曲轴搬运机械手设计-毕业论文.doc

毕 业 设 计（说明书）

题 目 曲轴搬运机械手
专 业机械设计制造及其自动化
学生姓名
学 号
指导教师
论文字数
完成日期

32

机械设计制造及其自动化

摘要：随着科学技术的发展和自动化生产线在企业产品生产中的广泛应用，机械手作为自动化生产线的重要组成部分也得到了长足的发展和进步。尤其是随着机械结构的优化，气动、液压技术的成熟，控制元件的发展和控制方式的不断改进和创新，机械手的动作精确性、控制灵活性和工作可靠性得到了明显的改善。机械手的出现在减轻工人劳动强度和难度、提高工作效率和质量、降低生产成本上做出了突出贡献，机械手的发展在企业的发展和创收上起到了举足轻重的作用。本课题是一个机、电结合较为紧密的实用性项目，文中对PLC的应用、机械结构的设计、控制方法的选择等方面进行了必要的探讨。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。
关键字：机械手，液压驱动，PLC（可编程控制器）
The Manipulator For Moving The Engine’s Crank

Abstract:With the development of the science and technology and the application of the automobile product line in the production, the manipulator, who serves as the important part of the automobile product line, has also experienced dramatic progress and development. Especially with the improvement of the structure of the machine, the maturity of pneumatics and hydraulics, and the constant improvement of the control element such as the singlechip, PLC, the motion controller, and soon, and the ceaselessly ameliorative and innovative control mode, the precision, delicacy and reliability of the manipulator has been improved expressly, which contributed to alleviating the worker’s labor intensity and difficulty, boosting the working efficiency and quality, reducing cost, as to play an extremely important part in the development and income of the corporations. The subject is a practical item where the mechanics and electrics are integrated very closely. The writer has made a necessary discussion in the application of PLC, the optimize of mechanical structure and the study of control mode and researches into the mechatronics. the writer summarizes the whole thesis and points out the amelioration, perspective and developing direction of the manipulator.
Key Words: manipulator, the hydraulic pressure drive, PLC(Programmable Logic Controller)

目录
第1章 绪论 1
1.1 工业机器人（机械手）的概述 1
1.1.1 工业机器人的发展 1
1.1.2 工业机器人的分类 1
1.1.3 工业机械手的应用 2
1.2 设计问题的提出 2
第2章 机械手的总体设计 3
2.1 机械手的组成及各部分关系概述 3
2.2 机械手的设计分析 3
2.2.1 设计要求 3
2.2.2 总体设计任务分析 3
2.2.3 总体方案拟定 5
第3章 机械手结构的设计分析 6
3.1 末端操作器的设计分析 6
3.1.1 末端操作器的概述 6
3.1.2 末端操作器结构的设计分析 6
3.2 手腕的设计分析 6
3.3 手臂的设计分析 6
3.4 机身和机座的设计分析 7
第4章 机械手各部件的载荷计算 8
4.1 设计要求分析 8
4.2 手指夹紧机构的设计 8
4.2.1 手指夹紧机构载荷的计算 8
4.3 手臂伸缩机构载荷的计算 9
4.4 手臂俯仰机构载荷的计算 10
4.5 手腕摆动机构载荷力矩的计算 10
4.6 机身摆动机构载荷力矩的计算 12
4.7 初选系统工作压力 12
第5章 机械手各部件结构尺寸计算及校核 14
5.1 手指夹紧机构结构尺寸的确定 14
5.4 手腕摆动机构的确定 17
5.5 机身摆动机构的确定 17
5.5 强度校核 17
5.6 弯曲稳定性校核 18
第6章 液压系统的设计 20
6.1 液压缸或液压马达所需流量的确定 20
6.3 液压缸或液压马达主要零件的结构材料及技术要求 21
6.3.1 缸体 21
6.3.2 缸盖 21
6.3.3 活塞 21
6.3.4 活塞杆 22
6.3.5 液压缸的缓冲装置 22
6.3.6 液压缸的排气装置 22
6.4 制定基本方案 22
6.4.1 基本回路的选择 22
6.5 液压元件的选择 23
6.5.1 液压泵的选择 23
6.5.2 液压泵所需电机功率的确定 24
6.5.3 液压阀的选择 24
6.5.4 液压辅助元件的选择原则 25
6.5.5 油箱容量的确定 26
6.5.6 液压原理图 27
结论 29
参考文献 30
致谢 31
附录 图纸列表 32

第1章 绪论

1.1 工业机器人（机械手）的概述
1.1.1 工业机器人的发展
1954年，美国人George C.Devol在他申请的专利“Programmed article transfer”中，首次提出了“工业机器人”的概念。1958年，被誉为“工业机器人之父”的Joseph F.Engle Berger创建了世界上第一个机器人公司——Unimation公司，并参与设计了第一台Unimat机器人。与此同时，另一家美国公司——AMF业开始研制工业机器人，即Versatran机器人，它主要用于机器之间的物料搬运。1970年4月，在伊利诺斯工学院召开了全美第一届工业机器人会议。
日本机器人的发展，经过了20世纪60年代的摇篮期、70年代的实用化时期以及80年代的普及、提高期3个基本阶段。在1967年，日本东京机械贸易公司首次从美国AMF公司引进Versatran机器人。1968年，日本川崎重工业公司与美国Unimation公司缔结国际技术合作协议，引进Unimation机器人，1970年实现国产化。从此日本进入了开发和应用机器人技术时期。1980年，机器人技术在日本取得了极大的成功与普及。现在日本人呢拥有的工业机器人的台数约占世界总台数的65%，而且其制造技术也处于领先地位。
我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，1972年我国开始研制自己的工业机器人。经过几十年的发展，大致经历了三个阶段：70年代的萌芽期、80年代的开发期和90年代的适用化期。现在，国家更重视机器人工业的发展，也有越来越多的企业和科研人员投入到机器人的开发研究中。目前，我国研制的工业机器人已经达到了工业应用水平。我国机器人技术研究主要体现在以下五个方面：一是示教再现型工业机器人；二是智能机器人；三是机器人化机械；四是以机器人为基础的重组装配系统；五是多传感器信息融合与配置技术。
1.1.2 工业机器人的分类
表1-1 机器人分类表
分类名称
简要解释
操作型机器人
能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统
程控型机器人
按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作
示教再现型机器人
通过引导或其他方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行工作
数控型机器人
不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业
感觉控制型机器人
利用传感器获取的信息控制机器人的动作
适应控制型机器人
机器人能适应环境变化，控制自身的行为
学习控制型机器人
机器人能“体会”工作经验，具有一定的学习能力，并能将所“学”的经济用于工作中
智能机器人
以人工智能决定其行为的机器人
关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。一般的分类方式如上表。
1.1.3 工业机械手的应用
工业机械手是伴随工业生产和科学技术的发展，特别是电子计算机的广泛应用而迅速发展起来的一门新兴技术装备。它综合应用了机械，电子，自动控制等先进技术以及物理，生物等学科的基础知识，以实现机械化与自动化的有机结合而广泛应用在工业生产的各个部门。
工业机械手是工业生产发展中的必然产物。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件和握持工具进行操作的自动化技术装备。这种新颖技术装备的出现和应用，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用，因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。
工业上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构形式亦各有不同，技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂，手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地，重复循环地进行工作。此外，还有些非自动化的装备，具有与人体上肢类似的部分动作，结构上与工业机械手是一致的，亦可归属于工业机械手的范畴。例如，早期就有一种由人直接用绳索牵引进行操作的随动机械手和近期发展起来的由人工进行操作的机械手（如平衡吊），以及一些就近按扭控制和遥控的非自动的单循环的机械手等。
实践证明，工业机械手可以代替人的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期，频繁，单调的操作，采用机械手是有效的；此外，它还能在高温，低温，深水，宇宙，放射性和其他有毒，污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。

1.2 设计问题的提出
在生产实践中，常常需要将上料、加工、卸料等工序进行合理的安排，组成一条自动流水加工线。但在流水线上加工时，需要许多工人搬运工件，有时劳动强度较大。当生产效率很高时，为了减少工人数量，改善工人的劳动条件，提高劳动生产率这就需要使自动线上工件搬运自动化。于是针对这一问题就提出了要研制一种搬运机械手来代替工人实现工件的搬运上线，并且能满足定位和重复定位精度。用搬运机械手来代替工人搬运工件可以减轻工人的劳动强度，减少自动线上的工人数目，同时也提高了生产效率并且精度也得到了保障。而事实上，在生产领域真正用来加工的时间一般不大于整个生产时间的10％，大部分时间是用在了工件的搬运、装夹等辅助工序上。从这个方面可以看出研制一种自动化搬运机械手的迫切性和重要性。
第2章 机械手的总体设计

2.1 机械手的组成及各部分关系概述
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 机械手的设计分析
2.2.1 设计要求
某生产线上搬运工件原由人工完成, 劳动强度大、生产效率低。为了提高生产线的工作效率, 降低成本, 使生产线发展成为柔性制造系统, 适应现代自动化大生产, 针对具体生产工艺, 利用机器人技术, 设计用一台搬运机械手代替人工工作。
该机械手能完成如下的动作循环：手臂前伸→手指夹紧抓料→手臂上升→手臂缩回→机身回转180度→手腕回转90度→手臂下降→手臂前伸→手指松开→手臂缩回→机身回转复位→手腕回转复位→待料。
2.2.2 总体设计任务分析
(1) 结构形式的设计: 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。
圆柱坐标型是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，这种机器人一般由和大小臂组成，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，不包括末端操作器的开合度。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，设计四个自由度的机械手即可完成所规定的工作任务。从机座到手腕，关节的运动方式为旋转-直线-直线-旋转，即RPPR型。
(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。
并且，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。
另外该机械手的动作是有顺序要求的，控制系统采用PLC控制机械手实现设计要求的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。
综合上述，此次采用电-液伺服点位控制，可以很好的完成自动线工作。
2.2.3 总体方案拟定　
因为本机械手工作范围大，位置精度要求高。考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设计采用悬臂式四自由度的机械手，简图下所示：

图2-1 机械手结构简图
自由度具体分配如下：
1）手臂回转自由度。拟采用摆动油缸来实现，摆动缸的动片与缸体相连接，通过油液带动叶片转动，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）手腕回转自由度。拟采用摆动液压缸来实现。当注入压力油时，油压推动动片连同转轴一起回转。因为动片是固定在转轴上的，故动片转动时，转轴也随着其一起转。而末端操作器与转轴是固定在一起的，故转轴一转手部便一起转，从而实现手腕的回转运动。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。

第3章 机械手结构的设计分析

3.1 末端操作器的设计分析
3.1.1 末端操作器的概述
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，故在此不多做介绍。
3.1.2 末端操作器结构的设计分析
根据发动机曲轴结构特点，本次设计的机械手的末端操作器宜采用夹钳式取料手。
夹钳式取料手的手指的结构形式通常取决于被夹持工件的形状和特性。其中V形指一般用于夹持圆柱形工件，具有夹持平稳可靠，夹持误差小等特点。

3.2 手腕的设计分析
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 手臂的设计分析
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，这样当压力油进个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。摆动马达布置在机身上部，手臂部件用销轴与回转缸体上的耳叉连接，作为手臂俯仰运动的支点。回转缸的转轴和机身固定连接，摆动缸的动片与缸体相连，当摆动缸进压力油时，通过叶片的带动，缸体随之转动，从而实现机身的回转。
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 机身和机座的设计分析
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。
第4章 机械手各部件的载荷计算

4.1 设计要求分析
本课题设计的曲轴搬运机械手采用关节型坐标系、全液压驱动，具有手臂伸缩、俯仰、回转和手腕回转四个自由度，以及手指的抓取动作。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、手臂回转机构和各定位装置等组成，每一部分均由液压缸驱动与控制。
它完成的动作循环为：手臂前伸→手指夹紧抓料→手臂上升→手臂缩回→机身回转180度→手腕回转90度→手臂下降→手臂前伸→手指松开→手臂缩回→机身回转复位→手腕回转复位→待料。

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。
4.2.1 手指夹紧机构载荷的计算
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1.2～2.0；
——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0.3～0.5。
——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。0.9～1.1。
——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：
160

4.3 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0.5～1.5。
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 手腕摆动机构载荷力矩的计算
设计采用摆动液压缸实现，缸盖通过法兰与手臂活塞杆联接，结构如图所示：

图4-1 手部结构简图
手腕回转运动驱动力矩，应根据抓紧工件时运动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（0.9～0.99），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（），一般为0.1～0.5。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0.5～1.5。
经过计算可得如下结果：

=

4.6 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（0.9～0.99），驱动力矩按下式计算：

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:

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0.1～0.5s。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=0.5～1.5m/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：

=

4.7 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
<5
5～10
10～20
20～30
30～50
>50
工作压力/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
≥5
表4-2 各种机械常用的系统工作压力
机械类型
机
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
磨床
组合
机床
龙门
刨床
拉床
工作压力/MPa
0.8～2
3～5
2～8
8～10
10～18
20～32
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。

第5章 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 手指夹紧机构结构尺寸的确定
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
0.2～0.5
回油路带调速阀系统
0.4～0.6
回油路设置有背压阀的系统
0.5～1.5
用补油泵的闭式回路
0.8～1.5
回油路较复杂的工程机械
1.2～3
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/MPa
≤5.0
5.0～7.0
≥7
/
0.5～0.55
0.62～0.70
0.7
当液压缸的往复速度比有一定要求时，杆径可由下式计算。
= （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