机械手夹持器机械结构设计

1、目 录摘 要IAbstractII第一章绪论11.1论文选题背景及意义11.2国内外研究现状及发展趋势11.3论文的主要工作3第二章夹持器的结构设计42.1夹持器的研究现状42.2夹持器设计方案6第三章手腕的设计133.1手腕的概述133.2腕部的典型结构133.3手腕确定14第四章液压缸的设计154.1液压缸的设计概述154.2液压驱动力164.3活塞行程164.4液压缸的流量18第五章液压控制系统设计195.1油泵的选择195.2液压元件的选择205.3辅助元件选择215.4系统液压图215.5电磁铁动作顺序表225.6液压控制原理图的步骤说明22总 结24致 谢25参考文献2628摘 要

2、现今，国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，生产效率较低、劳动强度很大。为了提高生产加工的工作效率，降低成本，并使生产线建设成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产需要，本文通过利用机器人技术，将装卸机械手代替人工，从而来提高劳动生产率。 本机械手主要与数控加工设备组合形成生产线，实现加工过程（上料、下料、加工）的自动化与无人化。本设计充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。液压控制系统是由机械、电气、液压和微机控制等元件综合构成的工业自动化系统，是机械传动技术的一种

3、重要形式，是机械与控制的重要结合点，经常出现在生产线和各种自动化设备中。关键词：机械手；夹持器；液压系统AbstractToday, many domestic factory production lines, CNC machine loading and unloading the work piece are still manipulated manually and intensive labor, production efficiency is low. In order to improve the efficiency of the production process,

4、reduce costs, turn production line into a flexible manufacturing system and meet the needs of modern automated large-scale production, this paper will replace the manual handling with robot, and thus improve labor productivity through the use of robot technology. The manipulator is mainly to impleme

5、nt automation which related to CNC machining equipment, hand combined to form production lines. It is designed to take full account of the robot work environment and process specific requirements. To meet process requirements, simplify the structure and use the standardized, modular components commo

6、n element as far as possible.Hydraulic control system is the integrated industrial automation system which composed of mechanical, electrical, hydraulic and computer control devices. It is an important part in mechanical transmission and is often used in a variety of automated production lines and e

7、quipments.Keywords: manipulator; gripper; the hydraulic system第一章 绪论1.1 论文选题背景及意义用于再现人手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。国际

8、标准化组织给出的定义：“一种自动操作控制可编程机械臂，在移动中完成各种基本操作工作的称为工业机器人”3。通过计算机可编程序来执行搬运多种物件材料、工件工具、或专用零件装置的多功能机械手(manipulator)来完成各项任务综合体称为机器人，它是美国机器人工业协会（U.SRIA）给出的定义1。工业机器人较适合这个定义。日本机器人工业协会(JIRA)的定义：用来替代人类劳动的机械臂，通过记忆体元件和末端执行器(end effector)的自动控制，使它自动移动、转动完成各种工作的总和称为工业机器人2。一种可以较好的模拟人手功能的机械电子装置称为机器人，这是我国对机器人的定义。作者指出：机械手在程

9、序固定情况下只能简单装置在自动机或自动线上使用，做一些较简单的搬运物件、抓取原件。机械手与机器人，动作程序的变化都是通过编程实现；它们主要区别是工业机器人具有独立的控制系统，共同的特征决定了它的定义，是一种多学科集于一体的自动化设备，主要由计算机信息科学、传感技术科学、控制科学、机构科学等组成。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。1.2 国内外研究现状及

10、发展趋势工业机械手的第一次迅猛发展是在第二次世界大战，最早应用在美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，时间大约是在上世纪40 年代，它是一种主从型的控制系统。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。控制系统有别于40 年代的主从型而是示教型的；1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，研制出一种更新兴的机械手，运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。这个机械手对机械手的发展有着深远的意义，日后的不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同一年该公司和普曼公司合并成重组为万能制动公司，专门生产工业机械手。 1962

11、 年美国机械铸造公司也实验成功一种叫 Versatran 机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制。虽然上述的2 种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的重要基础。在机械手得到一定程度的发展后，从60 年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种UnimationVic.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。联邦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；值得一提的是日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1969 年从

12、美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前已成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。我国工业机械手的研究与开发起步较晚，比欧美要晚30年左右，起步于上世纪70 年代，1972 年我国第一台机械手在上海开发成功，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（19861990 年）开始，我国政府大大加大了对工业机器人的重视程度，并且为此项目投入大量的资金，在众多学者及研究人员的参与下，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，其中有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学

13、设计制造的装卸载机器人等等。值得注意的是，这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的。与此同时，一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器等等。随着机械手的发展，人们也对机械手的应用提出了更高的要求，一是重复高精度，精度是指机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置密切相关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。显然，重复精度比精度更重要；二是模块化，有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机

14、械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向；三是无给油化，无给油化是个新提出的概念，主要是为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润

15、滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长；四是机电气一体化，机电一体化的核心思想在于发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”，大大提高了系统的可靠性。1.3 论文的主要工作在全面学习和了解掌握夹持机构相关知识，查阅相关参考资料的基础上对工业机器人夹持器机构的现状有了充分而全面的了解，-设计主要进行了腕部和夹持器的设计。第二章 夹持器的结构设计2.1 夹持器的研究现状机器人操作机在作业时的装置为机器人夹持器工具与所需工件直接接触的过程。夹持器的性能的好坏很大程度上影响了机器人作用和效率的发挥

16、。一方面为了在各种复杂的作业中，使机器人能像人一般有效地进行开展工作，就一定要有一个动作敏捷与运动灵活的夹持器，另一方面为能提高操作中的安全、稳定性，在机器人抓取时，要求实现稳定的夹持与操作；夹持器因在变外载情况下10。因此，在同时满足矛盾的两方面要求最大限度时，夹持器的设计才能够更合理，需要深入细致的对其进行研究。 夹持器的主要作用是握持物体的主要部件。由于物件被握持中出现的各种不同情况，如：材料结构、材料性能、形体大小、表面情况、份量轻重等的不一，促使夹持器的结构不能单一，应该有多种多样的。每一种夹持器的结构和结构形态不完全一致，并且工作原理也会出现不一样。总结起来，按照抓取和夹持的操作物

17、件中的方式区别，夹持器可分为下面两种11-12：1、仿人抓取式夹持器 人手抓取物件时候都是从双边或者多边抓取，夹持器从物件外部的两侧或多侧实现抓取，这样的指夹持器是属于模拟人手的抓取，即是仿人抓取式夹持器。 手指式、夹钳式夹持器，这两种夹持器均为仿人抓取中演变出来的夹持器。有复杂结构的手指式夹持器，基本能实现繁杂、难度较高的动作，均为模仿人的手指关节结构，在实现多自由度操作中运用了多个驱动器。夹钳式夹持器，都只有单一关节的手指夹持器，不是与人手一摸一样。它用单个驱动器装置来驱动，实现张合动作中由两个或多个手指。大多数夹钳式夹持器用在现在工业设计中，因为便于维护，而且成本低，结构简单。传动机构、

18、驱动装置与手指构成了夹钳式的夹持器。因为手指的结构与张开、闭合动作不同，可分成平移型和回转型两种夹持器。平移型夹持器在实现相对平行移动中是传动机构带动两个手指实现开闭动作的。回转型夹持器在实现绕支点回转中是传动机构的带动手指实现开闭动作的。前者平移型夹持器结构比较简单、适应性较强、动作较灵活，这种多数属于自动定心机构，被广泛应用在生产中。手指式夹持器，它有比较复杂的结构和控制系统，多数还处于科学研制阶段。它主要完成复杂精细装配或者在微密的小空间操作时，实现繁杂的抓取动作和精密灵巧操作。必须能够模仿人手在灵巧地抓取不同材质、形状的物体中的各个动作和关节活动要求。2、非仿人抓取式夹持器13末端执行

19、器是非仿人抓取式的夹持器。人手不能实现的抓取方式一般由它来完成的，对特殊的物理现象和特定的物体形状进行抓取时多数采用单边抓取。用磁吸式和气吸式夹持器来对待特殊的物理现象，利用中心塞式，涨缩环式夹持器来对待特定的物体形状。由进排气系统、吸盘、吸盘架组成了气吸式夹持器。根据物件与吸盘作用后负压内腔或形成真空的不同方法，气吸式夹持器可分三种：喷吸式利用负压喷嘴抽出内腔空气而形成负压腔；挤气式吸盘变形后靠外力挤出内腔空气的方法使形成负压腔；真空式吸盘内腔在真空泵系统专门抽气后形成真空。它具有方便可靠、结构比较简单、质量较轻等优点，因而被广泛运用于板材、纸张、塑料、薄壁零件和玻璃器皿等的夹取工作，有良好

20、的使用效果。用电磁铁磁或永久磁铁来吸持物件的都叫吸式夹持器，它一般用来吸取有磁性材料的物件，吸附中不仅不会破坏物件的表面，而且会产生较大的吸附力，所以对表面光整要求不高的物件，或有通孔、通槽在表面的物件照样可以吸持。对不能有剩磁的物件被吸持后通常要进行的物件退磁工序。对温度超过 723C 以后的钢、铁等磁性材料制造的物件就会失去磁性，因而无法在高温时使用磁吸式夹持器。电磁铁夹持器和永久磁铁夹持器均为磁吸式夹持器。工业机器人终端是焊钳、喷枪，手部除焊接、喷涂等的专用工具外，机器人的夹持器工作主要在医疗服务、装配、搬运等工种，当前主要研究机械夹持器的有以下几个方面14-16：1、简单的机械夹持器

21、目前使用广泛机械夹持器，因其结构比较简单、造价相对低廉，但是它只适合外形规则的物件抓取，范围应用有限。2、系列夹持器 对抓取外形变化比较大、种类比较多的夹持器主要是机械夹持器，它运用场所较为广泛。操作过程中可依据对象的变化而选择不同的夹持器，这是它在机器人中的优点，避免了因为抓取对象的变化要更换机器人终端设备的麻烦。但是增加了机器人腕部的负荷和复杂的结构成为了它不足的地方。3、柔性夹持器 这类夹持器没有固定不变的夹持形心的特点在操作过程中，形状变化较大的物件需要抓取比较适合，但对精确控制或者空间位置要求较高的对象抓取就不适合了。因此在实际装配操作应用中的局限性体现了不适合此类机器人的。4、仿人

22、灵巧夹持器 跟人手相似的机械结构特点的夹持器，在抓取物体时通过多个可独立驱动的关节的动作来完成，做有限度的移、转动作在相应的空间里，它在进行操作同时可以调整物体的位置。在作业操作中，小范围的调整是有利于提高机器人操作的准确性。因而，我国尚处于研制阶段的仿人灵巧夹持器，虽然它控制系统与机械结构相对比较复杂，但是这类夹持器有十分广阔应用前景。三指九关节灵巧手的机器人是北京航空航天大学研究所研制出来，靠远距离驱动九个电机并通过钢丝绳的运动来完成的。它能完成精密装配工作和复杂细微的空间操作，在抓取不同类别形状，不同类别材质的物体。专家鉴定认为，该项成果基本上达到了国际多指灵巧手研究的先进水平，国内更是

23、具有领先科技水平。5、智能型夹持器 日本机械实验室已经研制出能在没有光线中探测物体的形状，这种机器人有较强识别能力的手指，它识别物体形状大小的能力相当于用手的触摸一般效果。同样，日本东芝公司研制的机器人手，是一种能够非常精确的接触抓住物体，因它有一种触觉传感器装在机器人的手指上。目前我们还不能离开人的干预、摒弃作用，在智能化机器人发展的过程中。总而言之，虽然在研究的机械夹持器种类较多，但技术上还有很多地方需要进一步研究更新，使技术开发逐步趋向成熟。2.2 夹持器设计方案（1） 夹持器的设计要求要有足够的夹持力和所需的夹持精度； 它是连接在手上，应尽可能使结构简单、紧凑、质量轻小，以减轻手臂的负

24、荷。（2） 设计参数所需要夹紧的工件直径为 80mmm。放松动作时两爪间最大距离为100-120mm。抓持速度为 20m/s，夹持器从运输车上抓取待加工的坯料送到加工机械上及把加工好的工件送回到运输车上。工件重量约 0.5kg，材质：45#钢。夹紧动作平稳，起动和终止无刚性冲击，由运动分析及所需夹持力得到机构各部分尺寸。（3） 设计方案本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=60，夹取重量为0.5Kg。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。吸附式常用于抓取工件表面平整、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

25、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，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置。2.2.1 手爪的作用及设计手爪的要求手爪是机械手用来抓取并握紧工件用的。它抓取工件的迅速，灵活，准确和牢靠程度，直接影响到机械手的性能，是机械手的关键部件之一。为此，设计手爪时应满足以下要求：1. 手爪应有足够的夹紧力

26、，除工件的重力外，还要能不使工件在传送过程中因惯性力和振动而松动或脱落。2. 夹持范围要大，卡爪的开闭角度（卡爪张开或闭合时两个极限位置所摆动的角度）应能适应夹持较大的直径范围。3. 夹持精度要高，即要求工件在卡爪内定位准确，又不夹坏工件表面，一般须根据工件的形状选择相应的卡爪。如圆柱形工件多采用V形槽的卡爪来定位；对于易擦伤表面的工件，卡爪上应镶软质垫片等。4. 夹持动作要迅速，灵活。手爪还要求结构简单紧凑，刚性好，自重轻，易磨损处应能更换，在手腕或手臂上安装要方便，更换要迅速或能自动更换。2.2.2 手爪的类型1. 机械卡爪式：根据手爪的动作可分为回转型和平移型；根据手指的数量可分为双指和

27、多指；根据夹持工件的方法又可分为外卡式和内涨式。2. 真空吸盘式：有真空泵式和气流负压式。3. 电磁吸盘式。2.2.3 手爪的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆图2-1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。1手指 2销轴 3杠杆图2-1 滑槽杠杆式手部结构和受力分析在杠杆3的作用下，销轴GB/T882-20002向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线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=F2Fy=0 得 F1=F2cosF1=-F1由 o1F=0 得 F1h=FNbh=aco

28、sF=2bacos2FN (2.1)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滑槽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 角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=3040。2.2.4 夹紧力计算及驱动力计算手指加在工件上的夹紧力，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：FNK1K2K3G （2.2）式中 K1-安全系数，通常1.22.0； K2-工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算： K2=1+ba 其

29、中a为重力方向的最大上升加速度：a = maxt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0.0030.5s 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2-1 液压缸的工作压力作用在活塞上外力F(N)液压缸工作压力（MPa）作用在活塞上外力F(N)液压缸工作压力(MPa)小于50000.8120000300002.04.05000100001.52.030000500004.05.010000200002.53.050000以上5.08.0计算：设a=100mm，b=50mm，1040，机械手达到最高响应时间为0.

30、5s，求夹紧力FN和驱动力F 和驱动液压缸的尺寸。(1)设K1=1.5 K2=1+ba=1+0.10.59.8=1.02K3=0.5根据公式，将已知条件代入公式（2.2）得；夹紧力：FN=1.51.020.55=3.825N（2）根据驱动力公式得：F计算=250100cos3023.825=2.87N(3)取=0.85F实际=F计算=2.870.85=3.38N2.2.5 手爪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，手指夹持有效长度为100mm,当手抓没有张开角的时候，如图2-2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径R1=40mm，当张开60时，如图2

31、-2（b）所示，最大夹持半径R2计算如下：R2=100tg30+40cos30103.92=104mm机械手的夹持半径从40mm104mm图2-2 手爪张开示意图2.2.6 误差分析机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅与机械手的定位精度有关，而且也与手指的夹持误差大小有关。现对平移型和回转型夹持器的优缺点及定位误差进行分析。1. 普通平移型夹持器普通的平移型夹持器，工件的直径的变化不影响其轴心的位置（图 2-3），即对于不同直径的工件其定位误差=0。但是传统的平移型夹持器通常由平行四边形机构、螺杆副直线平动机构或凸轮副直线平动机构来传动，结构复杂，重量和体积较大且精度低。2. 回转

32、型夹持器机械手回转型夹持器结构简单、制造容易，因此应用广泛。但是回转型夹持器与工件的接触点呈弧形变化，夹持误差随工件尺寸变化而变化，定位精度差。下面以两支点回转型钳爪（图 2-4）夹持圆柱形工件为例，分析其定位误差。 1钳爪体 2工件图2-3平移型夹持器手指示意图 图2-4两支爪回转型钳爪如图 2-4所示，设 AB 长度为l ，钳口夹角为2 ，两支点的距离为 2a，圆柱形工件半径为 R，偏转角为 ，设工件中心O1到手指两支点连线中点O的距离OO1为 x,则：x=l2+Rsin2-2lRcossin-a2 2.3OO1随工件尺寸变化而变化，为了保证在抓取半径较小的工件时能够抓住工件，偏转角常按被

33、抓取工件的平均半径R和使得BO1O=90o为条件来确定，那么：=arccosRsin-a1l 2.4式中，R=Rmax+Rmin2。 为方便讨论，对式（2.3）进行整理，得：x=Rsin-lcos2+l2sin2-a2 2.5 对于式（2.5）中，根号下的式子为关于参数R的抛物线，因此可以讨论x的最值问题以及其定位误差：（1） 当R=R0=lsincos时，x有最小值xmin=l2sin2-a2 (2.6)（2） 当R0RminRmax或RminRmaxR0时，定位误差为：=xRmax-xRmin =Rmaxsin-lcos2+l2sin2-a2-Rminsin-lcos2+l2sin2-a2

34、 (2.7)(3) 当RminR0Rmax时，定位误差取1和2中的最大值，其中1和2的值可由下面的公式求得： 1=xRmax-xR0=Rmaxsin-lcos2+l2sin2-a2-l2sin2-a2 (2.8) 2=xRmin-xR0=Rminsin-lcos2+l2sin2-a2-l2sin2-a2 (2.9)若被抓取的工件半径Rmax=100mm ,Rmin=80mm ,a=20mm ,2=120，则R=90mm，l=180mm ,=62.21 ,R0=72.68mm ,R0RminRmax，根据公式（2.7）可以计算其定位误差：=Rmaxsin-lcos2+l2sin2-a2-Rmin

35、sin-lcos2+l2sin2-a2=100sin60-180cos61.212+1802sin261.21-202-80sin60-180cos610212+1802sin261.21-2022.52mm通过上述计算可知，当工件尺寸变化时两支点回转型钳爪有较大的定位误差。第三章 手腕的设计3.1 手腕的概述工业机器人的腕部是臂部和手部的连接部件，手部在工作过程中不仅其灵活性得到了很好的改进，而且工作范围比之前更大一些，这些优点都是在空间上改进或者调解其方向得到的，不容忽视的是，以上的工作是以手腕臂部的运动为基础的1。手腕应具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。腕部实际所具有的自

36、由度应根据机器人的工作性能要求来确定。在多数情况下，要确定手部的作业方位，使手部处于空间任意方位，要求腕部能实现对空间三个坐标轴 X,Y,Z 的转动，即具有回转（）、俯仰（）和摆动（）三个自由度，如图 3-1 所示2。当有特殊使用要求时，还可以实现小距离的横移运动。手腕的自由度越多，结构和控制越复杂。因此，在决定手腕的自由度数目时应根据机器人的作业要求。在大多数的情况下，机器人手腕具有 1-2 个自由度就可以满足作业的要求。因为手腕是安装在手臂的末端，所以手腕的大小和重量是手腕设计时要考虑的关键问题，希望能采用紧凑的结构，合理的自由度3。1手臂 2机械接口图3-1手腕的自由度3.2 腕部的典型

37、结构工业机器人的腕部结构形式大多数都相互类似，有的采用回转缸或活塞缸直接驱动。但有一些是通过机械传动装置，链轮链条以及同步皮带传动的。典型的腕部结构有以下几种：（1） 具有一个回转运动的腕部结构。（2） 回转缸驱动的腕部结构、齿条缸驱动的腕部结构、可翻转的腕部结构、复合缸驱动的腕部结构。（3） 具有两个回转运动的腕部结构。（4） 具有回转和摆动的腕部结构、具有回转和俯仰运动的腕部结构。（5） 具有回转和横移运动的腕部结构。（6） 具有多个自由度的机械传动腕部结构。（7） 柔顺手腕。3.3 手腕确定因为工件是从一个地点搬运到另一个地点，动作并不复杂，所以一个自由度的手腕是一个很好选择。第四章 液

38、压缸的设计4.1 液压缸的设计概述液压缸一般来说是标准件，但有时也需要自行设计。本节主要介绍液压缸主要尺寸的计算及强度，刚度的验算方法。 液压缸的设计是在对所设计的液压系统进行工况分析、负载计算和确定了其工作压力的基础上进行的。首先根据使用要求确定液压缸的类型，再按负载和运动要求确定液压缸的主要结构尺寸，必要时需进行强度验算，最后进行结构设计。 液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径 D、缸的长度 L、活塞杆直径 d。主要根据液压缸的负载、活塞运动速度和行程等因素来确定上述参数。 液压缸要承受的负载包括有效工作负载、摩擦阻力和惯性力等。液压缸的工作压力按负载确定。对于不同用途的液压设备，由于工作条件

39、不同，采用的压力范围也不同。设计时，液压缸的工作压力可按负载大小及液压设备类型参考表4-1、表 4-2 来确定。表4-1液压缸的公称压力（单位：MPa，GB 79 38-87）0.631.01.62.54.06.310.016.025.031.540.0表4-2各类液压设备常用的工作压力（单位：MPa）各类设备一般机床一般冶金设备农业机械，小型工程机械液压机，重型机械，轧机压下，起重运输机械工作压力（MPa）16.36.31610162032液压缸的典型结构举例： 图 4-1 所示的是一个较常用的双作用单活塞杆液压缸。它是由缸底 20、缸筒 10、缸盖兼导向套 9、活塞 11 和活塞杆 18

40、组成。缸筒一端与缸底焊接，另一端缸盖(导向套)与缸筒用卡键 6、套 5 和弹簧挡圈 4 固定，以便拆装检修，两端设有油口 A 和 B。活塞 11 与活塞杆 18 利用卡键 15、卡键帽 16 和弹簧挡圈 17 连在一起。活塞与缸孔的密封采用的是一对 Y 形聚氨酯密封圈 12，由于活塞与缸孔有一定间隙，采用由尼龙 1010 制成的耐磨环(又叫支承环)13 定心导向。杆 18 和活塞 11 的内孔由密封圈 14 密封。较长的导向套 9 则可保证活塞杆不偏离中心，导向套外径由 O 形圈 7 密封，而其内孔则由 Y 形密封圈 8 和防尘圈 3 分别防止油外漏和灰尘带入缸内。缸与杆端销孔与外界连接，销孔

41、内有尼龙衬套抗磨。图4-1双作用单活塞杆液压缸1-耳环 2-螺母 3-防尘圈 4、17-弹簧挡圈 5-套 6、15-卡键7、14-O型密封圈 8、12-Y型密封圈 9-缸盖兼导向套 10-缸筒11-活塞 13-耐磨环 16-卡键帽 18-活塞杆 19-衬套 20-缸底4.2 液压驱动力（1）根据驱动力公式得：F计算=250100cos3023.825=2.87N(2)取=0.85F实际=F计算=2.870.85=3.38N（3）确定液压缸的内径DF实际=4D2-d2p选取活塞杆直径d=0.5D，选择液压缸压力油工作压力P=0.8-1Mpa,4F实际1-0.52=43.380.81050.75=

42、0.0085根据表4-1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=10mm，但为了扩大机械手的工作范围，选取液压缸内径D=16mm则活塞杆直径为：D=160.5=8mm，选取d=8mm（3） 活塞壁的厚度活塞厚 B=0.8D=6.4所以取 B=60mm4.3 活塞行程夹持器杆件运动轨迹示意图如图 4-2 所示。图4-2夹持器杆件运动轨迹示意图OD 顺时针旋转 45到 OB 位置，OA=OD=100，OB=OD=OAsin1596.6mm，所以BE=OBsin3383.65mm，即手爪最大抓取直径 2BE=167mmBE=OBsin60=41.825mmDE=41.825mm同理： DE=OE

43、=41.825mm2BE=167mmOC=60mm所以当2BE相接触时，即2BE=0时，CD转移距离为30mm，转角为OP=OD=96.6mmsin=DPDB=3096.6=0.31.618.1取=18当顺时针旋转18度时，BE=52.6mm手爪间的最大间距为 2BE=105mm所以工件直径为 d=80mm105mm故合适。DE=OD-OE=OD-OBcos3315.6mm所以选取行程S=25，标准液压缸，经校核液压缸行程满足要求。抓取d=80mm的工件时：1=arcsin4096.61=24.46抓取工件前两爪处于最大距离时2=arccos52.61296.62=33校核此时缸径：Fp=21

44、00sin33FN20sin48-cos48tan15 =1471.991472 D=4Fp106=43.33mm63mm故缸径合适。4.4 液压缸的流量夹紧器夹紧时：Qv1=A2V1=4D2-d2V1 =4632-31.5220=4675.68mm3s放松时： Qv2=AAV=4D2V1=463220 =62344.9mm3s缸筒壁厚 =1106632a=3.15取 =5mm底厚： h=0.4336310630106=4.98故h=8mm，液压杆行程示意图如图4-3所示：图4-3液压杆行程示意图第五章 液压控制系统设计5.1 油泵的选择液压泵是液压系统提供一定流量和压力的油液动力元件，它是每

45、个液压系统不可缺少的核心元件，合理的选择液压泵对于降低液压系统的能耗、提高系统的效率、降低噪声、改善工作性能和保证系统的可靠工作都十分重要。 选择液压泵的原则是：根据主机工况、功率大小和系统对工作性能的要求，首先确定液压泵的类型，然后按系统所要求的压力、流量大小确定其规格型号。 表 5-1 列出了液压系统中常用液压泵的主要性能。表5-1液压系统常用液压泵的性能比较性能外齿合齿轮泵双作用叶片泵限压式变量叶片泵轴向柱塞泵螺杆泵输出压力低压中压中压高压低压流量调节不能不能能能不能效率低较高较高高较高输出流量脉动很大很小一般一般最小自吸特性好较差较差差好对油的污染敏感性不敏感较敏感较敏感很敏感不敏感噪

46、音大小较大大最小一般来说，由于各类液压泵各自突出的特点，其结构、功用和动转方式各不相同，因此应根据不同的使用场合选择合适的液压泵。一般在机床液压系统中，往往选用双作用叶片泵和限压式变量叶片泵；而在筑路机械、港口机械以及小型工程机械中往往选择抗污染能力较强的齿轮泵；在负载大、功率大的场合往往选择柱塞泵。 应实际要求需要，选用 YBX 型“限压式变量泵”。限压式变量泵具有以下特点：系统压力在达到最大工作压力前系统工作流量保持最大；系统压力达到最大工作压力时系统工作流量迅速降低，以实现功率保护；执行元件速度受负荷影响；可实现最大输出功率限制；空载运行可实现最低功耗，即零压力零排量。5.1.1 确定流

47、量两个液压缸流量为（1）夹持器液压缸 Q1=2.4Lmin(2) 回转液压缸 Q2=17.3Lmin（3）伸缩臂液压缸 Q3=15Lmin(4) 升降臂液压缸 Q4=17.3LminQp=KQ2=1.117.3=20.8Lmin(K取1.1)5.1.2 确定泵的动力 各缸分别为 （1）夹持器液压缸 P1=1.6MPa (2) 回转液压缸 P2=0.04MPa (3) 伸缩臂液压缸 P3=2MPa (4) 升降臂液压缸 P4=2MPaPPP3+P1=2+0.3=2.3MPa所以泵的额定压力可取PP=2.31+25%=2.88MPa5.1.3 选择泵的型号为YBX-168P45-106表5-2技术

48、规格为额定压力(MPa)压力调节(MPa)额定转速(rmin)驱动功率(KW)6.32.05.360015002.65.1.4 油泵电机的选择P=PP-QPP 液压泵的总效率（取0.85）所以选择电机型号:Y90L-4表5-3电机参数额定功率（KW）转速（rmin）电流（A）效率（%）功率因数1.514007790.795.2 液压元件的选择序号 名称 Q 规格 （1）变量液压泵 20.8 YBX16 （2）节流阀 15 AQF310CB （3）液控单向阀 0.4 SLPB230 （4）过滤器 20.8 XUCJ25X40 （5）电液换向阀（伸） 15 340YF3010BZ （6）电液换向阀

49、（夹） 23.4 YF3010BZ （7）电液换向阀（回） 17.34 YF3010BZ （8）电液换向阀（升） 8 YF3010BZ （9）卸荷阀 （溢流阀） 20.8 （10）二位二通换向阀 （11）压力传感器 （12）行程开关5.3 辅助元件选择5.3.1 供油管尺寸参考所接元件接口尺寸选择参考所接元件接口尺寸，供油管采用181.5塑料油管。5.3.2 邮箱的选择U=MQPU邮箱有效容积（L）M系数，对中压系统取 5min QP液压泵流量（Lmin）U=520.8=104 L5.4 系统液压图图5-1是液压回路结构图，它在Fluid SIM-P软件中获取下面的元件组合而成，是由手阀、溢流

50、阀、液压泵、液控单向阀、节流阀、电液换向阀和各类液压缸等组成。溢流阀在工件到达后停止卸荷，节流阀设置参数控制液压速度。本液压结构中设置有三位四通电磁换向阀，用以控制液流的方向，做好标记的每个电磁阀的线圈用以控制。根据实际设置每个液压缸情况参数，磁性开关的放置是由液压缸行程决定的。图5-1液压系统控制原理图5.5 电磁铁动作顺序表 对以上液压系统控制图中的电磁铁的动作顺序制定动作顺序表如表 5-4 所示，其中，“+”表示电磁铁得电。伸缩臂、夹持器等就实现相应的动作。表5-4电磁铁动作顺序表电磁铁YV1YV2YV3YV4YV5YV6YV7YV8原位停止升降臂下降+夹持器夹紧+升降臂上升+底座快回转+底座慢转+伸缩臂伸出+夹持器松开+伸缩臂缩回+伸缩臂伸出+夹持器夹紧+伸缩臂缩回+底座快退+底座慢退+升降臂下降+夹持器松开+上升回原位+5.6 液压控制原理图的步骤说明开始工作后，启动电机，待到液压系统启动，在工件来之前，溢流阀