液压机械手臂设计完整说明书

1、 I / 36编编 号号太湖学院毕毕业业设设计计（论论文文）题目：题目：液压机械手的设计液压机械手的设计 信机系系 机械工程及自动化专专 业业学 号：学生：指导教师：（职称：副教授 ）2013 年 5 月 25 日 太湖学院本科毕业设计（论文）太湖学院本科毕业设计（论文）诚诚 信信 承承 诺诺 书书本人重声明：所呈交的毕业设计（论文）液压机械手的设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致的容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 学 号： 作者：2013 年 5 月 25 日 太太湖湖学学院院

2、信信 机机系系 机机械械工工程程及及自自动动化化专专业业毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书一、题目及专题：一、题目及专题：1、题目 液压机械手的设计 2、专题二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据本课题是设计基于液压系统的机械手。液压机械手是一种模仿人体上肢部分功能，按照预定要求输送工件或者握持工具进行操作的自动化技术设备，它可以代替手的繁重劳动，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。有着广阔的发展前途。本课题通过机械手进行液压传动原理设计，实现机械手代替人力进行工作。机械工业是国民的装备部，是为国民竞技提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。机械工业的规模和技术水

3、品是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。 II / 36三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求：1、收集相关资料，分析自己完成本课题还存在哪些方面的困难。2、选定自己适合的制图软件，对选定的工具进行学习和具体实践。3、对驱动油路进行仔细的研究，了解液压驱动原理，绘制油路图。4、机械结构的分析，根据要求设计出合理轻便的机械手。5、模拟调试后对整个液压机械手进行完善。四、接受任务学生：四、接受任务学生：班班 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期：自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日六、设计（论文）指导（

4、或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名指导教师签名签名签名签名签名教教研研室室主主任任学科组组长研究所所长学科组组长研究所所长签名签名系主任系主任 签名签名2012 年年 11 月月 12 日日 III / 36摘摘 要要液压机械手是模仿人的手部动作，按照给定的程序、轨迹通过液压系统实现抓取和搬运操作的自动装置。本次设计的液压传动机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图、 。机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸，手腕回转采用

5、回转油缸，立柱的转动采用齿条油缸，机械手的升降采用升降油缸，立柱的横移采用横向移动油缸；通过控制电磁阀的开关来控制机械手进行相应的动作循环，当按下连续停止按钮后，机械手在完成一个动作循环后停止运动。本设计拟开发的上料机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。可以改善劳动条件，避免人身事故。可以减少人力，并便于有节奏的生产。关键词：机械手；液压；控制回路 IV / 36AbstractHydraulic robot mimic is the hand movements which in accordance with a given p

6、rogram, the path through the hydraulic system to achieve automatic device to capture and handling operations.The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise prehensively to plete the

7、 design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device ponent ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tank

8、s used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ；through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator plete a cycle of action to stop after t

9、he hole campaign.The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger workpieces .Can improve working conditions

10、, avoid personal accident. Can reduce manpower, and to facilitate the there are-paced the production of.Keywords： Manipulator ；Hydraulic；Control Loop V / 36目目 录录摘要 IIIABSTRACTIV目录 V1 绪论 11.1 机械手的基本概念的研究容和意义 11.1.1 机械手的基本概念 11.1.2 机械手的研究意义 11.2 机械手的发展现状及应用 11.2.1 世界机器人发展状况 11.2.2 我国工业机器人的发展 21.3 本课题达

11、到的要求 22 液压机械手主要结构的机械设计 42.1 臂力的确定 42.2 确定工作围 42.3 确定运动速度 42.4 手臂的配置形式 42.5 位置检测装置的选择 52.6 驱动与控制方式的选择 52.7 本章小结 53 手部结构 73.1 概述 73.2 设计时应考虑的几个问题 73.3 驱动力的计算 83.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析 93.5 本章小结 94 腕部的结构 114.1 概述 114.2 腕部的结构形式 114.3 手腕驱动力矩的计算 114.4 本章小结 135 臂部的结构 145.1 臂部概述 145.2 手臂直线运动机构 145.2.1 手臂伸缩运动 14

12、5.2.2 导向装置 155.2.3 手臂的升降运动 165.3 手臂回转运动 17 VI / 365.4 手臂的横向移动 175.5 臂部运动驱动力计算 175.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算 175.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算 185.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算 186 液压系统的设计 206.1 液压系统简介 206.2 液压系统的组成 206.3 机械手液压系统的控制回路 206.3.1 压力控制回路 206.3.2 速度控制回路 216.3.3 方向控制回路 216.4 机械手的液压传动系统 216.4.1 上料机械手的动作顺序 216.4.2 自动上料机械手液压

13、系统原理介绍 226.5 机械手液压系统的简单计算 246.6 双作用单杆活塞油缸 246.7 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）276.7.3 单叶片回转油缸 276.7.4 油泵的选择 286.7.5 确定油泵电动机功率 N297 结论 30致 31附录 33 1 / 361 绪论绪论1.1机械手的基本概念机械手的基本概念的研究容和意义的研究容和意义1.1.1 机械手的基本概念机械手的基本概念液压机械手，从本质上来说是属于工业机器人的围的，机器人问题是最近几十年的热门研究课题。它包括了机械工程、计算机科学、电子工程和自动控制以及人工智能等多种学科，体现了机电一体化技术的最新成就，是当代科学技

14、术发展最活跃的围之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。“机械手” （Machanical Hand）：大部分是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（我国一般称作机械手或专用机械手） 。比如自动生产线、自动机的上下给料系统，加工中心自动化装置1。1.1.2 机械手的研究意义机械手的研究意义1.可以提高生产过程的自动化程度。应用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换、以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。2.可以改善劳动条件，避免人身事故。3.可以减少人力，并便于有节奏的生产。 4.用液压系统来控制机械手，比一般的机械控制具有更

15、好的稳定性，并且控制的精确度更高。5.运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间，从而能大幅提高劳动的生产率。1.2机械手的发展现状及应用机械手的发展现状及应用机械手的迅速发展是因为它的积极作用正逐渐被人们所认可；第一，它能部分代替体力人工操作；第二，它可以按照生产工艺的要求，按照一定的程序，时间和位置来完成工作的传送和装卸；第三，它能操作必要的器具进行焊接和装配。从而改善人们的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，各先进工业国家都对此十分重视，投入大量的人力物力进行研究和应用。尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带有放射性的污染的场合应用得

16、更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视2。1.2.1 世界机器人发展状况世界机器人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。（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；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 2 / 3

17、6（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，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。（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，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。(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3。1.2.2 我国工业机器人的发展我国工业机器人的发展有人认为，应用机器人只是为了节

18、省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。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，目前已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

19、条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已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，我国已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，搞好系统化、通用化、模化

20、设计，积极推进使机器人产业链化。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，6000 米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

21、中4。1.3 本课题达到的要求本课题达到的要求本次设计的液压传动机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图。机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中， 3 / 36机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸，手腕回转采用回转油缸，立柱的转动采用齿条油缸，机械手的升降采用升降油缸，立柱的横采用横向移动油缸机械手在完成一个动作循环后停止运动。本论文容包括以下几个方面：a.对所设计的液压机械手机械部分进行阐述，并说明其原理；b.分析实现其功能应有的动作；c.对 PLC 选型，给出系统的硬件连接图

22、；d.绘制电路原理图、接线图画出设计流程图。2液压机械手主要结构的机械设计液压机械手主要结构的机械设计2.1 臂力的确定臂力的确定目前使用的机械手的臂力围较大，我国目前机器人最小臂力为 0.15N，最大为8000N。本课题设计的液压机械手的臂力为 N 臂 =1650（N） ，安全系数在 1.53，本机械手采取安全系数 2。 定位精度为 1mm。2.2 确定工作围确定工作围机械手的工作围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹需要几个动作合成，在工作围被确定的情况下，可将轨迹分解成几个单个的动作，由多个动作的行程来确定机械手的最大行程。确定本机械手的动作围如下：手臂伸长量 150m

23、m手腕回转角度115手臂回转角度115手臂升降行程 170mm手臂水平运动行程 100mm2.3 确定运动速度确定运动速度机械手各动作的最大行程确定之后，可按照生产需要来分配每个动作的工作时间，从而确定各动作的运动速度。液压机械手要完成整个工作过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩，平移等一系列的动作，这些动作都应该预订设定的时间完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复进行计算，对分配的方案进行比较，才能确定。机械手的总工作哦时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求： 给定的运动时间应大于液压元件的执行时间； 在满足工作拍节要求的

24、条件下，应尽量选取较底的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。 在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。采取相应的措施来驱动系统，来保证运转动作的同步。液压抓取机械手的各运动速度如下： 4 / 36手腕回转速度 /s40腕回V手臂伸缩速度 50mm/s臂伸v手臂回转速度 /s40臂回v手臂升降速度 50mm/sv臂伸立柱水平运动速度 50mm/sv住移手指夹紧油缸的运动速度 50mm/s夹v2.4 手臂的配置形式手臂的配置形式机械手的手臂配置形式决定了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式

25、也不尽相同。本机械手采用固定底座式。工业机器人大多采用基座式机械手，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部也可以安装行走机构，已扩大其活动围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作围较大5。2.5 位置检测装置的选择位置检测装置的选择机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。本机械手采用行程开关式。利用行程开关检测位置，精度低， ；所以一般与机械挡块联合应用。在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也

26、是最多的。2.6 驱动与控制方式的选择驱动与控制方式的选择机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。控制系统也有不同的类型。除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动6。参考工业机器人表 9-6 和表 9-7，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的 PLC 控制。总装配图如下： 5 / 36图 2.1 总装图2.7 本章小结本章小结本章主要确定了机械手的臂力围，工作围，运动速度和手臂的配置形式。确定本机械手的检

27、测装置和驱动控制方式，是系统可以正常运行。3 手部结构手部结构3.1 概述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，这里采用滑槽杠杆式。3.2

28、设计时应考虑的几个问题设计时应考虑的几个问题应具有足够的握力（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。手指间应有一定的开闭角两个手指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。应保证工件的准确定位 6 / 36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。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

29、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。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。3.3 驱动力的计算驱动力的计算1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座图 3.1 杠杆式手部受力分析如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆 3 作用下销轴 2 向上的拉力为 P，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 P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1 和 OO2 并指向 O 点，P1 和 P2 的延长线交 O1O2 于 A 及 B，由于O1OA 和O2OA 均为直角三角

30、形，故AOC=BOC=。根据销轴的力平衡条件，即 ,;0Fx21pp 0Fy12pp cos（3.1）cos2/1pp 销轴对手指的作用力为 p1。手指握紧工件时所需的力称为握力（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，并设两力的大小相等，方向相反，以 N 表示。 7 / 36由手指的力矩平衡条件，即得0)(01FmNbhp 1因为cos/ah 所以 （3.2）aNbp/)(cos22式中 a手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米） 。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， 角增大则握力 N 也随之增加，但 角过大会导致拉杆（即

31、活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取 =3040。这里取角 =30 度。这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查工业机械手设计基础7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： （3.3）/pk21kP实际式中 手部的机械效率，一般取 0.850.95；K1安全系数，一般取 1.22K2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，

32、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 ，工件重量 G 为 98 牛顿，V 型钳口的夹角为 120,=30时，拉紧油缸的驱2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（3.4）GN5 . 0把已知条件代入得当量夹紧力为)(49 NN 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式得（3.5）aNabp/)(cos22P=P 计算)(5 .12249)30(cos27/45220N P 实际=P 计算/21KK取, , 85

33、. 05 . 11k1 . 19810/100012k则 ）（实际N2381.1/0.851.5122.5p3.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析两支点回转式钳爪的定位误差的分析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（3.6）22)sin/(XabRl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, 8 / 36其最大定位误差为 =-（3.7）22)sinmax/(abRl22)sinmin/(abRl其中 l=45mm ,b=5mm ,a=27mm , ,1202mm15min R3

34、0mmRmax 代入公式计算得最大定位误差=44.2-44.7=0.50.8所以是符合要求3.5 本章小结本章小结本章阐述了液压机械手手部在设计时需要注意的问题，计算出驱动力，分析了回转式抓手的定位误差。4腕部的结构腕部的结构4.1 概述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： 结构紧凑，重量尽量轻。 转动灵活，密封性要好。 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 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部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐8。4.2 腕部的结构形式腕

35、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115.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。 9 / 36图 4.1 手的腕部结构4.3 手腕驱动力矩的计算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

36、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：（4.1）（摩偏惯驱N.mMMM式中 M 驱驱动手腕转动的驱动力矩M惯惯性力矩 （N.m） 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 （N.m） M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 （N.m）图 4.2 腕部回转力矩计算图 摩擦阻力矩 M 摩 10 / 36 （4.2）（摩mNN2D2N1D12fM式中 f轴承的摩擦系数，滚动轴承取 f=0.02，滑动轴承取 f=0.1；N1 、N2 轴承支承反力 （N） ；D1 、D2 轴承直径（m）由设计知时mD035. 01

37、mD054. 02 NN8001200NN2 NG98102. 0e（4.3）/20.0548000.0352000.1M）（摩得 ）（摩mN2.50M 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M 偏（4.4）（偏mNG1eM式中 G1工件重量（N）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，G=98N 时）（偏mN1.96M 腕部启动时的惯性阻力矩 M 惯 当知道手腕回转角速度时，可用下式计算 M 惯（4.5）（工件）（惯mNtjjM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）

38、J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kgm ）2 J 工件工件对手腕回转轴线的转动惯量 （kgm ） 2按已知计算得 J=2.5，J 工件 =6.25，=0.3m/ m ,t=22故 M 惯 = 1.3（Nm） 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：（4.6）（工件）（惯mN2jj2M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 （4.7）（摩偏惯mN)M(2 . 11 . 1MM）（）（mN6.91.31.962.51.2M4.4 本章小结本章小结本章描述了腕部结构和手腕驱动力矩的计算

39、5 臂部的结构臂部的结构5.1 臂部概述臂部概述臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转 11 / 36和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。 ；立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂

40、的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求： 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 导向性要好 为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个

41、手臂对回转轴的转动惯量。 运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施9。5.2 手臂直线运动机构手臂直线运动机构机械手手臂的伸缩、升降及横向移动均属于直线运动，而实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构10。5.2.1 手臂伸缩运动手臂伸缩运动这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。由于活塞油缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多。如下图所

42、示为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端，当双作用油缸 1 的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆 2（即手臂）作往复直线运动。导向杆 3 在导向套 4 移动，以防止手臂伸缩时的转动（并兼做手腕回转缸 6 及手部 7 的夹紧油缸用的输油管道） 。由于手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。可用于抓重大、行程较长的场合。 12 / 36图 5.1 双导向杆手臂的伸缩结构5.2.2 导向装置导向装置液压驱动的机械手手臂在进行伸缩（或升降）运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确

43、方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向装置。它根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆和其他的导向装置，本机械手采用的是双导向杆导向机构。双导向杆配置在手臂伸缩油缸两侧，并兼做手部和手腕油路的管道。对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如图 5.1 所示，对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设

44、辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如图 5.2 所示，在导向杆 1 的尾端用支承架 4 将两个导向杆连接起来，支承架的两侧安装两个滚动轴承 2，当导向杆随同伸缩缸的活塞杆一起移动时，支承架上的滚动轴承就在支承板 3 的支承面上滚动。 13 / 361 导向杆 2 滚动轴承 3 支承板 4 支承架图 5.2 双导向杆手臂结构5.2.3 手臂的升降运动手臂的升降运动如图 5.3 手臂的升降运动机构。当升降缸上下两腔通压力油时，活塞杠 4 做上下运动，活塞缸体 2 固定在旋转轴上。由活塞杆带动套筒 3 做升降运动。其导向作用靠立柱的平键 8 实现。图中 6 为位置检测装置。 14 / 36图 5.3

45、升降和回转机构图5.3 手臂回转运动手臂回转运动实现手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。本机械手采用齿条缸式臂回转机构，如图 7 所示，回转运动由齿条活塞杆 7 驱动齿轮，带动配油轴和缸体一起转动，再通过缸体上的平键 8 带动外套一起转动实现手臂的回转。5.4 手臂的横向移动手臂的横向移动如图 5.4 手臂的横向移动机构。手臂的横向移动是由活塞缸 5 来驱动的，回转缸体与滑台 1 用螺钉联结，活塞杆 4 通过两块连接板 3 用螺钉固定在滑座 2 上。当活塞缸 5 通压力油时，其缸体就带动滑台 1，沿着燕尾形滑座 2 做横向往复运动。 15

46、 / 36 图 5.4 臂横向移动机构5.5 臂部运动驱动力计算臂部运动驱动力计算计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，要把臂部所受的全部负荷考虑进去。机械手工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等11。5.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算臂水平伸缩运动驱动力的计算手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。其驱动力 Pq 可按下式计算： （5.1）（NFmg Fpq式中 Fm各支承处的摩擦阻力；Fg启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算： （5.2）式中 W 手臂伸缩部件的总重量 （N） ；）（

47、NagWFgg 重力加速度（9.8m/s）;2a 启动过程中的平均加速度（m/s），2 而 （5.3）)/(2smtvav 速度变化量。如果手臂从静止状态加速到工作速度 V 时，则这个过程的速度变化量就等于手臂的工作速度； 16 / 36t 启动过程中所用的时间，一般为 0.010.5s。当 Fm=80N,W=1098（N） ，V = 500mm/s 时，)(192112805 . 05 . 0*8 . 9109880NPq5.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算臂垂直升降运动驱动力的计算手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力 Fm 和惯性力 Fg 之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力 Pq

48、可按下式计算： （5.4）)(NWFFmpgq式中 Fm各支承处的摩擦力（N） ； Fg启动时惯性力（N）可按臂伸缩运动时的情况计算； W臂部运动部件的总重量（N） ； 上升时为正，下降时为负。当 Fm=40N，Fg=100N，W =1098N 时)(1238109810040NPq5.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算臂部回转运动驱动力矩的计算臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于启动过程一般不是等加速度运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些，一般取平均值的 1.3 倍。故驱动力矩 Mq 可按下式计算： （5.5）)(3 . 1mNMgMmMq

49、式中 Mm各支承处的总摩擦力矩； Mg启动时惯性力矩，一般按下式计算： （5.6）式中 J手臂部件对其回转轴线)m(NtjMg的转动惯量（kgm ）;2回转手臂的工作角速度（rad/s）;t回转臂启动时间（s）当 Mm=84(Nm)，)(322 . 08 . 08mNMg （5.7）)m(8 .1501163 . 1NMq对于活塞、导向套筒和油缸等的转动惯量都要做详细计算，因为这些零件的重量较大或回转半径较大，对总的计算结果影响也较大，对于小零件则可作为质点计算其转动惯量，对其质心转动惯量忽略不计。对于形状复杂的零件，可划分为几个简单的零件分别进行计算，其中有的部分可当作质点计算。可以参考工业

50、机器人12表 4-1。6 液压系统的设计液压系统的设计6.1液压系统简介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 17 / 36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

51、的液压传动系统都属于容积式液压传动12。6.2液压系统的组成液压系统的组成液压传动系统主要由以下几个部分组成： 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。 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） 。 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。146.3机械手液压系统的控制回路机械手液压系统的控制回路机械手

52、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。6.3.1 压力控制回路压力控制回路 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。 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。 减压回路 为了是机械

53、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。 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。 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

54、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13。 18 / 366.3.2 速度控制回路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15。根据各油泵的运动速度要求，可分别采用 LI 型单向

55、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。6.3.3 方向控制回路方向控制回路在机械手液压系统中，为控制各油缸、

56、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13。6.4 机械手的液压传动系统机械手的液

57、压传动系统液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要容之一。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14。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。6.4.1 上料机械手的动作顺序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 手指开 手指夹料 手臂上升

58、 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） 19 / 36 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

59、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。6.4.2 自动上料机械手液压系统原理介绍自动上料机械手液压系统原理介绍图 6.1 械手液压系统图液压系统原理如图 6.1 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5调节为 30*10 帕，油箱容积选为 250 升。手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时两个油泵同5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、

60、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