球坐标式四自由度机械手设计

摘 要

机械手与机械人是二十世纪五十年代以后,伴随着电子技术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。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实现机械化与自动化的有机结合。它不仅在工业生产上，而且对宇宙开发，海洋开发，军事工程和生物医学等方面都起着推动的作用，因而日益受到世界许多国家，学术团队和科学技术人员的重视，毫无疑问，这门技术将具有广阔的发展前景。

在生产现代化领域里，材料的搬运，机床的上下料，整机的装配等是个薄弱环节。在机械工业部门，这些工序的费用占全部加工费用三分之二以上，而且绝大多数的事故发生在这些工序，自动上下料装置和工业机械手就是为实现这些工序的自动化而采用的。

通用机械手在工业生产中的应用只有二十来年的历史，这种装置在国外得到相当重视，到七十年代，其品种和数量都有很大的发展，并且研制了具有各种感觉器官的机器人。

关键词：机械手 液压缸PLC自由度 控制阀

目 次

摘 要.............................................................................................................................. 1 1 绪论.......................................................................................................................... 1 2 设计参数.................................................................................................................. 7

2.1设计题目 ............................................................................................................................ 7 球坐标式四自由度机械手设计 ............................................................................................... 7 2.2 初始参数与设计要求 ....................................................................................................... 7

3设计方案的拟定......................................................................................................... 8

3.1初步分析 ............................................................................................................................ 8 3.2 执行机构 ........................................................................................................................... 8

3.2.1手部 ........................................................................................................................ 8 3.2.2腕部 ........................................................................................................................ 8 3.2.3臂部及机身 ............................................................................................................ 9 3.3 驱动机构 ........................................................................................................................... 9 3.4控制机构 .......................................................................................................................... 10

4 机械手手部的设计计算.......................................................................................... 10

4.1设计计算 .......................................................................................................................... 10 4.2机械手手抓夹持精度的分析计算 .................................................................................. 13

5 腕部的设计计算...................................................................................................... 14

5.1 腕部设计的基本要求 ..................................................................................................... 14 5.2 腕部的结构以及选择 ..................................................................................................... 15

5.2.1典型的腕部结构 .................................................................................................. 15 5.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 ............................................................................. 15 5.3腕部的设计计算 .............................................................................................................. 15

5.3.1 腕部设计考虑的参数 ......................................................................................... 15 5.3.2 腕部的驱动力矩计算 ......................................................................................... 15 6腕部与臂部连接处的回转液压缸的设计计算 .................................................................. 17 6.1驱动力矩的计算 .............................................................................................................. 18

6.1.1惯性力矩的计算 .................................................................................................. 18

6.1.2摩擦阻力矩6.1.3偏重力矩

M摩的计算 ....................................................................................... 18

M偏的计算 ........................................................................................... 18

6.2回转液压缸的确定 .......................................................................................................... 18

7 臂部的设计计算...................................................................................................... 19

7.1 臂部设计的基本要求 ..................................................................................................... 19 7.2 手臂的典型机构以及结构的选择 .................................................................................. 20

7.2.1典型的臂部运动结构 ............................................................................................ 20 7.2.2手臂运动机构的选择 .......................................................................................... 21 7.3 手臂直线运动的驱动力计算 ......................................................................................... 21

7.3.1手臂摩擦力的分析与计算 .................................................................................. 21 7.3.2手臂惯性力的计算 .............................................................................................. 23 7.3.3密封装置的摩擦阻力 .......................................................................................... 23

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7.4 确定液压缸工作压力和结构 ......................................................................................... 23

7.4.1确定液压缸的结构尺寸 ...................................................................................... 23 7.5液压缸盖螺钉的计算 ...................................................................................................... 26

8臂部俯仰缸的设计计算........................................................................................... 27

8.1驱动力矩的计算 .............................................................................................................. 29 8.2俯仰摆动油缸驱动力的计算 .......................................................................................... 29 8.3俯仰摆动油缸的设计计算 .............................................................................................. 30 8.4液压缸盖螺钉的计算 ...................................................................................................... 30

9 机身的设计计算.................................................................................................... 32

9.1 机身的整体设计 ............................................................................................................. 32 9.2 机身回转机构的设计计算 ............................................................................................. 33

9.2.1 回转缸驱动力矩的计算 ..................................................................................... 33 9.3回转缸尺寸的初步确定 .................................................................................................. 34

10 机械手液压系统工作原理.................................................................................. 34

10.1 能量转化简图 .............................................................................................................. 34 10.2 液压系统的组成 .......................................................................................................... 35 10.3 液压传动系统机械手的特点 ...................................................................................... 35 10.4 油缸泄漏问题与密封装置 ............................................................................................ 36

10.4.1 活塞式油缸的泄漏与密封 ............................................................................... 36 10.4.2 回转油缸的泄漏与密封 ................................................................................... 36 10.5 液压系统传动方案的确定 .......................................................................................... 37

10.5.1 各液压缸的换向回路 ....................................................................................... 37 10.5.2 调速方案 ........................................................................................................... 37 10.5.3 减速缓冲回路 ................................................................................................... 38 10.5.4 系统安全可靠性 ............................................................................................... 38 10.5.5 机械手的动作分析 ........................................................................................... 38

11机械手的PLC控制系统设计 ............................................................................... 40

11.1 用于控制机械手的PLC简介 ..................................................................................... 41

11.1.1 PLC简介........................................................................................................... 41 11.1.2 机械手PLC的选用 .......................................................................................... 41 11.2 工业用机械手的动作顺序的PLC编程 ..................................................................... 42

12 设计感想................................................................................................................ 46 13 参考文献.............................................................................................................. 48

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(1) 机械手的概述

1 绪论

工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，作为多学科融合的边沿学科，它是当今高技术发展最快的领域之一，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。

所谓工业机械手就是一种能按给定的程序或要求自动完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人的手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。

由于机械手科学的发展十分迅速，世界上对机械手还没有一个明晰，统一的定义。

国际标准化组织（ISO）对机械手做了如下定义：机械手是一种可以反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作机或是为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统（A reprogrammable and multifunctional manipulator, devised forthe transports of masteries, parts, tools or specialized Systems, with varied and programmed movements, with the aim of carrying out varied tasks）。

随着我国工业机械手技术的不断发展，很多专家也建议建立自己的机械手定义，我国国家标准GB/T123-90 也将工业机械手定义为“一种能自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或操持工具，用于完成各种任务作业”。

(2) 机械手的组成

工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成，各部关系如图1所示：

图0-1工业机械手组成框图

机械手大致可分为手部、传送机构、驱动部分、控制部分以及其它部分。

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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；

传送机构（或称臂部）包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用；

驱动部分它是驱动前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式；

控制部分它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；

其它部分 如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。 (3) 机械手的分类

机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：

按机械手的使用范围分类： ①专用机械手

一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。

②通用机械手（也称工业机器人）

指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动 生成传送物件或操作某些工具的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。这种机械手由于手指可更换(或可调节)，程序可变，故适用于中、小批生产。但因其运动较多，结构较复杂，技术条件要求较高，故制造成本一般也较高。

按机械手臂部的运动坐标型式分类： ①直角坐标式机械手

臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X 方向的移动)、左右移动(定为沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)；

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②圆柱坐标式机械手

手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；

③球坐标式机械手

臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)；

④多关节式机械手

这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。

(4) 按机械手的驱动方式分类： ①液压驱动机械手以压力油进行驱动； ②气压驱动机械手以压缩空气进行驱动； ③电力驱动机械手直接用电动机进行驱动；

④机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。

按机械手的臂力大小分类： ①微型机械手臂力小于1kg； ②小型机械手臂力为1—10kg； ③中型机械手臂力为10—30kg； ④大型机械手臂力大于30kg。 (5) 机械手发展概况

机械手是在自动化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术，特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与自动化的有机结合。

机械手是一种模仿人手部的动作，按照预先设定的程序、轨迹和其他要求，实现抓取、搬运工件和操纵工具的自动化装置。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不

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知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量臂人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛的得到应用。

(6) 机械手的组成

机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的。一般机械手由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。

机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支座组成。手是抓取机构，用来夹紧或是松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指和手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕，而只有手臂，手臂的动作和手腕相类似，只是动作范围更大，可以前后伸缩，上下升降和左右摆动等。支柱用来支撑手臂，它是固定的，也可以根据需要做成移动的。

执行机构的动作要有传动系统来实现。常用的机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。

控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作。简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现对传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作。动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。

简单的组成和分类以及适用范围如下： ①工业机械手的组成：

执行系统的组成：手部、腕部、机身、行走机构。 驱动系统的组成：各种电气、液压元件。 控制系统的组成：位置检测器、记忆存储器。 ②工业机械手的分类：

液压式：操作力大，动作平稳，其缺点是泄油会影响系统的工作性能，油的粘度对温度的变化敏感。

气动式：气源方便，维护简单，易于获得高速度，其缺点是操作力有限，体积大。空气压缩性大,速度控制困难,动作不平稳,控制有滞后现象。

电动式：动力源方便，操作力度大。其缺点是需要设置减速机构，结构较复杂，或用特殊电机驱动。

机械式：一般借助主机动力源，通过凸轮，连杆机构来实现规定的动作，变

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换程序较困难，结构庞大。

③工业机械手按适用范围分：

专业机械手：一般指附属于某一设备的，动作程序固定的，没有的控制系统的搬运装置。

通用机械手：一般指动作程序可变的，具有控制系统的自动化装置。 ④工业机械手按运动轨迹控制方式分：

点位控制：机械手的运动轨迹是空间两点间的联线，只要求准确控制部件的移动起始位置或有限的设定点位置，不要求控制其运动轨迹。

连续轨迹控制：机械手的运动轨迹是空间连续曲线，其设定点是无限的能在三维空间中作任意复杂的动作。

(7) 上下料机械手的使用必要性

在现代的机械加工中，消耗于上下料的时间损失是组成零件单件加工时间的一部分，它属于辅助时间，我们知道要想提高生产率，减少生产中的辅助时间，将是非常重要的一个环节。而要想减少辅助时间必须实现生产自动化，自动上下料机构就是为实现生产中上下料工序而设计的一种专用机构。

自动上下料机构中供散乱的中、小型工件毛坯，经过定向机构，实现定向排列，然后顺序的由上下料机构送到机床或工作地点去。这在自动化成批大量的生产中显然是实用的，它不但可把操作人员从复杂而繁重的劳动中解脱出来，而且对保证安全生产也是一种行之有效的方法。

工业机械手在二十世纪五十年代就已用于生产。它是在自动上下料的基础上发展起来的一种机械装置。开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化。随着应用范围的不断扩大，现已用来操持工具和完成一定的作业。实践证明：使用自动上下料的机械手可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率，还具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量臂人手大等特点。因此，自动上下料机械手已得到越来越广泛的得到应用。

(8) 机械手在生产中的作用

机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下一些方面。 旋转休零件（轴类、盘类、环类）自动线，一般都采用机械手在机床之间传送工件。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

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采用机械手的。

在实现单机自动化方面：

①各类半自动车床，有自动夹进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动生产，一人看管多台机。

②注塑机有加料、合成、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现全自动生产。

③冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。 铸、锻、焊、热处理热加工方面：

①对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境时行合理设计，扶把适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。为了谋求操作安全和彻底防止公害，在工作事故多的工程，如冲压、压铸、热处理、锻造、喷漆以及有有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中，推广工业机械手工机器人。

②机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中出来，并能扩大和延伸人的功能。人在连续工作几个小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护、检修，即能用途长时间的单调重复劳动。

③由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。

④机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好，能较好地适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置（或轨迹）能够十分灵活快速地予以改变，而其众多的自由度，又提供了迅速改变作业内容的可能，在中、小批量的自动化生产中，最能发挥其作用。

⑤采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。

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2 设计参数

2.1设计题目

球坐标式四自由度机械手设计 2.2 初始参数与设计要求

（1）抓重：100N （2）自由度：4个 （3）臂部运动参数：

表 2-1

运动名称 伸缩 回转 回转 符号 X φ θ 行程范围 350mm 0 º-210º 0 º-45º 速度 ＜250mm/s ＜90 º /s ＜90 º /s （4）腕部运动参数：

表 2-2

运动名称 符号 行程范围 0 º -180º 速度 ＜90 º /s 回转  （5）手指夹持范围：棒料，直径φ40-φ60mm，长度450-1200mm （6）定位方式：电位器（或接近开关等）设定，点位控制 （7）驱动方式：液压（中、低压系统） （8）定位精度：±3mm （9）控制方式：PLC控制

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3设计方案的拟定

3.1初步分析

该工业机械手的坐标形式是球坐标式，其臂部的运动由一个直线运动和两个转动组成，即沿X轴的伸缩，绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。这种机械手臂部的俯仰运动能抓取到地面上的物件，为了使手部能够适应被抓取对象方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其它状态。这种形式的机械手具有动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它适用于沿伸缩方向向外作业的传动形式。但结构较复杂，此外，臂部摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。

3.2 执行机构

3.2.1手部

手部是用来直接抓取或握紧（或吸附）工件的部件。由于被抓握工件的形状、尺寸大小、轻重和材料的性能、表面状况等不同，工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构都是根据工件的要求而设计的。常用的手部结构有夹钳式、气吸式、电磁式以及其他形式。

夹钳式手部设计的基本要求 （1） 应具有适当的夹紧力和驱动力 （2） 手指应应具有一定的开闭范围 （3） 应保证工件在手指内的夹紧精度 （4） 要求结构紧凑、重量轻、效率高 （5） 应考虑通用性和特殊要求 3.2.2腕部

连接手部与臂部的部件，主要作用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，使机械手适应复杂的动作要求。要求0-180°的回转动作，因此选用具有单自由度的回转液压缸驱动结构。此结构 特点是结构紧凑，灵活，但回转角度较小，并且要求严格密封，否则就很难保证

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稳定的输出扭矩。

腕部设计的基本要求及其自由度： a 力求结构紧凑，重量轻 b 综合考虑，合理布局

c 必须考虑工作条件 对于高温作业和在腐蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计时应充分考虑环境对腕部的不良影响

3.2.3臂部及机身

臂部是机械手的主要执行部件。作用是支承腕部和手部（包括工件与工具）。并带动他们作空间运动。臂部运动的目的是把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态则由腕部的自由度实现。因而机械手的臂部一般具有三个自由度才能满足基本要求：即手部的伸缩 左右回转和升降（或俯仰）运动。机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降 回转和俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因而其设计与臂部的设计经常一起考虑。机身可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空轨道运动。

臂部设计的基本要求为：a 承载能力大，刚度好，自重轻 b 运动速度高，惯性小 c 臂部运动应灵活 d 位置精度要高

除上面提到的要求外，还要保证机械手的通用性要好，能适应在不同环境作业的要求：工艺性要好，便于安装和加工;用于高温环境作业的机械手，还要考虑隔热和冷却；用于粉尘大作业区的机械手，还要设置防尘装置等。这方面的设计需要根据机械手工作环境条件进行具体的设计。

综上所述，本机械手的设计，臂部选用双导向杆伸缩结构。其特点为手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。

3.3 驱动机构

根据动力源不同大致可分为气动、液压、电动和机械传动。根据课题

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特点。其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。

液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。

气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。

电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。

机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。

综合考虑，本设计选用液压驱动，其特点是速度快，结构简单，控制方便，传递力矩大，并且控制精度高

3.4控制机构

PLC控制

4 机械手手部的设计计算

4.1设计计算

（1）如下图为常见的滑槽杠杆式手部结构。在拉杆3的作用下销轴2向上的

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拉力为P,并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1和P2，其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A与B。

由∑Fx=0 得P1= P2 ∑Fy=0 得P1=

P 2cos∑Mo1（F）=0 得P1h=Nb 因h=

2ba 所以P=cos2N

acos式中 a—手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）；

—工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。 由分析可知，当驱动力P一定时，角增大，则握力N也随之增加，但角过大会导致拉杆的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度，使之结构增大，因此一般取

=300～400，这里取为350。

此处设计的机械手是滑槽杠杆式的。 夹紧力及驱动力的计算(1)由上知，驱动力 P=

2bcos2N a手指与工件的位置：手指垂直位置夹水平平位置放置的工件，那么握力

N0.5Gtan(-),其中arctanf,f为摩擦系数，钢对钢f=0.1。工件的重力

G=100N,解得握力N=84.18N.由计算可得，b=120mm, a=20mm, 代入公式中解得 驱动力P=678N

\\

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图4-1 1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座

(2)实际驱动力：

P实际PK1K2

式中P——计算出的驱动力

——手部的机械效率

K1——安全系数，一般取为(1.2～2)

主要考虑惯性力的影响，可近似估算：K21K2——工作情况系数，

其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度(g9.8m/s2) 该传力机构为杠杆式，故取0.9，并取K1=1.5,假设被抓取工件的最大加速度a=g时，那么K21K1K2a，ga=2. g1.522260N 0.9所以P实际P678

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表4-1 液压缸的工作压力

作用在活塞上外力液压缸工作压力作用在活塞上外力液压缸工作压力F（N） 小于5000 5000~10000 10000~20000 Mpa 0.8~1 1.5~2.0 F（N） 20000~30000 30000~50000 Mpa 2.0~4.0 4.0~5.0 5.0~8.0 2.5~3.0 50000以上 （3）确定液压缸的直径D

由《机械设计手册 液压传动与控制》可知

D3.57102F P由于作用在活塞上的外力小于5000N,故选择液压缸压力油工作压力P=1MPa,

D3.57102F2.263.571020.054mm P1根据《机械设计手册 液压传动与控制》表23.6-33，选取液压缸内径为：D=63mm

则活塞杆内径为: D=630.5=31.5mm，选取d=32mm

4.2机械手手抓夹持精度的分析计算

机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关，为使机械手能适用于多品种小批量 工件直径在一定范围内变化的生产中，必须使用合理的手部结构参数，可以采用自动定心的手部结构来减少机械手的调整工作，从而使加持误差控制在较小范围内。

该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。 机械手的夹持范围为40mm～60mm 一般夹持误差不超过1mm,分析如下： 工件的平均半径：Rcp203025mm 2手指长l120mm,取V型夹角21300

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图4-3 手抓夹持误差分析示意图

偏转角按最佳偏转角确定：

arccos(RCP1a)86.40 sinl

计算 R0lsincos6.87mm

因R0RminRmax，即Rmax和Rmin在双曲线的对称点R0的同侧，故其夹持误差△为：

l2(Rmax2RRR)2lmaxcosa2l2(min)22lmina2 sinsinsinsin 125.772125.622 1.5mm

夹持误差△=1.5mm，因此本设计的夹持误差<3mm,满足设计的要求。

5 腕部的设计计算

5.1 腕部设计的基本要求

（1）力求结构紧凑、重量轻。腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。

（2）综合考虑，合理布局。腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除了保证力和运动的要求，及具有足够的强度、刚度外，

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还应综合考虑，合理布局，如应解决好腕部与臂部和手部的连接，碗部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题。

（3）必须考虑工作条件。对于本设计，机械手的工作条件是在正常工作场合中搬运加工的棒料，不会受到环境的影响，对机械手的腕部没有太多不利因素。如果机械手处在高温和腐蚀性的工作介质中，就应在设计时充分考虑环境对机械手腕部的影响。

5.2 腕部的结构以及选择

5.2.1典型的腕部结构

(1) 具有单自由度的回转缸驱动的腕部结构。它直接用回转缸驱动实现腕部的回转运动，具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛采用。

(2) 用齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于270的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。

(3) 具有两个自由度的回转缸驱动的腕部结构。它是来实现腕部的回转和左右摆动。

(4) 机-液结合的腕部结构 5.2.2 腕部结构和驱动机构的选择

本设计要求手腕回转180，通过以上的分析，腕部的结构采用具有一个自由度的回转缸驱动的腕部结构，驱动方式采用液压驱动。因为本设计为球坐标式机械手，为了使手部能适应被抓取对象方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平或其他状态。所以在腕部与臂部连接处安装一个回转液压缸，使腕部具有上下摆动的功能。

005.3腕部的设计计算

5.3.1 腕部设计考虑的参数

夹取工件重量10Kg，回转1800。 5.3.2 腕部的驱动力矩计算

（1）腕部转动时所需的驱动力矩力矩M驱可按下式计算

15

M驱M惯M偏M摩+M封

M驱——驱动腕部转动的驱动力矩(Nm)

M惯——惯性力矩(Nm)

M偏——参与转动的零部件的重量(包括工件 手部 腕部回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩(Nm)

M摩——腕部转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩(Nm)

M封——腕部回转缸的动片与定片 缸径 端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(Nm)

棒料的计算采用最大值，夹取棒料直径60mm，长度800mm，重量10Kg,因为腕部的伸缩缸为腕部回转的转动缸的轴，故将其整体视为一圆柱体，直径为180mm，其长为185mm，故估算其重为G10.0920.1857800N/Kg360N，另外，工件重为G2 =100N。其总重为G=460N。

等速转动角速度90/s1.57rad/s。

2因为 M惯=（J+J1)

2J=

11G21360MR2=0.092=0.149Nms2 R=29.822gJ1=

11m1(l23R2)=100(1230.052)=8.3958Nms2 12121.572代入 M惯=(0.0367+8.3958) =33Nm

23.140.1所以 M驱=0.1M总驱力矩+0+33

M驱=38.22Nm

(2)回转液压缸的设计计算

单叶片回转缸的压力P与驱动力矩M的关系为

pb(R2-r2） M驱

2 16

式中 R——缸体内壁半径 r——输出轴半径 b——动片宽度

根据表5-1选择液压缸内径R=mm,输出轴直径d=32mm,动片宽度b=25mm.

那么回转缸工作压力为

P2M驱238.223.98MPa 2222b（Rr）0.025（0.032-0.016） 选择工作压力为P=4Mpa.

表5-1 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm）

20 70 110 25 75 125

表5-2 标准液压缸外径（JB1068-67） （mm）

32 80 130 40 85 140 50 90 160 55 95 180 63 100 200 65 105 250 液压缸内径 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20钢50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 P160Mpa 45钢50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 P200Mpa

6腕部与臂部连接处的回转液压缸的设计计算

在上节的计算中，可知腕部及手指和工件的重力分别为G1=360N,G2=100N.回转油缸等效为高为150mm,直径为105mm的圆柱体，其重力为

2G30.05250.157800Kg/m39.8N/Kg100N

臂部伸缩油缸等效为高为730mm,直径为135mm的圆柱体，其重力为

2G40.06750.737800Kg/m39.8N/Kg810N

17

6.1驱动力矩的计算

6.1.1惯性力矩的计算

若腕部启动过程按等加速运动，腕部转动时的角速度(rad/s)，启动过程所用的时间为t(s)，则

M惯(JJ1)t

若腕部转过的角速度为，启动过程所转过的角度为(rad)，则

2 M惯(JJ1)2式中(Nm)——参与腕部转动的部件对转动轴线的转动惯量(kgm2) J1——工件对腕部转动轴线的转动惯量(kgm2)

设置转过的角度=9，启动时间t=0.08s，那么角速度=1.963rad/s，

1114022010022 解得Jml20.341.81Nms

339.811501500.02520.4823.53Nms2 J129..81.963265.5Nm 那么M惯1.813.530.1576.1.2摩擦阻力矩

M摩的计算

M摩0.1M驱 6.1.3偏重力矩

M偏的计算

M偏=0

解得M驱72.8Nm

6.2回转液压缸的确定

根据表选择液压缸内径D60mm，输出轴直径为d25mm，动片宽度为

18

b50mm，那么回转缸工作压力为

P2M 22bRr式中 R——缸体内壁半径（m） r——输出轴半径（m） b——动片宽度（m） 解得P2M272.84.3Mpa 2222bRr0.050.030.0157 臂部的设计计算

臂部是机械手的主要执行。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：。

臂部运动的目的是把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态(方位)则由腕部的自由度实现。因而机械手的臂部一般具有三个自由度才能满足基本要求:即手部的伸缩 回转和俯仰运动。臂部的各种运动通常用驱动机构(油缸或气缸)和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况看，他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，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。

7.1 臂部设计的基本要求

(1)臂部应承载能力大、刚度好、自重轻

①根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。 ②提高支撑刚度和合理选择支撑间的距离。 ③合理布置作用力的位置和方向。 ④尽可能使结构简单化

⑤水平放置的手臂，应该增加导向杆的刚度

⑥提高活塞和缸体内径配合精度，以提高手臂伸缩时的刚度。 (2)臂部要运动速度高，惯性小。

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

19

平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在1000~1500mms,最大回转角速度设计在180s内，在大部分行程上平均移动速度为回转角速度在

1000mms。平均回转速度为90/s

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。减少惯性冲击的措施有：

①减少臂部运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料 ②减少臂部运动件的轮廓尺寸

③减少回转半径，在安排机械手运动顺序时，先缩回回转(或先回转后伸)，尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作

④驱动系统中设有缓冲装置。 (3)臂部动作应灵活。

为减少臂部运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式机械手，其传动件、导向件和定位件布置应合理，使臂部运动尽可能保持平衡，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)位置精度要高。

7.2 手臂的典型机构以及结构的选择 7.2.1典型的臂部运动结构

臂部的典型运动的形式有：直线运动，如臂部的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如臂部的左右摆动，上下摆动；复合运动，如直线运动和回转运动，两直线运动的组合，两回转运动的组合等。

（1）臂部作直线运动的结构 ①双导向杆手臂伸缩结构

②双层油缸空心活塞杆单杆导向结构 ③采用花键套导向的手臂升降结构 ④双活塞伸缩油缸结构 （2）臂部作直线运动的结构

①回转缸置于升降缸之下的机身结构。这种结构优点是能承受较大偏重

20

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回转缸置于升降缸之上的机身结构。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活塞杆和齿条齿轮结构。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连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。

（3）臂部做俯仰运动的结构

俯仰运动大多采用摆动式直线缸驱动，而回转运动大多采用回转缸或齿条缸来实现。

7.2.2手臂运动机构的选择

通过以上，综合考虑，本设计的伸缩运动选择单花键轴导向的伸缩机构,俯仰运动选择摆动式直线缸驱动，回转运动选择回转液压缸驱动。

7.3 手臂直线运动的驱动力计算

通常先进行粗略的估算，或类比同类型的结构，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。如此反复数次，绘出最终的结构。

根据液压缸运动时所克服的负载、摩擦、惯性等几个方面的阻力，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为

PP回P摩P密P惯 式中 P摩——摩擦阻力（N）.臂部运动时，运动件表面间的摩擦力。 P密——密封装置处的摩擦阻力（N）

P回——油缸回油腔低压油造成的阻力，一般背压阻力较小，可取

P回0.05P

P惯——臂部启动或制动时活塞杆上受到的平均惯性力（N） 7.3.1手臂摩擦力的分析与计算

FQ0FQFQs'

计算如下：

本机械手采用花键轴导向，在活塞杆与花键轴接触处采用花键轴套，如图中

21

所示。

根据受力平衡，有

MA0

G总LRba

得 RbG总L aG总FbFa

La得 RaG总

aR摩Ra摩Rb摩'Ra'Rb

2La (5.2)

R摩'G总a式中 G总——参与运动的零部件的总重力（包含被抓去的工件）（N）； L——臂部参与运动的零部件的总重心到导向支撑前端的距离（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形状有关。

对于圆柱面：

''4~1.27~1.57 2——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时： 钢对青铜：取0.1~0.15 钢对铸铁：取0.18~0.3 计算：

导向杆的材料选择钢，导向支撑选择青铜'0.121.50.18 ，G总1450N，L=540mm,花键轴套a=60mm 将有关数据代入进行计算

22

2La20.540.06P摩G总'14500.184959N

0.06a7.3.2手臂惯性力的计算

本设计要求手臂平动是V=0.15m/s,设置启动时间t0.12s

P惯(5.3)

解得P惯G总vgt

G总v1450N0.15m/s185N 9.8NKg0.12sgt7.3.3密封装置的摩擦阻力

密封圈的形式有O型密封圈，Y型密封圈，V型密封圈。不同的密封圈，其摩擦阻力是不同的。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：P。 封0.03P经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力： P0.03PP摩P惯=5591N7.4 确定液压缸工作压力和结构

经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=5591N，根据表3.1选择液压缸的工作压力P=2Mpa,机械效率0.96 7.4.1确定液压缸的结构尺寸

液压缸内径的计算，如下图所示

23

图7-2 液压缸受力示意

当油进入无杆腔，

PPp11D24

当油进入有杆腔中，

PP2p2D2d24

液压缸的有效面积：

FP mm2 p1故有D4PP （无杆腔） 1.13p1p14Pd2 （有杆腔） p1D 式中 P——活塞的驱动力（N） p1——油缸的工作压力（Mpa） d——活塞杆直径（mm） D——油缸内径（mm）

——机械效率，在工程机械中用耐用胶可取=0.96

6p210pa，选择机械效率0.96 1F=5591N， =

24

将有关数据代入： D4P45591d2702861090.5mm p10.962根据表5-1，选择标准液压缸内径系列，选择D=100mm. （1）液压缸外径的设计

根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在15mm，所以该液压缸的外径为130mm.

（2）活塞杆的设计计算

①按强度条件决定活塞杆直径 按直杆拉 压强度计算： P4

2d即d4P (mm) 式中 P——活塞杆所受的总载荷（N）,即活塞的驱动力 ——活塞杆材料的许用应力(Mpa): bn,其中b为活塞

杆的抗拉强度， n为安全系数，一般取n1.4；碳钢取b100~120MPa 现取b100MPa

计算解得d45591718.43mm

100由于采用花键轴在活塞杆内部进行导向，会使活塞杆的结构变大，因此根据实际情况并参照表4-4，选择活塞杆直径d=70mm

表7-1 活塞杆直径系列（GB/T2348-93）（mm）

10 45 12 14 50 56 16 63 18 70 20 80 22 90 25 28 32 125 32 140 36 160 40 180 100 110 ②活塞杆的计算校核

活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算：

25

F4

因为活塞杆不满足l15d的条件，所以不必对活塞杆进行校核。

表7-2 螺钉距离t1与工作压力p 1 的关系 工作压力p 1 0.5~1.5 1.5~2.5 螺钉距离t1 <150 <120 工作压力p 1 2.5~5 5~10 螺钉距离t1 <100 <80 d27.5液压缸盖螺钉的计算

根据表4.3所示，因为回转缸的工作压力为2Mpa,所以螺钉间距t小于

120mm,

每个螺钉在危险剖面上承受的拉力Q0为工作载荷Q和剩余预紧力Qs,之和 Q0QQs,

D2P式中Q——工作载荷（N），QZ4Zp

P——缸盖所受的合成液压力，即驱动力（N） Z——螺钉数目，ZD0t1

D0——螺钉中心所在圆的直径（mm） p——工作压力(Mpa)

Qs,——剩余预紧力，Qs,KQ,K1.5~1.8 螺钉所在圆的直径D0118mm，根据表选择t162mm 那么螺钉数目ZD0t1118625.98 取为Z6

D2工作载荷Q4Zp10024622617N

剩余预紧力Qs,KQ1.526174449N K1.5

26

螺钉材料选择45#，则sn352176Mpa 2n为安全系数，n1.2~2.5,现取为2 螺钉的强度条件为合1.3Q04Qjl 22d1d14螺钉的直径d141.3Qj Qj——计算载荷，Qj1.3Q0

——许用抗拉强度，lsn

s——螺钉材料的屈服点（Mpa）

表7-3 常用螺钉材料的屈服强度

钢 号 10 205 Q215 215 Q235 235 35 313 45 352 40Cr 784 s(Mpa) （mm）, d1d1.224S,d 为螺钉公称直径，S为螺距。 d1——螺钉螺纹内径

Qj1.3Q09186N 解得d14918666.58.15mm

176螺钉的直径选择d=10mm的圆柱头螺钉，螺距S=1.5 mm,螺钉螺纹内径为

d1d1.224S8.1mm

螺钉的强度为合

49186175.57MPal满足强度条件。 28.18臂部俯仰缸的设计计算

驱动臂部俯仰的驱动力矩，应克服臂部等部件在启动时的重量对回转轴线所产生的偏重力矩和臂部在启动时所产生的惯性力矩以及各回转副处摩擦力矩，即

27

M驱M惯M偏M摩

图8-1 臂部俯仰缸设计示意图

一般手臂座与立柱连接轴在O处装有滚动轴承，其摩擦力矩较小，在铰链处配合直径较小，相对转角亦小，故M摩0，则

式中 M偏——手臂等部件重力对回转轴线的偏重力矩(N),臂部上仰时为正，下仰时为负，计算时主要考虑上仰的驱动力矩

M惯——手臂做俯仰运动，在启动时的惯性力矩(Nm),

M惯J工件Jt起

J工件——工件对臂部回转中心的转动惯量(Kgm2) J——臂部俯仰对回转中心的转动惯量(Kgm2) ——臂部俯仰过程的角速度(rad/s)

t起——臂部俯仰运动启动过程所需的时间(s),一般取0.05~0.3

28

8.1驱动力矩的计算

M偏14500.8571243Nm

惯性力矩M惯的计算

111300Jml21.32277.04kgm2339.8

1150J工件0.0252151.32226.14kgm229.8设置启动角度为9，启动时间t起=0.1s,那么角速度1.57rad/s 那么M惯77.0426.141.571620Nm 0.1M摩的计算

由前面的分析可知M摩0 驱动力矩M驱的计算

M驱M惯M偏1243Nm1620Nm2863Nm

8.2俯仰摆动油缸驱动力的计算

如图所示，当臂部与水平位置成仰角1和俯角2时，则铰接活塞杆的驱动力(即俯仰摆动油缸的驱动力)P的作用线与铅垂线的夹角是在1~2范围内变化，而作用在活塞上的驱动力通过连杆机构产生的驱动力矩M驱与臂部俯仰角有关。

（1） 当臂部处于上仰时，M驱Pbcos12 1tg1bcos1a

cbsin1 PM驱bcos1abcostg11cbsin1

29

解得

19.3P113966N

（2）当臂部处于下仰时，M驱Pbcos22 2tg1bcos2a

cbsin2 PM驱bcos2abcostg12cbsin2

解得

231.8P211272N

选择其中最大值P113966N作为俯仰摆动缸设计的驱动力。 俯仰摆动油缸计算出驱动力后即可按照直线伸缩油缸的设计计算。

8.3俯仰摆动油缸的设计计算

根据表选择最大工作压力p13MPa （1） 活塞杆的设计计算

d41396617813.34mm 取b100MPa

100 根据表选择活塞杆直径d40mm 那么油缸内径D4P413966d2402777788.19mm p10.962圆整后取油缸内径D90mm （2） 活塞杆的校核

因为活塞杆不满足l15d的条件，所以不必对活塞杆进行校核。

8.4液压缸盖螺钉的计算

根据表4.3所示，因为回转缸的工作压力为3Mpa,所以螺钉间距t小于120mm,

每个螺钉在危险剖面上承受的拉力Q0为工作载荷Q和剩余预紧力Qs,之和

30

Q0QQs,

D2P式中Q——工作载荷（N），QZ4Zp

P——缸盖所受的合成液压力，即驱动力（N） Z——螺钉数目，ZD0t1

D0——螺钉中心所在圆的直径（mm） p——工作压力(Mpa)

Qs,——剩余预紧力，Qs,KQ,K1.5~1.8 螺钉所在圆的直径D0100mm，根据表选择t152mm 那么螺钉数目ZD0t1100526.038 取为Z6

D2工作载荷Q4Zp8024632513N

剩余预紧力Qs,KQ1.725134272N K1.7 螺钉材料选择45#，则sn352176Mpa 2n为安全系数，n1.2~2.5,现取为2

1.3Q04Qjl 螺钉的强度条件为合d12d124螺钉的直径d141.3Qj Qj——计算载荷，Qj1.3Q0

——许用抗拉强度，lsn

s——螺钉材料的屈服点（Mpa）

d1——螺钉螺纹内径（mm）, d1d1.224S,d 为螺钉公称直径，S为螺距。

31

Qj1.3Q08821N 解得d14882163.87.99mm

176螺钉的直径选择d=10mm的圆柱头螺钉。螺纹内径d1d1.224S8.1mm 螺钉强度的校核合满足要求。

48821168.6MPal

8.129 机身的设计计算

机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降或俯仰运动，这些运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因而，其设计与臂部的设计经常一起考虑。机身可以是固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。

9.1 机身的整体设计

按照设计要求，机械手要实现手臂210的回转运动，实现手臂的回转运动的机构设计在机身处。经过综合考虑，臂部的回转运动选用回转缸置于机身上的结构。如下图所示，

臂部的回转通过安装在机身上回转油缸来实现，因为臂部的回转角度为

210，所以要将动片和静片的夹角设计为210，由于臂部的重力过大会影响回

转缸的工作，所以采用圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承即能承受径向力，也可以承受轴向力，通过图中可知，由回转轴传递的重力分配到圆锥滚子轴承上。同时在回转轴上安装了另一个圆锥滚子轴承，这个轴承的采用是为了阻止回转轴向上的运动。考虑到安装的问题，动片与回转轴的连接采用键连接，便于安装。

32

图9-1臂部回转液压缸示意图

9.2 机身回转机构的设计计算

9.2.1 回转缸驱动力矩的计算

驱动臂部回转的力矩M驱应该与臂部运动时所产生的惯性力矩M惯及各密封装置处的摩擦阻力矩M封相平衡。

M驱M惯M封M回

(6.1)

（1）惯性力矩的计算

M惯J0J0 (6.2) t式中 ——回转缸动片角速度变化量（rads），在起动过程中=

rad/s；

t——起动过程的时间(s);

J0——臂部回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（

。 kgm2）

回转部件（包括手部 工件 腕部 臂部）质量为145Kg.设置起动角度=210，则起动角速度=3.66rads，起动时间设计为0.3s。

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m21452llll0.420.41.321.32285.6Nms2 1122333.66M惯J0J0=85.61044Nm

t0.1J0（2）密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下M阻=0.03M驱，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。

经过以上的计算M驱=1076Nms

29.3回转缸尺寸的初步确定

设计回转缸的静片和动片宽b=60mm，选择液压缸的工作压强为2Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算：

D103计算得D=98.36mm,

8M驱d2 （mm） bp既设计液压缸的内径为100mm,根据表4.2选择液压缸的基本外径尺寸135mm.

10 机械手液压系统工作原理

10.1 能量转化简图

机械手的液压传动力是以有压力油作为传递动力的工作介质，电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换为油液的压力能，压力油经过管道及一些控制调节装置导进入油缸，推动活塞杆运动，从而手臂作伸缩，升降运动，将油液的压力能又转换成机械能。

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其液压传动能或概括如下：

图6-1 能量转化简图

10.2 液压系统的组成

液压传动系统由以下几个主要部分组成：油泵、液压机、控制调节装置、（如单向阀、溢流阀、换向阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等）辅助装置。

10.3 液压传动系统机械手的特点

液压驱动系统的特点，由于液压技术是一个比较成熟的技术，它具有动力大（或力矩）惯性比大，快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯性大以及在防爆环境中工作的机械手。

机械手采用液压传动比采用气压传动有如下优点： (1) 能得到较大的输出力和力矩；

(2) 液压传动滞后现象下，反应较灵活，传动平稳； (3) 输出力和运动速度控制较容易； (4) 可达到较高的定位精度。 但液压传动也有如下缺点：

(1) 系统的泄漏难以避免，影响工作效率和系统的工作性能；

(2) 油液的粘度对温度的变化很敏感，当温度升高时，油的粘度即显著降低，油液粘度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量。

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10.4 油缸泄漏问题与密封装置

机械手由于油缸泄漏严重，压力不能提高，工作性能不稳定，以致影响机械手的正常使用。因此，为了保证机械手液压系统的工作性能，在各油缸的相对运动表面和固定连接断面的进行密封。以防止压力油从高压油腔泄漏到低压油或泄漏到缸体处面。

目前，机械手液压系统使用的密封件大多采用耐油橡胶制成的各种形式密封圈，作为动密封和静密封，以保证两结合面的密封性。

密封圈在配合面间的密封作用，主要是借安装时的预压和工作时由于油液压力的作用，使密封圈变形并压紧密封表面达到目的。 10.4.1 活塞式油缸的泄漏与密封

对于实现往复运动的活塞油缸来说，其泄漏主要是活塞与缸臂处的内泄漏及往复活塞杆与缸盖处的处泄漏。引起泄漏的原因是加工精度和滑动面光洁度不高，以及控制装置不良所致。

对于活塞油缸的静密封，主要采用O型密封圈，它既可以用外径或内径密封，也可以用端面密封。

O型密封圈装在沟槽中，因受油压作用而变形，并张紧沟槽和间隙，从而起到密封的作用，因此它的密封性能随压力的增加而提高。但是，当压力过高或沟槽尺寸选择不当时，密封圈很容易被挤出沟槽而造成剧烈磨损。为克服这个缺点，当油缸油液的压力大于100㎏/㎝2时，要在O型密封圈侧面放置挡圈，在压力低于100㎏/㎝2时，一般不加挡圈。在手臂伸缩油缸和手臂俯仰油缸中都用了Y型密封圈，Y型密封圈在工作时压力油液把Y型密封圈的唇边紧紧压在相对运动的两配合面上，并随着油液压力的增高而提高密封性能，并能补偿磨损的影响，所以装配时唇边要对压力油腔。在一般情况下，Y型密封圈可直接装入沟槽内即可引起密封作用，但在压力变动较大，滑动速度较高的地方，要使用支承环以固定密封圈。

10.4.2 回转油缸的泄漏与密封

手臂回转油缸中，由于动片与缸体，动片与输出轴，动片端面和缸盖之间的间隙不易保证，易引起较大的泄露，使油液的压力降低，减少了输出扭矩，达不

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到设计要求，影响机械手的正常运行。为减少泄漏，除严格控制相对运动表面的配合间隙外，主要的是采用密封装置进行密封。

经反复考虑，选择矩形橡胶密封圈组成回转油缸的密封结构，其中挡圈的作用是防止高压油液将橡胶密封圈挤入配合间隙，以保证密封性并延长密封圈的使用寿命。

10.5 液压系统传动方案的确定

10.5.1 各液压缸的换向回路

为便于机械手的自动化控制，如采用可编程器或微机进行控制，从工况图中可知系统的压力和流量都不高，因此一般选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效益。

液压机械手一般采用单泵或双泵供油，手臂伸缩、手臂俯仰和手臂旋转等机构采用并联供油，这样可有效降低系统的供油压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干扰，实现同步或非同步运动，换向阀需要采用中位“O”型换向阀。 10.5.2 调速方案

整个液压系统只用单泵或双泵工作，各液压缸所需的流量相差较大，各液压缸都用液压泵的全流量工作是无法满足设计要求的。尽管有的液压缸是单一工作，但也需要进行节流调速，用以保证液压缸运行的平稳性。各缸可选择进油路或回油路节流调速，因为系统为中低系统，一般适宜选用节流阀调速。

机械手的手臂伸缩和手臂俯仰或升降缸采用两个单向节流阀来实现。若只用一节流速调速时，则进行油达到最大允许调速来实现调节。当无杆腔进油时，其速度就少于最大允许速度，但仍然符合设计需要。

在一般情况下，机械手的各个部位是分别动作，手腕回转和手臂回转缸（或升降）所需的流量较为接近，手腕回转缸和手臂回转缸及夹紧缸所需流量较为接近，且它们两组缸所需的流量相差较大，这样不但可以选择单泵供油系统，也可以选择双泵系统。

单泵供油系统要以所有液压缸中需流量最大的来选择泵的流量。优点是系统较为简单，所需的元件较少，经济性好。缺点是当所需流量较少的液压缸动作时，系统的溢流损失较大，能源利用率较低。对于系统功率较小的场合是可取的。本

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设计选用单泵供油。 10.5.3 减速缓冲回路

通用工业机械手要求可变行程，它是由微机控制，可在行程中任意点定位，故应在液压系统中采用缓冲装置，形成缓冲回路。 10.5.4 系统安全可靠性

手臂俯仰缸（或手臂升降缸）在系统失压情况下会自由下落或超速下行，所以应在回路中增加平衡回路，方法可用单向顺序阀做平衡阀，手臂伸缩缸有俯仰状态时，亦应同样考虑。为防止夹紧缸压力系统压力波动的影响或过高，导致夹紧力过大损坏工件，或过低无法夹紧工件，造成意外的安全事故，需在油路上增加减压阀保证夹紧缸的压力恒定不变。

10.5.5 机械手的动作分析

表6-1 工业机械手所用液压元件一览

序号 1 2 3 4 5 6 7 8，14 9，15，20，21，25，26，30 10，16 22，27 11，17 23，28， 31 12，18 32 34 35 36 元件名称 线隙式滤油器 电动机 齿轮泵 溢流阀 电磁换向阀 单向阀 压力表 节流阀 节流阀 电磁换向阀 电磁换向阀 电磁换向阀 电磁换向阀 电磁换向阀 单向顺序阀 液控单向阀 压力继电器 减压阀 压力表开关 型号 XU-132X100 Y100L1-4 CE-B25 P-B25B 22D-25B I-25B Y-60 L-25B L-25B 22D-25BH 22D-10BH 34D-25B 34D-10B 23D-10B XI-B25B IY-25B DP1-63B J-10B B-6B 规格 250N 32l/min N=2.2KW n=1430r/min 2.5MPa 25l/min 2.5MPa Φ12mm 2.5MPa Φ12mm 6.3MPa Φ12mm 0～4.0MPa 6.3MPa Φ12mm 6.3MPa Φ12mm 6.3MPa Φ12mm 6.3MPa Φ12mm 6.3MPa Φ12mm 6.3MPa Φ12mm 6.3MPa Φ12mm 2.5MPa Φ12mm 6.3MPa Φ12mm 1.0～6.3MPa 6.3MPa 6.3MPa 数量 1 1 1 1 1 1 1 2 7 2 2 2 2 1 2 1 1 1 1 38

对机械手的各个动作分析如下：

(1) 手臂伸缩

①伸出：电磁铁6YA通电而7YA断电，换向阀11的左位接入系统，手臂在液压缸13的作用下可快速伸出。

其油路分述如下：

进油路：过滤器1→泵3→单向阀6→节流阀8→单向顺序阀12→液压缸13的左腔。

回油路：液压缸13的右腔→电磁换向阀11→电磁铁2YA断电→油箱。 ②缩回：电磁铁7YA通电而6YA断电，换向阀11的右位接入系统，手臂在液压缸13的驱动下可快速缩回。

(2) 手指夹紧与松开

①夹紧：电磁铁14YA通电，换向阀31的右位接入系统，手指在液压缸33的作用下夹紧。 其油路分述如下：

进油路：过滤器1→泵3→单向阀6→减压阀35→节流阀30→换向阀31→液控单向阀32→液压缸33的左腔。

②松开：电磁铁14YA断电，换向阀31的左位接入系统，手指在液压缸33的作用下松开。 (3) 手臂上下摆动

①电磁铁8YA通电时，换向阀17左位接入系统，手臂在液压缸19的驱动下可快速向上摆动，电磁铁8YA、9YA的通断电可控制手臂的上下运动方向。

电磁铁9YA通电，3YA断电，手臂可实现快速向下摆动。 上摆其油路分述如下：

进油路：过滤器1 →泵3→单向阀6→节流阀14→换向阀17→单向顺序阀18→液压缸19的下腔。

回油路：液压缸19 的上腔→换向阀17→阀16→油箱。

②电磁铁3YA、5YA通电，4YA断电，手臂可实现慢速向上摆动 (4) 手臂回转摆动

电磁铁10YA通电时，换向阀23的左位工作，手臂在摆动缸24的驱动下可快速回转，电磁铁10YA和11YA的通、断电可控制手臂的回转方向。

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若10YA通电，11YA断电，换向阀23的左位接入系统，手臂顺时针快速转动。

其油路分述如下：

进油路：过滤器1→泵3→单向阀6→节流阀20→阀23左位→液压缸24的左进油右出油。

回油路：液压缸24右进左出→阀23→电磁换向阀22左位→油箱。 (5) 手腕回转摆动

电磁铁12YA通电时，换向阀28的左位工作，手臂在摆动缸29的驱动下可快速回转，电磁铁12YA和13YA的通、断电可控制手臂的回转方向。

若12YA通电，13YA断电，换向阀28的左位接入系统，手臂顺时针快速转动。

其油路分述如下：

进油路：过滤器1→泵3→单向阀6→节流阀25→阀28左位→液压缸29的左进油右出油。

回油路：液压缸29右进左出→阀28→电磁换向阀27左位→油箱。

11机械手的PLC控制系统设计

工业机械手的电器控制系统相当于人的大脑，它指挥机械手的动作，并协调机械手与生产系统之间的关系。机械手的工作顺序、应达到的位置，如手臂上下移动、伸缩、回转及摆动、手腕上下、左右摆动和回转、手指的开闭动作，以及各个动作的时间、速度等，都是在控制系统的指挥下，通过每一运动部件沿各坐标轴的动作按照预先整定好的程序来实现的。不论自动电气控制装置复杂程度如何，对于生产线及各种功能的机械手来说，一般都要求电气控制系统按照预先规定的动作程序进行顺序控制。

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随着工业生产的不断发展以及工业机械手技术的不断成熟，可编程控制器被广泛应用，它的优点是运行稳定、编程方法简单易学、功能强，性能价格比高、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强、无触点面配线，可靠性高，抗干扰能力强、系统的设计、安装、调试工作量少、维修工作量小，维修方便，体积小，能耗低。所以该机械手采用PLC控制。

11.1 用于控制机械手的PLC简介

11.1.1 PLC简介

PLC系统构成，尽管各类型可编程序控制器的结构各不相同，但其主体均由微处理器、存储器、输入输出组件等构成。

电源单元：将交流电转换成PLC所需的直流电，保证消除各种干扰使供电稳定、安全、可靠。备有锂电池，以保证断电时仍保持存放在读写存储器RAM中的信息。

储存器：EPROM或RAM，存放监控程序和用户程序。 输入组件：光耦合隔离输入接口和输入状态寄存器。

输出组件：输出状态寄存器、输出锁存器、光耦合器、功率放大器等（继电器和晶体管）

微处理器：包括控制部分和运算部分。PLC控制采用循环处理方式(周期工作方式)。

11.1.2 机械手PLC的选用

三菱公司推出的FX系列高性能小型可编程序控制器以其一些卓越的性能特点，目前在工程应用领域获得了广泛的应用。(1)占用空间小，高度一般只有90mm，深度为75m，甚至更小。(2)先进美观的外部结构。(3)灵活多变的系统配置，可以选用多种基本单元、扩展单元和扩展模块，组成不同I /O点和不同的功能的控制系统，各种不同的配置都可以得到更高的性价比。(4)功能强，使用方便

基于这些特点，我们选用FX2N作为控制机械手的PLC，由于机械手所要完成的动作比较简单，所以不需输入输出点数很高的型号，同时又为了保证PLC有

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一定的通用性，遂选定FX2N－M，其输出点数为32点，即Y0－Y37，输入点数为32点，即X0－X37，除开尾数为八或九的元件号。 11.2 工业用机械手的动作顺序的PLC编程

本上下料机械手的动作顺序：(1)机械手置于原始位置（大臂垂直放置，小臂水平处于常态，手指松开）；(2)小臂伸出，夹紧工件；(3)小臂缩回至原状态，保持工件夹紧；(4)手腕正向旋转180度；(5)手臂左摆90度；(6)手臂上扬40度；(7)小臂伸出至工件加工位置，手腕反向回旋180度；(8)松开工件，手臂缩回原处；(9)手臂伸出，手指夹紧工件；(10)手臂缩回原处，保持工件夹紧；(11)手腕正向回转180度手臂下摆40度；(12)手臂左摆90度，松开工件；(13)手腕反向旋转190度；(14)手臂右摆180度，机械手回归原处。

编程方式采取起保停电路方式，因为这样的方式逻辑比较清晰，修改起来也比较方便，同时很多转换条件都是短线号，即它存在的时间比它激活的后续步为活动步的时间短，因此应使用有记忆（或称保持）功能的电路（如起保停电路）来控制代表步的辅助继电器。机械手顺序动作一般都要经过启动、减速缓冲、停止这么一个程序。输入继电器所代表的动作如下:

X20 关闭信号 X21 启动信号 X0 小臂前伸缓冲信号

X1 手臂前伸限位停止信号 X33压力继电器信号 X2 手臂上扬缓冲信号

X3 手臂上扬限位停止信号 X4 手腕正转缓冲信号 X6手腕正转限位停止信号

X5 手臂左摆缓冲信号 X7手臂左摆限位停止信号 X10 手臂右摆缓冲信号

X11 手臂右摆限位停止信号 X12 手腕反转限位停止信号 X13 手腕反转缓冲信号

X14 手臂下摆缓冲信号 X15 手臂下摆限位停止信号X16手臂回缩缓冲信号 X17 手臂回缩限位停止信号。 机械手动作顺序指令表如下:

LD X20 OR M77

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ANI X21 OUT M77 LD X21 OR M10 LD M66 ANI M77 ORB

ANI M14 ANI M77 OUT M10 OUT Y10 LD X0 AND M10 OR M4 ANI M14 ANI M77 OUT M10 OUT Y10 LD X0 AND M10 OR M4 ANI M14 ANI M77 OUT M4 OUT Y4 LD X1 OR M14 ANI M55 ANI M77 OUT M14 OUT Y14 LD X033 ANI M11

OUT T1 LD TI OR M11 ANI M12 ANI M77 OUT M11 OUT Y11 LD X2 AND M11 OR M4 ANI M12

K3 43

ANI M77 OUT M4 OUT Y4 LD X3 OR M12 ANI M6 ANI M77 OUT M12 OUT Y12 LD X4 AND M12 OR M5 ANI M6 ANI M77 OUT M5 OUT Y5 LD X6 OR M6 ANI M8 ANI M77 OUT Y6 LD X5 AND M6 OR M12 ANI M8 ANI M77 OUT Y2 LD X7 OR M8 OUT Y15 LD X10 AND M8 OR M3 ANI M10 ANI M77 OUT M3 OUT Y3 LD X11 OR M30 ANI M55 ANI M77 OUT M30 OUT Y10 LD X0

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AND M30 OR M31 ANI M77 ANI M55 OUT M31 ANI M77 ANI M55 OUT M31 OUT Y4 LD X1 AND M31 OR M55 ANI T2 OUT M55

OUT T2 LD T2 OR M44 ANI M41 ANI M77 OUT M44 OUT Y13 LD X13 AND M44 OR M43 ANI M41 ANI M77 OUT M43 OUT Y5 LD X12 OR M41 ANI M45 ANI M77 OUT M41 OUT Y11 LD X2 AND M41 OR M40 ANI M45 ANI M77 OUT M40 OUT Y4 LD X3 ANI M47 ANI M77

K50 45

OUT M45 OUT Y16 LD M45 AND X14 OR M46 ANI M47 ANI M77 OUT M46 OUT Y3 LD X15 OR M47 ANI M66 ANI M77 OUT M7 OUT Y7 LD M47 AND X16 OR M48 OUT Y2 LD X17 AND M48 END

12 设计感想

这次毕业设计，让我复习巩固了以前在课本上学过的知识，书本上的知识基本都能理解，但是真的应用到实践中，还是有些力不从心。因为这次毕业设计就像刚入伍的新兵，要接受战场的洗礼，才能使他成为一个优秀的士兵。对于我们来说，这是一次非常好的练兵，是自己在以后的工作中能够更认真负责的完成一项产品的设计。

1、本次毕业设计的题目是四自由度机械手，如果真的把我所设计的机械手投入生产的话，肯定是不行的，因为机械手是非常复杂的机械，并不是我所设计的那么简单，特别机械的精度问题，还有各个零件的制造精度问题，他的成功设计不仅是一个单纯图纸的问题，而是涉及到和机械相关的产业的问题，比如机械

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加工精度等等。

2、这个机械手有四个自由度，可以满足大多数生产车间的要求。 3、由于采用液压驱动的方式，液压驱动相对于其他的驱动方式的优点是： ① 操纵控制简便，自动化程度高；

② 由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；

③ 体积小、重量轻，例如同功率液压马达的重量只有电动机的10％～20%。因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击； ④ 换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；

⑤ 液压泵和液压马达之间用连接，在空间布置上彼此不受严格 ⑥ 容易实现过载保护。；

4、由于经验知识水平有限，设计难免有不足之处，望老师指正。

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13 参考文献

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学校学报,2004.1.14

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