5 说明书 圆钢送料机械手,上下料机械手 毕业设计

第一章 绪论

1.1 背景及意义

1.1.1 论文选题背景

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：

（1）以提高生产过程中的自动化程度

应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装夹、刀具的更换以及机器的装（2）二、以改善劳动条件，避免人身事故

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性

配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可（3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产

应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

我国的机器人研究始于二十世纪 70 年代。经过近 30 年努力，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，目前已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，弧焊机器人已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，我国已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。

我国机器人技术主题发展的战略目标是:根据2l世纪初我国国民经济对先进

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制造及自动化技术的需求,瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有:第一,危险、恶劣环境作业机器人:主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人;第二,医用机器人:主要有脑外科手术辅助机器人,遥控操作辅助正骨等;第三,仿生机器人:主要有移动机器人,网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。

机器人市场竞争越来越激烈,中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战,加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况:第一,工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径,要对国产工业机器人有更多的与经济支持,参考国外先进经验,加大技术投入与改造;第二,在国家的科技发展计划中,应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持,形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面;第三,部分国产工业机器人已经与国外相当,企业采购工业机器人时不要盲目进口,应该综合评估,立足国产。

国内状况：在我国，机械手技术起步较晚，我国机械手的研发和应用还处在 一个发展阶段，跟美国日本等一些发达国家相比还有很大的差距，很多产品还需要进口，特别是高灵活，高精度的机械手。进入20世纪90年代后，我国机械手的研究开始步入正轨，主要应用于家用电器产品的装配生产线以及半导体芯片，印刷电路等电子产品的装配流水线。要是我国机械工业更进一步的发展壮大，就必须提高其自动化程度和生产效率，将人手操作变为机械手操作。同时，国家应加大对机械手的研发投入，积极开发拥有自主知识产权的产品，根本上解决对国外产品的进口需求。

国外状况：1985年美国联合控制公司研制出第一台机械手。随后联邦德国机械制造业从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。日本后来居上，子1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究，是工业机械手发展做快，应用做多的国家。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制出一种Unitmate-Vicarm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，定位误差小于1毫米。联邦德国KuKa还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。在我国，机械手技术起步较晚，进入20世纪90年代后，我国机械手的研究开始步入正轨，主要应用于家用电器产品的装配生产线以及半导体芯片，印刷电路等电子产品的装配流水线。

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现代国际工业中，各种生产流水线以及物料管理中都在多元化的使用着气动机械手。但在机械工业中，加工，装配等生产是不连续的，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。国外机械手工业中机械手上下料，减轻工人的劳动强度，并和机床共同组成一个综合的数据加工系统。采用机械手进行装配更是目前研究的重点，国外已研究采用摄像机和力传感系统和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。

综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。

1.1.2 毕业设计的目的

毕业设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。其主要目的：

培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的工作能力，拓宽和深化学生的知识。培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法.培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。

熟悉制机械手组成和结构，以及液压驱动的实施方法。

通过课题的设计锻炼和培养自己的工艺文件的编制能力，熟悉常用材料的使用性能，正确选用材料；掌握夹具设计的基本方法和机械零部件设计的基本程序和方法；掌握机械加工工艺的制定过程，对一般的制造过程和方法有初步的了解，了解常用的零部件设计软件，并能熟练运用二维及三维软件进行设计。定的机械加工工艺所加工的产品能达到图纸的各项技术要求。使自己在大学四年所学的知识得到全面总结和巩固，对以前所学的知识得以温故而知新，更好的掌握学过的知识，为将来的工作奠定一个良好基础。

研究方法和手段：

调研收集整理有关机械零件设计、装配工艺、机械加工工艺、制造技术等有关资料，供设计时使用；了解零件的用途，分析零件的工艺性、尺寸精度等技术要求；分析工艺资料，了解所用材料性能、零件特性以及工艺参数；

熟悉工厂实际情况，生产车间的加工能力与水平及检测手段等。以便能密切

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联系工厂实际，既方便又经济地进行设计工作。根据任务书的研究内容查阅相关专业资料，进行总体和具体的分析、设计和计算，完成该制品的工艺分析及造型设计，包括装配图和零件图绘制，完成零件图、装配图的制作。

1.2 毕业设计的内容和要求

（1）应具有适当的夹紧力和驱动力； （2）手指应具有一定的开闭范围； （3）应保证工件在手指内的夹持精度； （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。 设计参数及要求

（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧和放松；

（2）所要抓紧的工件正立于传送带上，直径为80mm，放松时的两抓的最大距离为110～120mm ，1s抓紧,夹持速度20mm/s； （3）工件的材质为45#钢，重量5kg； （4）夹持器有足够的夹持力；

（5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由液压缸提供动力； （6）伸缩臂行程300mm； （7）机械手腕回转角度180°。 工作要求

要求设计一只机械手，用于给加工设备运送棒料。主要设计机械手的小臂、手腕和机械手指的结构，均采用液压驱动。完成整装图设计，零件图设计，完成液压原理图设计与计算。

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第二章 机械手的总体设计

2.1 机械手的设计参数

（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧和放松；

（2）所要抓紧的工件正立于传送带上，直径为80mm，放松时的两抓的最大距离为110～120mm ，1s抓紧,夹持速度20mm/s； （3）工件的材质为45#钢，重量5kg； （4）夹持器有足够的夹持力；

（5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由液压缸提供动力； （6）伸缩臂行程300mm； （7）机械手腕回转角度180°。

2.2 机械手夹紧装置设计 2.2.1 机械手夹紧力计算

夹持器夹在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，所以必须对其大小、方向和作用点进行分析和计算。一般来说，加紧力必须克服工件本身重力所产生的惯性力或惯性力矩来使工件保持稳定的加紧状态。

手指对工件的夹紧力可按下列公式计算：

（2-1） FNK1K2K3G 式

式中：K1—安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取(1.2~2.0)，本设计取1.6；

K2—工件情况系数，主要受惯性力的影响，可根据公式K21a计算

g出K2,公式中a为最大加速度可根据任务书中给出的有关参数可得

a0.02a0.020.02m/s2，得到的数据代人上述公式可得k211 1.002。1g9.8

K3—方位系数，可根据手指与工件位置和工件形状不同进行选定。本

0.5sin计算出K3。 f设计采用手指与工件位置为手指水平放置 ，工件垂直放置；手指与工件形状为V型指端夹持圆柱型工件。所以可根据公式K3上式中f代表摩擦系数，代表V型手指半角，此处粗略计算K34,如图2-1

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图2-1 机械手开闭示例简图

工作原理：V型手指位于夹持手指之上，通过连接件将活塞杆与夹持手指连接。活塞杆收缩，v型手指处于夹紧状态，反之，处于放松状态。

G—被抓取工件的重量，可根据任务书中的参数被抓取的工件最大为5Kg，

本设计中取其最大值5Kg。

把上述有关数据代人上式（2—1）的公式中可以求得夹持器的夹紧力FN，

FNK1K2K3Mg1.61.002459.8314.23N，取FN315N。

2.2.2 机械手驱动力力计算

根据夹紧力和驱动力之间的关系式可得：

Fc FN 式(22)

2bsina2FNbsina315286sin160439.24N 代人数据可得Fc34

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得出F为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力F要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.8～0.9，此处取0.88，则：

F

'439.24F499.14N ，取500N

0.88'F2.2.3 机械手液压缸驱动力计算

设计方案中夹紧装置为常开式夹紧装置，故采用的液压缸为单作用缸，提供推力：

F推=4D2p 式(23)

式中 D—活塞直径（液压缸内径） d—活塞杆直径

p—驱动压力，

由于F推F',已知液压缸驱动力F=500N，且F’=500N<5KN

表2-1 荷选择工作压力

'载荷/KN <5 5～10 10～20 2.5～3 20～30 30～50 >50 3～4 4～5 ≥5 工作压力/MPa <0.8～1 1.5～2

故选工作压力P=1MPa

可根据公式(23)计算出液压缸内径（活塞直径）：

D4F'4500mm25.231mm p3.141根据液压设计手册,见表2-2。可的到液压缸内径（活塞直径）D，活塞杆直径d,活塞厚 B,缸筒长度 L。

表2-2 液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）

20 70 25 75 32 80 40 85 50 90 55 95 63 65 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250

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由表可得D=32 mm

活塞杆直径 d=0.5D=0.5×32mm=16mm

活塞厚 B=(0.6～1.0)D 取B=0.8D=0.8×32mm=25.6mm,取26mm. 缸筒长度 L≤(20～30)D 取L为123mm

活塞行程，当抓取80mm工件时，即手爪从张开120mm减小到80mm，向前移动大约40mm。取液压缸行程S=40mm。

液压缸流量计算： 放松时流量

Q4(D2d2)S

qV1A2V14(322162)20601060.724L/min

夹紧时流量

qV1AV114D2S432220601060.965L/min

2.2.4 机械手液压缸的选用

选择一种型号为：MOB-B-32-83-FB的轻型拉杆液压缸 其结构简图，外形尺寸及技术参数如下：

表2-3 夹持器液压缸技术参数

工作使用温允许最效压力 度范围 1MPa 传动介缸径 2受压面积(cm) 速度比 大速度 率 质 常规矿32 物液压mm 油 无杆腔 有杆腔 12.5 8.6 1.45 10～300 m/s 90+80 % 2.3

机械手手爪的夹持误差及分析

机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定）和手指的夹持误差的大小决定了夹持器能否按照任务要求来夹持工件和把工件送到指定的位置。尤其是在中、小批量生产多品种产品时，工件尺寸会在一定范围内变化，从而产生定位

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误差，为了避免产生这种误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图2-4，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，一般情况下夹持误差不会超过0.1mm，而手部的最终误差取决于控制系统补偿能力手部装置和以及加工精度。

图2-2 设计简图

工件直径为80mm，尺寸偏差5mm，则Rmax42.5mm , Rmin37.5mm

本设计如图2-3。

图2-3 设计简图

若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何

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关系有：

XlAB(XR2R)2lABcosa2sinsin 简化为：

1(RlABsincos)2(lAB2sin2a2)2sin 该方程为双曲线方程，如图2-4：

图2-4 工件半径与夹持误差关系曲线

由上图得，当工件半径为R0时，X取最小值

R0lABsincosXminlABsinXmin，又从上式可以求出：

，通常取2120

若工件的半径示。

Rmax变化到

Rmin时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用表

Rmin在设计中，希望按给定的

Rmax和来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持

误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的

R平均半径ep取为R0时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当a值较大时），偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的BE和BE边平行，抓不着

''

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工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式：

Rep，以BCD90为

cos1[(

Repsina)1lAB

]其中2a90mm, lAB86mm,V型钳的夹角2120

代入得出：

cos1[(80145)]56.57sin6086

则R0lAB sin cos86sin60cos56.57 41.02mm则

RminR0Rmax，此时定位误差为

1和2中的最大值。

21lAB(RRmin22)2lABmaxcosa2lABsin2a2sinsin Rmin2R2)2lABmincosa2lABsin2a2sinsin 22lAB(分别代入得：

20.148210.0256mm，mm

所以，0.1482mm1mm，夹持误差满足设计要求。

由以上各值可得：

X12222(Rlsin cos)(lsina)55.9254mm ABAB2sin取值为X56mm。

图2-5 V型手指

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第三章 夹持器腕部的设计

3.1 机械手腕部设计的基本要求

夹持器腕部是操作机的臂部和手部（末端执行器）之间的连接部件，它的功用主要是利用自身的活动度确定被末端执行器加持物体的空间姿态，也可以说是在臂部运动的基础上进一步改变或调整工件方位，所以手腕部件具有的自由度来扩大机械手的动作范围和使手部适应复杂的动作要求。此设计中要求有绕中轴的回转运动。

（1）力求重量轻、结构紧凑

腕部是臂部和手部之间的部件，因此它的动力载荷和手部的动力载荷都由臂部来承担。显然，腕部的结构、动力载荷和重量，直接影响着臂部的性能、重量和结构。所以，在设计腕部时，必须要做到结构紧凑，重量轻。

（2）考虑结构，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，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还要考虑他的灵活性、平稳性和定位精度高等。因此合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接很重要。

（3）要适应工作环境的要求

对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。

3.2 自由度的回转缸驱动的典型腕部结构

如图3-1所示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从A—A剖视图上可以看到，回转叶片（简称动片）用螺钉，销钉和转轴10连接在一起，定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔5.7进出油腔，实现手部12的旋转。

270旋转角的极限值由动，静片之间允许回转的角度来决定（一般小于），图中缸可回转90。腕部旋转位置控制问题，可采用机械挡块定位。当要求任意点定位时，可采用位置检测元件（如本例为电位器，其轴安装在件1左端面的小孔）对所需位置进行检测并加以反馈控制。



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图3.1

图 3-1 液压回转缸实现腕部回转结构

图示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个。通向手部驱动液压缸的是从回转中心通过，腕部回转时，油路认可保证畅通，这种布置可使油 管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根（一根供手部，两根供腕部回转液压缸）由手臂内通过并经腕架分别进入回转液压缸和手部驱动

0液压缸。本设计要求手腕回转180，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动，参考上图典型结构。 工作原理：定片与缸体固定，动片与转轴固定，其左右侧分别有进出油口，由于压力油作用，受力不平衡，使动片产生转矩，动片带动转轴回转，通过改变进出油的方向，达到腕部回转的目的。

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图 3-2 手部抓取缸液压原理图

3.3 腕部结构计算

3.3.1 腕部回转力矩的计算

腕部回转时，需要克服的阻力有：

（1）腕部回转支承处的摩擦力矩M摩。

f M摩(FR1D1FR2D2) 式（3-1）

2FF式中 R1，R2—轴承处支反力（N），可由静力平衡方程求得;

D1,D2—轴承的直径（m）；

f—轴承的摩擦系数，对于滚动轴承f=（0.01—0.02）；对于滑动轴承

f=0.1。

为简化计算，取M摩0.1M总助力矩，其中，G1为工件重量，G2为手部重量，

G3为手腕转动件重量。

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（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏。

M偏=G1e 式（3-2）

式中 e—工件重心到手腕回转轴线的垂直距离m，已知e=10mm，把数据代入（3-2）得：

M偏G1e59.80.01Nm0.49N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，根据手腕回转的角速度及启动过程转过的角度

启按下式计算：

M惯=（J+J工件）t启 式（3-3）

式中

J工件—工件对手腕回转轴线的转动惯量(Nms2)；

J—手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量(Nms2)； —手腕回转过程的角速度(m/s)；

t 启—启动过程所需的时间(s)，一般取0.05-0.3s,此处取0.1s.。 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为200mm，直径90mm，其重力估算：

G0.04520.27800Kg/m39.8N/Kg97.21N,取G=98N.

等效圆柱体的转动惯量：

J11G2198MR2R0.04520.010122g29.8 m1(3R2l2)3(30.0420.12)0.00371212

已知圆柱体工件R=40mm，l=100mm则工件的转动惯量为：

J工件=要求工件在0.5s内旋转90度, 取平均角速度，即=， 代入（3-3）得：

M惯（JJ工件）（0.01010.0037）Nm0.4333Nm

t启0.1则有： M总阻力矩M摩M偏M惯0.1M总阻力矩0.490.4333Nm

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由上式可得： M总阻力矩1.0259Nm

3.3.2 回转液压缸所驱动力矩计算

回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。

回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩

M。

MRrM总

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

2M总pb(R2r2)ppbdM总22b(Rr) 式（3-4）2 或

式中

M总—手腕回转时的总的阻力矩(Nm)

p—回转液压缸的工作压力（Pa） R—缸体内孔半径（m） r—输出轴半径（m），设计时按 b—动片宽度（m）

上述动力距与压力的关系是设定为低压腔背压力等于零。

D1.5~2.5选取 d3.3.3 回转缸内径D计算

由 MM总阻力矩，得：

pb(R2r2)R2Mr2M总pb2， 式（3-5）

为减少动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度时，选用：

b2Rr

综合考虑，取值计算如下：

r=12.5mm，R=40mm，b=42mm，P取值为1Mp

3.3.4 液压缸盖螺钉的计算

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图3-3 缸盖螺钉间距示意

表3-1 螺钉间距t与压力P之间的关系

工作压力P（Mpa） 0.5~1.5 1.5~2.5 2.5~5.0 5.0~10.0 螺钉的间距t(mm) 小于150 小于120 小于100 小于80

上图中表示的连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为：

F总FF预计算如下：

，即工作拉力与残余预紧力之和

液压缸工作压强为P=1Mpa,所以螺钉间距t小于150mm,试选择2个螺钉，

D4

0.0820.0256m125.6mm150mm，所以选择螺钉数目合适Z=2个

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则受力截面

SRr(4016)4220.16mm0.00422016m222222

PS1060.00422016由以上数据可得F2110.08N

Z2F预KF，此处连接要求有密封性，故k取(1.5~1.8)，取K=1.7。

可得F预KF1.72110.08N3587.136N

所以 F总FF预2110.083587.1365697.216N 选择Q235为螺栓的材料，

则sn240150MPa，安全系数n取1.61.5~2.2。 1.6螺栓的直径由下式得出

d

41.3F41.3F，F为总拉力即FF总

d41.35697.21637.9310m7.93mm 63.1415010根据实际螺栓的直径d应选择8mm。

3.3.5 静片和输出轴间的连接螺钉

动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数。螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式：

Pb(D2d2)4M摩fF0Zi 式（3-6）

F0为预紧力,f为接合面摩擦系数，取0.10~0.16范围中的0.15，即钢和

铸铁零件，i为接合面数，取i=2，Z为螺钉数目，取Z=2，D为静片的外径，d为输出轴直径，则由（3-6）可得：

F0bpD2d24Zfi 式（3-7）

螺钉的强度条件为：

d1

4F0 式（3-8）

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把有关数据代入（3-7）得：

bp0.04110622F0(Dd)(0.0820.0322).6N

4Zfi40.1522选择Q235为螺钉的材料，则sn240150MPa（安全系数1.6n1.2~2.5），把有关数据带入（3-8）可得螺钉的直径

d41.3F041.3.60.994mm，d值极小，取D6mm。

3.14150螺钉选择M6的开槽盘头螺钉，如图3.4：

图3-4 开槽盘头螺钉

3.3.6 腕部轴承选择

腕部材料选择HT200，7.9g/cm3，估计轴承所受径向载荷为50N,轴向载荷较小，忽略。两处均选用深沟球轴承。现校核较小轴径处轴承。

6005轴承基本数据如下：

Cr10KN，当量动载荷PfpFr，载荷系数fp取1，Fr50N，则P50N。

ccrN为转速，由0.5s完成90回转，计算得：n60rmin，，球轴承3。

根据以上数据可计算轴承寿命，轴承寿命公式如下：

106c() 式 Lh（3-9） 60np106101033()2.2109h，远大于轴承额定寿把数据代入（3-9）可得：Lh6060506命10h。

所以可选用轴承为深沟球轴承6005和6008。

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3.3.7 材料及连接件，密封件选择

右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓， GB/T5783，M516,需用4个。

右缸盖与缸体连接选用六角头螺栓， GB/T5783，M516,需用4个。 左缸盖与缸体及法兰盘连接选用六角头螺栓， GB/T5783，M531,需用4个。

选用垫圈防松，GB/T848，公称尺寸为5。

右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓， GB/T5783，M516,需用4个。

为定位作用，轴左侧增加一个套筒，材料为HT200，尺寸如下：

图3-5 套筒

动片与输出轴连接选用六角头螺栓， GB/T5783 ，M516 需用2个。 密封件选择：

全部选用毡圈油环密封，材料为半粗羊毛毡。右端盖 d=40mm, 左右缸盖 d=25mm。

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第四章 伸缩臂的设计

4.1 机械手伸缩臂设计基本要求

机械手伸缩臂的底板固定在大臂上，前端安装机械手，完成直线伸缩动作。 （1）功能性的要求

伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。 （2）适应性的要求

为了因工件大小不同而随时做出调整，所以要设置成为可调式定位机构。为了减少运动产生的冲击和惯性力，因此要求动力和负载大小相适应。

（3）可靠性的要求

可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。

工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。

（4）寿命的要求

产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的工作期限里。因此在设计中要特别考虑采取怎样的措施来减少摩擦和磨损。如：采取润滑措施、选择耐磨材料、合理设计零件的形面等。

（5）经济的要求

机械产品的经济性包括设计、制造、和使用的经济性。在制造机械产品的成本中材料费、加工费占了很大的比例。因此设计时必须要合理考虑。

（6）人机工程学的要求

人机工程学也称为技术美学，它包括调节有效省力、操作简单、照明适度、显示清晰、色彩和谐、造型美观、容易保养维护等。因此在本设计中充分考虑了人机工程学的特点。

（7）自动报警和安全保护的要求

按照规范要求，为了确保操作人员的人身安全，设计时必须采取适当的防护措施，这是任何设计的前提。例如因故障造成的突然工作中断，如突然断电、机构卡死等情况。如果不安装报警装置可能会造成人身安全，所以报警装置和安全保护措施必须要有。

设计参数

（1）伸缩长度：300mm；

（2）单方向伸缩时间：1.5～2.5S；

（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm； （4）前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击；

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4.2 方案设计

液压驱动方案 （1）伸缩原理

这里选择的液压油缸为单出杆双作用液压油缸，手臂伸出时采用单向调速阀进行回油节流调速；当接近终点时，发出信号，进行调速缓冲（也可采用缓冲油缸），靠油缸行程极限定位，采用导向杆导向防止转动；采用电液换向阀，控制伸缩方向。

（2）液压系统的设计计算

液压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求，具体设计计算参考《液压传动与控制》等相关教材。由于伸缩臂做间歇式往复运动，有较大的冲击，设计时要考虑缓冲措施，可从液压回路设计上考虑，也可从液压件结构上考虑等。

设计计算参数及要求：

① 电磁阀流量：要满足伸缩速度的要求。

② 油缸直径：推力大小要能克服机构起动惯性并有一定的起动加速度，要满足运动时间要求。

③ 导向杆刚度：按最长伸出时机械手端部的挠度不超过规定要求。 ④ 定位方式和元件：自选。 （3）结构方案设计及强度和刚度计算 ① 结构方案说明

a：支座1安装在机器人床身上，用于安装伸缩臂油缸和导向杆等零部件。 b：法兰4用于安装机械手，其形式和尺寸要与机械手相协调。

c：液压缸伸出杆带动导向杆同时伸出300mm，伸出长度较大，设计、制造和安装时要考虑液压缸与导向杆的平行度要求。

d：导向杆可采用直线导轨或直线导轴。直线导轨可选用外购件，直接从生产厂家的有关资料中获得所需参数（网上查询直线导轨、直线导轴）。采用直线导轴时可自行设计，并且要考虑导向杆的润滑，润滑方式参考有关手册设计。

② 强度及刚度计算

根据任务书机械手夹持工件最大重量为5Kg，本设计中取5Kg，根据设计需要夹持器重量取10Kg，夹持器长度最大约250mm。从受力角度分析，载荷不大，可参考其它机器作类比设计即可。伸缩臂的机构力学模型如图4.2所示。

夹持器夹着工件，伸缩臂全部伸出，是导杆受力最大的状态,也是变形最大的位置。在此情况下，用材料力学的知识计算它的强度和刚度。

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图4-1 强度和刚度分析图

4.3 机械手伸缩臂机构结构设计 4.3.1 伸缩臂液压缸参数计算

1.工作负载R

液压缸的工作负载R是指工作机构在满负荷情况下，以一定加速度启动时对液压缸产生的总阻力，即：

RRiRmRg 式（4-1）

式中：Ri-工作机构的荷重及自重对液压缸产生的作用力；

Rm-工作机构在满载启动时的静摩擦力；

Rg-工作机构满载启动时的惯性力。

(1)Ri的确定 ① 工件的质量m

20.8mpvpr2h7.853.141.55.9 (kg)

2②夹持器的质量 10kg(估计) ③伸缩臂的质量 50kg(估计) ④其他部件的质量 15kg(估计)

工作机构荷重： Ri(5.9105015)10809N 取Ri=810N

(2) Rm的确定 RmRi8100.2162N

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(3) Rg的确定 RgGV8100.2162N) gt100.1式中：t为启动时间，其加速时间约为0.1～0.5s

t=0.1s , =0.2s

把数据代入（4-1）可得： RRiRgRm8101621621134N 取实际负载为 ： R =1100N 2.液压缸缸筒内径D的确定

可根据公式： D4R 式（4-2） p式中：R1100N<5000N , p可取0.8~1 Mpa, p1Mpa 把数据代入（4-2）可得：D4R4110037.4mm  p3.141Mpa根据第二章中表2.1可得液压缸缸筒内径为40mm。 3.活塞杆设计参数及校核

(1)活塞杆材料：选择45号调质钢，其抗拉强度b=570Mpa

(2)活塞杆的直径：查《液压传动设计手册》得，当压力小于10Mpa时，速比=1.33。

则可选取活塞杆直径为20mm系列，且缸筒的厚度为5mm。

HlD3004035mm202202

最小导向长度：

(3)活塞杆强度及压杆稳定性的计算 采用非等截面计算法 ① 油缸稳定性的计算

因为油缸的工作行程较大，则在油缸活塞杆全部伸出时，计算油缸受最大作用力压缩时油缸的稳定性。

假设油缸的活塞杆的推理为P，油缸稳定的极限应力为Pk，则油缸稳定性的条件为PPk按下式得到： pk((pk2)J1(kgf) 式（4-3） J1 24

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pk式（4-3）中：

J1可按《液压传动设计手册》得到

J1d14J2；

(D14D4) 式（4-4）

式中：d1为活塞杆直径，可根据公式d10.5D0.54020mm D1为缸体外径，D150mm D为缸体内径,D40mm

J1202代入数据进（4-4）有：

19.625

则可得：

J2(502402)44.15625

j244.156251.5 j119.625因为 J2 、J1为长度l2、l1上的断面惯性矩。 查液压设计手册可知

lj21.6时极限力的计算图，可由11且l1=300mm查得

l2j1Pk90（其中，l1为活塞杆头部至油缸A点处的距离cm；l2为缸体尾部至油缸AJ1点处的距离cm。

所以： pk90219.625kgf1.6106N。 可得

ppk所油缸的稳定性是满足条件的。

② 活塞杆强度的计算（E：材料的弹性模量）刚的弹性模量为E＝200Mpa。 由《液压传动与控制》查得：d4R411001.8 <20 6003.141.4s所以活塞杆强度是满足条件的。 4.缸筒设计参数及校核

(1)缸筒材料：选择ZG310-570铸钢,其抗拉强度b570Mpa

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(2)缸筒壁厚及校核：取壁厚=5mm

0.08D50.1250.340 因此属于普通壁厚

缸筒壁厚的校核公式为： 式中：

pmaxpmaxD2.3s3pmaxpmax 式（4-5）

-缸筒内最高工作压力；=7

Mpa

s-材料的许用应力

sb570Mpa114Mpa5

-材料的安全系数=5

把数据代入（4-5）可得：校核符合要求

(3)缸筒外径：D1D2401050mm 5.缸底设计参数及校核

(1)缸底材料：选择Q235碳素结构钢，其抗拉强度b375~460Mpa (2)缸底厚度 0.5D 取缸底厚度为5mm 6.油缸零件的连接计算

首先确定油缸缸筒与缸盖采用螺纹连接;缸筒与缸底的连接此处选用焊接方式，此种方式能够使液压缸紧凑牢固。

（1）缸筒螺纹处的强度计算： 螺纹处的拉应力：PmaxD740mm1.16

2.333pmax2.31143x7Pmax50.54074.28mm 460/3kp/(d12D2)k1kp.d0(d1D4)0.4d14kgf/cm 式（4-6）

2螺纹处的剪应力：

kgf/cm 式（4-7）

2合成应力：n232kgf/cm2

 26

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许用应力：3nkgf/cm

2式中：P:油缸的最大推力kgf;

D:油缸内径[cm];

d 0：螺纹直径[cm]；

d1：螺纹内径，当采用普通螺纹时（GB196-63）时，可近似按下式

d1d01.224t（t螺距[cm]）;

K:螺纹预紧力系数，去K＝1.25～1.5； k1：螺纹那摩擦系数（0.07～0.2），一般取k1＝0.12；

s：缸筒材料的屈服极限。

n: 安全系数，取n=1.2-2.5,一般取n=1.75.

由前面计算可得：D=40mm=4cm，则查《机械设计课程设计手册》，采用普通螺纹基本尺寸（GB/T196-2003）公称直径第二系列 4.8，可得螺距t=0.4cm; d04.8cm

所以，d14.81.2240.44.31cm。 K取1.5， k10.12，

kgf/cm2 3235Mpa2350n:取1.75。

所以代入数据进（4-6），（4-7）有：

kp1.510074.138kgf/cm2 2222/4(d1D)/4(4.314)k1kpd00.4(d1D)d1440.121.51004.84.312 10.45kgf/cm440.4(4.314)n23274.142310.45276.32kgf/cm2

[]23523.5kgf/cm21342.9kgf/cm2 n1.75n[],满足强度条件。

（2）缸筒与缸底的焊接强度计算

p42100(D1d2)4120.3kgf/cm2

(524.52)0.7 27

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P:油缸推力

:焊缝效率，可取＝0.7

b：焊条材料得抗拉强度

n:安全系数，取n＝3.3～4

并查到焊条材料的抗拉强度为900Mpa～1200Mpa(手工焊条)，因此缸体与缸底得焊缝强度是满足要求得。

7.液压油缸其他零件结构尺寸得确定

由于液压缸的工作负载较小，所以选定液压缸的工作压力为低压。取额定工作压力为2.0Mpa。

图 4-2 液压系统图

液压系统图分析：电动机的带动下，液压阀往上泵油，过滤器起过滤作用，防止杂

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物进入系统内部。溢流阀，起溢流定压的作用，定的是整个系统内的压力，起安全保护的作用。由于液压缸的工作负载较小，所以选定液压缸的工作压力为低压。取额定工作压力为2.0Mpa。整个液压系统的最高压力为2.0Mpa，一旦系统的压力超过这个安全值，溢流阀就会开通，将压力卸掉，直至下降到安全压力之内，然后，溢流阀关闭。三位四通电磁阀，2YA通电，油坐进右出，油进入缸体内推动活塞带动活塞杆往外伸，单向节流阀的作用是调节伸缩臂的伸缩速度。三位四通电磁阀，3YA通电时，交叉通，油右进左出，油进入缸体内推动活塞带动活塞杆收缩。三位四通电磁阀，4YA通电，油左进右出，油通过单向阀，进入缸体内推动活塞带动活塞杆收缩，v型手指处于加紧状态。5YA通电，交叉通，单向阀不通油，当夹持器出现故障，油压增加，就克服弹簧阻力，使得卸荷阀开通，卸去多余的压力，起安全保护的作用。三位四通电磁阀，6YA通电，油左进右出，回转缸体转动，21是内部压力控制阀，其安全保护的作用，当内部压力增加超过安全值，内部压力控制阀就会开通，卸掉多余的压力。7YA开通的时候，交叉通，回转手腕反转。

原始开始→夹持器夹紧工件→手腕回转→伸缩臂伸出→夹持器松开→伸缩臂缩回

待加工完成后 伸缩臂伸出→夹持器夹紧→伸缩臂缩回→手腕回转→ 原位停止 准备下次循环

（1）活塞与活塞杆得连接结构：

油缸在一般工作条件下，活塞与活塞杆采用螺纹连接。其形式如图所示

图4-3 结构图

（2）活塞杆导向套：做成一个套筒，压入缸筒，靠缸盖与缸筒得连接压紧固定，材料选用铸铁材料。基本结构为：缸盖，防尘垫圈，活塞杆，活塞杆导向套

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图4-4 基本结图

（3）活塞与缸体得密封。

采用O型密封圈密封。选用36.5内径，截面直径为3.550.10mm. 其基本形式如下：



图4-5 基本结构图

4.3.2 导向杆机构设计

1.导向机构的作用

保证伸出活塞杆时的方向性和伸缩量的准确性以及提供机构刚度等都是导向机构

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的作用。

2.导向机构的外形尺寸及材料

导向选择矩形导轨导向，导轨为伸缩臂基座上得一部分，经加工而成；滑台则在其上滑动且滑台得端部靠法兰安装夹持器部分。材料选择为45号钢.，如图4.8所示：

图4-6 矩形导轨

图中：1为滑台，2为伸缩臂基座，3为矩形导轨的压板。

此处矩形导轨是直接在基座上加工出来的，滑台在导轨面上滑动，靠压板来固定调节。

基座臂厚为10mm.。

3.矩形导轨的弯曲强度及挠度的校核

max(1)导轨的弯曲应力

MWz 式(4-8)

Mpl0.5300150Nm

bh20.040.0252WZ4.1710666

根据（4-8）可得：maxM15035.97Mpa 6WZ4.1710max< [] 符合要求。

因为只计算了一边得矩形导轨，由结构可知还有另外一边得导轨支撑，故满足条件。 (2)杆的挠度

此杆为一悬臂梁，根据简单载荷作用下梁的挠度和转角公式：

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pl2pl3f2EI，3EI 式（4-9）

bh2I2.0810612式中：EI是截面抗弯刚度 ：

3000.53 fB0.3105 632002.0810本式计算是完全把载荷加在导轨上，实际是载荷由导轨和活塞杆共同承受，所以导向杆的挠度会更小，符合设计要求。

pl23000.523.4 符合要求。 转角  =0.06rad2El22002.081010(3)导轨的表面处理及润滑

①导轨表面淬火，不仅能使表面硬度增加而且导向杆的耐磨性也加强了，也可以保证导向杆的韧性，但导轨精度要求必需要精加工才能提高；

②导轨的润滑可采用润滑油润滑，或是采用润滑脂润滑。本设计采用润滑脂润滑。 伸缩臂基座与升降臂相连靠伸缩臂基座底部的法兰。用4个M12的内六角圆柱头螺钉固定。

4.伸缩臂范围控制与调整

伸缩臂伸缩范围控制靠活动挡块与行程开关。设备附件活动挡块，它用在当设备安装好后，可以靠它在小范围内调节臂的伸长量，其结构图如图4.6所示

此活动挡块可套装在导向杆上，a处可以压住行程开关压柱，从而压动行程开关使行程开关实现动作。

此外除上述调节外，还可以调节连接件的旋入导向杆和液压活塞杆的长度，实现对伸长度的微调。保证把工件精确地放在加工机床作业台上。行程开关使用LXW4-11型微型开关。

工作原理：伸缩臂推动夹持器和回转腕部，使其前进或者后退。

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第五章 驱动系统的设计

5.1 机械手驱动系统设计要求

本设计的机械手属于液压机械手。具有手臂伸缩，回转，升降，手腕回转四个自由度。因此，相应地有手腕回转机构、手臂伸缩机构，手臂回转机构，手臂升降机构等机构。这些机构都是用液压缸或液压马达驱控制和驱动。

设计要求

（1）满足工业机械手动作顺序要求。而这个要求是靠电控系统按照程序控制电磁铁依次步进动作而实现。

（2）机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。它要求伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。

（3）液压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求。

5.2 机械手驱动系统设计方案

采用叶片泵供油，动作顺序：从原位开始——夹持器夹紧——底座慢进——手腕回转——伸缩臂伸出——夹持器松开——伸缩臂缩回；待加工完毕后，伸缩臂伸出——夹持器夹紧——伸缩臂缩回——手腕回转——夹持器松开到原位停止，准备下次循环。

上述动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁（电磁换向阀），按程序依次步进动作而实现。

（1）各液压缸的换向回路

本设计采用可编程控制器进行控制，是为机械手能更好的的自动控制，前文分析可以知道系统的流量和压力都不是很高，所以本设计选用电磁换向阀回路，这样更能较好的获得的自动化成都和经济效益。液压机械手采用单泵供油，手腕回转，手臂伸缩，夹持动作采用并联供油，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，换向阀采用中位“O”型换向阀。压系统图分析：电动机的带动下，液压阀往上泵油，过滤器起过滤作用，防止杂物进入系统内部。溢流阀，起溢流定压的作用，定的是整个系统内的压力，起安全保护的作用。由于液压缸的工作负载较小，所以选定液压缸的工作压力为低压。取额定工作压力为2.0Mpa。整个液压系统的最高压力为2.0Mpa，一旦系统的压力超过这个安全值，溢流阀就会开通，将压力卸掉，直至下降到安全压力之内，然后，溢流阀关闭。三位四通电磁阀，2YA通电，油坐进右出，油进入缸体内推动活塞带动活塞杆往外伸，单向节流阀的作用是调节伸缩臂的伸缩速度。三位四通电磁阀，3YA通电时，交叉通，油右进左出，油进入缸体内推动活塞带动活塞杆收缩。三位四通电磁阀，4YA通电，油左进右出，油通过单向阀，

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进入缸体内推动活塞带动活塞杆收缩，v型手指处于加紧状态。5YA通电，交叉通，单向阀不通油，当夹持器出现故障，油压增加，就克服弹簧阻力，使得卸荷阀开通，卸去多余的压力，起安全保护的作用。三位四通电磁阀，6YA通电，油左进右出，回转缸体转动，21是内部压力控制阀，其安全保护的作用，当内部压力增加超过安全值，内部压力控制阀就会开通，卸掉多余的压力。7YA开通的时候，交叉通，回转手腕反转。

（2）调速方案

整个液压系统只用单泵工作，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是无法满足设计要求的。尽管有的液压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速，用以保证液压缸的平稳运行。各缸可选择进油路或回油路节流调速，选用节流阀调速。

单泵供油系统以所有液压缸中需流量最大的来选择泵的流量。系统较为简单，所需元件较少，经济性好，考虑到系统功率较小，其溢流损失也较小。

（3）缓冲回路

伸缩臂处设置缓冲回路，使用单向节流阀 （4）系统安全可靠性

夹紧缸在夹紧工件时，为防止失电等意外情况，设置锁紧保压回路。

手臂升降缸在系统失压的情况下会自由下落或超速下行，所以在回路中设置平衡回路。

5.3 机械手驱动系统设计 5.3.1 分功能设计分析

（1）为了保证运动过程中不使工件掉下，因此本夹持器采用单出杆双作用缸，夹持器夹紧工件后，锁紧回路由单向阀和先导型顺序阀组成。顺序阀的设置在夹持器松开回油过程中起到缓冲作用。

（2）手臂伸缩采用单出杆双作用缸，手臂伸出时，由单向阀和节流阀组成的调速回路进行回油节流调速。手臂缩回时，回油路设置调速阀以完成缓冲作用。

（3）伸缩臂进油路设置蓄能保压回路，伸出完全后，进油路压力升高，压力继电器发出电信号导致换向阀通电，泵卸荷，单向阀自动关闭，由蓄能器保压。

（4）单泵供油，采用先导型溢流阀卸荷，设置二位二通换向阀。

5.3.2 液压泵的确定与所需功率计算

a.系统各执行元件最大需用流量 夹紧缸：Q1=1.5 L/min

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伸缩缸：Q2=15 L/min b.泵的排量 qQP10313.6ml/r npc.泵工作时的最高压力 夹紧缸：p11Mpa

伸缩缸：p21.6Mpa Ppp3p

p包括油液流经流量阀和其他元件的局部损失，管路沿程损失等

p为0.20.5Mpa

pp20.42.4Mpa

作为压力储备，可选额定压力为5Mpa

选择YB-A16B型号泵，其主要性能参数如表5.1所示 表5-1 性能参数表

排量 压力 输入功率 额定转速 最低转速 最高转速 YB-A16B 16.3ml/r 5Mpa 1.69Kw 1000r/min 600r/min 1800r/min

5.3.3 液压元件的选择,如表5-2所示

表5-2 液压元件选择表

编号 元件名称 阀最大通过流量L/min 型号 公称流量L/min 1 滤油器（粗） 19.074 XU-CJ4550BS 40 3 4 阀 6 溢流阀 电磁换向19.074 YF3-10L 23DO-B8C 63 22 滤油器 XU-CJ4530BS 40 35

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（精） 9 电磁换向阀（夹紧） 10、11 阀 13 器 14 电磁换向阀（伸缩） 15 阀 17 电磁换向阀（回转） 18 、19 21 阀 电磁换向阀（升降） 22 阀 23、24 阀

单向节流 SRCT-0.3-50 30 单向顺序 HCT-03-A-3-22 50 7.536 DG55-5 单向调速 AQF3 液控单向 CPT-03-04-50 40 压力继电 HED1OA20/35 34DF30-E10B-D 15 25 单向调速 AQF3-10C 30 17.34 34DF30-E10B-D 25 -10d3

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总 结

本次机械手夹持器的设计主要对于夹持器，伸缩臂，腕部，液压系统设计过程。内容主要包括：夹持器与伸缩臂总体方案的确定和有关数据的计算，采用了液压与电动夹持器驱动系统，相应的涉及到电机和液压缸的选择计算，总体结构设计、主要部件的受力分析和强度校核。

题目的综合训练比较强，涉及知识面广，重点在于培养工程思想及意识，理论联系实际，提高初步设计能力。设计要求在保证其原有性能的前提下，尽可能地提高其特色即性能价格比。并且要求该机械手具有较小的体积，简单的结构和低廉的价格，以及造型美观的外形，各调整环节的设计要方便人体接近方便工具的使用。其难点在于结合实际，进行结构设计. 在设计过程中，本人综合运用了四年来所学到的专业知识，感觉到自己专业知识中某方面的欠缺，通过再次的复习，明显感觉到了知识的增长，我们从中学到了很多的知识，也体会到了毕业设计的综合性，结合辅导老师的指导与自己的专业知识和生产实践，才能较为完整地完成此次设计任务。

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