选择Q235，取„二240MPa，则s[„]二巳二240二160MPa(n二1.2~2.5)n1.5■'4x1.3x3078.47\■'4x1.3x3078.47\3.14x160X1060.0056m14X1.3F\o"CurrentDocument"即d> di\1 …[„]动片和输出轴间联接螺钉的直径选择d二6mm,选择M6的开槽盘头螺钉。1式中[„]—螺钉材料的许用拉应力(MPa)；d一螺钉的直径(mm)；12.4.3机械手臂部设计计算臂部设计的基本要求臂部应承载能力大、刚度好、自重轻臂部运动速度要高，惯性要小手臂动作应该灵活位置精度要高臂部的结构选择常见的手臂伸缩机构由以下五种：[5]（1） 双导向杆手臂伸缩机构手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆均受拉压，故受力简单传动平稳。（2） 双层液压缸空心活塞杆单杆导向机构其特点是工作液压缸容积小、运动速度快、外形整齐、活塞杆直径大、增加手臂刚性。（3） 采用花键套导向的手臂升降机构内部导向，活塞杆直径大、刚度大、传动平稳，花键轴端部的定位装置值得注意，必须保证手臂安装在正确的初始设计位置上。（4） 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。（5）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。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：F=F€F€F€F驱摩密回惯式中F—手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力；摩F—密封装置处的摩擦阻力；密F—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）F的计算摩经计算 F二『G（2L^）摩总a式中G一参与运动的零部件所受的总重量（N）；总L—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(mm)；a—导向支撑的长度(mm)；€'—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：4兀€=(—〜一)€=(1.27〜1.57)€兀2€—摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取€=0.1〜0.15钢对铸铁：取€=0.18〜0.3计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁，G二800N,€'=1.5„0.2=0.3总L=700mm，导向支撑a=420mm,带入数据得：120F=€'G(2L…a)=0.3„800„(2„700+420)=3640N120摩总⑵尸惯的计算经计算GAvF=—总惯 gAt式中Av一由静止加速到常速的变化量(mm/s)。At—启动过程时间(t),一般取0.01s〜0.5s。手臂启动速度Av=83mm/s,启动时间At=0.02s,g=9.8N/kg,带入数据得:=338.8NF=4=800„°.°83惯 gAt 9.8=338.8NF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O型密封圈，当液压缸工作压力小于10MPa时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：F=0.03F密驱F的计算回一般背压阻力较小，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：F=F+F+F+F=3640+0.03F+338.8驱摩密回惯 驱

所以手臂伸缩驱动力 F€4102N驱2.4.3.4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F€4102N,因此选择液压缸的工作压驱力P€1MPa。CD液压缸内径计算⑶当油进入无杆腔:图2.5双作用液压缸示意图当油进入无杆腔:图2.5双作用液压缸示意图,D2F€F耳二P耳驱i 14当油进入油杆腔:，(D2-d2)耳所以■4F1.13：—所以■4F1.13：—(无杆腔)(有杆腔)式中F驱一手臂伸缩液压缸驱动力(N);D一液压缸内径(mm)；d一活塞杆直径(mm)；耳一液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取!!=0.95；P—液压缸的工作压力(MPa)；1带入数据得:D€ €1.13:,pn 、：£驱€1.13… 4带入数据得:D€ €1.13:,pn 、Pn 1x106…0.95根据液压缸内径系列(JB826-66),选取液压缸的内径为：D=80mm(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l大于直径15倍(/>15d)的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。按强度条件决定活塞杆直径d按拉压强度计算:

4„4102设活塞杆材料为碳钢，碳钢[€]=100~120MPa,取[€]=IQQMPa4„4102=0.0072md…竺驱=,=0.0072m兀[€] 3.14„100„106表2.9活塞杆直径系列（JB826-66）（mm）456810121416182022252830323540455055606365707580859095根据活塞杆直径系列（JB826-66）选取活塞杆直径d=8mm。所以手臂伸缩液压缸主要参数为:表2.10手臂伸缩液压缸主要参数液压缸内径D活塞杆直径d工作压力p驱动力F80mm8mm1MPa4720N2.4.4机械手手臂升降机构计算2.4.4.1手臂偏重力矩的计算根据实际情况设：G=300NG=90NG=110NG=300N工件 手抓 手腕 手臂所以G=300+90+110+300=800N总p =900mm手臂设p=1500mmp=1400mmpp =900mm手臂Gp+Gp+Gp+Gp 978000=1222.5mmp=工件工件手抓手抓手腕手腕手臂手臂==1222.5mmG+G +G+G 300+90+110+300工件手抓手腕手臂

所以偏转力矩M二Gp二800,1222.5二978N•m偏总式中p—重心到回转轴线的距离(mm)2.4.4.2升降导向立柱不自锁条件[7]手臂在G的作用下有向下的趋势，而立柱导套则防止这种趋势。总由力平衡条件得：GpFh=GpF=一总一TOC\o"1-5"\h\zR2 总 R2 h所谓不自锁的条件为：G…F„F=2F=2Ff取f=0.16总1 2 2 R2Gp即 G…2f也即h…0.32p>0.32,1222.5=391mm\o"CurrentDocument"总 hFR2800FR2800x1222.5391=2501.3N因此在设计中必须考虑到立柱导套长度大于391mm。式中f—摩擦系数；h—立柱导套的长度；2.4.4.3手臂升降驱动力的计算由手臂升降驱动力的公式得：F=F+F+F+F土G驱摩惯回密总（1） F的计算摩F=2Ff取f=0.16又因为F=25013N摩 R2 R2所以F=2Ff=2x2501.3x0.16=800.4N摩R2（2） F的计算惯经计算GAv经计算F=—总-

惯 gAt式中Av—由静止加速至【」常速的变化量(mm/s)。At—启动过程时间(t),一般取0.01s〜0.5s。手臂启动速度Av=83mm/s,启动时间At=0.02s,g=9.8N/kg,带入数据得=338.8NF=4=800x°.°83惯 gAt 9.8x=338.8N不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封圈，当液压缸工作压力小于10MPa时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：F€0.03F密驱F的计算回一般背压阻力较小，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：惯总F€1999.2N驱F€349.7N驱F€F,F,F,F土惯总F€1999.2N驱F€349.7N驱当液压缸向下驱动时所以当液压缸向上驱动时当液压缸向下驱动时2.4.4.4手臂升降液压缸参数计算P€1MPa，为了满足要求，经过上面计算，确定了液压缸的驱动力FP€1MPa，为了满足要求，此时取F€1999.2N进行计算。驱1)液压缸内径计算：当油进入无杆腔：当油进入油杆腔：F€Fn€P驱2„(D2当油进入油杆腔：F€Fn€P驱2„(D2-d2)n液压缸的有效面积：所以'4F IFD€:——€1.13'一兀pn pn无杆腔)14FD€ ,d2 („Pn式中F—手臂升降液压缸驱动力(N)；驱D—液压缸内径(mm)；(有杆腔)d一活塞杆直径(mm)；n—液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取n€0.95；P—液压缸的工作压力(MPa)；14F带入数据得：D€\:硒€,'F ' 19992'弋€1.13气1x106X0.95€0.0518m根据液压缸内径系列(JB826-66),选取液压缸的内径为：D=55mm(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l大于直径15倍(/>15d)的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。按强度条件决定活塞杆直径d按拉压强度计算：⑺F,€—„[,]nd2~T~设活塞杆材料为碳钢，碳钢[，]€100~120MPa,取[,]€100MPa^F: 4x1999.2即 d>驱€ €0.00505m兀[,] 3.14x100x106根据活塞杆直径系列(JB826-66)选取活塞杆直径d=6mm所以手臂升降液压缸主要参数为：表2.11手臂升降液压缸主要参数液压缸内径D活塞杆直径d工作压力p驱动力F55mm6mmlMPa1999.2N2.4.5机械手手臂回转机构的计算2.4.5.1手臂回转液压缸驱动力矩计算手臂回转液压缸驱动力矩 M€M+M+M驱 惯密回(1)M的计算惯0 0Atm(/2+30 0At12回转部件可以等效为一个高1500mm,半径为60mm的圆柱体，圆柱体重量为G总€800N,设启动角速度如€0.314rad/s，启动时间At€Oh。所以m(l所以m(l2+3R2)需"+3…OX)1212€25+800…①2529.8M€J£€J竺€147x0314€461.6N-m惯0 0At 0.12)M2)M密与气的计算为了计算方便，密封处的摩擦阻力矩M€0.03M,由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计，即M=0。因此M=M+M+M=461.6+0.03M+0即M=476N，m2.4.5.2手臂回转液压缸参数计算d€50mm，则由设b=60mm，液压缸工作压力P=4MPad€50mm，则由M=M=Pb(D2一d2)^^76—+^^76—+0.052=0.136mQsQQsfF为工作载荷，F为预紧力Qsd=：8M驱+d2=bP 0.06„4„106所以取液压缸内径为140mm式中D—液压缸内径(mm)；P—回转液压缸工作压力(MPa)；b一动片宽度(mm)；d一输出轴与动片联接处的直径(mm)；所以手臂回转液压缸主要参数为：表2.12手臂回转液压缸主要参数工作压力p液压缸内径R输出轴直径r驱动力矩M动片宽度B4MPa140mm50mm476N・m60mm2.4.5.3液压缸盖螺钉计算由表4可以看出螺钉间距t与压力P之间的关系:t为螺钉的间距，间距跟工作压力有关，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为:液压缸工作压力为P=4MPa,所以螺钉间距t小于100mm,试选择8个螺钉兀D 3.14„0.136„103=53.38<100mm，所以选择螺钉数目合适Z=8个，危险截面面积S=兀R2―兀r2=3.14„0.1362一0.052=0.01256m2QZSP°.°1256„4„106=6280N

QZF'=KF(K€1.5〜1.8)取K=1.5则F'=KF=1.5,6280=9420NQsQQsQ所以F€F+F'=6280+9420=15700NQsQQs螺钉的强度条件为：1.3,F„€ Qs<[„]合 …d24式中D一动片外径(mm)；[„]—螺钉材料的许用拉应力(MPa)；d一