圆柱坐标机械手结构设计.docx

圆柱坐标式三自由度机械手

摘 要

机器人不仅是一种自动化的机器。机器人是一种可重新编程的、多功能的、机械手,为实现各种任务设计成通过可改变的程序动作来移动材料、零部件、工具或是其他专用装置。
本设计设计的是一种圆柱坐标式机械手,该装置具有三个独立运动(两个直线运动、一个旋转运动)，也就是所说的三个自由度。该机构中立柱可相对于机座旋转180度，回转速度15r/min，可水平伸缩距离400，移动速度约0.2/s，机械手可上下垂直运动，其垂直升降量1000，移动速度约0.15/s，机械手最大夹持重量10，所夹持工件为圆柱形，直径范围：Ф30—Ф120。
本设计的旋转运动采用摆动液压马达（旋转液压缸）驱动，水平伸缩运动采用液压缸驱动，垂直升降运动仍采用液压缸驱动。

关键词：三自由度，圆柱坐标式，工业机器人，机械手

CYLINDRICAL COORDINATE ROBOT OF
THREE DEGREES OF FREEDOM

ABSTRACT

A robot is not simply another automated machine. A robot is a reprogrammable multifunctional manipulator designed to move material, parts, tool, or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a variety of task.
This design is a cylindrical coordinate manipulator, the device has three separate campaigns (two straight-line movement, a rotating Movement), that is to say that the device has three degrees of freedom. The bodies of the column can be compared to frame 180-degree rotation, with the rotation speed 15 r / min. The manipulator may be stretching from the level of 400mm, with the moving speed about 0.2 m/ s. From the top to the bottom, the manipulator can do vertical movement and its vertical take-off and landing is 1000mm, with the moving speed about 0.15 m/ s. The largest weight that the device grip can lead to 10kg.The workpiece with the diameter from 30mm to 120mm that the device can grip is cylindrical.
According to the issue demands ,besides, careful thinking and ask the teacher, the rotating movements of the design opts rotating hydraulic motor (rotating cylinder) , the level of stretching movements are driven by hydraulic cylinders, vertical take-off and landing movements are still driven by hydraulic cylinders.

KEY WORDS：Three degrees of freedom, Cylindrical，Industrial robot, Manipulator

目　录

前 言 1
第1章 概述 2
1.1 工业机械手的概述 2
1.1.1 机械手的组成 2
1.1.2 机械手的运动与分类 3
1.1.3 机械手的主要参数 4
1.1.4 机械手的结构 5
1.2 工业机械手的发展 5
1.3 工业机械手在我国的发展与应用 6
第2章 总体设计方案 8
2.1 总体设计的思路 8
2.1.1 思路 8
2.2 总体方案的确定 8
2.2.1 方案 8
第3章 机械手相关的设计与计算 9
3.1 手指的相关设计与计算 9
3.1.1 手指夹紧力的计算 9
3.1.2 手部液压缸的选取 11
3.1.3 水平伸缩缸尺寸计算 13
3.1.4 垂直升降液压缸主要参数的确定 14
3.2 升降手臂的设计 16
3.3 立柱与托盘的设计 17
3.4 液压马达的设计与计算 19
3.5 液压泵、电机的选择 21
3.6 机械手的控制 22
第4章 相关的校核 23
4.1 手爪扇形齿轮与齿条强度校核 23
结 论 24
谢 辞 25
参考文献 26

前 言

机器人技术的发展，可以说是科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，也是为社会经济发展产生了重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,需求能够解放人的一种工具。那么这种工具就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。另一方面，人们有各种各样的好的想法，它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。
毕业设计是对大学所学的知识的总结和运用。它是基础知识和专业知识的统一，是理论和实践相结合，这加深了我们对所学知识的理解和灵活运用。通过查阅大量的资料，学到了很多在课堂上学不到的知识和掌握了一部分新的理念，为我们走向工作岗位奠定了一定的知识基础。同时，也是检验我们掌握所学知识的深度和力度

第1章 概述

1.1 工业机械手的概述

工业机器手的用途十分广泛，它对于实现生产过程的自动化，提高劳动效率，减轻工人的劳动强度，保证工人的安全都具有重要的意义，尤其对于那些有毒、高危、多粉尘、油漆、深水作业的工作环境和有放射等恶劣环境条件下的作业，使用工业机械手和机器人更具有显著的优越性，在FMS中要实现物流系统的正常运用，以实现坯料进入车间到加工成成品零件的全过程，使各个环节都能进行自动连接 ，以及机床刀具的自动调换，机械手都将起的重要的作用。随着机械工业的发展，工业机械手的应用范围会越来越广。

1.1.1 机械手的组成
工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹、和要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。在 工业生产中应用的工业机械手简称为“机械手”。
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成，各部分之间的相互关系如1-1所示。

工件
执行机构
驱动系统
控制系统

位置检测装置

图1-1机构相互关系图
1、执行机构
执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
(1) 手部（或称抓取机构）是与物体接触的部件，主要是抓取和放置物件的作用。
(2) 手腕 是连接手部和手臂的部件，可以调整和改变工件方位。
(3) 手臂 是支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。
(4) 立柱 是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分。手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。
(5) 机座 是机械手的基础部分。执行机构的各个部件和驱动系统均安装于机座上，起支承和连接的作用。
有时为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构2、驱动系统
机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的动力装置，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式。
3、控制系统
控制系统是机械手动作的指挥系统，用来控制动作的顺序（程序）、位置和时间、速度和加速度等。
4、位置检测装置
位置检测装置控制执行机构的运动位置，可随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行机构以一定的精度达到设定位置。

1.1.2 机械手的运动与分类
1、机械手的运动
机械手以及及其手部所夹持的工件（或工具）在空间的位置，有臂部、腕部等部件以及整机的各自独立运动的合成来确定。机械手的每一个动作，必须要配有一个原动件，当各个原动件按一定的规律运动时，机械手各运动部件随之作确定的运动，从而使机械手具有运动和位置的确定性。
2、机械手的分类
机械手按不同的标准可有不同的分类方法，如按用途可分为用机械手和专用机械手；按驱动方式可分为液压驱动机械手、气动驱动机械手、电力驱动机械手和机械驱动机械手；按控制方式可分为点位控制机械手和连续轨迹控制机械手两种。在实际应用中，大多按运动坐标形式将机械手分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节坐标式四种。
此设计选用的是圆柱坐标。

1.1.3 机械手的主要参数
机械手的主要参数是说明机械手的规格和具体指标，一般包括以下几项：
1、抓取重量
抓取重量（又称臂力）是机械手所能抓取或搬运物件的最大重量，它对其他参数如行程范围、运动速度、坐标形式和缓冲装置的设计均有影响，是机械手最基本的参数。
2、运动速度
运动速度反应了机械手的生产水平，影响机械手的运动周期和工作效率，很多机械手由于速度低而限制了它的使用范围。影响机械手动作快慢的两个主要运动是手臂伸缩和回转运动。速度大小与机械手的驱动方式、定位方式、抓取重量和行程距离有关系。
3、行程范围
机械手的手臂运动行程对使用性能有较大的影响。一般来说，通用机械手的手臂回转应尽量可能大些，回转行程范围应大于180，使机械手具有一定的通用性；手臂伸缩行程及工作半径要适宜，太大会增加手臂伸缩量，相应的偏重力矩和转动惯量也增加，且刚性降低，对于定位精度也难以保证。
4、定位精度
定位精度是衡量机械手工作质量的又一指标，是机械手是运动部件从某一起始位置运动到预期的另一位置时所达到的实际位置的准确程度。定位精度的高低取决于位置控制方式以及机械手运动部件本身的精度和刚度，并和抓取重量、运动速度等因素也有密切关系。定位精度包括位置设定精度和重复定位精度两种，一般所说的定位精度是指重复定位精度。
1.1.4 机械手的结构
机械手的机械结构（运动）本体是机械手的基础部分，各运动部件的结构形式取决于它的使用场合和各种不同的作业要求。机械手的结构类型特征，用它的结构坐标形式有和自由度表示；机械手的空间活动范围用它的工作空间来表示。
1、机械手的运动自由度
所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手的执行系统需要的独立运动参数的数目，它表示机械手动作灵活程度的参数。机械手执行系统的手部、手腕、手臂和机座等的独立运动所合成的运动状态（方位），决定了手部所夹持的工件或工具在空间的位置和姿态。机械手的自由度越多，其动作的灵活性和通用性就越好，但是其结构和控制就越复杂。在决定机械手的自由度时，不计入手部的抓取动作，因为这个动作并不改变工件或工具的位置与姿态。
2、手的工作空间与坐标
所谓工作空间，是指机械手正常运作时，手腕参考点或者机械接口坐标系原点能在空间活动的最大范围，是机械手的主要技术参数之一。机械手工作空间与其具有的自由度数目以及所选用的运动关节的类型及配置有关。每个运动关节所形成的变化量，如直线移动的距离、回转角度的大小，都将影响工作空间的大小。机械手的坐标系按右手定则决定。

1.2 工业机械手的发展

机器人(机械手)的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。英格伯格在大学攻读伺服理论，这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔曾于 1946 年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。 1954 年 , 德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。 1959 年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。 它成为世界上第一台真正的实用工业机器人。此后英格伯格和德沃尔成立了“尤尼梅逊”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称为“尤尼梅特”，意思是“万能自动”。 他们因此被称为机器人之父。 1962 年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰”，意思是“万能搬动”。”尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工业机器人。
近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。第一代为简单个体机器人， 第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉、有思维、能与人对话。第一代机器人属于示教再现型 , 第二代则具备了感觉能力 , 第三代机器人是智能机器人 , 它不仅具有感觉能力 , 而且还具有独立判断和行动的能力。 英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作 。

1.3 工业机械手在我国的发展与应用

随着现代科技的迅猛发展，机器人技术已广泛应用于人类社会的各个领域。在制造业中诞生的工业机器人是继动力机、计算机之后而出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具。机器人的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。
纵观目前经济发展现状，我国机器人市场增长异常迅猛；从销售量上更是充分说明了这个不争的事实。在中国市场上占有35％市场份额的ABB公司2004年在中国卖出了600台机器人。而该公司在过去9年中一共才在中国大陆市场销售了2000台机器人。专家预测，中国机器人2005年拥有量将增至7600台，到2010年拥有量将达到17300台，到2015年，市场容量将达十几万台(套)。据悉，汽车制造、工程机械及电机、电子等行业的企业是中国今后对机器人需求最大的部门，其中所需机器人的品种以点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运、冲压等为主。
近年来我国的机器人自动化技术也取得了长足的发展，但是与世界发达国家相比，还有一定的差距，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。我国目前从事机器人研发和应用工程的单位相对较少，工业机器人的拥有量远远不能满足需求量，长期大量依靠从国外引进。
在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人，约占全球已安装台数的0.4%。产生以上差距，有关专家认为主要是我国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、成本较多，而且质量、可靠性不稳定。
2004年中国国际机器人展览会于11月1-4日举行，会后分析报告数据表明，与会的专业观众只占43%，非专业观众占57%；而90.3%的专业观众为了了解、收集产品信息，其余的大多没有填写具体参观目的；专业观众中只有21%的工业制造业人员，其余主要以科研单位为主，国内参展单位展出的多是面向教育应用和处于实验开发中的机器人，且产品略显不成熟。这充分表明我国机器人产业还停留在纯技术层面，离市场化还有很长一段距离。
我国机器人产业要快速发展，就不能只靠几个爱好者的激情和科研单位的单方努力，机器人就不能只作为展览会上的表演者。研制单位必须和需求紧密结合，让机器人走进工厂和家庭，实现真正的产业化。把发展中国机器人产业纳入政府重要产业政策中，引导和扶持企业进行产业和产品结构调整，加速机器人产业化进程。

第2章 总体设计方案

2.1 总体设计的思路

2.1.1 思路
设计机器人大体上可分为两个阶段：
1、系统分析阶段
(1)根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务。
(2)分析机器人所在系统的工作环境。
(3)根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、所能抓取的重量。
2、技术设计阶段
(1)确定驱动系统的类型；
(2)选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计；
(3)绘制机器人的零件图，并确定尺寸。

2.2 总体方案的确定

2.2.1 方案
提到总体方案的确定，让我们重复一下本课题的要求：
设计一种圆柱坐标式三自由度工业机械手，要求该装置具有三个独立的运动（两个直线运动和一个旋转运动）。该机构中立柱可相对于机座旋转180度，回转速度15r/min，可水平伸缩距离400，移动速度约0.2/s，机械手可上下垂直运动，其垂直升降量1000，移动速度约0.15/s，机械手最大夹持重量10，所夹持工件为圆柱形，直径范围：Ф30—Ф120。
根据课题要求经过认真思考和请教指导老师，本设计的旋转运动采用摆动液压马达（旋转液压缸）驱动，水平伸缩运动采用液压缸驱动，垂直升降运动仍采用液压缸驱动。

第3章 机械手相关的设计与计算

3.1 手指的相关设计与计算

3.1.1 手指夹紧力的计算
手部是机械手直接抓取和握紧（或吸附）物件或夹持专用工具执行作业任务的部件，因此手部的结构和尺寸应依据作业任务要求来设计，从而形成了多种的结构型式。它安装在手臂的前端，可以模仿人手动作。
设计手部时除了要满足抓取要求外，还应满足以下几点要求：
（1）手指握力的大小要适宜
确定手指的握力（即夹紧力）时，应考虑工件的重量以及传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落，但握力太大又会造成浪费并可能损坏工件。
（2）应保证工件能顺利地进入或脱开手指
开合式手指应具有足够大的张开角度来适应较大的直径范围，保证有足够的夹紧距离以方便抓取和松开工件。移动式钳爪要有足够大的移动范围。
（3）应具有足够的强度和刚度，并且自身重量轻
因受到被夹工件的反作用力和运动过程中的惯性力、振动等的影响，要求机械手具有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但结构要简单紧凑、自重轻，并使手部的重心在手腕的回转轴线上，使手腕的扭转力矩最小。
（4）动作迅速、灵活、准确，通用机械手还要求更换手部方便
根据用途手部可分为夹持式手部、吸附式手部和专用工具（喷枪、扳手、焊接工具）三类。
经过分析和比较此设计采用夹持式手部。
1、夹持式手部
夹持式手部对抓取工件的形状具有较大的适应性，故应用较广。它的动作与钢丝钳或虎钳相似。
2、结构
夹持式手部是有驱动装置、传动机构和手指（或手爪）等组成。驱动装置多半用活塞缸。传动机构常用连杆机构、滑槽机构、齿轮齿条机构等。手指常用两指，也有多指等形式。指端是手指上直接与被夹工件接触的部位，它的结构形状取决于工件的形状。手部结构按模仿人手手指的动作，可分为回转型、移动型等形式。经分析和比较此设计选择移动式的齿轮齿条手部。
根据所夹取的零件半径（30120的圆柱形棒料）经分析取扇型齿轮的齿顶圆半径R=47，模数m=4，=23。齿条齿数取=23。
手指夹紧力的计算公式： (3-1)
为抓取的工件重量最大为10Kg ，为安全系数取1.22,暂取5，为工作情况系数，可按=1.12.5此取=2，为方位系数，即为当爪子处在不同位置夹取工件不同放置位置是的系数，根据查取的公式： =0.5tan，粗略计算约等于0.91.1此处取1。
根据公式（3-1）计算得:
1.521109.8N
=294N
因为此设计采用移动型齿轮齿条手部结构，查资料知其夹紧力为驱动力的一半，即:
=0.5 (3-2)
所以， =588N，此处考虑其他因素取600N。
3、手腕
手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变手部的方位。一般手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动即可满足要求，若有特殊要求可增加手腕左右摆动或横向移动。机械手的手腕结构相对比较复杂。因此设计时要注意下面几个问题：
（1）可以有手臂完成的动作，尽量不设置手腕。
（2）手腕结构尽可能简单化，对不需要三维自由度的手腕，可采用两
个或一个回转运动。
此设计可以不要手腕，动作可以由手臂完成。
图 3-1机械手手部简图

3.1.2 手部液压缸的选取
（1）、初算活塞杆直径
经分析液压缸的最大工作力为
F = 1451N
由于手爪是靠推力夹紧的，所以驱动液压缸的活塞杆选用材料HT-15 则得δ= 650 ，
由
[δ] =/ (3-3)
取
= 3
得：
[δ] = 216.7N
又
[δ]= N/A (3-4)
得： = 2.79²
（2）、压杆稳定性校核
欧拉公式
= π²EI/ () ² （3-5）

由于此活塞杆是一端固定，一端铰接，所以
μ = 0.7
根据结构要求取
L = 200
则得 HT-15的弹性模量
E = 115160Gpa
取
E = 115Gpa
又
F=π²EI/()²[] (3-6) 为了更安全，取
[] = 6
得
Imax = () ² []F/π²E
而
I = πd²d²/64 (3-7)
得
= {64()²[]F/（π²Eπ）}
= 0.0341
根据GB/T-2348-1993圆整得：
d = 35
（3）、液压缸参数确定
由
d = (0.61) D
得缸体内径
D = 35/0.6 = 58.33
根据GB/T-2348-1993[11]圆整得
D = 65
则选用T5160-1型夹紧油缸
液压缸行程：
S =（282-162）
=120
根据表
GB/T-2348-1993
圆整得
S = 125
（4）、选择调速阀
查《机械设计手册》选择YF型溢流阀，技术规格为

通径mm 额定流量L/min 调速范围Mpa 螺纹联结 重量kg
10 2 0.57 YF-L10B 2.4
表3-1溢流阀技术规格

3.1.3 水平伸缩缸尺寸计算
1.选择调速阀：选用ZFRM型调速阀，技术规格如下图框所示

表3-2调速阀技术规格
通径mm 工作压力Mpa 调速范围 重量
16 0.5-31 0-160 11.3

2.液压缸内壁直径计算
D= (3-8)

=0.1301
即D=130.1
取D=130
3.考虑伸缩缸与夹紧缸配合，取活塞直径d=70。
4.活塞行程查表得 S=500
5.缸头厚度计算
h= (3-9)
（1）、选择材料
TQ-400 =400 =250
（2）、F= （q值取其屈服极限） (3-10)
=
=31689+675885N
=707574N
（3）、 (3-11)
=0.000899
=0.899
（4）、缸头法兰按T5016-1型夹紧缸缸头2倍尺寸制造。

3.1.4 垂直升降液压缸主要参数的确定
1、查表文献[11]得液压缸活塞杆外径尺寸系列表37.7-2 取活塞杆直径为25。
工程液压缸的技术规格，液压缸缸径φAL为40，速度比φ=1.33，推力为20.11kN，拉力15.08kN。
2、液压缸缸盖及密封
根据参考资料[11]表19-13和GB3452.1-92 O型圈用（内径）=28.7，公差0.30，为密封截面直径，=5.300.13
毡圈密封（内径）=36 D（外径）=40
3、缸底厚度计算
根据参考资料[16]公式37.3-29
(3-12)
已知=0.04 =16 =0.01（缸底油孔直径） =100

0.0110
取h=10
4、缸底油孔直径的计算
根据参考资料[16]式37.9-1
管子油口内径d
d1130 (3-13)
Q为液体流量，V为流速
对于压油管V3—6/s，这里V取5/s
由
(3-14)
为液压缸输出速度，AL活塞直径得：
(3-15)
已知：
=0.15 /s,

=0.00075

12.87
由文献[1]得: 公称直径
故d取10
采用卡套式直通管接头
钢管外径为22，管接头连接螺纹M221.5
采用推荐管路通过流量为1000
GB3755.1-83
公称压力P=16

图3-2升降液压缸简图

3.2 升降手臂的设计

手臂是机械手执行机构中的重要部件，它的作用是把物料运送到工作范围内的给定位置上。手臂一般能够完成伸缩运动、左右回转、升降或上下摆动（即俯仰）运动，其运动形式有直线运动、回转运动以及二者的复合运动。
手臂是支持手部和手腕的部件，它需要承受物料的重量和手部、手腕、手臂自身的重量，其结构、工作范围、灵活性以及抓重大小、定位精度等对机械手性能影响很大，因此在 设计手臂的结构型式时，除了应考虑上述因素外，还应注意以下几点：
1、应使手臂刚度大、重量轻，保证手臂准确工作并具有一定的定位精度。
2、应使手臂运动速度快、惯性小、动作灵活。应使手臂传动准确、导向性好。
3、输油（气）管道的布置合理，不妨碍机械手的运动且使手臂外形整齐，结构紧凑。
4、其他要求，如高温作业，应考虑热辐射的影响;粉尘场合应设有防尘装置。
本设计的手臂是垂直直线运动。手臂的伸缩、升降及横向（或纵向）移动均属于直线运动。常用的实现手臂直线运动的机构有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及活塞缸和连杆机构等。下图所示为采用齿轮齿条机构的手臂结构，可以实现自动导向并使手臂移动的距离和速度有定值的增加。活塞杆左移时，与之相连的齿轮也左移，并使运动齿条一起移动。由于齿轮与固定齿条相啮合，因而齿轮在移动的同时，又迫使其在固定齿条上滚动，并将此运动传给运动齿条，从而使运动齿条又左移一距离。因手臂固结于运动齿条上，所以手臂的行程和速度均为活塞杆行程和速度的两倍。因手臂的移动速度约为0.15/s,所以活塞杆的速度为0.075/s。

3.3 立柱与托盘的设计

立柱是支承水平液压缸和机械手的部件，立柱设计的质量直接关乎到机械手的工作。此设计的立柱经过分析与计算，最后采用如下图的立柱。立柱与托盘是一体的，用铸造生产。托盘与液压缸的连接用四个GB528-M24螺栓进行连接。立柱与底座的连接采用四个M24的螺钉进行连接。具体尺寸见下图3-4。

图3-4立柱与托盘简图

3.4 液压马达的设计与计算

1、计算转动惯量
将立柱与托盘以上的部分等效成Ф40×2000的均匀直杆，估算出其总质量为（包括工作时的夹持的工件）
= 50
其转动惯量为
= ml²12 （3-16）
= 50×2²12
16.67
由于其形心距立柱有效距离为
d = 140
由平行轴定理得出横梁相对立柱形心的转动惯量
= + （3-17）
= （16.67 + 50×0.14²）
= 17.65
将立柱与托盘视为Ф50×2000的均匀圆柱，估算其质量
m = 30
则其转动惯量为
= /2 （3-18）
= 30×0.05²
= 0.075
则底座托盘以上整体的转动惯量为
总 = + （3-19）
=（17.65 + 0.075）
=17.725
2、起动转矩计算
（1）立柱角速度计算
若要求立柱在0.1秒内速度由0增大到15r/min，则
ω = π n/30 （3-20）
= 15π/30
= 0.5π/s
角速度
ε=ω/t （3-21）
= 0.5π/0.1
= 5π /s
(2)、起动转矩
= ×ε
= 17.725×5
≈ 278.28
3、马达外径计算
此液压马达是用于驱动立柱往复回转180°的机构，采用摆动液压马达。
由公式
T = b (D²-d²) (P2-P1) /8 （3-22）
取马达容积高
b = 50
轴径
d = 35
工作压力
= 3
背压
= 1
马达工作效率
= 0.9
则
D = 104.8
查表GB/T 2348-1993 取D = 125
4、叶片设计
叶片设计如下图，带键槽的通孔套在底座托盘轴径为Ф100的轴上，与之配合。叶片厚度为10。
5、紧固及连接方案
上下缸盖与缸筒之间采用毛毡密封，并用8个M8的螺钉紧固；至于缸体与底座的连接，用4个M24的螺栓连接，为防止两组螺栓孔削弱缸体上端盖的强度，特将两组螺栓孔错开45°

3.5 液压泵、电机的选择

1、流量计算
(1)、手爪驱动缸流量计算
若要求手爪在0.1秒内抓取并夹紧工件，则手爪运动速度
= /t （3-23）
= 0.125/0.1/s
= 1.25/s
则手爪驱动缸的流量
= V1×A1×1000×60
= 1.25×0.02²×1000×60π×/4
= 2.355 /min
(2)、横梁驱动缸的流量计算
= V2×A2×1000×60
= 0.2×0.063²×1000×60π×/4
= 37.4 /min
(3)、立柱液压缸的流量计算
= V3×A3×1000×60π×/4
= 0.15×0.02²×1000×60π×/4
= 2.826 /min
(4)、底盘液压缸流量计算
= b (D ² -d ²) ω/8ηm
= 0.5× (1 ²-0.35 ²) ×15/8×0.9
= 0.9141 /min
则总流量为
= Qv1 + Qv2 + Qv3 + Qv4
= 2.355 + 37.4 + 2.826 + 0.9141
= 43.4951/min
2、选择液压泵
为实现用一个液压泵给这几个液压缸供油，需要选择一个大流量的液压泵，根据液压泵产品列表选择CB-32型液压泵，其相关参数为
额定排量 32.1 ml/r
额定转速 1500 r/min
额定压力 10
额定功率 9.8
质量 6.4
算得其额定流量
=32.1×1500÷1000
= 48.15 /min
满足此液压系统流量要求。
3、选择电机
根据液压泵功率选择合适的电机，查电机产品列表选择Y160-4 型电机，其相关参数如下：
额定功率 11
满载转速 1460 r/min
额定电压 380 V
机械效率 88%

3.6 机械手的控制

该机械手采用单一液压泵供油，为实现这一要求，油路采用液力顺序阀、行程阀、溢流阀、单向阀等阀体控制。操作方便，只要两个按钮接通与断开电源即可，工作时只要接通其电源，就会往复摆动运送工件，工作完毕断开电源即可。

第4章 相关的校核

4.1 手爪扇形齿轮与齿条强度校核

齿轮齿条强度校核
1、材料：齿轮：40 渗碳淬火 硬度58—62
齿条：40 渗碳淬火 硬度 48—55
2、因所受的力不大硬齿面扇形齿轮与齿条按接触疲劳强度校核

可得