圆柱坐标机械手毕业设计说明书

合肥工业大学 机械设计与自动化一班

第一章 绪 论

1.1工业机械手 1.1.1工业机械手概述

工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

1.1.2选题背景

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产

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力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

1.1.3设计目的

本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科2.5年的所学知识进行整合，完成一个通用形式的普通圆棒料搬运的机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。

目前，在国内很多工厂的生产中圆棒料的搬运摆放仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。

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。

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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。

本机械手主要与多工位冲床组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。

1.2 机械手的组成和分类 1.2.1机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。

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图2-1机械手组成方框图

(一)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。

1、手部

即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在

本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和

重力式等。

图1-1 机械手手抓结构

2、手腕

是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)

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3、手臂

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 4、立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 5、行走机构

当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 6、机座

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，故起支撑和连接的作用。 (二)驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，

并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 (二)控制系统

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 (四)位置检测装置

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控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。

1.2.2 机械手的分类

工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 (一)按用途分

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 1、专用机械手

它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。 2、通用机械手

它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 (二)按驱动方式分 1、液压传动机械手

是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 2、气压传动机械手

是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是: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，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓

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重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

3、机械传动机械手

即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。 4、电力传动机械手

即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。 (三)按控制方式分 1、点位控制

它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。 2、连续轨迹控制

它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程

处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。

1.3 国内外发展状况

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:

(1)工业机器人性能不断提高(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65万美元。

(2)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。

(3)工业机器人控制系统向基于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。

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(4)机器人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。

(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

(6)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。

(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

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1.4 课题的主要任务

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：（1、）原始数据：

a、 抓重：300N

b、 自由度（四个自由度）

c、 动作 符号 行程范围 速度

伸缩 X 400mm 小于300mm/s 升降 Z 300mm 小于70mm/s 回转 φ 0——210o 小于90o/s

d、 手腕运动参数

回转 φ 行程范围 0——180o 速度 小于90o/s e、 手指夹持范围：棒料，直径50——70mm，长度450——1200mm f、 定位方式：电位器（或接近开关等）设定，点位控制 g、 驱动方式：液压（中、低压系统） h、 定位精度：±3mm。 i、 控制方式：PLC

1.5设计内容及安排

a、熟悉任务，查阅资料 b、画出机械手装配图 c、画出液压控制原理图

d、根据控制要求，选择PLC型号及输入输出元件 e、画出PLC控制的输出输入接线图 f、完成梯形图和语句表的程序设计 g、整理设计说明书，答辩 要求：

a、上述工作要求扎扎实实完成，绝不能打过场

b、培养独立思考的，独立动手，独立查阅资料，严谨治学、一丝不苟的精神

c、培养独立分析问题、解决问题的能力 d、有关问题按照课程设计大纲要求进行

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第二章 手部结构

2.1 手部结构设计

2.1.1概述

手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用连杆杠杆式。 2.1.2 设计时应考虑的几个问题 ①应具有足够的握力（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。 ②手指间应有一定的开闭角

两个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。 ③应保证工件的准确定位

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。 ④应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，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。

⑤应考虑被抓取对象的要求

应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。

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2.2手部计算

2.2.1 驱动力的计算

1.手指 2.连杆 3.拉杆 4.指座

图1 连杆杠杆式手部受力分析

如图所示为连杆式手部结构。作用在拉杆上的驱动力3为P，两连杆2对拉杆反作用力为P1、P2，其力的方向沿连杆两铰链中心的连线，指向O点并与水平方向成α角，由拉杆的力平衡条件可知，即

∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα

连杆对手指的作用力为p1′，因连杆2为2力杆。手指握紧工件时所需的力称为握力

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（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即∑m01(F)=0得 P1′h=Nb 因 h=c cosα 所以 P=2 b tgα N/c

式中 b——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。 c——手指的回转支点到连杆铰链连接点的距离（毫米） α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。

由上式可知，当驱动力P一定时，握力N与α角成正切反比。α角小时可获得较大的握力，α=0的时候使手指闭合到最小位置即为自锁位置，这时去掉驱动力，工件也不会自行脱落。若拉杆再往下移动，则手指反而会松开，为避免这种情况的发生，需保持α大于零，一般取α=30°~40°。这里取角α=30度。

这种手部结构简单，具有动作灵活等特点。查《工业机械手设计基础》中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即： P实际=PK1K2/η

式中 η——手部的机械效率，一般取0.85~0.95； K1——安全系数，一般取1.2~2

K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。

本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒2，工件重量G为300牛顿，V型钳口的夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：

根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式

N=0.5G=150（N）

选取b=50 c=30

由连杆杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2btgα N/c 得

P=P计算=23503tg（30°）3150／30≈288.68（N）

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P实际=P计算K1K2/η

取η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1 则 P实际=288.6831.531.1/0.85≈560.38(N) 2.2.2夹紧缸驱动力计算

夹紧装置是使手指夹紧工件的动力装置，此外，选用液压驱动，为单向作用缸，回程用弹簧驱动，手指夹紧工件时，缸的驱动力为 P推=D2Pπ／4

其中D——活塞直径，选取直径28mm的液压缸 P——驱动流体压力，选取P=1MPa 计算可得：

P推=282313π／4=615.44（N） P推＞P实际 故夹紧缸的选择满足题目要求 2.3 两支点回转式钳爪的定位误差的分析

图2 带浮动钳口的钳爪

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钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O′的距离为x,则 x=

l2?(R/sin??b?a)2

当工件直径变化时,x的变化量即为定位误差△,设工件半径R由Rmax变化到Rmin时,其最大定位误差为

△=∣

l2?(Rmax/sin??b?a)2-

l2?(Rmin/sin??b?a)2∣

其中l=50mm ,b=10mm ,a=45mm ,2?=120° ,Rmin=25mm ,Rmax=35mm 代入公式计算得

最大定位误差△=∣49.71—49.62∣=0.09＜0.8 故符合要求.

第二章 腕部

3.1腕部的结构设计

3.1.1概述

腕部是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。

3.1.2 腕部的结构形式

本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为180°. 如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。

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3.2手腕驱动力矩的计算

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的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算：

M驱=M惯+M偏+M摩 +M封 （N2m）

式中 M驱——驱动手腕转动的驱动力矩 M惯——惯性力矩 （N2m） M

偏——参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的

动片）对转动轴线所产生的偏重力矩 （N2m）

M摩——手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 （N2m） M

封——腕部回转缸的东片与定片、缸内壁、端盖、等处密封装置的摩

擦阻力距（N2m）

工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏 M偏 =G1 e （N.m） 式中 G1——工件重量（N）

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e——偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中

心线重合时，M偏为零

当e=0.020，G1=300N时 M偏 =6（N·m） ⑶ 腕部启动时的惯性阻力矩M惯

① 当知道手腕回转角速度?时，可用下式计算M惯 M惯 =（J+J工件）

? （N·m） t 式中 ?——手腕回转角速度 （1/s）

T——手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运

动）

J——手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kg·m2） J工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量 （kg·m2） 按已知计算得J=2.5，J工件 =6.25，?=0.3m/ m2,t=2 故 M惯 = 1.3（N·m）

② 当知道启动过程所转过的角度?时，也可以用下面的公式计算M惯：

?2 M惯=（J+J工件） （N·m）

2? 式中 ?——启动过程所转过的角度（rad）; ?——手腕回转角速度 （1/s）。

考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些，可取 M =1.1∽1.2 （M惯+M偏+M摩 ） （N.m） M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m）

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第四章 臂部的结构

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、回转和升降。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，将在下一章叙述。

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。

4.1 臂部设计的基本要求

一、 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻

（1） 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。 （2） 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。 （3） 合理布置作用力的位置和方向。 （4） 注意简化结构。 （5） 提高配合精度。

二、 臂部运动速度要高，惯性要小

机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在1000?1500mms,最大回转角速度设计在1800s内，大部分平均移动速度为1000mms，平均回转角速度在900s。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径： （1） 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。 （2） 减少臂部运动件的轮廓尺寸。

（3） 减少回转半径?，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），

尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。 （4） 驱动系统中设有缓冲装置。 三、手臂动作应该灵活

为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。

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4.2 手臂的典型机构以及结构的选择

4.2.1 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） 双活塞杆液压岗结构。 （4） 活塞杆和齿轮齿条机构。 4.2.2 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。

4.3 手臂直线运动的驱动力计算

先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。

做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性、密封等几个方面的阻力，来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。

P?P摩?P密?P回?P惯P摩----摩擦阻力(N)。臂部运动时，运动件表面间的摩擦力，如导向装置、活塞

和缸壁等处的阻力。

P密----密封装置处的摩擦阻力(N)。

P回----油缸回油腔低压油造成的阻力(N)，一般背压阻力较小，可取P回=0.05P。

P惯----臂部起动或制动时活塞杆上受到的平均惯性力(N)。

4.3.1 手臂摩擦力的分析与计算

分析：

摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具

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体情况进行估算。下图是机械手的手臂示意图。

图 4.1 机械手臂部受力示意

计算如下：

不同的配置和不同的导向截面形状，P摩是不同的，要根据具体情况进行估算，本案为圆柱面双导向杆导向，导向杆对称配置在油缸两侧的水平伸缩缸，起动时，导向装置处的摩擦阻力较大，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。

?MA?0

G总L?aPb

得 Pb?G总L aY?0

?G总?Pb?Pa

L?a?得 Pa?G总???

?a?P摩?Pa摩?Pb摩??'Pa??'Pb

?2L?a?

?P摩??'G总??a??式中 G总——参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；

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L——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（m） a——导向支撑的长度（m）;

'? ——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。

对于圆柱面：

?4???'????????1.27?1.57????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?0.20?1.5?0.3

估算：G总?250N，L=0.5m,导向支撑a设计为0.08m

将有关数据代入进行计算

?2L??2?0.5?0.08?P摩?G总?'??250?0.3?????1012.5N

a0.08????4.3.2 手臂惯性力的计算

本设计要求手臂平动是V=0.3m/s,在计算惯性力的时候,设置启动时间?t?0.5s，启

动速度?V=V=0.3m/s,

G总?v P惯?g?tP惯?G总?v250N?0.3m/s??15.3N 9.8NKg?0.5Sg?t4.3.3 密封装置的摩擦阻力

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10Mpa，活塞杆直径为油缸直径的一半，活塞与活塞杆处都采用O形圈密封时，液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：F封?0.03F(因手部轴线与臂部伸缩轴线垂直，手部油管不会经过臂部，故油管密封不考虑)。 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：

P?0.03P?P摩?P惯+0.05P=1117.2N

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4.4 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P=1117.2N，根据表3.2选择液压缸的工作压力P=1MPa

（1） 确定液压缸的结构尺寸：

液压缸内径的计算，如图5.2所示

图4.2 双作用液压缸示意图

当油进入无杆腔，

P?P??p?D2114?

当油进入有杆腔中，

P?P??D2?d2???P2?D21??P1419? 液压缸的有效面积：

F?Pp 1故有 D?4PP?p??1.13?p （无杆腔） 11D?9P2?p （有杆腔） 1?

式中 P----活塞的驱动力(N)

P1----油缸的工作压力(MPa)

d----活塞杆直径(mm),本案初设d=D/3

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D----油缸内径(mm)

η----油缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取η=0.96

据上述计算，P=1076.4N P1=1MPa，按有杆腔进行计算，其结果必然满足无杆腔的力学要求。

将有关数据代入： D?9P1117.2?3??40.8mm 2?p1?2??1?0.96根据表3-2油缸内径系列（GB/T2348-93），选择标准液压缸内径， D=50mm.

活塞杆直径d=50/3=16.67mm，圆整为d=18mm。 （2） 液压缸外径的设计

本案液压缸考虑铸造结构，考虑到铸造的最小壁厚要求，故最小不小于3mm，而驱动压力又较低，故厚度不超过10mm。按中等壁厚进行计算(16>D/δ>3.2)：

??P计D?C

(2.3????P计)?式中 ?----强度系数(当为无缝钢管时取值为1，本案为铸造式，取值0.7) C----计入管壁公差及侵蚀的附加厚度 ???----油缸材料的许用应力(MPa)；????强度，n为安全系数，一般n=3～5

一般常用缸体材料的许用应力 ???为： 锻钢 ???=110～120MPa

铸钢 ???=60MPa

无缝管 ???=100～110MPa

代入数据： ???bn，其中?b为油缸材料的抗拉

P计D1.3?1?50?C??2?2.7mm

(2.3????P计)?(2.3?60?1.3?1)?0.7圆整为3mm，即缸体外径56mm。 （3） 活塞杆的计算校核

①强度校核

活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算：

??P?4d2????

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设计中活塞杆取材料为碳刚，故????100?120Mpa，活塞直径d=18mm,L=1000mm,现在进行校核。

??P??1076.4?4.23Mpa?100MPa

2?4d4?182结论： 活塞杆的强度足够。

②稳定性校核

本案L>15d，应进行稳定性校核。稳定性条件可表示为;

P?Pkn

k式中 Pk----临界力(N)

nk----安全系数，一般取2～4 本案中，???li?0.5?100018?111.111??1?105，故按大柔度杆计算 4 P??2E?2?2100002k?2F?111.1112??9?42720N 式中 ?----活塞杆计算柔度

l----活塞杆长度(mm)，本案取值1000mm i----活塞杆横截面的惯性半径，取值为d/4 F----活塞杆截面积

E----弹性模量(MPa) E=210000

?----长度折算系数，本案取值0.5 ?1----特定柔度值，本案取105 将Pkk值代入：

Pn?42720?10680N?P?1076.4N k4故稳定性符合要求。

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第五章机身的设计计算

机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。

5.1 机身的整体设计

按照设计要求，机械手要实现手臂2100的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。

机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：

（1） 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回

转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。

（2） 回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。

但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。

（3） 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往

复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。 分析：

经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如图6.1所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。

驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转2100。

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图5.1 回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图

5.2 机身回转机构的设计计算

（1） 回转缸驱动力矩的计算

手臂回转缸的回转驱动力矩M驱，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M封相平衡。

M驱?M惯?M封?M回

惯性力矩的计算

M惯?J0??J0?? ?tM惯式中 ??——回转缸动片角速度变化量（rads），在起动过程中??=?；

?t——起动过程的时间(s);

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J0——手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（kg?m2）。 由于参与回转的零件形状、尺寸和重量各不相同，所以计算J0比较复杂，为了简化计算，可将形状复杂的形体简化成几个简单形体，分别计算，然后将各值相加，即是复杂零件对回转轴的转动惯量。

本案中手臂回转零件的重心与回转轴不重合，其零件对转动轴的转动惯量为

J0?Jc?G2?g

式中 Jc——回转零件对过重心轴线的转动惯量，由于回转零件的不同，Jc计算公式不同，针对本案，回转部件可以等效为一个长l=0.8m，半径R=0.04m的圆柱体，重量为40kg的圆柱体。

?----回转件的重心到回转轴线的距离。针对本案，估计?=0.7m G----回转件的重量，针对本案，估计G=80kg。

Jc?m?l2?3R2?12?40?(0.82?3?0.042)/12?2.15Nm2

G2??100?0.72?39.2Nm2 g起动角速度??=1.57rads，起动时间设计为0.1s。

J0?Jc?G2??41.35N?m2 gM惯?J0??J0??1.57=41.5??217.18N?m ?t0.3密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下M阻=0.03M驱，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M驱=223.9N?m

（1） 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1Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设d=50mm,根据4.3.3，则回转缸的内径通过下列计算：

D?39523.81M/P?39523.81?223.9/1?128.7mm 既设计液压缸的内径为128.7mm,根据表3-3选择液压缸的基本外径尺寸160mm。 则回转轴径d=160/2.5=64mm 动片宽b=D=160mm

（2） 液压缸盖螺钉的计算 根据表4-1所示，因为回转缸的工作压力为1Mpa,所以螺钉间距t小于150mm,

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根据初步估算，选取螺钉中心线D=200mm, L??D?3.14?150?628mm，

L628。 ?105?t,所以缸盖螺钉的数目为（一个面6个，两个面是12个）t'??Z61602?642危险截面S??R??r???16889.2mm2

422所以，工作载荷：Q?PS?2815N Z剩余预紧力：Qs'?KQ?1.5?2815?4222.5N K?1.5?1.8 螺钉在危险剖面上承受的拉力：Q=2815+4222.5=7037.5N螺钉材料选择Q235，则????螺钉的直径d?4?1.3Q

?sn?240?200MPa（n?1.2?2.5） 1.2?????4?1.3?7037.5?7.6mm 63.14?200?10螺钉的直径选择d=10mm.选择M10的内六角螺钉。

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如图5.2所示，内径为160mm，外径为180mm，输出轴径为64mm，

90°φ1图5.2 回转缸的截面图

（3） 动片和输出轴间的连接螺钉

动片和输出轴之间的连接结构如图6.2。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

bpd密。 ?D2?d2??M摩?QZf

82于是得 Q?FQbpD2?d2? ?4Zfdφ1806060°φ200

式中

——每个螺钉预紧力；

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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

?1.3Q合?d2???? 14或 d4Q1?????

带入有关数据，得

Q?bp4Zfd?D2?d2??160?14?2?1.5?64(1602?642)?4480N螺钉材料选择Q235，则?????sn?2401.2?200MPa（n?1.2?2.5）螺钉的直径 d?4?1.3Q?1.3?4480?????43.14?200?106?6.1mm 螺钉的直径选择d=8mm.选择M8的内六角螺钉。

5.3 机身升降机构的计算

5.3.1 手臂偏重力矩的计算

（1） 零件重量

G工件、

G爪、G腕、G臂等。

G工件?40Kg

现在对机械手手臂做粗略估算：G爪和G腕总共=30Kg

G臂?35Kg

G总?G工件+G爪+G腕+G臂=105Kg

(2)计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离?。

?工件=1000mm ?手和腕=1000mm

?臂=300mm

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???工件G工件??手腕G手腕??臂G臂G总(6.6)

?工件G工件??手腕G手腕??臂G臂??G?767mm

总所以，回转半径??767mm

(3) 计算偏重力矩

M偏?G总?

M偏?G总??105Kg?9.8?0.767m?789N?m

5.3.2 升降不自锁条件分析计算

参考图5.1，手臂在

G总的作用下有向下的趋势，而立柱导套有防止这种趋势。由力的平衡条件有

R1?R2， R1h?G总?

RG总1?R2?h? 所谓的不自锁条件就是升降立柱能在导套内自由下滑，即：

G总?FG总?1?F2?2R1f?2hf 即： h?2?f 取摩擦系数f?0.16 则：

h?0.32?

? 当?=767mm时，0.32?=245.44mm

因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于245.44mm

5.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算

P?P惯?P摩?P密?P回?G 式中F摩——摩擦阻力，参考图5.1

P摩?2R1f 取f=0.16

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G——零件及工件所受的总重。 （1）F惯的计算

F惯?G总?vg?t

设定速度为?V=0.07m/s;起动或制动的时间差?t=0.02s;数据带入上面公式有：

G总近似估算为140Kg;将

P惯?（2）P摩的计算

G总?v140?0.07??490N g?t0.02P摩?2R1f

G总?140Kg?9.8NKg?767mmR1?R2???4287.5N

h245.44mm? P摩?2R1f?2?4287.5?0.16?1372N

（3）液压缸在这里选择O型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算 P 密?0.03P最后通过以上计算

当液压缸向上驱动时，P=(490+1372+14039.8)/0.97=3334N 当液压缸向下驱动时，F=(490+1372-14039.8)/0.97=505N

5.3.4 油缸结构尺寸的确定

参考图5.2

当油进入无杆腔，

P?P??p11当油进入有杆腔中，

?D24?

P?P??P11液压缸的有效面积：

??D2?d2?42?D2??P? 19F?P p1故有 D?4PP （无杆腔） ?1.13?p1??p130

D?9P （有杆腔）

2?p1?

式中 P----活塞的驱动力(N)

P1----油缸的工作压力(MPa)

d----活塞杆直径(mm),本案初设d=D/3 D----油缸内径(mm)

η----油缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取η=0.96

据上述计算，P=3334N P1=1MPa，按有杆腔进行计算，其结果必然满足无杆腔的力学要求。

将有关数据代入： D?9P3334?3??70.5mm

2?p1?2??1?0.96根据表3-2油缸内径系列（GB/T2348-93），选择标准液压缸内径， D=100mm. 活塞杆直径d=50/3=33.33mm，圆整为d=40mm。

（4） 液压缸外径的设计

本案液压缸考虑铸造结构，考虑到铸造的最小壁厚要求，故最小不小于3mm，而驱动压力又较低，故厚度不超过10mm。按中等壁厚进行计算(16>D/δ>3.2)：

??P计D?C

(2.3????P计)?式中 ?----强度系数(当为无缝钢管时取值为1，本案为铸造式，取值0.7) C----计入管壁公差及侵蚀的附加厚度 ???----油缸材料的许用应力(MPa)；????强度，n为安全系数，一般n=3～5

一般常用缸体材料的许用应力 ???为： 锻钢 ???=110～120MPa

铸钢 ???=60MPa

无缝管 ???=100～110MPa

代入数据： ???bn，其中?b为油缸材料的抗拉

P计D1.3?1?100?C??2?3.36mm

(2.3????P计)?(2.3?60?1.3?1)?0.7圆整为5mm，即缸体外径110mm。

31

第六章液压系统

6.1液压系统的设计 6.1.1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。 6.1.2液压系统的组成

液压传动系统主要由以下几个部分组成：

① 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。

② 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）。

③ 控制调节装置 各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、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。

6.2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。 6.2.1 压力控制回路

① 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。

② 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。

③ 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。 ④ 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

32

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。 ⑤ 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，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。 6.2.2 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出油口的压差变化，因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化。

调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量，使油缸的运动速度不受负荷变化的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调速阀实现节流调速。

6.2.3 方向控制回路

在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油缸及油马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。

目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（D型）和直流电磁阀（E型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为220V（也有380V或36V），直流电磁阀的使用电压一般为24V（或110V）。这里采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能好，换向时间短，接线简单，价廉，但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。

6.3 机械手的液压传动系统

液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要内容之一。液压系统图是各种液压元件为满足机械手动作要求的有机联系图。它通常由一些典型的压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用回路所组成。

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绘制液压系统图的一般顺序是：先确定油缸和油泵，再布置中间的控制调节回路和相应元件，以及其他辅助装置，从而组成整个液压系统，并用液压系统图形符号，画出液压原理图。 6.3.1 上料机械手的动作顺序

本液压传动上料机械手主要是从一个地方拿到工件后，横移一定的距离后把工件给立式精锻机进行加工。它的动作顺序是：待料（即起始位置。手指闭合，待夹料立放） → 插定位销 → 手臂前伸 → 手指张开 → 手指夹料 → 手臂上升 → 手臂缩回 → 立柱横移 → 手腕回转115° → 拔定位销 → 手臂回转115° → 插定位销 → 手臂前伸 → 手臂中停 （此时立式精锻机的卡头下降 → 卡头夹料，大泵卸荷） → 手指松开（此时精锻机的卡头夹着料上升） → 手指闭合 → 手臂缩回 → 手臂下降 → 手腕反转 （手腕复位）→ 拔定位销 → 手臂反转（上料机械手复位） → 立柱回移（回到起始位置） → 待料（一个循环结束）卸荷。

上述动作均由电控系统发信控制相应的电磁换向阀，按程序依次步进动作而实现的。该电控系统的步进控制环节采用步进选线器，其步进动作是在每一步动作完成后，使行程开关的触点闭合或依据每一步动作的预设停留时间，使时间继电器动作而发信，使步进器顺序“跳步”控制电磁阀的电磁铁线圈通断电，使电磁铁按程序动作（见电磁铁动作程序表）实现液压系统的自动控制。 6.3.2 自动上料机械手液压系统原理介绍

图9 机械手液压系统图

液压系统原理如图8所示。该系统选用功率N =7.5千瓦的电动机，带动双联叶片泵YB-35/18 ，其公称压力为60*10帕，流量为 35升/分+18升/分=53升/分，系统压力调节为30*10帕，油箱容积选为250升。手臂的升降油缸及伸缩

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油缸工作时两个油泵同时供油；手臂及手腕的回转和手指夹紧用的拉紧油缸以及手臂回转的定位油缸工作时只有小油泵供油，大泵自动卸荷。

手臂伸缩、手臂升降、手臂回转、手臂横向移动和手腕回转油路采用单向调速阀（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程节流，因而速度可调，工作平稳。 手臂升降油缸支路设置有单向顺序阀（XI-63B），可以调整顺序阀的弹簧力使之在活塞、活塞杆及其所支承的手臂等自重所引起的油液压力作用下仍保持断路。工作时油泵输出的压力油进入升降油缸上腔，作用在顺序阀的压力增加使之接通，活塞便向下运动。当活塞要上升时，压力油液经单向阀进入升降油缸下腔而不会被顺序阀所阻，这样采用单向顺序阀克服手臂等自重，以防下滑，性能稳定可靠。

手指夹紧油缸支路装有液控单向阀（IY-25B），使手指夹紧工件时不受系统压力波动的影响，保证保证手指夹持工件牢靠。当反向进油时，油箱通过控制油路将单向阀芯顶开，使回油路接通，油液流回油箱。

在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低，为此在定位油缸支路前串有减压阀（J-10），使定位油缸获得适应压力为15—18*10帕 ，同时还给电液动滑阀（或称电液换向阀，34DY-63B）来实现，空载卸荷不致使油温升高。系统的压力由溢流阀来调节。

此系统四个主压力油路的压力测量，是通过转换压力表开关（K-3B）的位置来实现的，被测量的四个主油路的压力值，分别从压力表（Y-60）上表示出来。

下面以上料机械手的一个典型动作程序为例，结合图8来说明其动作循环。

当电动机启动，带动双联叶片泵3和8回转，油液从油箱1中通过网式滤油器2和7，经过叶片泵被送到工作油路中去，如果机械手还未启动，则油液通过二位二通电磁阀5和10（电磁铁11DT和12DT通电）进行卸荷。

当热棒料到达上料的位置后，由于1150℃的热料使光电继电器发出电信号（或经过人工启动），经过步进选线器跳步，使机械手开始按程序动作。此时卸荷停止（二位二通电磁阀5和10的电磁铁断电），电磁铁8DT通电，压力油进到定位油缸的无杆腔进行定位动作。定位后此支油路系统压力升高，压力继电器40发出电信号，经过步进选线器跳步使电磁铁1DT通电，电液换向阀25从“O”型滑滑机能状态变成通路，压力油泵从3和8经单向阀6、14和13，经过电液换向阀25右边通道进入手臂伸缩油缸的右腔，使活塞杆带动导向杆作前伸运动（因活塞缸固定），手臂前伸到适当位置，装在手臂上的碰铁碰行程开关发出电信号，经步进选线器和时间继电器延时，是电磁铁3DT通电，手指张开；手臂靠惯性滑行，手指移到待上料的中心位置。在延时结束时，3DT断电，手指夹紧料；并同时发信、跳步，使电磁铁4DT通电，压力油从工作油路39经电液换向阀33右边通道、单向调速阀34的单向阀及单向顺序阀35的单向阀进入手臂升降油缸的下腔，推动手臂上升。在手臂上升到预定位置，碰行程开关，使电磁铁4DT断电，电液换向阀33复位成“O”型滑阀机能状态，发出电信号经步进选线器跳步，使电磁铁2DT通电，电液换向阀25左边接通油路，压力油通过电液换向阀25左边通道，经过单向调速阀26的单向阀进入受臂伸缩油缸左腔使受臂缩回。同时发信、跳步，使电磁铁13DT通电，压力油通过电液换向阀41的左腔，推动手臂横向移动。当横向移动机构上的碰铁碰到行程开关，使13DT断电，并

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发出电信号经步进选线器跳步使6DT通电，则换向阀18右边接通油路，压力油通过单向调速阀19的单向阀进入手腕回转油缸一腔，使手腕回转115°，手腕上的碰铁碰行程开关使6DT断电，换向阀18复位成“O”型滑阀机能状态，同时亦使8DT断电，定位油缸复位（拔销）；压力继电器复位，发出电信号。经步进选线器跳步，使电磁铁9DT通电，换向阀28右边通道接通油路，压力油经QI（31）的单向阀进入手臂回转油缸一腔使手臂回转115°。当手臂的回转碰铁碰行程开关使9 DT断电，换向阀28复位成“O”型滑阀机能状态；并发出电信号。步进选线器跳步，使8DT通电，定位油缸17动作，插定位销，压力继电器40发出电信号经发出电信号。经步进选线器跳步，使电磁铁1DT通电，手臂前伸；当手臂将棒料送到立式精锻机的夹头轴线前的适当距离，手臂的碰铁碰行程开关，1DT断电，手臂靠滑行和定位螺钉使手臂将棒料送到夹头轴线处；并发出电信号、跳步使12DT通电，大泵卸荷，手臂处于“中停”位置，同时发出电信号使立式精锻机启动，夹头下降，行程开关发信，通过时间继电器使夹头闭合将棒料夹牢，精锻机电控系统发信，给机械手电控系统，经过选线器跳步，时间继电器延时使3DT通电，机械手手指松开（同时，精锻机的电控系统发信使夹头提升），延时到3DT断电，手指闭合，并发出电信号，步选器跳步，2DT通电，手臂缩回。当手笔碰铁碰到行程开关时，2DT断电（手臂缩回停）；并发出电信号和跳步，使5DT通电，电液换向阀33的左边通道接通油路，压力油经QI（36）的单向阀进到升降缸的上腔，使手臂下降，当升降导套上的碰铁碰行程开关时，5DT断电（手臂下降停）；并发出电信号和跳步，使7DT通电，换向罚18的左边通道接通油路，压力油QI（20）的单向阀进入手腕回转油缸的另一腔，使手腕反转115°；手腕上的碰铁碰行程开关，使7DT断电并发出电信号、跳步，使8DT断电（拔定位销），压力继电器复位发出电信号、跳步，使10DT通电，换向阀28左边通道接通油路，压力油经QI（29）的单向阀进入手臂回转油缸的另一腔，使手臂反转115°（机械手复位）。当手臂上的回转碰铁碰行程开关时，10DT断电，并发出信号，跳步，使14DT通电，立柱回移（回到原位，机械手回到原来位置）；步进选线器跳步，使11DT和12DT通电（两个油泵同时卸荷），机械手的动作循环结束。

6.4机械手液压系统的简单计算

计算的主要内容是，根据执行机构所要求的输出力和运动速度，确定油缸的结构尺寸和所需流量、确定液压系统所需的油压与总的流量，以选择油泵的规格和选择油泵电动机的功率。确定各个控制阀的通流量和压力以及辅助装置的某些参数等。

在本机械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往复直线运动）和回转式油缸（可以使输出轴得到小于360°的往复回转运动）及无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）。

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6.4.1 双作用单杆活塞油缸

图10 双作用单杆活塞杆油缸计算简图 ①流量、驱动力的计算

当压力油输入无杆腔，使活塞以速度V1运动时所需输入油缸的流量Q1为

?2 Q1 = 40DV1

对于手臂伸缩油缸：Q1=0.98cm/s， 对于手指夹紧油缸：Q1=1.02 cm/s ,对于手臂升降油缸：Q1=0.83 cm/s

油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P1即油缸的驱动力为：

333?2 P1 =4 Dp1

对于手臂伸缩油缸：p1=196N， 对于手指夹紧油缸：p1=126N ，对于手臂升降油缸：p1=320N

当压力油输入有杆腔，使活塞以速度V2运动时所需输入油缸的流量Q2为：

?22 Q2 = 40（D-d）V2

对于手臂伸缩油缸：Q1=0.87cm/s， 对于手指夹紧油缸：Q1=0.96 cm/s ,

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对于手臂升降油缸：Q1=0.72 cm/s

油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P2即油缸的驱动力为：

3?22 P2 =4 （D-d）p1

对于手臂伸缩油缸：p1=172N， 对于手指夹紧油缸：p1=108N ，对于手臂升降油缸：p1=305N

② 计算作用在活塞上的总机械载荷

机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷P为 P = P工 + P导 + P封 + P惯 + P回 其中 P工 为工作阻力

P导 导向装置处的摩擦阻力 P封 密封装置处的摩擦阻力 P惯 惯性阻力 P回 背压阻力

P = 83+125+66+80+208=562(N)

③确定油缸的结构尺寸

㈠油缸内径的计算 油缸工作时，作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即

P = P1（无杆腔） = P2 （有杆腔） 油缸（即活塞）的直径可由下式计算

D =

p4P?P1 = 1.13P1 厘米 （无杆腔）

对于手臂伸缩油缸：D=50mm， 对于手指夹紧油缸：D=30mm ，对于手臂升降油缸：D=80mm ，对于立柱横移油缸：D = 40mm

或D =

4P??P1d2?P1 厘米 （有杆腔）

㈡ 油缸壁厚的计算：

依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚?可用下式计算：

p计D ? = 2??? 厘米

P计 为计算压力

??? 油缸材料的许用应力。

对于手臂伸缩油缸：? =6mm， 对于手指夹紧油缸：? =17mm ，对于手臂升降油缸：? =16mm , 对于立柱横移油缸: ?=17mm

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㈢ 活塞杆的计算

可按强度条件决定活塞直径d 。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，即

P ? =

d2?4≦ ??? 4P 即 d ≧???? 厘米

对于手臂伸缩油缸：d =30mm， 对于手指夹紧油缸：d =15mm ，对于手臂升降油缸：d=50mm , 对于立柱横移油缸:d=16mm

6.4.2 单叶片回转油缸

在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸，简称回转油缸，其计算简图如下：

图12 回转油缸计算简图

①流量、驱动力矩的计算

当压力油输入回转油缸，使动片以角速度?运动时，需要输入回转油缸的流量Q为：

3b(D2?d2)?400 Q =

当D=100mm,d=35mm,b=35mm, ?=0.95 rad/s时 Q=0.02m/s

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回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M：

pb(D2?d2)8 M =

得M = 0.8 (N·m)

② 作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩 M M = M工 +M封 + M惯 + M回 其中 M工 为工作阻力矩

M封 密封装置处的摩擦阻力矩

M惯 参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩 M回 回转油缸回油腔的背反力矩 M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (N·m) ③ 回转油缸内径的计算

回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得：

8M?d2bp （厘米）

D =

D = 30mm

6.4.3油泵的选择

一般的机械手的液压系统，大多采用定量油泵，油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工作压力p泵 和最大流量Q泵来确定。 ⑴ 确定油泵的工作压力p泵 p泵 ≧ p + ?△p

式中 p ——油缸的最大工作油压

?△p ——压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元件的局部损失和管道的沿程损失。 p泵= 60*10帕

⑵ 确定油泵的 Q泵

油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量Q最大，并考虑系统的总泄漏来确定 Q泵 = K Q最大

其中K一般取1.10—1.25 Q泵=53升/分

6.4.4 确定油泵电动机功率N

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