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長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計
編號
本科生畢業(yè)設計
球坐標機械手
Spherical Coordinates Manipulator
學 生 姓 名
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
學 號
指 導 教 師
分 院
機電工程分院
2012年6月
31
摘 要
機械手與機械人是二十世紀五十年代以后,伴隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用,而迅速發(fā)展起來的一門新興技術。它綜合應用了機械、電子、自動控制等先進技術以及物理，生物等學科的基礎知識實現機械化與自動化的有機結合。它不僅在工業(yè)生產上，而且對宇宙開發(fā)，海洋開發(fā)，軍事工程和生物醫(yī)學等方面都起著推動的作用，因而日益受到世界許多國家政府，學術團隊和科學技術人員的重視，毫無疑問，這門技術將具有廣闊的發(fā)展前景。
在生產現代化領域里，材料的搬運，機床的上下料，整機的裝配等是個薄弱環(huán)節(jié)。在機械工業(yè)部門，這些工序的費用占全部加工費用三分之二以上，而且絕大多數的事故發(fā)生在這些工序，自動上下料裝置和工業(yè)機械手就是為實現這些工序的自動化而采用的。
通用機械手在工業(yè)生產中的應用只有二十來年的歷史，這種裝置在國外得到相當重視，到七十年代，其品種和數量都有很大的發(fā)展，并且研制了具有各種感覺器官的機器人。
關鍵字：機械手 液壓缸 PLC 自由度 控制閥
Abstract
Machinery and mechanical hand is the 20th century after the 1950s, accompanied by electronic technology, especially the extensive application of computers and the rapid development of a new and emerging technologies. It comprehensive application of the machinery, electronics, automatic control, and other advanced technology, and physics, biology and other disciplines of basic knowledge of mechanization and automation to achieve the organic integration. It is not only in industrial production, but also the development of the universe, ocean development, military engineering and biomedical and other aspects of the role of promoting the play, thus increasing by many countries in the world government, academic team and the importance of science and technology, there is no doubt that This portal technology will have broad prospects for development.
In the field of modern production, material handling, machine tools expected from top to bottom with two of the assembly is a weak link. In the industrial machinery sector, these processes of the total cost of processing more than two thirds of the cost, but the majority of the accidents occurred in these processes, automatic device from top to bottom and industrial machinery is in hand to achieve the automation of these processes used.
Universal Manipulator in the industrial production of only 20 coming year history of such devices in foreign countries have attached considerable importance to the 1970s, has great variety and quantity of development and has developed a variety of sensory organ of the so-called machine People.
Keyword: manipulator hydraulic cylinder PLC freedom control valve
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
1 緒論 1
1.1 機械手的概述 1
1.2 機械手的組成與分類 1
1.2.1 機械手的組成 1
1.2.2 機械手的分類 2
1.3 機械手的應用簡況、應用意義及發(fā)展趨勢 3
1.3.1 機械手發(fā)展概況 3
1.3.2 機械手的組成 4
1.3.3 上下料機械手的使用必要性 5
1.4 機械手在生產中的作用 5
2 總體方案分析 7
2.1 總體方案分析 7
2.2 方案的確定 7
2.3 動作原理 7
2.4 工業(yè)機械手的傳動方案設計 8
2.4.1 傳動方案設計 8
2.4.2 工業(yè)機械手主要技術參數 8
3 手部的設計 9
3.1 手部結構 9
3.2 手爪的計算與分析 10
3.2.1 手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算 10
3.2.2 手爪的夾持誤差分析與計算 11
4 腕部的設計 11
4.1 腕部結構 11
4.2 腕部回轉力矩的計算 11
5 手臂的設計 14
5.1 手臂伸縮液壓缸的設計計算 14
5.1.1 手臂作水平伸縮直線運動驅動力的計算 14
5.1.2 手臂垂直升降運動驅動力的計算 14
5.1.3 確定液壓缸的結構尺寸 15
5.1.4 活塞桿的計算 16
5.1.5 液壓缸端蓋的聯(lián)接方式與強度計算 17
5.2 手臂俯仰運動的設計計算 19
5.2.1 手臂俯仰時所需的驅動力矩 19
5.2.2 缸蓋聯(lián)接螺釘計算和動片聯(lián)接螺釘計算 20
機身設計 21
6.1 機身結構的計算 21
6.2 機身設計時應注意的事項 23
7 機械手液壓系統(tǒng)工作原理 23
7.1 能量轉化簡圖 23
7.2 液壓系統(tǒng)的組成 24
7.3 液壓傳動系統(tǒng)機械手的特點 24
7.4 油缸泄漏問題與密封裝置 25
7.4.1 活塞式油缸的泄漏與密封 25
7.4.2 回轉油缸的泄漏與密封 25
7.5 液壓系統(tǒng)傳動方案的確定 26
7.5.1 各液壓缸的換向回路 26
7.5.2 調速方案 26
7.5.3 減速緩沖回路 27
7.5.4 系統(tǒng)安全可靠性 27
結 論 30
致 謝 31
參考文獻 32
1 緒論
1.1 機械手的概述
工業(yè)機械手（以下簡稱機械手）是近代自動控制領域中出現的一項新技術，作為多學科融合的邊沿學科，它是當今高技術發(fā)展最快的領域之一，并已成為現代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分。
所謂工業(yè)機械手就是一種能按給定的程序或要求自動完成物件（如材料、工件、零件或工具等）傳送或操作作業(yè)的機械裝置，它能部分地代替人的手工勞動。較高級型式的機械手，還能模擬人的手臂動作，完成較復雜的作業(yè)。
由于機械手科學的發(fā)展十分迅速，世界上對機械手還沒有一個明晰，統(tǒng)一的定義。
國際標準化組織（ISO）對機械手做了如下定義：機械手是一種可以反復編程和多功能的用來搬運材料、零件、工具的操作機或是為了執(zhí)行不同任務而具有可改變和可編程的動作的專門系統(tǒng)（A reprogrammable and multifunctional manipulator, devised forthe transports of masteries, parts, tools or specialized Systems, with varied and programmed movements, with the aim of carrying out varied tasks）。
隨著我國工業(yè)機械手技術的不斷發(fā)展，很多專家也建議建立自己的機械手定義，我國國家標準GB/T12643-90 也將工業(yè)機械手定義為“一種能自動定位控制，可重復編程的、多功能的、多自由度的操作機。它能搬運材料、零件或操持工具，用于完成各種任務作業(yè)”。
1.2 機械手的組成與分類
1.2.1 機械手的組成
工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成，各部關系如圖1所示：
圖1工業(yè)機械手組成框圖
機械手大致可分為手部、傳送機構、驅動部分、控制部分以及其它部分。
(1) 手部（或稱抓取機構）包括手指、傳力機構等，主要起抓取和放置物件的作用；
(2) 傳送機構（或稱臂部） 包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用；
(3) 驅動部分 它是驅動前兩部分的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓、氣壓、電力和機械式驅動四種形式；
(4) 控制部分 它是機械手動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序(程序)、位置和時間(甚至速度與加速度)等；
(5) 其它部分 如機體、行走機構、行程檢測裝置和傳感裝置等。
1.2.2 機械手的分類
機械手從使用范圍、運動坐標形式、驅動方式以及臂力大小四個方面的分類分別為：
(1) 按機械手的使用范圍分類：
①專用機械手
一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機械手”、“曲拐自動車床機械手”、“油泵凸輪軸自動線機械手”等等。這種機械手結構較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產的場合。
②通用機械手（也稱工業(yè)機器人）
指具有可變程序和單獨驅動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機器，而且能自動
生成傳送物件或操作某些工具的機械裝置。通用機械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數字控制類型。這種機械手由于手指可更換(或可調節(jié))，程序可變，故適用于中、小批生產。但因其運動較多，結構較復雜，技術條件要求較高，故制造成本一般也較高。
(2) 按機械手臂部的運動坐標型式分類：
①直角坐標式機械手
臂部可以沿直角坐標軸X、Y、Z三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X 方向的移動)、左右移動(定為沿Y方向的移動)和上下升降(定為沿Z方向的移動)；
②圓柱坐標式機械手
手臂可以沿直角坐標軸的X和Z方向移動，又可繞Z軸轉動(定為繞Z軸轉動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉動；
③球坐標式機械手
臂部可以沿直角坐標軸X方向移動，還可以繞Y軸和Z軸轉動，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動)、上下擺動(定為繞Y軸擺動)和左右轉動(仍定為繞Z軸轉動)；
④多關節(jié)式機械手
這種機械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機體的連接(肩部)均為關節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉動。
(3) 按機械手的驅動方式分類：
①液壓驅動機械手以壓力油進行驅動；
②氣壓驅動機械手以壓縮空氣進行驅動；
③電力驅動機械手直接用電動機進行驅動；
④機械驅動機械手是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構等傳給機械手的一種驅動方式。
(4) 按機械手的臂力大小分類：
①微型機械手 臂力小于1kg；
②小型機械手 臂力為1—10kg；
③中型機械手 臂力為10—30kg；
④大型機械手 臂力大于30kg。
1.3 機械手的應用簡況、應用意義及發(fā)展趨勢
1.3.1 機械手發(fā)展概況
機械手是在自動化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術，特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與自動化的有機結合。
機械手是一種模仿人手部的動作，按照預先設定的程序、軌跡和其他要求，實現抓取、搬運工件和操縱工具的自動化裝置。
機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量臂人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛的得到應用。
1.3.2 機械手的組成
機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復雜，但基本的組成形式是相同的。一般機械手由執(zhí)行機構、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。
機械手的執(zhí)行機構，由手、手腕、手臂、支座組成。手是抓取機構，用來夾緊或是松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指和手臂的元件，可以進行上下、左右和回轉動作。簡單的機械手可以沒有手腕，而只有手臂，手臂的動作和手腕相類似，只是動作范圍更大，可以前后伸縮，上下升降和左右擺動等。支柱用來支撐手臂，它是固定的，也可以根據需要做成移動的。
執(zhí)行機構的動作要有傳動系統(tǒng)來實現。常用的機械手傳動系統(tǒng)分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。
控制系統(tǒng)的主要作用是控制機械手按一定的程序、方向、位置、速度進行動作。簡單的機械手一般不設置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關、繼電器、控制閥及電路便可實現對傳動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機構按要求進行動作。動作復雜的機械手則要采用可編程控制器、微型計算機進行控制。
簡單的組成和分類以及適用范圍如下：
(1) 工業(yè)機械手的組成：
執(zhí)行系統(tǒng)的組成：手部、腕部、機身、行走機構。
驅動系統(tǒng)的組成：各種電氣、液壓元件。
控制系統(tǒng)的組成：位置檢測器、記憶存儲器。
(2) 工業(yè)機械手的分類：
液壓式：操作力大，動作平穩(wěn)，其缺點是泄油會影響系統(tǒng)的工作性能，油的粘度對溫度的變化敏感。
氣動式：氣源方便，維護簡單，易于獲得高速度，其缺點是操作力有限，體積大?？諝鈮嚎s性大,速度控制困難,動作不平穩(wěn),控制有滯后現象。
電動式：動力源方便，操作力度大。其缺點是需要設置減速機構，結構較復雜，或用特殊電機驅動。
機械式：一般借助主機動力源，通過凸輪，連桿機構來實現規(guī)定的動作，變換程序較困難，結構龐大。
(3) 工業(yè)機械手按適用范圍分：
專業(yè)機械手：一般指附屬于某一設備的，動作程序固定的，沒有獨立的控制系統(tǒng)的搬運裝置。
通用機械手：一般指動作程序可變的，具有獨立控制系統(tǒng)的自動化裝置。
(4) 工業(yè)機械手按運動軌跡控制方式分：
點位控制：機械手的運動軌跡是空間兩點間的聯(lián)線，只要求準確控制部件的移動起始位置或有限的設定點位置，不要求控制其運動軌跡。
連續(xù)軌跡控制：機械手的運動軌跡是空間連續(xù)曲線，其設定點是無限的能在三維空間中作任意復雜的動作。
1.3.3 上下料機械手的使用必要性
在現代的機械加工中，消耗于上下料的時間損失是組成零件單件加工時間的一部分，它屬于輔助時間，我們知道要想提高生產率，減少生產中的輔助時間，將是非常重要的一個環(huán)節(jié)。而要想減少輔助時間必須實現生產自動化，自動上下料機構就是為實現生產中上下料工序而設計的一種專用機構。
自動上下料機構中供散亂的中、小型工件毛坯，經過定向機構，實現定向排列，然后順序的由上下料機構送到機床或工作地點去。這在自動化成批大量的生產中顯然是實用的，它不但可把操作人員從復雜而繁重的勞動中解脫出來，而且對保證安全生產也是一種行之有效的方法。
工業(yè)機械手在二十世紀五十年代就已用于生產。它是在自動上下料的基礎上發(fā)展起來的一種機械裝置。開始主要用來實現自動上下料和搬運工件，完成單機自動化和生產線自動化。隨著應用范圍的不斷擴大，現已用來操持工具和完成一定的作業(yè)。實踐證明：使用自動上下料的機械手可以代替人手的繁重勞動，減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率，還具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量臂人手大等特點。因此，自動上下料機械手已得到越來越廣泛的得到應用。
1.4 機械手在生產中的作用
機械手在工業(yè)生產中的應用極為廣泛，可以歸納為以下一些方面。
(1) 旋轉休零件（軸類、盤類、環(huán)類）自動線
一般都采用機械手在機床之間傳送工件。加工箱體類零件的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的。
(2) 在實現單機自動化方面
①各類半自動車床，有自動夾進刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料；裝上機械手，可實現全自動生產，一人看管多臺機。
②注塑機有加料、合成、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手自動裝卸工件，可實現全自動生產。
③沖床有自動上下料沖壓循環(huán)，裝上機械手上下料，可實現沖壓生產自動化。
(3) 鑄、鍛、焊、熱處理熱加工方面
工業(yè)機械手滿足了社會生產的需要，其主要特點是：
①對環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險、有害的操作，在長時間工作對人體有害的場所，機械手不受影響，只要根據工作環(huán)境時行合理設計，扶把適當的材料和結構，機械手就可以在異常高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險環(huán)境中勝任工作。
為了謀求操作安全和徹底防止公害，在工作事故多的工程，如沖壓、壓鑄、熱處理、鍛造、噴漆以及有有強烈紫外線照射的電弧焊等作業(yè)中，推廣工業(yè)機械手工機器人。
②機械手能持久、耐勞，可以把人從繁重單調的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾個小時后，總會感到疲勞或厭倦，而機械手只要注意維護、檢修，即能用途長時間的單調重復勞動。
③由于機械手的動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產品的質量，同時又可避免人為的操作錯誤。
④機械手特別是通用工業(yè)機械手的通用性、靈活性好，能較好地適應產品品種的不斷變化，以滿足柔性生產的需要。這是因為機械手動作程序和運動位置（或軌跡）能夠十分靈活快速地予以改變，而其眾多的自由度，又提供了迅速改變作業(yè)內容的可能，在中、小批量的自動化生產中，最能發(fā)揮其作用。
⑤采用機械手能明顯地提高勞動生產率和降低成本。
2 總體方案分析
2.1 總體方案分析
由設計內容可知，本次設計所確定的機械手的整體結構為球坐標式機械手，此機械手要實現從傳送帶到設備的上下料過程。傳送帶移動方向與設備上所夾持的工件方向垂直。因此手臂動作為擺動或者轉動，手爪的動作為伸縮和松夾。由于此機械手的動作要求放置不同的工件，所以實現上下料過程也要求手腕能旋轉動作。
多種方案分析
通過以上分析，這里初選三個方案，各方案如下：
方案一：機身的旋轉，采用電動機驅動實現，大手臂的俯仰也采用電動機驅動實現，小手臂的伸縮用伸縮缸實現，手腕的回轉用電動機實現。
方案二：機身的旋轉，采用電動機驅動實現，大手臂的俯仰也采用電動機驅動實現，小手臂的伸縮用齒輪齒條實現，手腕的回轉用電動機實現。
方案三：機身的旋轉，采用擺動液壓缸驅動實現，大手臂的俯仰采用擺動液壓缸驅動實現，小手臂的伸縮用伸縮缸實現，手腕的回轉用擺動液壓缸。
2.2 方案的確定
通過方案一，方案二和方案三的比較分析可知，方案一從功能上講可以滿足條件，但電動機的造價太高，不太經濟。方案二中也存在上述的問題。同時齒輪齒條的驅動精度太低，在抓取工件時定位精度不夠準確，且結構大而復雜。方案三中，由液壓缸來完成的部分，不僅驅動力大且結構也相對簡單，雖然擺動缸結構尺寸大但輸出轉矩大，進行優(yōu)化設計，從而得出方案三最佳，并最終確定此次的設計方案方案三，方案如下：
機身旋轉、手腕轉動，均采用擺動缸來控制，手臂的伸縮用伸縮缸控制，手爪的松夾用夾緊缸來控制。
2.3 動作原理
本次設計是液壓驅動，電氣控制。機械手的各個動作是由液壓缸來驅動的，其動作過程是由液壓缸的各個動作運動至終點時壓合行程開關，將行程開關的機械運動通過PLC轉化為電磁閥得電和失電，后由電磁閥控制各油路的通斷，以實現各液壓缸的相應運動，從而控制機械手的各個動作。
2.4 工業(yè)機械手的傳動方案設計
2.4.1 傳動方案設計
按工業(yè)機械手的不同形式及其組合情況，其活動范圍的圖形也是不同的，基本上可分為四種運動形式；直角坐標式機械手、圓柱坐標式機械手、球坐標式機械手、關節(jié)式機械手。
根據設計要求，選用球坐標型式。
由于液壓傳動具有以下幾個優(yōu)點：
(1) 壓力高，可實現較大的驅動力，機構可做的較小，緊湊。
(2) 無級變速，定位精度高，可實現任意中間位置的停止。系統(tǒng)固有震動頻率小，壓力、容量調節(jié)容易。
(3) 重量小，慣性小，可做到經?？焖偾覠o沖擊的變速和換向，容易控制，動作平穩(wěn)，遲滯小。
2.4.2 工業(yè)機械手主要技術參數
機械手的主要技術參數有抓重、自由度、坐標形式、工作行程（或轉角）、工作速度和定位精度、手指夾持范圍、驅動源等。
(1) 抓重（又稱臂力） 額定抓取重量或額定負載，單位㎏。
抓重是指機械手在正常運行時所能抓取或搬運工件的最大重量，本設計要求抓取工件的重量為30kg,考慮到手臂結構強度等因素，通常安全系數k在2～3范圍內選用。
(2) 自由度和坐標形式
整機、手臂和手腕等運動共有四個自由度，坐標型式為球坐標。
機械手的四個自由度分別為機身回轉，手臂俯仰，伸縮及手腕回轉四個自由度，以滿足上下料動作的要求。
(3) 工作行程范圍
工作行程范圍是指臂部，腕部，整個機械手直線移動距離或回轉角度的范圍。對于通用機械手，為保證一定的通用性，一般手臂回轉行程范圍應盡可能大一些，選擇0°～200°（實際使用為180°），俯仰范圍60°。手臂伸縮行程及工件半徑要適當，若伸縮行程大，工件半徑也較大，手臂伸縮也較長，偏重力矩，轉動慣性了較大，剛性降低，易振動，定位精度驗難于保證，手臂伸縮行程在500～1000毫米范圍內選取，據設計要求選取上料機械手伸縮范圍0～600毫米，手臂升降范圍為0～600毫米。
(4) 工作速度
工作速度是指機械手最大的運動速度，運動的大小與機械手的驅動方式、定位方式、抓重大小和行程距離有關。因此，手臂的運動速度應根據生產節(jié)拍時間的長短，生產過程的平穩(wěn)性，定位精度的要求來確定。影響機械手動作快慢的兩個主要運動是：手臂的伸縮和回轉運動一般應用的機械手移動速度通常在200～300毫米/秒，回轉角度在一圈5S左右。
(5) 定位精度
定位精度即位置精度，位置精度的高低與位置控制方式，機械手運動部件的精度和剛度、抓重、運動速度等有關。目前機械手大多采用點位控制，采用固定擋塊控制時，可達到較高的位置精度（±0.5mm或更高）。
(6) 工件為截面200mm×200mm的方形工件。
3 手部的設計
3.1 手部結構
手部（亦稱抓取機構）是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等不同，所以工業(yè)機械手的手部結構是多種多樣的，大部分的手部結構是根據特定的工件要求而設計的。歸結起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可以分成夾持和吸附兩大類。
夾持手部按其手指夾持工件時的運動方式，可分為手指回轉型和手指平移型兩種。
平移型手指的張開和閉合靠手指的平行移動，適用于夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓棒時，不會引起中心位置的偏移。所以選擇平移型手指。
由于工件為方料，而平移型手指適于夾持平板和方料，故本設計選用平移型手指。移動型即兩手指相對支座作往復移動。
其驅動力為：F=2FN
3.2 手爪的計算與分析
3.2.1 手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算
一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。
手爪對工件的夾緊力：
FN≥K1K2K3G
式中 K1—安全系數，通常取1.2～2.0；
K2—工作情況系數，主要考慮慣性力的影響，可近似按下式估算K2=1+
a—運載工件時重力方向的最大上升加速度；
g—重力加速度，g≈9.8m/s2
a=
—運載工件時重力方向的最大上升速度；
—系統(tǒng)達到最高速度的時間；根據設計參數選取。一般取0.03～0.5s。
K3—方向系數，由于手爪是水平放置夾持水平放置工件，平直指端夾方形件，由表取K3=0.5。
G—被抓持工件的重量，G= 30×9.8N=294N
帶入數據，計算得：
FN =K1K2K3G
=1.5×1.02×0.5×294N=224.91N≈225N
查表2-1得：
驅動力：F計算=2 FN =450N
取η=0.85
F實際==450/0.85N=530N
3.2.2 手爪的夾持誤差分析與計算
機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手定位精度，而且也與手指的夾持誤差大小有關。為適應工件尺寸在一定范圍內變化，避免產生手指夾持的定位誤差，必須注意選用合理的手部結構參數，從而使夾持誤差控制在較小的范圍。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過1mm就可以了。
4 腕部的設計
4.1 腕部結構
手腕部件設置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改善或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的運動范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。
手腕部件具有獨立的自由度。
手腕運動有：繞X軸轉動稱為回轉運動；繞Y軸轉動稱為上下擺動（或俯仰）；繞Z軸轉動稱為左右擺動；有的甚至沿著Y軸（或Z軸）的橫向移動。
采用一個自由度的回轉缸驅動的腕部結構，具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而背廣泛采用。
4.2 腕部回轉力矩的計算
腕部回轉時，驅動力矩用來克服腕部摩擦力矩、工件重心偏移力矩和慣性力矩。受力分析如圖所示。
圖4-1 腕部回轉受力分析圖
手腕回轉所需的驅動力矩大小可按下式計算：
M驅 =kf （M摩 +M偏+ M慣）
kf — 考慮驅動缸密封摩擦損失的系數，通常kf 取1.1～1.2;
M偏 — 工件重心偏執(zhí)引起的偏置力矩（N﹒m）；
M摩 —腕部轉動支撐處的摩擦阻力距（N﹒m）；
M慣—克服啟動慣性所需的力矩（N﹒m）；
(1) 腕部轉動支撐處的摩擦阻力距:
M摩=（N1D1+ N2D2）
f—軸承的摩擦系數，滾動軸承f=0.02，滑動軸承f=0.1；
N1,N2—軸承處支承反力（N）;
D1,D2—軸承直徑（m）；
(2) 工件重心偏執(zhí)引起的偏置力矩：
M偏=G1 e
G1—工件重量；
e—偏心距（m）（即工件重心到腕部回轉中心線垂直距離）；
由于工件重心與手腕回轉中心重合，故M偏=0。
(3) 克服啟動慣性所需的力矩：
M慣=(J+J工件)
J—手腕回轉部分對腕部回轉軸線的轉動慣量（kg﹒m2）；
J工件—工件對手腕回轉軸線的轉動慣量（kg﹒m2）；
—腕部回轉角速度（rad/s）；
t—啟動過程所需的時間（s），此處假定啟動過程為勻加速運動，一般取0.05～0.3s。
查表3-1有：
J=m（a2+b2）/12=/12
取G=30×9.8=294N
∴J=30×(0.22+0.22)/12 kg﹒m2
=0.2 kg﹒m2
根據經驗取J工件=0.5J=0.1 kg﹒m2
∴M慣=（J+J工件）
=0.3×N﹒m=1.9 N﹒m
M偏=0
取M摩=0.1M驅
又M驅 =kf （M摩 +M偏+ M慣）
=1.2×（0.1 M驅+0+1.9）
∴ M總=2.61N﹒m
圖4-2 回轉缸簡圖
1-定片 2-缸體 3-動片 4-密封圈 5-轉軸
5 手臂的設計
5.1 手臂伸縮液壓缸的設計計算
5.1.1 手臂作水平伸縮直線運動驅動力的計算
手臂做水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。
其驅動力F驅可按下式計算：
F驅 = F摩 + F慣 (N)
式中 F摩—各支承處的摩擦阻力；
F慣—啟動過程中的慣性力，其大小可按下式估算：
F慣= a (N)
式中 W —手臂伸縮部件的總重量 （N）；
g —重力加速度（g =9.8m/s）;
a —啟動過程中的平均加速度（m/s），
而 a = (m/s)
△v —速度變化量。手臂從靜止狀態(tài)加速到工作速度V時，則這個過程的速度變化量就等于手臂的工作速度；
△t —啟動過程中所用的時間，一般為0.01∽0.5s。
當F摩=100N,W=1300N，△V = 500mm/s時，
F驅= 100+× =100+133=233 (N)
5.1.2 手臂垂直升降運動驅動力的計算
手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力F摩和慣性力F慣之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅動力F驅可按下式計算：
F驅 = F摩 + F慣 ± W (N)
式中 F摩—各支承處的摩擦力（N）；
F慣—啟動時慣性力（N）可按臂伸縮運動時的情況計算；
W—臂部運動部件的總重量（N）；
±—上升時為正，下降時為負。
當F摩=100N，F慣=133N，W =1300N時
F驅=100+×+1300=1533（N）
5.1.3 確定液壓缸的結構尺寸
(1) 液壓缸的內徑的計算，當油進入無桿腔，活塞推力
F= F1η=Pη
當油進入有桿腔，活塞推力
F= F2η= Pη
液壓缸有效面積 D= (無桿腔)
式中 F—驅動力（N）
P1—液壓缸的工作壓力（pa）
d—活塞桿的直徑（m）
D—液壓缸的內徑（m）
η—液壓缸的機械效率，在工程機械中可用耐油橡膠
可取η=0.95
∴D==0.059m
查表4-3，4-4圓整 取D=80mm,d=45mm
查表4-2和查表4-3得
液壓缸工作壓力的選取一般取2～8Mpa
∴液壓缸的工作壓力是1533N
液壓缸的內徑80mm
(2) 液壓缸壁厚計算
三種壁厚的公式選取中等壁厚：
=+C
式中 P1—液壓缸內工作壓力（pa）
C—入管壁公差及侵蝕的附加厚度值
D—液壓缸內徑（m）
—缸筒材料的許用應力，應按壁厚圓筒公式驗算壁厚
取=100Mpa；
∴==0.7×10-3m
查表4-4得液壓缸外徑為95mm
5.1.4 活塞桿的計算
活塞桿的尺寸要滿足活塞運動的要求和強度的要求。對于桿長l大于直徑d的15倍（即l＞15d ）的活塞桿必須具有足夠的穩(wěn)定性。
按強度條件計算決定活塞桿直徑d
∴d≥ P=100～120MPa
∴d≥=0.004m (d=45mm)
滿足強度要求
又已知手臂伸縮行程600mm，即l=600mm
l＜15×d=675
∴活塞桿的穩(wěn)定性校核無需進行
5.1.5 液壓缸端蓋的聯(lián)接方式與強度計算
當液壓缸缸體的材料選用無縫鋼管時，它的端蓋連接方式多采用半環(huán)聯(lián)接，優(yōu)點是加工和裝卸方便，缺點時缸體開環(huán)槽削弱了強度。
(1) 缸蓋螺釘計算
表4—1 工作壓力為P=2Mpa
∴螺間距t1＜120mm 取t1=100mm
又 FQ0=FQ+ FQS'
FQ==
FQ0—螺栓所受的總拉力
FQ—工作載荷
F—驅動力（N）
FQS'—加載后被連接件結合面之間的剩余預緊力FQS'=KFQ K=1.5～1.8
Z—螺釘數目
p—工作壓力（Pa）
D—危險剖面直徑（m）
取Z=4 又Z=
∴D0=0.13m
∴取D0= 0.14m
∴FQ==7693N
∴FQS'= KFQ =1.6×7693=12308N
FQ=7693+12308=20001N
(2) 螺釘的強度條件
=≤ = 抗拉許用應力（單位Mpa）
n=1.2～1.25 取n=2 取45鋼為360Mpa
∴==180 Mpa
∴d1==8.11cm
取d1=100mm
(3) 缸體螺紋計算：
d1≥
取k1=1.3 D=80mm d1=100mm
d1≥0.08m
(4) 聯(lián)接半環(huán)的計算
半環(huán)的剪切強度條件：
=≤
D1=D+2=80+20=100mm
=0.75×=0.75×180×106=135 Mpa
≥PD1/4=2×106×0.1/4×135×106=0.37mm
取=10mm
半環(huán)的擠壓強度條件：
=≤
=（1.7～2.0）
=h
∴=＜
—材料的許用擠壓應力（pa）；
h—半環(huán)的徑向高度（m）；
∴滿足條件
5.2 手臂俯仰運動的設計計算
5.2.1 手臂俯仰時所需的驅動力矩
驅動手臂回轉的力矩M驅 ，應該與手臂起動時所產生的慣性力矩M慣及各密封裝置處的摩擦阻力矩M封相平衡。
M驅=M封+M慣
式中 M封—密封裝置處的摩擦力矩（N?M）
需要輸入回轉油缸的流量Q：
Q=L/min
Z—葉片數， Z=1
D—回轉油缸的內徑 ， D=15cm
d—輸出軸與動片連接處的直徑，d=6cm
b—動片寬度， b=12cm
—輸出軸的角速度， =0.187rad/s
∴Q==3.18 L/min
驅動力矩M驅
M驅===567N·m
d1≥=8.11cm
5.2.2 缸蓋聯(lián)接螺釘計算和動片聯(lián)接螺釘計算
螺釘的間距取60mm
Z===9.42 取Z=10
工作載荷：F====3532.5N
(1) 缸蓋聯(lián)接螺釘直徑d1：
d1≥=0.57㎝
取d1=8㎜
(2) 動片聯(lián)接螺釘的計算
FQ===12600N
螺釘的強度條件為=≤
又FQj=1.3FQ=1.3×12600=16380N
=1800㎏/㎝2
∴ d1≥==3.4㎝
取d1=16㎜
式中 FQ—每個螺釘的預緊力（N）
b—動片的寬度（m）
p—回轉液壓缸的工作壓力（Pa）
D—動片外徑（m）
d—動片與輸出軸配合處直徑（m）
z—螺釘數目
d1—螺釘的底徑（m）
—螺釘材料的許用應力（Pa）
機身設計
機身是直接支承和驅動手臂的部件。一般實現臂部的升降、回轉或俯仰等驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結構和受力情況就愈復雜。機身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運動。
機身具有獨立的自由度。
采用一個自由度的回轉缸驅動的機身結構，具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而背廣泛采用。
6.1 機身結構的計算
機座回轉時，驅動力矩用來克服機身摩擦力矩、機身重心偏移力矩和慣性力矩。
機座回轉所需的驅動力矩大小可按下式計算：
M驅 =kf （M摩 +M偏+ M慣）
kf — 考慮驅動缸密封摩擦損失的系數，通常kf 取1.1～1.2;
M偏 —機身重心偏執(zhí)引起的偏置力矩（N﹒m）；
M摩 —機座轉動支撐處的摩擦阻力距（N﹒m）；
M慣—克服啟動慣性所需的力矩（N﹒m）；
(1) 機座轉動支撐處的摩擦阻力距:
M摩=（N1D1+ N2D2）
f—軸承的摩擦系數，滾動軸承f=0.02，滑動軸承f=0.1；
N1,N2—軸承處支承反力（N）;
D1,D2—軸承直徑（m）；
(2) 機身重心偏執(zhí)引起的偏置力矩：
M偏=G1 e
G1—機身重量；
e—偏心距（m）（即機身重心到機身回轉中心線垂直距離）；
由于機身重心與機身回轉中心重合，故M偏=0。
(3) 克服啟動慣性所需的力矩：
M慣=(J+J工件)
J—機座回轉部分對機身回轉軸線的轉動慣量（kg﹒m2）；
J工件—機身對機身回轉軸線的轉動慣量（kg﹒m2）；
—機座回轉角速度（rad/s）；
t—啟動過程所需的時間（s），此處假定啟動過程為勻加速運動，一般取0.05～0.3s。
查表3-1有：
J=m（a2+b2）/12=/12
取G=2500N
∴J=2500/9.8×(1.62+0.62)/12 kg﹒m2
=62kg﹒m2
根據經驗取J工件=0.5J=31 kg﹒m2
∴M慣=（J+J工件）
=93×N﹒m=586N﹒m
M偏=0
取M摩=0.1M驅
又M驅 =kf （M摩 +M偏+ M慣）
=1.2×（0.1 M驅+0+586）
∴ M總=800N﹒m
6.2 機身設計時應注意的事項
(1) 應使機身具有足夠的剛度和穩(wěn)定性；
(2) 應使機身運動的位置精度高，動作靈活；
(3) 應使機身結構布置合理，結構緊湊，便于維修；
(4) 要求缸體剛度和強度要大。
7 機械手液壓系統(tǒng)工作原理
7.1 能量轉化簡圖
機械手的液壓傳動力是以有壓力油作為傳遞動力的工作介質，電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉換為油液的壓力能，壓力油經過管道及一些控制調節(jié)裝置導進入油缸，推動活塞桿運動，從而手臂作伸縮，升降運動，將油液的壓力能又轉換成機械能。
其液壓傳動能或概括如下：
電 動 機
油 泵
控制調節(jié)裝置（各種閥類）控制系統(tǒng)壓力運動方向、運動速度
直線運動油缸
執(zhí)行機構（手臂、手部等）
回轉運動油缸
機械能輸出驅動力、速度
機械能輸出驅動力矩
壓力能
輸入
壓力油
機械能
輸出
圖7-1 能量轉化簡圖
7.2 液壓系統(tǒng)的組成
液壓傳動系統(tǒng)由以下幾個主要部分組成：油泵、液壓機、控制調節(jié)裝置、（如單向閥、溢流閥、換向閥、節(jié)流閥、調速閥、減壓閥、順序閥等）輔助裝置。
7.3 液壓傳動系統(tǒng)機械手的特點
液壓驅動系統(tǒng)的特點，由于液壓技術是一個比較成熟的技術，它具有動力大（或力矩）慣性比大，快速響應高、易于實現直接驅動等特點，適用于承載能力大、慣性大以及在防爆環(huán)境中工作的機械手。
機械手采用液壓傳動比采用氣壓傳動有如下優(yōu)點：
(1) 能得到較大的輸出力和力矩
(2) 液壓傳動滯后現象下，反應較靈活，傳動平穩(wěn)
(3) 輸出力和運動速度控制較容易
(4) 可達到較高的定位精度
但液壓傳動也有缺點：
(1) 系統(tǒng)的泄漏難以避免，影響工作效率和系統(tǒng)的工作性能
(2) 油液的粘度對溫度的變化很敏感，當溫度升高時，油的粘度即顯著降低，油液粘度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量。
7.4 油缸泄漏問題與密封裝置
機械手由于油缸泄漏嚴重，壓力不能提高，工作性能不穩(wěn)定，以致影響機械手的正常使用。因此，為了保證機械手液壓系統(tǒng)的工作性能，在各油缸的相對運動表面和固定連接斷面的進行密封。以防止壓力油從高壓油腔泄漏到低壓油或泄漏到缸體處面。
目前，機械手液壓系統(tǒng)使用的密封件大多采用耐油橡膠制成的各種形式密封圈，作為動密封和靜密封，以保證兩結合面的密封性。
密封圈在配合面間的密封作用，主要是借安裝時的預壓和工作時由于油液壓力的作用，使密封圈變形并壓緊密封表面達到目的。
7.4.1 活塞式油缸的泄漏與密封
對于實現往復運動的活塞油缸來說，其泄漏主要是活塞與缸臂處的內泄漏及往復活塞桿與缸蓋處的處泄漏。引起泄漏的原因是加工精度和滑動面光潔度不高，以及控制裝置不良所致。
對于活塞油缸的靜密封，主要采用O型密封圈，它既可以用外徑或內徑密封，也可以用端面密封。
O型密封圈裝在溝槽中，因受油壓作用而變形，并張緊溝槽和間隙，從而起到密封的作用，因此它的密封性能隨壓力的增加而提高。但是，當壓力過高或溝槽尺寸選擇不當時，密封圈很容易被擠出溝槽而造成劇烈磨損。為克服這個缺點，當油缸油液的壓力大于100㎏/㎝2時，要在O型密封圈側面放置擋圈，在壓力低于100㎏/㎝2時，一般不加擋圈。在手臂伸縮油缸和手臂俯仰油缸中都用了Y型密封圈，Y型密封圈在工作時壓力油液把Y型密封圈的唇邊緊緊壓在相對運動的兩配合面上，并隨著油液壓力的增高而提高密封性能，并能補償磨損的影響，所以裝配時唇邊要對壓力油腔。在一般情況下，Y型密封圈可直接裝入溝槽內即可引起密封作用，但在壓力變動較大，滑動速度較高的地方，要使用支承環(huán)以固定密封圈。
7.4.2 回轉油缸的泄漏與密封
手臂回轉油缸中，由于動片與缸體，動片與輸出軸，動片端面和缸蓋之間的間隙不易保證，易引起較大的泄露，使油液的壓力降低，減少了輸出扭矩，達不到設計要求，影響機械手的正常運行。為減少泄漏，除嚴格控制相對運動表面的配合間隙外，主要的是采用密封裝置進行密封。
經反復考慮，選擇矩形橡膠密封圈組成回轉油缸的密封結構，其中擋圈的作用是防止高壓油液將橡膠密封圈擠入配合間隙，以保證密封性并延長密封圈的使用壽命。
7.5 液壓系統(tǒng)傳動方案的確定
7.5.1 各液壓缸的換向回路
為便于機械手的自動化控制，如采用可編程器或微機進行控制，從工況圖中可知系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此一般選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化程度和經濟效益。
液壓機械手一般采用單泵或雙泵供油，手臂伸縮、手臂俯仰和手臂旋轉等機構采用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不干擾，實現同步或非同步運動，換向閥需要采用中位“O”型換向閥。
7.5.2 調速方案
整個液壓系統(tǒng)只用單泵或雙泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用液壓泵的全流量工作是無法滿足設計要求的。盡管有的液壓缸是單一工作，但也需要進行節(jié)流調速，用以保證液壓缸運行的平穩(wěn)性。各缸可選擇進油路或回油路節(jié)流調速，因為系統(tǒng)為中低系統(tǒng)，一般適宜選用節(jié)流閥調速。
機械手的手臂伸縮和手臂俯仰或升降缸采用兩個單向節(jié)流閥來實現。若只用一節(jié)流速調速時，則進行油達到最大允許調速來實現調節(jié)。當無桿腔進油時，其速度就少于最大允許速度，但仍然符合設計需要。
在一般情況下，機械手的各個部位是分別動作，手腕回轉和手臂回轉缸（或升降）所需的流量較為接近，手腕回轉缸和手臂回轉缸及夾緊缸所需流量較為接近，且它們兩組缸所需的流量相差較大，這樣不但可以選擇單泵供油系統(tǒng)，也可以選擇雙泵系統(tǒng)。
單泵供油系統(tǒng)要以所有液壓缸中需流量最大的來選擇泵的流量。優(yōu)點是系統(tǒng)較為簡單，所需的元件較少，經濟性好。缺點是當所需流量較少的液壓缸動作時，系統(tǒng)的溢流損失較大，能源利用率較低。對于系統(tǒng)功率較小的場合是可取的。本設計選用單泵供油。
7.5.3 減速緩沖回路
通用工業(yè)機械手要求可變行程，它是由微機控制，可在行程中任意點定位，故應在液壓系統(tǒng)中采用緩沖裝置，形成緩沖回路。
7.5.4 系統(tǒng)安全可靠性
手臂俯仰缸（或手臂升降缸）在系統(tǒng)失壓情況下會自由下落或超速下行，所以應在回路中增加平衡回路，方法可用單向順序閥做平衡閥，手臂伸縮缸有俯仰狀態(tài)時，亦應同樣考慮。為防止夾緊缸壓力系統(tǒng)壓力波動的影響或過高，導致夾緊力過大損壞工件，或過低無法夾緊工件，造成意外的安全事故，需在油路上增加減壓閥保證夾緊缸的壓力恒定不變。
7.5.5 機械手的動作分析
序號 元件名稱 型號 規(guī)格 數量
1 線隙式濾油器 XU-132X100 250N 32l/min 1
2 電動機 Y100L1-4 N=2.2KW n=1430r/min 1
3 齒輪泵 CE-B25 2.5MPa 25l/min 1
4 溢流閥 P-B25B 2.5MPa Φ12mm 1
5 電磁換向閥 22D-25B 2.5MPa Φ12mm 1
6 單向閥 I-25B 6.3MPa Φ12mm 1
7 壓力表 Y-60 0～4.0MPa 1
8，14 節(jié)流閥 L-25B 6.3MPa Φ12mm 2
9，15，20，
21，25，26，30 節(jié)流閥 L-25B 6.3MPa Φ12mm 7
10，16 電磁換向閥 22D-25BH 6.3MPa Φ12mm 2
22，27 電磁換向閥 22D-10BH 6.3MPa Φ12mm 2
11，17 電磁換向閥 34D-25B 6.3MPa Φ12mm 2
23，28 電磁換向閥 34D-10B 6.3MPa Φ12mm 2
31 電磁換向閥 23D-10B 6.3MPa Φ12mm 1
12，18 單向順序閥 XI-B25B 2.5M