液压控制的翻转机械手的设计

液压控制的翻转机械手的设计摘要：在现代生产过程中，液压控制的翻转机械手被广泛地运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了液压控制的翻转机械手的发展，使得机械手能更好地实现机械化与自动化的有机结合。本设计主要针对生产线上的自动化设计了一个四自由度的翻转机械手，实现了生产的自动化。因此，在自动化机床的综合加工线上，使用机械手可以减少人力的使用和更准确地控制生产的节拍，同时提高生产的安全性。该机械手采用了液压驱动，实现了夹紧、翻转和展开等动作，该设计能够提高劳动生产率，从而提高经济和社会效益。关键词：翻转；机械手；液压驱动

TheDesignofTurningManipulatorBasedonHydraulicControlAbstract:Inmanufacturingprocessofmodernindustry，\o"点击获取释义"flip\o"点击获取释义"manipulator\o"点击获取释义"hydraulic\o"点击获取释义"controlis\o"点击获取释义"widely\o"点击获取释义"usedin\o"点击获取释义"automatic\o"点击获取释义"production\o"点击获取释义"line,\o"点击获取释义"development\o"点击获取释义"and\o"点击获取释义"productionof\o"点击获取释义"manipulator\o"点击获取释义"has\o"点击获取释义"become\o"点击获取释义"oneof\o"点击获取释义"the\o"点击获取释义"burgeoning\o"点击获取释义"high-\o"点击获取释义"tech\o"点击获取释义"areasof\o"点击获取释义"emerging\o"点击获取释义"technologies,\o"点击获取释义"which\o"点击获取释义"promoted\o"点击获取释义"the\o"点击获取释义"developmentof\o"点击获取释义"flip\o"点击获取释义"manipulator\o"点击获取释义"hydraulic\o"点击获取释义"control,\o"点击获取释义"allow\o"点击获取释义"manipulatorsto\o"点击获取释义"better\o"点击获取释义"achieve\o"点击获取释义"the\o"点击获取释义"combinationof\o"点击获取释义"mechanization\o"点击获取释义"and\o"点击获取释义"automation.\o"点击获取释义"This\o"点击获取释义"designis\o"点击获取释义"intended\o"点击获取释义"primarily\o"点击获取释义"for\o"点击获取释义"production\o"点击获取释义"line\o"点击获取释义"automationof\o"点击获取释义"flip\o"点击获取释义"designeda\o"点击获取释义"four-\o"点击获取释义"DOF\o"点击获取释义"manipulator,\o"点击获取释义"enabling\o"点击获取释义"automationof\o"点击获取释义"production.Therefore,onthetransferlineforprocessingintheintegratedautomationofmachinetool,usingthemanipulatorcanuselesshumanandmoreaccuratecontrolovertheproductionofbeat.\o"点击获取释义"The\o"点击获取释义"robot\o"点击获取释义"usesa\o"点击获取释义"hydraulic\o"点击获取释义"drive,\o"点击获取释义"implements\o"点击获取释义"actions\o"点击获取释义"suchas\o"点击获取释义"clamp,\o"点击获取释义"flip,\o"点击获取释义"and\o"点击获取释义"expand,\o"点击获取释义"this\o"点击获取释义"design\o"点击获取释义"can\o"点击获取释义"increase\o"点击获取释义"the\o"点击获取释义"productivity,Toenhancetheeconomicandsocialbenefits.Keywords:flipping;manipulator;hydraulicdrive

目录TOC\o"1-3"\u摘要 1关键词 11前言 22机器人的发展 32.1世界机器人的发展 32.2我国机器人的发展 43机械手的设计方案 43.1机械手的组成 43.2规格参数 53.3设计路线与方案 53.3.1设计步骤 53.3.2研究方法和措施 64整体的结构设计分析 65机械手的设计 65.1主要技术参数 65.2手爪的设计 65.2.1概述 65.2.2设计时应考虑的几个问题 75.2.3驱动力的计算 75.3腕部的结构 95.3.1概述 95.3.2腕部的结构形式 105.3.3手腕驱动力矩的计算 105.4臂部的结构 135.4.1概述 135.4.2导向装置 135.4.3平衡装置 145.4.4臂部回转运动驱动力矩的计算 145.5旋转腰座的结构设计 145.5.1尺寸设计 155.5.2尺寸校核 155.5.3驱动力矩的计算 166轴承的设计 166.1轴承的选择 166.2轴承的计算 166.3轴承的校核 177回转轴的设计 177.1回转轴的结构设计 177.2回转轴的载荷计算 178液压系统的设计 188.1液压系统的组成 188.2机械手液压系统的控制回路 198.2.1压力控制回路 198.2.2速度控制回路 208.2.3方向控制回路 218.3机械手的液压传动系统 218.4液压系统的计算 218.4.1双作用单杆活塞油缸 218.4.2无杆活塞油缸 238.4.3单叶片回转油缸 248.4.4油泵的选择 258.4.5油泵电动机的选择 268.4.6液压阀的选择 268.4.7油管的选择 268.4.8油箱容积的选择 278.4.9滤油器的选择 279结论 27参考文献 28致谢 291前言几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯（Taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。液压控制的翻转机械手是加工自动线上物料翻转的关键设备，翻转机械手的设计具有现实的工程意义。液压控制的翻转机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，液压控制的翻转机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了液压控制的翻转机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。液压控制的翻转机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，液压控制的翻转机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。在机械工业中，液压控制的翻转机械手的意义可以概括如下：a.以提高生产过程中的自动化程度机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。b.以改善劳动条件，避免人身事故

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

c.可以减轻人力，并便于有节奏的生产

机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，使用机械手可以减少人力的使用和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏的进行生产工作。2机器人的发展2.1世界机器人的发展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，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。(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。2.2我国机器人的发展有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，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，搞好系列化、通用化、模化设计，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，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中[1]。3机械手的设计方案3.1机械手的组成工业机械手是由机座、执行机构和驱动机构所组成，执行机构包括抓取部分（手部）、腕部和臂部等运动部件所组成。1.手部：直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。传动机构形式多样，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。2.腕部：是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。3.臂部：手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件[2]，并按预定要求将其搬运到给定位置。驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。机座：它是整个工业机械手的基础。3.2规格参数工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：1.抓重（又称臂力）：额定抓取重量或称额定负荷，单位为公斤；2.自由度数目和坐标形式：整机，手臂和手腕等运动共有几个自由度；3.定位方式：固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其他各种位置设定和检测装置；4.驱动方式：气动，液动，电动和机械式四种形式；5.手臂运动参数；6.手腕运动参数；7.手指夹持范围和握力；8.定位精度：位置设定精度和重复定位精度；9.轮廓尺寸：长×宽×高（毫米）；10.重量：整机重量。3.3设计路线与方案3.3.1设计步骤1.查阅相关资料；2.确定研究技术路线与方案构思；3.结构和运动学分析；4.根据所给技术参数进行计算；5.按所给规格，范围，性能进行分析，强度和运动学校核；6.绘制工作装配图草图；7.绘制总图及零件图等；8.总结问题进行分析和解决[3]。3.3.2研究方法和措施使用现在机械设计方法和液压传动技术进行设计，采用关节式坐标（四个自由度，可以绕X、Y、Z轴转动和X轴移动）。4整体的结构设计分析由以上的分析，即机械手的动作是：夹紧→手腕回转90度→手臂仰俯90→机座回转90度→展开。其中，手抓的动作是夹紧和展开。为了实现这些动作，手抓采用一个液压缸；手腕采用一个摆动马达；臂部用一个摆动马达，机座用一个摆动马达。其中，手抓和手腕采用联轴器联接，手腕跟臂部用螺钉和螺母联接。机械手采用液压系统。液压伺服系统响应快，控制性好，在性能优良的机械手上得到了广泛的应用。油泵采用CB—32外啮合齿轮泵，溢流阀调整压力为50公斤力/平方厘米，油箱内的液压油经过油泵升高压力，进入伺服阀的液压油高度清洁[4]，压力油经过电液伺服阀进入相应的液压油缸，推动执行部分动作。为了保证液压系统可靠地工作，初次安装时必须将各油缸和管道仔细清洗和冲洗，油箱要密封，加入的液压要经过过滤。在液压系统中还装有水冷却器，以控制油温不超过50℃。机械手的设计5.1主要技术参数根据工作环境和生产状况，提出设计参数，主要技术参数：自由度数：N=4（2）抓取重量：P=mg=50×9.8=490N（3）手臂俯仰：β=±45°ωβ=10°/s（4）左右回转：γ=90°ωγ=10°/s（5）手腕回转：ε=90°ωε=10°/s（6）定位精度：±4mm（7）臂，腕运动：点位（电液伺服机构）（8）驱动方式：液压[5]5.2手爪的设计5.2.1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。在手爪的内侧没有槽口，用螺钉将弹性材料装在槽口中形成弹性机械手，弹性材料的一端用螺钉固定，另一端可以自由运动。当手爪加紧零件时，弹性材料便发生变形并与零件外轮廓紧密接触。夹紧力与弹性材料的强度有关，改变其弹性强度即可调节夹紧力。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[6]。5.2.2设计时应考虑的几个问题=1\*GB3①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。=2\*GB3②手指间应有一定的开闭角两个手指张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来考虑手指的开闭角。=3\*GB3③应保证工件的准确定位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[7]。=4\*GB3④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。=5\*GB3⑤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[8]。驱动力的计算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△O1OC和△O2OC均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根据销轴的力平衡条件，即1.手指2.销轴3.拉杆4.指座1.Finger2.Pin3.Lever4Means图1滑槽杠杆式手部受力分析Fig1Theforceanalysisofchuteleveragedhand∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0P=2P1cosα（1）即P1=P/2cosα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内[9]，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即∑S×F=0得P1′h=Nb（2）因h=a/cosα所以P=2b(cosα)N/a式中a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。α——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，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）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α=30°~40°。这里取角α=30度[10]。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》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：P实际=PK1K2/η式中η——手部的机械效率，一般取0.85~0.95；K1——安全系数，一般取1.2~2K2——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，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490牛顿，V型钳口的夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸的驱动力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N=0.5G把已知条件代入得当量夹紧力为N=245（N）由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式[11]P=2b(cosα)N/a得P=P计算=2×45(cos30°)×245/27=122.5(N)P实际=P计算K1K2/η（3）取η=0.85,K1=1.5,K2=1+1000/9810≈1.1则P实际=122.5×1.5×1.1/0.85=238(N)5.3腕部的结构5.3.1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和手部、臂部的连接各个自由度的位置检测、管线的布置腕部的润滑、维修、调整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内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。5.3.2腕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±45°手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转液压缸。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格的密封。手腕是操作机的小臂(上臂)和末端执行器(手爪)之间的连接部件。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端行器的姿态。故手腕也称作机器人的姿态机构。对一般商用机器人，末杆(即与末端执行器相联结的杆)都有独立的自转功能，若该杆再能在空间取任意方位，那么与之相联的末端执行器就可在空间去任意姿态，即达到完全灵活的境地[12]。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。5.3.3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和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：M驱=M惯+M偏+M摩（N.m）（4）式中M驱——驱动手腕转动的驱动力矩图2机械手的腕部结构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）=1\*GB2⑴摩擦阻力矩M摩M摩=f（N1D1+N2D2）/2（N.m）（5）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[13]；N1、N2——轴承支承反力（N）；D1、D2——轴承直径（m）由设计知D1=0.035mD2=0.054mN1=800NN2=200NG1=98Ne=0.020时M摩=0.1×（200×0.035+800×0.054）/2得M摩=2.50（N.m）图3腕部回转力矩计算图=2\*GB2⑵工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏M偏=G1e（N.m）（6）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，G1=98N时M偏=1.96（N·m）=3\*GB2⑶腕部启动时的惯性阻力矩M惯①当知道手腕回转角速度时，可用下式计算M惯M惯=（J+J工件）（N·m）（7）式中——手腕回转角速度（rad/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）J——手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kg·m）J工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量（kg·m）按已知计算得J=2.5，J工件=6.25，=0.3m/m,t=2故M惯=1.3（N·m）=2\*GB3②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：M惯=（J+J工件）（N·m）（8）式中——启动过程所转过的角度（rad）;——手腕回转角速度（rad/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M=1.1∽1.2（M惯+M偏+M摩）（N.m）M=1.2×（2.5+1.96+1.3）=6.9（N.m）5.4臂部的结构5.4.1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、工作范围、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、内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：=1\*GB3①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。=2\*GB3②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。=3\*GB3③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手臂对回转轴的转动惯量。=4\*GB3④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。5.4.2导向装置液压驱动的机械手臂在进行翻转运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。5.4.3平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩液压缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和液压缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。5.4.4臂部回转运动驱动力矩的计算臂部翻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：Mq=1.3(Mm+Mg)(N·m)（9）式中Mm——各支承处的总摩擦力矩，可以忽略不计；Mg——启动时惯性力矩，一般按下式计算：Mg=J(N·m)（10）式中J——手臂部件对其回转轴线的转动惯量（kg·m）[14];——回转手臂的工作角速度（rad/s）;△t——回转臂启动时间（s）J=J水平臂部+J垂平臂部+J旋转缸查表，由公式（9）、（10）得：J=J水平臂部+J垂平臂部+J旋转缸===25.36=查第四卷表17-5-98选取YMD500摆动液压缸5.5旋转腰座的结构设计设计时要有足够的刚度和稳定性，运动要灵活，结构布置要合理，便于装卸。采用推力调心滚子轴承的腰座支撑结构。由摆动液压马达输出低速的回转运动带动与之相关联的腰座回转壳体实现手臂的回转运动。5.5.1尺寸设计液压缸长度设计为,液压缸内径为,半径R=105mm,轴径半径,液压缸运行角速度=，加速度时间0.5s,压强,则力矩：5.5.2尺寸校核测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：（）考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数,总驱动力矩：设计尺寸满足使用要求[15]。5.5.3驱动力矩的计算查表，由公式（9）、（10）得：J=J水平臂部+J垂平臂部+J旋转缸===42.84=查手册第四卷表17-5-98选取YMD1000摆动液压马达轴承的设计6.1轴承的选择轴承所受的载荷以轴向载荷为主，并且由于整体结构的原因，可能会引起轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差，因此考虑用推力调心滚子轴承，它允许轴圈对座圈轴线偏斜量—推力调心滚子轴承（290000型）6.2轴承的计算已知载荷转速为，翻转（11）取预期计算寿命（N）（12）对于滚子轴承，，则由公式（12）得（N）取温度系数（轴承工作温度），则载荷性质为无冲击或轻微冲击，则可取载荷系数故实际的当量动载荷P==1733.631.1=1906.99N6.3轴承的校核轴承的寿命计算公式如下：（13）式中：—轴承的额定寿命（h）P—当量动负荷，P=2288.4Nε—寿命指数，对滚子轴承，ε=10/3C—额定动负荷（N）[16]其中P（N）（14）——寿命系数，查表2-3-2，得=4（滚子轴承，=50000h;——速度系数，查表2-3-3，得=1.27();——温度系数，查表2-3-4，得=1（工作温度）——负载系数，查表2-3-5，得=1.1（无冲击或轻微冲击）则由公式（14）所以由公式（13）故所选轴承满足寿命要求。回转轴的设计7.1回转轴的结构设计先初步估算轴的最小直径，选取轴的材料为45钢，调质处理，取，则（15）输出轴的最小直径是安装在联轴器处轴的直径（Ⅰ—Ⅱ）取50mm，右端制出一轴阶，Ⅱ—Ⅲ段直径为60mm，Ⅲ—Ⅳ段轴径在轴承的计算里求出为80mm。7.2回转轴的载荷计算首先根据轴的机构图作出轴的计算简图，确定轴承的支点位置，根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩图和扭矩图中可以看出Ⅲ—Ⅳ段是轴的危险截面，现将计算出的截面处的值列于下表。表1轴的受力分析载荷水平面垂直面支反力F弯矩M总弯矩扭矩TT=166845进行校核时，通常只校核轴上最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C）的强度，根据以上数值，并取α=0.6，轴的计算应力（16）已选定轴的材料为45钢，调质处理，查得=即故安全。图4轴的载荷分析图液压系统的设计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，机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。8.1液压系统的组成液压传动系统主要由以下几个部分组成：=1\*GB3①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。=2\*GB3②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）。=3\*GB3③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。8.2机械手液压系统的控制回路机械手的液压系统，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。8.2.1压力控制回路=1\*GB3①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。=2\*GB3②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的的卸荷回路。=3\*GB3③减压回路为了使机械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。=4\*GB3④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。=5\*GB3⑤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，单向阀把系统的油液和油泵隔断，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。8.2.2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。根据各油泵的运动速度要求，可分别采用LI型单向节流阀、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、调速范围较大、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。8.2.3方向控制回路在机械手液压系统中，为控制各油缸、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。8.3机械手的液压传动系统液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要内容之一。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。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[17]。8.4液压系统的计算计算的主要内容是，根据执行机构所要求的输出力和运动速度，确定油缸的结构尺寸和所需流量、确定液压系统所需的油压与总的流量，以选择油泵的规格和选择油泵电动机的功率。确定各个控制阀的通流量和压力以及辅助装置的某些参数等。在本机械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往复直线运动）和回转式油缸（可以使输出轴得到小于360°的往复回转运动）及无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）。8.4.1双作用单杆活塞油缸=1\*GB3①流量、驱动力的计算当压力油输入无杆腔，使活塞以速度V1运动时所需输入油缸的流量Q1为Q1=DV1（17）对于手臂伸缩油缸：Q1=0.98cm/s，对于手指夹紧油缸：Q1=1.02cm/s,对于手臂升降油缸：Q1=0.83cm/s双作用单杠油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P1即油缸的驱动力为：P1=Dp1（18）对于手指夹紧油缸：p1=126N当压力油输入有杆腔，使活塞以速度V2运动时所需输入油缸的流量Q2为：Q2=（D-d）V2（19）图5双作用单杆活塞杆油缸计算简图对于手指夹紧油缸：Q1=0.96cm/s油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P2即油缸的驱动力为：P2=（D-d）p1（20）=2\*GB3②确定油缸的结构尺寸=1\*GB4㈠油缸内径的计算油缸工作时，作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即P=P1（无杆腔）=P2（有杆腔）油缸（即活塞）的直径可由下式计算=cm（无杆腔）对于手指夹紧油缸：D=30mm或cm（有杆腔）=2\*GB4㈡油缸壁厚的计算：依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算：=cm（21）P计为计算压力油缸材料的许用应力。对于手指夹紧油缸：=17mm=3\*GB4㈢活塞杆的计算可按强度条件决定活塞直径d。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，即（22）即d≧cm对于手指夹紧油缸：d=15mm8.4.2无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）图6齿条活塞缸计算简图=1\*GB3①流量、驱动力的计算（23）当D=103mm,d=40mm,=0.95rad/s时Q=952N=2\*GB3②油缸内径的计算根据作用在齿条活塞上的合成液压力即驱动力与总机械载荷的平衡条件，求得cm即D=45mm图7回转油缸计算简图8.4.3单叶片回转油缸在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸，简称回转油缸，其计算简图如下：=1\*GB3①流量、驱动力矩的计算当压力油输入回转油缸，使动片以角速度运动时，需要输入回转油缸的流量Q为：（24）当D=100mm,d=35mm,b=35mm,=0.95rad/s时Q=0.02m/s回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M：M=得M=0.8(N·m)=2\*GB3②作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩MM=M工+M封+M惯+M回其中M工为工作阻力矩M封—密封装置处的摩擦阻力矩M惯—参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩M回—回转油缸回油腔的背反力矩M=2.3+0.85+1.22+1.08=5.45(N·m)=3\*GB3③回转油缸内径的计算回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得：D=mm（25）D=30mm8.4.4油泵的选择一般的机械手的液压系统，大多采用定量油泵，油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工作压力p泵和最大流量Q泵来确定。=1\*GB2⑴确定油泵的工作压力p泵p泵p+△p（26）式中p——油缸的最大工作油压△p——压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元件的局部损失和管道的沿程损失。它的准确计算要根据待定元件选定，并绘出管路图才能进行，取△p=（0.5-1.5）MPa，本系统因为管路不是很复杂，但在进油口和出油口接有调速阀所以取△p=1.0MPa即p泵p+△p=2.33+1.0=3.33MPa=2\*GB2⑵确定油泵的Q泵油泵的流量，应根据系统各个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量Q最大，并考虑系统的总泄漏来确定,对于在工作过程中有用节流调速阀的系统，还必须加上溢流阀的最小压力，即3L/min，故Q最大=36.5+3=39.5Q泵=KQ最大其中K一般取1.10—1.25Q泵=1.2x39.5=47.52L/min根据流量和压力，可选取CB—32外啮合齿轮泵。此泵的参数为：Q=60L/minP=10MPa转速为1500—2000转/分8.4.5油泵电动机的选择油泵的最大工作压力为P=2.33MPa压力损失为ΔP=0.5MPa所以有：P=2.33+0.5=2.83MPa取外啮合齿轮泵的总效率η=0.8则（27）以现有功率查手册，确定选用防护式笼型感应电动机Y(IP34)J2，功率为7.5kw。8.4.6液压阀的选择阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过该阀的流量，选择有定型产品的阀件，溢流阀按液压泵的最大流量选取，选择调速阀时，要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求。控制阀的流量一般要选的比实际流量大些，必要时也允许有20%以内的短时间过流量。主要根据阀的工作压力和流量来确定，本系统工作压力较小，但流量中等，所以要选低压中等流量阀。8.4.7油管的选择油管的规格按元件接口处尺寸决定，液压缸进出油管则按输入、排出的最大流量计算，根据内径公式（28）油管中的流速取5m/min，由公式（28）得:无杆腔：有杆腔：按JB327—66可得，选用内径15mm，外径22mm的无缝钢管。摆动缸回路油管计算，由公式（28）得:查机械手册按JB327—66可得，选用内径15mm，外径22mm的无缝钢管。8.4.8油箱容积的选择确定油箱容积的公式：（29）泵的流量=47.52L/min取α=4，则由公式（29）得按GB2876—81规定，取标准值V=250L8.4.9滤油器的选择在考虑选择滤油器的时候，应该从以下几个方面进行考虑：(1)具有足够大的容油能力，压力损失小；(2)过滤精度应满足设计要求；(3)虑芯有足够的强度；(4)虑芯的抗腐蚀性好，能在规定的温度下长期稳定工作；(5)虑芯的更换、清洗和维护方便。综合以上原则，本系统采用网式滤油器，网上滤油器一般属于粗滤油器，一般安装在液压泵的吸油油路上，以此保护油泵。网式滤油器具有机构简单，通油能力大，阻力小，易清洗等优点。考虑滤油器通油能力的时候，一般应大于2倍实际流量，因此本系统中采用的滤油器型号为—WU-100x180.9结论此次我做的毕业设计是机械手的设计，通过一个多月努力，设计终于完成，感觉很充实。这次设计给了我们一个很好的机会，使我们了解了设计工作的基本流程和设计的方法以及理念。在此次的毕业设计中，我遇到了许多以前从未遇到过的问题，但过通过周教师的指导和我的努力，这些问题都得到了较好的解决。虽然我们设计的只是个简单的机械手，但需要完成伸缩、升降、回转等功能，对应分别要对这些机构进行设计和计算，以及对油路及其部件的选择、控制回路的设计。通过这些机设计，使理论知识与实际相结合，巩固和深化了所学过的专业理论知识。在设计的过程中我不断探索、不断学习和修改。自学了许多相关学科的内容，求教了多位专业老师，上网和在图书馆查阅大量相关资料。由于时间仓促，对于本次机械手的设计还存在许多不足，许多地方都还有待改进和提高，希望各位专家评审多多批评指教。参考文献[1]刘延俊.液压与气压传动.机械工业出版社，2002：59-108.[2]孙志礼.机械设计[M].东北大学出版社，2003：36-104.[3]徐灏.机械设计手册[M]第5卷.机械工业出版社，1992：12-158.[4]吴宗泽.机械设计师手册[M].机械工业出版社，2002：55-188.[5]成大先.机械设计图册[M].化学工业出版社，2002：39-178.[6]罗洪量.机械原理课程设计指导书[M]第二版.高等教育出版社，1986：49-208.[7]JJ.杰克（美.机械与机构的设计原理[M]（第一版.机械工业出版社，1985：59-198.[8]王玉新.机构创新设计方法学[M]第一版.天津大学出版社，1996：50-88.[9]张建民.工业机器人[B][M].北京理工大学出版社，1992：50-138.[10]马香峰.机器人结构学[B][M].机械工业出版社，1991：57-101.[11][俄]IO.M.索罗门采夫.工业机器人图册[B][M].机械工业出版社，1993：19-158.[12]黄继昌.实用机械机构图册[B][M].人民邮电出版社，1996：8-138.[13]大连理工大学工程画教研室.机械制图[M].高等教育出版社，2003：19-178.[14]TheNumerialControlEngineBedTrasforms，1970.[15]W.P.Wang.Solidmodelingforoptimizingmetalremovalofthree-dimensionalNCendmilling,J.Manuf.Syst，1988.[16]乔东凯

黄崇林.移动式工业机器人设计的动力学分析[J].茂名学院学报，2003：57-88.[17]王田苗.