自动上下料机械手设计毕业论文

中国石油大学（北京）现代远程教育

毕 业 设 计（论文）

机械设计制造及其自动化方向

——

自动上下料机械手设计

姓 名：

学 号： 2

性 别： 男

专 业:

机械设计制造及其自动化

批 次： 0809

层 次： 专升本

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学习中心：

指导教师：

2011年4月22日

目录

第一章 绪论 ………………………………………………….4

1.1工业机械手概况 …………………………………………...4

1.2工业机械手的分类 .………………………………………..4

1.3工业机械手的发展趋势…………………………………….5

1.4本章小结…………………………………………………….6

第二章 工业机械手的设计方案 …………………………….7

2.1工业机械手的组成 …………………………………………7

2.2规格参数 ……………………………………………………8

2.3设计路线与方案 ……………………………………………8

2.4本章小结 ……………………………………………………9

第三章 机械手各部分的计算与分析 .……………………..10

3.1手部计算与分析 …………………………………….……10

3.1.1 输入输出力的比率分析 ……………………………………...…10

3.2 腕部计算与分析 …………………………………………13

3.2.1腕部设计的基本要求 …………………………………….

……..13

3.2.2腕部回转力矩的计算 …………………..…………………..…..

13

3.2.3腕部摆动油缸设计 …...………………………………………….

16

3.2.4选键并校核强度 .…………………………………………………

17

3.3臂部计算与分析 ………………………………….....…….18

3.3.1 臂部设计的基本要求 ……………………..…………..…………

18

3.3.2 手臂的设计计算 ……………………..……………………..……

20

3.4 机身计算与分析 ……………...……………………….….28

3.5 本章小结 …………………………………………........….28

第四章 液压系统 .……………………………………...…..29

4.1液压缸 …………………………………………………..…29

4.2计算和选择液压元件 ……………………………………..31

4.2.1液压泵的选取要求及其具体选取 ……………………………….

31

4.2.2选择液压控制阀的原则 ……………….……………………...….

33

4.2.3选择液压辅助元件的要求 ……………….…………………...…..

33

4.2.4具体选择液压原件 …….…………….…………………...…...….

33

4.3本章小结 ………………………………………..………..34

第五章 液压缸的保养与维修…………………………..……36

5.1液压元件的安装 …………………………………….……36

5.2 液压系统的一般使用与维护……………………………...36

5.3 一般技术安全事项…………………………….…………..36

第六章 机械手控制系统 ……..…………………..…………37

结论 ………………………………………………...….………38

参考文献 ……………………………………………...…….…39

致谢 …………………………………………………..…...……40

第1章 绪 论

1.1 工业机械手概况

工业机械手是人类创造的一种机器,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。工业机械手是一种模仿人体上肢的部分功

能，按照预定要求输送工作或握持工具进行操作的自动化技术装备。机械手可以在

空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。工

业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，技术复杂程度也有很大

差别。但他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。实践证明：工业机械手可以代替人手的繁重劳

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，他能在高温、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 工业机械手的分类

1、按用途分可分为专用机械手和通用机械手

（1）专业机械手

是指附属于主机，动作程序固定，一般没有独立控制系统，只制作专门用途的

自动抓取或操作装置。

（2）通用机械手（国外泛称工业机械人）

是指程序可变的、独立的、自动化的抓取或操作装置。通用工作机械手工作范

围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。

2、按驱动方式可分为液压、气压、机械、电力传动机械手

（1）液压传动机械手

是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：抓重可达几百

公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄

露对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。

（2）气压传动机械手

是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是介质来源极

方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是由于空气具有可压缩的特性，工作

速度的稳定性较差，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，适用于高速、

轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

（3）机械传动机械手

即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。

它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特

点是运动准确可靠、动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于为工

作主机的上、下料。

（4）电力传动机械手

即由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动

的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。

3、按控制方式分

（1）点位控制

它的运动分为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不

能控制其远动轨迹。

（2）连续轨迹控制

它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过

程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统

复杂。

1.3 工业机械手机械手的发展趋势

1、扩大机械手在热加工行业上的应用

因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带

来不少困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手更好地为热加工作业服务。

2、提高工业机械手的性能

机械手的工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性

能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作

制系统应用于机械手上。

3、发展组合式机械手

为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的结构化设计成可以组合的型

式。组合式机械手是将一些通用部件根据作业要求，选择必要的能完成预定机能的

单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特

殊要求的机械手。它便于标准化，系列化设计和组织专业化生产，有利于提高机械

手的质量和降低造价。

4、研制具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机器人”

对于需用人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合机械手很难代替人的

劳动。因此，人们对机械手提出了更高的要求，希望具有“视觉”和“触觉”的功

能，使之对物件进行判断、选择，并能进行“手——眼”协调工作。具有感觉功能

的机器人，其工作性能是比较完善的，能够准确夹持任一方位的物件，判断物件重

量，越过障碍物进行工作，自动测出夹紧力大小，并能自动调节，适用于从事复杂、

精密的操作。

随着工业机械手工作性能不断提高，应用范围不断扩大，通用化、系列化、标准

化工作进一步开展，工业机械手必将在工业生产中大量推广应用。

1.4 本章小结

本章介绍了工业机械手的概括，工业机械手的分类、发展趋势。工业机械手在

国民生产中有广泛的应用，许多机械设备都用到工业机械手，它是近代自动控制领

域内出现的一种新型的技术装备。

第2章 工业机械手的设计方案

2.1 工业机械手的组成

机械手的组成一般包括执行系统、驱动系统和控制系统等部分组成。细分则

可列为以下数项：

1、手部（或称抓取机构）

包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。

2、传送机构（或称臂部）

包括手腕、手臂等，主要起改变物件方位和位置的作用。

3、驱动部分

是驱动前两部分的动力，因此也成动力源，常用的有液压、气压、电力和机械

式驱动四种形式。液压驱动系统是由油缸、阀、油阀和油箱等组成；气压驱动系统

是由气缸、气阀、空压机（或由空气压缩机站直接提供）和储气罐等组成；电机驱

动系统是由一些电动机、专用电动机等组成。

4、控制部分

是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚

至速度与加速度）等。一般包括程序控制部分和行程检测反馈部分。

5、其它部分

如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等：

（1）机体（也称机身）

是用以支承和连接其他零件、部件的基础件。

（2）行走机构

是为了扩大机械手的使用空间而设置的。而本身又包括动力源、传动（减速）

机构、滚轮或连杆机构等。

（3）行程检测装置

是监测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。

（4）传感装置

其中装有某种传感器，是手指具有敏感性和自控性，用以反应手指与物件是否

接触、物件有无滑下或脱落、物件的方位是否正确、手指对物件的握紧力是否与物

件的重量相适应等。

2.2 规格参数

工业机械手的技术参数，是说明机械手规格和性能的具体指标。

1、抓重（或臂力）

抓重是机械手所能抓取或搬运物件的最大重量，它是机械手规格中的主要参

数。抓重以10公斤左右的机械手为数最多。一般将抓重1公斤以下的定为微型；

1~5公斤的定为小型；5~30公斤的定位中型；30公斤以上的定为大型。机械手抓重

的大小对其他参数如行程范围、运动速度、坐标型式和缓冲装置的设计均有影响，

因此，设计时必须予以重视。

2、自由度数和坐标型式

机械手的自由度数和坐标型式的选择，应根据机械手现场具体的生产情况和工

艺的要求而定。

3、运动速度

运动速度是机械手主要参数之一，它反映了机械手的生产水平，很多机械手由

于速度低限制了它的适用范围。

4、行程范围

机械手的手臂运动行程大小与机械手的抓重大小、坐标型式、驱动方式以及使

用性能有关系，一般对于通用机械手的手臂回转应尽可能的大些使机械手具有一定

的通用性，因此一般地手臂回转行程范围应大于180度；手臂伸缩行程大多数在

500~1000毫米范围内选取。

2.3 设计路线与方案

2.3.1 设计步骤

1.查阅相关资料；

2.确定研究技术路线与方案构思；

3.结构和运动学分析；

4.根据所给技术参数进行计算；

5.按所给规格，范围，性能进行分析，强度和运动学校核；

6.绘制工作装配图草图；

7.绘制总图及零件图等；

8.总结问题进行分析和解决。

2.3.2 研究方法和措施

使用现在机械设计方法和液压传动技术进行设计，采用关节式坐标（四个自由

度，可以绕横，纵轴转动和上下左右摆动）。

2.4 本章小结

本章介绍了工业机械手的组成、规格参数、设计路线等内容，这种设计的机械

手组成全面，配置合理，能达到一定的使用要求。

第3章 机械手各部分的计算与分析

3.1 手部计算与分析

手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主

要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。

夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的

工件具有较大的适应性，可以抓取轴，盘，套类零件，一般情况下可采用两个手指。

手部的主要功用是当工件在传送过程中抓取和释放工件，当手指牢固地抓紧工件

时 ，可把整个系统当做静止状态看待，这时就可以用传统的静力分析方法来确定

各种力的关系及大小，从而保证机器人可靠地工作。

3.1.1输入～ 输出力的比率分析

手部的主要功用是当工件在传送过程中抓取和释放工件，当手指牢固地抓紧工件时 ，可

把整个系统当做静止状态看待，这时就可以用传统的静力分析方法来确定各种力的关系及大小，

从而保证机器人可靠地工作。现以实例说明手部输入-输出力的确定，如图

C点的力平衡方

程式为：

F= F=

2356

其中：P—驱动力(输入力)

F、 F分别为杠杆2作用在杠杆3和杠杆5作用在杠杆6上的力。

2356

——

P

2sinr

由A（A`）点力矩平衡方程式可求的抓取力（输出力）：

hhPh

222

= F=· F= F

5623

hh2sinrh

111

P

一般取≈4~6，

2sinr

11

即r≈arcsin(~)≈4°47′~7°11′

812

上述分析说明这类杠杆机构的最大优点就是过死点位置时产生自锁作用。上述方法

还不是一种简便而直观的方法，最直观而又有效的方法就是虚功原理。现以实例来

分析，如图根据虚功原理我们可得方程式：

1

PV=FV

1C1

2

其中：V=Va=Lψ；V=Rψ

01

而ψ——杠杆 2的角速度，R——扇形齿轮的节圆半径，L——A点至固定铰

链点O的距离。

R

V的垂直分量V为：

CC1

V= V

C1C

cosθ=Lθ

o

cos

将Vm=Rψ和V= Locosθ代入PV=FV中可以求得输入—输出力的比率

C11C

为：

ε=

1

2

P2L

=cosθ

FR

另一实例瞬时中心确定在3,由于11’3∽243则

OOOOOOO

ΔΔ

hlcdhl

l

= 即=

cld

d

再根据平衡条件得：

Pp-Fr=0

δb

即P·b· F·a·

δφδφ=0

21

－

由图所示的几何关系可得：

Lφ= Lφ

b12

·δδ

hcd

即δ

φ=δφ=δφ

211

ld

整理可得 c =

=

ad

P

F

b(cd)

同样可求出其它不同手部的输入 一输出的比率

ε

0

。

3.2 腕部计算与分析

3.2.1 腕部设计的基本要求

手腕部件置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改

变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，适应性更强。手腕具有独

立的自由度，此设计手腕有绕X轴转动和沿X轴左右摆动两个自由度。手腕回转运动

机构为回转油缸，摆动也采用回转油缸。他的结构紧凑，灵活，自由度符合设计要

求，它要求严格密封才能保证稳定的输出转矩。

1.腕部处于臂部的前端，它连同手部的动静载荷均由臂部承受。腕部的结构、

重量和动力载荷直接影响着臂部的结构、重量和运动性能。因此在腕部设计时，必

须力求结构紧凑，重量轻。

2.腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支承作用，除了保证力和运动的

要求以及具有足够的强度和刚度外还应综合考虑合理布局腕部和手部的连接、腕部

自由度的检测和位置检测、管线布置以及润滑、维修调整等问题。

3.腕部设计应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀，压力油的粘度和燃

点，有关材料及电控电测元件的耐热性等问题）。

3.2.2 腕部回转力矩的计算

腕部回转时，需要克服以下几种阻力：

1.腕部回转支承处的摩擦力矩

M

摩

从图3.4可知：＝××-轴承直径（m）

M

摩

f



RDRD

1122



kgfm

DD

12

2

式中：－轴承处支反力；可静力学平衡方程求得。

RR

12



kgfm

f-轴承的摩擦系数，对于滚动轴承f=

0.010.02

为简化计算取

M0.1M

摩总阻力矩

图3.4 腕部回转支承处的受力图

G-工件重量（kgf），-手部重量（kgf），－手腕转动件重量（kgf）

1

GG

23

2.克服由于重心偏置所引起的力矩

G

1

M

偏

M

偏

＝（kgf）

G

1

e

式中e－工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）

3.克服启动惯性，所需的力矩

M

惯

启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角加速度及启动所用的角速度





起

：



2

M

惯

＝ (3.8)

0.0175JJ



工件

2



式中：－工件对手腕回转轴线的转动惯量

J

工件



kgfms

2

J－手腕回转部分对手腕回转轴线的转动惯量



kgfms

2



－手腕回转过程的角加速

度



秒





－启动过程所转过的角度（度）

手腕回转所需要的驱动力矩应当等于上述三项之和。

MMMM

总

偏摩惯

(3.9)

因为手腕回转部分的转动惯量不是很大，手腕起动过程所产生的转动



J+J

工件

力矩也不大，为了简化计算，可以将计算，适当放大，而省略掉，这

MMM

偏摩惯

时

M1.1MM

总



偏摩

(1)设手指，手指驱动油缸及回转油缸转动件为一个等效圆柱体，L=50cm，直

径D=10cm，则m=27.5kg。

(2)摩擦阻力矩＝0.1

M

摩

M

总阻力矩

(3)设起动过程所转过的角度＝,等速转动角速度



起

20



100



s



2

计算：求＝

M

偏

0.0175JJ



工件

2



查型钢表有：

JmR0.034kgfms

JmL3R6.028kgfms

工件

1

22



2

1



222

12

代入＝256（N·m）

M

惯

MMM

偏摩摩

＝0;＝0.1;＝0.1+265

MM

总阻力矩总阻力矩

M=

确定转轴的最小尺寸

265

294.4kgm



0.9

W0.2d

T

3

，－抗扭剖面模量

W

T



T



294.410

d

3

3

0.2d

3



T

，查得





T

60MP

a

M

驱

，，取转轴直径d=40mm。

d15mm

0.2





T

4.回转油缸所产生的驱动力矩计算

回转油缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩，机械手的手腕回转运动

M

总

所采用的单叶片回转油缸，定片1与缸体2固连，动片3与转轴5固连，当a,b

口分别进出油时，动片带动转轴回转达到手腕回转目的。

p··b（R-r)

22

M= (3.10)



M

总

2

式中：—手腕回转总的阻力矩（N·m）

M

总

P—回转油缸的工作压力

r—缸体内径半径（cm）

R—输出轴半径（cm）

b—动片宽度

注：可按外形要求或安装空间大小，先设定b,R,r中两个：

D2bD2b

=1.5—2.5,=3 ,取=2，

2

dD-ddD-d

又因为d=40mm，则D=80mm，b=60mm

去顶回转油缸工作压力：

p

2M

总

2294.4

2

8.01(kg/cm)

(3.11)

22

22

b(Rr)

6(84)

由于系统工作压力远远大于此压力，因此回转油缸的工作压力足以克服摩擦

力。

3.2.3 腕部摆动油缸设计

MMMM

摩偏惯

偏离重心e的计算及

M

偏

图3.5 腕部摆动油缸设计尺寸图

估计L=45cm，，

e16cm,e45cm,R5cm

12

m29.7kg

杆

e(meme)/mm

杆件杆件

12

=30cm

e16.41(kgfm)MG·

克服重心偏置所需的力矩

偏

克服摩擦所需力矩

M

摩

M

摩

=0.1cm

克服运动惯性所需的力矩

M

惯

J

杆

=0.7654(kg-m-)

m(L3R)/12me

222

1

s

2

J

件

==25=5.1(kg-m-)

me

2

2



0.45

2

s

2

J

总

=5.8654(kg-m-)

s

2

M

惯

=JW/t

设w=,

50/s

0

20

起

o

M

惯

=0.0175/=12.83(kgf·m)

J

总

w

2



起

则摆动所需的驱动力矩

MMMM

摩偏惯

=32.14(kgf·m)

确定转轴的最小直径

TM/WT[T]

t驱

抗拒剖面摸量

Wd(mm)

T

所需驱动力矩



16

33

d30mm

3

取d=50mm

16M

驱

(3.12)



[]T

所以机械手的摆动采用单叶片回转油缸，定片与缸体固连，动片与转轴固连，

当两油口分别进出油时，动片带动转轴转动达到腕部摆动目的。

p·(bRr)

22

MM

总

(3.13)

2

D2bD2b

=1.5—2.5,=3 ，取=2，又因为：

2

dD-ddDd

所以：d=50mm，所以D=100mm，b=75mm

确定回转油缸工作压力

P10.58kg/cm

2M

总

2

(3.14)

22

b(Rr)

由于系统工作压力远远大于此压力，因此该缸的工作压力足以克服摩擦力。

3.2.4 选键并校核强度

转轴直径d=40mm,由GB1095-79选键为bh=128





转轴直径d=50mm,由GB1095-79选键为bh=2010



键校核如下公式



pp

=2T/kld[]，K——接触面的高度



10

3



0.4h0.483.2mm



pap

32.24mp[]

k0.4h0.4104mm



pp

13.208[]

取接方式：静连接，轻微冲击，查得=100

[]



p

P

a

所以满足要求

3.3 臂部计算与分析

3.3.1

臂部设计的基本要求

手臂部件是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），

并带动它们作空间转动。

臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。因此，臂部具有两个自

由度才能满足基本要求：即手臂，左右回转和俯仰运动。手臂的各种运动由油缸驱

动和各种传动机构来实现，从背部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部，

手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因而，它的结构，工

作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。

机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。臂部

要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求：

1.机械手臂式机身的承载

机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。显

然，伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度逾差，而且其刚度随支臂杆的伸缩不断变化，

对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。为可提高刚度，尽量缩

短臂杆的悬伸长度，还应注意：

(1)根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸

臂部和机身既受弯曲（而且不仅是一个方向的弯曲）也受扭转，应选用抗弯和

抗扭刚度较高的截面形状。所以机械手常用工字钢或槽钢作为支撑板，这样既提高

了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置，

传动机构以及管道，有利于结构的紧凑，外形整齐。

(2)高支承刚度和选择支承间的距离

臂部和机身的变形量不仅与本身刚度有关，而且同支撑的刚度和支撑件间距离

有很大关系，要提高刚度，除从支座的结构形状，底板的刚度以及支座与底版的连

接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。

(3)合理布置作用力的位置和方向

在结构设计时，应结合具体受力情况，设法使各作用力的变形相互抵消。

(1)设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构简单，

要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理，确定调整补偿环节，以及减少重要不

见的间隙，从而提高刚度。

(2)水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精

度，使导向杆承受部分或者大部分自重。

(3)提高活塞和刚体内径配合精度，以提高手臂俯仰的刚度。

2.臂部运动速度要高，惯性要小

机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般

时根据生产节拍的要求来决定。在一般情况，手臂回转俯仰均要求均速运动，（V和

w为常数），但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动

时间的加速度和终止前的加速度不能太大，否则引起冲击和振动。

对于告诉运动的机械手，其最大移动速度设计在1000～1500mm/s，最大回转角

速度设计在内，在大部分行程距离上平均移动速度为1000mm/s内，平均回

180/s

o

转角速度为内。

90/s

o

为减少转动惯量的措施：

(1)减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料。

(2)减少手臂运动件的尺寸轮廓。

(3)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），

尽可能在前伸位置下进行回转动作，并且驱动系统中设有缓冲装置。

3.手臂动作应灵活

为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滑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应合理，使手臂运动过

程尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生“卡死”的现

象（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。

(1)计算零件重量，可分解为规则的体形进行计算。

(2)计算零件重心位置，求出重心至回转轴线的距离。

(3)求重心位置并计算偏重力臂



GGGGG··· ?··+ =G

总爪腕

21

臂



(3.15)

i=



n





n

GGGG

2

2222

爪腕

臂

GGGG

2

爪腕

臂

11



GX





i=

(3.16)

G





i=

n

i

(4)计算偏重力矩

MGGX

偏

总





11

(3.17)

i=



n

4.位置精度要高

一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度教高；关节式机械手的位置最难

控制，精度差；在手册上加设定位装置和自检测机构，能较好的控制位置精度，检

测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动，啮合件的间隙。

除此之外，要求机械手同用性要好，能适合做种作业的要求；工艺性要好，便

于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热，冷却；用于作业区粉尘大的

机械手，还要设置防尘装置等。

3.3.2 手臂的设计计算

通常先进行粗略的估算，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，在进行

校核计算，修正设计。

为了便于进行液压机械手的设计计算，分别俯仰缸回转油缸的设计叙述如下：

1.小臂设计

设小臂L=40cm,D=60cm

则m=



Rlp0.050.471022kg

223

则手臂总重，L=100mm

mmmm

总回

f

杆

m

回



Rlp0.050.1710

223

=0.79kg

m2229.70.7952.49kg

总

俯仰缸的设计计算

图3.6 仰俯缸的设计尺寸图

设，，

a76mmb76mmc176mm

当手臂处在仰角为的位置时，驱动力P通过连杆机构产生的驱动力矩为



11

OA

MPbcos()

驱11



因为，

tg



1

ADBC

11

ODOD

11

又因为

tg



1

=，=，

ADBCBOa76cos607615cos60511mm

111

oo

ODCAB7676sin6041mm

11

o

2.5



1

15

o

MPbcos()

驱11



43

4

PPP

封背

而P=



D

2

P—油缸的工作压力（）

kg/cm

2

D—油缸内径（cm）

P

封

—活塞缸与缸径，活塞杆与端差的密封装置处的摩擦阻力（kg）

PP

背背

—通油箱，=0





10590.3kg取=10600kg



M

驱

106000.8=60356.601kg·cm



cos(3.360)

当手臂处在俯角为的位置时，驱动力P通过连杆机构产生的驱动力



22

OA

MPbcos（）

驱22



因为：

tg



AEAE

22

2

OEOCEC

21

AEBCOBOCbcos2.9

2222



OCc

1

ECABbsin

222



所以

atg15

1o

bcos



2

2

cbsin



2

则

MPbcos(1530)95050.76kg?cm

驱

o

当手臂处在水平位置即为驱动力矩时



OA

MPbcos(1530)95050.76kg?cm

驱

o

因为

MMMM

驱

惯偏摩

由于手臂与支柱连轴有振动轴承，摩擦力矩较小=0

M

摩

所以

MMM

驱

惯偏

验证油缸是否满足要求，满足上仰条件，出于时



1

p

M

驱

b·cos(tg+)

-1

bcos



(3.18)

1

cbsin





1

1

=

60.356

0.15cos(tg60)

1o

0.15cos600.05

o

0.30.15sin60

o

=1134kgf

选取=0.7，所以

d

D

p1MP

a

4pdp411340.49D10

226



D



p10

6

(3.19)

0.51D

2

41134



10

6

D=0.053m

整理得到D=63mm，则d=45mm。

液压缸壁和外径计算





PD

y

(3.20)

2[]





5mm

1.563

260

P1.5P1.5MP

y1a

[][]



高强度铸铁，=60

P

a

DD26632573mm

1

液压缸为平底缸差，其厚度t按强度要求计算

无孔时

t0.433D

P

y

2

[]



(3.21)

0.433631.67mm

1.5

60

取t=3mm

液压缸工作行程的确定

由

ABABS

1122

则S=16mm

则由表2-6中的系列尺寸查得（液压系统设计手册）

S=25cm则活塞杆L=30cm

活塞杆的稳定性校核，活塞杆由45钢制成。

杆长300mm，d=45mm

最大压力P=1134N

设稳定安全系数为，

Sn89

st



sapaa

350MP280MPE210GP

由式（10.9）求出



229

E21010



1

86



1028

6

(3.22)

p

活塞杆两端可简化为铰支座，故，活塞杆横截面为圆形i=



1

d

4

430010l

3

26.7

，因为，故不能用欧拉公式计算 故为





1



i4510

3



使用直线公式，由表10.1查得，优化碳钢的

a461MPb2.568MP

aa

a



s

4611035010

66

43.2

由公式（10.12）可得



2

6

b2.56810

可见活塞杆是小柔度变压杆，由直线公式求出



wa

ab393MP



32

PA(4510)625.04kN

ww



4

而P=1134N，活塞杆的工作安全系数为n=

所以满足要求。

2.油缸端盖的连接方式及强度计算

P

CN

551n

st

Pmax

为保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距，进而决定螺钉的数目。

t

1

缸的一端为缸体与缸盖铸造成一体，另一端缸体与缸盖采用螺钉连接。

(1)缸盖螺钉的计算

为保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距，进而决定螺钉的数目

t

1

在这种连接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷Q和预进力

Q

0

Q

O

`

之和。



s0s



`



D

2

P

式中：



0

367.95kgf

4

ZZ

P—驱动力kgf

P

P—工作压力kgf/

cm

2

Z—螺钉数目，取8



s

`

—预紧力kgf



s

`

=K，K=1.5-1.8



螺钉的强度条件为：



合

1690kgf/cm[]

1.3



o

4Q

1

2

2

2



d

1



d

1

4

d

1

4Q

1

式中：=1.3——计算载荷（kgf）

Q

1



o



[]

表3-1 螺钉间距与压力p的关系

t

1

工作压力（）

p

1

kgf/cm

5—15 <150

15—25 <120

25—50 <100

50—100 <80

2

螺钉间距（mm）

t

1

[]





s

n

()抗拉许用应力

kgf/cm

2

n1.22.5

，——螺纹内径（cm）

d

1

表3-2 常用螺钉材料的流动极限

kgf/cm

2

钢号 10 A2 A3 35 45 40cr

2100 2200 2400 3200 3600 6500-9000



s

(2)缸体螺纹计算



合

[]

KQ

10



(dD)

22

4

4KQD[]

10

2



(cm)d



[]

(3.23)

1

式中，，



s0ss

KP(1.51.8)P

Pp

``



D

2

4



D—油缸内径

KK

11

—考虑螺纹拉应力和扭应力合成作用系数取=1.3

3.大臂回转缸的设计

驱动手臂回转的力矩

MMMM

驱

惯封

回

MMM

封封1封2

Ld2kk

0

2

MLMP

1

2

封1

2



D—输出轴与缸差密封处的直径（cm）

L—密封的有效长度（cm）

d—“O”形密封圈的截面直径（cm）

0

k

—“O”形圈在装配时压缩率，对于回转运动，k=0.03-0.35



—摩擦系数

P—回转轴缸的工作压力（kg/）

cm

2

选取=0.5，b=10cm,p=80kg/,设=6mm



cm

2

b

1

若，则取

DD

dd

1.52.52,D2d

2b2b210

DdDd2dd

233d,d6.7cm7cm

，取，则，D=14cm

选用O型橡胶密封圈S58型，=4.7mm

d

0

则

l0.4720.050.050.15cm

2

Mdl70.150.58065.98kgcm

11

22



2

封1

(3.24)

M

封侧

—动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力距

MFl(Dd)p

Dd1

封侧

21

48

22



ld2kk0.620.050.050.19cm

22

11

M

11

l(Dd)p0.19(147)800.5139.65kgcm

2222

封侧

88

1



M532kg

封径

w

(kgcm)Mj

t

www

—回转缸动片的角速度变化量，在启动过程中（弧度/秒）

惯

0



t

—启动过程时间

j

0

—手臂回转部件，对回转轴的轻功惯量（）

kgcms

2

若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为



则

jjp

G

2

0c

g

j

c

—回转零件对重心轴线的转动惯量

jlR（l+3R）

mm

工件手臂

2222

m

回

c

12212

0

1.70.1(0.1230.07)

2552.4912.13

12212

2222

(3.25)

6.314(kgcms)

2

j

0

=649.2（）

kgcms

2

设角速度，启动时间

w40/s

o

t0.1s

M649.20.01754544.5kgcm

40

惯

0.1

Mpdbpbp（D-d）



D



1

回回回

d

22

2

2

pp

回回

—般取=0.2P=16（）

2

kgcm

M1016(147)11760kgcm

1

回

2

22

M117604544.5139.65532265.9817108.11kgcm

驱

由内径公式

Dd0.25D

8M

驱

22

817108.11

bp1080

(3.26)

D15.11cm

基本满足要求，则D=16cm，d=8cm。又由

2b

Dd

3

4.缸盖连接螺钉和动片连接螺钉计算

螺钉的强度条件为



[]

1.3Q

j



d

1

2

4

或（取=8mm）

d0.65cm

1

4Q

j



[]

d

1

式中：—螺钉的内径（cm）

d

1

Q

j

—计算载荷（kgf）

[]



—螺钉材料作用拉应力

3.4 机身计算与分析

机身是直接支撑和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降，回转或俯仰等运动

的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机体的躯干与底座相连。因此，

臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以是固定的，也可以

是行走的，即可以沿地面或架空轨道运动。此次设计机身为地面轨道运动式。它的

驱动系统是步进电机其型号为Y132S—8功率2.2KW转速710r/min，再电动机后接

了一个圆锥圆柱齿轮减速器其输出速度为1.2m/s。在后是一个制动箱。其主要参数

是由外部计算机调整和控制，在很大程度上是由运动学和轨迹运动而去编制小车的

运行程序。

3.5本章小结

本章介绍了机械手各部分的计算与分析，分别为手部、腕部、臂部、机身的结构，

并进行了计算与校核，在使用中能满足要求。

第4章 液压系统

4．1 液压缸

根据前面设计好的各种液压缸的参数。

1.活塞缸

已知参数（包括设计出的参数）：

D,d,F(t),U(t)

iiii

i

—表示第几个缸的参数

P(t)F(t)/(D)

iii

2

4

Q(t)V(t)D

iii





4

}无杆腔进油

2

P(t)F(t)/[(Dd)]

iiii

22

4

Q(t)V(t)(Dd)

iiii





4

}有杆腔进油

22

N(t)F(t)V(t)

iii

2.摆动缸

已知参数：

D,d,M(t),w(t),b,

iiiii

b

P(t)M(t)/[(Dd)]

iiii

i

22

8

Q(t)[b(Dd)/8]w(t)

iiiii

22

N(t)M(t)w(t)

iii

注意已知参数中在前面设计中不够明确时，则要进行分析。

F(t),V(t),M(t),w(t)

iiii

已知参数（包括已设计好的参数）

(1)单作用弹簧复位的夹紧缸；

D

i

=25mm，=18mm