啤酒装箱机的毕业设计说明书.doc

湖北工业大学毕业设计（论文）
摘要
随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计计算过程 。
首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体坐标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。
文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。
关键词：机械手、运动仿真、液压传动、液压缸。

Abstract
Along with industry automation development of demand, the machine hand is in the industry the application more and more importance.The article was main describe the design of the machine hand calculation process.
First, the function of this text introduction machine hand, constitute of machine hand with classification, elucidation freedom the form of the degree and the machine hand whole coordinates.In the meantime, this text give the main function specification of this set machine hand be three quantities.
In the article introduction porterage machine hand of design theories and method.Overall detailed of discussion porterage machine hand of the structure of the main partses such as hand, wrist department, arm and fuselage etc. design.
Key words: manipulater; motion simulation; hydraulic transmission; hydraulic cylinder.

45

目录
1 绪 论 1
1.1 前言 1
1.2 工业机械手的简史 2
1.3 工业机械手在生产中的应用 3
1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 3
1.3.2 在实现单机自动化方面 4
1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 4
1.4 机械手的组成 4
1.4.1 执行机构 4
1.4.2 驱动机构 5
1.4.3 控制系统分类 5
1.5 工业机械手的发展趋势 5
1.6 本文主要研究内容 7
2 机械手的总体设计方案 8
2.1 机械手基本形式的选择 8
2.2 机械手的主要部件及运动 8
2.3 驱动机构的选择 9
2.4 机械手的技术参数列表 9
3 手部的设计 11
3.1 手部设计的基本要求 11
3.2 典型的手部结构 11
3.3 选择手爪的类型及夹紧装置 11
3.4 手部设计的计算过程 11
3.4.1 手爪的设计模型与实现 11
3.4.2 手爪的力学分析 12
3.4.3 驱动力的计算及液压缸基本尺寸的确定 12
3.5 本章小结 15
4 手臂的设计 16
4.1 臂部设计的基本要求 16
4.2 手臂的典型机构以及结构的选择 17
4.3 臂部设计的计算过程 17
4.3.1 摩擦力的计算 18
4.3.2 手臂惯性力的计算 19
4.3.3 密封装置的摩擦阻力 20
4.3.4 液压缸工作压力和基本尺寸的确定 20
4.4 本章小结 22
5 机身的设计计算 23
5.1 机身的整体设计 23
5.2 机身升降机构的设计与计算 24
5.2.1 手臂偏重力矩的计算 24
5.2.2 升降不自锁条件分析计算 26
5.2.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 26
5.3 机身回转机构的设计与计算 29
5.4 轴承的选择分析 32
5.5 本章小结 32
6 液压系统的设计 33
6.1 液压系统的工作要求 33
7.2 液压系统原理图 33
6.3 液压系统电磁铁动作顺序表 34
6.4 本章小结 34
7 电气控制系统的设计 35
7.1 PLC 的结构和原理 35
7.1.1 PLC的结构 35
7.1.2 PLC的工作原理 35
7.2 PLC 指令系统 36
7.3 PLC 控制系统的设计 37
7.3.1 PLC的控制系统的功能 37
7.3.2 PLC控制系统的运行方式 37
7.3.3 外部接线图 38
7.3.4 PLC程序梯形图 39
总结 42
致谢 43
参考资料 44
附录 45

1 绪 论
1.1 前言
用于再现人手的的功能的技术装置称为 。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为 。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的 。
机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
1.2 工业机械手的简史
现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化 。
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。
1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。
1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。
1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-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，定位误差可小于±1毫米。
美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。
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。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。
瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。
第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。
第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。
随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。
1.3 工业机械手在生产中的应用
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛 。
在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。
1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线
一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。
加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。
1.3.2 在实现单机自动化方面
各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。
1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面
模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。
1.4 机械手的组成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成 。
1.4.1 执行机构
（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。
（2）传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
（3）臂部，手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。
臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。
行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。
1.4.2 驱动机构
驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。
1.4.3 控制系统分类
在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。
1.5 工业机械手的发展趋势
（1）工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。
（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。
（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
（7）机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行之列 。
1.6 本文主要研究内容
本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对装箱机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械结构（包括手臂、手腕、手指部分）、驱动系统以及控制部分的设计工作。

2 机械手的总体设计方案
本课题是轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计。在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。
2.1 机械手基本形式的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标 。图2.1 是机四自由度圆柱坐标机械手示意图。图中机械手四自由度如图所示。(该图仅作示意用，机械手非本文设计机械手)

图2-1 机械手基本形式示意图
2.2 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基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有4个自由度既：手部回转；手臂回转；手臂升降；手臂伸缩4个主要运动。
本设计机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2）臂部，采用直线缸来实现手臂平动。（3）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。（4）腕部，采用一个回转液压缸实现手部180°回转。
2.3 驱动机构的选择
驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。
2.4 机械手的技术参数列表
一、用途：生产线啤酒装箱
二、设计技术参数:
1、抓重:30Kg (夹持式手部)
2、自由度数: 4个自由度
3、坐标型式: 圆柱坐标
4、最大工作半径:1600mm，手臂最大中心高:1248mm
5、手臂运动参数
伸缩行程(X): 800mm
伸缩速度: ≤250mm/s
升降行程(Z): 330mm
升降速度: ≤60mm/s
回转范围(): 0180°
回转速度: 70°S
6、手腕运动参数
回转范围: 0180°
回转速度: 90°S
7夹持范围:

3 手部的设计
3.1 手部设计的基本要求
（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。
（2） 手指应该具有一定的开闭范围，满足容易抓取瓶子，且不易使瓶子破碎，在运动过程中瓶子不掉落，瓶间不相互碰撞。
（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。
（4） 应保证手抓的夹持精度。
（5） 应考虑通用性和特殊性。
3.2典型的手部结构
（1） 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。
（2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。
（3） 平面平移型。
3.3 选择手爪的类型及夹紧装置
本设计是设计啤酒装箱的机械手，啤酒瓶（350ml）的尺寸如图3-1（单位mm）。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。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,这种手指结构简单, 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。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。
本设计采用三指夹持的方案，这样既可以夹持稳定，同时也能自动对中。
3.4 手部设计的计算过程
3.4.1 手爪的设计模型与实现
采用三指夹紧的机械手，这样可以受力均匀，夹持稳定，其大致结构如图3-2所示。工作时手指下半部分套橡胶套，以防止夹持力过大夹碎酒瓶带来不必要的损失。

图3.1 啤酒瓶外观尺寸

图3.2 手抓
3.4.2 手爪的力学分析
经计算得，其中F为活塞杆的作用力，C为两节点间的距离，b为上节点到力作用点间的距离。为瓶对爪的作用力。
3.4.3 驱动力的计算及液压缸基本尺寸的确定
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服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，以便工件保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按公式计算：

式中 ——安全系数，通常1.22.0；
——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。（可近似按下式估
其中 a是重力加速度，a
b是运载工件时重力方向的最大上升加速度；
b=
——运载时工件最大上升速度
——系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s
——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。
G——被抓取工件所受重力（N）。
表3-1 液压缸的工作压力
作用在活塞上外力F（N）
液压缸工作压力（）
作用在活塞上外力F（N）
液压缸工作压力（）

计算：取C=20mm,b=60mm,10°＜＜40°工件垂直方向的移动速度为0.1m/s，机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力和驱动力和 驱动液压缸的尺寸。
设=1.5

表3-2 液压缸的内径系列（JB826-66）
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
查相关表的 =5
根据公式，将已知条件带入：
=1.51.025300=2295N
（2）根据驱动力公式得：

（3）取

（4）确定液压缸的直径D，活塞杆直径d

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,，取P=0.9MP
=0.163m
根据表3-2，选取液压缸内径为：D=20mm
则活塞杆内径为:
D=200.5=10mm，选取d=10mm
（5）缸体厚度及外径强度校验
缸体厚度的取植由强度条件决定。当时可按薄壁公式校验强度，即

：最高工作压力，单位为Pa;
;材料叙用应力，，为材料抗拉强度，单位为Pa ，n为安全系数，一般情况n=5。
取液压缸的最大压力，
缸筒材料为45钢，， ，
代入数据得

取=4mm。
缸筒外径Dm=D+2=28mm
（6）油缸长度L的确定
从制造上考虑，一半油缸长度不大于其内径的20-30倍，即取：L=88mm
3.5 本章小结
通过本章的设计计算，先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析，然后分别对滑槽杠杆式手部结构的夹紧力、驱动力进行计算，在满足基本要求后，对手部的夹持精度进行分析计算。

4 手臂的设计
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。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。
臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降（或俯仰）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，从臂部的受力情况分析，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，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。
4.1 臂部设计的基本要求
一、 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻
A．根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。
B．提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。
C．合理布置作用力的位置和方向。
D．注意简化结构。
E．提高配合精度。
二、 臂部运动速度要高，惯性要小
机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。一般情况下，手臂的 移动和回转、俯仰均要求匀速运动，但在开始运动和停止的瞬间运动是变化的，为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前的减速度不能太大，否则易引起冲击和振动。运动速度一般根据生产节拍要求来决定，确定了生产节拍和行程范围就确定了手臂的运行速度（或角速度）。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在1000-1500mm每秒,最大回转角速度设计在/s内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径：
A．减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。
B．减少臂部运动件的轮廓尺寸。
C．减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。
D．驱动系统中设有缓冲装置。
三、手臂动作应该灵活
为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。
4.2 手臂的典型机构以及结构的选择
常见的手臂伸缩机构有以下几种：
（一）双导杆手臂伸缩机构。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，如手臂的左右摆动，上下摆动；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结构。
（二）双活塞杆液压岗结构。
（三）活塞杆和齿轮齿条机构。
通过以上，综合考虑，本设计选择单导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。
4.3 臂部设计的计算过程
先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。
做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、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

式中 ——为摩擦阻力，手臂运动时，为运动表面间的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力；
——密封装置处的摩擦阻力；
——液压缸回油腔低压油液所造成的阻力；
——启动或制动时，活塞杆所受的平均惯性力。
4.3.1 摩擦力的计算
不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。

图 5.1 机械手臂部受力示意
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。

得
=
又

得

式中 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）;
a——导向支撑的长度（m）;
——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。
对于圆柱面：

——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：
钢对青铜：取
钢对铸铁：取
计算：
导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁，
，L=1.69-0.028=1.41m,导向支撑a设计为160mm
将有关数据代入进行计算

4.3.2 手臂惯性力的计算
本设计要求手臂平动是,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度V=0.083m/s,

4.3.3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，采用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：。
经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：

故 F=3466.7N
4.3.4液压缸工作压力和基本尺寸的确定
经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=4126.6N，根据表3.1选择液压缸的工作压力P=2MPa
（1）确定液压缸的结构尺寸：
液压缸内径的计算，如图4.2所示
当油进入无杆腔，

当油进入有杆腔中，

液压缸的有效面积：

图4.2 双作用液压缸示意图
故有 (无杆腔)
(有杆腔)
已知，，选择机械效率
将有关数据代入：

根据表3-2（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=50mm.
活塞杆直径d
对于单杆双作用液压缸可根据速度比来确定，即

代入数据， =1.33，D=50mm得 d=25mm
（2）液压缸外径的设计
根据装配等一苏，考虑到液压缸的壁厚在7mm，所以液压缸的外径为64mm，考虑到标准化容易选用，选择液压缸外径为63mm，最终确认液压缸外径为63mm。
（3）缸体厚度及外径强度校验
缸体厚度的取植由强度条件决定。当时可按薄壁公式校验强度，即

：最高工作压力，单位为Pa;
;材料叙用应力，，为材料抗拉强度，单位为Pa ，n为安全系数，一般情况n=5。
取液压缸的最大压力
缸筒材料为45钢，，
代入数据得
=0.00083m
取=4mm。
缸筒外径Dm=D+2=63mm
（4）油缸长度L的确定
从制造上考虑，一半油缸长度不大于其内径的20-30倍，即取：L=800mm
4.4 本章小结
本章设计了机械手的手臂结构，手臂采用双导杆手臂伸缩机构，对驱动的液压缸的驱动力进行了详细的计算，并对液压缸的基本尺寸进行了设计。

5 机身的设计计算
机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。
5.1 机身的整体设计
按照设计要求，机械手要实现手臂180°的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。
机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：
（1）回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。
（2）回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。
（3）活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂相连接的齿轮往复回转，从而使手臂左右摆动。
经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之下的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。
分析：经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之下的结构。本设计机身包括两个运动，机身的