机械手设计剖析.docx

一、总体方案设计1.1 设计任务根本要求:设计一个多自由度机械手至少要有三个自由度将最大重量为 40Kg 的工件， 由车间的一条流水线搬到别一条线上；二条流水线的距离为：1000mm； 工作节拍为：70s；工件：最大直径为 160mm 的棒料；1.2 总体方案确定1.2.1 自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部末端操作器的开合自由度。自由度表示了机器人敏捷的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿势需要六个自由度。机械手的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是构造也越简单，自由度的增加也意味着机械手整体重量的增加。轻型化与敏捷性和抓取力量是一对冲突，此外还要考虑到由此带来的整体构造刚性的降低，在敏捷性和轻量化之间必需做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及构造刚性的考虑，往往体积浩大，负荷力量与其自重相比往往格外小。一般通用机械手有 56 个自由度即可满足使用要求其中臂部有 3 个自由度，腕部和行走装置有 23 个自由度，专用机械手有 12 个自由度即可满足使用要求。在掌握器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一动作。在满足前提条件上尽量使构造简洁，所以我们这次选择 5 自由度机械手。1.2.2 机械手根本形式的选择常见的工业机械手依据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下 4 种: (1)直角坐标型机械手：1特点：操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置。优缺点：构造刚度较好，掌握系统的设计最为简洁，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低。构造图：(2)圆柱坐标型机械手：特点：操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置。优缺点：构造刚度较好，运动所需功率较小，掌握难度较小，但运动轨迹简洁， 使用过程中效率不高。构造图：2( 3)球坐标(极坐标)型机械手：特点：操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置。优缺点：构造紧凑，但其掌握系统的设计有肯定难度，且机械手臂的刚度缺乏， 机械构造较为简单。构造图：(4)多关节型机机械手。特点：操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节。优缺点：运动轨迹简单，构造最为紧凑，但掌握系统的设计难度大，机械手臂的刚度差。构造图：由于本次设计的三自由度机械手主要用来运输 2 流水线的零件，2 者距离1000mm，这就要求机械手构造简洁紧凑,定位精度较高,占地面积小。依据上面 4 种坐标形式，我选择了圆柱坐标形式，这种形式比较符合这次设计的需要。图1-2-3 是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带 A 上的物品搬运到传送带 B。3图 1-2-3 机械手搬运物品示意图1.2.3 机械手的主要部件及运动在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的根本方案选定后，依据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有3 个自由度既：手抓张合；手臂回转；手臂升降 3 个主要运动。本设计机械手主要由 3 个大部件：（1） 手部，承受一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2） 腕部，腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来转变被夹物体的方位，它动作敏捷，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度， 承受一个回转液压缸实现手部回转。（3） 臂部，臂是机械手机构的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部， 并带动它们在空间运动。（4） 机身，机身是直接支承和传动手臂的部件。1.2.4 机械手的驱动元件在机器人驱动系统中，使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、沟通伺服电机以及最近几年消灭的超声波电机和 HD 电动机等几种。步进电机可直接将电脉冲信号转换成转角，每输入一个脉冲，步进电机就回转肯定的角度，其角度大小与脉冲数成正比，旋转方向取决于输入脉冲的挨次。步进电机可在很宽的范围内，通过转变脉冲的频率来调速，能够快速起动、反转和制动，有较强的阻碍偏离稳定的力量。在机器人中无位置反响的位置掌握系统4中得到了广泛的应用。直流伺服电机在机器人中应用也很广泛。常用它直接带动滚珠丝杠驱动关节手臂关节运动。直流伺服电机的工作原理和根本构造均与一般动力用直流电机一样。按激磁方式直流伺服电机可分为永磁式、他激式、并激式和串激式等。在机器人驱动系统中多承受永磁式直流伺服电机。.沟通伺服电机在机器人中的应用状况与置流伺服电机一样，但沟通伺服电机与直流伺服电机相.比，功率大、过载力量强、无电刷、环境适应性好，因而沟通伺服电机是今后机器人用电机的进展方向。低速电机主要用于系统精度要求高的机器人。为了提高功率体积比，伺服电机制成高转速，经齿轮减速后带动机械负载。由于齿轮传动存在间隙，系统精度不易提高，假设对功率体积比要求不格外严格，而对于精度有严格的要求，则最好取消减速齿轮，承受大力矩的低速电机，配以高区分率的光电编码器及高灵敏度的测速发电机，实现直接驱动。环形超声波电动机具有低速大转矩的特点，使用在机器人的关节处，不需齿轮减速，可直接驱动负载，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空构造传递信息。HD 电动机是一种小型大转矩(大推力)的电动机，电动机可直接与负载连接，可应用在系统定位精度要求高的机器人产品中。通过上述对几种机器人常用电机的分析和比较，综合考虑本文机械手臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有较高精度并要求能够快速启动和制动，所以选择应用较为广泛的直流伺服电机作为驱动电机。1.2.5 机械手的技术参数列表一、用途：搬运:用于传送带间搬运二、设计技术参数:1、抓重:40Kg (夹持式手部)2、自由度数:5 个自由度3、座标型式:圆柱座标4、最大工作半径:1000mm6、手臂运动参数回转范围：0180°5二、各主要组成局部设计2.1 爪部机构设计2.1.1 对手部设计的要求(1)对手部设计的要求(a)有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定牢靠，变形小，且不损坏工件的已加工外表。对于刚性很差的工件夹紧力大小应当设计得可以调整， 对于笨重的工件应考虑承受自锁安全装置。(b) 有足够的开闭范围依据工件外圆大小,夹持的大小直径必需大于 100mm 。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与很多因素有关，如工件的外形和尺寸，手指的外形和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。(c) 力求构造简洁，重量轻，体积小手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其构造，重量和体积直接影响整个机械手机构的构造，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必需力求构造简洁，重量轻，体积小。(d) 手指应有肯定的强度和刚度(e) 其它要求：因此送料，夹紧机械手机构，依据工件的外形，承受最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种构造较为简洁，制造便利。2.1.2 手部设计根本要求（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在肯定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2） 手指应具有肯定的张开范围，手指应当具有足够的开闭角度手指从张开到闭合绕支点所转过的角度 D g ，以便于抓取工件。（3） 要求构造紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使构造紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。2.1.3 机械手手抓的设计计算1.选择手抓的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要到达的原始参数：手抓张合角Dg = 600，夹取重量为30Kg。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外表平坦、面积较大的板状物体, 不适合用于本方案。本设计机械手承受夹持式手指,夹持式机械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,这种手指构造简洁, 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。假设承受典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使构造变得简单且体积浩大。明显是不适宜的，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，承受滑槽杠杆这种构造方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。2 、手抓的力学分析下面对其根本构造进展力学分析：滑槽杠杆 图 2-1-3.1 为常见的滑槽杠杆式手部构造。32O1O21FN图 2-1-3.1 滑槽杠杆式手部构造图 2-1-3.2 滑槽杠杆式受力分析8在杠杆 3 的作用下，销轴 2 向上的拉力为 F，并通过销轴中心 O 点，两手指 11和并2的滑槽对销轴的反作用力为 F 和 F 其力的方向垂直于滑槽的中心线oooo12，101指向o 点，交 F 和 F2的延长线于 A 及 B。Få由x =0得 F = F12Fåy =0得F1=F2cos aåM(F )F = -F ”11由01=0F ” = Fh1Nah = cosabF= cos2 a FaN式中a手指的回转支点到对称中心的距离mm.a 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。N由分析可知，当驱动力 F 肯定时， a 角增大，则握力 F 也随之增大，但a 角过大会导致拉杆行程过大，以及手部构造增大，因此最好a = 300 400 。3、夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必需对大小、方向和作用点进展分析计算。一般来说，需要抑制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，以便工件保持牢靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算： FN³ K K K G1231式中K安全系数，通常 1.22.0；k2 工作状况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估K= 1+ b 其中 a，重力方向的最大上升加速度； a = vmax2at响vmax运载时工件最大上升速度t响系统到达最高速度的时间，一般选取 0.030.5s3K 方位系数，依据手指与工件位置不同进展选择。G被抓取工件所受重力N。表 2-1-3.1 液压缸的工作压力作用在活塞上外力液压缸工作压力作用在活塞上外力液压缸工作压力FNMpaFNMpa小于 50000.8120230300002.04.05000100001.52.030000500004.05.010000202302.53.050000 以上5.08.0计算：设a=50mm,b=100mm,100 <a < 400 ;机械手到达最高响应时间为 0.5s，求夹紧力 FN 和驱动力 F 和 驱动液压缸的尺寸。(1) 设 K1= 1.5 ，aa = vmax，K= 1+=1.02a 运载工件时重力方向的最大上升加速度，2g0.5K= 0.53依据公式，将条件带入：F =1.5´ 1.02´ 0.5´ 400=306NN2依据驱动力公式得：F计算 =2 ´100cos302 ´ 306 =918N503取h = 0.85F= F计算 = 918 = 1080 N实际h4确定液压缸的直径 D0.85F=实际p4(D2 - d 2 )p选取活塞杆直径 d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力 P=0.81MPa,4F实际D=4 ´1080´1´106 ´ 0.75=0.0421p1- 0.52依据表 2-1-3.2JB826-66，选取液压缸内径为：D=50mm2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250则活塞杆内径为:表 2-1-3.2 液压缸的内径系列JB826-66d=50´ 0.5=25mm，选取 d=25mm4、活塞杆长度与手指长度的计算计算为了保证手抓张开角为600 ，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长 100mm,当手抓没有张开角的时候，依据机构设计，它的R最小夹持半径 R1= 40 ，当张开600 时，最大夹持半径2 计算如下：R = 100 ´ tg30 + 50cos30 » 1012 机械手的夹持半径从 40101mm2.1.4 弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图 2-1-4.1 所示，计算过程 13 如下。图 2-1-4.1 圆柱螺旋弹簧的几何参数(1). 选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力t = 800MPa(2). 选择旋绕比 C=8，则K » 4C -1 + 0.615 4C - 4612K » 4C -1 + 0.615 =(4 ´8)-10.615+= 1.1834C - 46(4 ´8)- 46(3). 依据安装空间选择弹簧中径 D=35mm，估算弹簧丝直径d = D = 35 = 4.375mmC8FKCMAtX (4). 试算弹簧丝直径d ” ³ 1.6FKCMAtX d ” ³ 1.6=1.6=5.7mm，取 6mm1080´1.183´8800´106(5). 依据变样子况确定弹簧圈的有效圈数：n =Gdl8FMAXC3MAXn =Gdl=4.38FMAXC3MAX选择标准为 n=5，弹簧的总圈数 n =n+1.5=6.5 圈1(6).最终确定，D=35mm,d=5,D1=D-d=29mm,D2=D+d=41mm (7).对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧假设长度较大时，则受力后简洁失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避开这种现象压缩弹簧的长细比b =H740 = 1.76 ，本设计弹簧是D122 端自由，依据以下选取：当两端固定时， b £ 5.3 ,当一端固定；一端自由时， b £ 3.7 ；当两端自由转动时， b £ 2.6 。结论本设计弹簧b = 1.76 £ 2.6 ，因此弹簧稳定性适宜。(8).疲乏强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应当进一步对弹簧的疲乏强度和静应力强度进展验算假设变载荷的作用次数 N £ 103 ，或者载荷变化幅度不大时，可只进展静应力强度验算。现在由于本设计是在恒定载荷状况下，所以t只进展静应力强度验算。计算公式:S=Scat S³ SmaxS ； S s 选取 1.31.7力学性精确能高 tmax8KD=Fp d 3t8KD=F= 8´1.184 ´ 0.055 ´1080 =522401441maxp d 3´ 0.0073tSSCA= ts=1.5max结论：经过校核，弹簧适应。图 2-1-4.2 机械手开闭例如简图132.2 腕部设计计算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势，也可以说是确定末端行器的姿势。故手腕也称作机器人的姿势机构2.2.1 腕部设计的根本要求腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要留意以下几点：（1） 构造紧凑，重量尽量轻。（2） 转动敏捷，密封性要好。（3） 留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、（4） 管线的布置以及润滑、修理、调整等问题（5） 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。2.2.2 腕部构造和驱动机构的选择本设计要求手腕回转180 0，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部构造选择具有一个自由度的回转驱动腕部构造，承受液压驱动。2.2.3 腕部的设计计算1、腕部设计考虑的参数夹取工件重量 40Kg ，回转180° 。2、腕部的驱动力矩计算（1） 腕部的驱动力矩需要的力矩M惯 。（2） 腕部回转支撑处的摩擦力矩M摩 。夹取棒料直径 160mm，长度 1000mm，重量 40Kg，当手部回转180° 时，计算力矩：1 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直径 180mmG = p ´ 0.092 ´ 0.22 ´ 7800Kg / m3 ´ 9.8N / Kg = 427.9N（2） 擦力矩 M摩= 0.1m 。14（3） 启动过程所转过的角度f= 18 0=0.314rad，等速转动角速度w = 2.616s-2 。启查取转动惯量公式有：11427.9M= (J + J惯工件) w22f启J =´ m´ R2 =´´ 0.092 = 0.178N·m·s2229.81G1J=´ l3 + 3´ R2=´ 40 ´13 + 3´ 0.082= 3.354N·m·s2工件12g12代入： M惯量=0.178 + 3.355´2.61622 ´ 0.314= 38.49N·mM = M+ M惯摩= M+ 0.1M ； M = 38.49 = 42.8N·m惯0.93、腕部驱动力的计算设定腕部的局部尺寸：依据表 2-1-3.2 设缸体内空径 D=110mm，外径依据表2-2-3.1 选择 133mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为 226mm ； 动 片 宽度 b=66mm, 输出 轴 r=22.5mm 。 则 回 转缸 工 作 压 力2M2 ´ 42.8P ³= 0.5Mpa ，选择 1MpabR2 - r2 0.066 ´ (0.0552 - 0.02252 )液压缸内径20钢P £ 160Mpa45钢P £ 200Mpa表 2-2-3.1 标准液压缸外径JB1068-67mm405063809010111214151618200050000050607695101213161418192124813860495506076951012131614181921248138604954、液压缸盖螺钉的计算图 2-2-3.1 缸盖螺钉间距示意表 2-2-3.2 螺钉间距 t 与压力P 之间的关系工作压力 PMpa螺钉的间距 t(mm)0.51.51.52.52.55.05.010.0小于 150小于 120小于 100 小于 80缸盖螺钉的计算，如图 2-2-3.1 所示，t 为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表 2-2-3.2 ，在这种联结中，每个螺钉在危急剖面上承受的拉力计算：F= FQ0Q+ F”Qs液压缸工作压强为 P=1Mpa,所以螺钉间距 t 小于 150mm,试选择 5 个螺钉，D =3.14 ´110= 62.8mm £ 80mm ，所以选择螺钉数目适宜 Z=5 个55危急截面S = p R2 -p r 20.112 - 20.045= p= 0.007908875m21.84F= P ´ SQZ1´ 0.007908875=5= 3954.4；K = 1.5F= K ´ FQSQ= 1.5 ´ 3954.4 = 5931.6N所以FQ0= F+ FQQs” =3954.4+5931.6=9886N螺钉材料选择 Q235， 则s = ssn= 240 = 160MPa n = 1.22.5 1.54 ´1.3Fp s Q0螺钉直径 ： d ³4 ´1.3Fp s Q04´1.3´ 98863.14´160´106d ³=0.0101螺钉的直径选择 d=12mm.2.3 臂部的设计及有关计算手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部包括工件或工具，并带动它们作空间运动。手臂运动应当包括 3 个运动：伸缩、回转和升降。本章表达手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章表达。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。假设转变手部的姿势方位，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应当具备 3 个自由度才能满足根本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力状况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的构造、工作范围、敏捷性等直接影响到机械手的工作性能。2.3.1 臂部设计的根本要求（1） 刚度要大： 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面外形的选择要合理。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） 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） 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，要尽量削减臂部运动局部的重量，以削减偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。（4） 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。故应尽量削减小臂部运动局部的重量，使构造紧凑、重量轻，同时要实行肯定的缓冲措施。2.3.2 手臂构造的选择及相关设计计算1、手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：（1） 双导杆手臂伸缩机构。（2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动； 回转运动，如手臂的左右摇摆，上下摇摆；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心构造。（3） 双活塞杆液压岗构造。（4） 活塞杆和齿轮齿条机构。2、手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。3、手臂直线运动的驱动力计算先进展粗略的估算，或类比同类构造，依据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进展校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的构造。图 2-3-2.1 手臂活塞杆简图做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力依据液压缸运动时所抑制的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。F = F+ F摩密+ F+ F回惯4、手臂摩擦力的分析与计算分析：摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面外形，其摩擦阻力是不同的， 要依据具体状况进展估算。设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。计算如下：由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。GLF =总åY = 0åM= 0AG+ FGL = aF，总b= F得： ba， 总ba18çF = Gæ L + a öa总a÷F= F+ F= m” F + m” F得：èø ， 摩abab摩摩é 2L + a ù F= m ”Gêú摩总 ëaû式中 G 总 参与运动的零部件所受的总重力含工件N； L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离m,参考上一节的计算;a导向支撑的长度m;m ” 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。m” = æ 4p ö´ m = (1.271.57 )mp2ç÷对于圆柱面：èøm 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取=0.10.15 钢对铸铁：取=0.180.3导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁L=0.198 导向支撑 a 设计为 0.0216m将有关数据代入进展计算m ” = 0.20 ´1.5 = 0.3， G = 300N ，F= Gm 2L= 300 ´ 0.3´ 2 ´ 0.198 + 0.0216= 1740 N摩总a0.02165、手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是 V= 5mmin ,在计算惯性力的时候 ,设置启动时间Dt = 0.2s ,启动速度Dv = v = 0.083m / s。GF=总Dv = 400 ´ 0.083 = 12.7 N惯gDt9.8´ 0.26、密封装置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，承受 O 型密封，当液压缸工作压力小于 10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为： F封= 0.03F 。经过以上分析计算最终计算出液压缸的驱动力：F = 0.03F + F摩+ F=1807N惯192.3.3 液压缸工作压力和构造确实定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力 F=461N，依据表 2-1-3.1 选择液压缸的工作压力 P=2MPa（1） 确定液压缸的构造尺寸：液压缸内径的计算，如图 2-3-2.1 所示图 2-3-2.1 双作用液压缸示意图F = Fh = p p D2 h当油进入无杆腔：14p (D2 - d 2 )当油进入有杆腔中：液压缸的有效面积：F = F h = ph24S = Fp14FF1故有D =p p h1= 1.13h p无杆腔4FD =p p h+ d 2有杆腔1选择机械效率h = 0.95将有关数据代入：4FF1807D = 1.13= 1.13=0.031mPhhP0.95´ 2´10611依据表 2-1-3.2 ，选择标准液压缸内径系列，选择 D=32mm.（2） 液压缸外径的设计20依据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在 7mm，所以该液压缸的外径为27mm.（3） 活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞或液压缸运动的要求和强度要求。对于杆长L 大于直径 d 的 15 倍以上，按拉、压强度计算：Fps =d 2£ s 4设 计 中 活 塞 杆 取 材 料 为 碳 刚 ， 故 s =100120Mpa ， 活 塞 直 径d=10mm,L=150mm,现在进展校核。Fs = 23´106 £ 100´106 MPa d24结论： 活塞杆的强度足够。2.4 液压驱动系统设计液压掌握机械手机构的一种主要的掌握形式。机械手机构的运动速度和操作室依据油的流量与压力来确定，因而只要掌握油的流量和压力，就可以掌握机械手机构的运动速度和操作力，油压压力一般在 5140 公斤/厘米范围内，最大臂力可达 160 公斤以上。主要优点：(1) 液压执行元件(马达和油缸)构造紧凑，重量轻，功率小。(2) 可通过液压油带走大量热能，保证机械的正常运行，并由于液压油的润滑作用，可延长元件的使用寿命。(3) 液压元件有直线位移式和旋转式二种，适用范围较广，其掌握速度的区间也比较宽。只要通过阀和泵的调整就能实现开环和闭环的掌握系统。(4) 响应速度比较快，能高速启动，制动和反向，无后滞现象。其力矩一惯量比也较大，因而其加速度力量较强。(5) 液压元件于其他驱动元件相比，刚度较大，位置误差小，定位精度高， 而且耐振动等。缺点:(1) 液压掌握需要一套液压系统，不像电力简洁获得，而且价格较贵。21(2) 油温有上限，并难以保持不漏，比较脏，易于使阀和执行元件堵塞。(3)掌握系统比较简单，处理功率讯号的数学运算误差，检测，放大，测试和补偿功能不如电子，机电装置敏捷简便。总体系统图图 2-4-1 总体系统图(1)总体系统图如图 2-4-1 所示(2)工作过程:小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂回转小臂收缩手部放松(3)电磁铁动作挨次表:表 2-4-1 总体系统图元1DT2DT3DT4DT5DT件 动作小臂伸长手部抓紧腕部回转-+-+-+-+-2小臂收缩-手部放松- 卸荷+-+-±±±±(4)确电机规格：液压泵选取 CB-D 型液压泵，额定压力 P =10Mpa，工作流量在 3270ml/r 之间。选取 80L/min 为额定流量的泵，因此：传动功率N = P ´ Q /h式中：=0.8 阅历值 所以代入公式得：N =10×80×103×106/60×0.8=16.7KN选取电动机 JQZ-61-2 型电动机，额定功率 17KW，转速为 2940r/min。2.5 机身构造的设计机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的构造和受力状况就愈简单，机身既可以是固定式的， 也可以是行走式的，如图 2-5-1图 2-5-1 机身机座构造图臂部和机身的配置形式根本上反映了机械手机构的总体布局。本课题机械手机构的机身设计成机座式，这样机械手机构可以是独立的，自成系统的完整装置， 便于随便安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手机构。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过23程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱协作导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而到达了自由度的要求。2.6 电机的选择机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。带动臂部升降的电机：初选上升速度 V =100mm/sP =6KW所以 n =100/6×60=1000 转/分选择 Y90S-4 型电机，属于笼型异步电动机。承受 B 级绝缘，外壳防护等级为 IP44，冷却方式为I014即全封闭自扇冷却，额定电压为 380V，额定功率为 50HZ。如表 2-6-1 Y90S-4 电动机技术数据所示：表 2-6-1Y90S-4 电动机技术数据型号额定功率 KW电流 A满载时转速效率%功率因堵转电流堵转转矩最大转矩r/min素额定电