一种简易搬运机械手的设计

兰州工业学院毕业设计（论文）

兰州工业学院

毕业设计（论文）

任务书

机电工程 学院 机电一体化技术 专业 设 计 题 目 搬运机械手设计及PLC控制

学 生 姓 名 班 级 起 止 日 期 指 导 教 师 李宝栋

年 月 日

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1.毕业设计的原始数据：

[1] 论文所用相关资料从校图书馆书籍或网上下载获得； [2] 数据资料由教师根据生产实践提供。

2.毕业设计(论文)的内容和要求(包括技术要求、图表要求以及工作要求等)：

设计一搬运机械手，满足下列技术要求，绘制各主要零件图和装配图，并采用S7-200 PLC进行控制。 [1] 末端载荷：5KG [2] 自由度数：4 [3] 坐标形式：圆柱坐标 [4] 最大工作半径：1500mm [5] 手臂最大中心高：800mm

[6] 手臂伸缩速度750 mm /s，手臂升降速度250mm/s，手臂回转速度110o／s，手腕回转速度360o/s

[7] 手臂伸缩行程范围0~500mm，手臂升降行程范围最大0～100mm，手臂回转行程范围0o~220o

[8] 定位方式：行程开关或可调机械挡块等 [9] 定位精度：?1mm [10] 驱动方式：液压驱动

[11] 控制方式：点位程序控制（采用PLC）

3.毕业设计应完成的技术文件：

[1] 撰写设计说明书；

[2] 装配图、各主要零件图（一套）； [3] PLC接线图以及其它相关设备的电气图。

4.主要参考文献：

[1] 李允文.工业机械手设计. 北京：机械工业出版社,1996.4 [2] 濮良贵，纪名刚.机械设计.北京：高等教育出版社,2001 [3] 陆祥生，杨绣莲.机械手. 北京：中国铁道出版社,1985.1 [4] 张建民.工业机械人.北京：北京理工大学出版社,1992

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5.毕业设计(论文)进度计划(以周为单位)： 起 止 日 期 第1周 工 作 内 容 查阅相关资料，确定设计总方备 注 （12月9日～12月15日） 案，完成相关设计计算 第2～4周 （12月16日～12月29日） 绘制装配图、各主要零件图 第5周 （12月30日～1月5日） PLC控制部分设计及调试 第6～7周 （1月6日～1月19日） 撰写设计说明书 教研室审查意见： 教研室主任 学院审查意见： 学院院长 年 月 年 月 日

日

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摘 要

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。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。自上世纪六十年代，PLC设计的机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。

关键字：机械手 PLC 现代工业

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ABSTRACT

Abstract: In modern industry, the production process of mechanization, automation

has become a prominent theme. Continuity of the chemical production process of autom\\ation has been basically resolved. Dedicated high-volume production automated machine tools is an effective way; controlled machine tools. However, in addition to cutting its own, there are a lot of loading and unloading, transportation, assembly, and other operations to be further mechanized. According to the data, PLC robot was designed to achieve a product, it has been the development and application development, the most typical of this development are the producers of health products used in industry, in order to achieve the much-needed health inspection in a short period of time, a large number of sample data, but in the field of health as a result of the use of robot goods in a single sample-color reagent method, using filters and structural design, resulting in expensive reagents, restrictions The product market. With the advances in technology, the robot has actually broken the design of a single reagent, and heating the filter constraints.

Keyword: robot PLC modern industrial

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目录

摘 要 ·································· 4 ABSTRACT ································ 5 目录 ··································· 6 1 绪论 ································· 9

1.1前言 ································ 9

1.2工业机械手在生产中的应用 ····················· 10

1.2.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 ··········· 11 1.2.2 在实现单机自动化方面 ···················· 11 1.2.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 ················ 11 1.3 机械手的组成 ··························· 11

1.4.1 执行机构 ·························· 12 1.4.2 驱动机构 ·························· 13 1.4.3 控制系统及其分类 ······················ 13 1.5工业机械手的分类 ························· 13 1.6工业机械手的发展趋势 ······················· 14 1.7工业机械手的自由度和座标型式 ··················· 15 1.8工业机械手的展望 ························· 16 1.9本文主要研究内容 ························· 18 1.10本章小结 ···························· 18

2 机械手的总体设计方案 ····················· 19

2.1 机械手基本形式的选择 ······················· 2.2机械手的主要部件及运动 ······················ 2.3驱动机构的选择 ·························· 2.4 机械手的技术参数列表 ······················· 2.5 本章小结 ·····························

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3 机械手手部的设计计算 ····················· 22

3.1 手部设计基本要求 ························· 3.2 典型的手部结构 ·························· 3.3机械手手抓的设计计算 ·······················

3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置 ·················· 3.3.3 夹紧力及驱动力的计算 ···················· 3.3.4 手抓夹持范围计算 ······················ 3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 ···················

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3.5弹簧的设计计算 ·························· 27 3.6 本章小结 ····························· 29

4 腕部的设计计算 ························· 30

4.1 腕部设计的基本要求 ························ 4.2 腕部的结构以及选择 ························

4.2.1典型的腕部结构 ······················· 4.3 腕部的设计计算 ··························

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30 30 30 4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 ··················4.3.1 腕部设计考虑的参数 ·····················4.3.3 腕部驱动力的计算 ······················4.3.4 液压缸盖螺钉的计算 ·····················4.3.5动片和输出轴间的连接螺钉 ··················4.4 本章小结 ·····························5 臂部的设计及有关计算 ·····················5.1 臂部设计的基本要求 ························5.2 手臂的典型机构以及结构的选择 ···················5.2.1 手臂的典型运动机构 ·····················5.2.2 手臂运动机构的选择 ·····················5.3 手臂直线运动的驱动力计算 ·····················5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 ···················5.3.2 手臂惯性力的计算 ······················5.3.3 密封装置的摩擦阻力 ·····················5.4 液压缸工作压力和结构的确定 ····················5.5 本章小结 ·····························6 机身的设计计算 ·························6.1 机身的整体设计 ··························6.2 机身回转机构的设计计算 ······················6.3 机身升降机构的计算 ························6.3.1 手臂偏重力矩的计算 ·····················6.3.2 升降不自锁条件分析计算 ···················6.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 ·············6.4 轴承的选择分析 ··························6.5 本章小结 ·····························（ ···································7 PLC及其应用 ····························7.1 PLC的概念 ····························7

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7.2 PLC的组成 ···························· 51 7.3 PLC工作原理及其特点 ······················· 53

（四）PLC的应用 ··························· 53 7.4 PLC控制方案分析 ························· 54

7.4.1 对PLC的选取 ························ 54 7.4.2 系统的整体设计分析 ····················· 56 7.5设计内容 ····························· 56

7.5.1 机械结构和控制要求 ····················· 56 7.5.2 系统硬件设计 ·························· 57

7.5.3 系统软件设计 ························ 57 （三）系统软件设计 ·························· 58 （三）系统软件设计 ·························· 59 7.6 系统调试 ····························· 60 7.7 设计总结 ····················· 错误！未定义书签。

结 论 ································· 68 致 谢 ································· 69 参考文献 ······························· 70

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1 绪论

1.1前言

用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。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。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、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。

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，受到机械工业的重视。

机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

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。

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。

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。他的结构是：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。

1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之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)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式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（Unimaton）,专门生产工业机械手。

1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示

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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-Vic-arm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，定位误差可小于±1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

德国机器制造业是从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。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。 瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。 瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制。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，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）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(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，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。

1.2工业机械手在生产中的应用

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，

5如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛广泛??。

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以

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下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，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。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。 1.2.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线

一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。

加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。 1.2.2 在实现单机自动化方面

各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。 1.2.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面

模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机

械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。

1.3 机械手的组成

工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹和要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。

目前国内工业机械手的种类和型式比较多，但是从结构型式分析，主要由执行机构、驱动系统和控制系统等组成。

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1.4.1 执行机构

主要由手部、手腕、受臂和行走机构等运动部件组成。

（1）手部 它具有人手某种单一动作的功能。由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等型式。

夹持式手部是由手指和传力机构组成。

手指是直接与物件接触的构件。常用的手指运动型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。平移型手指应用较少，其原因是结构比较复杂，但是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。

传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式等。

吸附式手部有负压吸盘和电磁吸盘两类。

对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压和真空泵压。

对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力有直流电磁铁和交流电磁铁产生。

用负压磁盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、和吸附力的大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。

此外，根据特殊需要，手部还有勺式（如浇注机械手的浇包部分）、托式（如冷挤齿轮机床上下料机械手的手部）等型式。

（2） 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。

（3）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

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部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、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。

（4） 行走机构 当工业机械手需要完成比较远的距离的操作时，可以在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。我国的正处于仿真阶段。 1.4.2 驱动机构

驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 1.4.3 控制系统及其分类

它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。

在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制。

1.5工业机械手的分类

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。

按使用范围可以分为：专用机械手和通用机械手两大类。前者一般附属于工作机器设备，动作程序固定，驱动系统和控制系统可以独立，亦可附属于工作机器设备。而后者是独立工作的自动化机械装置。在规格性能范围内，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。

按驱动方式可以分为：液压传动机械手、气压传动机械手、电动传动机械手、机 械传动机械手。

1．液压传动机械手 是以由油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：抓重可以达到几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但是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，并且不宜在高温、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：介质来源极其方便、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征，工作速度的稳定性较差，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，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、动作频率高，但结构较大，动作程序可不变。它常被用于为工作主机的上、下料。

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4．电动传动机械手 即由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机械手，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。 按控制方式可以分为：点位控制和连续轨迹控制。前者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。若欲控制的点数越多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前多数机械手属于点位控制。后者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，但是电气控制系统复杂。

1.6工业机械手的发展趋势

(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6.5万美元。

(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。

(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

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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。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。

1.7工业机械手的自由度和座标型式

1 工业机械手的自由度

自由度是机械手设计的主要参数，每一个构件（即运动件）相对固定坐标系所 具有的独立运动称为自由度。每一个构件相对固定坐标系最多可有六个自由度即沿X、Y、Z三个方向独立的往复运动和绕X、Y、Z轴的三个独立的回转运动。两个构件组成相对运动的联接称为运动副，对相对运动加以限制的条件即为约束条件。因为，组成运动副的各构件的运动是受到约束的，不能任意运动，必须按照人们预定的规律而运动。分析机械手的手臂、手腕、手指等部件的本身和它们之间的关系，不外乎是由一组相互联系着的构件和运动副所组成，这些运动副又可以分为只有一个自由度的回转副和移动副或有三个自由度的球面副。

所谓工业机械手的自由度就是整机、手臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动。有几个独立运动就有几个自由度。手指的抓取动作或吸盘的吸放动作一般不记在自由度数目内。

工业机械手自由度数的多少，决定着工业机械手动作多样化的程度。一般为了确定被抓取对象在空间的位置和方位？（即姿势），需要有六个自由度。但实际上由于有些工件或工具具有对称性或放置状态一定，往往并不需要工业机械手都具有六个自由度。

工业机械手的自由度数越多。它的动作越灵活，应用越广，但同时也使控制系统和机械结构越复杂，定位精度难以保证，整机的造价高，自重大。所以，在设计工业机械手时，应按照生产实际需要选用最少的自由度数。目前国内外现有的工业机械手的自由度数目多数为2—5个。

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2 座标型式

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可以分为下列几种： （1）直角坐标式：其手臂的运动系由三个直线运动所组成，即沿直角座标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降、沿Y轴的横移。这种座标型式的机械手称为直角座标式机械手。它的特点是结构简单，定位精度高，适用于主机位置成行排列的场合。但是由于占地面积大而工作范围小以及灵活性差，限制了它的使用范围。

（2）圆柱座标式：其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转所组成，即沿直角座标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。这种座标型式的机械手称为圆柱座标式机械手。它与直角坐标式相比较，占地面积小而活动范围小，结构简单，并能达到较高的定位精度，因此应用较广泛，但是由于机械手结构的关系，沿Z轴方向移动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。

（3）球座标式：其手臂的运动系由一个直线运动和两个回转所组成，即沿X轴的伸缩、绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。这种座标型式的机械手称为）球座标式机械手。

这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件，为了使手部能适应被抓取物件方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其它状态。这种型式的机械手手臂具有动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它使用于沿轴伸缩方向外作业的传动形式。但是结构复杂，此外，手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。 （4）关节式：其机械手的运动类似人的手臂可作几个方向的转动，它由大小两臂和立柱等组成，大小两臂之间的联动为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节，各关节均由铰链构成以实现转动，手臂的运动系由三个回转运动所组成，即大臂的俯仰、小臂俯仰和大臂的回转。这种座标型式的机械手称为关节式机械手。它的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的物件，并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件，此为其它型式的机械手不可比拟的优点。但是关节式机械手的手指定位是由各个关节相互转角来决定的，所以定位精度较差，另外，控制装置和机械机构比其它型式的机械手均复杂。

机械手座标型式的正确选择，要通过座标型式方案的比较来确定。在拟定座标型式方案时，又须根据现场具体生产情况和工艺、精度、安装空间的要求，结合各种座标型式的特点来分析比较，确定比较合理的座标型。

1.8工业机械手的展望

目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能在不断提高。由于发展时间较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机械手在技术上还有一个逐步完善的过程，其目前的展望为： （1）扩大机械手在热加工行业上应用

目前国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多，而在铸、锻、焊、热处理等热加工以及装配作业等方面的应用较少。因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来不少困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手更好地为热

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加工作业服务。同时，在其它行业和工业部门，也将随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机械手的使用。

（2）提高工业机械手的工作性能

机械手工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键因素。因此要解决好机械手的逐个平稳性和快速性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手外，还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手上。 （3）发展组合式机械手

从机械手本身的特点来说。可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新、多品种小批量的要求，但是它的成本高，专用机械手价廉，但适用范围又受到限制。因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计、专门加工，这样就提高了产品成本。为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的机构设计成可以组合的型式。组合式机械手是将一些通用部件（如手臂伸缩部件、升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部件等）根据作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。它可以简化结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化、系列化设计和组合专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价，是一种有发展前途的机械手。

（4）研制具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机器人”

对于需用人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合，工业机械手很难替代人的劳动。如在工作过程中出现事故、障碍和情况变化等，机械手不能自动分辨纠正，而只能停机，待人们排除意外事故后才能继续工作。因此，人们对机械手提出了更高的要求，希望使其具有“视觉”、“触觉”等功能，使之对物体进行判断、选择，能连续调节以适应变化的条件，并能进行“手—眼”协调动作。这就需要一个能处理大量信息的计算机，要求人与机器“对话”进行信息交流。 这种带“视觉”、“触觉”反馈的，由计算机控制的，具有人的部分“智能”的机械装置称为“智能机器人”。所谓“智能”是包括：识别、学习、记忆、分析判断的功能。而识别功能是通过“视觉”、“触觉”和“听觉”等感觉“器官”认识对象的。 具有感觉功能的机器人，其工作性能是比较完善的，能准确的夹持任意方位的物

件，判断物件重量，越过障碍物进行工作，自动检测夹紧力的大小，并且能自动调节，适用于从事复杂、精密的操作，如装配作业（国外研制的装配机器人，能将活塞装入间隙仅有20微米的汽缸内），它有着一定的发展前途。

智能机器人是一种新兴的技术，对它的研究将涉及到电子技术、控制论、通讯技术、电视技术、空间机构和仿生机械学等学科。它是当代自动控制技术的一个新兴领域。随着科学技术的发展，智能机器人将会代替人做更多的工作。

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1.9本文主要研究内容

本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。

1.10本章小结

本章简要的介绍了机械手的基本概念。在机械手的组成上，系统的从执行机构、驱动机构以及控制部分三个方面说明。比较细致的介绍了机械手的发展趋势，简要的叙述了本文研究的内容。

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2 机械手的总体设计方案

本课题是轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。

2.1 机械手基本形式的选择

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，因此本设计采用

11圆柱坐标型??。图1.1 是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。

图1.1 机械手基本形式示意

2.2机械手的主要部件及运动

在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有4个自由度既：手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降4个主要运动。

本设计机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：（1）手部，采用一个双作用式液压

0缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2） 腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转180（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动1.2m 。（4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实

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现手臂升降和回转。

2.3驱动机构的选择

驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。

液压机构驱动机械手的优点：

(1)由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构，这是比机械传动优越的地方。例如，在井下抽取石油的泵可采用液压传动来驱动，以克服长驱动轴效率低的缺点。由于液压缸的推力很大，又加之极易布置，在挖掘机等重型工程机械上，已基本取代了老式的机械传动，不仅操作方便，而且外形美观大方。

(2)液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。例如，相同功率液压马达的体积为电动机的12%～13%。液压泵和液压马达单位功率的重量指标，目前是发电机和电动机的十分之一，液压泵和液压马达可小至0.0025N/W(牛/瓦),发电机和电动机则约为0.03N/W。

(3)可在大范围内实现无级调速。借助阀或变量泵、变量马达，可以实现无级调速，调速范围可达1∶2000，并可在液压装置运行的过程中进行调速。

(4)传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。正因为此特点，金属切削机床中的磨床传动现在几乎都采用液压传动。

(5)液压装置易于实现过载保护——借助于设置溢流阀等，同时液压件能自行润滑，因此使用寿命长。

(6)液压传动容易实现自动化——借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和电气控制结合使用时，能很容易地实现复杂的自动工作循环，而且可以实现遥控。

(7)液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。 液压机构驱动机械手的缺点:

(1)液压系统中的漏油等因素，影响运动的平稳性和正确性，使得液压传动不能保证严格的传动比。

(2)液压传动对油温的变化比较敏感，温度变化时，液体粘性变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳定性受到影响，所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工作。

(3)为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂。

(4)液压传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便。 (5)液压系统发生故障不易检查和排除。

总之，液压传动的优点是主要的，随着设计制造和使用水平的不断提高，有些缺点正在逐步加以克服。液压传动有着广泛的发展前景。

因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。

2.4 机械手的技术参数列表

2.4.1 用途：搬运:用于车间搬运 2.4.2 设计技术参数:

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1、抓重:5Kg (夹持式手部) 2、自由度数:4个自由度 3、座标型式:圆柱座标 4、最大工作半径:1600mm 5、手臂最大中心高:1248mm 6、手臂运动参数 伸缩行程：1500mm 伸缩速度：750mm/s 升降行程：800mm 升降速度：250mm/s 回转范围: 0o～220o 7、手腕运动参数 回转范围: 0o～220°

2.5 本章小结

本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用液压驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计计算将以次进行。

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3 机械手手部的设计计算

3.1 手部设计基本要求

（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。

（2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）??，以便于抓取工件。

（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 （4） 应保证手抓的夹持精度。

3.2 典型的手部结构

（1） 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 （2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。 （3）平面平移型。

3.3机械手手抓的设计计算

3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置

本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角

??=600，夹取重量为30Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附

两大类。吸附式常用抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移

型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。

通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用斜楔杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。

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3.3.2 手抓的力学分析

下面对其基本结构进行力学分析：斜楔杠杆 图3.1（a）为常见的斜楔杠杆式手部结构。

ααα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1的对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于中心线oo1和oo2并指向o点，交F1和F2的延长线于A及B。

由?Fx=0 得 F1?F2 ?Fy=0 得 F1?F 2cos? F1??F1' 由?M01?F?=0 得F1'?FNh

α(a) (b)

图3.1 斜楔杠杆式手部结构、受力分析 1——手指 2——销轴 3——杠杆

αα

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h?a cos?b F=cos2?FN （3.1）

a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FN也随之增大，但?角过大会导致拉

00杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好?=30～40。

3.3.3 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： FN?K1K2K3G （3.2） 式中 K1——安全系数，通常1.2～2.0；

b k2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估K2?1?其中a，

a重力方向的最大上升加速度；a?vmax t响 vmax——运载时工件最大上升速度

t响——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03～0.5s

K3——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G——被抓取工件所受重力（N）。

表3-1 液压缸的工作压力

作用在活塞上外力F（N） 小于5000 5000～10000 10000～20000 0.8～1.2 1.5～2.0 2.5～3.0 液压缸工作压力Mpa 作用在活塞上外力F（N） 20000～30000 30000～50000 50000以上 2.0～4.0 4.0～5.0 5.0～8.0 液压缸工作压力Mpa

计算：设a=100mm,b=50mm,10

0024

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驱动力F和 驱动液压缸的尺寸。

(1)设K1?1.5

0.1b K2?1? =1?0.5=1.02

a9.8 K3?0.5 根据公式，将已知条件带入：

FN=1.5?1.02x0.5x294N =224.91N （2）根据驱动力公式得： F计算? （3）取??0.85 F实际?F计算?674.73?793.8N 0.852?10002cos30?224.91?674.73N ??50? （4）确定液压缸的直径D F实际???D42?d2?p

选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa, ?p?1?0.52?4F实际?4?793.8?0.1298 5??0.8?10?0.75根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm 则活塞杆内径为:

D=63?0.5=31.5mm，选取d=32mm 3.3.4 手抓夹持范围计算

为了保证手抓张开角为60，活塞杆运动长度为34mm。

手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构

0设计，它的最小夹持半径R1?40，当张开60时，如图3.2（b）所示，最 大夹持半径R2计算如下：

R2?100?tg300?40cos300?90

?机械手的夹持半径从40～90mm。

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0

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3.4 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,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），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的 小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。

（a） (b)

图3.2 手抓张开示意图

θβ

图3.3 手抓夹持误差分析示意图 该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。 机械手的夹持范围为80mm～180mm。 一般夹持误差不超过1mm,分析如下：

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工件的平均半径：Rcp?90?40?65mm 20手指长l?100mm,取V型夹角2??120

偏转角?按最佳偏转角确定：

??cos?1RCP60?cos?1?460 0lsin?100?sin60

计算 R0?lsin?cos??100?sin600cos460?60.15 当R0?RMAX?RMINS时带入有：

2

?RR?R??R?l2??max??2lMAXcos???2?l2??MAX??2lmincos??0.678

sin?sin??sin???2sin??2

夹持误差满足设计要求。

3.5弹簧的设计计算

选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图3.4所示，计算过程??如下。

13

图3.4 圆柱螺旋弹簧的几何参数

(1).选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力????800MPa (2).选择旋绕比C=8，则

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K?K?4C?10.615 （3.3） ?4C?464C?10.615?4?8??10.615???1.183 ?4?8?464C?46??(3).根据安装空间选择弹簧中径D=42mm，估算弹簧丝直径

D42d???5.25mmC8 (4).试算弹簧丝直径 d'?1.6FMAXKC??? （3.4）

793.8?1.183?8?3.48mm

800?106d'?1.6FMAXKC????1.6(5). 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数：

n?Gd? （3.5） 3MAX8FMAXC80000?106?0.007Gd??1.73 n??33MAX8?793.8?88FMAXC选择标准为n?2，弹簧的总圈数n1?n?1.5?2?1.5?3.5圈 (6).

最

后确定

D?40mm，d?4mm，

D1?D?d?40?4?36mm，

D2?D?d?40?4?44mm

(7).对于压缩弹簧稳定性的验算

对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。

H74为了避免这种现象压缩弹簧的长细比b?0??1.76，本设计弹簧是2端自由，根据下

D12列选取：

b?5.3,当一端固定；b?3.7；b?2.6。 当两端固定时，一端自由时，当两端自由转动时， 结论本设计弹簧b?1.76?2.6，因此弹簧稳定性合适。

(8).疲劳强度和应力强度的验算。

对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，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N?10，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。

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3兰州工业学院毕业设计（论文）

?S?SS?max （3.6）

8KD F （3.7）3?d8?1.184?0.0428KD??793.8?293209681 ?F3.14?0.0073?d3现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式：

SSca?Ss选取1.3～1.7（力学性精确能高）

?max??maxSSca结论：经过校核，弹簧适应。

?s800?106pa???2.728 ?max293209681pa3.6 本章小结

通过本章的设计计算，先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析，然后分别对滑槽杠杆式手部结构的夹紧力、夹紧用的弹簧、驱动力进行计算，在满足基本要求后，对手部的夹持精度进行分析计算。

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4 腕部的设计计算

4.1 腕部设计的基本要求

（1） 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。

（2）结构考虑，合理布局

腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，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连接。 （3） 必须考虑工作条件

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。

4.2 腕部的结构以及选择

4.2.1典型的腕部结构

(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回

转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之

间允许回转的角度来决定（一般小于270）。

(2) 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的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。

(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。

(4) 机-液结合的腕部结构。

004.3 腕部的设计计算

4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择

本设计要求手腕回转180，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个

30

0

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自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。 4.3.1 腕部设计考虑的参数

夹取工件重量

30Kg，回转180。

M惯M摩0（1） 腕部的驱动力矩需要的力矩（2） 腕部回转支撑处的摩擦力矩

。 。

0夹取棒料直径100mm，长度1000mm，重量30Kg，当手部回转180时，计算 力矩： （1） 手抓、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220mm，直径120mm，其重力估算G=3.14

G???0.062?0.22?7800Kgm3?9.8NKg?190N

（2） 擦力矩M摩?0.1m。

（3） 启动过程所转过的角度?启?180=0.314rad，等速转动角速度??2.616s。

?2?2M惯??J?J工件?2?启 （4.1）

查取转动惯量公式有：

J?11190NMR2??0.062N?m?s2?0.0342N?m?s2 229.8NKgJ工件?1G2130?9.82l?3R2??1?3?0.052??2.5188N?m?s2 ??12g129.82.6162?28N?m 代入： M惯??0.0342?2.5188?2?0.314M?M惯?M摩?M惯?0.1M

M?28?30.91N?m 0.94.3.3 腕部驱动力的计算

31

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表4-1 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm）

20 70 110 25 75 125 32 80 130 40 85 140 50 90 160 55 95 180 63 100 200 65 105 250 设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体内空半径R=110mm，外径根据表3-2选择121mm,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226mm；动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.基本尺寸示如图4.1所示。则回转缸工作压力

P?2M2?30.91??3.72Mpa，选择4Mpa 2222b?R?r?0.066??0.055?0.0225?动片静片

图4.1 腕部液压缸剖截面结构示意

表4.2 标准液压缸外径（JB1068-67） （mm）

液压缸内径 20钢40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 P?160Mpa 45钢50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 P?200Mpa 32

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4.3.4 液压缸盖螺钉的计算

图4.2 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P（Mpa） 0.5 ～ 1.5 1.5 ～ 2.5 2.5 ～ 5.0 5.0 ～ 10.0 螺钉的间距t(mm) 小于150 小于120 小于100 小于80

缸盖螺钉的计算，如图4.2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

FQ0?FQ?FQs' （4.2）

计算：

液压缸工作压强为P=4Mpa,所以螺钉间距t小于100mm,试选择4个螺钉，?D3.14?0.11??86.35?100，所以选择螺钉数目合适Z=4个 440.112?0.0452危险截面S??R??r???0.007908875m2

422所以，FQ?FQ?PS (4.3) ZPS?7908.875N ZFQS?KFQ K?1.51.8

33

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FQS?KFQ?1.5?7908.8?11863.3N

所以 FQ?FQ?FQ'=11863.3+10545=19772N

0s螺钉材料选择Q235，则????螺钉的直径 d??sn?240?160MPa（n?1.22.5） 1.54?1.3FQ0???? （4.4）

4?1.3?19772?0.0159m

3.14?160?106d?4?1.3FQ0?????螺钉的直径选择d=16mm. 4.3.5动片和输出轴间的连接螺钉

（1） 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见上图。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。 bp2d2D?d?M?FZf??摩Q28 于是得

FQ?bpD2?d2??4Zfd (4.5)

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

?合1.3FQ?d124???? (4.6)

d1?4FQ或 带入有关数据，得

???? (4.7)

bp0.066?8?10622FQ?D?d??0.112?0.0452??24627N ??4Zfd4?Z?0.15?0.032螺钉材料选择Q235，则????

?sn?240?200MPa（n?1.22.5） 1.234

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螺钉的直径 d?4?1.3FQ0?????4?1.3?24627?0.012m 63.14?200?10螺钉的直径选择d=12mm.选择M12的开槽盘头螺钉。

4.4 本章小结

本章通过四种基本的手腕结构，选择了具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。并进行的腕部回转力矩的计算，同时也计算了回转缸连接螺钉的直径。

35

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5 臂部的设计及有关计算

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。

5.1 臂部设计的基本要求

1 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。

2 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

mms,最大回转角速度设计在速度运动的机械手，其最大移动速度设计在100015001800s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。 3 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。

总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美

36

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的、性能良好的机械手。

5.2 手臂的典型机构以及结构的选择

5.2.1 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。 5.2.2 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。

5.3 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、惯性等几个方面的阻力，来确定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。

F?F摩?F密?F回?F惯 (5.1)

5.3.1 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，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸

37

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缩缸两侧。

图 5.1 机械手臂部受力示意

计算如下：

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?aFb

得

Fb?G总La

?Y?0

G总?Fb?Fa

?L?a?Fa?G总???a? 得

F摩?Fa摩?Fb摩??'Fa??'Fb

?2L?a? (5.2)

?F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）；

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）,参考上

一节的计算;

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。

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对于圆柱面：

?4?'???????????1.271.57??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：

'??1.?5导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁?0.200.3G总?1070N， ，

L=1.69-0.028=1.41m,导向支撑a设计为0.016m

将有关数据代入进行计算

?2L??2?1.41?0.16?F摩?G总?'??1070?0.3?????5978.6Na0.16????

5.3.2 手臂惯性力的计算

本设计要求手臂平动是V=5mmin,在计算惯性力的时候,设置启动时间?t?0.2s，启动速度?V=V=0.083mS,

G总?v (5.3) F惯?g?tG总?v1070N?0.083S??45.5N F惯?9.8NKg?0.02Sg?t5.3.3 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。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：F封?0.03F。 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：

F?0.03F?F摩?F惯=6210N

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5.4 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F=6210N，根据表3.1选择液压缸的工作压力P=2MPa

（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5.2 双作用液压缸示意图

当油进入无杆腔，

F?FD21??p?4?

当油进入有杆腔中，

F?F??D2?d2?2??p4?

液压缸的有效面积：

S?Fp1

D?4F?p?1.13F故有

1??p1 （无杆腔） (5.4) D?4F?d2?p1? （有杆腔） (5.5)

F=6210N，p61=2?10pa，选择机械效率??0.95

将有关数据代入：

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D?

4FF6210??1.13?1.13?0.06460m6?p1?p10.95?2?10

根据表4-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=65mm.

（2） 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7mm，所以该液压缸的外径为79mm. （3） 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：

??F?4d2???? (5.6)

设计中活塞杆取材料为碳刚，故????100120Mpa，活塞直径d=20mm,L=1360mm,现在进行校核。

??F??621044结论： 活塞杆的强度足够。

d2??19.8?106Mpa?100?106

?0.0225.5 本章小结

本章设计了机械手的手臂结构，手臂采用双导杆手臂伸缩机构，对驱动的液压缸的驱动力进行了详细的计算，并对液压缸的基本尺寸进行了设计。

41

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6 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。

6.1 机身的整体设计

按照设计要求，机械手要实现手臂1800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。如上图所示，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1800。

6.2 机身回转机构的设计计算

（1） 回转缸驱动力矩的计算

42

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图6.1 回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图

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装置处的摩擦阻力矩M阻相平衡。

M惯及各密封

M驱?M惯?M阻?M回 (6.1)

惯性力矩的计算

M惯?J0??J0?? (6.2) ?t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);

J0——手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（

。 N?m?s2）

若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为?，则

43

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J0?Jc?G2?g (6.3)

式中 Jc——回转零件的重心的转动惯量。

Jcz?m?l2?3R2?12 (6.4)

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??=0.314rads，起动时间设计为0.1s。

Jcz?m?l2?3R2?12?43N?m?s2

J0?Jc?G2??1495N?m?s2 g2??0.314=1495??4694.3N?m?s ?t0.1M惯?J0??J0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=4839.5N?m?s

2（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8Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算：

D?8M驱?d2bp (6.5) D=151mm

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4Mpa,所以螺钉间距t小于100mm,根据初

L471?78.5t,所以缸盖螺钉的数目为（一步估算， L??D?3.14?150?471mm，t'??Z6个面6个，两个面是12个）。

0.152?0.052危险截面S??R??r???0.0157m2

422所以，FQ?PS?20933N Z44

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FQS?KFQ K?1.51.8

FQS?KFQ=1.5?20933?31400N

所以FQ0=20933+31400=52333N 螺钉材料选择Q235，则????螺钉的直径d?4?1.3FQ0??sn?240?200MPa（n?1.22.5） 1.2????4?1.3?52333?0.020m 63.14?200?10螺钉的直径选择d=20mm.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如图5.2所示，内径为150mm，外径为230mm，输出轴径为50mm

连接螺栓静片液压缸盖连接螺钉动片

图6.2 回转缸的截面图

（4） 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密。 bp2dD?d2??M摩?FQZf?82 于是得

FQ?bpD2?d2??4Zfd

45

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式中

FQ——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

?合1.3FQ?d421????

d1?4FQ或 带入有关数据，得

????

6bp0.06?8?1022FQ?D?d??0.152?0.052??40000N?4Zfd=4?Z?0.15?0.05

螺钉材料选择Q235，则????螺钉的直径 d?4?1.3FQ0??sn?240?200MPa（n?1.22.5） 1.2????4?1.3?40000?0.0135m 63.14?200?10螺钉的直径选择d=14mm.选择M14的开槽盘头螺钉。

46

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图 6.3 手臂各部件重心位置图

6.3 机身升降机构的计算

6.3.1 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?30Kg

现在对机械手手臂做粗略估算：G爪和G腕总共=33Kg

G臂?16.2Kg

G总?G工件+G爪+G腕+G臂=79.2Kg

(2)计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离?。

?工件=1920mm

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?手和腕?臂=1.69mm

=0.88mm

???工件G工件??手腕G手腕??臂G臂 (6.6)

G总???工件G工件??手腕G手腕??臂G臂G?728mm

总所以，回转半径???728mm

(3) 计算偏重力矩

M偏?G总? (6.7)

M偏?G总??79.2Kg?9.8?0.728m?565N?m

6.3.2 升降不自锁条件分析计算

手臂在G总的作用下有向下的趋势，而里柱导套有防止这种趋势。由力的平衡条件有

FR1=FR2 FR1h=G总?

G总?即 FR1=FR2=h

所谓的不自锁条件为：

G总

F1?F2?2F1?2FR1f

G总?即 G总

2hf h2?f

取f?0.16则

h0.32? (6.8)

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当?=728mm时，0.32?=233mm

因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于233mm 6.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算

F?F惯?F摩?F密?F回?G (6.9)

式中F摩——摩擦阻力，参考图5.3 F摩?2F1f 取f=0.16 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=4mmin;起动或制动的时间差?t=0.02s;G总近似估算为286.1Kg;将数据带入上面公式有：

F惯?F摩G总?v286?0.067ms?958.1Ng?t=9.8?0.02s

（2）的计算

F摩?2FR1f

FR1?FR2?G总?286Kg?9.8NKg?1.65m??8725.6N h0.53mF摩?2FR1f?2?8725.6?0.16=2792.2N

（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 F密?0.03F 最后通过以上计算

当液压缸向上驱动时，F=6756N

当液压缸向下驱动时，F=6756-?286?2?=6184N

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6.4 轴承的选择分析

对于升降缸的运动，对于机身回转用的轴承有影响，因此，这里要充分考虑这个问题。对于本设计，采用一支点，双固定，另一支点游动的支撑结构。作为固定支撑的轴承，应能承受双向轴向载荷，故内外圈在轴向全要固定。其结构参看本章开始的——机身结构示意图5.3。

本设计采用两个角接触球轴承，面对面或者背对背的组合结构。这种结构可以承受双向轴向载荷。

6.5 本章小结

本章对机械手的机身进行了设计，分别对机身的回转机构和升降机构进行设计计算。同时也计算了升降立柱不自锁的条件，这是机身设计中不可缺少的部分。

（

50

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