車床上料機械手設計（桂理工）,車床上料機械手設計（桂理工）,車床,機械手,設計,理工
學 號： 3110644203
題目類型： 設計
(設計、論文、報告)
桂林理工大學
GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
本科畢業(yè)設計(論文)
題目： 車床上料機械手設計
學 院： 機械與控制工程學院
專業(yè)(方向)： 機械設計制造及其自動化（機械裝備）
班 級： 機械11級2班
學 生： 梁學念
指導教師： 孫金榮
2015年5月30日
桂林理工大學本科畢業(yè)設計·論文
目次
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 課題選題的背景和選題目的 1
1.1.1 選題背景 1
1.1.2 選題目的 1
1.2 機械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1
1.2.1 機械手的概述 1
1.2.2 國內(nèi)外機械手的發(fā)展趨勢 2
1.3機械手的組成與分類 4
1.3.1機械手的組成 4
1.3.2機械手分類 4
1.4本課題的研究內(nèi)容和要求 5
2 抓取機構(gòu)的設計 6
2.1 手部的設計及其計算 6
2.1.1 手部設計要求 6
2.1.2 拉緊裝置設計原理 6
2.2 腕部的設計及其計算 9
2.2.1腕部扭矩的計算 9
2.2.2 油缸（伸縮）以及配件估算扭矩 10
2.3手臂伸縮機構(gòu)的設計 11
2.3.1液壓缸活塞驅(qū)動力的計算 11
2.3.2液壓缸機構(gòu)尺寸的設計 12
2.3.3腔流量的計算 12
2.4 液壓元件的選擇 13
2.4.1液壓泵的選擇 13
2.4.2液壓缸的工作壓力及其流量的計算 13
2.4.3 確定電機的規(guī)格 14
3 液壓系統(tǒng)原理設計及草圖 16
3.1 手部抓取缸 16
3.1.1 手部抓取缸液壓原理圖 16
3.1.2 手部抓取缸液壓元件選擇 16
3.2 腕部擺動液壓回路 17
3.2.1 腕部擺動缸液壓原理圖 17
3.2.2 腕部擺動缸液壓元件選擇 17
3.3 小臂伸縮缸液壓回路 18
3.3.1 小臂伸縮缸液壓原理圖 18
3.3.2 小臂伸縮缸液壓元件選擇 18
3.4 液壓原理總體系統(tǒng) 19
3.4.1 總體系統(tǒng)圖 19
3.4.2機械手在液壓驅(qū)動下的工作過程 19
3.4.3 電磁鐵動作順序表 20
4 機身機座的結(jié)構(gòu)設計 21
4.1 電機的選擇 21
4.1.1 帶動臂部升降電機的選擇 21
4.1.2 帶動機身回轉(zhuǎn)電機的選擇 21
4.2 減速器的選擇 22
4.3 螺柱的設計與校核 22
5 機械手的定位平穩(wěn)性與控制 24
5.1 常用的定位方式 24
5.2 影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 24
5.3 機械手運動的緩沖裝置 25
5.4機械手的控制 25
6結(jié)論 26
致謝 27
參考文獻 28
摘要
本課題是為車床自動送料設計的上料機械手，在整體設計方案下對機械手各部分進行參數(shù)設計以及校核。通過應用AutoCAD 技術(shù)對機械手進行結(jié)構(gòu)設計和液壓傳動原理設計，它能實行自動上料運動；在安裝工件時，將工件送入卡盤中的夾緊運動等。上料機械手的運動速度是按著滿足生產(chǎn)率的要求來設定。
通過對課題的研究，首先對機械手的整體設計方案進行分析，確定機械手的驅(qū)動方式，所需要的動作要求。機械手采用的驅(qū)動方式是液壓驅(qū)動，且有四自由度。根據(jù)方案的內(nèi)容與要求來設計機械手的抓取機構(gòu)，通過計算機械手各部分的驅(qū)動力以及尺寸要求選取液壓泵，對液壓系統(tǒng)原理進行設計分析、繪圖。對機身機座進行結(jié)構(gòu)設計，選取合適的電機，對各部分進行計算和校核。
本文具體介紹了機械手的研究現(xiàn)狀以及國內(nèi)外的發(fā)展趨勢以及機械手的分類和組成，并且對機械手抓取機構(gòu)的尺寸進行具體設計和計算。通過對液壓系統(tǒng)原理的設計分析，選擇液壓元件同時繪制出草圖。同時對機械手的定位與平穩(wěn)性進行了簡單的介紹。
關(guān)鍵詞：機械手；AutoCAD；驅(qū)動方式
Lathe feeding manipulator design
Student:LIANG Xue nian Teacher:SUN Jin rong
Abstract:This topic is designed for automatic lathe feed feeding manipulator, under the overall design scheme of mechanical parts for parameters design and check. By applying the technology of AutoCAD design of manipulator structure and hydraulic principle design, it can implement automatic feeding movement; When installing a workpiece, the workpiece to chuck in the clamping movement and so on. Feeding manipulator movement speed is according to meet the requirements of productivity to set.
Based on the research of the subject, first of all to the overall design scheme of the manipulator were analyzed, and determine the driving mode of manipulator, the required action. Mechanical drive mode is used in hydraulic driving and four degrees of freedom. According to the requirements of the plan content and to design the scraping of the manipulator institutions, by calculating the manipulator driving force and the size of each part requires the selection of hydraulic pump, the hydraulic system principle to carry on the design analysis, drawing. Was carried out on the fuselage frame structure design, selection of suitable motor, to calculate and check the parts.
This paper introduces the research status of the manipulator and development trend both at home and abroad as well as classification and composition of the manipulator，and the size of the specific design of manipulator grasping mechanism and calculation. Through analyzing hydraulic system principle of design, choose hydraulic components sketch map at the same time. At the same time for positioning and stability of the manipulator has carried on the simple introduction.
Key words: manipulator；AutoCAD；Drive way
28
桂林理工大學本科畢業(yè)設計·論文
1 緒論
1.1 課題選題的背景和選題目的
1.1.1 選題背景
機械手是一種能夠模仿人類上肢運動，并且具有抓取和移動工件的自動化裝置，它在自動化生產(chǎn)過程中使用中占有著重要地位。機械手是在自動化、機械化生產(chǎn)過程中慢慢發(fā)展起來的新型自動化裝置。隨著電子技術(shù)的發(fā)展特別是電子計算機在社會中的廣泛應用，機器人的開發(fā)與生產(chǎn)已經(jīng)變成了高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一項新興的技術(shù)，它加快了機械手的發(fā)展，讓機械手能夠更好地實現(xiàn)自動化和機械化的結(jié)合。機械手能夠代替人類完成各種危險、重復而又枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)效率。在機械行業(yè)中它的用途也及其廣泛，比如零部件組裝，工件的運送、裝卸。它在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。機床設備和機械手共同組建成了一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元。在中、小批量的生產(chǎn)下，可以節(jié)省下龐大的工件輸送裝置與巨大的人力，而且其結(jié)構(gòu)緊湊，適應力強。在工件變換時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)能夠容易的做出變化，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應市場競爭的需要。目前，工廠車削時，主要還是由人工搬運，勞動強度大，生產(chǎn)效率低，直接影響到工廠自動化生產(chǎn)效率的提高，因此，不論是從經(jīng)濟上，還是技術(shù)上考慮，設計出一種能代替人力進行自動上料的車床上料機械手是十分必要的。
1.1.2 選題目的?
目前，在國內(nèi)很多工廠在進行物料車削時，上料仍然主要由人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,針對具體生產(chǎn)工藝，利用機器人技術(shù)，設計上料機械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設計能夠應用到加工工廠車間，滿足加工中心的加工過程安裝工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。
1.2 機械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.2.1 機械手的概述
機械手是一種模仿人類上肢運動并能夠自動操作的機械。在固定的程序下它能完成某些指定操作，比如搬運工件或者抓取物品。在人類需要完成各種單調(diào)、重復而又煩躁或繁重的體力勞動時可使用應用機械手代替，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化與自動化。當在有害的環(huán)境下進行的手工操作時就更需要用到機械手來代替人類進行操作，這樣不僅可以改善勞動條件，還能保證人身安全。因而在機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門中，機械手被廣泛使用。
??機械手的組成部分有手部和運動機構(gòu),手部是用于工件的抓取,根據(jù)所被抓取工件的形狀、大小、重量、材質(zhì)和作業(yè)要求要有多種結(jié)構(gòu)。運動機構(gòu)，使手部完成人類各種所需規(guī)定的動作，讓抓持工件的位置和姿勢發(fā)生改變。
??機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。
??機械手一般會用于機床或其他機器作為附加裝置，在自動機床或自動生產(chǎn)線上附加裝配上機械手可作為裝卸和傳遞工件的裝置，也可以用在加工中心中使其能夠自動更換刀具等。通常情況機械手不能作為獨立的控制裝置。有些操作裝置需要人為操縱而不是自動進行操作，比如用于操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手，此機械手常用在原子能部門。
1.2.2 國內(nèi)外機械手的發(fā)展趨勢
當下機械手在工業(yè)中的應用逐步擴大，技術(shù)性能也在不斷的提高，但是機械手在技術(shù)上還有一個逐步完善的過程，其發(fā)展趨勢有以下幾點。
1）重復高精度
機械手能夠達到指定點的精準程度稱為精度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復精度是指如果動作重復進行多次，機械手到達同樣位置的精度程度。重復精度比精度更加重要，當機械手定位不夠精確時，會顯示出一個固定的誤差，而這個誤差是可以預測的，所以可以通過編程進行校正。重復精度的限定是一個隨機誤差的范圍，通過一定次數(shù)地重復運行機械手測定出其重復精度。近年來,隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代自動化技術(shù)越來越快的發(fā)展，機械手的重復精度變得越來越高，其應用于社會的各個生產(chǎn)生活方面，比如應用核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
2）模塊化
目前,有的公司把帶有系列導向驅(qū)動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術(shù)。而用模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機械手有著更具靈活的安裝體系，它集成電接口和帶電纜及油管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手動作自如。模塊化機械手是同一個機械手應用不同的模塊時會具有不同的功能，使機械手的應用范圍變得更加廣闊，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。
3）節(jié)能化
為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不加潤滑脂的元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的霧潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。
4）機電一體化
由“可編程控制器—傳感器—液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”；節(jié)省配線的復合集成系統(tǒng)，能夠減少配線、配管和元件，同時便于拆裝，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。
5）逐步擴大機械手在熱加工行業(yè)上的應用
就目前國內(nèi)機械手行業(yè)來說，機械手更多的應用在機械工業(yè)冷加工作業(yè)中，而在熱加工以及裝配作業(yè)等方面的應用則相對較少。因為熱加工作業(yè)的對象情況較為復雜,比如物件較重、形狀復雜、環(huán)境溫度高等，這對于機械手的設計與制造要求會更高，這需要解決技術(shù)上的難點，機械手才能夠更好的服務于熱加工作業(yè)。
6）提高機械手的工作性能
機械手能否正常地應用于生產(chǎn)工作中取決于機械手工作性能的優(yōu)劣。機械手能否保質(zhì)保量地完成各種操作任務必須考慮到機械手工作性能中的重復定位精度和工作速度這兩個指標。重復定位精度和工作速度是機械手工作性能的兩個重要因素。因此，為了滿足機械手的工作平穩(wěn)性和快速性的要求，除了需要解決緩沖定位措施人手外，還要發(fā)展?jié)M足機械手性能要求且價格便宜的電液伺服閥，將伺服控制系統(tǒng)應用于機械手。
7）發(fā)展組合式機械手
從機械手本身的設計特點來說，可改編程序的機械手更適應產(chǎn)品設計、設備更新、多品種小批量的生產(chǎn)要求，但是它的成本較高，專用機械手價格便宜，但適用范圍受到限制。因此，對一些特殊用途的場合，就需要專門設計加工，這就提高了產(chǎn)品的成本。為了適應不同領(lǐng)域的要求，可將機械手的結(jié)構(gòu)設計成組合型式。這種機械手兼顧了設計上的通用性和使用上的專用性，便于標準化、系列化設計生產(chǎn)，有利于提高機械手的質(zhì)量同時有降低了成本，是一種很有發(fā)展前景的機械手。目前，國外已將研制力度投入到了擁有特殊能力的智能機械手，比如具有一定的傳感能力，能根據(jù)外界條件的變化進行相應的改變。比如位置發(fā)生變化時，能及時自行進行檢測與更正，重點研究對象是視覺功能和觸覺功能，而且當前已經(jīng)取得一定的成績。在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀以及微型計算機時，機械手會具有視覺功能。在機械手工進行作時，電視照相機能夠把物體的大小、形狀轉(zhuǎn)變成視頻信號，再把信號傳送給計算機，然后計算機對物品的形態(tài)進行分析，最后發(fā)出指令控制機械手進行工作。在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置讓機械手具有觸覺功能。現(xiàn)在國際的高端工業(yè)機械手有向高精化、高速化、多軸化、輕量化發(fā)展的趨勢。定位精度越來越高,足以滿足微米、亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，新產(chǎn)品達到6軸，負載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)的總重量突破100KG。
1.3機械手的組成與分類
1.3.1機械手的組成
機械手的主要組成部分有：執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。
1）執(zhí)行機構(gòu)主要組成部分有手部、手腕、手臂和立柱等部件，個別情況下有的會增加行走機構(gòu)。
手部：是機械手和物品直接接觸的部件。根據(jù)手部和物品接觸方式劃分，可分為夾持式和吸附式手部。由于本課題的工件是圓柱狀棒料，所以采用夾持式。通過手指和傳力機構(gòu)的組成，手指與工件接觸而傳力機構(gòu)則通過手指夾緊力來完成夾放工件的任務。
手腕：是聯(lián)接手部和手臂的部件，通過手腕動作改變抓取工件的方位。
手臂：支承手腕和手部的部件，起調(diào)整或改變工件空間方位的作用。
立柱：是支承手臂的部件。手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱通常為固定不動的。
機座：是機械手的基礎部分。機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支承和聯(lián)接的作用。
2）驅(qū)動系統(tǒng)：機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行運動的傳動裝置。其驅(qū)動方式有四種，分別為：液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。
3）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)作為機械手的指揮系統(tǒng)是機械手最為重要的組成部分 ，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構(gòu)按照設定的程序進行規(guī)定的工作，并檢測其正確與否。
1.3.2機械手分類
根據(jù)所承擔的作業(yè)的特點，工業(yè)機械手可以分成以下所說的三種：
1）承擔搬運工作的機械手：這類機械手是用來完成輔助作業(yè)的，工藝設備運行中需要完成的如裝卸毛坯、工件等工作時可采用搬運工作機械手。生產(chǎn)工業(yè)用機械手：用于完成工藝過程中的主要作業(yè)。在進行裝配、焊接、涂漆、彎曲、切斷等工業(yè)作業(yè)時，一般都會用到這一類機械手。通用工業(yè)機械手：通?？梢酝瓿筛鞣N工藝作業(yè)它的用途十分廣泛。
2）按功能分類
專用機械手：它是附屬于主機的具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。一般專用機械手的自由度較少所以動作少，因為其工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、實用可靠而且造價低，所以適用于大批大量的自動化生產(chǎn)，如自動機床，自動線的上、下料機械手和“加工中心”附屬的自動換刀機械手。
通用機械手：又稱工業(yè)機器人。它具有獨立控制系統(tǒng)的機械裝置，結(jié)構(gòu)比較復雜，但是它具有程序可變、工作范圍大、定位精度高、通用性強等優(yōu)點，適用于不斷變換品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。
示教再現(xiàn)機械手：采用示教法編程的通用機械手。示教是指由人通過手動控制，操控著機械手做一遍操作示范，在完成全部動作后，它的儲存裝置能夠記憶下來。之后機械手可按示范操作的程序行程進行重復的之前的操作示范工作。
3）按驅(qū)動方式分：液壓傳動機械手；氣壓傳動機械手；機械傳動機械手
4）按控制方式分
固定程序機械手：何為“固定”，指的是控制系統(tǒng)是一個固定程序的控制器。它的程序簡單，程序數(shù)少，而且是固定的，行程可以調(diào)節(jié)，但是不能任意點定位。
可編程序機械手：控制系統(tǒng)是一個可變程序控制器。它的程序可按照需要來進行編排，行程能很方便改變。
1.4本課題的研究內(nèi)容和要求
研究數(shù)據(jù)及資料：
原始數(shù)據(jù)：四個自由度、臂轉(zhuǎn)動180o、臂上下運動500mm、臂伸長（收縮）500mm、手部轉(zhuǎn)動±180o。
技術(shù)要求：
主要參數(shù)的確定：
1）坐標形式：直角坐標系
2）臂的運動行程：伸縮運動500mm 回轉(zhuǎn)運動180o。
3）運動速度：使生產(chǎn)率滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)的要求即可。
4）控制方式：起止設定位置。
5）定位精度：±0.5mm 。
6）手指握力：392N g、驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動。
工件形式及分析動作要求：
工件形式：
工件為重量10kg，長度小于800mm的小型回轉(zhuǎn)體棒料。
動作要求分析：
動作一：送料；動作二：預夾緊；動作三：手臂上升；動作四：手臂旋轉(zhuǎn)；動作五：小臂伸長；動作六：手腕旋轉(zhuǎn)。
2 抓取機構(gòu)的設計
2.1 手部的設計及其計算
2.1.1 手部設計要求
1）具有適當夾緊力
在手部工作的時候，需要具有適當?shù)膴A緊力，保證夾持時能夠穩(wěn)定可靠，變形要小，而且不會損壞工件已經(jīng)加工表面。在對于剛性差的工件夾緊力的大小要設計得可以調(diào)節(jié)，在對于笨重的工件要考慮用自鎖安全裝置。
2）具有足夠的開閉范圍
對于夾持類手部的手指都需要有張開以及閉合的裝置。在工作的時候，一個手指開閉的位置以最大的變化量稱之為開閉范圍。
對回轉(zhuǎn)類型手部手指的開閉范圍，可以用開閉角以及手指加緊端的長度來表示。手指的開閉范圍要求和許多的因素有關(guān)系，比如工件的尺寸和長度，手指的尺寸和長度。一般情況，如果工作環(huán)境滿足，開閉的范圍大一點比較好。
3）設計要求結(jié)構(gòu)簡單，體積要小，重量輕
由于手部位于手腕的最前端，工作的時候運動形態(tài)多變，它的結(jié)構(gòu)，體積以及重量會影響整個機械手結(jié)構(gòu)、抓重、定位精度、運動速度等性能。所以，設計手部的時候，要求結(jié)構(gòu)簡單，體積要小，重量輕。
4）手指需具有一定強度和剛度
5）其他要求
上料機械手、夾緊機械手，需根據(jù)工件形狀，采用最為經(jīng)常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式則用常閉式彈簧夾緊，在松開的時候，采用單作用式液壓缸。這種結(jié)構(gòu)比較簡單，制造方便。
2.1.2 拉緊裝置設計原理
1）拉緊油缸尺寸設計
圖2.1油缸示意圖
如圖2.1所示：在油缸的右腔停止進油的時候，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進油的時候松開工件。
圖2.1中：
R為傳動銷到定位銷的長度；
Θ為連桿中心線與夾緊力作用線之垂線夾角；
L為連桿長度；
2）液壓缸內(nèi)徑D的計算
初步確定：L=150mm、R=50mm、θ=30°，手指對工件夾緊力F由（2-1）計算可得
F=N×2LcosθR2 （2-1）
由于設計要求預緊力N=G=392N,所以：
F=F計算=N×2LcosθR=392×2×150×(32)250=1756N
由于實際采用的液壓缸驅(qū)動力F計算>F實際，而且
F實際=ηK1K2F計算 （2-2）
上式中K1為安全系數(shù)，一般情況下取1.2~2.0；K2為工作情況系數(shù)主要考慮慣性力影響，一般情況取1.1~2.5；
η為手爪機械傳動效率，一般情況取0.85~0.9.
所以有：
F實際=1.2×1.60.85×1765≈3425N
則可確定液壓缸的直徑D
F實際=π（D2-d2）4 （2-3）
假設夾緊缸直徑為D，活塞直徑?。篸=0.5D,壓力油工作壓力為P=2.5×10MPa，則有：
D=4F實際πP(1-0.52)=4×34353.14×2.5×106×0.75=0.048mm
根據(jù)GB/T2348-93液壓缸的內(nèi)徑尺寸系列確定：D=50mm，活塞桿直徑?。?
d=0.5D=25mm，行程為25mm；
由上述條件取液壓缸活塞桿直徑d=25mm，且活塞桿的長度比較短，則不用校核其強度。
缸壁厚度δ的計算
對低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度要按薄壁筒來計算
δ≥PPD2σ (2-4)
(2-4)式中δ為液壓缸缸筒的厚度（mm）；PP為實驗壓力（MPa），當工作壓力P≤16MPa時，PP=1.5P,當工作壓力P≥16MPa時，PP=1.25P,這次設計的液壓系統(tǒng)的壓力為2.5MPa，所以PP=1.5×2.5=3.75 MPa；
σ為缸體材料許用應力（MPa）；
σb為缸體的材料抗拉強度（MPa）；
對鍛鋼σ=100~120 MPa，鑄鋼σ=100~110 MPa，鋼管σ=100~110 MPa，鑄鐵σ=60 MPa，σ采用鑄鐵材料，σ=60 MPa。
因為σ=σbn，n為安全系數(shù)，n=3.5~5，一般情況下取n=5，所以有：
δ=3.75×50/2×60=1.56mm
因為結(jié)構(gòu)設計的需要，取δ=10mm。
液壓缸外徑D0及其長度L的確定
D0=D+2δ=50+2×10=70mm
因為L≤（20~30）D0，所以滿足結(jié)構(gòu)需要取L=60mm。
確定液壓缸活塞的行程S
按照GB/T2349-1980標準系列來確定液壓缸活塞的行程為40mm。
（2）運動范圍及速度
伸縮運動：Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
回轉(zhuǎn)運動：Wmax=90°/s
Wmin=30°/s
上升運動：Vmax=500mm/s
Vmin=40mm/s
下降運動：Vmax=800mm/s
Vmin=80mm/s
則取手部驅(qū)動活塞的速度為V=60mm/s。
（3）手部右腔流量
Q=SV=60πR2=60×3.14×252=117.5mm3/s （2-5）
(4)手部的工作壓強
p=F實際S=3424.133.14×502=1.78 MPa （2-6）
2.2 腕部的設計及其計算
根據(jù)設計要求：角速度為W=45°/s，回轉(zhuǎn)范圍為±90°。用最大負荷計算：在工件處在水平位置時，回轉(zhuǎn)缸工件扭矩最大，用估算法，工件重量為10kg，長度為650mm，如下圖2-3所示。
2.2.1腕部扭矩的計算
圖2-2 腕部的受力簡圖
設工件受力集中在距離手指中心200mm處，則扭矩M1為：
M1=FS=10×9.8×0.2=19.6N?M （2-7）
2.2.2 油缸（伸縮）以及配件估算扭矩
F=5kg，s=100mm
將其帶入2-7式中得： M2=FS=5×9.8×0.1=4.9 N?M
（1）回轉(zhuǎn)缸的摩擦力矩M摩
F摩=30N（估計值）
S=20mm
M摩=F摩S=30×0.2=6 N?M
（2）回轉(zhuǎn)缸的總摩擦力
M=M1+M2+M摩=30.5 N?M （2-8）
2.2.3腕部回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸計算
（1）液壓缸內(nèi)徑的計算
由于回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩M和回轉(zhuǎn)缸的壓力P關(guān)系為：
M=Pb（R2-r2）/2 （2-9）
2-9中：M為回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩；
P為回轉(zhuǎn)缸的工作壓力；
R為缸體內(nèi)壁的半徑；
r為輸出軸半徑；
b為動片寬度；
力矩M和壓力P的關(guān)系式是對應和壓力腔的背壓為零時的情況而言的，若是低腔有一定的背壓，則P為工作壓力和M的關(guān)系推導可得缸體的內(nèi)壁半徑為：
R=2MPb+r2=2×305002.5×25+152=34.8mm
軸的半徑r是由結(jié)構(gòu)設計確定為15mm，查表按照標準系列圓整，取R=50mm，則回轉(zhuǎn)液壓缸的內(nèi)徑為100mm，所以即可確定回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程。
由方案設計得知，腕部的回轉(zhuǎn)行程為0~180°。
（2）液壓缸壁厚δ計算
對于低壓系統(tǒng)情況，液壓缸缸筒厚度一般則按照薄壁筒來計算：
δ≥PPD/2σ (2-10)
2-10中：δ為液壓缸缸筒的厚度（mm）； PP為試驗壓力(MPa),工作壓力P≤16MPa時，Pa=1.5P；工作壓力P≥16MPa時，PP=1.25P，因為這次設計的液壓系統(tǒng)的壓力為2.5MPa，所以PP=1.5×2.5=3.75MPa；
D為液壓缸的內(nèi)徑（mm）；σ為缸體材料的許用應力（MPa）；
又因為有：
σ=σb/n （2-11）
其中n為安全系數(shù)，n一般為3.5~5，一般取n=5。
對于鍛鋼來說σ=100~120 MPa；而鑄鋼σ=100~110 MPa;鋼管σ=100~110 MPa，鑄鐵σ=60 MPa。本設計選擇鑄鐵材料σ=60 MPa。
將所算得數(shù)據(jù)代入公式2-10可得：δ≥3.75×100/2×60，計算得δ≥3.125；
滿足結(jié)構(gòu)設計需要取δ=17.5mm。
液壓缸的外徑D0和寬度b的計算：D0=D+2δ=100+2×17.5=135mm；
b≤（20~30）D0，滿足結(jié)構(gòu)需要取b=30mm。
(3)腕部回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程確定
方案設計腕部回轉(zhuǎn)行程0~180°，現(xiàn)確定b為葉片厚度取b=30mm，?AL為擺動缸內(nèi)徑，取?AL=100mm，?mm為轉(zhuǎn)軸直徑，取?mm=30mm，P為回轉(zhuǎn)缸工作壓力。
由于驅(qū)動力矩M和壓力P關(guān)系式為對應和壓力腔為零的時候的情況而言，當?shù)蛪呵挥幸欢ū硥簳r，P為工作壓力和背壓的差值。
由公式：
M=P×b?AL2-?mm2×1068 （2-12）
所以工作壓力： P=8Mb*?AL2-?mm2×106=0.89 MPa
又因為：
W=8Q?AL2-?mm2b （2-13）
所以
Q=W?AL2-?mm2b8=27ml/s
上式中Q為流量，W為回轉(zhuǎn)缸的角速度。
2.3手臂伸縮機構(gòu)的設計
2.3.1液壓缸活塞驅(qū)動力的計算
1）活塞驅(qū)動力計算
方案設計為手臂伸縮速度200m/s，行程l=500mm。
F=F慣+F摩 （2-14）
上式中F慣為啟動或者制動時活塞桿受到的平均慣性力。F摩為手臂運動時的摩擦力。
摩擦力的計算
F摩 =μmg （2-15）
上式2-14中μ為摩擦系數(shù)（鋼對鑄鐵：取μ=0.18~0.3，現(xiàn)取μ=0.3）.m為手臂伸縮部件的總質(zhì)量，包括工件質(zhì)量，m=10+20=30kg。所以
F摩 =0.3×30×9.8=88.2N
2）起動或者制動時活塞桿受到的平衡慣性力計算
F慣=W?Vg?t （2-16）
2-15式中W為手臂伸縮部件的總重力，?V為由從靜止加速至常速的變化量（m/s），現(xiàn)取?V=750×10-3m/s，?t為起動過程的時間（s），一般情況取0.01~0.5s，對于輕載低速運動的部件取較小值，對于重載高速的遠動部件則取較大值，現(xiàn)取?t=0.4
所以：
F慣=30×10×750×10-310×0.4=56.25
所以總的驅(qū)動力為F= F摩+ F慣=145N
2.3.2液壓缸機構(gòu)尺寸的設計
由驅(qū)動力計算液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸
D=4FπPη+d2 （2-17）
2-16中 D為液壓缸的直徑，其中d=0.5D，η為載荷率，取η為0.7~0.85，P為液壓缸的工作壓力，取P=2.5MPa，F(xiàn)為液壓缸的驅(qū)動力。所以：
D=16F3πPη =11.5mm
根據(jù)GB/T2348-93，液壓缸活塞桿的外徑尺寸系列確定d=20mm，行程500mm。
2.3.3腔流量的計算
由公式（2-5）可得：
Q=πD24v=1000ml/s
上式中Q為流量，V為活塞桿的速度，取V=200mm/s。
手臂右腔工作壓力的計算
由公式2-6可得：
P=FS
上式中F為系統(tǒng)總的驅(qū)動力。
則帶入公式（2-12）可得：
P=FS=FπD2=0.26MPa
2.4 液壓元件的選擇
如表2-1為機械手各機構(gòu)的工作參數(shù)表
表2-1機械手各機構(gòu)的工作參數(shù)表
機構(gòu)名稱
工作速度
工作壓力
工作行程
流量
手部抓緊
60mm/s
1.78MPa
25mm
117.8m/s
腕部回轉(zhuǎn)
45°
0.89MPa
±90°
17m/s
手臂伸縮
200mm
500mm
500m
1000m/s
2.4.1液壓泵的選擇
實驗所需的液壓最高的壓力為：P=1.78PMa。
所需的液壓最大的流量為：Q=1000ml/s。
則選擇CB-D型液壓泵，該泵的工作壓力為10MPa，工作流量Q為32~70ml/s，轉(zhuǎn)速為1800r/min，所以該泵可以滿足需要。
2.4.2液壓缸的工作壓力及其流量的計算
查文獻有：
M,=Pb?Al2-?mm2ηm*106/8 （2-18）
W,=8θηv（?Al2-?mm2）b （2-19）
上式中ηm為機械效率，一般為0.85~0.9，取ηm=0.85；ηv為容積效率，一般為0.7~0.95，取ηv=0.9.
代入公式2-18可得：
M,=25.8 N?M
M,
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