球坐标式四自由度机械手项目设计方案

1 球坐标式四自由度机械手 项目设计方案 2 设计参数 计题目 球坐标式四自由度机械手设计 始参数与设计要求 （ 1）抓重： 100N （ 2）自由度： 4 个 （ 3）臂部运动参数： 表 2动名称 符号 行程范围 速度 伸缩 X 350 250mm/s 回转 0 90 /s 回转 0 90 /s （ 4）腕部运动参数： 表 2动名称 符号 行程范围 速度 回转 0 90 /s （ 5）手指夹持范围：棒料，直径 400度 450 6）定位方式：电位器（或接近开关等）设定，点位控制 2 （ 7）驱动方式：液压（中、低压系统） （ 8）定位精度： 3 9）控制方式： 制 3 设计 方案的拟定 步分析 该工业机械手的坐标形式是球坐标式，其臂部的运动由一个直线运动和两个转动组成，即沿 轴的回转。这种机械手臂部的俯仰 运动能抓取到地面上的物件，为了使手部能够 适应被抓取对象方位的要求，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。这种形式的机械手具有动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它适用于沿伸缩方向向外作业的传动形式。但结构较复杂，此外，臂部摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。 行机构 部 手部是用来直接抓取或握紧（或吸附）工件的部件。由于被抓握工件的形状、尺寸大小、轻重和材料的性能、表面状况等不同，工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构都是根据 工件的要求而设计的。常用的手部结构有夹钳式、气吸式、电磁式以及其他形式。 夹钳式手部设计的基本要求 （ 1） 应具有适当的 夹紧力和驱动力 （ 2） 手指应应具有一定的开闭范围 （ 3） 应保证工件在手指内的夹紧精度 （ 4） 要求结构紧凑、重量轻、效率高 （ 5） 应考虑通用性和特殊要求 部 连接手部与臂部的部件，主要作用是在臂部运动的基础上进一步改 3 变或调整手部在空间的方位，使机械手适应复杂的动作要求。要求 0回转动作，因此选用具有单自由度的回转液压缸驱动结构。此结构 特点是结构紧凑，灵活，但 回转角度较小，并且要求严格密封，否则就很难保证稳定的输出扭矩。 腕部设计的基本要求及其自由度： a 力求结构紧凑，重量轻 b 综合考虑，合理布局 c 必须考虑工作条件 对于高温作业和在腐蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计时应充分考虑环境对腕部的不良影响 部及机身 臂部是机械手的主要执行部件。作用是支承腕部和手部（包括工件与工具）。并带动他们作空间运动。臂部运动的目的是把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态则由腕部的自由度实现。因而机械手的臂部一般具有三个自由度才能满足基本要求：即手部的伸缩 左右回转和升降（或俯仰）运动。机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降 回转和俯仰等运动的驱动装置 或传动件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因而其设计与臂部的设计经常一起考虑。机身可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空轨道运动。 臂部设计的基本要求为： a 承载能力大，刚度好，自重轻 b 运动速度高，惯性小 c 臂部运动应灵活 d 位置精度要高 除上面提到的要求外，还要保证机械手的通用性要好，能适应在不同环境作业的要求：工艺性要好， 便于安装和加工 ;用于高温环境作业的机械手，还要考虑隔热和冷却；用于粉尘大作业区的机械手，还要设置防尘装置等。这方面的设计需要根据机械手工作环境条件进行具体的设计。 综上所述，本机械手的设计，臂部选用双导向杆伸缩结构。其特点为手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。 4 动机构 根据动力源不同大致可分为气动、液压、电动和机械传动。根据课题特点。其中以液压气动用的最多，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。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用 4别的达到 8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，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气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。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。 综合考虑，本设计选用液压驱动，其特点是 速度快，结构简单，控制方便，传递力矩大，并且控制精度高 制机构 5 4 机械手手部的设计计算 计计算 （ 1） 如下图为常见的滑槽杠杆式手部结构。在拉杆 3的作用下销轴 2向上的拉力为 P,并通过销轴中心 手指 1的滑槽对销轴的反 作用力为 2，其力的方向垂直于滑槽的中心线 点， 2的延长线交 与 B。 由 得 得 F） =0 得 b 因 h= N2 a 手指的回转支点到对称中心线的距离（ 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。 由分析可知，当驱动力 P 一定时， 角增大，则握力 N 也随之增加，但 角过大会导 致拉杆的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度，使之结构增大，因此一般取 = 030 040 ，这里取为 350。 此处设计的机械手是滑槽杠杆式的。 夹紧力及驱动力的计算 (1)由上知，驱动力 P= N2件的位置：手指垂直位置夹水平平位置放置的工件，那么握力) ,其中 ,对钢 f=件的重力G=100N,解得握力 N=b=120a=20代入公式中解得 驱动力 P=678N 6 图 4 (2)实际驱动力： 21实际式中 P 计算出的驱动力 手部的机械效率 1K 安全系数，一般取为 (2) 2K 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似估算：2 1aK g ，其中 g m s ) 该 传力机构为 杠杆式 ，故取 ，并取1K=设被抓取工件的最大加速度 a=么2 1aK g =2. 所以 2 2 6 际N 7 表 4压缸的工作压力 作用在活塞上外力F（ N） 液压缸工作压力用在活塞上外力F（ N） 液压缸工作压力于 5000 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 5000 10000 3 0 0 0 0 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 50000 以上 （ 3）确定液压缸的直径 D 由 机械设计手册 液压传动与控制 可知 由于作用在活塞上的外力小于 5000N,故 选择液压缸压力油工作压力 P=12 根据 机械设计手册 液压传动与控制 表 取液压缸内径为：D=63活塞杆内径为 : D=63 取 d=32械手手抓夹持精度的分析计算 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，为使机械手能适用于多品种小批量 工件直径在一定范围内变化的生产中，必须使用合理的手部结构参数，可以采用自动定心的手部结构来减少机械手的调整工作，从而使加持误差控制在较小范围内。 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 4060般夹持误差不超过 1析如下： 工件的平均半径： 2 0 3 0 252m m手指长 20 ,取 1302 8 图 4抓夹持误差分析示意图 偏转角 按最佳偏转角确定： s r c c o s ( P 计算 o ss 因m ，即双曲线的对称点0其夹持误差为 ： 2m i i a a i n2)s i n(c o ss i n2)s i n( 持误差 =此本设计的夹持误差 3足设计的要求。 5 腕部的设计计算 部设计的基本要求 （ 1）力求结构紧凑、重量轻 。 腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂 部承担，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）综合考虑，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，除了保证力和运动的要求，及具有足够的强度、刚度外， 9 还应综合考虑，合理布局，如应解决好腕部与臂部和手部的连接，碗部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题。 （ 3）必须考虑工作条件 。 对于本设计，机械手的工作条件是在正常工作场合中搬运加工的棒料，不会受到环境的影响，对机械手的腕部没有太多不利因素。如果机械手处在高温和腐蚀性的工作 介质中，就应在设计时充分考虑环境对机械手腕部的影响。 部的结构以及选择 型的腕部结构 (1) 具有单自由度的回转缸驱动的腕部结构。它直接用回转缸驱动实现腕部的回转运动，具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛采用。 (2) 用齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于 0270 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缸驱动的腕部结构。 它是来实现腕部的回转和左右摆动。 (4) 机 部结构和驱动机构的选择 本设计要求手腕回转 0180 ，通过以上的分析， 腕部的结构采用具有一个自由度的回转缸驱动的腕部结构，驱动方式 采用液压驱动。因为本设计为球坐标式机械手，为了使手部能适应被抓取对象方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平或其他状态。所以在腕部与臂部连接处安装一个回转液压缸，使腕部具有上下摆动的功能。 部的设计计算 部设计考虑的参数 夹取工件重量 10回转 0180 。 部的驱动力矩计算 （ 1） 腕部转动时所需的驱动力矩力矩驱 10 M M M M M 驱 惯 偏 摩 封+ 驱动腕部转动的驱动力矩 (N m) 惯性力矩 (N m) 参与转动的零部件的重量 (包括工件 手部 腕部回转缸的动片 )对转动轴线所产生的偏重力矩 (N m) 腕部转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩 (N m) 腕部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 m) 棒料的计算采用最大值，夹取棒料直径 60度 800量 10为腕部的伸缩缸为腕部回转的转动缸的轴，故将其整体视为一圆柱体， 直径为 180长为 185估算其重为 6 0/7 8 0 01 8 1 ，另外，工件重为100N。其总重为 G=460N。 等速转动角速度 0 。 因为 惯M=（ J +1J )22 J = 22121 = 1J = )3(121 221 = )00121 22 = 代入 惯M=(=33 所以 驱M=+33 驱M= (2)回转液压缸的设计计算 单叶片回转缸的压力 的关系为 22M 2驱p b ( R - r ） 11 式中 R 缸体内壁半径 r 输出轴半径 b 动片宽度 根据表 5择液压缸内径 R=64出轴直径 d=32片宽度b=25那么回转缸 工作压力为 2222 ）（）（ 驱 选择工作压力为 P=4表 5压缸的内径系列（ （ 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 表 5准液压缸外径（ （ 液压缸内径 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20 钢P 160 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45 钢200P 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 6 腕部与臂部连接处的回转液压缸的设计计算 在上节的计算中，可知 腕部及手指和工件 的重力分别为 60N,50径为 105重力为 0 0/ 8 0 2 23 臂部伸缩油缸等效为高为 730径为 135圆柱体，其重力为 1 0/ 8 0 7 24 12 动力矩的计算 性力矩的计算 若腕部启动过程按等加速运动，腕部转动时的角速度 ( / )s ，启动过程所用的时间为 ()，则 1()M J J t 惯若腕部转过的角速 度为 ，启动过程所转过的角度为 () ，则 21()2M J J 惯式中 () 参与腕部转动的部件对转动轴线的转动惯量 ( 2kg m ) 1J 工件对腕部转动轴线的转动惯量 ( 2kg m ) 设置转过的角度 =9 ，启动时间 t =么角速度 =s ， 解得 2 2 21 1 1 4 0 2 2 0 1 0 0 0 . 3 4 1 . 8 13 3 9 . 8J m l N m s 2 2 21 1 1 5 0 1 5 00 . 0 2 5 0 . 4 8 3 . 5 32 9 . 8 9 . 8J N m s 那么 21 . 9 6 31 . 8 1 3 . 5 3 6 5 . 50 . 1 5 7M N m 摩 的计算 0 偏 的计算 0 解得 7 2 m转液压缸的确定 根据表选择液压缸内径 60D ，输出轴直径为 25d ，动片宽度为 13 50b ，那么回转缸工作压力为 222 MP b R r 式中 R 缸体内壁半径（ m） r 输出轴半径（ m） b 动片宽度（ m） 解得 2 2 2 22 2 7 2 . 8 4 . 30 . 0 5 0 . 0 3 0 . 0 1 5 p r 7 臂部的设计计算 臂部是机械手的主要执行。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：。 臂部运动 的目的是把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态 (方位 )则由腕部的自由度实现。因而机械手的臂部一般具有三个自由度才能满足基本要求 :即手部的伸缩 回转和俯仰运动。臂部的各种运动通常用驱动机构(油缸或气缸 )和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况看，他在工作中既直接承受腕部 手部和工件的静 动载荷，而且自身运动又较多，因而它的结构 工作范围 灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。 部设计的基本要求 (1)臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 根据受力情况，合理选择截面形状 和轮廓尺寸。 提高支撑刚度和合理选择支撑间的距离。 合理布置作用力的位置和方向。 尽可能使结构简单化 水平放置的手臂，应该增加导向杆的刚度 提高活塞和缸体内径配合精度，以提高手臂伸缩时的刚度。 (2)臂部要运动速度高，惯性小。 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 14 平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在 1 0 0 0 1 5 0 0 m m s,最大回转角速度设计在 180s 内，在大部分行程上平均移动速 度为回转角速度在1000mm s 。平均回转速度为 90 /s 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。减少惯性冲击的措施有： 减少臂部运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料 减少臂部运动件的轮廓尺寸 减少回转半径 ，在 安排机械手运动顺序时，先缩回回转 (或先回转后伸 )，尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作 驱动系统中设有缓冲装置。 (3)臂部动作应灵活。 为减少臂部运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式机械手，其传动件、导向件和定位件布置应合理，使臂部运动尽可能保持平衡，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。 (4)位置精度要高。 臂的典型机构以及结构的选择 臂部的典型运动的形式有：直线运动 ，如臂部的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如臂部的左右摆动，上下摆动；复合运动，如直线运动和回转运动，两直线运动的组合，两回转运动的组合等。 （ 1）臂部作直线运动的结构 双导向杆手臂伸缩结构 双层油缸空心活塞杆单杆导向结构 采用花键套导向的手臂升降结构 双活塞伸缩油缸结构 （ 2）臂部作直线运动的结构 回转缸置于升降缸之下的机身结构。这种结构优点是能承受较大偏重 15 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 回转缸置于升降缸之上的 机身结构。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。 活塞杆和齿条齿轮结构。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。 （ 3）臂部做俯仰运动的结构 俯仰运动大多采用摆动式直线缸驱动，而回转运动大多采用回转缸或齿条缸来实现。 臂运动机构的选择 通过以上，综合考虑，本设计的伸缩运动选择单花键轴导向的伸缩机构 ,俯仰运动选择摆动式直线缸驱动，回转运动选择回转液压缸驱动。 臂 直线运动的驱动力计算 通常先进行粗略的估算，或类比同类型的结构，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。如此反复数次，绘出最终的结构。 根据液压缸运动时所克服的负载、摩擦、惯性等几个方面的阻力，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为 P P P P P 回摩 密 惯 式中 摩擦阻力（ N） 动件表面间的摩擦力。 密封装置处的摩擦阻力（ N） 油缸回油腔低压油造成的阻力，一般背压阻力较小， 臂部启动或制动时活塞杆上受到的平均惯性力（ N） 臂摩擦力的分析与计算 0 F计算如下： 本机械手采用花键轴导向，在活塞杆与花键轴接触 处采用花键轴套，如图中 16 所示。 根据受力平衡，有 0 R a总得 a 总 F总 得 a 总a b a R R R 摩 摩摩 2 a 总摩(式中 参与运动的零部件的总重力（包含被抓去的工件）（ N）； L 臂部参与运动的零部件的总重心到导向支撑前端的距离（ 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形状有关。 对于圆柱面： 4 1 . 2 7 1 . 5 72 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时： 钢对青铜：取 钢对铸铁：取 0 0 计算： 导向杆的材料选择钢，导向支撑选择青铜 0 . 1 2 1 . 5 0 . 1 8 ， 1450，L=540键轴套 a=60有关数据代入进行计算 17 2 2 0 . 5 4 0 . 0 61 4 5 0 0 . 1 8 4 9 5 90 . 0 6 臂惯性力的计算 本设计要求手臂平动是 V=置启动时间 总惯(解得 总惯 1 4 5 0 0 . 1 5 / 1859 . 8 0 . 1 2N m s g s封装置的摩擦阻力 密封圈的形式有 O 型密封圈， Y 型密封圈， V 型密封 圈。不同的密封圈，其摩擦阻力是不同的。在手臂设计中，采用 液压缸工作压力小于 10压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为： 。 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力： 0 . 0 3 = 5 5 9 1 P P 摩 惯 定液压缸工作压力和结构 经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力 F=5591N，根据表 =2械效率 定液压缸的结 构尺寸 液压缸内径的计算，如下图所示 18 图 7压缸受力示意 当油进入无杆腔， 211 4 p 当油进入有杆腔中， 2222 4 p 液压缸的有效面积： 1PF p 2故有114 1 . 1 3 （无杆腔） 214 （有杆腔） 式中 P 活塞的驱动力（ N） 1p 油缸的工作压力（ d 活塞杆直径（ D 油缸内径（ 机械效率，在工程机械中用耐用胶可取 =5591N， 1p = 62 10 ，选择机械效率 19 将有关数据代入： 2214 4 5 5 9 1 7 0 8 6 1 0 9 0 . 50 . 9 6 2PD d m 根据表 5择标准液压缸内径系列，选择 D=100（ 1）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 15以该液压缸的外径为130（ 2） 活塞杆的设计计算 按强度条件决定活塞杆直径 按直杆拉 压强度计算： 24即 4(式中 P 活塞杆所受的总载荷（ N） ,即活塞的驱动力 活塞杆材料的许用应力 ( ,其中b为活塞杆的抗拉强度， 般取 ；碳钢取 1 0 0 1 2 0b M P a 现取 100b M 计算解得 4 5 5 9 1 7 1 8 . 4 3100d m m 由于采用花键轴在活塞杆内部进行导向，会使活塞杆的结构变大，因此根据实际情况并参照表 4择活塞杆直径 d=70 7塞杆直径系列（ 2348 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 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 5倍以上，按拉、压强度计算： 20 24因为活塞杆不满足 15的条件，所以不必对活塞杆进行校核。 表 7螺钉距离 工作压力 p 1 的关系 工作压力 p 1 螺钉距离 工作压力 p 1 螺钉距离 150 100 120 510 80 压缸盖螺钉的计算 根据表 示，因为回转缸的工作压力为 2以螺钉间距 t 小于120每个螺钉在危险剖面上承受的拉力0 和剩余预紧力 ,0 Q式中 Q 工作载荷（ N），24D P 缸盖所受的合成液压力，即驱动力（ N） Z 螺钉数目，01DZ t 0D 螺钉中心所在圆的直径（ p 工作压力 (, 剩余预紧力， , , 1 . 5 1 . 8 Q K螺钉所在圆的直径0 118D 根据表选择1 62t 么螺钉数目01118 5 . 9 862DZ t 取为 6Z 工作载荷2210024426176D 剩余预紧力 , 1 . 5 2 6 1 7 4 4 4 9 Q N 21 螺钉材料选择 45#，则 352 1762s M p ,现取为 2 螺钉的强度条件为 02 21 141 . 34d 合螺钉的直径 1 4 1 .3 计算载荷， 许用抗拉强度， sl n s 螺钉材料的屈服点（ 表 7常用螺钉材料的屈服强度 钢 号 10 35 45 40Cr s( 205 215 235 313 352 784 1d 螺钉螺纹内径（ , 1 1 4d d S,d 为螺钉公称直径， S 为螺距。 01 . 3 9 1 8 6 N解得14 9 1 8 6 6 6 . 5 8 . 1 5176d m m 螺钉的直径选择 d=10圆柱头螺钉，螺距 S=1.5 钉螺纹内径为1 1 . 2 2 4 8 . 1 6 4d d S m m 螺钉的强度为 24 9 1 8 6 1 7 5 . 5 78 . 1 6 4 a 合满足强度条件。 8 臂部俯仰缸的设计计算 驱动臂部俯仰的驱动力矩，应克服臂部等部件在启动时的重量对回转轴线所产生的偏重力矩和臂部在启动时所产生的惯性力矩以及各回转副处摩擦力矩，即 22 M M M M 驱 惯 偏 摩图 8部俯仰缸设计示意图 一般手臂座与立柱连接轴在 摩擦力矩较小，在铰链处配合直径较小，相对转角亦小，故 0M 摩，则 式中 手臂等部件重力对回转轴线的偏重力矩 (N),臂部上仰时为正，下仰时为负，计算时主要考虑上仰的驱动力矩 手 臂 做 俯 仰 运 动 ， 在 启 动 时 的 惯 性 力 矩 (N m), M J J t惯 工 件起 工件对臂部回转中心的转动惯量 ( 2Kg m ) J 臂部俯仰对回转中心的转动惯量 ( 2Kg m ) 臂部俯仰过程的角速度 ( /s ) 臂部俯仰运动启动过程所需的时间 (s),一般取 23 动力矩的计算 1 4 5 0 0 . 8 5 7 1 2 4 3M N m 偏惯性力矩 2 2 22 2 21 1 1 3 0 0 1 . 3 2 7 7 . 0 43 3 9 . 81 1 5 0 0 . 0 2 5 1 5 1 . 3 2 2 6 . 1 42 9 . 8J m l k g mJ k g m 工 件设置启动角度为 9 ，启动时间 么角速度 1 /s 那么 1 . 5 77 7 . 0 4 2 6 . 1 4 1 6 2 00 . 1M N m 惯计算 由前面的分析可知 0M 摩驱动力矩 1 2 4 3 1 6 2 0 2 8 6 3M M M N m N m N m 驱 惯 仰摆动油缸驱动力的计算 如图所示，当臂部与水平位置成12仰 角 和 俯 角时，则铰接活塞杆的驱动力(即俯仰摆动油缸的驱动力 )P 的作用线与铅垂线的夹角 是在12范围内变化，而作用在活塞上的驱动力通过连杆机构产生的驱动力矩 有关。 （ 1） 当臂部处于上仰时， 12c o b 驱1 111c o s s i 1 111c o sc o ss i t 驱 24 解得 （ 2）当臂部处于下仰时， 22c o b 驱1 222c o s s i 1 222c o sc o ss i t 驱 解得 选择其中最大值1 13966为俯仰摆动缸设计的驱动力。 俯仰摆动油缸计算出驱动力 后即可按照直线伸缩油缸的设计计算。 仰摆动油缸的设计计算 根据表选择最大工作压力1 3p 1） 活塞杆的设计计算 4 1 3 9 6 6 1 7 8 1 3 . 3 4100d m m 取 100b M 根据表选择活塞杆直径 40d 那么油缸内径2214 4 1 3 9 6 6 4 0 7 7 7 7 8 8 . 1 90 . 9 6 2PD d m 圆整后取油缸内径 90D （ 2） 活塞杆的校核 因为活塞杆不满足 15的条件，所以不必对活塞杆进行校核。 压缸盖螺钉的计算 根据表 示，因为回转缸的工作压力为 3以螺钉间距 t 小于120每个螺钉在危险剖面上承受的拉力0 和剩余预紧力 , 25 ,0 Q式 中 Q 工作载荷（ N），24D P 缸盖所受的合成液压力，即驱动力（ N） Z 螺钉数目，01DZ t 0D 螺钉中心所在圆的直径（ p 工作压力 (, 剩余预紧力， , , 1 . 5 1 . 8 Q K螺钉所在圆的直径0 100D 根据表选择1 52t 么螺钉数目01100 6 . 0 3 852DZ t 取为 6Z 工作载荷228034425136D 剩余预紧力 , 1 . 7 2 5 1 3 4 2 7 2 Q N 螺钉材料选择 45#，则 352 1762s M p ,现取为 2 螺钉的强度条件为 02 21 141 . 34d 合螺钉的直径 1 4 1 .3 计算载荷， 许用抗拉强度， sl n s 螺钉材料的屈服点（ 1d 螺钉螺纹内径（ , 1 1 4d d S,d 为螺钉公称直径， 26 01 . 3 8 8 2 1 N解得14 8 8 2 1 6 3 . 8 7 . 9 9176d m m 螺钉的直径选择 d=10圆柱头螺钉。螺纹内径1 1 . 2 2 4 8 . 1 6 4d d S m m 螺钉强度的校核 24 8 8 2 1 1 6 8 . 68 . 1 6 4 a 合满足要求。 9 机身的设计计算 机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降或俯仰运动，这些运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因而，其设计与臂部的设计经常一起考虑。机身可以是固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。 身的整体设计 按照设计要求，机械手要实现手臂 210 的回转运动，实现手臂的回转运动的机构 设计在机身处。经过综合考虑，臂部的回转运动选用回转缸置于机身上的结构。如下图所示， 臂部的回转通过安装在机身上回转油缸来实现，因为臂部的回转角度为210 ，所以要将动片和静片的夹角设计为 210 ，由于臂部的重力过大会影响回转缸的工作，所以采用圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承即能承受径向力，也可以承受轴向力，通过图中可知，由回转轴传递的重力分配到圆锥滚子轴承上。同时在回转轴上安装了另一个圆锥滚子轴承，这个轴承的采用是为了阻止 回转轴向上的运动。考虑到安装的问题，动片与回转轴的连接采用键连接，便于安装。 27 图 9身回转机构的设计计算 转缸驱动力矩的计算 驱动臂部回转的力矩 该与臂部运动时所产生的惯性力矩 各密封装置处的摩擦阻力矩 M M M M 驱 回惯 封(（ 1）惯性力矩的计算 00M J J t 惯(式中 回转缸动片角速度变化量（ ，在起动过程中 = /s ； t 起动过程的时间 (s); 0J 臂部回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（ 2kg m ）。 回转部件（包括手部 工件 腕部 臂部）质量为 =210，则起动角速度 =起动时间设计为 28 2 2 2 2 20 1 1 2 2 145 0 . 4 0 . 4 1 . 3 2 1 . 3 2 8 5 . 633mJ l l l l N m s 00 3 . 6 6= 8 5 . 6 1 0 4 40 . 1M J J N 惯（ 2）密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下 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 1076 2N m s 转缸尺寸的初步确定 设计回转缸的静片和动片宽 b=60择液压缸的工作压强为 2d 为输出轴与动片连接处的直径，设 d=50回转缸的内径通过下列计算： 32810 驱 计算得 D=既设计液压缸的内径为 100据表 3510 机械手液压系统工作原理 能量转化简 图 机械手的液压传动力是以有压力油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为油液的压力能，压力油经过管道及一些控制调节装置导进入油缸，推动活塞杆运动，从而手臂作伸缩，升降运动，将油液的压力能又转换成机械能。 29 其液压传动能或概括如下： 图 6能量转化简图 液压系统的组成 液压传动系统由以下几个主要部分组成：油泵、液压机、控制调节装置、（如单向阀、溢流阀、换向阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等）辅助装置。 液压传动系统机械 手的特点 液压驱动系统的特点，由于液压技术是一个比较成熟的技术，它具有动力大（或力矩）惯性比大，快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯性大以及在防爆环境中工作的机械手。 机械手采用液压传动比采用气压传动有如下优点： (1) 能得到较大的输出力和力矩 ； (2) 液压传动滞后现象下，反应较灵活，传动平稳 ； (3) 输出力和运动速度控制较容易 ； (4) 可达到较高的定位精度 。 但液压传动也有 如下 缺点： (1) 系统的泄漏难以避免，影响工作效率和系统的工作性能 ； (2) 油液的粘度对温 度的变化很敏感，当温度升高时，油的粘度即显著降低，油液粘度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量。 30 缸泄漏问题与密封装置 机械手由于油缸泄漏严重，压力不能提高，工作性能不稳定，以致影响机械手的正常使用。因此，为了保证机械手液压系统的工作性能，在各油缸的相对运动表面和固定连接断面的进行密封。以防止压力油从高压油腔泄漏到低压油或泄漏到缸体处面。 目前，机械手液压系统使用的密封件大多采用耐油橡胶制成的各种形式密封圈，作为动密封和静密封，以保证两结合面的密封性。 密封圈在配合面间的密封作用，主要是借安装时 的预压和工作时由于油液压力的作用，使密封圈变形并压紧密封表面达到目的。 活塞式油缸的泄漏与密封 对于实现往复运动的活塞油缸来说，其泄漏主要是活塞与缸臂处的内泄漏及往复活塞杆与缸盖处的处泄漏。引起泄漏的原因是加工精度和滑动面光洁度不高，以及控制装置不良所致。 对于活塞油缸的静密封，主要采用 O 型密封圈，它既可以用外径或内径密封，也可以用端面密封。 O 型密封圈装在沟槽中，因受油压作用而变形，并张紧沟槽和间隙，从而起到密封的作用，因此它的密封性能随压力的增加而提高。但是，当压力过高或沟槽尺寸选择不当 时，密封圈很容易被挤出沟槽而造成剧烈磨损。为克服这个缺点，当油缸油液的压力大于 100 / 2 时，要在 O 型密封圈侧面放置挡圈，在压力低于 100 / 2 时，一般不加挡圈。在手臂伸缩油缸和手臂俯仰油缸中都用了 Y 型密封圈在工作时压力油液把 Y 型密封圈的唇边紧紧压在相对运动的两配合