液压机械手设计毕业设计(论文).doc

北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）液压机械手设计毕业设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 一、 引言 1.1 机械 液压通用机械手，就其本质上来说，属于工业机器人的范畴，机器人学是近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机科学、自动控制以及人工智能等多种学科的最新研究成果，体现了光机电一体化技术的最新成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。“机械手”（Machanical Hand）：多数指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。如自动线、自动机的上下料，加工中心的自动换到的自动化装置。1.2 机械手特点、结构与研究意义1.2.1 机器人的特点机器人的主要特点体现在它的通用性和适应性等方面。1. 通用性机器人的通用性指具有执行不同功能和完成多样简单任务的实际能力；通用性也意味着，机器人是可变的几何结构。或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。2.适应性机器人的适应性是指具有对环境的自适应能力，及机器人能够自主执行实现经规划的中间任务，而不管执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。1.2.2 机器人的系统结构一个机器人系统一般由四个相互作用的部分组成，即机械手、环境、任务和控制器。工业机器人的本体机械系统即为通常的机械手装置，他由肩、臂、腕、机身或行走机构组成，组合为一个相互依赖的运动机构。环境即指机器人所处的周围状态，环境不仅由机和条件决定，而且有环境和它所包含的每个事物的全部自然特性决定。机器人体系结构中的任务一般定义为环境的两种状态（初始状态和目标状态）间的差别，必须用适当的程序语言来描述，并能为计算机所理解。机器人控制器一般为控制计算机，接收来自传感器的信号，对其进行数据处理，并按照预存信息，即机器人的状态及环境情况等，生成控制信号来驱动机器人的各个关节运动。1.2.3 机械手的研究意义随着现代科学技术的发展，机械手的应用也越来越广泛。在机械工业中，大量应用于铸、锻、焊、冲、热处理、机械加工以及装配等工种。在其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：(1) 可以提高生产过程的自动化程度。应用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换、以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。(2) 可以改善劳动条件，避免人身事故。在高温、高压、低温、低压、噪声、臭味、有放射性物质的环境场合，用人手直接操作是很危险的甚至是不可能的。而应用机械手即可部分或者全部代替人完成作业，使劳动条件得以改善。(3) 可以减少人力，并便于有节奏的生产。应用机械手代替人手进行作业，这是直接减少人力的一个侧面，同时应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一方面。因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的生产。 （4）用液压系统来控制机械手，比一般的机械控制具有更好的稳定性，并且控制的精确度更高。 （5）运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间，从而能大幅提高劳动的生产率。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.3 国内外的发展状况专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。通用机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于通用机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。通用机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国内外对发展这一技术都很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与合作。目前国内外的发展趋势是：(1)研制有更多自由度的液压机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。(2)研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。(3)研制维修维护方便的通用机械手。(4)研制能自动编制和自动改变程序的通用机械手。(5)研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。 (6)机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。 (7)研制具有柔性系统的通用机械手目前，在国外广泛应用的再现式通用机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。现在研究的机械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度。现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位。1.4 机械手的组成和分类1.4.1机械手的组成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。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。控制系统位置检测装置执行机构驱动系统1.4.2 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。一、按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种：1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、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。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压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，不然油的泄漏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。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。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:介质李源极为方便，输出力小，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，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、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，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手即有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械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动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，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。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。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。二、机械手总体结构的确定2.1 机械手的运动自由度物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关。物体能够能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度（DOF degree of freedom）。自由度是指描述物体运动所需的独立坐标数，三维空间需要6个自由度。物体所能进行的运动有沿着坐标轴的三个平移自由度和绕坐标轴的三个旋转自由度。一般固定程序的机械手，动作比较简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多，动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的3个自由度是用来实现手臂末端的空间位置的，再用几个自由度来定出末端执行器的方位；7个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。自由度的选择也与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周围设备构成比较复杂，工件质量轻时，机械手的自由度数可少；如果要便于产品更换，增加柔性，则机械手的自由度要多一些。计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的结构和控制，应使自由度数最少。 本设计的通用机械手的结构相对比较简单，自由度选择为四个。分别为大臂回转、大臂升降、小臂回转和小臂伸缩。分别由大臂回转油缸、大臂升降油缸、小臂回转油缸和小臂伸缩油缸控制。2.2 工作空间的确定工作空间是指机械手正常工作时，手腕参考点在空间活动的最大范围，依据机械手工作范围和运动轨迹确定。工作空间大小不仅与机器人各杆件尺寸有关，而且也与它的总体构形有关。在工作空间内要考虑杆件自身的干涉，防止与作业环境发生碰撞。此外在工作空间内某些位置，机械手不可能达到预定的速度，甚至不能在某些方向上运动，即所谓工作空间的奇异性。本机械手的工作空间要求为：手臂伸缩行程范围0500mm，手臂升降行程范围最大0100mm，手臂回转行程范围0220。 2.3额定负载的确定承载能力说明机械手搬运重物的能力，负载大小主要考虑机械手各运动轴上的受力和力矩，末端执行器的重量，抓取工件的重量，以及由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。任务书要求能夹持重量为50N的物体，考虑末端执行器的重量及各运动轴上的受力和力矩，以及考虑足够的安全系数，初步确定设计负载为800N。2.4机械手结构形式的确定本毕业设计是通用机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一般有一下几种：表2-2 机械手结构选型表结构形式方案特点优缺点结构简图1直角坐标型作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低2圆柱坐标型操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高3球坐标型操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂4关节型操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差2.5运动速度机器人的运动速度是其主要运动参数之一。它反映了机器人的作业水平，运动速度的快慢与它的驱动方式、定位方式、抓去质量大小和行程距离有关，作业机器人手臂的运动速度应根据生产节拍、生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定。目前，工业机器人的最大直线运行速度大部分为1000mm/s左右；最大回转速度110/s左右。在本次设计中选定手臂伸缩速度750 mm /s，手臂升降速度250mm/s，手臂回转速度110s，手腕回转速度360/s，驱动方式为电-液伺服系统。作为机器人规格参数的运动速度是指全程的平均速度，实际使用速度可以在一定的范围内调节。2.6 定位精度定位精度是衡量机器人工作质量的又一项重要指标，一般所说的定位精度是指重复顶诶精度。定位精度取决于位置控制方式及机器人本体部件的结构刚度与精度，与抓取质量、运动速度、定位方式等也有密切关系。目前，专用机械手采用固定挡块定位方式可达到较高的定位精度（大约为），采用行程开关、电位计等电器元件控制的位置精度相对较低，大约为mm。伺服控制系统的机器人是一种位置跟踪系统，即使在高速重载的情况下，也可不发生剧烈的冲击和振动，因此可获得较高的定位精度，重复定位精度最高可达到0.01mm。2.7 程序编制与存储容量程序编制与存储容量这个技术参数用来说明机器人的控制能力，即程序编制和存储容量的大小表明机器人作业能力的复杂程度和改变程序时的适应能力及通用程度。2.8 机械手的技术参数列表1、手臂力可达50N2、自由度数 43、坐标形式 圆柱坐标4、手臂伸缩速度750 mm /s，手臂升降速度250mm/s，手臂回转速度110s，手腕回转速度360/s，驱动方式为电-液伺服系统。5、手臂伸缩行程范围0500mm，手臂升降行程范围最大0100mm，手臂回转行程范围0220。6、定位方式 行程开关或可调机械挡块等7、定位精度 8、驱动方式 液压驱动9、控制方式 点位程序控制（采用PLC）三、手部结构设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构或电磁式吸盘结构。手爪是机械手直接用下抓取和握紧(或吸附)工件夹持专用工具(如喷枪。扳子、焊接工具)进行损作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机械手手臂的前端，如图31所示为齿轮齿条式手部结构。其手指夹紧工件是由夹紧气缸1中的齿条活塞杆8在压缩空气作用下右移，经齿条推动齿轮7并带动扇形齿轴5回转，因手指6与扇形齿轮5固结为一体，所以两个手指同时回转而夹紧工件。由于采用单向作用油缸，故靠弹簧3复位，使手指张开。手部结构中的齿轮齿条属于传力机构。3.1夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。3.1.1手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。3.1.2设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在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。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)应考虑被抓取对象的要求 1抓取形状 手指形状应根据工件形状而设计。如工件为圆柱形则采用“V”形手指；圆球状工件用圆弧形三指手指，方料用平面形手指，细丝工件用尖指勾形或细齿钳爪手指。总之应根据工件形状来选定手指形状。 2，抓取部位 抓取部位的尺寸尽可能是不变的若加工后尺寸有变化，手指应能适应尺寸变化的要求，否则不允许定为抓取部位。对于工件表面质量要求高的，抓取时尽量避开高质量表面或在手指上加软质垫片(如橡皮抱沫塑料石棉衬垫等)，以防夹持时损坏工件。 3抓取数量 若用一对手指抓取多个工件，为了不发生个别工件的松动或脱落现象，在手指上可增加弹性衬垫，如橡皮、泡沫、塑料等 ，对于较长工件可采用双指或多指抓取。(六)应考虑手指的多用性 手指是专用性较强的部件，为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求，可制成组合式的手指，对于这种手指要求结构简单，安装维修方便，更换迅速和准确，以便扩大机械手的使用范围。3.1.3手部夹紧油缸的设计1、手部驱动力计算本课题液压机械手的手部结构如图3-1所示，3-1齿轮齿条式手部结构要求抓取重量为50NV形手指的角度，摩擦系数为f=0.1(1)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: (2)根据手部结构的传动示意图3-2，其驱动力为: 3-2齿轮齿条式手部结构示意图(3)实际驱动力:因为传动机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则: 所以 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为3830N。2、 手指夹紧工件时，弹簧变形所产生的弹簧力使手指松开的复位弹簧其钢丝直径d=3mm，弹簧外径D=30mm，弹簧的自由长度H=46mm，有效圈数12，手指夹紧工件时弹簧的变形量。 其中 ；Z=12； 3、求夹紧缸的工作压力作用在夹紧缸活塞上的机械载荷P为： 由于密封装置的摩擦阻力较工作阻力（）小，又因密封处的工作压力p是待求值，故按照经验取，所以取 因作用在活塞上的合成液压力即驱动力与机械载荷p相平衡，故夹紧缸的工作压力P为： 式中D为夹紧缸直径，从结构设计得知D=40mm，所以 四、手腕结构设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。4.1 手腕的自由度 手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。如图41所示的手腕运动有绕X轴转动称回转运动，绕y轴转动称为上下摆动(或俯仰)，绕Z轴转动称为左右摆动，沿y轴方向的横向移动(或沿Z轴方向纵向移动)。因此手腕最多具有四个独立运动即四个自由度。图4-1 手腕运动示意图手腕自由度的选用与机械手的通用性，加工工艺要求，工件放置方位和定位精度等许多因素有关，一般手腕没有回转运动或再增一个上下摆动即可满足工作的要求，也有的专用机械手没有手腕的运动，若有特殊要求的可增加手腕左右摆动或沿y轴方向的横向移动。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，我们选用的是回转油缸。它的结构紧凑，回转角度为0200，手腕回转速度360/s，并且要求严格的密封。4.2 手腕的驱动力矩的计算4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-2所示为手腕受力的示意图。1.工件2.手部3.手腕图4-2手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: 式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩();- 惯性力矩();- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩().,- 手腕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();下面以图4-2所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则: 式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为:式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量；- 工件的重量(N)；- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s)；- 起动过程所需的时间(s)； 起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 + ()式中: - 手腕转动件的重量(N)；- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则。3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 ()式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm)；- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承；,- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据,得:同理，根据(F),得:式中:- 手部的重量(N), 如图4-2所示的长度尺寸(cm).4、回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。4.2.2回转油缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图4-3所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把油腔分隔成两个.当压缩油从孔a进入时，推动输出轴作逆时针方向回转，则低压腔的油从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶片回转油缸的压力P和驱动力矩M的关系为:, 或 4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核1.尺寸设计设计油缸内径为=90mm,半径,轴径,半径,油缸运行角速度=，加速度时间=0.1s，回转油缸的工作压力为，动片宽度为50mm。则力矩： 2.尺寸校核1测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况， 4-3 回转油缸简图质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： （）工件的质量为5,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为:则： 2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则 + 其中为手腕回转部件的重量，为工件的重量3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为由于是液压传动，润滑比较好，根据经验得知摩擦力矩很小，故忽略不计。4回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 ：输出轴与缸盖密封装置处的摩擦阻力矩其中d - 输出轴与缸盖密封处直径；l - 密封的有效长度（或密封宽度）；-“O”形密封圈的截面直径；k -“O”形圈在装配时的压缩率，对于回转运动，k=0.03-0.05； - 摩擦系数P 回转油缸的工作压力由设计得：d=20mm，=3mm，k=0.04，=0.1，p= m则： ：动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力矩其中 mD 回转油缸直径d 回转油缸与动片连接处直径由设计得：D=90mm，d=20mm则 ：动片外径与油缸密封装置处的摩擦阻力矩其中b为动片的宽度，b=50mm，D，p和同上述。 则： 5、回转油缸回油腔的背压反力矩 其中为回油腔的油液压力，在这里初步估算为则： 则手腕回转油缸所需的驱动力矩为： 所以设计尺寸符合使用要求，安全。五、手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核5.1手臂伸缩油缸的尺寸设计与校核5.1.1 手臂伸缩油缸的尺寸设计手臂伸缩油缸运行长度设计为=500mm,油缸内径为=40mm,半径R=20mm。5.1.2 尺寸校核1、设计油缸运行长度设计为=500mm,油缸内径为=40mm,半径R=20mm, 油缸运行速度为，加速度时间=0.1s，进油压力为。 当压力油输入无杆腔，使活塞以速度而运动是所需输入油缸的流量为：式中：D 油缸（或活塞）直径： 输入无杆腔的流量 活塞的移动速度则流量为： 油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力即油缸的驱动力为： 式中： 进油压力 油缸驱动力 当压力油输入有杆腔，使活塞以速度而运动是所需输入油缸的流量为： 式中： d 活塞杆直径 输入无杆腔的流量 活塞的移动速度 ，=1500mm/s则流量为： 油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力即油缸的驱动力为： 所谓油缸的驱动力是指油缸的高压油腔的压力油所产生的合成液压力。在机械手工作时，各油缸的驱动力要分别克服作用在各自油缸活塞上的总机械载荷，以保证机械手正常运动。2、计算作用在活塞上的总机械载荷机械手手臂移动油缸的受力简图如图5-1所示。作用在活塞上的总机械载荷P为：工作阻力：工作阻力的数值要根据油缸工作的具体情况确定有无，并进行计算或估算。在此为完成搬运工件的伸缩油缸，故不受工作阻力，即为0。导向装置处的摩擦阻力：不同配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。5-1 手臂伸缩油缸受力简图本设计如图5-1所示的是双向杆导向，其导向杆截面形状是圆柱面。导向杆对称配置在油缸的两侧，并布置在过油缸活塞杆的平面内。图5-1所示的油缸在启动时，导向装置处的摩擦阻力较大，估计如下：由于导向杆对称配置，两导向杆受力均匀，可按一只导向杆估算，忽略导向杆直径的影响，根据它手里的平衡条件推得： 式中 参与运动的零部件的总重量（包括被抓物件重量） L 手臂缩回时参与运动的零部件的总重量的重心C到导向支承前端的距离 a 导向支承的长度 当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。 对于圆柱面 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时，钢对钢的取为0.1估算为80kg，L=50mm，a=160mm，=1.4，=0.1则： 密封装置处的摩擦阻力在压力油驱动活塞运动时，各密封装置处摩擦阻力之和为，即 分别为活塞杆和缸盖处、活塞与缸壁处、伸缩油管处等密封装置处的摩擦阻力，其值随密封圈结构的不同而异。当油缸的工作压力不大于时，活塞杆直径为油缸直径的一半，活塞和活塞杆处走采用O型密封圈时，油缸密封处的总摩擦力为： 伸缩油管处的摩擦阻力为： 式中 密封圈与配合面的摩擦系数，主要与密封圈形式、材料与配合接触的零件材料和油液压力有关。对于O型橡胶密封圈，当油液压力时，。油液压力高时取小值，压力低时取大值，在本次设计中取。 P 密封处的工作压力 伸缩油管直径l 密封的有效长度密封的有效长度l近似估算为： k为压缩率一般为，在这里取k=0.12，为O型密封圈截面直径则： 由设计得：d=0.006m， 惯性力机械手的手臂在起动时，活塞杆上所受到的平均惯性力，可近似计算如下： 式中： 参与运动的零部件的总重量（包括被抓物件重量） g 重力加速度 速度变化量 启动过程的时间由设计得，=80kg则： 背压阻力 背压阻力为油缸低压油液所造成的阻力。一般被压阻力较小，可按计算。由于，故。 所以： 因为：，故该油缸的尺寸符合使用要求。5.1.3导向装置液压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。目前导向杆常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中采用双向导向杆来增加手臂的刚性和导向性。5.1.4 平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩油缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和油缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。5.2 手臂升降油缸的尺寸设计与校核5.2.1 尺寸设计油缸运行长度设计为=100mm,油缸运行速度为，加速度时间=0.1s, 油缸内径为=80mm,半径R=40mm,进油压力为，做升降运动的总重量为900N。5.2.2 尺寸校核驱动力为：由经验公式可得： 故： 作用在活塞上的推力P： 因为，所以伸缩油缸的尺寸符合要求。5.3 手臂回转油缸的尺寸设计与校核采用回转油缸实现手臂回转运动时，其受力情况可简化成如图5-2所示。5-2 手臂回转运动时的运动状态5.3.1 尺寸设计油缸内径为,半径R=50mm,轴径半径