柔性冲压生产线搬运机器人设计.doc

全套设计（图纸）加扣扣 194535455
摘要
目前，工业机器人已经广泛运用于工厂的生产车间，搬运机器人更是在车间的生产线上随处可见。由于生产车间的人工劳动力越来越缺乏，而生产车间的劳动强度也不断增强，故而越来越多工业机器人被运用到生产中，其中常见的有搬运机器人、弧焊机器人、点焊机器人等。在生产车间中机器人是工业生产中的主要劳动力，工业机器人的运用使得车间生产效率大大提高。我国的工业机器人相比国外强者来说，技术还很缺乏，需要不断的研究改进。近年来我国在工业机器人的理论、技术研究方面取得了傲人的成就，使得我国与国外强者在机器人方面的技术差距不断减小。
本课题针对工厂的规模限制以及工厂中冲压机床的数量不足的现象，设计了一种搬运机器人组成柔性生产冲压线，以便将多道工序在同一机床加工。其主要任务是将指定位置的汽车冲压模具，搬运到冲压机床工作台上，在冲压完成后将工件搬运到另一处指定地点。
首先，针对柔性冲压生产线的实际情况对机器人进行结构设计、材料的选择及其强度、刚度验证，包括机器人应具有的合理自由度的确定、各个关节尺寸设计，及各个运动关节的结构设计。其次，对机器人关节所需动力源的计算选择，并给出相关技术参数。本文所选择的提供机器人运动的动力元件为液压缸。进行液压缸活塞驱动力计算，及其材料的强度、刚度验证。然后，给出机器人运动控制的初步方案。最后，根据已经设计好的尺寸运用绘图软件建模。将所设计机器人模型导入ADAMS中，通过运动关系副的添加进行运动分析，得到其角速度以及角加速度的运动曲线图，以验证其合理性。

关键词 ：工业机器人 结构设计 液压缸 控制系统
The design of handling robot about flexible punch line
Abstract：At present, industrial robot have been widely used in industrial machinery production workshop, the use of robot is more common. Due to the lack of labor is more and more common in production workshop, and the labor intensity is also growing., More and more industrial robots have been applied to production, which mainly are handling robot, welding robot, welding robot etc. Robot is the key equipment in the industrial .With the help of robot, the efficiency is improved. Compared with foreign robot, our robot in technology is behind them, so we have to do more and more research about this. However, recent years we have made great progress in technology, materials and design. We are on the way to catch up with eastern countries.
The design is for solving the problem which are the lack of punching machine and limit size, so I have designed a flexible stamping production line composed by a robot, its main function is multiplying several process on a same machine tool. . Its main task is to specify the location of the car stamping die, moving to the stamping machine tool workbench, after the stamping is completed then, moved to another designated location.
Firstly, choose the materials which is able to satisfy the stiffness and the strength in the actual situation. Also, I have design the structure of the machine. Next, do the job which is verifying the freedom and structure Secondly, the calculation and selection of the power source for the robot joints is given, and the relevant technical parameters are given. The power element of the robot motion is hydraulic cylinder. Hydraulic cylinder piston driving force, and its material strength, stiffness verification. Then, the preliminary scheme of robot motion control is given. Finally, according to the size of the design do the graphics software. Model the robot I have designed into ADAMS. Through the kinematic analysis, the angular velocity and angular acceleration of the motion curve are obtained, and the rationality of the motion curve is verified.
Key words: Industrial robot，Structure design，Hydraulic cylinder，Control system

目录
第1章 绪论 1
1.1设计背景及来源 1
1.2国内外工业机器人的发展现状 1
1.2.1国外发展现状 1
1.2.2国内发展现状 2
1.3存在的问题 3
1.4本文拟使用的方案 4
第2章 机器人的手部设计 5
2.1 机器人的总体方案设计 5
2.2 手部设计要求 5
2.3 机器人动力源的选择 6
2.3.1动力元件的选用 7
2.4 手爪的夹紧力计算 8
2.4.1 手指结构受力分析 8
2.4.2手指对工件的夹持力的计算 9
2.4.3夹紧缸驱动力的计算 10
2.4.4液压缸的尺寸计算 11
2.4.5手指的刚度验证 13
第3章 臂部的结构设计 15
3.1 腕部的结构设计 15
3.1.1工业机器人的腕部结构特点 15
3.1.2工业机器人的腕部回转力矩计算 15
3.1.3 回转油缸的驱动力矩计算 17
3.1.4 液压缸缸盖联接计算验证 18
3.2 工业机器人的臂部结构计算 19
3.2.1工业机器人的臂部设计要求 19
3.2.2臂部的结构形式。 19
3.2.3臂部的驱动力矩计算 20
3.2.4缸盖联接件的计算验证 20
3.3 机座的结构设计 21
第4章 机器人的控制系统设计 22
4.1机器人的控制方式 22
4.2控制方案的设计 23
4.3控制策略 24
第5章 机器人的运动仿真 25
5.1机器人的建模 25
5.1.1 使用solidworks建模 25
5.2 机器人的仿真运动 28
5.2.1 ADAMS的介绍 28
5.2.2实际操作 28
5.3 仿真结果 30
5.4 轨迹方程 31
5.4.1空间坐标的选用 31
5.4.2坐标方程的确定 32
总结 34
致谢 35
参考文献 36

第1章 绪论
1.1设计背景及来源
随着现代科学技术的快速发展，工业生产将面临越来越多的挑战与压力。工业生产的强度不断提高，生产精度要求也在不断的提高，以及高温高压、低温低压等恶劣的工作环境，已经不适合人工操作，故由工业机器人代替人工操作的现象越来越普遍。工业机器人是模仿人的动作，按照已经编写好的程序，及空间运动轨迹，实现抓取、搬运或进行加工的机器。工业机器人不但可以适应恶劣的工作环境，还可以提高生产效率以及生产精度等，故而工业机器人的快速发展势在必得。在美国、德国、日本等工业技术发达的国家中，工业机器人已经广泛应用于汽车制造以及汽车零部件制造、机械加工、交通运输等行业中[1]。在工业生产中使用工业机器人代替人工进行作业势在必行。
本设计是来源于某工厂柔性生产冲压线，由于冲压机床的数量限制以及生产车间的规模限制，致使该生产线无法实现大批量、高效率生产。并且在生产过程中劳动强度大，故而若使用人工搬运所需要的劳动力大，成本高。基于上述原因，考虑设计一种机器人，实现夹取、搬运等工作，来代替人工操作，从而解决上述问题。
1.2国内外工业机器人的发展现状
1.2.1国外发展现状
从20世纪60年代，在第一台由美国AMF公司制造的Versatran机器人，用于工业生产之后，经过几十年的不断发展，工业机器人已经广泛应用于工业生产中，国外对机器人的研究起步时间比国内要早很多，起初是对工业机器人的结构和信息处理的研究，工业生产技术的日趋进步将会使工业机器人越来越多的被使用到工业生产当中[2]。
工业机器人技术在国外的发展较为成熟，工业机器人已经成为生产线上的主要“人员”，在一些机器人技术发达的国家中，机器人已经不仅仅局限于工业生产，而被使用到餐饮服务等行业中。国外的工业机器人技术发展速度可以用飞速来形容，是计算机技术之后又一次的技术创新。国外最为典型的工业机器人技术强国有：德国、日美、美国等国家。
至今在国际上公认的拥有典型代表的是日系和欧系机器人，日系主要以安川、FANUC等为代表，欧系有德国的KUKA、瑞典ABB等[3]。在20世纪80年代，是日本机器人发展最为繁荣的阶段。德国拥有的工业机器人的数量在当时排在世界第三位[4]。图1-1为焊接机器人的一种。图1-2为工业机器人在完成作业时的现状。

图1-1 焊接机器人
图1-2 机器人的工作场景
1.2.2国内发展现状
各个国家对工业机器人技术的研究及其应用都非常关注，从1962年美国出现世界上第一台工业机器人之后，日本、德国等国家的机器人技术飞速提升，成为了机器人技术强国[5]。而我国的机器人相关技术相对这些国外技术强国则较为落后，我国在“七五”中将工业机器人列为我国的重要研究内容，在沈阳展开了对工业机器人的成套技术的开发研究，并获得了令人欣喜的成就。1986年，863计划的实施，让我国取得大量可喜的成就，研究制造出一批特种机器人。1980年至1990年期间，使得我国工业机器人技术又向前迈出了很大的进步，为我国工业机器人的迅速发展奠定强硬的基础。截至2007年我国已经有130多台工业机器人运用于自动喷漆生产线，弧焊机器人已使用到汽车生产的焊接生产线上[6]。在接下来的10年里，我国对多自由度关节机器人、精密装配机器人等国际前沿领域的研究开发取得优异的成果，我国的机器人技术与国际水平逐步接近。目前，智能机器人的技术研究、机器人化机械开发研究、以机器人为基础的重组装配系统等，是我国工业机器人的主要研究内容[7]。
目前生产中常见的几种机器人如下。图1-3是我国的码垛搬运机器人。

图1-3码垛搬运机器人
1.3存在的问题
我国对机器人技术研究时间不长，技术经验不成熟，以至于同国外相比落后较大。我国对国外机器人的零件购买需求很大，并且国内已经存在的机器人数量较少。国内机器人在结构方面较为复杂，简单的结构可以减少出现的问题，在质量、维护和生产成本上将会降低。在控制方面，国内的在电子方面的技术相对国外仍不成熟，需要不断提高电子技术、降低成本，来增加机器人的精度，以及降低工业机器人的生产成本。
1.4本文拟使用的方案
首先，对本课题的机器人进行结构尺寸的设计。为了方便结构尺寸的确定，必须先确定机器人的自由度，即机器人所拥有的关节数目，再进行尺寸的确定。其次，对机器人的每个关节进行驱动力的计算，确定动力元件的型号或动力元件各部件的尺寸。然后，根据结构设计的结果建模。最后，对所建模型仿真分析。具体步骤如下：
（1）结构设计及自由度的确定。为了使机器人结构简单，除去不必要的自由度，以减少机器人的关节，本文在设计时采用五个自由度。根据生产线实际要求，选取机座底端距离冲压机床的水平距离为1.5米，确定机器人的结构尺寸，包括机器人的腰部、大臂、小臂、手部的尺寸。
（2）关节及动力元件的设计。关节是机器人的核心部位，关节决定机器人的运动，是整个机器人结构最为复杂的部位。在各关节动力源选择时选用结构紧凑，灵活的元件作为机器人的驱动部件，可以使整体结构更加紧凑。根据机器人的主要任务，选用机器人的每个关节均选用旋转型，除去伸缩型关节，使结构简单化。根据机器人各关节驱动力的计算方法，确定其驱动力的大小。然后根据驱动力的大小计算设计液压缸的结构尺寸。
(3)建模。根据已确定的各部件的尺寸用solidworks建模。先绘出机器人各部位以及各动力元件的零件图，然后依据装配关系将所有零件图装配起来，形成装配体。
（4）运动仿真分析。将已建立好的模型导入ADAMS中，添加各关节的运动副，以及其相互的驱动力矩，实现机器人的空间运动模型，生成其运动时关节的角速度、角加速度、速度曲线图。对绘制的曲线图进行分析，验证机器人各结构尺寸、关节的合理性。
（5）空间运动方程的确定。建立机器人末端空间运动的函数，由机器人在空间运动的起始状态均为零的特殊状态，确定其函数的各系数。

第2章 机器人的手部设计
2.1 机器人的总体方案设计
本课题所设计机器人的主要任务是将冲压模具搬运到工作台上，待其冲压完成后，再将其搬离工作台。在其空间运动过程中需快速、准确的达到各指定的定位点，以保证机器人的精度要求。
考虑机器人的任务将机器人设计为机械手的结构形式。此机械手由手部、臂部两大部分组成。其中臂部包括机械手的腕部、小臂、大臂、机座四个部分[8]。在工作时计算机发出任务指令，由PLC控制电磁阀的移动，控制机械手完成相关任务。
2.2 手部设计要求
手部是工业机器人用来抓取、夹持工件的机构。它是处于机器人的操作端，是机器人在按照给定的要求，执行任务时最直接的操作部位。手部的结构参数以及其负载重量等都会影响手臂的相应参数，故在设计手部时要求质量小、结构简单紧凑[9]。其一般要求如下：
（1）应具有足够的夹紧力。机器人的手部在夹紧、抓取工件后，将工件从原来的位置转移到另一个位置，在这个过程中工件会产生惯性力力，在加上工件自身的重量，为了避免工件在中途脱落，手爪 必须要有足够大的夹紧力[10]。一般情况下要求夹紧力为工件的23倍。
（2）应具有足够的张角。不同的工件具有不同的直径或宽度，机器人的手爪 必须要有较大的夹取范围，而且要具有较小的定位误差。
（3）应具有足够的加持精度。手爪 加持工件时，既要求 夹持准确，又不能破坏工件，必须使用与工件外形结构相适应的手爪 结构。如圆柱形工件一般使用“V”形 手爪，以便自动定心。
（4）应具有足够的强度、刚度。手爪在夹持工件移动的过程中，会产生惯性力，同时要受到工件对手爪的反作用力，如果手爪没有足够的强度、刚度就会被折弯或断裂。对于受力大的手爪，需进行强度、刚度的验证[11]。
（5）应具有一定的通用性。工业机器人手爪夹持对象往往不是固定的，一般同一个手爪会对多种不同形状的工件进行操作，所以为了适应不同的工件形状，就要求机器人的手爪具有一定的通用性。
本课题所设计的是柔性生产冲压线的搬运机器人，其操作对象是汽车模具冲压件，夹持部位是模具的模柄，模柄的形状为圆柱形。 “V”形手爪可以增大手爪与模柄的接触面积，从而增大摩擦力，减小夹持力度。同时“V”手爪能自动定心，能够满足夹持精度要求。故本设计采用“V”形手爪。
2.3 机器人动力源的选择
动力源是工业机器人正常工作的前提条件，为工业机器人的工作提供能源保证。目前工业机器人所使用的最常见的有电气式动力源、液压式动力源、气压式动力源三种。此外，还有使用电动机带动凸轮等机构进行动力的传递方式，这种方式是将机构当做是一种传递动力的介质称之为“机械式”动力源[12]。
各种动力源的比较如下：
表2-1 各种动力源的特点比较

方式
项目
电气式
液压式
气压式
机械式
执
行
元
件
输出动力/重量
极小
最大
小
极小
输出动力/体积
小
最大
较小
小
响应性
极快
快
慢
快
动作速度
慢
快
稍快
快
控制性
容易
容易
中间位置停止难
只能固定程序
工业机器人在执行任务的过程中需要较大的驱动力矩，即需要的输出动力较大，根据上述表格液压式驱动符合动力条件。
2.3.1动力元件的选用
表2-2是输出转矩在1100左右的液压马达参数表。表2-3是输出转矩在1000 左右的部分电机参数。
表2-2部分液压马达的参数
型号
压力/MPa
转速r/min
输出转矩
质量 kg
Bmv400
16
270
1020
32.6
Jm11-F0.355F1
20
18400
1014
75
1QJm120.8se
10
4250
1175
64
QJm21-0.5sez
16
2320
1175
80
2QJm21-0.5T65
16
2400
1175
40
YmD500
14

1116
40
表2-3 部分三相异步电动机的规格
型号
输出转矩
质量
YVP315L1-6
1061
1095
YVP315L1-8
1161
1095
YTS2315M1-6
980
870
YTSZ315M1-8
1146
1025
摆动液压缸又叫做油马达，其结构特点如下：
（1） 输出扭矩大。
（2） 结构简单、生产制造容易。
（3） 价格便宜。
（4） 结构紧凑、灵活
（5） 质量小
液压马达与摆动液压缸的异同点：
相同点：两者都是将液压能量转换为扭矩、转矩的液压元件。均具有结构紧凑、输出转矩大等优点
不同点：液压马达的工作原理是将液压泵提供的液压能转换为转矩输出，其与液压泵是可以相互逆转的，运作方式为旋转。而摆动液压缸则是直接有液压油提供其输出转矩的能量，其运作方式为摆动。
本设计中机器人多处关节为回转型关节，即对动力源的需求为输出转矩，且所需驱动转矩较大。同时为了设计美观，将机器人的动力元件放置于机器人机身内部，要求动力元件的尺寸小、重量轻。综合设计要求与液压缸的优点考虑，本设计采用液压油缸作为其动力元件。由于各关节均为回转关节，故需要的液压缸为摆动液压缸。
2.4 手爪的夹紧力计算
通常情况下，夹紧力必须克服工件重力、工件在移动过程中产生的惯性力，使工件能过实现平稳移动并不脱落。夹紧力是机器人手部的主要参数，在对其进行设计时需要对其大小、方向、作用点进行分析计算[13]。
夹紧力的计算步骤：
（1）首先根据生产线的实际情况及设计要求，确定安全系数，根据机器人工作速度要求，计算出手爪的最大加速度，确定出工作情况系数，根据手爪夹持方位和夹持工件的方式查表确定方位系数，夹紧力。
（2）根据手爪驱动力的计算公式，求出液压缸应具有的驱动力F计算。
（3）在生产中使用时液压缸的驱动力F实际要大于F计算。考虑手爪的机械效率，一般取。
2.4.1 手指结构受力分析
对手指结构受力分析如下：

图2-1 手爪结构受力分析
在拉杆3的作用下，销轴2所产生的拉力F向上，并且通过中心点O，手指两滑槽对销轴产生的反作用力为、，反作用力、的方向为，垂直于、并指向点。A、B分别为、延长线与的交点。
由 得=
由 得
由 得
因为 所以 （2-1）
式中 a为手指的旋转支点到中心线的距离（mm）；根据设计要求取a=30mm。
b为手指旋转支点到手指夹持中心线的距离（mm）；取b=80mm。
为工件在被夹紧时手指滑槽与两支点连线的夹角。取
2.4.2手指对工件的夹持力的计算
手指对工件夹持力可按下式计算：
（2-2）
式中 为安全系数，通常取。本设计取=1.2；
为工作情况系数，通常考虑惯性力对手指的影响；
可按下式估算：

其中 为搬运工件时重力方向的最大上升加速度；
g为重力加速度，g=9.8m/s2；

为搬运工件时，工件在重力方向上的最大上升速度；根据柔性生产冲压线的实际情况，上升最大速度取。
为达到最大速度的时间，根据选用的参数选取。一般取；根据要求本设计
为方位系数，根据手指形状以及手指在夹持工件的位置进行选定。由于本设计是用工业机器人搬运放置于地面的汽车冲压模具，并且模柄的方向统一为竖直向上，在夹取时“V”形手指从两边夹住模柄，实现机械手对工件的抓取。故采用的是手指是垂直放置并且夹持垂直放置的工件，通过粗略计算.
G为工件的所受重力。根据生产实际以冲压工件的质量为70kg为标准计算。
将数据带入计算：
；
；
将、带入式（2-2）得

2.4.3夹紧缸驱动力的计算
由代入公式（2-1）得：
F计算
考虑手爪的机械效率得：
F实际=F计算/=11189.5/0.85=13164N
2.4.4液压缸的尺寸计算
（1）确定液压缸的直径D
F实际=（D2-d2）p （2-3）
液压缸活塞杆直径d与内径D、工作压力p的关系如下表2-3：
表2-3 液压缸活塞杆直径与工作压力p、内径D的关系
活塞杆受力情况
工作压力p/MPa
活塞杆直径d
受压及受拉
P5
（0.50.55）D
受压及受拉
5p7
（0.60.7）D
受压及受拉
P7
0.7D
根据表格取p=3Mpa，活塞杆直径d=0.5D。
D===86mm
表2-4 液压缸内径、活塞杆直径的标准系列
名称
数值
液压缸的公称压力系列（GB/T7983-1987）/MPa
0.63、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0/16.0、25.0、31.5、40.0
液压缸内径系列（GB/T2348-1993）/mm
8、10、12、16、20、25、40、50、63、80、（90）、100、（110）、125、（140）、160、（180）、200、（220）、250、（280）、320、（360）、400、（450）、500
活塞杆直径系列（GB/T2348-1993）/mm
4、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36、40、45、50、56、63、70、80、90、100、110、125、140、160、180、200、220、250、280、320、360
根据表 2-4 查得
取D=80mm，d=40mm。
（2）液压缸材料的选择
选取45号钢作为液压缸的材料，其抗拉强度=600Mpa；屈服强度=355Mpa。。本设计所有液压缸均使用45号钢作为液压缸的材料。
活塞杆的强度验证：
[A]

所以 A 故符合强度要求。
表2-5 液压缸外径标准系列
产品系列代号
额定压力/MPa
缸筒内径
材料
40
50
63
80
100
125
140
160
180
200
A

型
16
50
60
76
95
121
146
168
194
219
245
20
20
50
60
76
95
121
146
168
194
219
245
45
25
50
60
83
102
121
152
168
194
219
245
45
32
54
63.5
82
102
127
152
168
194
219
245
45
B型
16
50
63.5
76
95
121
152
168
194
219
245

查表2-5得出液压缸外径为95mm。
（3）液压缸缸盖螺钉的计算验证
①缸盖螺钉数目的计算
为了保证液压缸联接的紧密型，必须规定液压缸缸盖螺钉之间的间距，然后决定螺钉的数目。出于安全考虑工作压力p=2.5时，螺钉间距t。
液压缸缸盖周长 ；
取螺钉间距 ；
螺钉数目 ; 取Z=6
②螺钉强度的验算
联接螺栓的强度验算工作可按拉应力和剪切应力的合成应力来进行，即 (2-4)
(2-5)
(2-6)

式中 F为液压缸负载；
k为螺纹内拧紧系数，k=1.12；
为螺纹内摩擦系数，通常取；
为螺纹直径；
为螺纹内径；
Z为螺纹数目；
材料的屈服极限，45号钢为355Mpa；
为安全系数，通常取，故/1.2=295.8Mpa。
代入式（2-4）得：
=3.5mm
取=4mm
① 液压缸的密封
密封的作用是使两接触面之间的缝隙封住，以减小或阻止泄漏[14]。液压缸的密封件一般采用断面形状分类，有O形、U形、V形、Y形、L形等。除O形密封件以外，其他几种密封件均属于唇形密封件。本设计采用O形密封圈加挡圈的方式密封，O形圈加档圈，以防O形圈被计入间隙中。O形密封圈的截面形状为圆形，其特点是结构简单、密封可靠、容易生产、摩擦力小，因而应用广泛，既能用于固定件的密封，又能用于运动件的密封。本设计液压缸的采用同一密封方式。
2.4.5手指的刚度验证
根据实际要求取手指滑槽长度L=40mm，滑槽到支点的长度d=12mm，滑槽到顶端的长度c=8mm。手指的宽度为12mm，厚度为8mm。
由前面章节中对手指夹紧力、驱动力的计算可知，手指最大切应力发生在带滑槽段的手指部位，对其进行刚度的验算。查表2-6得
，使用插入法计算得出。
表2-6矩形截面杆扭转时的系数、

2.5
3.0
4.0
6.0

0.258
0.267
0.282
0.299

0.249
0.263
0.281
0.299
= =5042 N

对于钢件：=
所以[] 符合刚度要求。

第3章 臂部的结构设计
3.1 腕部的结构设计
3.1.1工业机器人的腕部结构特点
腕部是位于手部与手臂之间，腕部的功能是调整机器人在运动时手部的位置，增加机器人的活动范围，使机器人变得更加灵活[15]。
机器人的手腕拥有独立的自由度。为使手部变得灵活，手腕一般设有回转运动。目前，摆动液压（气）缸是应用最为广泛的回转机构，其特点是结构紧凑、灵活、必须严格密封，否则会影响扭矩的输出。
手腕的结构设计应该满足下面几点要求：
（1）结构应紧凑、重量轻。在结构设计时腕部的每一个自由度都要配有一套驱动装置和执行装置，并且这些装置需要容纳在腕部的结构空间中，这就要求驱动装置和执行装置的外形尺寸要小，质量要轻。
（2）灵活度要高，密封性能好。对人体而言手腕几乎是最为灵活的部位，可以实现多方位的转动摆动，具有很高的自由度。作为机械手的腕部来说同样要求其灵活，以便更好的完成任务。
（3）应能适应工作环境的需要。
本课题所设计的手腕拥有两个自由度，一个是手腕的回转运动，实现手爪在夹取工件时的位置调整，另一个则是机器人手部的摆动，实现机器人整个手部与水平方向上的夹角。
3.1.2工业机器人的腕部回转力矩计算
工业机器人腕部回转时，需要克服腕部支承处的摩擦力矩、由于工件重心偏置所引起的力矩、腕部启动时的惯性力矩。腕部受力示意图如3-1所示。

图3-1 手腕的受力示意图
（1） 腕部支承处的摩擦力矩
= (3-1)
式中 为轴承摩擦系数，滚动轴承取=0.2，滑动轴承取=0.1；
、为轴承处支反力（N）；
、为轴承直径（m）。
为了简化计算，取=0.1 （3-2）
图3-2 中、分别为工件的重量、手部重量（kg）。
（2） 工件重心偏置所引起的偏置力矩
（3-3）
式中 e为工件重心与回转中心的垂直距离。
由于本设计的工件为冲压模具，工件重心与模柄中心线重合，即与回转中心线重合，故e=0，=0
（3） 启动时的惯性力矩
将腕部的启动视为加速度一定的运动，根据回转角速度以及启动所需时间有：
=（J+） (3-4)
式中为回转角速度（）；
为启动所需时间（s）；
J为手腕回转部件对回转中心轴线的转动惯量（kg.）；
为工件对回转中心轴线的转动惯量（kg.）。
设①取手指、手指驱动液压缸以及手腕回转液压缸为圆柱体，高度为，直径为，总质量为。
②取=0.1。
③腕部的启动时间=0.2s；=150=2.616。
④工件的尺寸形近似以工作台的尺寸形状计算。
故 J=m/2=15
=
将数据带入式（3-4）得
=（J+）
由式（3-2）、（3-3）得总力矩为：
M=+=0.1+ (3-5)
所以 M=49.78
3.1.3 回转油缸的驱动力矩计算
回转油缸的压力p与驱动力矩M的关系式如下：
(3-6)
式中 M为回转油缸的驱动力矩（）；
为回转油缸的工作压力（），此处取；
R为回转油缸缸体内壁半径（mm）；
r为输出轴半径（mm）；
b为动片宽度（mm）；
一般情况下，取；
取R=2d；
将关系式带入式（3-6）得
R= (3-7)
R===45 mm
根据表2-4得
取R=50 mm；则 b=r=R/2=25 mm
根据表2-2得出液压缸外径为60mm。
3.1.4 液压缸缸盖联接计算验证
①缸盖螺钉数目的计算
由上一章螺钉数目计算知：螺钉间距t。
液压缸外径周长L=
取t=60 mm 则螺钉数目 取Z=3
②螺钉强度的验算
螺钉的受力计算
（3-8）
（3-9）
式中 为计算载荷；
为预紧力；。
D为危险截面直径(mm)。此处为螺钉安装位置取D=55mm。
螺钉的强度条件为：
=1.3/
故 d (3-10)
d为螺纹内径。
由式（3-9）得
3.14=2374.625 N
取k=1.5， 将数据带入式（3-8）得
=2.52.5
带入式（3-10）得
d=5.765 mm
取d=6mm
3.2 工业机器人的臂部结构计算
手臂是机器人的握持部位，也是机器人主要的运动部位[16]。它的主要作用在于，支承手部和腕部，并使手部在空间中作规定的运动，所以臂部的工作范围、承载能力等性能直接影响整个工业机器人的做工性能。机器人的手臂通常有23个自由度。手臂的滋生质量较大，在工作时所承受的力包括工件重量以及手部等的自身重量。并且机器人在运动时由于惯性力的存在，会产生惯性力，影响机器人的精度[17]。
3.2.1工业机器人的臂部设计要求
机器人的臂部首先要能够满足规定的运动要求，因此必须满足下列要求。
（1）承载能力强、刚度大、质量小。由于工件质量较大，机器人在运作时各部位承受的重量都较大，特别是臂部。为了防止在作业过程中臂部出现变形、折弯等现象，臂部的刚度要足够大，同时截面形状设计要合理。在设计手臂时，选用空心轴作为臂部结构的刚度比实心轴的承载能力要大，同时能减轻臂部质量，所以空心轴是一种不错的选择。
（2）定位精度要高。臂部的运动直接影响手部及手腕的运动，当臂部精度不高时，机器人在执行任务时定位误差很大，甚至出现任务出错的现象。
（3）偏重力矩要小。臂部对回转中心轴所产生的静力转矩被称之为偏重力矩，偏重力矩与手臂质量有关，故应减小手臂运动部件的重量，从而减小偏重力矩。
3.2.2臂部的结构形式。
能够实现左右摆动或者上下摆动的手臂被称为回转运动型手臂，而能实现升降、收缩的臂部被称为直线运动型手臂。直线型和会转型运动的组合运动型臂部被称为复合型运动手臂。本课题所使用的是回转型手臂，需要实现手臂的上下摆动，以及左右摆动。
3.2.3臂部的驱动力矩计算
手臂运动时所需要的驱动力矩，是手臂运动时所产生的惯性力矩与运动过程中所产生的摩擦力矩之和。
= （3-11）
式中 为油缸密封装置处的摩擦力矩总和；
为臂部运动时的惯性力矩。
设手臂各部位为直径100mm，长度为1800mm的圆柱体，质量m=40kg；
则
= N.m.

在出计算时，为了简化计算通常省略运动过程中的摩擦力矩，而已效率来代替，计算公式如下：
= (3-12)
=813.03/=934.52
由公式3-6、3-7得出液压油缸的内径为：
R==118 mm
查表2-4得
取R=125mm r=d=63 mm
查表2-5得出液压缸外径为146mm。
3.2.4缸盖联接件的计算验证
①螺钉数目
液压缸外径为146mm，则周长L为：
L==3.14458.44mm
取螺纹间距为t=50mm 则螺钉数目Z为：
Z=L/t=458.44/60=9.17