压铸机自动浇铸机械手

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摘要

本文简要介绍了工业机器人的概念，浇注机械手硬件和软件的组成，机械手各个

部件的整体尺寸设计。本文着重对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形

式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设

计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转液压缸的驱动力

矩。设计了机械手的手臂结构。设计出了机械手的液压系统，绘制了机械手液压系统

工作原理图，大大提高了绘图效率和图纸质量。

关键词：工业机器人机械手浇注机械手

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Abstract

At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy

information of the development briefly. What’s more, the paper accounts for the

background and the primary mission of the topic. 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

this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive

of the manipulator. This paper designs the structure of the wrist, computes the needed

moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The

paper designs the structure of the arm.

KEY WORDS: industrial robot manipulator pump air pressure drive

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第1章绪言

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。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。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。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但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力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

1.1 机械手的分类

机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

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在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。

1、简史

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。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。

1962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。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是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。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

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。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。

前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。

目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；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，是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。

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2、应用简况

现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。

有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。

国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。

采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。

3、发展趋势

目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。

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。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。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。

在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。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。

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此外，国外机械手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。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。

触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。

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。

1.2 机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图：

1、执行机构 ( 如图1.2-1所示 )

图1.2-1

（1）手部

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手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。

机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。

本课所做的机械手采用二指形状。（2）手臂

手臂有无关节和有关节手臂之分本课所做的机械手的手臂采用无关节臂

手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。

本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。

躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。 2、驱动机构

驱动机构主要有四种：液压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压液压用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。

液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。

液压驱动所采用的元件为液压缸、液压马达、气阀等。一般采用4-6个大液压，个别的达到8-10个大液压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，液压系统容易生锈。

为了减少停机时产生的冲击，液压系统装有速度控制机构或缓冲机构。电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。

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电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。

机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。

本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松方面。

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。

1.3 应用机械手的意义

随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度

应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、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、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，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的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产

应用机械手代替人进行工作，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的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。

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第2章总体技术方案及系统组成

2.1 原始数据

用途：用于冷室压铸机浇铸铝合金溶液。规格参数

浇包最大容量：自由度数：坐标型式：手臂运动参数：

回转（φ）：俯仰（θ）：浇包最大倾转角（θ1）：驱动方式：控制方式：

2.2工作要求

机械手的工艺流程：

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8公斤

3个类似球坐标 110° 54° 70° 液压继电器固定程序控制

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机构简图

2.3 系统组成

本基械手系统由机体，传送机构，动力源和控制装置四部分组成。传送机构主要由伸缩臂及抓紧机构所组成；动力源由液压驱动和机械驱动两种形式构成控制装置主要由自动控制和手动控制两部分组成。

2.4 总体技术方案

毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来，并进行灵活运用。现在的发展趋势是机电一体化，因此，我们的毕业设计是要我们将“机”、“电”、“液”三者合并起来。

“机”即是指机械，机械手的动作过程可以分五部分，即机械手的上升下降、机械手的前伸后缩、机械手的加紧放松、机械手的左转右转、小车的前进后退。这五部分中我们靠机械完成机械手的上升下降动作，即本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。

滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杆传动是带动滚珠沿螺纹轨道滚动。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或者其他直线运动副相比，有以下特点：

1）传动效率高一般滚珠丝杠副的传动效率达85%-98%，为滑动丝杠副的3-4倍。

2）运动平稳滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，低速时无爬行。

3）能源预紧预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。同

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时增加的摩擦力矩相对不大。

4）工作寿命长滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杠副的4-10倍以上.

5）定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸的补偿的膨胀，因此，可以达到较高的定位精度和重复定位精度。

6）同步性好用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件。可以得到较好的同步运动。

7）可靠性高润滑密封装置结构简单，维修方便。

8）不自锁用于垂直运动，必须在系统中附加自锁或制动装置。 9）经济性差，成本高由于结构工艺复杂，故制造成本高价格往往以 mm计。经过计算，选择如下：电动机型号： Y802-2 功率： 1.1W 丝杠型号： Tr40×7

2.4.1 动作分析

工业机械手的机械机构是指它的执行系统，是机械手抓持工件、进行操作及各种运动的机械部件。机械部件主要包括手部，手臂前后伸缩部分，手臂上下升降部分腰转部分以及机座和行走机构。

2.4.2 手部

手部：包括杠杆手指，单向作用式握紧油缸等。其工作原理：物体进入手指后，拉杆手油缸作用，通过拉杆带动杠杆手指回转，实现握紧或松开动作。

1) 手臂的前后伸缩部分

手臂的前后伸缩部分由直线油缸带动实现。

当直线油缸工作时通过活塞杆行程的变化，完成手臂的伸缩运动。 2) 手臂的上下升降部分

手臂的上下升降部分是由电动机、丝杆传动副、立柱等部分组成。

当电动机工作时，通过联轴器转动丝杆，由于丝杆螺母周受到立柱的径向转动限制，使得螺母及手臂架只能作上下运动。

3) 腰转部分

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腰转部分主要由转盘和回转油缸组成。

当压力油进入回转油缸时，回转油缸的回转轴回转，通过活塞杆的伸缩带动转盘的转动，从而实现机械手的左右转动，

4) 行走机构

行走机构主要是由电动机、齿轮、带轮等组成。

当电动机工作时，通过齿轮、带轮的传动，带动小车的轮子转动，从而实现行走。

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第3章手部结构设计

3.1 夹持式手部结构

夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。

3.1.1手指的形状和分类

夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。

3.1.2 设计时考虑的几个问题

(一)具有足够的握力(即夹紧力)

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (二)手指间应具有一定的开闭角

两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (三)保证工件准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。 (四)具有足够的强度和刚度

手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。

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(五)考虑被抓取对象的要求

根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点，两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。

3.1.3手部夹紧液压缸的设计

1、手部驱动力计算

本课题液压机械手的手部结构如图3-1所示：

图3-1齿轮齿条式手部

其工件重量G=8公斤，

V形手指的角度2??120?，b?120mm?R?24mm,摩擦系数为f?0.10 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:

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p?2bN R(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:

N?0.5tg(???)

?0.5?5?tg(60??5?42')

?25(N)所以

p?2bN?245(N) R(3)实际驱动力:

p实际?pK1K2

?1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取??0.94，并取K1?1.5。若被抓取工件的最

a?4 g大加速度取a?3g时，则:K2?1?所以p实际?245?1.5?4?1563(N) 0.94所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为1563N。 2、液压缸的直径

本液压缸属于单向作用液压缸。根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:

F1??D2P4?Ft?Fz

式中: F1 - 活塞杆上的推力，N

Ft - 弹簧反作用力，N

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Fz- 液压缸工作时的总阻力，N

P- 液压缸工作压力，Pa

弹簧反作用按下式计算:

Ft?Gf(1?s)

Gf?Gd134D1n

Gf =

Gd148D1n3

式中:Gf- 弹簧刚度，N/m

1- 弹簧预压缩量，m

s- 活塞行程，m d1- 弹簧钢丝直径，m D1- 弹簧平均直径，.

n- 弹簧有效圈数.

G- 弹簧材料剪切模量，一般取G?79.4?109Pa

在设计中，必须考虑负载率?的影响，则:

F1??D2p?4?Ft

由以上分析得单向作用液压缸的直径:

D?4(F1?Ft)

?p?代入有关数据，可得

79.4?109?(3.5?10?3)? Gf?38?(30?10?3)3?158D1n -16-

Gd144毕业设计 (论文) 说明书

?3677.46(N/m)

Ft?Gf(1?s) ?3677.46?60?10?3

?220.6(N)所以:D?4(F1?Ft)??pn4?(490?220.6) 6??0.5?10?65.23(mm)

查有关手册圆整，得D?65mm

由d/D?0.2?0.3,可得活塞杆直径:d?(0.2?0.3)D?13?19.5mm 圆整后，取活塞杆直径d?18mm校核，按公式F1/(?/4d2)?[?] 有:d?(4F1/?[?])0.5

其中，[?]?120MPa，F1?750N 则:d?(4?490/??120)0.5

?2.28?18

满足实际设计要求。 3、缸筒壁厚的设计

缸筒直接承受压缩压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:

??DPp/2[?]

式中:6- 缸筒壁厚，mm

D- 液压缸内径，mm

Pp- 实验压力，取Pp?1.5P, Pa 材料为:ZL3,[?]=3MPa 代入己知数据，则壁厚为:

??DPp/2[?]

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?65?6?105/(2?3?106)

?6.5(mm)取??7.5mm，则缸筒外径为:D1?65?7.5?2?80(mm)

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第4章手腕结构设计

4.1 手腕的自由度

手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转液压缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360?，并且要求严格的密封。

4.2 手腕的驱动力矩的计算

4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩

手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，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中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。

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1.工件2.手部3.手腕图4-1手碗回转时受力状态

手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:

M驱?M惯?M偏?M摩?M封

式中: M驱- 驱动手腕转动的驱动力矩(N?cm);

M惯- 惯性力矩(N?cm);

M偏- 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)对转动轴线所产生的偏重力矩(N?cm).

M封- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(N?cm);

下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算: 1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦

若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为?，起动过程所用的时间为

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?t，则:

M惯?（J?J1）(N.cm)

式中:J- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量(N.cm.s2);

J1- 工件对手腕转动轴线的转动惯量(N.cm.s2)。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1为:

G12e1 gJ1?Jc?式中: Jc- 工件对过重心轴线的转动惯量(N.cm.s2):

G1- 工件的重量(N);

e1- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), ?- 手腕转动时的角速度(弧度/s);

?t- 起动过程所需的时间(s);

??— 起动过程所转过的角度(弧度)。

2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏

M偏?G1e1 +G3e3 (N?cm) 式中: G3- 手腕转动件的重量(N);

e3- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm) 当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则G1e1?0. 3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M封

M封?f(RAd2?RBd1)(N?cm) 2式中:d1 ，d2- 转动轴的轴颈直径(cm);

f- 摩擦系数，对于滚动轴承f?0.01，对于滑动轴承f?0.1;

RA,RB- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解， ?0,得: 根据?M（AF）RBl?G3l3?G2l2?G1l

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RB?G1l1?G2l2?G3l3

l同理，根据?MB(F)?0,得:

G1(l?l1)?G2(l?l2)?G3(l?l3)

lRA?式中:G2- 的重量(N)

l,l1,l2,l3,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm).

4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。

4.2.2回转液压缸的驱动力矩计算

在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸，它的原理如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶液压缸的压力P驱动力矩M的关系为:

pb(R2?r2)2MM?p?2b(R2?r2) 或

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4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核

1.尺寸设计

液压缸长度设计为b?100mm,液压缸内径为D1=96mm,半径R?48mm,轴径

D2?26mmD2=26mm,半径R?13mm,液压缸运行角速度?=90?/s，加速度时间

?t=0.1s, 压强P?0.4MPa,

则力矩：

pb(R2?r2) M?

20.4?106?0.1(0.0482?0.0262)? 2?32.6(N.m)2.尺寸校核

（1）测定参与手腕转动的部件的质量m1?10kg,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径r?50mm的圆盘上，那么转动惯量：

m1r2J?

210?0.052 ?

2 ?0.0125（kg.m2）

工件的质量为5kg,质量分布于长l?100mm的棒料上，那么转动惯量：

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ml2Jc?125?0.12 ?12?0.0042(kg.m2) 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长l?100mm的棒料来说，最大偏心距

e1?50mm，其转动惯量为:

J?Jc?m1e12?0.0042?5?0.052 ?0.0167(kg.m2)M惯 ?(J?J1)??t

900.1

?(0.0125?0.0167)?26.3(N.m)

（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心

与转动轴线重合，e1?0，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线e3?50mm,则：

M偏?G1e1 +G3e3

?10?10?0?5?10?0.05

?2.5(N.m)（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩，对于滚动轴承f?0.01，对于滑动轴承f=0.1，d1 ，d2为手腕转动轴的轴颈直径，d1?30mm, d2?20mm, RA,RB为轴颈处的支承反力，粗略估计RA?300N,RB?150N,

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f(RAd2?RBd1) 20.01(300?0.02?150?0.03) ?2M摩? ?0.05(N.m)

4．回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计M封为M摩的3倍，

M封?3?M摩 ?3?0.05 ?0.15(N.m)

? M驱?M惯?M偏?M摩?M封 ?26.3?2.5?0.05?0.15 ?29(N.m)

M驱〈M

?设计尺寸符合使用要求，安全。

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总结

此次我们做的毕业设计是机械手结构的设计，通过3个多月努力，设计终于顺利完成。这次设计给了我们一个很好的机会，使我们了解了设计工作的基本流程和设计的方法以及理念。

在此次的毕业设计中，我们遇到了许多以前从未遇到过的问题，但过通过指导教师的指导和我们的努力，这些问题都得到了很好的解决。

毕业设计过程中，我们在独立完成的同时也进一步加强了团队协作精神，并取得了一定的成绩。通过这次毕业设计，我相信在以后的学习和工作过程中，一定可以好好的解决问题，提高自己的能力，较快地适应工作和社会激烈的竞争。

在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，我学到许多新知识，但是也发现了不少存在的问题。在这次的毕业设计中，能否看懂图纸是关键，要了解图纸上所标注的是何含义，有何作用。

这次毕业设计是我们在学校的最后一次课。它将我们平时所学相互结合起来，为我们将来进入工作做准备。它让我们了解了更多的新知识。

感谢老师、系领导和学校的关心和指导，在设计过程中，结合工作体会和经历，为我完成设计给予了极大的帮助，为我们上了最后一次重要的课程。

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致谢

在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了老师的亲切关怀和精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中饱含了老师的汗水和心血。老师敏锐的学术思想、严谨踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。在此我们向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。同时也感谢班主任老师在这几年来对我们的虚心的教导。

感谢学校给我们提供设计场地，和系领导的关心和指导，在设计过程中，结合工作体会和经历，提出了许多建设性的观点，为我完成设计给予了极大的帮助。

感谢机电工程系的领导和老师对我的关心和帮助。再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们。

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参考文献

1、杨黎明.机械零件设计手册.第一版.国防工业出版社,1986,12

2、吴宗泽.机械设计. 第一版.中央广播电视大学出版社,1998,2

3、卢颂峰.机械设计课程设计手册. 第一版.中央广播电视大学出版社,1998,4

4、非标准零件手册.第三版.国防工业出版社

5、液压与液压传动.机械工业出版社

6、机械手及其应用.机械工业出版社

7、液压元件样本.机械工业出版社