组合模块结构工业机械手设计本科学位论文.doc

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1、编号 本科生毕业论文组合模块结构工业机械手设计The designing ofa combined and modular machinery manipulator学 生 姓 名罗博艺 专 业机械电子工程学 号090321515指 导 教 师陈玲学 院机电工程学院2013年6月长春理工大学本科毕业设计摘要本文以“组合模块工业机械手设计”为题目，设计了一个五自由度固定机械手，使其具有水平旋转、上下移动、前后移动、腕部俯仰、夹持器回转并抓取一组物体等功能。并且对机械手进行功能原理分解。设计可行性方案并进行对比，选出最优方案。本文的重点有二个方面文中设计了机械手的机械结构部分，主要包括液压缸的设计

2、与连接件的设计,使用CAD和CATIA完成机械手的总体装配图和非标零件的设计， 并结合力学知识对各非标零件进行校核计算。其中包括外观改进和结构优化。由于机械手采用全液压驱动，故还进行了液压传动回路的设计，此外，要实现机械手自动控制，也设计了PLC控制电路，当机械手到达极限位置时触碰限位开关，电磁阀动作使机械手进行下一个动作。关键词：组合式 机械手 模块化 PLCABTRACTThis paper takes the project “The designing of a combined and modular machinery manipulator” as the study backg

3、round, designs a fixed manipulator which it has 5DOF.The manipulator has some functions, that it can turn in horizontal plane, swing in both horizontal plane andvertical plane ,and capture many miniature parts. The manipulator of function is decomposed. Some of reasonable plans are designed. They ar

4、e contrasted and the best plan is took. The focus of the paper is on three aspects:This paper designs the manipulator of machinery structure, which combined hydraulic cylinder and conjunction.I also use CAD and CATIA to finishes its Auto CAD and non-standard parts in mechanics. This part of the pape

5、r is consist of outward appearance and machinery construction, that they are improved and optimized.The manipulator is drived by hydraulic power ,so the designation of hydraulic circuit is necessary.To reach the aim of automatic control,the manipulator also need a PLC conrrol system.When the manipul

6、ator turn on the limit swich when it reach a limiting position,the solenoid valve will get a singal which would let the hydraulic cylinder to achieve a next action.Keywords:modular;manipulator;combined;PLC目录摘要IABTRACTII第1章 绪论11.1机械手发展状况11.1.1发展历史11.1.2当今技术发展趋势21.1.3国内发展状况及应用举例21.2课题背景及研究意义41.3性能指标51

7、.4 主要功能与系统组成5第2章 设计任务及方案评价72.1设计目标与功能原理分析72.2机械手的配置和工作原理72.3解决原理92.4方案的分析和决策9第3章 结构评价设计123.1组合式专用工业机械手总体方案123.2机械手的部件设计123.2.1机械手的手臂回转模块设计123.2.2手臂升降模块的设计143.2.3手臂伸缩模块153.2.4机械手手腕设计153.2.5夹持器设计16第4章 部件计算与校核194.1手臂回转运动驱动力矩计算194.2垂直运动液压缸计算204.2.1驱动力与活塞杆校核204.2.2 壁厚校核214.3手臂伸缩驱动液压缸计算与校核224.3.1 驱动力校核224

8、.3.2 壁厚校核224.4夹持器计算23第5章 液压原理设计255.1驱动方式255.2工作原理255.2.1液压系统设计255.2.2液压系统特点275.2.3液压系统工作原理275.2.4液压系统工作原理31总结35参考文献36致谢3737第1章 绪论1.1机械手发展状况1.1.1发展历史机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。机械手又称为自动手，能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。它是在早期出现的古代

9、机器人基础上发展起来的，机械手研究开始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的发展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究需求要求某些操作机械手代替人处理方向射物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年开发了机械式的主从机械手。在1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓

10、的额视角再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1968年，美国联合公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用性是1962年美国AMF公司推出的机器人。图1-1 工业机器人的应用1.1.2当今技术发展趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机械手共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。根据机器人技术及其应用和工业机械手设计基础中，当前机器人领域主要研究内容集中在以下几个方面：（1）机械手的优化设计技术:探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重够方向发展。（2）机械手控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言

11、、图形编程界面正在研制之中。机械手控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。（3）多传感器系统：为进一步提高机械手的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器信息融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器信息融合算法。另一个问题就是传感系统的实用化。（4）机械手的机构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝者一体化方向发展。（5）机械手遥控及监控技术，半自主和自主技术，多个机械手和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机械手遥控系统，在有

12、时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。虚拟机械手技术，基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机械手的虚拟遥控操作和人机交互。（6）多智能体调节控制技术：这是目前机械手研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。（7）软机械手技术：主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机械手设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机械手技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机械手意外地与环境或人碰撞时是安全，机器人对人是友好的。（8）仿人和仿生技术：这是机械手技术发展的最高境界，目前仅在某些

13、方面进行一些基础研究。1.1.3国内发展状况及应用举例工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。机械手机器人是国外近30年来新兴起的、且发展较快的一门新学科、新技术。它综合了机械、液压、气动、检测、自动控制、计算机等学科和应用技术的最新成果。国外很多学者甚至认为， 机器人的发展和完善

14、将爆发第三次工业革命。日本在20世纪60年代和美国都在开始进行其相关的研究，到目前为止，工业机器人是最成熟，应用最广泛的一类机器人，世界总量目前已经销售110万台，这是1999年的统计，但这110万台在已经进行装备使用的是75万台，这个量也是不小的。总体情况看，日本在工业机器人这一块，是首位的，成为机器人的王国，美国发展也很迅速，目前在新安装的台数方面，已经超过了日本。尤其在工业方面，机器手更是有着不可取代的地位，如法国赛姆斯公司的大口径弹体自动热冲生产线上， 配有五台工业机械手，使冲压、拔伸和润滑都自动地进行。第一个上料机械手能抓取100kg的重物， 从压力机旁的料架上抓取工件， 旋转135

15、， 将毛坯送到第一工位模膛内。第二个转位机械手， 从第一工位取料送到第二工位， 一火冲两次。第三个转位机械手， 从第二工位的模膛里将冲孔后工件取出倒掉氧化皮， 送到拔伸机。另外两个润滑机械手， 对着热冲两个工位喷涂石墨与机油混合的润滑剂。又如焊接方面，日本东芝Tosmanix一15巧型工业机械手就是用于车体内部点焊生产线上。该机械手的手臂能伸缩、俯仰、回转， 手腕能弯曲、转动、扭转。定位精度士1毫米。机械手手臂的端部有一只点焊钳，焊接变压器装在机械手本体上。该机械手垂直安装在一个形基座上。基座在架空的门形支架上移动、翻转。焊接时， 机械手手臂持焊钳由无顶盖车体上部伸人车体内部， 进行点焊。44

16、个焊点，66 秒可全部焊完。平均每1.5点秒， 其中实焊时间0.6秒。在试验将活塞装到汽缸内， 机械手采用四个触觉敏感器， 以感觉出工件的位置， 能在只有20微米的间隙情况下， 将活塞插人时间仅3秒， 循环时间为8秒。而在美国，布罗瓦钟表Buloa公司采用了微型信息处理机和小型计算机控制的两台。Auto-place机械手， 用于炮弹定时机构装配的上下料。以摄像机作为“眼睛” ， 观察和测定定机械零件的装配情况， 由计算机作出判断， 使机械手在取下装配件时， 将合格的与不合格的分别放到不同的传送带上运走。我们国家在机器人及工业机械手的研究，在20世纪70年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的

17、工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展，发展最迅速的时候，是在1986年我们国家成立了863计划是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展。到现在，我国的智能机器人开发研究己从单纯“跟踪”转到部分创新和为国民经济建设服务的轨道上。根据国内外发展机器人的经

18、验、教训和我国的实际情况，我国为机器人发展制定的发展战略是:4个方向，即工业机器人、特种机器人、关键技术和应用基础研究；重点是工业机器人和特种机器人。在工业机器人和特种机器人这两个方面，又特别强调产品开发和实用化工程。国内在机器人研究和产品开发方面成绩突出的单位有:中科院沈阳自动化所、哈工大机器人所、机械部自动化所、上海交大机器人所、中国矿业大学、山东矿业学院机器人研究中心等。鉴于国民经济发展的需要，国内许多单位和学者正对工业搬运机器人进行全面而深入的研究，例如，大重量负载机器人的研究、玻璃搬运机器人研究、控制系统的研究、轨迹的规划、仿真研究以及搬运机器人工作站等等。 在工业机器人应用和研究方

19、面，日本和美国走在世界的前列，美国是机器人技术发展最早、也是目前机器人技术发展最先进的国家:而日本则是机器人声业化最成功的国家。这些国家的工业机器人技术己经趋于成熟，应用领域相当普及，已制作出各种型号的机器人，可完成点焊，弧焊，切割，搬运，装配等各种工作。1.2课题背景及研究意义机械手的发展已有近400年的历史了。现在全世界已有近100万台机械手在运行，机械手对国民经济和人民生活的各个方面，已产生重要的影响5 机械手技术已成为当今主导技术之一。随着工业机械化和自动化的发展，机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。工业机械手人又称通用自动机械手， 是一种“独立”的可变程序的自动机械手。它是在五

20、十年代末期出现， 近年来才迅速发展起来的重要自动化装置， 现已成为实现工业自动化的一种重要手段。抛光作业是一种非常艰苦的劳动。操作者总是处于噪音大，粉尘多的环境中。操作者总是技术熟练的老工人，也是必存在老龄化的问题。也给企业带来人手不足的问题。另外，随着技术快速发展，相关标准越来越高，零件越来越小，精度越来越高，手工艺不能满足其要求，此时工业机械手开始发挥其潜能，并占有越来越重要的地位。本课题设计的是机加自动线机械手，主要用于上料卸料动作，例如在六角车床上。手臂要求抓取重量5kg，整体自由度为5，机械手臂水平行程为600mm，手臂升降行程为300mm，手臂摆动范围220，手腕摆角90，夹持器转

21、动角度180。线位移最高速度：0.5m/s，最大角位移速度：手腕转动60/S。驱动方式：液压。本课题研究不仅能大幅降低加工成本，还能显著提高微型件的表面质量。因此将机器人应用于微型件加工替代手工操作前景广阔，不仅能大幅度提高生产率，保证产品质量，而且还能解决熟练劳动力的短缺问题。1.3性能指标本课题为“组合模块工业机械手”，题目对机械手提出的主要指标为：（1）零件形式：圆柱型；（2）自由度：5自由度（3）坐标型式：直角坐标；（4）机械手运动参数如表1-1：表1-1 机械手运动参数（5）定位方式：1）手臂旋转、升降、伸缩的位置采用限位开关控制，当手臂运转到指定工作位置时，触碰限位开关，从而发出信

22、号使方向阀工作，停止供油，机械手臂的动作停止，加上调速回路可以调节手臂动作的速度。2）手臂俯仰用活塞式双作用液压缸行程定位，只有两个工作位置。3）夹持器转动定位靠旋转汽缸的行程定位，夹持器刚加紧动作则无需定位，只需要加紧工件即可，加紧力由液压调节。6）手臂升降用汽缸两端缓冲垫缓冲；7）驱动方式：全液压驱动1.4 主要功能与系统组成机械手的构成：机械手主要由执行系统，驱动系统，控制系统和人工智能系统四大部分构成，其中还包括多个子部分。下图是工业机器人对机械手的构成进行分类图1-2 机械手构成而本设计中，机械手的流程主要涉及到如下几个部分：（1）平移：手臂平移；（2）升降：手臂升降；（3）回转：手

23、臂回转，夹持器回转； （4）定位：手臂回转、升降、伸缩；（5）动作：夹持器加紧，放松；1.5 主要系统概述 （1）控制系统：PLC程序控制指令，发送到各个原动机。并根据运动结果执行下一步指令。（2）执行系统：根据指令，动力源通过传动系统，驱动执行系统，完成各项工作。（3）反馈系统：检测系统运行状态，并对控制系统进行反馈，在紧急情况下关头，直接关闭整个系统。第2章 设计任务及方案评价2.1设计目标与功能原理分析由于原理方案设计是机械手产品设计的第一步，是对产品成败、好坏起决定性的作用的工作，所以必须慎重。可以从以下方面来考虑能量方面、安全方面、人机工程方面、运动方面、创造方面、检查方面、作用方面

24、、装配方面、运输方面、使用方面、材料方面、维修及回收方面、几何关系方面、费用方面、驱动方面、执行方面、设计期限方面（1）功能分析1） 明确功能目标对所要求功能抽象化后，将系统功能合理的分成几组，以便设计需要。2） 功能组合功能分解为功能组合提供了组合元素，功能组和的目的是形成多种形成以达到设计功能目标的集合化，即功能结构。显然功能结构形成的多样性与功能分解的合理与否有很大的联系6。（2）寻找解决方案原理解决原理在机械设计及方法中又叫原理作用，所谓作用原理基本上就是把物理学中的物理效应体现在机械原理中的机构上，达到完成设计任务的目的。寻找作用原理目的，就是要找到一种物理效应，并将其与合理的机构最

25、终形成解决问题的方案。改变物理效应，改变几何特征都能获得实现某一功能的解决原理，大多数的设计中，参考已有资料，从物理效应着手寻找解决原理，利用表格和机械原理简图表达出来。（3）原理组合根据功能结构把寻找到的作用原理。组合在一起，形成实现总功能的各种功能原理方案。（4）方案评价在所中介的各个方案中，通过各方面要求进行评价，选择出最佳。2.2机械手的配置和工作原理机械手的配置，如图2-1所示。机械手设置在控制箱上方，取料和上料主要靠从机床上方空间完成动作。图21机械手配置示意图机械手需要满足功能列举如下：（1）在机床加工前后，需要机械手搬运毛坯和成品，输送线或者是料仓一半在机床旁，因此机械手需要有

26、绕竖直轴转动的能力。能满足上料时毛坯库范围，下料后成品库范围。（2）在取料，上料过程中，为了提高节拍，需要马上取料后再装料，因此需要两只手同时操作。（3）安装，取料，根据不同工件毛坯的形态，需要机械手腕能够实现摆动，以便于满足安装姿态的需要。（4）根据工件的尺寸大小，夹持需要满足多种尺寸的工件，因此范围夹持也是机械手的必须功能。2.3解决原理根据机械手各部分的工作原理及要求，列出原理模块图标如下表2-1表2-1 机械手工作原理功能ABC1.机械臂平移液压驱动丝杆螺母驱动2.机械臂升降液压驱动丝杆螺母驱动齿轮齿条3.手臂俯仰电机齿轮气动液压4.手臂回转电机气动液压5.手腕俯仰机电气动机电液压气动

27、液压6.夹持器回转电机气动液压2.4方案的分析和决策（1）评价准则评价准则是进行评价的依据。通常都使用多个评价准则，有的评价准则可用定量的参量表征，有的则不能。评价准则来源于设计所要达到的目标，具体的说，就是从要求明细表里包含的各项要求和愿望中提取8。（2）衡量尺度采用“价值”或“有效价值”作为方案评价的衡量尺度。所谓价值，是基于实际的测量结果或估计结果相对评价准则进行比较得到的主观认识，具有很大的主观成分，故又可说这一工作是“主观步骤”。（3）评价方法本文涉及采用排除法来解决方案选择问题，排除法是指针对多种方案，首先去掉不能满足功能的方案，再次去掉复杂繁冗方案最后所得的方案经过探讨而决定选用

28、满足功能价格低廉的方案：相比机电，气动，液压三种动力和控制方案，液压驱动的特点有：液压传动目前用得最多的一种传动方式，压力可在1-30Mpa，。液压驱动机械手多用于要求臂力较大而运动速度较低的工作场合。（1）驱动力和驱动力矩较大，臂力可达100公斤；（2）速度反应性较好。因为被驱动件的速度快慢取决于油液的容积变化，所以当不考虑油液的温度变化时，被驱动系统的滞后也几乎没有，而且液压机构的适量轻、惯性小，因此它的速度反应性较好；（3）调速范围较大，而且可以无级调速，易于适应不同的工作要求；（4）传动平稳，能吸收冲击力，可以实现较频繁而平稳的换向；（5）在产生相同驱动力的条件下，液压驱动比其他驱动方

29、式体积小、重量轻、惯性小。液压驱动的缺点：（1）液压体积庞大，需要液压站，不利于在局促空间下布置。（2）液压系统噪音大，漏油现象常有，对现场环境影响恶劣。（3）液压系统造价高，一般用于重载。（4）油液中如果混入气体，将降低传动机构的刚性，影响定位精度(产生爬行) 。（5）油液的温度和粘度变化影响传动性能。（6）因为液压一般应用于重载，在轻载方面，完全可以通过气压传动替代，因此，本方案排除液压。相对于液压传动与气压传动又各有以下特点：气动驱动的特点有：（1）气压传动的压力一般在4060N/cm2，个别达到80100N/cm2，一般臂力在300N以下。气压驱动的机械手，常用于臂力小于30公斤、运动

30、速度较快以及高温、低温、高粉尘等工作条件较恶劣的场合。（2）通过调节气流，就可实现无级变速；（3）由于压缩空气粘性小，流速大，因此气压驱动的机械手动作速度快；（4）压缩空气可从大气中吸取，故动力源获得方便、价格低廉，而且废气直接排放在大气中；（5）由于压缩空气粘度小，因此在管路中的压力损失也很小，一般其阻力损失不到油液在油路中损失的千分之一；故压缩空气可以集中供应，远距离输送；气动驱动的缺点（1）压缩空气的压缩性较大，因此使机械手的运动平稳性较差，定位精度较低，（2）压缩空气排到大气中时噪声较大（3）另外还须考虑润滑和防锈等（4）耐压缩空气的工作压力较低，致使机械手结构较大。通过考虑方案的经济

31、性，安全性，耗能的合理性等等，过多的液压缸、凸轮等非标零件会造成生产和维修的困难；像凸轮等零件、多级机械传动又会造成定位准确性差；完全的电子控制会造成耗能量大的缺点；还要考虑生产时的机械稳定性和零件的寿命；同时对周围生产环境的影响各因素都要加入到各方案中。综上所诉，对各个部分进行组合，可得出最合理的方案：方案：1A2A3A4C5C6C第3章 结构评价设计3.1组合式专用工业机械手总体方案图3-1 组合式工业机械手机械手主要由6个模块组成，分别是1 手臂回转模块、2 手臂升降模块、 3手臂伸缩模块、 4手腕俯仰模块、5夹持器回转模块、6夹持器。手臂回转液压缸带动整个机械手旋转，极限摆动角度为22

32、0。手臂升降液压缸带动手臂上下移动，与回转缸相连随之转动，极限行程为300mm。手臂横移液压缸带动手腕模块、夹持器模块伸缩。手腕模块固定在手臂上，摆动角度90，靠一个双作用式活塞液压缸推动完成动作。夹持器模块固定在手腕上，夹持器可以绕操纵轴旋转180，靠一个单叶片式回转液压缸推动实现动作。夹持器动作依靠单作用式活塞液压缸推动实现，回程靠弹簧推动。3.2机械手的部件设计3.2.1机械手的手臂回转模块设计机械手手臂回转是最基本运动之一，其定位精度要求最高，需要机械手快速、准确的摆动到需要达到位置。手臂回转缸的设计准则为：（1）定位精度回转缸的运动是处于最底层的运动，其运动位置对夹持器的位置起着决定

33、作用，手腕俯仰动作对其位置不能调整，所以位置精度要求最高。（2）密封要求由于采用液压驱动，液压油的密封问题成了很重要的问题，液压油的泄露会导致严重污染，也会导致传动精度不准确。（3）螺钉连接强度要求对于液压缸来说，由于要保证液压缸传动所需要的压力，螺钉连接缸体跟端盖，如果连接强度不够，会导致液压缸密封出现问题，导致泄漏。（4）法兰盘强度要求由于整个回转模块处于最底层，剩下模块的重量直接作用在连接法兰盘上，为了保证法兰盘的强度，不被压溃，需要合理设计其结构，合理选择材料。（5）螺栓连接强度要求由于用螺栓把回转缸固定在基座上，当机械手夹取工件时会产生很大的倾覆力矩，为了保证整体连接强度，需要选取合

34、适的螺栓。（6）整体协调对于机器的要求不仅要满足要求，还应美观大方，其结构应该与别的模块结构协调。（7）其他如散热要求，防腐蚀要求等等。液压缸设计如图3-2：图3-2 手臂回转液压缸回转液压缸主要由缸体、前后端盖、轴、轴承、动片、静片组成，缸体圆周上有进油口、出油口，依靠液压油推动动片与轴转动，动片用紧定螺钉固定在轴上，静片用定位销与螺钉与缸体连接，静片用来保证摆动的极限位置，前后端盖与缸体用螺钉连接。3.2.2手臂升降模块的设计图3-3 手臂升降液压缸此液压缸采用拉杆连接式双作用活塞液压缸，两端设置有挡块，最大行程为300mm，一共有四根拉杆，起到导向作用，另外还有三根加强杆。此模块需要考虑

35、的问题：（1）密封问题由于采用液压传动，液压油的泄露问题是设计者必须考虑的。（2）连接部分强度由于此液压缸竖直放置，上面有重量很大的三个模块，连接部分用螺栓连当夹取工件时会有很大的倾覆力矩，连接处螺栓强度要保证。（3）活塞杆稳定性 由于活塞杆最大伸出长度为300mm，当处于极限位置时，由于负载很大可能导致活塞杆失稳，因此要保证活塞杆的稳定性和强度。 （4）定位精度 需要保证液压缸停在任意位置，以适应夹取不同位置工件的情况，所以需要有定位精度。（5）回程自锁此液压缸是竖直放置，当达到行程时需要自锁，这个靠液压自锁回路保证。3.2.3手臂伸缩模块手臂伸缩液压缸结构如图所示：图3-4手臂伸缩液压缸

36、机械臂伸缩的动力来自液压系统，由于行程为600mm，导致活塞杆伸出长度太长，在夹取工件时会导致活塞杆末端挠度过大，因此采用了拉杆式连接液压缸，拉杆还起到了导向作用，另外还有三根加强杆，可以在活塞伸最长时提高其强度。设计时需要考虑的问题：（1）密封问题（2）活塞杆的强度由于才有了拉杆式连接，并且加了三根加强杆，因此活塞杆的强度得到了加强，在设计时考虑材料选取即可。（3）液压缸的重量由于伸缩模块安装在顶端，重量过大会导致升降模块承受负载过大，所以其重量不需要尽可能的轻。3.2.4机械手手腕设计手腕俯仰动作用双作用式活塞液压缸推动实现，液压缸结构如图所示：图35俯仰支撑缸手腕部分需要能够俯仰90，以

37、便调节夹持器的位置。再设计此液压缸时需要考虑的问题有：（1）液压缸的行程此处不需要有定位，液压缸只有两个工作位置，在设计时只需要保证极限位置即可。（2）液压缸的压力为了保证能够顺利推动工件，液压缸的压力必须合适。（3）连接部分强度由于多个部分采用铰链连接，所以破坏了轴的强度，铰链连接要有足够的强度。3.2.5夹持器设计夹持器是用来抓取工件的部分。夹持器抓取工件要满足迅速，灵活，准确和可靠的要求，所以机械手的夹持器是机械手的关键部位之一。设计夹紧机构时，首先应从机械手的坐标形式，运动速度和加速度的情况来考虑，其夹紧力的大小则应根据物体的重量，惯性和冲击力的大小来确定，同时要考虑到有足够的开口尺寸

38、，以适应工件的尺寸变化，为了防止夹坏工件，夹紧力应在一定的范围内，并镶有软质垫片，弹性衬垫或自动定心结构。夹紧结构本身则应结构简单，体积小，重量轻，动作灵活和工作可靠。夹紧机构的分类：夹紧机构形式多样，有机械式；吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计的夹紧机构采用机械式，下面对机械式夹紧机构介绍如下：机械式夹紧机构是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动方式和模仿人手动作可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式，外撑式和自锁式；按手指数目可分为三指式，二指式；按动力源则分为弹簧式、气动式、液压式等。机械夹紧机构是由驱动元件，手爪支持部件，传动机

39、构，手指及各种垫片，附件等组成。（1）驱动元件：主要有油缸，弹簧等。（2）手爪支持部件：一般固定在手腕和手臂上，而驱动件，传动机构和手指安装在手爪的支持部件上；（3）传动机构：是把活塞杆的运动变成手指开闭运动的机构，有齿条，齿轮机构杠杆滑槽机构，及铰链连杆机构等。它不仅把活塞杆的运动传递给手指，而且又将这个机构设计成为力的倍增机构。图3-6 回转液压缸见图3-7，夹持器回转液压缸实现回转动作，极限回转角度为180夹持器机构如下图所示，手指动作依靠活塞杆的推动完成，回程动作用弹簧完成。图3-7夹持器第4章 部件计算与校核4.1手臂回转运动驱动力矩计算臂部回转的驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与

40、回转部件支撑处的摩擦力矩计算。由于启动过程一般不是等加速运动，故最大驱动力要比理论平均值大些，一般为平均值的1.3倍，驱动力矩Mq可按下式计算：=1.3（+）（Nm） （式4.1.1）式中 Mm各支承处的摩擦力矩；Mg启动时惯性力矩，一般可按下式计算：Mg=J*/t式中 J手臂部件对其回转轴线的转动惯量；手臂转动的角速度(弧度/s)；t起动过程所需的时间(s)。在本设计中，测得J=77（） 本设计中，工作角速度为60/s，启动时间0.1s由4.1.1计算得：Mq=786（Nm）下图为转动叶片截面图： 图4-1 回转缸定子、转子截面图单叶片式液压缸扭矩输出公式可按下式计算：T=zb(D-d)(p

41、1-p2)/8 （式4.1.2）式中 z叶片数； b叶片宽度； D缸体内孔直径； d叶片轴直径； p1液压缸的进口压力； p2液压缸的回油压力。经计算得出输出扭矩T=1460Nm所以输出扭矩MMq,故可以推动液压缸转动，所涉及液压缸合理。4.2垂直运动液压缸计算4.2.1驱动力与活塞杆校核手臂作垂直运动时，除了客服摩擦力和惯性力外，还有客服臂部运动部件的重力，其驱动力可按下式计算：=+W（N） （式4.2.1）式中 Fm各支承处的摩擦阻力 Fg启动过程中惯性力； W手臂运动部件的总重量（N）； 上升时为正，下降时为负。可按下式计算：=W/g*a (式4.2.2)式中 g重力加速度(ms ) a

42、启动过程中平均加速度(ms ) a=(ms )速度变化量。如果手臂从静止状态加速到工作速度，则这个过程中速度变化量就等于手臂的工作速度。启动过程所用时间。一般为0.010.5（s）。本设计中，设计启动时间为0.1s，工作速度为50mm/s，导向套摩擦系数为0.1。粗略计算得运动部件的重量为65Kg，升降速度50mm/s，启动时间0.02s。计算得Pq=65010+65010（0.050.2）+650=877（N） 在本设计中，此液压缸的安全系数为1.1由（式4.2.1）得P=1653*1.1=1053 (N)选取液压缸的额工作压力为1MPa,则输出力为FF=P*A式中 A活塞面积经计算F=28

43、26（N）Pq活塞杆强度校核： =3.1mm在本设计中活塞杆直径为30mm3.1mm,满足设计要求。图4-2 活塞及缸体截面图4.2.2 壁厚校核按薄壁筒公式计算:式中: - 缸筒壁厚，mm气缸内径，mm- 实验压力，取, Pa选取材料为:45钢,=120MPa代入己知数据，则壁厚为:=0.37mm设计液压缸壁厚为10mm0.37mm，设计符合要求4.3手臂伸缩驱动液压缸计算与校核4.3.1 驱动力校核手臂作水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦力及导向杆与支承滑套之间的摩擦力等，还要克服启动过程中的惯性力。其驱动力可按下式计算：=+（N） 式（4.3.1）式中 各支承处

44、的摩擦阻力 启动过程中惯性力粗略计算运动部件重量为22Kg。最后计算得：=0.122+22（0.50.1）=112(N)本设计中，此液压缸安全系数取1.2。由式（4.3.1）得，=112（N）P=112*1.2=135(N)选取工作压力为0.2MPa,经过计算工作时推动力为F=770(N)所以F，计算合格。4.3.2 壁厚校核按薄壁筒公式计算:式中: 缸筒壁厚，mm气缸内径，mm实验压力，取 ，(Pa)选取材料为:45钢,=120MPa代入己知数据，则壁厚为:本设计中壁厚为10mm，符合要求。=0.08mm4.4夹持器计算图4-3 夹持器（1）夹紧缸力的计算： 如上图所示：设活塞杆作用于楔体的

45、作用力为P2，指端的作用力为P1，夹紧力N=100牛，则P2、N，P1，的关系如下： (4-25) 根据力的合成：本设计的机械手各参数如下：图4-4 夹持器工作原理b=16.4，c=15.6，=60，N=250N将参数及关系代入上式：P2=743N设夹紧缸作用于活塞的力为F，弹簧作用于活塞杆的力为F，楔体作用于活塞杆的反作用力为P2，则其简图如图4-11图4-5 作用力简图它们之间的关系为：弹簧力选用压紧状态最大弹力为100N，那么汽缸作用力需要=843N那么缸面积公式为则缸径为那么缸径需要大于19mm，手臂升夹紧能能够实现设计缸径在20，满足使用要求，计算中使用的气压是1.5MPa，要想调节夹紧力，只需要调节液压压力即可。（2）弹簧的弹力计算如下： (4-26)其中，G为材料的切变摸量：钢为8104MPad为弹簧簧丝直径：d=3n为弹簧的有效圈数：n=10为弹簧的最大变形量：max=30d2为弹簧的直径：D2=15将各参数代入公式：Fmax=88.9N第5章 液压原理设计5.1驱动方式目前机械手常用的驱动方式有液压