多自由度机械手设计说明书.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流多自由度机械手设计说明书.精品文档.本科毕业设计(论文)题目：多自由度机械手设计 系 别： 机电信息系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2013年4月本科毕业设计(论文)题目：多自由度机械手设计 系 别： 机电信息系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2013年4月多自由度机械手设计 摘 要随着现代科学技术的发展，机器人技术越来越受到广泛关注，在工业生产日益现代化的今天，机器人的使用变得越来越普及。因此，对于机器人技术的研究也变得越来越迫切，尤其是工业机器人方面。本论文作者针对这一领域，设计了一款液压机械机械手，该机器人拥有五个自由度。首先，作者针对该机器人的设计要求，对结构设计选择了一个最优方案，对关键零件设计并进行校核。本课题是一个机械、液压紧密的实用性项目，文中对机械手机械结构的设计、液压系统的设计。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。关键词：机械手；液压系统；五个自由度Many degrees of freedom manipulator designAbstractWith the development of modern science and technology, the robot technology has been paid more and more attention, in an increasingly modernized industrial production, the use of robots is becoming more and more popular. Therefore, the research of robot technology becomes more and more urgent, especially industrial robots. The author of this thesis in this field, design of a hydraulic mechanical manipulator, the robot has five degrees of freedom. First of all, the author according to the requirement of the design of this robot, an optimal scheme of the structure design of the selection, the design of key parts and checked.This topic is a mechanical, hydraulic close practical project, design of mechanical design, mechanical structure of the hydraulic system of the mobile phone in. Finally, summarized the full text, points out the improvement measures, manipulator application prospect and development direction.Keywords: manipulator; hydraulic system; five degrees of freedom目 录1 绪论11.1 选题背景及其意义11.2 国内外研究现状与发展趋势11.2.1国内的研究现状11.2.2国外研究现状21.2.3发展趋势31.3 本设计主要研究的内容31.3.1机械设计结构部分31.3.2机械手驱动方式42 机械手的总体设计52.1 机械手的组成52.2 机械手的设计52.2.1 设计要求52.2.2 总体设计任务52.2.3 总体方案拟定73 机械手结构件设计93.1 末端操作器的设计93.2 手腕的设计93.3 手臂的设计93.4 机身和机座的设计104 机械手各部件的载荷计算124.1 设计要求分析124.2 手指夹紧机构的设计124.3 手臂伸缩机构载荷的计算134.4 手臂俯仰机构载荷的计算144.5 机身摆动机构载荷力矩的计算144.6 初选系统工作压力155 机械手各部件结构尺寸计算及校核175.1 手腕油缸尺寸的设计校核175.2 手臂伸缩机构结构尺寸的设计校核205.3 手臂俯仰机构结构尺寸的设计校核205.4 机身摆动机构的设计校核205.5 强度校核205.6 弯曲稳定性校核216 液压系统的设计236.1 基本回路的选择236.2 液压元件的选择与校核236.2.1 液压泵的选择236.2.2 液压泵所需电机功率的确定256.2.3 液压阀的选择256.2.4 液压辅助元件的选择原则266.2.5 油箱容量的确定276.2.6 液压原理图287 结论30参考文献31致 谢32毕业（论文）独创性声明.33毕业（论文）知识产权申明.341 绪论1.1 选题背景及其意义随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。通过本课题，让学生在毕业设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程，培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力；进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。本课题中多自由度机械手系统主要采用液压驱动。1.2 国内外研究现状与发展趋势1.2.1国内的研究现状工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作，代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，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（1986-1990）开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，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，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等。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，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。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。目前国内机械手主要用于机床加工、锻造。热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。1.2.2国外研究现状国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的今后趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如发生少许偏差时候，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。1962年，美国又试制成一台数控示教再现型机械手。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。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成为万能制动公司，专门生产工业机械手。1962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：该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这2种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的基础。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：联邦德国Kuka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；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，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。1.2.3发展趋势现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。目前世界高端工业机械手均具有高精化，高速化，多轴化，轻量化等的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，良新产品可以达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相互结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，从而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。1.3 本设计主要研究的内容本课题研究的机械手一共拥有五个自由度，采用全液压驱动，来夹取工件，本文拟定解决的主要问题如下：机械部分机械手的执行机构，由手爪、手腕、手臂、支座组成。手爪是抓取机构，用来夹紧或是松开喷枪，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指和手臂的元件，可以进行俯仰动作。简单的机械手可以没有手腕，而只有手臂，手臂的动作和手腕相类似，只是动作范围更大，可以前后伸缩，上下俯仰和左右摆动等。支柱用来支撑手臂，它是固定的。1.3.1机械结构部分 1.运动形式方案选择为实现不同动作，应选取不同方案。本课题已确定采用球坐标机构。 2.机身结构机身采用回转与俯仰结构机身。实现回转的驱动方案有几种，摆动油缸驱动，升缩油缸在上，回转油缸在下。实现机身回转采用液压马达驱动。3.手臂结构手臂的运动方式为左右转动、前后伸缩及上下摆动，其中上下摆动采用手臂俯仰油缸与活塞杆机构连用来实现，手臂的前后伸缩采用直线缸来实现。 4.手腕结构手腕设计根据我所设计的机械手的要求，选择双自由度手腕。手腕的俯仰动作由液压缸直接驱动，抓取同样用液压缸驱动。1.3.2机械手驱动方式 采用液压驱动，液压实现机身的回转与俯仰，以及各部件的伸缩俯仰运动。为实现机身的旋转，选用液压马达驱动。手臂伸缩与俯仰都采用液压缸驱动。手腕俯仰采用液压缸驱动，手抓的驱动同样采用液压驱动。2 机械手的总体设计2.1 机械手的组成机械手由三大部分（机械部分、传感部分、控制部分）六个子系统（驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统）组成。机械结构系统：机器人的机械结构又主要包括末端操作器、手腕、手臂、机身（立柱）。驱动系统：驱动器是把从动力源获得的能量变换成机械能，使机器人各关节能够工作的装置，常见的驱动形式有步进电机驱动、直流电机驱动、交流电机驱动、液压驱动、气压驱动以及近些年出现的一些特殊的新型驱动（例如超声波驱动、磁致伸缩驱动、静电驱动等）。控制系统：机器人的控制方式多种多样，根据作业任务不同，主要可分为点位控制方式（PTP）、连续轨迹控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。2.2 机械手的设计2.2.1 设计要求 该机械手的动作流程：初始位姿手爪松开抓住物体机身转动手臂向上运动手臂进行伸长手腕上下俯仰放下物体手腕归位手臂回缩手臂向下归到原位机身回转回到初始位姿。 2.2.2 总体设计任务(1) 结构形式的选择: 机械手常见的运动形式有1）直角坐标型2）圆柱坐标型3）球坐标（极坐标）型4）关节型（回转坐标）型5）平面关节型五种。圆柱坐标型：由三个自由度组成的运动系统，工作空间为圆柱形，它与直角坐标型比较，在相同的空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。直角坐标型：其运动部分的三个相互垂直的直线组成，其工作空间为长方体，它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，结构简单，但机体所占空间大，灵活性较差。球坐标型：它由两个转动和一个直线组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩，其工作空间图形唯一球体，它可以做上下俯仰动作并能够抓取地面上的东西或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作范围大的特点，但是结构比较复杂。关节型：这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个自由度都是回转关节，这种机器人一般由大小臂组成，立柱与大臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰运动，小臂作俯仰摆动，其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的工件。平面关节型：采用两个回转关节和一个移动关节，两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节控制上下运动。这种机器人在水平方向上有柔顺度，在垂直方向上有较大的刚度，它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合中小规格零件的插接装配。综上，本次设计中采用回转坐标型。(2) 自由度的确定：自由度(Degrees of Freedom),指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。在运动形式上分为为直线运动P，为旋转运动R。自由度数的多少反映了这种机械手能完成动作的复杂程度，根据对机械手必须完成的动作的研究，设计五个自由度的机械手即可完成所规定的工作任务。(3) 驱动方式的选择:1）驱动系统有液压驱动2）气压驱动3）电机驱动4）机械联动四种，其中液压驱动和气压驱动较为通用。液压驱动：结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐振动、防爆性好。而且液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。气压驱动：具有速度快、系统结构简单、造价较低、维修方便、清洁等特点，适用于中小负载的系统中，但对速度很难进行精确控制，且气压不可太高，所以抓举能力较低，难于实现伺服控制。电机驱动：步进或伺服电机可用于程序复杂、运动轨迹要求严格的小型通用机械手； 异步电机、直流电机适用于抓重大、速度低的专用机械手；电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，控制方式灵活，安装维修方便。但控制性能差，惯性大，不易精确定位。机械联动：动作可靠，动作范围小，结构比较复杂，适用于自由度少、速度快的专用机械手。同其他转动方式相比较，传动功率相同时，液压传动装置的重量轻，体积紧凑，可实现无级变速，调速范围大。运动件的惯性小，能够频繁顺序换向，传动工作平稳，系统容易实现缓冲吸着震，并能自动防止过载。与电气配合，容易实现动作和操作自动化，与微电子技术和计算机配合，能够实现各种自动控制工作。液压元件基本已经上系列化、通用化和标准化，利于CAD技术的应用、提高工效，降低成本。容易达到较高的单位面积压力，较小的体积可获得较大的出力（推力或转距）。液压系统介质的可压缩性小，工作较平稳，可靠，并可实现较高的位置精度。液压传动中，力，速度和方向比较容易实现自动控制。液压装置采用油液做介质，具有防锈性和自润滑效能，可以提高机械效率，使用寿命长。综上，本次设计采用液压驱动。(4) 控制方式的选择:1）点位控制方式（PTP）2）连续轨迹控制方式（CP）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。点位控制的特点是只控制工业机器人末端执行机构在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹不做任何规定。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需时间。由于其控制方式易于实现，常应用于上下料、搬运、点焊等工业机器人。连续轨迹控制的特点是连续的控制工业机器人末端执行器在作业空间的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度要求内运动，而且速度可控，轨迹光滑且运动平稳。这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端操作器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。常用于弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人。力（力矩）控制方式常用于准确定位并要求使用适度的力或力矩来完成装配、抓放物体等工作。智能控制方式是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库相应做出决策。采用智能控制技术的机器人具有较强的环境适应性及自学能力，技术难度及成本要求都比较高。综上，本次设计采用点位控制。2.2.3 总体方案拟定考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设计采用悬臂式五自由度的机械手： 自由度具体分配如下：1）手臂回转自由度。拟采用液压马达来实现，液压马达通过齿轮传动通过带动与之相连的缸体也发生转动，从而实现机身的回转。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。2）手臂俯仰自由度。机器人的手臂俯仰运动，一般采用活塞油（气）与连杆机构联用来实现。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，缸体采用尾部耳环与机身连接，而其活塞杆的伸出端则与手臂通过铰链相连。其行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。3）手臂伸缩自由度。由于油缸或气缸的体积小，质量轻，因而在机器人手臂结构中应用较多。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，其伸缩行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。4）手腕俯仰自由度。拟采用液压缸来实现。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。5）手爪的抓取自由度。拟采用液压缸来实现。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。3 机械手结构件设计分析3.1 末端操作器的设计工业机器人的末端操作器是机器人直接用于抓取、握紧、吸附专用工具等进行操作的部件，根据被操作工件的形状、尺寸、重量、材质及表面形态各有不同，其形式也多种多样，大部分末端操作器的结构是根据特定的工件专门加工的，常用的有四类：1）夹钳式取料手2）吸附式取料手3）专用操作器及转换器4）仿生多指灵巧手。夹钳式取料手是工业机器人最常用的一种末端操作器形式，在流水线上应用广泛。它一般由手指、驱动机构、传动机构、连接与支承元件组成，工作机理类似于常用的手钳。吸附式取料手靠吸附力取料，根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种。吸附式取料手应用于大平面（单面接触无法抓取）、易碎（玻璃、磁盘）、微小（不易抓取）的物体。因为专用操作器及转换器和仿生多指灵巧手的技术难度及成本要求都比较高。3.2 手腕的设计机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件，它的作用是调节或改变工件方位，因而它具有独立的自由度，以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求。此处手腕需实现手部的翻转（Roll）动作,腕部结构主要体现在手部相对于臂部的旋转运动上。3.3 手臂的设计手臂是机器人执行机构中重要的部件，它的作用是将被抓取的工件运动到给定的位置上。手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵活。手臂一般有伸缩运动、左右回转运动、升降（或俯仰）运动三个自由度。在一般情况，手臂的伸缩和回转、俯仰均要求匀速运动，但在手臂的起动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前速度不能太大，否则引起冲击和振动。伸缩运动一般采用直线液压缸驱动，俯仰运动大多采用伸缩单作用（单活塞杆）驱动，而回转运动则大多用回转缸或齿条缸来实现。本设计采用单作用（单活塞杆）缸来实现手臂的伸缩。为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运动时绕轴线转动或产生变形，手臂的伸缩机构需设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。根据手臂的结构、抓重等因素，为了使抓取时不产生偏重力矩使抓取可靠，本设计中采用四根导向柱的臂伸缩结构。这种结构的特点是行程长，抓重大，而工件不规则时还可以防止产生过大的偏重力矩。简图如下：图3.1 四导向杆式手臂机构简图从图中可以比较清楚地看到手臂伸缩油缸结构及导向杆的安放方式以及手臂与其他部件的连接点。手臂俯仰运动采用单作用（单活塞杆）缸来驱动。直线油缸的缸底与机身通过铰链相连，而油缸活塞杆的伸出端则与臂部铰接，这样当压力油进入油缸时就驱动活塞杆往复运动，通过活塞杆的运动就使与其相连的手臂形成了俯仰的运动。由于俯仰油缸是采用底部耳环摆动式直线缸，所以在活塞杆往复运动的同时，缸体可在平面内摆动。采用摆动马达来实现手臂的回转。对于悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂上的布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩对手臂运动很不利。偏重力矩过大，会引起手臂的振动，在升降时还会发生一种沉头现象，也会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。所以在设计手臂时要尽量使手臂重心通过回转中心，或离回转中心要尽量地近，以减少偏重力矩。为减少转动惯量：1）可减少手臂运动件的轮廓尺寸2）减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸），尽可能在较小的前伸位置进行回转动作3）在驱动系统中设有缓冲装置。3.4 机身和机座的设计机身，又称为立柱，是支撑手臂的部件，并能辅助实现手臂的升降、回转或俯仰运动。它是机器人的基础部分，起支承作用。对固定机器人，直接连接在地面基础上，对移动式机器人，则安装在移动机构上。机器人机座可分为固定式和行走式两种，一般工业机器人的机座为固定式。固定式机器人的机身直接连接在地面基础上，也可以固定在机身上。此处要求机械手的工作范围比较小，故设计为固定式机器人，机身与机座用螺柱连接，机座用螺栓固定在地面基础上。机身设计要求：1）刚度和强度大，稳定性好2）运动灵活，导套不宜过短，避免卡死3）驱动方式适宜，结构布置合理。4 机械手各部件的载荷计算4.1 设计要求分析本课题设计的多自由度机械手采用关节型坐标系、全液压驱动，具有手臂伸缩、俯仰、回转、抓取和手腕回转五个自由度。执行机构相应由手部抓取机构、手腕回转机构、手臂伸缩机构、手臂俯仰机构、手臂回转机构和手抓的抓取机构等组成，每一部分均由液压缸驱动与控制。4.2 手指夹紧机构的设计设计中采用四指V形结构，指面光滑，避免工件被夹持部位的表面受损。手指的驱动采用弹簧复位（单活塞杆）单作用液压缸，传动机构采用斜楔杠杆式复合回转传动，并在杠杆上装有张紧弹簧，以保证手指夹紧驱动液压缸的复位。手指厚度根据需要夹持的工件设定，V形指合拢后的的尺寸为工件被夹持部位直径的外接正六边形，保证了机械手工作时的可靠性。手指加在工件上的夹紧力，是设计手部结构的主要依据。夹紧力必须克服工件重力所产生的载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力计算： （4.1）式中： 安全系数，通常取1.22.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可估算： = （4.2）其中：重力加速度；运载工件时重力方向的最大上升加速度，可计算： （4.3）运载工件时重力方向的最大上升速度，0.07。 系统达到最高速度的时间，一般取0.30.5。方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。0.91.1。被抓取工件所受重力（）。计算可得：手指夹紧由单作用液压缸驱动实现，则手指夹紧缸的载荷为：1604.3 手臂伸缩机构载荷的计算 手臂伸缩采用双作用液压缸实现，臂部作水平伸缩运动时，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，还在克服启动过程中的惯性力。其驱动力可可按下式计算： （4.4）式中： 各支承处的的摩擦阻力（N），其大小可按下式估算： （4.5）式中： G运动部件所受的重力（）； 外载荷作用于导轨上的正压力（），其大小可按下式计算： （4.6） 摩擦系数，取0.1，详见机械设计手册表23.4-1；启动过程中的惯性力（），其大小可按下式估算： （4.7）式中： 重力加速度，取9.8；速度变化量（）。如果臂部从静止状态加速到工作速度时，则这个过程的速度变化量就等于臂部的工作速度。启动或制动时间（），一般为0.1。对轻载低速运动部件取小值，对重载高速部件取大值，行走机械一般取0.51.5。经过计算得：4.4 手臂俯仰机构载荷的计算当手臂从水平位置成仰角时或从角度恢复为水平时的加速或减速过程，铰接活塞杆的载荷（即俯仰直线缸驱动力）达到最大。其在垂直方向上的最大线速度为0.07，加速时间为0.1，由于升降过程一般不是等加速运动，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。则手臂俯仰油缸载荷： （4.8）式中： 手臂俯仰缸所支撑的重量（），由下式可得： 手臂俯仰缸的活塞杆的加速度。经过计算得：4.5 机身摆动机构载荷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。回转动时,由于起动过程中不是等加速运动,所以最大驱动力矩比理论上平均值大一些，计算时一般取1.3倍。计算时还要考虑液压马达的机械效率（0.90.99），驱动力矩按下式计算： （4.9）式中： 摩擦力矩(包括各支承处的摩擦力矩) （）；起动时惯性力矩（），一般按下式计算: （4.10）其中： 臂部对其回转轴线的转动惯量（）；速度变化量（）；回转运动起动或制动所需的时间（s）, 一般为0.10.5s。对轻载低速运动部件取小值，对重载高速部件取大值，行走机械一般取=0.51.5m/s。在计算臂部部件的转动惯量时，可将形状复杂的零件简化为几个形状简单的零件，分别求出各简单零件的转动惯量。若零、部件沿臂部伸缩运动方向上的轴向尺寸与其重心到回转轴线的距离比值不超过二分之一时，一般可把它当作质点来计算，这样简化计算的误差不超过5%。经过计算可得如下结果：4.6 初选系统工作压力压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济；反之，压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固定的尺寸不太受限制的设备，压力选低一些，行走机械重载设备压力要选得高一些。选择可参考一下两表：表4.1 按载荷选择工作压力载荷/KN<5510102020303050>50工作压力 /MPa<0.811.522.5334455表4.2 各种机械常用的系统工作压力机械类型 磨床 组合 机床 龙门 刨床 拉床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机起重机械起重运输机械工作压力/MPa 0.82 352881010182032 从各方面综合考虑，根据计算所得的数据，搬运机械手的工作压力选择为8MPa。5 机械手各部件结构尺寸计算及校核本次设计的机械手的主要结构部件即为液压缸，总体结构尺寸即为液压缸尺寸。一般来说液压缸是标准件,但有时也需来自行设计,故需了解其主要尺寸的计算及强度、刚度的验算方法。对于活塞缸，缸的直径是指缸的内径。缸的内径D和活塞杆直径d可根据最大总负载和选取的工作压力来确定。5.1 手腕油缸尺寸的设计校核 手指夹紧采用的单作用活塞缸，由上章已知其载荷力大小。(1) 液压缸内径及活塞杆外径的确定为液压缸活塞杆工作在受压状态，下图为活塞杆工作在受拉状态。活塞杆受压时图5.1 活塞杆受压示意图 （5.1）活塞杆受拉时图5.2 活塞杆受拉示意图 （5.2）式中： 无杆活塞杆有效作用面积（）； 有杆活塞杆有效作用面积（）； 液压缸工作腔压力8MPa； 背压力，液压缸回油腔压力，其值根据回路的具体情况而定，初算时可参照表5-1，此处选取背压0。 油缸内径（）； 活塞杆直径（）。表5.1 执行元件背压力系统类型背压力/MPa简单系统或节流调速系统0.20.5回油路带调速阀系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短，且直接回油箱可忽略不计对单活塞杆缸，无杆腔进液体或气体时，不考虑机械效率，可得： D= （5.3）有杆腔进液体或气体时，不考虑机械效率，可得： = （5.4）这时，上面两式便可简化，即无杆腔进液体时： = （5.5）有杆腔进油时： = （5.6）若综合考虑排液对活塞产生的背压，活塞和活塞杆处密封及导套产生的摩擦力，以及运动件质量产生惯性力等的影响，一般取机械效率0.8或0.9。活塞杆的杆径可根据工作压力选取，见表5-2。表5.2 按工作压力选取d/D工作压力/MPa5.05.07.07 /0.50.550.620.700.7 当液压缸的往复速度比有一定要求时，杆径可由下式计算。 d= （5.7）液压缸的速比过大会使无杆腔产生过大的背压，速度比过小则活塞杆太细，稳定性不好。推荐液压缸的速度比如表所示。表5.3 按速比要求确定d/D往复速比1.15