液压传动机械手的设计

液压传动机械手的设计摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的 自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工 业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前， 工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工 作方式一般采取示教再现的方式。通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，对工业机械 手各部分机械结构和功能的了解和分析，设计了此液压传动机械手。重点针对机械手的手 部、腕部、臀部等各部分机械结构以及液压系统进行了详细的设计计算。具体进行了机械 手的总体设计，腰座结构的设计，机械手手臂结构的设计，机械手腕部的结构设计，末端 执行器（手爪）的结构设计，机械手的机械传动机构的设计，机械手驱动系统的设计。同 时对液压系统进行了理论分析和计算。本设计虚拟开发的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。关键词：机械手；手部；腕部；臀部；液压系统；The design of the hydraulic manipulatorAbstractIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.Integrate the knowledge of the past four years of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of cylinderical coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end effector and the control system etc. including Total design, waists construction design, the arms construction design, the wrists construction design, the end effectors construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system.Keywords Manipulator 、Hand、Wrist 、Buttock 、Hydraulic system1 绪 论1.1 工业机器人简介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。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自 动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、 易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加 工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛 的引用。1.2 工业机械手的分类现在对工业机械手的分类尚无明确标准，一般都从规格和性能两方面来分类。按规格（所搬运工 件的重量）分类：（1）.微型的搬运重量在 1 公斤以下：（2）.小型的搬运重量在 10 公斤以下：（3）.中型的搬运重量在 50 公斤以下：（4）.大型的搬运重量在 50 公斤以上。目前大多数工业机械手能搬运的重量为130公斤。最小的为0.5公斤，最大的已达到800公斤。 按功能分类：（1）.简易型工业机械手 有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓和挡块转鼓控制：可变程序可插销板或顺序转动控制来给定程序。这种机械手多为气动或液动，结构简单，改变程序比较容易。只使用在程序较简单的点位控制， 但作为一般单机服务的搬运作业已足够。所以，目前这种工业机械手数量最多。（2）.记忆再现型工业机械手 这种工业机械手由人工通过实验装置传动一遍，由磁带（或磁鼓）把程序记录下来，此机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这也是采用较多的一种，多为电液伺服驱动。与前者比较有较多的自由度，能进行程序较复杂的 作业，通用性较广。（3）.计算机数字控制的工业机械手可通过更换穿孔带或其他记忆介质来改变工业机械手的动作，还可以进行多种控制（DNC）。技术 还可以是可编程序控制或普通的微机计算机。（4）.智能工业机械手（机器人） 由电子计算机控制，通过各种传感元件等具有视觉、热感、触觉、行走机构等。按用途分：（1）.专用机械手附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，这种工业机械工作对象不变，手动 比较简单，结构简单，使用可靠，施用于大批量生产自动线或专机作为自动上、下料用。（2）.通用机 械手具有独立控制系统，程序可变、动作灵敏、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大， 定位精度高，通用性强，使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。1.3 机器人的发展1.3.1 国外机器人发展近几个趋势（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；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。1.3.2 我国机器人的发展现状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。1.4 我所设计的机械手1.4.1 臂力及运动速度的确定目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N,最大为8000N。本液压机械手的臂力为N臂=1650（N），安全系数K 一般可在1.53,本机械手取安全系数K=2。定位精度为土 1mm。液压上料机械手的各运动速度如下手臂伸缩速度V 臂伸二 55 mm/s手臂回转速度V臂回= 45/s手臂升降速度V臂升= 50 mm/s立柱水平运动速度V柱移= 50 mm/s手指夹紧油缸的运动速度V夹= 50 mm/s1.4.2 手臂的形式机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同，手臂 的配置形式也不尽相同。本机械手采用机座式。机座式结构多为工业机器人所采用，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，已扩大其活动范围，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，工作范围较大。1.4.3 控制方式及驱动方式机械手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.本设计因臂力大，所以采用液 压驱动的方式。液压传动机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为 方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的 稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械 手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。液压技术有以下优点:（1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速；（3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的 转换；（4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制；(5) .由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长;(6) .操纵控制简便，自动化程度高；(7) .容易实现过载保护。2手部结构的设计计算2.1简述手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我 们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构 件，常用的手指运动形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 型应用较少，其原因是结构比较复杂，但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。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传 力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式 和重力式等。本课题采用滑槽杠杆式。2.2驱动力的计算1.手指2.销轴3.拉杆4.指座图1滑槽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0点，两手 指1的滑槽对销轴的反作用力为Pl、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12于A及B，由于 1A和 O2OA均为直角三角形，故ZAOC= ZBOC=a。根据销轴的力平衡条件，即YFx=0,Pl=P2Fy=0P=2PlcosaPl=P/2cosa销轴对手指的作用力为pl。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，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m01（F）=0得Plh=Nb因h=a/cosa所以P=2b（cosa） 2 N/a式中a手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。a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，a角增大则握力N也随之增加，但a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a=3040o这里取角a=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=PKiK2/n式中n手部的机械效率，一般取0.850.95；安全系数，一般取1.22K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2,工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120,a=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=49(N)由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式P=2b(cosa)2 N/a 得P=P 计算=2*45/27(cos30。)2 *49=122.5(N)P实际=P计算KlK2/n取n=0-85, 0=1.5, K2=l+1000/9810M.1则P 实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)3 腕部的结构设计计算3.1 简述手腕部件置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间 的方位，以扩大机械手的动作范围，适应性更强。手腕具有独立的自由度，此设计手腕有绕X轴转动和 沿X轴左右摆动两个自由度。手腕回转运动机构为回转油缸，摆动也采用回转油缸。他的结构紧凑，灵 活，自由度符合设计要求，它要求严格密封才能保证稳定的输出转矩。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.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。*图3机械手的腕部结构3.3腕部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）式中M驱驱动手腕转动的驱动力矩M惯惯性力矩 （N.m）惯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 偏产生的偏重力矩（N.m）M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩（N.m）摩擦阻力矩M摩fM 摩=于（N1D1+N2D2）（N.m）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）Di、D2轴承直径（m）由设计知 D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200NG1=98N e=0.020时M 摩 =0.i*（ 200*0.035+800*0.054） /2得M 摩 =2.50（ N.m） 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M 偏M 偏 =Gi e （N.m）式中Gi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，Gi=98N 时M 偏=1.96（Nm）腕部启动时的惯性阻力矩M惯 当知道手腕回转角速度e时，可用下式计算M惯M惯=（J+J工件）一 （Nm）式中 e 手腕回转角速度 （i/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（kgm2）J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量（kgm2）按已知计算得 J=2.5, J 工件=6.25, e =0.3m/m2,t=2故M惯=1.3 （Nm）当知道启动过程所转过的角度申时，也可以用下面的公式计算M惯：M惯=（j+j工件）、2甲(Nm)式中 申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)4 臂部的结构设计计算4.1 简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： 刚度要大 导向性要好 偏重力矩要小 运动要平稳、定位精度要高4.2 手臂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。4.2.1 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内移动，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。图4双导向杆手臂的伸缩结构4.2.2导向机构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 设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如图4.3.2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。： -ILW 24M4翩图5双导向杆手臂结构4.2.3手臂的升降运动如图6所示为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9实现。图中6为位 置检测装置。图6手臂升降和回转机构图4.3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6所示，回转运动由齿条活塞杆8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9带动外套一起转动实现手臂的回转。4.4手臂的横向移动如图7所示为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。B-B踊 2.0 3.5. m图7手臂横向移动机构4.5臂部运动驱动力计算4.5.1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：Pq = Fm + Fg (N)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:WFg = a (N)g式中 W 手臂伸缩部件的总重量(N)；重力加速度(9.8m/s 2)a启动过程中的平均加速度(m/s 2 ),Av而a = (m/s 2)At v 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； t启动过程中所用的时间，一般为0.01s0.5s。当 Fm=80N,W=1098 (N), V = 500mm/s 时，1098 0.5Pq= 80+*=80+112=192(N)9.80.54.5.2 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可按下式计算：Pq = Fm + Fg W (N)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Pq=40+100+1098=1238(N)4.5.3 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 ) (Nm)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：Mg = J (Nm)式中 J手臂部件对其回转轴线的转动惯量（kgm2 ）;回转手臂的工作角速度（rad/s）;t回转臂启动时间（s）0.8当 Mm=84（Nm）, Mg=8-=32（Nm）Mq = 1.3*116=150.8（Nm）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 以参考工业机器人表4-1。5 液压系统的设计计算5.1机械手液压系统的简单计算在本机械手中,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）。5.1.1 双作用单杆活塞油缸 流量、驱动力的计算当压力油输入无杆腔，使活塞以速度VI运动时所需输入油缸的流量Q1为兀Q1 = 40 D 2 V1对于手臂伸缩油缸：Q1=0.98cm3/s,对于手指夹紧油缸：Q1=1.02 cm3/s，手臂升降油缸：Q1=0.8cm3/s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：兀P1 = D2p14对于手臂伸缩油缸：p1=196N，对于手指夹紧油缸：p1=126N，对于手臂升降油缸：p1=320N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：兀Q2 =（D2-d2 ） V240对于手臂伸缩油缸：Ql=0.87cm3/s，手指夹紧油缸：Ql=0.96 cm3/s，手臂升降油缸：Ql=0.72 cm3/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：冗P2 = 4（D2-d2）pl对于手臂伸缩油缸： pl=l72N， 对于手指夹紧油缸： pl=l08N ，对于手臂升降油缸： pl=305N 计算作用在活塞上的总机械载荷机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷P为P = P工+ P导+ P封+ P惯+ P回其中 P 工 为工作阻力P封密封装置处的摩擦阻力P惯惯性阻力P回背压阻力P = 83+l25+66+80+208=562（N） 确定油缸的结构尺寸 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 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| 4 PI p、D =pi = 1.13 pi厘米（无杆腔）对于手臂伸缩油缸： D=50mm， 对于手指夹紧油缸： D=30mm ，对于手臂升降油缸： D=80mm ，对于 立柱横移油缸： D = 40mmi4 P + 兀Pld 2或D =厘米 （有杆腔）兀Pl 油缸壁厚的计算：依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚E可用下式计算：& =黑厘米P计为计算压力油缸材料的许用应力。手臂伸缩油缸：匕=6mm,手指夹紧油缸， =17mm，手臂升降油缸：=16mm，立柱横移油缸:=17mm 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Pd 2 -4厘米对于手臂伸缩油缸： d =30mm， 对于手指夹紧油缸：d =15mm ，对于手臂升降油缸： d=50mm , 对于立柱横移油缸:d=16mm5.1.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸） 流量、驱动力的计算nD 2deQ =7133当 D=103mm,d=40mm =0.95 rad/s 时Q = 952N 作用在活塞上的总机械载荷PP = P工+ P封+ P惯+ P回其中 P 工 为工作阻力P封密封装置处的摩擦阻力P惯惯性阻力P回背压阻力P = 66+108+208=382（ N ） 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D =：竺(厘米)upD = 45mm5.1.3 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. 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：3b（D2 一d2）0400当 D=100mm,d=35mm,b=35mm, 0 =0.95 rad/s 时 Q=0.02m3/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：pb（D2 一d2）M =-8得M = 0.8 (Nm) 作用在动片(即输出轴)上的外载荷力矩 MM = M +M + M + M工封惯回其中 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 (Nm) 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I8M_二tD =+ d2（厘米）bpD = 30mm5.2 油泵的选择及功率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。 确定油泵的工作压力 p 泵p泵全p+ yp式中 p 油缸的最大工作油压y 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。p 泵= 60*10 5帕 确定油泵的 Q泵油泵的流量，应根据系统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Q =K Q泵最大其中K 一般取1.101.25Q =53升/分泵（3） 确定油泵电动机功率 NpQ千瓦）式中p油泵的最大工作压力Q所选油泵的额定流量耳油泵总效率N=7.5 （千瓦）小结本次我做的毕业设计是液压传动机械手的设计，经过几个月的努力，设计算是告一段落了。通过这 设计，使我们了解了一般设计工作的基本流程和设计的方法以及理念。在本次的毕业设计中，我遇到了许多难题，通过查阅相关资料和同学的帮忙，以及指导教师的指导， 这些问题都得到了很好的解决，也使我学到了很多知识。虽然我们设计的只是个简单的上料机械手，但需要完成伸缩、升降、回转、横移等功能实现的，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。通过这些设计，使理论知识与实际 得到结合，巩固和深化了所学过的专业知识，同时也学到了以前书本上不曾见过的知识。在本次设计是 不断学习，不断探索，不断发现问题不断修改的过程。查阅了很多相关资料和文献，研究了许多类似的 设计实例，请教了许多专业课老师，自学了许多相关学科的内容。由于时间和个人能力问题，对于本次机械手的设计还存在许多理论上和实践上的问题与不足的地 方，希望各位专家评审多多指教。参考文献1 邓星钟.机电传动控制M.华中科技大学出版社，20022 孙志礼、冷兴聚、魏延刚等机械设计M.东北大学出版社，20033 徐灏.机械设计手册M第5卷.机械工业出版社，19924 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，19865 成大先机械设计图册M.化学工业出版社，2002年6 俄IO.M.索罗门采夫.工业机器人图册B M.机械工业出版社，19937 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，19858 王玉新.机构创新设计方法学M(第一版).天津大学出版社，19969 张建民.工业机器人BM.北京理工大学出版社，199210 马香峰.机器人结构学B M.机械工业出版社，199111 天津大学工业机械手设计基础编写组.工业机械手设计基础B M.天津科学技术出版社，198112 黄继昌、徐巧鱼、张海贵等.实用机械机构图册B M.人民邮电出版社，199613 张广鹏方英武田忠强.工业机器人整机结构方案的动态性能评价J.西安理工大学学报，2004, 20 (1)14 金茂菁.我国工业机器人发展现状J.机器人技术与应用，2001，01 (4)15 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， 13 (3)16 李瑞峰.21世纪一中国工业机器人的快速发展时代J.中国科技成果，2001，(18)期17 王田苗.工业机器人发展思考J.机器人技术与应用，2004年，(2)期18 徐学林.互换行与测量技术基础M.湖南大学出版社，2005，19 曲忠萍.国外工业机器人发展态势分析J.机器人技术与应用，2001，(02)20 机械设计手册联合编写组.机械设计手册M下册.石油化学工业出版社，1978，致谢在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了导师老师的亲切关怀和 精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中无不饱含着老师的汗水和心血。导师敏锐的学术思想、严谨 踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在学生心中 使学生终生受益。她对本设计的构思、框架和理论运用给予了许多深入的指导，使得设计得以顺利完成。 在此谨向尊敬的导师老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。通过这次毕业设计，大大的提高了我们的自主学习和认真思考的能力，对学术态度的 严谨性也有了很高的认识。我相信在以后的学习和工作过程中，一定可以好好的解决问题，提高自己的 能力，较快地适应工作和社会激烈的竞争。还要感谢同学，在毕业设计期间，他们给了我许多建议和意见。总之感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们。