送料机械手的设计

送料机械手的设计

摘要

本课题是为普通车床配套设计的上料机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。

本课题对机械手进行了结构设计和液压传动原理的设计，确定了机械手的机械系统，液压驱动系统，控制系统三个组成部分的设计方案。介绍了机械手的组成和分类，确定了机械手的主要参数及设计方案；对抓取机构的各零部件的参数进行计算，对液压元件进行选择，确定电机规格及机构的参数；对机身机座的电动机和减速器进行选择，并对螺栓设计和校核，确定其当量应力，剪切强度，弯曲强度；确定了机械手的定位方式为机械挡块定位；对影响机械手定位和稳定性的因素进行了相关分析。

关键词： 机械手；抓取机构；液压缸

I

目录

摘要 ...................................................................................................................... I

第1章 绪论 ........................................................................................................ 1 1.1 课题背景 ................................................................................................... 1 1.1.1 机器人的历史、现状 ........................................................................ 1 1.2 机器人发展趋势 ....................................................................................... 3 1.3 本文的主要研究内容 ............................................................................... 3 第2章 方案设计及主要参数的确定 ................................................................ 5 2.1 机械手组成和分类 ................................................................................... 5 2.1.1 机械手的组成 .................................................................................... 5 2.1.2 机械手分类 ........................................................................................ 6 2.2 方案设计 ................................................................................................... 6 2.2.1 主要参数的确定 ................................................................................ 6 2.2.2 方案设计 ............................................................................................ 6 2.3 料槽形式及分析动作要求 ....................................................................... 7 2.3.1 料槽形式 ............................................................................................ 7 2.3.2 动作要求分析 .................................................................................... 8 2.4 本章小结 ................................................................................................... 8 第3章 抓取机构的设计 .................................................................................... 9 3.1 手部设计计算 ........................................................................................... 9 3.1.1 对手部设计的要求 ............................................................................ 9 3.1.2 拉紧装置原理 .................................................................................. 10 3.2 腕部设计计算 ......................................................................................... 13 3.2.1 计算扭矩 .......................................................................................... 13 3.2.2 油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩 .............................................. 13 3.2.3 腕部回转液压缸尺寸的确定 .......................................................... 13 3.3 臂伸缩机构设计 ..................................................................................... 16 3.3.1 计算液压缸活塞驱动力 .................................................................. 16 3.3.2 根据驱动力确定液压缸结构尺寸 .................................................. 17 3.3.3 腔流量 .............................................................................................. 17 3.3.4 手臂右腔工作压力 .......................................................................... 17 3.4 液压元件的选择 ..................................................................................... 18 3.4.1 绘制机构工作参数表 ...................................................................... 18 3.4.2 由初步计算选液压泵 ...................................................................... 18

II

3.4.3 算腕部摆动缸 .................................................................................. 18 3.4.4 确定电机规格 .................................................................................. 19 3.4.5 油管尺寸的确定 .............................................................................. 19 3.4.6 管道壁厚的计算 .............................................................................. 20 3.4.7 油缸容积的确定 .............................................................................. 20 3.5 本章小结 ................................................................................................. 20 第4章 液压系统原理设计及草图 .................................................................. 21 4.1 手部抓取缸 ............................................................................................. 21 4.2 腕部摆动液压回路 ................................................................................. 21 4.3 小臂伸缩缸液压回路 ............................................................................. 22 4.4 总体系统图 ............................................................................................. 23 4.4.1 工作过程 .......................................................................................... 23 4.4.2 电磁铁动作顺序表 .......................................................................... 23 4.5 本章小结 ................................................................................................. 24 第5章 机身机座的结构设计 .......................................................................... 25 5.1 电机的选择 ............................................................................................. 25 5.1.1 带动臂部升降的电机 ...................................................................... 25 5.1.2 带动机身回转的电机 ...................................................................... 25 5.2 减速器的选择 ......................................................................................... 26 5.3 螺柱的设计与校核 ................................................................................. 26 5.4 本章小结 ................................................................................................. 27 第6章 机械手的定位与平稳 .......................................................................... 28 6.1 常用的定位方式 ..................................................................................... 28 6.2 影响平稳性和定位精度的因素 ............................................................. 28 6.3 机械手的控制 ......................................................................................... 29 6.4 本章小结 ................................................................................................. 30 结论 .................................................................................................................... 31 参考文献 ............................................................................................................ 32 致谢 .................................................................................................................... 33

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 机器人的历史、现状

机器人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器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。

目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。

第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。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(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。

随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。

目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。

在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先

制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。

随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。

美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：

（1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。

（2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。

（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。

其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来

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说，1967年，日本丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。

我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。

1.2 机器人发展趋势

随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。

就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：

（1）提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；

（2）开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；

（3）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。

1.3 本文的主要研究内容

随着科学技术的发展，生产率水平的提高，人们对产品精度和质量的要求越来越来严格。因此，企业生产线的自动化程度要求越来越高，机械手也越来越来多地被应用，工业机械手已成为多数企业生产线上必不可少的设备。工业机械手可以提高生产过程的自动化程度，改善劳动条件、避免人身事故，减少人力，并便于有节奏地生产，工业机械手从根本上减轻了工人的劳动强度，提高了生产率水平。因此，有效地应用机械手，是发展机械工业的必然趋势，研究的内容如下：

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（1）本次设计主要研究的是柴油机机体加工线上用多功能机械手，使其完成上料、转位和翻转等多种功能，并按该自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。

（2）研究思路及技术方案是本工业机械手机身采用机座式，坐标形式为直角坐标式，使用液压驱动，选用齿轮泵，具有机身旋转、手臂伸缩、手臂升降、腕部转动4个自由度，定位采用机械挡块定位，定位精度为-0.5～0.5mm，采用行程控制系统实现点位控制。

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第2章 方案设计及主要参数的确定

2.1 机械手组成和分类

2.1.1 机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统组成[4]。

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2-1 所示。

3 4 2 1 5

1—手部；2—手腕；3—立柱；4—手臂；5—机座

图2-1机构简图

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。

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。

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2.1.2 机械手分类

（1）根据所承担的作业的特点分类如下：承担搬运工作的机械手；生产工业用机械手；通用工业机械手。

（2）按功能分类如下：专用机械手；示教再现机械手；通用机械手。

（3）按驱动方式分类如下：液压传动机械手；气压传动机械手；机械传动机械手。

（4）按控制方式分类如下：固定程序机械手；可编程序机械手。

2.2 方案设计

2.2.1 主要参数的确定

表2-1主要参数 抓取重量 抓取长度 坐标形式 自由度 手臂伸缩行程 机身旋转范围 手臂回转范围θ 手部升降行程 伸缩速度 腕部回转速度 液压传动 -0.5～+0.5mm PLC 10kg 250mm 柱坐标式 4 500mm 0~180 -90~90 500mm 200mm/s 45/s 000抓取量 坐标形式及自由度 工作行程 运动速度 驱动方式 定位精度 控制方式 2.2.2 方案设计

根据课题要求及参数要求，可采用以下多种方案。

（1）直角坐标系式，自动线成直线布置，机械手空中行走，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种方案结构简单，自由度少，易于配线，但需要架空行走，油液站不能固定，这使设计复杂程度增加，运动质量增大。

（2）机身采用立柱式，机械手臂上下升降，顺序完成上料、翻转、转位等功能，自动线仍呈直线布置。这种方案可以集中设计液压，易于实

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现、油路定点连接，但手臂悬伸量较大。

（3）机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种案具有占地面积小等优点，但配线要求较高。

图2-2机座式机械手

本设计拟采用第三种方案，如图2-2所示。这是一种机座式机械手，具有机身旋转(⌒z)手臂伸缩(→x)手臂升降（⌒z）和腕部转动(⌒x)四个自由度。

2.3 料槽形式及分析动作要求

2.3.1 料槽形式

图2-3机械手安装简易图

由于工件的形状属于小型回转体，此种形状的零件通常采用自重输送的输料槽，如图2-3所示，该装置结构简单，不需要其它动力源和特殊装置，所以本课题采用此种输料槽。

- 7 -

2.3.2 动作要求分析

动作一：送 料 动作二：预夹紧 动作三：手臂上升 动作四：手臂旋转 动作五：小臂伸长 动作六：手腕旋转 预夹紧 手臂上升 手臂旋转 小臂伸长 手碗旋转 手臂转回 图2-4要求分析

手臂上升，手臂有沿机座立柱做升降运动，获得较大的运动行程，升降过程由电动机连接带动螺柱旋转，由螺柱配合导致了手臂的上下运动。

手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而使手臂回转。

手腕回转和小臂伸缩主要由回转缸控制其回转范围和伸缩运动。

2.4 本章小结

在本章中主要对机械手的设计方案的进行分析和主要参数的确定，具体内容如下：

（1）介绍了机械手的组成和分类，并讲述了各类机械手的用途及作

用；

（2）根据课题要求，确定了机械手的主要参数，并设计了几套方案，最后拟用第三套方案；

（3）确定了机械手的料槽形式，并对机械手的动作要求进行分析。

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第3章 抓取机构的设计

3.1 手部设计计算

3.1.1 对手部设计的要求

（1）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，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。 （2）有足够的开闭范围

夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。

图3-1 机械手开闭示例简图

对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。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3-1所示。

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（3）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。 （4）手指应有一定的强度和刚度 （5）其它要求

因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，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。

3.1.2 拉紧装置原理

（1）拉紧油缸的尺寸设计

图3-2 油缸示意图

如图3-2所示：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。

液压缸内径D的计算

初步确定：L?150mm,??300,R?50mm，手指对工件的夹紧力F用式(3-1)计算得

2Lco?s2 F?N? (3-1)

R10 - -

式中 p——手指对工件的夹紧力；

R——传动销与定位销的长度； L——连杆长度；

?——连杆中心线与夹紧力作用线之垂线的夹角。 根据设计要求可知：N'?G?392N

32?150?()2Lcos?2F?F计算?N'??392??1763.95N R50实际所采用的液压缸驱动力 F实际>F计算 ，查文献得公式

K1K2F计算 (3-2) F实际??2式中 K1——安全系数，一般取 1.2～2.0；

K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，一般取1.1～2.5； ?——手爪的机械传动效率，一般取0.85～0.9。

1.1?1.5F实际??1763.95?3424.13N

0.85由此确定液压缸直径D

4设夹紧缸的直径为D ，则活塞杠的直径取：d?0.5D，压力油的工作压力为P?2.5?106Pa，则

4F实际4?3424.13D???0.048m

?P(1?0.52)3.14?2.5?106?0.75?（D2-d2）F实际= (3-3)

根据 GB/T2348-93 液压缸内径尺寸系列取：D?50mm，则活塞杆直

径为选取为

d?0.5D?25mm，行程25mm；

根据GB/T2348-93液压缸活塞杆外径尺寸系列取：d?25mm 。由于活塞杆的长度较短，所以不用校核它的强度；

缸壁厚δ的计算

对于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算 ??ppD2???式中 δ——液压缸缸筒厚度（mm）；

11 - -

(3-4)

，工作压力p≤16MPa时，pp=1.5p；工作pp——试验压力（MPa）

压力p≥16MPa时，pp=1.25p，由于本次设计的液压系统压力为2.5MPa，故pp=1.5×2.5=3.75Mpa；

D——液压缸内径（mm）；

???——缸材料体的许用应力（MPa）：

n?b——缸体材料的抗拉强度（MPa）；

?????b

n——安全系数，n=3.5～5，一般取n=5。

对于锻钢 ???=100～120 MPa；铸钢 ???=100～110 MPa；钢管 ???=100～110 MPa；铸铁 ???=60 MPa，现???选用铸铁材料，

???=60Mpa。

3.75?50?1.56mm

2?60因结构设计需要，取?=10mm。

?? 缸外径D0及长度l的计算

D0=D+2? =50+2?10=70mm

L≤（20～30）D0，由结构需要来确定，取L?60mm。 液压缸行程S的确定

按GB/T2349-1980标准系列确定液压缸活塞行程为40mm。 （2）运动范围（速度）

伸缩运动： Vmax?500mm/s

Vmin?50mm/s

上升运动： Vmax?500mm/s

Vmin?40mm/s

下降运动： Vmax?800mm/s

Vmin?80mm/s

回转运动： Wmax?900/s

Wmin?300/s

所以取手部驱动活塞速度V?60mm/s （3）手部右腔的流量

Q?SV?60?R2?60?3.14?252?117.5mm3/s （3-5） （4）手部工作压强

12 - -

P?F实际/S?3424.13/1962.5?1.78MPa （3-6）

3.2 腕部设计计算

设计要求：回转?900，角速度W?450/s

以最大负荷计算：当工件处于水平位置时，回转缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重5kg，长度l?650mm。如图3-3所示。

3.2.1 计算扭矩

F

工件 S F

图3-3 腕部受力简图 设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩M1为：

M1?F?S?10?9.8?0.2?19.6(N.M) 3.2.2 油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩

m?5kg，S?100mm

带入公式3-7得M2?F?S?5?9.8?0.1?4.9(N.M) （1）回转缸的摩擦力矩M摩 F摩?30N0（估算值） S?20mm （估算值） M摩?F摩?S?（6N.M） （2）回转缸的总摩擦力矩M

M?M1?M2?M摩?30.（5N.M) 3.2.3 腕部回转液压缸尺寸的确定

（1）液压缸内径的确定

- 13 -

3-7）

(3-8)

（

回转缸的驱动力矩M与回转缸的压力p的关系为：

pbR2?r2M?2?? (3-9)

式中 M——回转缸的驱动力矩； P——回转缸的工作压力； R——缸体内壁半径； r——输出轴半径； b——动片宽度。

上述驱动力矩M与压力p的关系式是对应与压力腔的背压为零时的情况而言的，若低压腔有一定的背压，则P为工作压力与背压的差值。 由上式腕部回转缸的驱动力矩M与回转缸的压力p的关系推导得缸体内壁半径为；

图3-4手腕回转叶片

2M2?30.5?1032R??r??152?34.7mm

Pb2.5?25其中输出轴半径r由结构设计定为15mm，查表按标准系列圆整，取R?50mm，即回转液压缸内径为100mm，回转液压缸回转行程的确定，如图3-4所示，由方案设计可知，腕部回转行程0～180○。 （2）液压缸壁厚δ的计算

对于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算：

ppD?? （3-10）

2???式中 δ——液压缸缸筒厚度（mm）；

pp——试验压力（MPa），工作压力p≤16MPa时，pp=1.5p；工作

14 - -

压力p≥16MPa时，pp=1.25p，由于本次设计的液压系统压力为2.5MPa，故pp=1.5×2.5=3.75Mpa； D——液压缸内径（mm）；

???——缸材料体的许用应力（MPa）：

?????b （3-11）

n?b——缸体材料的抗拉强度（MPa）； n——安全系数，n=3.5～5，一般取n=5。

对于锻钢 [?]=100～120 MPa；铸钢 [?]=100～110 MPa；钢管 [?]=100～110 MPa；铸铁 [?]=60 Mpa。现[?]选用铸铁材料，[?]=60Mpa。

3.75?100?3.125mm 将以知数据代入上式得??2?60 因结构设计需要，取??17.5mm。

液压缸外径D0及宽度b的计算D0=D+2? =100+2?17.5=135mm b≤（20～30）D0，由结构需要确定，取b=30mm。 回转液压缸回转行程的确定

由方案设计可知，腕部回转行程0～180○，其结构形式见图3-2 由公式

P?b(?Al2??mm2)?106 M? (3-12)

8式中 b——叶片厚度，取b?30mm；

?Al——摆动缸内径，取?Al?100mm； ?mm——转轴直径，取?mm?30mm； P——回转缸的工作压力。

上述驱动力矩M与压力P的关系式是对应与压力腔的背压为零时的情况而言的，若低压腔有一定的背压，则P为工作压力与背压的差值。

由上式腕部回转缸的驱动力矩M与回转缸的压力P的关系推导回转缸的工作压力为：

P?8M?0.89MPa 226b?(?Al??mm)?10又因为

15 - -

W?8Q 22(?Al??mm)b所以

W(?Al2??mm2)bQ??27ml/s

8式中 Q——流量；

W——回转缸的角速度；

b——叶片厚度，这里取b?30mm；

?Al——摆动缸内径, 这里取?Al?100mm； ?mm——转轴直径, 这里取?mm?30mm。

3.3 臂伸缩机构设计

手臂的伸缩速度为200m/s，行程l?500mm。

3.3.1 计算液压缸活塞驱动力

摩 （3-13） F?F惯?F式中 F摩——手臂运动时的摩擦阻力；

F惯——起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。 （1）摩擦阻力计算

F摩??mg?88.2N

式中 ?——摩擦系数（钢对铸铁：取??0.18~0.3，这里取0.3）； m——手臂伸缩部件的总重量（含工件的质量）

m?10?20?30(kg)

（2）起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力计算

W?vF惯??75N

g?t式中 W——手臂伸缩部件的总重力（包括工件重量）（N）；

?v——油静止加速到常速的变化量（m/s）,取750?10?3m/s； ?t——起动过程时间（s），一般取 0.01～0.5s，对轻载低速运动部件取较小值，对重载高速运动部件取较大值（这里取0.4）。

所以所需的总的驱动力为

F?F惯?F摩?16.32N

16 - -

3.3.2 根据驱动力确定液压缸结构尺寸

D?4F?d2 （3-.14） ?P?式中 D——液压缸直径,其中d?0.5D；

?——载荷率? 取0 .7～0.85；

P——液压缸的工作压力 取P?2.5MPa；

F1——液压缸驱动力。

D?16F3??P?11.5mm 根据 GB/T2348-93 液压缸内径尺寸系列取：D?40mmd?0.5D?20mm； 根据GB/T2348-93 液压缸活塞杆外径尺寸系列取：程为500mm。

3.3.3 腔流量

由公式（3-5）得：

Q??D24v?1000ml/s

式中 Q——流量（ml/s）

V——活塞杆速度，取v?200mm/s。

3.3.4 手臂右腔工作压力

由公式（3-6） 得：

P?F 式中 F——系统总的驱动力。S 所以代入公式（3.12）得：

P?FFS??D2?0.26MPa

4- 17 -

d?20mm ,行

(3-15)

3.4 液压元件的选择

3.4.1 绘制机构工作参数表

表3-1机构工作参数

机构名称 工作速度 行程

工作压力 流量 手部抓紧 60mms 25mm 1.78Mpa 0.89Mpa 0.26Mpa 117.8ms 27ms 1000mls 腕部回转 45os 200mms ?90o 500mm 手臂伸缩 3.4.2 由初步计算选液压泵

验所需液压最高压力：P?1.78MPa 所需液压最大流量：Q?1000ml/s

选取CB-D型液压泵（齿轮泵）；此泵工作压力为10MPa，转速为1800r/min，工作流量Q在32~70ml/r之间，可以满足需要。

3.4.3 算腕部摆动缸

M'?Pb(?Al2??mm2)?m?106/8 （3-16） W'?8??v(?Al2??mm2)b （3-17）

式中 ?m——机械效率取： 0.85～0.9

?v——容积效率取： 0.7～0.95

所以代入公式（3-16）得：

M'?25.8(N.M)

M'?M?30.5(N.M)

代入公式（3-17）得：

W'?0.673rad/s =0.673rad/s W'??/4?0.785rad/s

因此，取腕部回转油缸工作压力 P?1MPa；流量Q?35ml/s

18 - -

圆整其他缸的数值：

手部抓取缸工作压力 PI?2MPa；流量QI?120ml/s 小臂伸缩缸工作压力 PI?0.25MPa；流量QI?1000ml/s

3.4.4 确定电机规格

液压泵选取CB-D型液压泵，额定压力P?10MPa，工作流量在之间。选取80L/min为额定流量的泵， 因此：

P?ppqp/?p （3-18）

32ml/r~70ml/r

式中 P——电动机功率（W）；

pp——液压泵最大工作压力（Pa）； qp——液压泵的输出流量（m3/s）；

?p——液压泵总效率，由液压泵产品样本查出，?p?0.8

所以代入公式（3-18）得：P?ppqp/?p?16.7KW

选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率17KW，转速为

2940r/min。

3.4.5 油管尺寸的确定

管道内径计算

d?4Q （3-19） ?v推荐流速（m/s） 表3-2 允许流速推荐表 油液流经的管道 液压泵吸油管道 液压系统压油管道 液压系统回油管道 0.5~1.5，一般常取1m/s以下 3~6，压力高，管道短粘度小取大值 1.5~2.6 ni； 式中 Q——通过管道内的流量（m3/s），Q?80L/m V——管内允许流速（m/s），取v?4m/s，见表3-2。

19 - -

d?4Q?20mm ?v根据参考文献3中表37.9-1，选取管道内径d?20mm的铜管。

3.4.6 管道壁厚的计算

??pd （3-20） 2[?]式中 p?工作压力（MPa） d?管道内径（mm）

? [?]?许用应力（MPa），对于钢管[?]?b（抗拉强度MPa s?ss?8安全系数，当p?7MPa时，；当p?17.5MPa?b?时，s?6；当

p?17.5MPa时，s?4）。对于铜管[?]?25MPa。

pd?4mm，管道的外径D?d?2??28mm，长度l?2m。 所以 ??2[?]3.4.7 油缸容积的确定

对油缸容积初步确定

V?aQV （3-21）

已知所选泵的总流量为80L/min，这样液压泵每分钟排出压力油的体积为0.08m3，取a?5，算出有效容积为

V?0.4m3

3.5 本章小结

本章主要对机械手的抓取机构进行了相关的研究，具体内容如下： （1）阐述了对手部的设计要求，并对拉紧油缸的尺寸进行相关的设计计算；

（2）对腕部进行设计计算，计算各扭矩，并确定了腕部回转液压缸尺寸；

（3）对臂伸机构进行设计计算，计算驱动力，并确定了液压缸结构尺寸；

（4）对液压元件进行选择，确定电机规格及机构的参数。

20 - -

第4章 液压系统原理设计及草图

4.1 手部抓取缸

（1）手部抓取缸液压原理图如图4-1所示[5]；

（2）泵的供油压力P取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300ml/s。

因此，需装图4-1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。

采用：YF-B10B溢流阀

2FRM5-20/102调速阀 23E1-10B二位三通阀 图 4-1手部抓取缸液压原理图 4.2 腕部摆动液压回路

（1）腕部摆动缸液压原理图如图4-2所示 （2）工作压力P=1Mpa

流量Q=35ml/s

采用 2FRM5-20/102调速阀

21 - -

34E1-10B 换向阀 YF-B10B 溢流阀

图 4-2 腕部摆动液压回路

4 4.3 小臂伸缩缸液压回路

2图 4-3小臂伸缩缸液压回路 22 - -

5臂部伸缩缸

（1）小臂伸缩缸液压原理图如图4-3所示 （2）工作压力P=0.25Mpa

流量Q=1000ml/s

采用YF-B10B 溢流阀

2FRM5-20/102 调速阀 23E1-10B二位三通阀

4.4 总体系统图

如图4-4所示为液压传动系统的总体系统图

图4-4总体系统图

4.4.1 工作过程

小臂伸长→手部抓紧→腕部回转→小臂回转→小臂收缩→手部放松

4.4.2 电磁铁动作顺序表

液压总体系统的电磁铁动作顺序如表4-1

23 - -

表 4-1电磁铁动作顺序表 元件 动作 小臂伸长 手部抓紧 腕部回转 小臂收缩 手部放松 卸荷 1DT － － － － － ＋ 2DT + + + - - ± 3DT + - - - + ± 4DT - - + - - ± 5DT - - - - - ± 4.5 本章小结

本章主要对抓取机构各部分的液压系统原理进行了相关的研究，并确

定了相关的草图，具体内容如下：

（1）对抓取机构各部分的液压系统原理进行了相关的研究，拟定各部分的原理草图；

（2）确定了抓取机构的工作过程和电磁阀动作顺序表。

24 - -

第5章 机身机座的结构设计

5.1 电机的选择

5.1.1 带动臂部升降的电机

初选上升速度 V=100mm/s P=6KW

所以n=（100/6）×60=1000转/分

选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。

表5-1 Y90S-4电动机技术数据所示：

满载时 型号 额定功 率KW 电流A 堵转电流 功率因素 堵转转矩 最大转矩 转速r/min 效率% 额定电流 额定转矩 额定转矩 Y90S-4 1.1 2.7 1400 79 0.78 6.5 2.2 2.2 5.1.2 带动机身回转的电机

初选转速 W=60o/s n=1/6转/秒

=10转/分

由于齿轮i=3，减速器i=30，所以n=10×3×30=900转/分 选择Y90L-6型笼型异步电动机

电动机采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如表5-2 Y90S-6电动机技术数据所示：

25 - -

表5-2 Y90L-6电动机技术 满载时 型号 额定功 率KW 电流A 转速r/min 功率因素 堵转电流 额定电流 6.0 堵转转矩 额定转矩 2.0 最大转矩 额定转矩 2.0 效率% Y90S-6 1.1 3.2 910 73.5 0.72 5.2 减速器的选择

初选WD80型圆柱蜗杆减速器，WD为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。

蜗杆的材料38siMnMo调质，蜗轮的材料为ZQA19-4，中心矩a=80，传动比I=30，传动惯量0.265×10ˉ3kg·m2。

5.3 螺柱的设计与校核

螺杆的材料选择：从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁[6]。

表5-3 螺柱设计参数 螺距螺纹工作高度P 螺纹工作高度h 螺纹牙底宽度b 螺杆强度[σ] 螺纹牙剪切[τ] 弯曲[σb] (1)当量应力 226mm 3mm 3.9mm 30~50Mpa 40 Mpa 45~55 Mpa ?4F??T??? ????3?0.2d3?????? (5-2) ??d2?1???1?式中 T——传递转矩N·mm；

[σ]——螺杆材料的许用应力。 所以代入公式（5-5）得：

??16471Pa<535340Pa

合格

26 - -

(2)剪切强度

Z=H/P=160/6 （旋合圈数） （5-3） τ=F/πd1bz （5-4）

=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa

合格

(3)弯曲强度

σb=3Fh/πd1b2z （5-5） =0.48Mpa＜[σ]=45Mpa 合格

5.4 本章小结

本章主要对机械手的机身机座的结构进行了设计，具体内容如下： （1） 对带动臂部升降和带动机身回转的电机进行了选择； （2） 对减速器的选择，初选WD80型圆柱蜗杆减速器；

（3）对螺栓的设计和校核，确定了当量应力，剪切强度，弯曲强度。

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第6章 机械手的定位与平稳

6.1 常用的定位方式

机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。

若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于±0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。

6.2 影响平稳性和定位精度的因素

机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下[7]： （1）定位方式

不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。 定位速度

定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。

（2）精度

机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。 （3）刚度

机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。

（4）运动件的重量

运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量。

运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，

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定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。 （5）驱动源

液压、气压的压力波动及电压、油温、气温的波动都会影响机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节油温措施。如用蓄能器稳定油压，用加热器或冷却器控制油温，低速时，用温度、压力补偿流量控制阀控制。

（6）机械手运动的缓冲装置

缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式。内缓冲形式有油缸端部缓冲装置和缓冲回路等。外缓冲形式有弹性机械元件和液压缓冲器。内缓冲的优点是结构简单，紧凑。但有时安置位置有限；外缓冲的优点是安置位置

灵活，简便，缓冲性能好调等，但结构较庞大。 （7）控制系统

开关控制、电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关。

本课题所采用的定位精度为机械挡块定位。

6.3 机械手的控制

控制系统是机械手的重要组成部分。在某种意义上讲，控制系统起着与人脑相似的作用。机械手的手部、腕部、臂部等的动作以及相关机械的协调动作都是通过控制系统来实现的。主要控制内容有动作的顺序，动作的位置与路径、动作的时间。

机械手要用来代替人完成某些操作，通常需要具有图6-1所示的机能。

实现上述各种机能的控制方式有多种多样。机械手的程序控制方式可分为两大类，即固定程序控制方式和可变程序控制方式。

本课题所用的是固定程序控制类别的机械式控制。

常用凸轮和杠杆机构来控制机械手的动作顺序、时间和速度。一般常与驱动机构并用，因此结构简单，维修方便，寿命较长，工作比较可靠。适用于控制程序步数少的专用机械手。

29 - -

控制机能 示教机能 动作控制机能 动作顺序控制 运动控制机能 操作机能 检测、识别机能 图6-1 机械手的控制机能

6.4 本章小结

本章对机械手的定位和稳定性进行了相关的分析，具体内容如下： （1）确定了机械手的常用的定位方式为机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块；

（2） 对影响机械手定位和稳定性的因素进行了相关分析；

（3）机械手的缓冲装置进行了相关的研究，确定了相关的参数。

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结论

随着现代工业的发展以及自动生产线的需要，机械手的应用越来越广，送料机械手在一个生产环节中扮演着举足轻重的角色，因此本次对送料机械手的设计工作在机械手研制领域有着积极的意义。设计任务包括机械手的机械系统，液压驱动系统，控制系统三个组成部分的设计工作。

（1）介绍机械手的组成和分类，确定了机械手的主要参数及设计方案；

（2）对抓取机构的各零部件的参数进行计算，对液压元件进行选择，确定电机规格及机构的参数；

（3）对机身机座的电动机和减速器进行选择，并对螺栓设计和校核，确定其当量应力，剪切强度，弯曲强度；

（4）确定了机械手的定位方式为机械挡块定位；对影响机械手定位和稳定性的因素进行了相关分析。

本课题还存在以下的不足之处，需进一步完善：

如机身采用机座式，配线要求较高，应该综合考虑生产需求，降低生产成本。

31 - -

参考文献

[1] 徐灏．机械设计手册3.机械工业出版社，1991. [2] 徐灏．机械设计手册4.机械工业出版社，1991. [3] 徐灏．机械设计手册5.机械工业出版社，1991.

[4] 工业机械手编写组.工业机械手-机械结构上.上海科学技术出版

社,1992.

[5] 刘延俊，关浩，周德繁． 液压与气压传动．高等教育出版社，

2007：141-165

[6] 胡家秀． 机械设计基础.``中国劳动出版社，2008：13-34

[7] 鲁昌国，何冰强．机械制造技术．大连理工大学出版社，2009：72-124 [8] 曾令宜．AutoCAD 2006 工程绘图教程．高等教育出版社，2006：

57-168

32 - -

致谢

经历了一个学期的艰苦奋战之后，我终于完成了这次毕业设计。本次设计是我们在学完三年工科课程后进行的一次综合性的、系统性的、理论联系实际的设计活动，我认为自己从中获益匪浅。

通过这次设计使我的专业知识得到了巩固，设计能力有所提高。设计中我还使用了AUTOCAD，等电脑绘图软件，使我运用电脑绘图能力也得到了很大的提高。同时，也进一步加强了我严谨治学的良好习惯，这将为我以后的工程技术人员道路打下良好的基础。

在这次设计中，我得到了杨东宇老师的的悉心关怀和帮助。在此，向她致以深深的谢意。还要感谢我的同学和朋友，他们帮我解决了许多的难题，并为我的设计提出了许多的宝贵意见。

最后，衷心感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的专家、教授。由于本人知识水平有限，文中不免有不妥之处，敬请各位专家、教授不吝批评和指正

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致谢

经历了一个学期的艰苦奋战之后，我终于完成了这次毕业设计。本次设计是我们在学完三年工科课程后进行的一次综合性的、系统性的、理论联系实际的设计活动，我认为自己从中获益匪浅。

通过这次设计使我的专业知识得到了巩固，设计能力有所提高。设计中我还使用了AUTOCAD，等电脑绘图软件，使我运用电脑绘图能力也得到了很大的提高。同时，也进一步加强了我严谨治学的良好习惯，这将为我以后的工程技术人员道路打下良好的基础。

在这次设计中，我得到了杨东宇老师的的悉心关怀和帮助。在此，向她致以深深的谢意。还要感谢我的同学和朋友，他们帮我解决了许多的难题，并为我的设计提出了许多的宝贵意见。

最后，衷心感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的专家、教授。由于本人知识水平有限，文中不免有不妥之处，敬请各位专家、教授不吝批评和指正

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/coz3.html