液压传动机械手的设计.doc

学 位 论 文 诚 信 声 明 书本人郑重声明：所呈交的学位论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究（设计）工作及取得的研究（设计）成果。除了文中加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究（设计）成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究（设计）所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。申请学位论文（设计）与资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。学位论文（设计）作者签名： 日期： 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：在校期间所做论文（设计）工作的知识产权属西安XX大学所有。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公布本学位论文（设计）的全部或部分内容并将有关内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适用本声明。学位论文（设计）作者签名： 指导教师签名： 年 月 日论文题目：液压传动机械手的设计专 业：机械设计制造及其自动化专业本 科 生： （签名）_指导教师： （签名）_摘 要随着工业的发展，生产技术越来越发达，工业自动化要求越来越高，工业机器人在工业生产中的作用越来越重要，本次设计主要是针对工业中用于搬运的液压传动机械手的机械部分和液压部分的设计。本次设计在论述液压机械手的发展及国内外发展概况、机械手的应用的基础上，对机械手的整体结构类型进行分析及选择，并给出了机械手工作时的性能参数。同时介绍该液压传动的搬运机械手的设计理论及思路，进行方案设计。详尽论述了液压传动机械手的手部、手腕、手臂以及机身的主要零部件的结构选择和设计计算，并设计出各部件的结构，画出装配图。关键词：机械手；液压缸；液压传动；Subject: The design of the hydraulically powered Manipulator used for handingAbstractWith the development of industry, the production technology is becoming more and more developed and the demand for industrial automation is getting higher and higher. In industrial production, the function of industrial manipulator plays a more and more important role. In this subject, the job is mainly aim at the design and calculation for the mechanical parts and the hydraulic system of the hydraulically powered manipulator used for handing in industry.The subject mainly introduces the development and the application of the hydraulically powered manipulator at home and abroad, the composition and classification of the manipulator. Through the analysis, the overall construction is chosen and the performance parameter of manipulator is given.At the same time, the paper introduces the design theories and ideas of the hydraulically powered manipulator used for handing in industry. The paper give a detailed description of the calculation of structure selection and design of main parts of the hydraulically powered manipulator used for handing of the hand, the wrist, the arm and the base, draw the various parts of the structure, and make the assembly drawing.Keywords: manipulator; hydraulic cylinder; hydraulic transmission;目 录1绪论11.1前言11.2工业机械手在国内外发展现状11.3工业机械手在工业中的应用21.4工业机械手的发展前景及应用趋势21.5工业机械手设计目的及意义21.6本文主要研究内容21.7本章小结32机械手的总体方案设计42.1机械手的组成42.1.1执行机构42.1.2驱动机构42.2机械手基本形式的选择42.3机械手的系统工作原理52.4机械手的主要部件及运动52.5驱动机构的选择62.6机械手部分参数62.7本章小计73机械手手部结构的设计计算83.1手部设计的基本要求1183.2手部结构的基本类型83.3机械手抓的设计计算83.3.1手抓的类型及夹紧装置的选择83.3.2手抓的力学分析93.3.3手部夹紧力及驱动力的计算103.3.4液压缸的设计计算113.3.5活塞和活塞链接螺钉的设计计算123.4本章小结134机械手手腕的设计计算144.1手腕设计的基本要求144.2手腕的结构以及选择144.2.1手腕结构的典型类型144.2.2 手腕结构的选择144.3手腕结构的设计计算154.3.1手腕的力学分析154.3.3手腕摆动液压缸的尺寸设计及校核164.3.4摆动液压缸盖螺钉的选取174.3.5动片和输出轴间的连接螺钉184.4本章小结185机械手手臂部的设计计算195.1手臂设计的基本要求195.2手臂结构类型及选择195.3手臂结构的设计计算195.3.1手臂的力学分析195.3.2手臂伸缩液压缸的尺寸设计及校核215.3.3手臂伸缩液压缸盖螺钉的选取215.4本章小结226机械手机身的设计计算236.1机身设计的基本要求236.2机身的整体设计236.3手臂摆动液压缸的设计246.3.1手臂摆动液压缸的力学分析246.3.2手臂摆动液压缸的尺寸设计及校核266.3.3手臂摆动液压缸盖螺钉的选取276.3.4动片和输出轴间的连接螺钉286.4手臂升降液压缸的设计296.4.1工件、手部、手腕和手臂偏重力的计算306.4.2机身升降液压缸的力学分析306.4.3机身升降液压缸偏心重力矩的计算306.4.4手臂做升降运动不自锁条件316.4.5手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算316.4.6机身升降液压缸尺寸设计及计算326.4.7升降液压缸盖螺钉的选取336.5本章小结347机械手液压系统的设计357.1液压系统的简介14357.2液压系统原理358总结39致 谢40参考文献411绪论1.1前言用于再现人手功能的技术装置称为机械手1。现在工业机械手应用到很多制造行业，工业机器人的发展为工业发展带来很多积极的影响日益为人们熟知和认识：第一，能够替代人工作，并且能够适合在各种复杂的环境下进行工作，尤其在温度高压力大、温温度低压力小，粉尘多、噪音大以及带有放射性物质和有毒性污染等人难以忍受的恶劣场合工作，能够进行有规律的生产，使工人的工作条件得到改善，使生产率得到提高，为生产带来高的经济效益，并且便于控制，在实现人手无法完成的工作中成为了必不可少的机械设备，；第二，能够提高生产自动化水平，采用自动控制，由于工况比较稳定，从而减少很多事故和不稳定情况而停止机械运转，提高机械生产设备使用安全，而且即使发生了事故，控制单元能够对事故进行快速分析，找出原因，解决问题，减少检修的时间；第三，工业机械手通过编程实现机械手执行各种动作，因此它能根据生产要求，按照已经编译的程序完成各种工序；第四，机械手是一种自动控制的机械设备，是可以重新编程以改变运动形式的机器，可在不同环境中搬运物体。1.2工业机械手在国内外发展现状工业机械手最早在美国得到应用，时间大约是在上世纪40年代，它的控制系统是主从型的。联邦德国最初将机械手引用于机器生产中的时间是1970年。然而日本在1969年从美国引进机械手后，就进行工业机械手的研究，不断改造创新。目前日本已经成为世界上工业机械手应用最多、发展最快的国家2。英国工业机器人的应用发展相对而言比较落后, 但政府已经采取了一些振兴措施3。目前，国外工业发达的国家都拥有了专门生产机器人的公司或厂家, 而且有专门的机器人研究机构从事研究活动, 其研制发展快, 技术水平高4。我国工业机器手的起步是从80年代开始的，在国家大力帮助下，我国已经基本掌握了机器人制造的相关技术，现在已经能够产生出许多构成机器人的重要零件。但总的来说，我国工业机器人设计制造技术以及应用水平比较低5。据1975年5月进行的不完全统计, 目前, 全国机械行业拥有的各种类型机械手约一千多台。其中专用机械手占绝大多数, 约占总台数94%, 通用机械手（简易型机器人) 约60台左右, 应用较少6。1.3工业机械手在工业中的应用工业机械手完成很多任务，例如搬运物料、装配机械、切割物料、焊接喷然等，引用范围十分广泛。工业机械手在代替人工作时，能够完成批量大、质量要求高的这类工作，使生产自动化水平和生产率水平得到提高。能够在有害环境代替工人操作，实现人性化的生产。据资料介绍，在美国生产的所有工业零件中，小批量生产占75%；批量小于50件的金属零件的生产占；零件真正在机床上加工的时间仅占生产总时间的5%左右。从这些数据可知，急切实现装卸搬运工序的自动化，因而就产生了工业机械手7。1.4工业机械手的发展前景及应用趋势自20世纪60年代初期问世，工业机械手经过近50年发展，已经在制造行业自动化生产中占十分重要的地位。首先，伴随着科学技术的快速进步,增强了机械手的重复精度。其次，机械手可以具有模块化机械结构。经拼装后，机械手能够根据实际工作需要启动所需要的模块，实现对应功能，因此增大其使用范围。再次，随着低碳理念的发展，工业机械手的发展也将以低能耗、绿色无污染为基础条件。在这种系统中，传统型的“开关控制”将会转变成“反馈控制”，从而使系统的精度进一步提升8。1.5工业机械手设计目的及意义 机械制造过程中，加工装配等生产很多时候是间断的。液压传动机械手具有人和机器的优点，并拥有智能，便于控制，并且能够在各种复杂的环境下工作，代替工人做环境差或危险的工作。将机械手正式引进到生产线上，利用自动控制，工作状态较稳定，能够减少工作失常和事故停车的次数，提高设备的利用率。由于采用自动反馈控制，在发生事故时控制单元能够快速找到事故发生的原因，采取办法排除故障，减少检修的时间，增加产量，提高效率。1.6本文主要研究内容本文主要研究了工业机械手在国内和国外的发展情况，学习了解工业机械手的基本原理，并对工业机械手进行运功分析，在此基础上确定机械手的基本结构形式，确定机械手的性能参数。完成机械手机械方面的设计，包括手指、臂部、手腕、机身各部分的结构的设计计算和校核计算；同时设计出液压传动系统，做出液压传动原理图。绘制出机械手结构装配图和零件图。1.7本章小结本章主要介绍了机械手基本情况。包括在国内外的发展简史，机械手在工业生产中的应用情况，对机械手的发展趋势做出了描述。2机械手的总体方案设计2.1机械手的组成工业机械手主要由驱动系统、执行机构和控制系统三部分结构组成9。2.1.1执行机构执行机构由手部结构、手腕结构、手臂结构和机身四部分结构组成。手部结构又称末端执行器，直接与工件接触，常见的末端执行器有夹持式、电磁式等。夹持式手部结构由传力机构和手指构成。常用的手指有摆动型运动形式和平移型运动形式两种结构。摆动型手指具有简单结构特点，故应用范围较大。平移型手指由于结构比复杂，应用范围较小，但适合夹持直径变化较大的工件。传力机构是通过手指夹持物件时产生的夹紧力实现夹放物件任务的机构。传力机构形式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。手腕结构是连接手部机构和手臂机构的部件，用来确定手部结构在空间的姿态，又称为姿态机构，具有一个摆动自由度。该手腕可采用摆动液压缸结构。手臂结构是机械手的重要执行部件，支撑被加持工件、手部结构、手腕结构，并带动这些结构在空间运动，按照要求将被夹持物料搬运至指定的位置。机身是支承手臂的部件，通过机身结构的摆动液压缸和升降液压缸实现手臂的摆动运动和升降(或俯仰运动)。2.1.2驱动机构 工业机械手的驱动装置有气动式电气式、复合式、液压式和机械式等。工业机械手的驱动机构驱动执行机构运动，完成各种预定的任务。2.2机械手基本形式的选择工业机器人按运动的坐标形式进行分类，有以下四种：直角坐标型，具有三个可移动关节，能使机械手产生三个相对独立的位移，其优点是容易求解轨迹、易于控制、高的定位精度等，而缺点是所需空间较大，工作范围较小，只适合在较低运动速度下工作；圆柱坐标型，具有一个转动关节和两个移动关节，其优点所需较小，工作范围较大，能够使手部拥有的速度较高，缺点是手部外伸离中心轴线越远，其切线位移分辨率精度就越低，通常用于搬运机器手；球坐标型，具有两个转动关节和一个移动关节，其优点是结构紧凑，所占空间尺寸小，但目前应用较少；关节型，有三个移动关节，又有垂直关节和水平关节两种布置形式，其优点是结构简单，所占空间体积小，工作空间大，而水平关节机械手在水平面上具有较大的柔性，在沿垂直面上具有很大的刚性，对装配有利，是目前应用最多的一种结构形式10。综合考虑，本次设计选择圆柱坐标型机械手。2.3机械手的系统工作原理搬运机械手需要将物料从初始位置搬运到另一位置，按照工作要求，两位置与工业机械手的机体的连线的夹角是。为完成工作要求，机械手应实现的运动循环：（货放在平台上）手臂伸长到位手爪夹紧手腕摆动手臂上升手臂缩回手臂转（手臂绕z轴旋转）手臂下降手臂伸长（Y轴 方向）移动到货位手腕反转手爪张开（货放到位）手臂缩回手臂反转返回原状态（等待新的指令或连续送下一货位的货）。2.4机械手的主要部件及运动选定机械手结构的基本方案后，根据机械手设计要求和任务，本此设计的机械手应实现5个动作：手抓张合；手部摆动；手臂伸缩、摆动、升降。机械手的结构如图2.1所示：图2.1 机械手的结构1-手臂伸缩液压缸筒；2-手腕摆动液压缸；3-手指夹持液压缸；4-手指；5-手臂摆动液压缸；6-手臂伸缩液压缸筒。该机械手由4部分和5个液压缸组成：(1)手部由双作用的伸缩液压缸组成，通过液压缸活塞的伸缩运动控制手抓的张开和闭合。(2)手腕由摆动液压缸组成，控制手部转动。(3)手臂由双作用伸缩液压缸组成，控制手臂伸缩。(4)机身由单作用的伸缩液和压缸摆动液压缸组成，控制手臂升降和转动。2.5驱动机构的选择驱动机构为工业机械手运动提供动力。工业机械手驱动机构可分为气动驱动、液压驱动、电动驱动和机械驱动四类。本次设计机械手的驱动方式选择液压驱动，其优点是结构简单，体积小，重量轻，能够提供较大驱动力，容易控制。2.6机械手部分参数抓取重量；被搬运杆件最小半径 ，最大半径；杆件高 ；手腕摆动角度，摆动角速度，加速摆动时间；手臂伸缩行程，升降行程 ，上升最大速度 ，手臂摆动角度，摆动角速度，加速时间；机械手最大工作半径1185mm，最大工作高度960mm。2.7本章小计本章对本次设计的工业运输机械手的总体部分进行了设计；确定了设计方案和液压驱动形式；设计出机械手的结构形式；介绍了机械手的工作原理、主要部件及其运动；给出了机械手的部分技术参数，为进一步设计做出准备。3机械手手部结构的设计计算3.1手部设计的基本要求11(1)机械手搬运物料是应具有足够大的驱动力和夹紧力，并且在确定的夹紧力下，传动机构不同，需要的驱动力的大小也不同。(2)手指抓取物料时应具有合适的张开闭合角，从而能够抓取工件。(3)工业搬运机械手要求有较高效率，简单结构，并保证由足够的力学性能，以便能够减轻手臂的载荷。3.2手部结构的基本类型机械手的手部结构有夹持式、电磁式等。夹持式手部结构由传力机和手指组成。常用的手指有摆动型和平移型。传力机构通过手指夹持物件时产生的夹紧力实现夹放物件的任务。其结构如图3.1所示：图3.1工业机械手部结构1-手指夹持液压缸；2-手指。综合分析，该机械手的手指选择夹持式结构，传力结构 选择滑槽杠杆式，其结构如上图所示。当液压油从左油口进入液压缸时，活塞杆向左移动，手指闭合夹持工件，液压油从右油口进入液压缸时，活塞杆向右移动，手指张开放置工件。3.3机械手抓的设计计算3.3.1手抓的类型及夹紧装置的选择本次设计的搬运机械手搬运的物料是杆件，杆件重量，杆件最小半径，杆件最小半径，杆件高，手抓张合角。驱动力作用在手指的运动方向上,结构复杂且体积庞大。综合考虑，手部选择夹持式结构，手指运动形式选择摆动型，传力机构选择滑槽杠杆式。3.3.2手抓的力学分析根据抓取杆件最小半径，可设手指转动轴心到对称中心的距离，设手指张开角度为，则手指转动轴心沿手指方向到夹持50mm的杆件的圆心的距离是，取。手指结构如图3.2所示：图3.2机械手手指结构1-活塞拉杆；2-手指支撑板；3-手指；4-夹持物。在手部活塞拉杆1作用下，轴销受到活塞杆的拉力（即活塞驱动力）,作用线通过轴销中心，同时两手指滑槽对轴销的作用力为和，其方向如图3.2所示通过轴销的中心点并与轴销和滑槽的公法线垂直，手指作用在被夹持杆件的作用力为。根据轴销受力平衡条件，得出：由可知由可知对手指摆动支点，由力矩平衡条件可知：其中，为手指摆动支点到轴销中心点的距离，即所以拉力其中， 表示工件被夹紧时手指的滑槽方向与两摆动支点连线的夹角， 一般取，取3.3.3手部夹紧力及驱动力的计算手部的设计是根据加在被夹持工件的作用力，因此对各作用力进行分析计算。机械手要使被夹持工件能够被加紧，且处于稳定状态，手部需要克服被夹持工件重力和工件运动变化产生的惯性力。通过查阅有关文献资料可知，手指对工件夹紧力的计算公式：式中,是安全系数，一般取； 是工作情况系数，主要考虑惯性力,其中，是工件沿竖直方向上升时的最大运动加速度，是工件上升时的最大速度，是工件做上升运动时速度增加到最大的加速时间，一般取；是方位系数。是被抓取工件所受重力。夹紧力的计算：安全系数取；工件做上升运动时速度增加到最大的响应时间取，工件做上升运动时的最大速度取，工件做上升运动的最大加速度为，工况系数；方位系数取；将已知条件代入公式得：根据驱动公式计算得：取传动效率实际驱动力3.3.4液压缸的设计计算(1)确定液压缸直径,有公式选取活塞杆直径,选择液压缸压力油工作压力,取，则：选取液压缸内径标准值，活塞杆直径为保证手抓张开角为，则活塞杆运动距离为,欲使直径为的杆件能够顺利被加持，则活塞杆行程取，手抓最大张开角为。(2)缸筒壁厚的选择，缸筒选择热轧无缝钢管，缸筒选用35号钢材料，抗拉强度,许用强度初步确定缸筒壁厚满足,则有，取。式中，是液压缸试验压力，当设计压力时，。缸筒的外径为活塞杆直径校核：因为，满足强度条件缸底厚度计算：单活塞液压缸的缸底与缸筒采用整体结构，其厚度应满足强度条件,考虑到液压缸和缸盖的链接，取3.3.5活塞和活塞链接螺钉的设计计算液压缸工作压强为，螺钉在危险截面所受拉力：螺钉所受的工作载荷取被连接件给螺钉的剩余预紧力,则:；每个螺钉在危险截面所受拉力。螺钉选择Q235材料，安全系数取，屈服强度，则需用应力。螺钉的直径，选取螺钉为。3.4本章小结本章对机械手的手部结构进行了分析，选择出手指抓取的结构，驱动手指抓取工件的驱动机构，即采用一个伸缩液压杆。并设计计算出手部的结构尺寸，确定伸缩液压缸内的弹簧结构类型。4机械手手腕的设计计算4.1手腕设计的基本要求(1)腕连接手臂的前端，并由手臂承载手腕和手部的载荷。在设计手腕时，必须要求手腕具有紧凑的结构，较轻的重量。(2)手腕起支撑和连接作用，要求手腕的力学性能合适，合理的布局。4.2手腕的结构以及选择4.2.1手腕结构的典型类型(1)只能够摆动的手腕结构，具有结构简单、运动灵活等优点12。(2)齿条活塞驱动的手腕结构，主要应用的情况是在大于的摆动角，结构有较大的尺寸13。4.2.2 手腕结构的选择本设计要求手腕摆动，结合以上各种因素，通过考虑，手腕结构选择采用摆动液压缸，只有一个转动自由度。手腕摆动液压缸如图4.1所示：图4.1 手腕摆动液压缸1-液压缸筒；2-连接静叶片和输出轴间的螺钉；3-动叶片；4-固定轴；5-连接动叶片和输出轴间的螺钉；6-静叶片。该摆动液压缸由液压缸盖、螺钉、动叶片、固定轴、静叶片组成。静叶片固定在输出轴上，固定轴与手臂伸缩活塞杆连为一体结构，不发生转动。动叶片与液压缸固定，随摆动液压缸同转动。4.3手腕结构的设计计算4.3.1手腕的力学分析手腕转动时的驱动力矩为其中，表示手腕驱动时的惯性力矩，单位为；表示手腕摆动支撑处的摩擦力矩，单位为。手腕转动时的惯性力矩:手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则:式中:表示参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量，则：表示工件对手腕转动轴线的转动惯量，则：手腕在摆动支撑处所受的摩擦力矩:对摆动液压缸摆动轴的支承反力近似看作被加持杆件重力和等效摆动圆柱体重量之和，即：，整体等效摆动轴半径为，则：手腕在摆动支撑处所受的摩擦力矩其中，表示摩擦系数。或4.3.3手腕摆动液压缸的尺寸设计及校核(1)尺寸设计手指、手指夹持液压缸和手腕等效为一个圆柱体，高为，半径，其重力为液压缸运行角速度，加速时间摆动液压缸长度设计为,液压缸内径为，外径 输出轴直径,轴径，轴径，摆动液压缸内液体压强 ,则力矩：(2)尺寸校核：对摆动液压缸摆动轴的支承反力，取整体等效摆动轴半径为。手腕在摆动支撑处所受的摩擦力矩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手腕驱动时的惯性力驱动手腕需要的力矩设计尺寸符合使用要求，安全。4.3.4摆动液压缸盖螺钉的选取选取螺钉的个数为，液压缸工作压强为，螺钉间距，每个螺钉在危险截面所受拉力：其中，表示螺钉所受的工作载荷； 表示螺钉所受的剩余预紧力，。摆动液压缸油腔截面面积；螺钉所受的工作载荷；取被连接件给螺钉的剩余预紧力,则:；螺钉在危险截面受到的拉力。螺钉选取Q235材料，安全系数取，屈服强度，则需用应力。螺钉的直径，选取螺钉为。4.3.5动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间采用受拉螺钉连接。得：其中，f表示被连接件接触面间的摩擦系数，取；将已知条件代入公式得：螺钉选取Q235材料，安全系数取，屈服强度，则需用应力。螺钉的直径，选取开槽盘头螺钉。4.4本章小结本章对机械手的手腕结构进行了分析，设计计算出手腕结构尺寸，确定摆动液压缸各连接处的螺钉直径5机械手手臂部的设计计算5.1手臂设计的基本要求(1)手臂结构需要承载较大的载荷，因此需要较好的力学性能，较轻的重量。(2)机械手臂需要在速度和摆动角速度一定的情下，减小惯性，所以手臂质量应该较小。(3)机械手要求各零件合理布置，使手臂尽可能运动平衡，不发生自锁。5.2手臂结构类型及选择手臂结构是机械手的重要部件，支撑被夹持工件、手部和手腕结构，并按照要求带动他们运动，将被夹持物料搬运至指定的位置。手臂应该具有伸缩、摆动和升降三个运动。手臂伸缩液压缸结构如图5.1所示：图5.1 手臂伸缩液压缸1-螺母；2-花键轴；3-普通平键；4-平键轴套；5-油口；6-手臂伸缩液压缸底；7-花键轴套；8-手臂伸缩活塞杆；9-手臂伸缩液压缸筒；10-导向套；11-手臂伸缩液压缸盖；12-螺栓；综合考虑以上分析，该手臂伸缩液压缸选择液压驱动的双作用液压缸，采用单缸活塞杆，内部导向，机构紧凑。5.3手臂结构的设计计算5.3.1手臂的力学分析通过分析工件、机械手手部、手腕结构尺寸以及手臂伸缩行程，初步估算这些构件的总重量为。手臂沿水平方向做伸缩运动时，要克服活塞与油缸之间的摩擦阻力、支承套与导向杆之间的摩擦力和启动时的惯性力等。其驱动力计算公式是：其中，表示各支承处的摩擦阻力，其计算公式是：而处的摩擦系数，取 ；表示启动过程中的惯v性力，其计算公式是： 其中，手臂伸缩部件的总重量； 表示重力加速度； 表示启动过程中的平均加速度，而 表示手臂伸缩的最大工作速度，即手臂的工作速度；表示启动过程中所用的时间，一般为，取，取。则有已知条件得出：，5.3.2手臂伸缩液压缸的尺寸设计及校核液压缸直径可用下面公式计算：当油进入无杆腔中，当油进入有杆腔中， 选取活塞杆外径,选择液压缸压力油工作压力,取油缸内液压，选择机械效率，将有关数据代代入上式得：（无杆腔）（有杆腔）考虑到手臂结构的刚度要求，选取液压缸内径标准值，活塞杆直径。5.3.3手臂伸缩液压缸盖螺钉的选取螺钉所受的工作载荷取被连接件给螺钉的剩余预紧力,则:；每个螺钉在危险截面所受拉力螺钉的直径，选取螺栓。缸筒材料壁厚的选择，缸筒选择热轧无缝钢管，缸筒选用35号钢材料，材料的抗拉强度,许用强度初步确定缸筒壁厚满足,则有，考虑到液压缸和缸盖的链接取。其中，是液压缸试验压力，当设计压力时，；缸筒的外径为。活塞杆取内径活塞杆校核：，因为，满足强度条件缸底厚度计算：单活塞液压缸的缸底与缸筒采用整体结构，其厚度应满足强度条件，取。5.4本章小结本章对手臂的结构进行了分析，根据手臂基本要求选择出手臂的结构形式，对手臂进行力学分析，确定出手臂伸缩液压缸的结构尺寸。6机械手机身的设计计算6.1机身设计的基本要求(1) 机身是支撑手臂的部件，机身由摆动液压缸和伸缩液压缸组成。机身通过这两个液压缸实现手臂的摆动运动和升降运动，并带动与手臂相连接的手腕、手部和工件一起执行相同动作。因此必须要求机身具有紧凑的结构，较轻的重量。(2) 机身需要承载较大的载荷，因此需要较好的力学性能，较轻的重量。合理布置各零件，机构不发生自锁。(3)本次设计的工业搬运机械手在常温和没有腐蚀性的工作介质中工作，工作环境影响不大。 6.2机身的整体设计本次设计的机械手要求手臂摆动，一般把手臂的摆动机构安装在机身上。为了设计出合理的运动机构，需要综合考虑分析影响机身设计的各种因素。机身承载着手臂、手腕，手部结构以及工件各部分载荷，执行摆动、升降动作，是机械手的重要构成部分。通常有以下几种结构：摆动液压缸安装在升降液压缸之下。升降液压缸采用双作用单活塞液压缸，花键轴内部导向，结构紧凑。摆动液压缸安装在升降液压缸之上。这种结构运动部件较多，运动惯性大。本设计摆动液压缸要求转过角度，为满足本次的设计要求，综合分析各种因素，选择采用摆动液压缸，只有一个转动自由度。机身结构如图6.1所示： 图6.1 机身结构1-手臂摆动液压缸；2-手臂伸缩液压缸；3-花键轴；4-花键轴套。综合分析影响机身设计的各种因素，本设计的机身结构选用摆动液压缸安装在升降液压缸之上。本此设计的机身包括两个运动，机身的摆动运动和升降运动，分别由摆动液压缸和升降液压缸驱动。使用螺栓将摆动液压缸的上端盖和手臂连接，手臂在缸体的带动下做摆动运动。摆动液压缸的输出轴与升降液压缸的活塞杆是整体结构。活塞杆由花键轴导向，采用内部空心，内装花键轴套。用普通平键将液压缸的下端盖和花键轴连接。这样就阻止活塞杆转动。6.3手臂摆动液压缸的设计6.3.1手臂摆动液压缸的力学分析手臂摆动液压缸结果如图6.2所示：图6.2手臂摆动液压缸1-液压缸筒；2-静叶片和输出轴间的连接螺钉；3-静叶片；4-输出轴；5-动片和输出轴间的连接螺钉；6-动叶片。该摆动液压缸由液压缸盖、连接螺钉、动叶片、固定轴、静叶片组成。动叶片与输出轴相连接，输出轴与手臂伸缩液压缸连相连，带动手臂转动。静叶片与液压缸固定。摆动液压缸转动时的驱动力矩为其中，表示摆动液压缸的驱动的惯性力矩，单位为；表示摆动液压缸摆动支撑处的摩擦力矩，单位为。摆动液压缸加速运动时所产生的惯性力矩:摆动液压缸起动过程按等加速运动，摆动液压缸转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则:其中: 表示参与手臂摆动部件（包括手部、手腕，手臂）部件（等效为摆动圆柱体）对转动轴线的转动惯量，则：表示参与摆动的手部、手腕和手臂结构等效圆柱体的重心到手臂摆动液压缸轴线的距离。表示工件对摆动液压缸转动轴线的转动惯量，则,表示工件重心到手臂摆动液压缸的距离。手腕摆动支撑处的摩擦力矩:对摆动液压缸摆动轴的支承反力近似看作被加持杆件重力和等效摆动圆柱体重量之和，即：，取等效支撑轴半径为，则：摆动液压缸摆动支撑处的摩擦力矩，其中表示摩擦系数。摆动液压缸的驱动力矩计算：机械手摆动运动所采用的摆动缸是单叶片摆动液压缸。单叶液压缸的压力P驱动力矩M的关系为:或6.3.2手臂摆动液压缸的尺寸设计及校核(1)机身摆动液压缸的尺寸设计参与摆动的手部、手腕和手臂结构等效为一个圆柱体，高为，半径，其重力为液压缸运行角速度，加速时间摆动液压缸长度设计为,液压缸内径为，外径，输出轴直径,轴径，轴径，摆动液压缸内液体压强 则力矩：(2)手臂摆动液压缸的尺寸校核对摆动液压缸摆动轴的支承反力，取整体等效摆动轴半径为。参与摆动的手部、手腕和手臂结构等效圆柱体的重心到手臂摆动液压缸轴线的距离取近似值，工件重心到手臂摆动液压缸的距离近似取将已知条件带入以上各式，则有：摆动液压缸支撑处的摩擦力矩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旋转液压缸驱动的惯性力驱动旋转液压缸需要的力矩所以设计尺寸符合使用要求，安全。6.3.3手臂摆动液压缸盖螺钉的选取摆动缸的工作压力，初步选取螺钉的个数为，则螺钉间距，满足条件。螺钉在危险截面出受到拉力其中，表示螺钉所受的工作载荷； 表示被连接件给螺钉的剩余预紧力，。摆动油腔截面面积；螺钉所受的工作载荷;取被连接件给螺钉的剩余预紧力,则；螺钉在危险截面出受到拉力。螺钉选取Q235材料，安全系数取，屈服强度，则需用应力。螺钉的直径，选取内六角圆柱头螺钉。6.3.4动片和输出轴间的连接螺钉连接动片和摆动液压缸之间的螺钉采用受拉螺栓连接。得：其中，f表示被连接件配合面间的摩擦系数，取； 将已知条件代入公式得：螺钉选取Q235材料，安全系数取，屈服强度，则需用应力。螺钉的直径，选取开槽盘头螺钉。6.4手臂升降液压缸的设计手臂升降液压缸结构如图6.3所示：图6.3 手臂升降液压缸结构1-手臂升降液压缸活塞杆；2-手臂升降液压缸盖；3-螺栓；4-导向套；5-手臂升降液压缸筒6-花键轴7-花键轴套8-六角沉头螺钉；9-手臂升降液压缸底10-平键轴套11-普通平键 12-螺母13-油口。该手臂升降液压缸选择液压驱动的双作用液压缸，采用单缸活塞杆，内部导向，机构紧凑，能承受较大载荷。6.4.1工件、手部、手腕和手臂偏重力的计算将参与摆动的手部、手腕和手臂结构等效为圆柱体，高为，半径，其重量为手臂摆动液压缸等效为圆柱体，高位，半径，则其重量为参与手臂升降的各部分的重量之和其中， 表示工件的重量 参与摆动的手部、手腕和手臂结构等效圆柱体的重量手臂摆动液压缸的重量6.4.2机身升降液压缸的力学分析手臂作垂直运动时，除克服摩臂部运动部件的重力之外，还要克服摩擦力和惯性力，故其驱动力可按下式计算： 其中， 各支承处的摩擦力； 启动时惯性力，可按手臂伸缩运动时的情况计算 臂部运动部件的总重量。6.4.3机身升降液压缸偏心重力矩的计算设重心到摆动轴线的距离。等效圆柱体的重心到手臂摆动液压缸摆动轴线的距离；工件重心到手臂摆动液压缸的距离。 则：所以重心到摆动轴线的距离机身升降液压缸所受偏心重力矩6.4.4手臂做升降运动不自锁条件手臂受向下的作用力，升降液压缸活塞受立柱导套作用力。由力的平衡条件有即