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工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
摘 要 ：
隨著工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)加工制造中科技水平越來(lái)越高，越來(lái)越多的自動(dòng)化機(jī)器出現(xiàn)在加工生產(chǎn)線(xiàn)上。本課題是設(shè)計(jì)一個(gè)五自由度的液壓機(jī)械手，能夠在大范圍的區(qū)域內(nèi)抓取工件并進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)動(dòng)。
本文將對(duì)機(jī)械手的手部、腕部、臂部、機(jī)身等結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)機(jī)械手的受力分析，設(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。其中，手部采用滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)，手爪通過(guò)摩擦力夾緊工件，驅(qū)動(dòng)部分選用液壓缸提供拉力；手腕選擇回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；臂部選擇雙導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)起支撐作用，液壓缸實(shí)現(xiàn)伸縮與升降；大臂置于機(jī)身回轉(zhuǎn)缸之上的形式；選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)工件從抓取到搬運(yùn)過(guò)程中平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。
本文研究的機(jī)械手一定程度上提高了機(jī)械加工的效率，改善了人們的勞動(dòng)條件，可以為以后其他機(jī)械手設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，液壓傳動(dòng)，液壓缸
II
Structural design and analysis of industrial manipulator
Abstract：
With the rapid development of industry, the level of science and technology in industrial processing and manufacturing is getting higher and higher. More and more automatic machines appear on the processing line.
This topic is to design a five degree of freedom hydraulic manipulator, which can grasp workpiece and carry out related movement in a large area. This paper will analyze and design the hand, wrist and arm of the manipulator, and design the corresponding structure by analyzing the force of the manipulator. Among them, the hand adopts the lever type structure of the sliding groove, the hand clamps the workpiece through the friction force, the driving part uses the hydraulic cylinder to provide pulling force; the wrist chooses the rotary hydraulic cylinder to realize the rotation movement; the arm chooses the double guide rod structure to play the supporting role, the hydraulic cylinder can be telescopic and lifted, and the large arm is placed above the rotary cylinder of the fuselage. Choose suitable driving mode to achieve stable movement of workpiece from grasping to transporting.
The mechanical hand studied in this paper improves the efficiency of mechanical processing to a certain extent, improves the working conditions of people, and can provide reference for the design of other manipulator in the future.
Key words: mechanical hand, hydraulic transmission, hydraulic cylinder
目錄
摘要···························································································································· Ⅰ 目錄······························································································································ Ⅲ
1 緒論 1
1.1 課題的研究背景和意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況 1
1.3 課題研究的內(nèi)容 3
2 總體方案的設(shè)計(jì) 4
2.1 設(shè)計(jì)工作要求 4
2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù) 4
2.3 總體參數(shù) 5
3 手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
3.1 手部設(shè)計(jì)概述 6
3.2 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 6
3.3 夾緊液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 8
4 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 11
4.1 腕部設(shè)計(jì)概述 11
4.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 12
4.3 回轉(zhuǎn)缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
4.4 缸蓋螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)計(jì)算與校核 14
5 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 16
5.1 小臂設(shè)計(jì)概述 16
5.2 液壓缸伸縮驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 16
5.3 手臂伸縮缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
5.4 油缸端蓋的鏈接方式和強(qiáng)度計(jì)算 18
6 大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 20
6.1 概述 20
6.2 大臂升降驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 20
6.3 油缸尺寸參數(shù)的計(jì)算 21
6.4 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算校核 22
6.5 大臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 23
6.5.1 回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 23
6.5.2 回轉(zhuǎn)油缸各個(gè)參數(shù)的確定 24
7 其他輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及校核 26
7.1 俯仰油缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
7.1.1 俯仰缸的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 26
7.1.2 油缸端蓋螺釘?shù)挠?jì)算校核 27
7.2 手臂處雙導(dǎo)向桿設(shè)計(jì) 28
7.3 軸承的選用及校核 29
7.4 回轉(zhuǎn)缸輸出軸的設(shè)計(jì) 29
7.5 油缸的密封 31
8 結(jié)論 32
參考文獻(xiàn) 33
致謝 34
III
1 緒論
1.1 課題研究的背景和意義
工業(yè)機(jī)械手，從本質(zhì)上講，它隸屬于工業(yè)機(jī)器人的范疇，機(jī)器人學(xué)是最近幾十年才發(fā)展起來(lái)的，它是一門(mén)綜合學(xué)科，包含了機(jī)械電子工程，計(jì)算機(jī)，自動(dòng)化控制以及人工智能等多門(mén)學(xué)科綜合而來(lái)的最新研究項(xiàng)目。體現(xiàn)出機(jī)電一體化技術(shù)的最新成果，是如今科學(xué)技術(shù)界中發(fā)展得最活躍的技術(shù)之一，是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平與技術(shù)的重要標(biāo)志。機(jī)械手能夠在復(fù)雜的環(huán)境中完成準(zhǔn)確的定位，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)制造中的各種自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上，在國(guó)家發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有廣闊的發(fā)展前景[1]。
機(jī)械手：最初是一種可以模仿人的手臂完成一些簡(jiǎn)單的動(dòng)作，如抓取物體在空間移動(dòng)，翻轉(zhuǎn)，代替人們的手去完成工作，將人們的雙手從繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)，特別是在現(xiàn)在的制造業(yè)中，更多的地方需要人性化，比如太重的東西，人們搬不動(dòng)，就可以使用機(jī)械手來(lái)代替操作，還有一些危險(xiǎn)的作業(yè)，像有毒噴漆，具有輻射的環(huán)境，機(jī)械手都可以表現(xiàn)出前所未有的優(yōu)勢(shì)。所以機(jī)械手
圖 1-1 機(jī)械手
帶來(lái)的巨大積極作用受到了人們的重視，于是現(xiàn)在人們開(kāi)始在加大對(duì)機(jī)械手的研究，然后大量運(yùn)用在生產(chǎn)線(xiàn)上，使得制造業(yè)的發(fā)展又加快了步伐，在工業(yè)中運(yùn)用的機(jī)械手，使自動(dòng)化的發(fā)展更上升一步空間，向著綜合柔性化發(fā)展，在汽車(chē)制造，電器工業(yè)，工程機(jī)械，電子等研究新的技術(shù)時(shí)，引入高級(jí)機(jī)器人技術(shù)后采用柔性化的智能設(shè)備，使得傳統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)得到本質(zhì)上的提升，機(jī)械手的未來(lái)必定是智能化，柔性化的系統(tǒng)，讓機(jī)器變得比人更聰明[2]。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況
機(jī)械手是最近才發(fā)展起來(lái)的高端產(chǎn)業(yè)，起源于 1960 年左右，經(jīng)過(guò) 50 多年的
發(fā)展歷史，機(jī)械手這門(mén)綜合學(xué)科經(jīng)歷了波浪式的發(fā)展過(guò)程，如今，全球有多大 200 多萬(wàn)的機(jī)械手運(yùn)行在各種生產(chǎn)線(xiàn)上。最初由美國(guó)開(kāi)始對(duì)機(jī)械手開(kāi)展了研究，1958
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年，美國(guó)一個(gè)名叫聯(lián)合控制的公司研制成功了世界上第一臺(tái)機(jī)械手，它的控制方式是示教型的。有可以旋轉(zhuǎn)的手臂，能抓取工件的手爪。1962 年，又一個(gè)新型機(jī)械手 Versatran 機(jī)械手誕生于美國(guó)的機(jī)械鑄造公司，它的形狀類(lèi)似于坦克，手臂相當(dāng)于坦克的炮管，可以在空間中自由旋轉(zhuǎn)，手爪安裝在炮管端部，能夠運(yùn)動(dòng)在大范圍的圓周區(qū)間中。雖然這些機(jī)械手在現(xiàn)在看起來(lái)結(jié)構(gòu)都相當(dāng)簡(jiǎn)單，但這都是國(guó)外機(jī)械手發(fā)展起來(lái)的基礎(chǔ)。
現(xiàn)在國(guó)外的機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r有如下幾個(gè)趨勢(shì)，（1）工業(yè)機(jī)器人的性能不斷提高，在速度，精度，可靠性平穩(wěn)度等這些方面中有得巨大的提升，而且對(duì)于機(jī)械手的維修也越來(lái)越方便，單個(gè)機(jī)械手的價(jià)格也越來(lái)越低，機(jī)械手的性?xún)r(jià)比得到了飛躍的提升。（2）機(jī)械手的結(jié)構(gòu)向著摸塊化以及可重構(gòu)化方向快速發(fā)展，比如機(jī)械手中的關(guān)節(jié)化模塊，模塊中包含有步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)部件，執(zhí)行部件，由這些組成的模塊能夠重構(gòu)為一個(gè)機(jī)械手，在國(guó)外，已經(jīng)有這樣的機(jī)械手問(wèn)世。（3） 工業(yè)機(jī)械手的控制部分向 PC 機(jī)開(kāi)放出來(lái)，有利于機(jī)械手控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的結(jié)合，控制系統(tǒng)可以做成一個(gè)芯片，大大的減小了控制箱的大小，控制方便，更容易操控。（4）機(jī)器人技術(shù)中越來(lái)越多的利用各種傳感器，應(yīng)用得多的傳感器有力傳感器，加速度傳感器，位移傳感器，圖像傳感器，利用機(jī)械手的各種傳感器將周?chē)沫h(huán)境傳送到機(jī)器人的控制中心，控制中心收到信號(hào)之后自動(dòng)判斷下一步動(dòng)作，完成機(jī)械手的自動(dòng)控制。比如機(jī)器人在遇到前方障礙時(shí)，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)彎繞開(kāi)障礙，安全動(dòng)作。（5）虛擬技術(shù)以及 AI 人工智能的加入，讓機(jī)器人本身也能夠擁有思考，根據(jù)外部信號(hào)，機(jī)器人的中央處理器處理之后輸出動(dòng)作。還有各種遙感技術(shù)的加持，即使在異地也能控制到在遠(yuǎn)處進(jìn)行運(yùn)作的機(jī)器人，這樣避免了在危險(xiǎn)環(huán)境中的操作，人們不用置身于險(xiǎn)地，在安全的地方也能正常操作[3]。
雖然我國(guó)的液壓機(jī)械手相對(duì)于國(guó)際發(fā)展起步較晚，但發(fā)展還是比較迅速 的。在國(guó)內(nèi)機(jī)械手研究方面較為突出的有：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大
學(xué)，浙江大學(xué)，由哈工大機(jī)器人研究所研制的“836”重點(diǎn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目在機(jī)械手業(yè)界中取得了巨大的成功。為更好地完成該系統(tǒng)的研究，哈工大成功研制了空間機(jī)械手系統(tǒng)原型樣機(jī)，該樣機(jī)包括 6 自由度可折疊機(jī)械臂、手爪、中央控制器和支撐鎖緊機(jī)構(gòu)。關(guān)節(jié)采用摸塊化設(shè)計(jì)方法，集機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、傳感和控制一體，采用大中心孔設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的內(nèi)部走線(xiàn)，以消除空間環(huán)境對(duì)導(dǎo)線(xiàn)及其輸出信號(hào)的影響，空間機(jī)器人手爪具有高剛度，大夾持力、快速閉合、大抓捕范圍以及準(zhǔn)確捕獲姿態(tài)精度等準(zhǔn)確性，僅僅是完成這個(gè)項(xiàng)目就申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利 10 余項(xiàng)。
在工業(yè)生產(chǎn)中也有不少企業(yè)能自己生產(chǎn)出性能較好的機(jī)械手，研發(fā)出機(jī)械手的自由度越來(lái)越多，因?yàn)闄C(jī)械手的自由度越多，越能完成更多，更復(fù)雜的動(dòng)作。液壓機(jī)械手是在吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)而成的，主要用于樹(shù)脂砂脫箱造型的涂料流涂、合型或搬運(yùn)等操作，具有夾緊、砂型翻轉(zhuǎn)、平衡協(xié)調(diào)等功能，全液壓驅(qū)動(dòng)夾緊力連續(xù)可調(diào)，動(dòng)作平穩(wěn)、可靠[4]。液壓機(jī)械手可配升降、行走機(jī)構(gòu)，需要根據(jù)客戶(hù)要求，及現(xiàn)場(chǎng)情況另行非標(biāo)設(shè)計(jì)。
1.3 課題研究的內(nèi)容
本課題是關(guān)于液壓機(jī)械手的研制，主要研究以下這幾個(gè)內(nèi)容
（1）手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手部是與工件直接接觸的部件，需要進(jìn)行夾緊油缸及其附屬部件的選擇和校核，活塞桿校核。
（2）腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
它是鏈接手部與臂部的部件，可以沿著自身軸線(xiàn)，從而改變工件在空間中的角度，手腕設(shè)計(jì)需要考慮滿(mǎn)足啟動(dòng)和傳輸工件過(guò)程中所需要的力矩，還有輸出軸與手部液壓缸之間的鏈接，軸承的布置，使得手腕的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊。
（3）小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
小臂主要用來(lái)改變手部在空間中的位置，它是主要的執(zhí)行部件，其作用是連接腕部，中間有俯仰油缸的支撐作用，可以完成俯仰動(dòng)作。尾部通過(guò)銷(xiāo)孔連接在大臂上端，能夠繞著中心旋轉(zhuǎn)一定的角度，主要改變工件在水平方向上的位置，具有較大的范圍。
（4）大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
大臂升降液壓缸的設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)范圍的確定，以及回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì)校核。回轉(zhuǎn)缸與機(jī)身連接在一起，支撐起整個(gè)機(jī)械手，完成機(jī)械手的所有動(dòng)作。
2 總體方案的設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)工作要求
本設(shè)計(jì)目的是為了設(shè)計(jì)一種五自由度的全液壓驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)械手，保證機(jī)械手在夾持工件后在空間中大范圍的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)作準(zhǔn)確，盡量使工件運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定以提高產(chǎn)品的技工質(zhì)量，滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及標(biāo)準(zhǔn)化。
2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)
根據(jù)工作要求，確定機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)
根據(jù)簡(jiǎn)圖 2-1 可知：
2-1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
機(jī)械手主要由手部、腕部、小臂、大臂、機(jī)座等五部分組成。手部：直接與工件接觸的結(jié)構(gòu)，用來(lái)夾緊工件，
腕部：連接小臂與手部的結(jié)構(gòu)，可以繞自身軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，有一個(gè)自由度， 小臂：連接大臂與腕部，可以水平伸縮與俯仰兩個(gè)自由度，
大臂：連接小臂與機(jī)座，起支撐作用，可以沿軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)和升降兩個(gè)自由度。部分尺寸的初步擬定：
手部和腕部總長(zhǎng)為 600mm，
小臂長(zhǎng)度 800-1200mm，其中 400mm 為伸縮距離， 大臂長(zhǎng)度 1200-1700mm，其中 500mm 為升降高度。
坐標(biāo)形式以及自由度數(shù)：
根據(jù)要求，此工業(yè)機(jī)械手采用五自由度球坐標(biāo)形式，沿 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，沿 Z 軸方向升降，沿 X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，沿 X 方向伸縮，沿 Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
機(jī)械手運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)
機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)情況如下表 2-1 所示
表 2-1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)
運(yùn)動(dòng)方式
動(dòng)作范圍
運(yùn)動(dòng)速度
控制方式
腕部回轉(zhuǎn)
-90°-90°
180°/s
節(jié)流閥調(diào)速
小臂伸縮
400mm
200mm/s
節(jié)流閥調(diào)速
小臂俯仰
0°-45°
45°/s
節(jié)流閥調(diào)速
大臂升降
500mm
250mm/s
節(jié)流閥調(diào)速
大臂回轉(zhuǎn)
-120°-120°
45°/s
節(jié)流閥調(diào)速
2.3 總體參數(shù)
總體參數(shù)如表 2-2
表 2-2 機(jī)械手總體參數(shù)
項(xiàng)目 技術(shù)參數(shù)
結(jié)構(gòu)形式 球坐標(biāo)形式
自由度數(shù) 五自由度
最大負(fù)荷 40KG
驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng)
手指夾持范圍 φ60-φ180
定位精度 ±2mm
安裝環(huán)境 0-50°
通過(guò)對(duì)整體的方案進(jìn)行構(gòu)思，對(duì)機(jī)械手的各個(gè)部位有了充分的了解，一些重要的參數(shù)尺寸心中有一個(gè)底，對(duì)后面的設(shè)計(jì)計(jì)算做了一個(gè)鋪墊，設(shè)計(jì)起來(lái)更方便一些。
3 手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 概述
機(jī)械手的手部是重要的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，它是工業(yè)機(jī)械手與工件直接接觸的部件， 可以執(zhí)行跟人手相似的部分功能，由于工件的結(jié)構(gòu)，大小不一樣，機(jī)械手手部的構(gòu)造也有很多的結(jié)構(gòu)，大部分的手部都是按照抓取工件的不同而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，對(duì)于不同的工件，采用不同的材料以及結(jié)構(gòu)，達(dá)到材料的合理使用，以及滿(mǎn)足機(jī)械手抓取的要求。不同手部結(jié)構(gòu)有不同的傳力機(jī)構(gòu)，傳力機(jī)構(gòu)又可以分為滑槽杠桿式、連桿杠桿式、齒輪齒條式等。結(jié)合本設(shè)計(jì)，需要較大的開(kāi)合角以及提供較大的夾緊力，所以采用滑槽杠桿式手部。
在進(jìn)行手部設(shè)計(jì)師應(yīng)該綜合考慮以下等問(wèn)題應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力）
○ 1 在確定手指握力的時(shí)候，不僅要考慮到工件的重力，還應(yīng)該考慮到工件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力以及震動(dòng)，保證工件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)而脫落。
○ 2 手指要具有一定的開(kāi)合角度
兩個(gè)手指張開(kāi)與閉合之間產(chǎn)生的兩個(gè)最大位置之間所夾的角度稱(chēng)為開(kāi)合角， 開(kāi)合角的大小決定了工件是否能夠順利的進(jìn)入與脫開(kāi)，若機(jī)械手要夾持不同尺寸的工件，應(yīng)該工件的最大尺寸設(shè)計(jì)。
○ 3 要保證工件的準(zhǔn)確定位
為了使工件在加持中保持準(zhǔn)確位置，必須根據(jù)被抓取的工件的形狀選擇對(duì)應(yīng)的手指形狀，比如圓柱型的工件最好采用 V 型面的手指結(jié)構(gòu)，以便于工件的自定心。
○ 4 要具有足夠的強(qiáng)度與剛度
手指除了受到被夾緊工件的反作用力之外，還會(huì)受到運(yùn)動(dòng)過(guò)程的慣性沖擊與振動(dòng)，因此手指剛度和強(qiáng)度也是設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮到的一部分，防止手指在運(yùn)動(dòng)中受到震動(dòng)兒彎曲變形，影響工作質(zhì)量，盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕。
○ 5 被抓取對(duì)象的要求
應(yīng)該根據(jù)工件的數(shù)量以及形狀，抓取部位的不同設(shè)計(jì)和確定手指的形狀結(jié)構(gòu)。綜合以上要求結(jié)合本設(shè)計(jì)，工件為圓柱型剛件，所以采用滑槽杠桿式手部形 式，手指采用 V 型塊自定心定位，V 型塊上墊合成橡膠，用來(lái)增大手指與工件之間的摩擦力，減少滑槽杠桿上拉力的負(fù)擔(dān)，而且橡膠可以減少手指與工 件之間的刮擦，保證工件的質(zhì)量要求[5]。
3.2 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
手部設(shè)計(jì)采用滑槽杠桿式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)形式如圖 3-1，受力分析如圖 3-2
根據(jù)圖示的滑槽式手部結(jié)構(gòu)，在拉桿 3 的作用下，銷(xiāo)軸 2 提供拉力 F，通過(guò)銷(xiāo)軸中心 O 點(diǎn)。兩手指的滑槽對(duì)銷(xiāo)軸的反作用力為 F1、F2，其力的方向垂直于
滑槽中心線(xiàn) O1O，O2O 并指向 O 點(diǎn)，F(xiàn)1 和 F2 的延長(zhǎng)線(xiàn)交 O1O2 于 A 和 B，∠AOC=∠ BOC=α，根據(jù)銷(xiāo)軸力的平衡條件，即
∑ 𝐹𝑋 = 0 得 F1=F2
∑ 𝐹𝑌 = 0 得 F1=F/(2cosα) F1=-F1’
圖 3-1 手部結(jié)構(gòu)圖
圖 3-2 滑槽杠桿式手部受力分析
銷(xiāo)軸對(duì)手指的作用力為 F1’，手指在握緊工件時(shí)產(chǎn)生的力為握緊力，（即夾緊
力），假設(shè)握力作用在手指與工件接觸面的對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)，并且兩個(gè)力的大小相等， 方向相反，用 FN 表示，由手指的力矩平衡條件可得
∑ 𝑀(𝑂1) = 0……………………………………(3.1)
F1’h=FN b
h=a/cosα
N
∴F=2bcos2αF /a
式中 a ——手指的回轉(zhuǎn)支撐點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)的垂直距離（mm）
α ——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽中心線(xiàn)方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線(xiàn)的夾
角
b ——工件壓到手部位置受力中心到 O1 點(diǎn)的距離
根據(jù)上式可以得出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力 F 一定時(shí)，α 角增大則手指的握力也隨之增大，但 α 角的增大會(huì)使得拉桿(即活塞桿)的行程增大，以及手指滑槽尺寸長(zhǎng)度增大，使手部結(jié)構(gòu)變大，因此，一般 α=30°-40°，本次設(shè)計(jì)取 α=30°。
此手部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，活動(dòng)靈活，手指的開(kāi)閉角大等特點(diǎn)，綜合以上驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方法，可求出驅(qū)動(dòng)力的大小，為了考慮工件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣性力以及振動(dòng)，以及傳動(dòng)效率的影響，其實(shí)際驅(qū)動(dòng)力可以按以下公式計(jì)算
F 實(shí)際=F 計(jì)算/η
工件的重量為 40KG，考慮到慣性和振動(dòng)
1） 、 手 指 對(duì) 工 件 的 夾 緊 力 的 計(jì) 算 公 式 : FN≥K1K2K3G…………………………………………………………….(3.2)
式中 K1——安全系數(shù)，通常取 1.2-2.0 本設(shè)計(jì)取 1.5 K2——工作情況系數(shù)，主要是慣性力的影響，可以按下式計(jì)算
K2=1+a/g=1+5/10=1.5
工件最大運(yùn)行速度 500mm/s 達(dá)到最大速度的時(shí)間為 0.1s，所以a=△v/△t=0.5/0.1=5
K3——摩擦系數(shù)的倒數(shù) 剛件與橡膠之間的摩擦系數(shù)為 0.8 K3=1/f=1/0.8=1.25
∴FN=1.5x1.5x1.25x40x10=1125N
2）、由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式
計(jì)算 N
F =2bcos2αF /a=2x100xcos230x1125/60=2812.5N 3）、取手指的傳動(dòng)效率為 η=0.85 F 實(shí)際=F 計(jì)算/η=2812.5/0.85=3309N
3.3 夾緊液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 1）根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，液壓缸有活塞桿兩個(gè)動(dòng)作，收縮與伸長(zhǎng)，分別使工件
被夾緊與松開(kāi)，本設(shè)計(jì)選擇雙作用單活塞桿液壓缸，根據(jù)所需要的最大夾緊力
3309N 選取合適的液壓缸參數(shù)，由于最大夾緊力為液壓缸的拉力，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以有桿腔處的計(jì)算公式為準(zhǔn)
√
液壓缸的內(nèi)徑計(jì)算公式
式中： D——液壓缸的內(nèi)徑
F——液壓缸的夾緊力
D= 4𝐹 πpη
+ 𝑑2（有桿腔）……………(3.3)
P——液壓缸的工作壓力η——液壓缸的工作效率 d——活塞桿的直徑 取 d=D/2
由表 3-1 可知，根據(jù)夾緊力，選擇液壓缸的工作壓力為 1Mpa，
√
由 D= 4𝐹 πpη
+ 𝑑2 =√ 4𝑋3309
3.14x1x10^6x0.95
+ (𝐷)2
2
∴D=0.078m=78mm
根據(jù)液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66）中選取液壓缸的內(nèi)徑為 80mm，對(duì)應(yīng)的活塞桿直徑為 d=32mm。
表 3-1 液壓缸的工作壓力
作用在活塞桿上的外力 N 液壓缸的工作壓力 Mpa
于 5000 0.8-1
5000-10000 1.5-2.0
10000-20000 2.5-3.0
2）液壓缸外徑的選用以及驗(yàn)算
缸體采用 45 號(hào)鋼無(wú)縫鋼管，由（JB1068-67）可得液壓缸外徑系列，如表
3-2
表 3-2 液壓缸的外徑系列
缸內(nèi)徑
32
40
50
60
80
100
125
180
缸外徑
52
60
75
85
105
121
150
215
注：1、液壓缸工作壓力≤16Mpa
2、液壓缸缸體材料為 45 鋼的無(wú)縫鋼管
查區(qū)此表可知，缸筒的外徑為 105mm，所以缸筒壁厚為 12.5mm，由于理論壁
厚
δ L=PD/{(2.3[σ]-P)φ}=1x10^6x80/{(2.3x110x10^6-1x10^6)x1}=3.17mm
得出 δ=12.5mm>δ L 滿(mǎn)足要求。
3）缸筒兩端部的計(jì)算
○ 1 液壓缸缸筒底部的計(jì)算
√
此液壓缸的底部沒(méi)有設(shè)計(jì)油口，則底部的厚度為
h≥0.433D 𝑃𝑚𝑎𝑥𝐷 ……………………………………(3.4)
[σ](D?d)
式中 D——液壓缸內(nèi)徑
𝑃max——液壓缸最大工作壓力𝑃𝑚𝑎𝑥=2PN=2Mpa [σ]——缸底材料的許用應(yīng)力，材料為 45 鋼， [σ]=σP/n=600/5=120Mpa,n 為安全系數(shù)，取 n=5
經(jīng)計(jì)算，h=5mm，考慮到鏈接結(jié)構(gòu)要求取 h=15mm，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。
○ 2 液壓缸端蓋螺釘強(qiáng)度計(jì)算
液壓缸的工作壓力為 1Mpa，選擇螺釘?shù)臄?shù)目 Z=4,危險(xiǎn)截面S=π（R2-r2）=3.14x（0.082-0.0322）=0.017m2
∴Q=PS/Z=1X10^6X0.017/4=4250N 選擇 K=1.5，QS=KQ=6375N
Q0=Q+QS=10625N,
螺釘直徑按強(qiáng)度條件計(jì)算
d ≥√4𝑄𝐽 ………………………………………………(3.5)
1 π[σ]
式中 QJ——計(jì)算載荷 QJ=1.3Q0 QJ=1.3Q0=13812.5
[σ]——許用抗拉應(yīng)力 [σ]=σ/n
o ——螺釘材料的屈服強(qiáng)度，材料選 45 鋼，則屈服強(qiáng)度為 352Mpa
n—— 安全系數(shù) n=1.2-2.5，此處取 n=1.8
d1——螺紋內(nèi)徑
帶入數(shù)據(jù) d1≥0.0095m，所以選擇 M10 的沉頭螺釘
○ 3 缸筒端部鏈接強(qiáng)度計(jì)算
缸筒端部與手指之間采用螺釘鏈接，鏈接如圖 3-3
圖 3-3 端蓋與手部螺釘連接圖
螺釘主要受拉力，工件與手部估重 50KG,根據(jù)杠桿原理，螺釘?shù)街行木€(xiàn)的距離為 70mm，手部與工件重心到中心線(xiàn)的距離 210mm，
∴Q=50X10X210/70=1500N，選擇 K=1.5，QS=KQ=2250N Q0=Q+QS=3750N,
螺釘直徑按強(qiáng)度條件計(jì)算
d ≥√ 4𝑄𝐽 …………………………………………………………(3.6)
1 π[σ]
式中: QJ——計(jì)算載荷 QJ=1.3Q0 QJ=1.3Q0=4875N
[σ]——許用抗拉應(yīng)力 [σ]=σ/n
o ——螺釘材料的屈服強(qiáng)度，材料選 45 鋼，則屈服強(qiáng)度為 352Mpa n —— 安全系數(shù) n=1.2-2.5，此處取 n=2
d1——螺紋內(nèi)徑
代入數(shù)據(jù) d1≥0.0042m，所以選擇 M6 的螺釘，螺釘數(shù)量 z=4
4 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
4.1 腕部設(shè)計(jì)概述
機(jī)械手的腕部是鏈接手部與小臂的重要結(jié)構(gòu)，主要起支撐作用，還有就是是手部被夾持的零件可以繞著軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)一定的角度，這就是腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以調(diào)整手部的定位。在進(jìn)行腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，特別要注意以下幾點(diǎn)：
○ 1 結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，重量盡量輕。
○ 2 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，摩擦小，密封性要好。
○ 3 解決好腕部與手部之間的鏈接方式，和小臂之間的鏈接等，以及各個(gè)自由度的檢測(cè)，油管的布置，軸承的潤(rùn)滑，維修，調(diào)整等問(wèn)題。
○ 4 要根據(jù)工作情況的要求作出適應(yīng)的調(diào)整。腕部的結(jié)構(gòu)形式:
本設(shè)計(jì)選擇回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小，回轉(zhuǎn)范圍-90°-90°。
圖 4-1 腕部結(jié)構(gòu)圖
腕部的結(jié)構(gòu)形式如上圖 4-1
定片與回轉(zhuǎn)缸用螺釘連在一起，動(dòng)片與用螺釘和輸出軸連在一起，當(dāng)回轉(zhuǎn)缸的兩個(gè)油口通入壓力油之后，壓力油推動(dòng)動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)，所以輸出軸帶動(dòng)手部液壓缸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，完成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
4.2 、手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算
驅(qū)動(dòng)手腕產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩必須要克服手腕啟動(dòng)時(shí)作加速運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與軸承處的摩擦力矩，動(dòng)片與液壓缸端蓋、定片等處的摩擦力，以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)的重心與軸線(xiàn)不重合所產(chǎn)生的偏重力矩，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩可以根據(jù)下面的公式進(jìn)行計(jì)算：
M 驅(qū)=M 慣+M 偏+M 摩…………………………………………………(4.1) 式中：M 驅(qū)——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力拒
M 慣 —— 慣 性 力 矩M 偏——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零件的重量（包括工件，手部，手腕，回轉(zhuǎn)缸的
動(dòng)片）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)所產(chǎn)生的偏重力矩
M 摩 —— 手 腕 轉(zhuǎn) 動(dòng) 軸 與 支 撐 處 的 摩 擦 力1）、所產(chǎn)生的偏重力矩 M 偏，工件在夾持中可能存在不是中心位置，取最大偏心距 e=0.015m。腕部受力圖如圖 4-2
圖 4-2 腕部受力分析圖
M 偏=G1e
式中 G1——工件重量
e——偏心距（即工件中心到腕部回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)的垂直距離）當(dāng)工件重心和中心線(xiàn)重合時(shí)，M 偏=0
當(dāng) e=0.015 時(shí)，G1=400N M 偏=0.015x400=6N?M
2）、摩擦力矩 M 摩
M = 𝑓（N D +N D ）…………………………………………(4.2)
摩 2 1 1 2 2
式中: f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)軸承取 f=0.01-0.02
N1,N2——軸承支撐反力
D1,D2——軸承直徑
由設(shè)計(jì)可知：N1=1000N,N2=1500N
D1=0.05m D2=0.09m
M 摩= 0.1(1000x0.05+1500x0.09)=9.25N?M 2
3）、腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩
○ 1 當(dāng)手腕的回轉(zhuǎn)角速度為ω時(shí)，可以用下式計(jì)算 M 慣
M 慣=（J+J 工件）ω……………………………………(4.3)
𝑡
式中： ω——手腕的回轉(zhuǎn)速度
t——手腕啟動(dòng)過(guò)程所花的時(shí)間（s），假定啟動(dòng)過(guò)程中近似于等加速運(yùn)動(dòng)，一般取 0.05-0.3s
工件
J——手腕回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg?m2） J ——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg?m2）
J= 1mr2=0.5x20x0.052=0.025 kg?m2
2
按已知計(jì)算；J 工件=mr2/4+ml2/12
工件的最大尺寸 r=90mm，l=440mm，帶入
工件
∴J =0.73 kg?m2
M 慣=（0.025+0.73）x0.81/0.3=2.04 N?M
M 驅(qū)=M 偏+M 摩+M 慣
=6+9.25+2.04=17.29 N?M
考慮到液壓缸密封、摩擦等損失的因素，一般 M 取得大些
M 實(shí)=1.1-1.2M 驅(qū)
M 實(shí)=1.2x17.29=20.75 N?M
4.3 、手腕回轉(zhuǎn)缸參數(shù)確定
圖 4-3 腕部回轉(zhuǎn)缸示意圖
回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算
回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力矩 M 總
上圖 4-3 為機(jī)械手腕部回轉(zhuǎn)缸示意圖，根據(jù)回轉(zhuǎn)缸力矩公式
總
M=0.5pb(R2-r2)≥M ……………………………………(4.4) 式中：M 總——手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的總力矩
P——回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力
R——缸體內(nèi)孔半經(jīng)
r——輸出軸半徑b——?jiǎng)悠瑢挾?
設(shè)計(jì)腕部的部分尺寸：
表 4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66）（mm）
20
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
95
100
105
根據(jù)表 4-1 設(shè)計(jì)缸體的內(nèi)壁半徑為 R=50mm，外徑按中等壁厚設(shè)計(jì)，由表 3- 2 取 121mm,動(dòng)片寬度 b=60mm，輸出軸 r=25mm。
根據(jù)上述公式 回轉(zhuǎn)缸的工作壓力
P=2M/[b(R2-r2)]=2x20.75/[0.06x(0.052-0.0252)]=0.37Mpa
所以選擇回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為 0.5Mpa。4.4、油缸缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算與校核
圖 4-4 缸蓋螺釘間距示意圖
表 4-2 螺釘間距 t 與驅(qū)動(dòng)力 P 之間的關(guān)系
工作壓力（Mpa） 螺釘?shù)拈g距 t（mm） 0.5-1.5 小于 150
1.5-2.5 小于 120
2.5-5 小于 100
t 為螺釘?shù)拈g距，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，有表 4-2，在這種連接中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)截面上承受的拉力為：
Q0=Q+QS…………………………………………(4.5) 式中：Q 為工作載荷，QS 為預(yù)緊力。
計(jì)算：液壓缸的工作壓強(qiáng)為 0.5Mpa，所以螺釘?shù)拈g距小于 15mm。試選 4 顆螺釘，
實(shí)際Z=πD/150=3.14x130/150=2.7<4,所以選擇螺釘數(shù)目 4 個(gè)合理。危險(xiǎn)截面
S=π（R2-r2）=3,14x(0.052-0.0252)=0.0059m2 所以 Q=PS/Z=0.5x10^6x0.0059/4=737.5N
QS=KQ(K=1.5-1.8) 取 K=1.5 則 QS=1.5x737.5=1106.25N
Q0=Q+QS=1843.75N
螺釘?shù)牟牧线x擇 Q235，則[σ]= σS/n=240/1.5=160Mpa(n=1.2-2.5) 螺釘?shù)闹睆?
d≥ 4x1.3𝑄0…………………………………………(4.6) π[σ]
√
代入數(shù)據(jù) d≥0.004m 考慮到螺釘還有承載其他附加力的作用，選擇 M8 的螺釘滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
動(dòng)片和輸出軸之間的鏈接螺釘
鏈接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱(chēng)安裝，并用兩個(gè)定位銷(xiāo)定位，鏈接螺釘?shù)淖饔茫?使動(dòng)片和輸出軸之間緊密配合，當(dāng)油腔通入高壓油時(shí)，動(dòng)片受油壓作用產(chǎn)生一個(gè)合成液壓力矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩
根據(jù)設(shè)計(jì)可知，螺釘主要受剪切應(yīng)力，由于產(chǎn)生的最大扭矩為 20.75 N?M， 所以螺釘上所受的剪切力大小為 FS=20.75x4=83N。
螺釘?shù)牟牧线x擇 20 鋼，[τ]=30Mpa τ= FS/A≤[τ],A=πd2/4
代入數(shù)據(jù) d≥2.1mm 所以選擇 M4 的螺釘
5 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核
5.1 小臂設(shè)計(jì)概述
小臂主要用來(lái)改變手部在空間中的位置，它是主要的執(zhí)行部件，其作用是連接腕部，中間有俯仰油缸的支撐作用，可以完成俯仰動(dòng)作。尾部連接在大臂上端， 主要改變工件在水平方向上的位置，具有較大的范圍，手部在空間的位置主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)方式。
機(jī)械手的設(shè)計(jì)基本要求：
○ 1 臂部應(yīng)承載能力大，剛度好，自重輕。
○ 2 手部動(dòng)作靈活，位置精度高。
○ 3 運(yùn)動(dòng)速度快，慣性小等特點(diǎn)。手部的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)選擇常見(jiàn)的手部結(jié)構(gòu)有以下幾種
○ 1 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)
○ 2 雙層油缸空心活塞桿單桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)
○ 3 采用花鍵軸套導(dǎo)向的手臂升降結(jié)構(gòu)
○ 4 雙活塞伸縮油缸結(jié)構(gòu)
○ 5 活塞桿和齒條機(jī)構(gòu)
綜合考慮本設(shè)計(jì)，液壓缸的設(shè)計(jì)選擇雙導(dǎo)向桿伸縮機(jī)構(gòu)，其手臂的伸縮油缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間，導(dǎo)向桿上下對(duì)稱(chēng)布置，由導(dǎo)向桿承擔(dān)彎矩作用，活塞桿主要受拉壓作用，受力簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，外形美觀(guān)，結(jié)構(gòu)緊湊，液壓缸選擇雙作用單活塞桿液壓缸。
5.2 液壓缸伸縮驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
對(duì)于此處的液壓缸，受到的各種力比較復(fù)雜。第一步要做的是根據(jù)與結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行估算，或者找到跟此差不多的結(jié)構(gòu)，類(lèi)比他們的計(jì)算方法算出驅(qū)動(dòng)力大小， 然后初步確定有關(guān)結(jié)構(gòu)的主要尺寸，最后在進(jìn)行校核，修正參數(shù)，最終得出結(jié)構(gòu)。
做水平伸縮的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦，慣性，俯仰后工件以及手腕手部所受重力的分力等。幾個(gè)方面的阻力來(lái)確定液壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力，所以液壓缸的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式為
F=F 摩+F 慣+F 重+F 回
由于液壓缸的會(huì)有背壓非常小，此處忽略不計(jì) F 回=0 1）手臂摩擦力的分析計(jì)算
5-1 導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
液壓缸密封處的摩擦很小，相對(duì)于導(dǎo)向桿的摩擦來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，由于導(dǎo)向桿對(duì)稱(chēng)布置，兩條導(dǎo)向桿的受力一致，可以按一個(gè)導(dǎo)向桿的受力分析計(jì)算
根據(jù)導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，受力分析得出以下式子成立
由∑ 𝑀𝐴=0,得 G·L=a·𝐹𝑏，∴𝐹𝑏=G·L/a 由 G+𝐹𝑏 = 𝐹𝑎，得𝐹𝑎=G（L+a）/a
F 摩 =Fa 摩 +Fb 摩 =u（Fa+Fb） F 摩= u′·G（2L+a）/a……………………………………(5.1)
式中：G——參與運(yùn)動(dòng)總部件所受的總重力（包括工件） L——手臂與運(yùn)動(dòng)部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m） a—— 導(dǎo) 向 支 撐 的 長(zhǎng) 度 u′——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐截面有關(guān),對(duì)于圓柱面：
u′=（4/π-π/2）u=(1.27-1.57)u，鋼對(duì)鑄鐵取 u=0.18-0.3。導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐套選擇鑄鐵 u′=0.2x1.5=0.3
工件 圓柱總體
參與運(yùn)動(dòng)零件的總重包括工件的重量，手部的重量手腕的重量，手腕手部可以看做一個(gè)圓柱體，所以所有的重量之和 G=G +G =40x10+（3.14x162/4） 55x0.0078x10=1262N。
由于手腕有空心結(jié)構(gòu)，所以此計(jì)算方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足要求，保證了強(qiáng)度要求，根據(jù)液壓缸的伸縮形成 400mm，以及運(yùn)動(dòng)部件重心位置，取 L=660mm，導(dǎo)向支撐的長(zhǎng)度 a 設(shè)計(jì)為 180mm，將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入進(jìn)行計(jì)算，
F 摩= u′·G（2L+a）/a=1262x0.3x（2x660+180）/180=3155N
2)手臂慣性力的計(jì)算
F =0.1G ?𝑣…………………………………………………(5.2)
慣 ?𝑡
式中 G——參與運(yùn)動(dòng)的總重力（包括工件）同上
Δv——從靜止加速到工件速度的變化量Δt——啟動(dòng)時(shí)間（s）,一般取 0.1-0.5s
設(shè)計(jì)啟動(dòng)時(shí)間為 Δt =0.3s, Δv=0.2m/s F 慣=0.1x1262o.2/0.3=84N
3)手臂俯仰時(shí)重力作用在活塞桿上的分力的計(jì)算
已知手臂的最大仰角為 45°，由下圖 5-2 可知
圖 5-2 小臂最大仰角時(shí)受力分析
F 重=Gsin45°=1262x√2/2=892.4N
綜上所述 F=F 摩+F 慣+F 重=3155+84+892.4=4131.4N
5.3 手臂伸縮缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)以上的計(jì)算，液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為 4131.4N，由表 3-1，選擇液壓缸的工作壓力為 1Mpa。
1）確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸液壓缸的內(nèi)徑的計(jì)算公式
√
D= 4𝐹 πpη
……………………………………………(5.4)
式中：F——活塞桿的驅(qū)動(dòng)力（N） P——液壓缸的工作壓力（Mpa）
η—— 油缸的機(jī)械效率，η 取 0.96 代入數(shù)據(jù)得 D=74mm
根據(jù)(JB826-66)選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，取 D=80mm，外徑按中等壁厚設(shè)計(jì) ， 由 (JB826-67) 取 外 徑 為 108mm 2）活塞桿的計(jì)算校核
活塞桿的尺寸要滿(mǎn)足活塞（或液壓缸）的運(yùn)動(dòng)要求，對(duì)于桿長(zhǎng) L 大于直徑 d 的 15 倍以上時(shí)，按拉壓強(qiáng)度計(jì)算
√
d ≥ 4𝐹 （mm）
𝜋[σ]
設(shè)計(jì)中選擇活塞桿的材料為碳鋼，碳鋼的許用應(yīng)力[σ]=100-120Mpa，本設(shè)計(jì)中取 100Mpa，則 d≥7.3mm
表 5-2 活塞桿直徑系列(mm)（GB/T2348-93）
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
50
63
70
80
90
100
考慮到活塞桿穩(wěn)定性問(wèn)題，先試選活塞桿的直徑為 d=20mm 現(xiàn)在進(jìn)行活塞桿的穩(wěn)定性校核，其穩(wěn)定條件為
F≤Pk/nk………………………………………………(5.5)
式 中 ：Pk—— 臨 界 力 (N) nk——安全系數(shù)，nk=2-4
在中長(zhǎng)干進(jìn)行校核時(shí)，其臨界力 Pk=S（a-bλ） 式中：S——活塞桿截面的面積（mm）
a，b——常數(shù)，與材料的性質(zhì)有關(guān)，碳鋼 a=461，b=2.47 λ——柔度系數(shù)，經(jīng)計(jì)算為 90,λ=ul/i=1x450/5=90
帶入數(shù)據(jù)：臨界 Pk=F（a-bλ）=74951.8N 取 nk=3，F(xiàn)=4131.4≤Pk/nk=24983N
所以活塞桿滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。
5.4 油缸端蓋的鏈接方式和強(qiáng)度計(jì)算
為保證鏈接的緊密性，螺釘間距 t 應(yīng)該去合適值，在螺釘鏈接中，每個(gè)螺釘在剖面上承受的拉力為 Q0，是工作載荷 Q 和剩余預(yù)緊力 Qs 之和
Q0=Q+QS………………………………………………(5.6) 式中：Q——工作載荷 Q=F/z
F——驅(qū)動(dòng)力Z——螺釘?shù)臄?shù)目
QS——剩余預(yù)緊力，QS=KQ，K=1.5-1.8
計(jì)算：D=80mm，取 D0=100mm，P=1Mpa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，根據(jù)表 4-2， 間距小于 150mm，試選螺釘?shù)臄?shù)目為 4 個(gè)
則 z=πD0/t,帶入數(shù)據(jù)得 t=78.5<150 滿(mǎn)足要求
Q=F/z=( 𝜋𝐷2P/z)=1256N
4
取 K=1.5 𝑄𝑠=1.5Q=1884N
𝑄0=Q+𝑄𝑠=1256+1884=3140N
螺釘直徑按強(qiáng)度條件計(jì)算
𝑑 ≥ 4x1.3𝑄0…………………………………(5.7) π[σ]
1 √
QJ——計(jì)算載荷 QJ=1.3Q0 QJ=1.3Q0=4875N
[σ]——許用抗拉應(yīng)力 [σ]=σ/n
o ——螺釘材料的屈服強(qiáng)度，材料選 45 鋼，則屈服強(qiáng)度為 352Mpa n —— 安 全 系 數(shù) n=1.2-2.5， 此 處 取 n=2 d1——螺紋內(nèi)徑
代入數(shù)據(jù)，d1≥0.0054m，所以取 M6 的鏈接螺釘合理。
6 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
6.1 概述
大臂是鏈接機(jī)身與小臂的重要結(jié)構(gòu)部件，主要起支撐小臂的作用，大部頂端通過(guò)吊耳中孔，和小臂使用銷(xiāo)軸鏈接，可以在機(jī)身回轉(zhuǎn)缸上實(shí)現(xiàn)繞自身軸線(xiàn)回轉(zhuǎn)以及豎直方向上升降，大臂可以與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成機(jī)身固定在機(jī)身底座上， 機(jī)身可以用螺釘固定在地面，也可以是行走的小車(chē)上，移動(dòng)的范圍更大，還可以連接在軌道上跟著軌道運(yùn)動(dòng)。流水線(xiàn)上的機(jī)械手大多數(shù)都是固定在地面上 的 。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，大臂的伸縮行程為 500mm，手臂回轉(zhuǎn)范圍為±120°， 采用大臂置于回轉(zhuǎn)缸的結(jié)構(gòu)形式。大臂結(jié)構(gòu)跟小臂結(jié)構(gòu)相似，同樣采用和小臂處一樣的雙導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)。
6.2 大臂升降缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算1）大臂升降缸不自鎖條件
對(duì)于懸臂式機(jī)械手，其傳動(dòng)件，導(dǎo)向桿和定位元件的布置應(yīng)當(dāng)合理，以
減少對(duì)升降軸線(xiàn)的偏心力矩，防止“卡死”現(xiàn)象，即“自鎖”，不自鎖的條件為
h≥2ρf………………………………………………………(6.1) 式中：h——導(dǎo)向支撐長(zhǎng)度
ρ——旋轉(zhuǎn)整體的偏心距離f——摩擦系數(shù)
2）手臂偏重力矩的計(jì)算
圖 6-1 機(jī)械手簡(jiǎn)圖
估算重量，根據(jù)小臂的設(shè)計(jì)可知，手部、手腕、以及工件的重量為 G=1262N
小臂的重量𝐺手臂=400N，計(jì)算零件的中心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的距離ρ， 由前面設(shè)計(jì)可知，ρ1=1260mm，ρ2=450mm
所以ρ=（Gρ1+𝐺手臂ρ2）/G 總=1065mm
偏重力矩 M 偏=G 總ρ=1662x1.065=1134N·M
根據(jù)前面的不自鎖條件，導(dǎo)向支撐長(zhǎng)度 h≥2ρf，取摩擦系數(shù) f=0.15，則導(dǎo)向支撐長(zhǎng)度 h≥2x1134x0.15=340.2mm，取 h=350mm
3）油缸的驅(qū)動(dòng)力
F=F 慣+F 摩+F 回±G…………………………………………(6.2) 式中：F 摩——摩擦阻力
G——工件以及各零件的總重 F 慣——啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性阻力
○ 1 F 摩的計(jì)算，可以參考小臂雙導(dǎo)向桿設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算方法，活塞桿密封處摩擦力較小，可忽略不計(jì)，根據(jù)圖 6-2 受力分析可得
Fa-Fb=0 ∴Fa=Fb
圖 6-2 機(jī)械手受力分析
∑ 𝑀𝐴=0,Fb·h=ρ·G 總，F(xiàn)b=ρ·G 總/h,F 摩=2Fbf=1517N
○ 2 F 慣的計(jì)算
F 慣=G 總△v/(g△t)…………………………………………(6.3) 式中：△v——從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的速度變化
△t——啟動(dòng)時(shí)間，一般取 0.03-0.5s
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，大臂的升降速度為 0.25m/s。設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間為 0.2s，帶入式中可得 F 慣=1662x0.25/（9.8x0.2）=212N
由于會(huì)有背壓的阻力很小，可將其忽略不計(jì)所以 F=1517+212±1662
當(dāng)液壓缸上升時(shí)，驅(qū)動(dòng)力 F=3391N 當(dāng)液壓缸下降時(shí)，驅(qū)動(dòng)力 F=67N
6.3 油缸尺寸參數(shù)的計(jì)算 1)液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，
液壓缸的驅(qū)動(dòng)力按上升時(shí)計(jì)算，F(xiàn)=3391N，由表由表 3-1，選擇液壓缸的工作
壓力為 1Mpa。
√
根據(jù)液壓缸的內(nèi)徑的計(jì)算公式
D= 4𝐹 ……………………………………………(6.4)
πpη
式中：F——活塞桿的驅(qū)動(dòng)力（N） P——液壓缸的工作壓力（Mpa） η—— 油缸的機(jī)械效率，η 取 0.96 代入數(shù)據(jù)得 D=67.08mm
根據(jù)(JB826-66)選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，取 D=80mm，外徑按中等壁厚設(shè)計(jì)，由(JB826-67)取外徑為 108mm。
2）活塞桿的計(jì)算
√
設(shè)計(jì)中取活塞桿的材料為碳鋼，碳鋼的許用應(yīng)力為[σ]=100-120Mpa，取
[σ]=100Mpa，根據(jù)公式 d≥ 4𝐹
𝜋[σ]
帶入數(shù)據(jù)得 d≥6.6mm，參照小臂的活塞桿設(shè)計(jì)，同樣選擇直徑為 20mm 的活塞桿。
6.4 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算校核
參照第 5 章小臂伸縮缸的設(shè)計(jì)，為保證鏈接的緊密性，螺釘間距 t 應(yīng)該去合適值，在螺釘鏈接中，每個(gè)螺釘在剖面上承受的拉力為 Q0，是工作載荷 Q 和剩余預(yù)緊力 Qs 之和
Q0=Q+QS……………………………………………………(6.5) 式中：Q——工作載荷 Q=F/z
F—— 驅(qū) 動(dòng) 力 Z—— 螺 釘 的 數(shù) 目 QS——剩余預(yù)緊力，Qs=KQ，K=1.5-1.8
計(jì)算：D=80mm，取 D0=100mm，P=1Mpa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，根據(jù)表 4-2，間距小于 150mm，試選螺釘?shù)臄?shù)目為 4 個(gè)
則 z=πD0/t,帶入數(shù)據(jù)得 t=78.5<150 滿(mǎn)足要求Q=F/z=( 𝜋𝐷2P/z)=1256N
4
取 K=1.5 𝑄𝑠=1.5Q=1884N
𝑄0=Q+𝑄𝑠=1256+1884=3140N
1 √
螺釘直徑按強(qiáng)度條件計(jì)算
𝑑 ≥ 4x1.3𝑄0………………………………………………(6.6) π[σ]
式中： QJ——計(jì)算載荷 QJ=1.3Q0 QJ=1.3Q0=4082N
[σ]——許用抗拉應(yīng)力 [σ]=σ/n
o ——螺釘材料的屈服強(qiáng)度，材料選 45 鋼，則屈服強(qiáng)度為 352Mpa n —— 安 全 系 數(shù) n=1.2-2.5， 此 處 取 n=2 d1——螺紋內(nèi)徑
代入數(shù)據(jù)，d1≥0.0054m，所以取 M6 的鏈接螺釘合理。
6.5 大臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)作為機(jī)身置于大臂正下方，回轉(zhuǎn)缸的輸出軸通過(guò)軸端部的盤(pán)狀薄面端蓋用螺釘與大臂的液壓缸活塞桿和兩導(dǎo)向桿端部鏈接起來(lái)，輸出軸豎直方向上放置，旋轉(zhuǎn)時(shí)就帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖 6-3 大臂與回轉(zhuǎn)缸的鏈接結(jié)構(gòu)。
6.5.1 回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算根據(jù)公式 M 驅(qū)=M 慣+M 摩
式中：M 驅(qū)——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力拒
M 慣 —— 慣 性 力 矩M 摩——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支撐處的摩擦力
慣性力矩
圖 6-3 大臂與機(jī)身回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)
M =J △𝜔
慣 0 △𝑡
式中 J0——臂部回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對(duì)回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
△ω——回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片角速度變化量，△ω=ω（rad/s）
△t——啟動(dòng)過(guò)程所需時(shí)間 s
根據(jù)前面計(jì)算可知，手臂回轉(zhuǎn)中心與回轉(zhuǎn)軸的距離 ρ=1065mm，則
J0=Jc+(Gρ2)/g……………………(6.7) 式中： Jc——回轉(zhuǎn)零件的重心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Jc=1/12m（l2+3R2）
回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個(gè)長(zhǎng)1600mm，直徑為180mm 的圓柱體，質(zhì)量為166.2kg，
△ω=45°/s=0.785rad/s，設(shè)啟動(dòng)時(shí)間為△t=0.2s。Jc=166.2/12(1.62+3x0.182)=36.8kg·m2
J0=J+（G·ρ2）/g =229kg·m2 M 慣=229x0.785/0.2=899N·M
為了簡(jiǎn)便計(jì)算，密封處的摩擦力矩 M 封=0.03M 驅(qū)，回油背壓很小，此處忽略不計(jì) M 回=0
所以 M 驅(qū)=899+0.03M 驅(qū)，得 M 驅(qū)=927N·M
6.5.2 回轉(zhuǎn)油缸各個(gè)參數(shù)的確定
1）回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑 D 的計(jì)算公式為
D=√103𝑥 8𝑀 驅(qū) + 𝑑2………………………………(6.8)
6𝑃
式 中 ：P—— 回 轉(zhuǎn) 油 缸 的 工 作 壓 力 Mpa d——輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑，初步設(shè)計(jì)按 D/d=1.5-2.5 b——?jiǎng)悠瑢挾龋?2b/(D-d)≥2 選取
設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片寬度 b=100mm，工作壓力為 4Mpa，d=60mm，代入數(shù)據(jù)，算出 D=148mm，按照液壓缸的標(biāo)準(zhǔn)系列選取 D=150mm,壁厚設(shè)計(jì)為 15mm，則外徑為180mm。
2）油缸缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算
回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為 4Mpa，根據(jù)表 4-2，所以螺釘間距 t 應(yīng)該小于 100mm， 螺釘安裝處的直徑取 D0=210 螺釘?shù)臄?shù)目