四自由度搬运机械手的设计与运动仿真

摘要在机械制造业中，机械手已被广泛应用，改善了工人的劳动环境，显著地加快了生产节奏，提高了劳动生产率，工业生产的机械化和自动化程度得到了提高。本文先对机械手的国内外研究现状以及搬运机械手的应用背景和需求分析进行分析，对本课题任务进行了四自由度搬运机械手的总体方案设计。首先，确定了搬运机械手的自由度为四自由度；其次，本文设计了四自由度搬运机械手的夹持式手部结构、手臂结构、机身、机座、驱动系统等部分，实现了四自由度搬运机械手的水平回转，轴向移动，竖直升降，手部的旋转四个自由度及手爪的开合。本文通过针对四自由度搬运机械手的整体设计，设计出了一种具有模块化、高可靠性物料的搬运机械手，对其他经济型搬运机械手的设计也有一定的借鉴作用。关键词：四自由度；机械手；气动驱动；运动学仿真IAbstractIn machinery manufacturing, robots have been widely used to improve workers labor environment, significantly speed up production, increase labor productivity, and increase the degree of mechanization and automation of industrial production. This paper first analyzes the research status of manipulators both at home and abroad, as well as the application background and demand analysis of the handling robots. The overall program design of the four-degree-of-freedom transport manipulator is performed on the tasks of this project. Firstly, the degree of freedom of the handling robot is determined to be four degrees of freedom. Secondly, this paper designs the gripping hand structure, arm structure, fuselage, frame and drive system of the four-degree-of-freedom handling robot and realizes four freedoms. Degree of rotation of the handling robot, axial movement, vertical lifting, four degrees of rotation of the hand and the opening and closing of the hand. In this paper, by designing the overall design of a four-degree-of-freedom handling robot, a handling robot with a modular, high-reliability material is designed, which also has a certain reference for the design of other economical handling robots.Keywords: four degrees of freedom; manipulator; pneumatic drive; kinematics simulation目录第1章 绪论11.1选题背景及研究意义11.2 机械手概述11.3 国内外发展现状21.3.1国外机械手发展现状21.3.2国内机械手发展现状21.4课题的主要研究内容3第2章 四自由度搬运机械手的总体方案设计42.1工作原理42.2 基本参数要求42.2.1基本参数的确定42.2.2设计要求52.3整体方案52.4小结6第3章 四自由度搬运机械手的机械结构设计73.1底座的设计73.2手部的设计73.2.1机械手手部结构的计算73.2.2竖直升降模块的设计83.2.3水平伸缩模块的设计93.3腕部的设计103.3.1 概述103.3.2 手腕驱动力矩的确定103.4臂部的设计123.4.1手臂运动机构的选择123.4.2手臂偏重力矩的确定123.5小结13第4章 四自由度机械手驱动系统设计144.1气动元件的选用144.2气动系统中各控制和辅助元件的选用154.2.1方向控制阀的选用154.2.2流量控制阀的选用164.2.3压力控制阀的选用164.3液压模块计算164.3.1 液压缸活塞的驱动力的计算164.3.2液压缸的结构尺寸194.4活塞杆的设计214.4.1活塞杆的计算214.4.2活塞杆的稳定性校核214.5手臂旋转设计234.6 手臂升降设计254.6.1臂部做升降运动时油缸的相关计算264.6.2油缸内径的计算264.6.3油缸壁厚的计算274.6.4活塞杆的计算284.7小结29第5章 四自由度机械手液压系统设计305.1机械手液压缸的受力情况305.1.1 大臂升降缸的受力情况305.1.2 手爪夹紧缸的受力情况305.1.3 手臂伸缩缸的受力情况305.2液压元件的选择305.3液压系统原理图315.4小结31第6章结论33致谢34参考文献35附录36V第1章 绪论1.1选题背景及研究意义机械手的研制，加快了世界科技发展的进程；机械手的诞生，是工业制造史上的重大突破，提高了工业制造生产的水平。在这样的背景下，制造业里面的机械手发展的很是迅速，并且有着十分广泛的应用范围。机械手的动作都是设计好的，主要通过程序来控制机械手去完成规定制定的行为动作，它主要用于枯燥重复的流水线工作的完成，特别在一些高温、危险的环境里，去完成对人来说有困难的工作。虽然目前的机械手是比较成熟的，但是由于机械手的制造成本昂贵，因此目前仅应用于航天航空等高端领域。所以制造成本低、可以满足低端领域使用的四自由度搬运机械手的设计就刻不容缓了。一旦这种新型机械手问世，人类不仅会从传统的手工加工方式中解脱出来，还能让人类的生产率得到大幅的提高，进而改善人类的工作环境，从而让人类的生活变得越来越美好。这种机械手主要功能是代替人去完成繁重而单调的重物搬运和物品分拣工作1。机械手的研制不仅有利于生产的机械化和自动化程度的提高，还可以减少人力的浪费，加快生产的节奏，因此对这种机械手的进一步研制就显得尤为重要。1.2 机械手概述本课题研究设计搬运机械手的自由度个数是四个。四自由度机械手的运动原理基本相同，但是由于使用领域的不同，所以其结构的设计还是有很大的区别。虽然结构上有些差异，但是机械手的设计主要是设计机械手的控制系统还有驱动系统和传动执行机构这三方面。只有这三方面设计的合理，机械手才能正常运行。 1.3 国内外发展现状1.3.1国外机械手发展现状世界上第一台机械手是1958年美国联合公司发明出来的，控制系统是简单的示教型的。后来科学家在此基础上进行了改造，设计出了第二代机械手，对新一代的机械手设计了更多的新功能，实用性也增加了不少。随后的时间里，美国机械铸造公司、Unimate公司等公司对机械手的研发都很热情，研究出了具有更多功能的机械手。日本从1969年在美国进口了一批机械手后，充分发挥了其学习模仿的能力，经过对机械手的研究，日本工业迅速崛起，尤其是汽车行业的迅速发展，成就了“工业发展最迅速”的神话。现在国外对机械手的研发已经很先进了，已经开始从触觉和视觉方面去研制新型的机械手了。这样的机械手能够感应外界实物，不仅能够听到外界的声音，还能够看到外界的视野，这样高端的功能是非常厉害的。目前国外工业机械手的发展方向是柔性制造系统的一整条生产线的全自动化生产。 图1.1 美国早期机械手图 图1.2 日本机械手图1.3.2国内机械手发展现状在上个世纪八十年代，国内才开始对机械手进行研究，足足比发达国家对机械手的研究要晚了几十年。我国的第一台机械手是在上海被研发成功的，随后其他城市对机械手的研究才开始进行。随着经济改革开放，国家对机械手的研究力度提高了，并且投入了大量的科研人员和大量资金。图1.3 国内机械手图现在我国研发的机械手主要还是用在工业方面，在其他领域的研发进境不是太好。虽然我国的机械手运用在了工业方面，但是自主研发的机械手因为产量少，且达不到一些精密仪器生产的要求。一些高精度加工还是引进国外淘汰的机械手，引进机械手的成本较高，所以我国能用得起机械手的工业企业还是很少的。1.4课题的主要研究内容机械手主要是用在工业制造生产上，对物品做流水线式的搬运工作。对于机械手的功能要求并不多，主要完成大的工作是实现物体的来回搬运。本文机械手设计的研究内容如下：（1）机械手的工作原理机械手的定位；机械手的旋转动作和抓取动作；机械手的复位功能。（2）机械手的机械结构模块设计 机械手的结构设计包括机械手底座、手部、腕部、臂部的设计。（3）机械手的驱动系统模块设计机械手的驱动模块设计包括气动和液压两部分。（4）机械手的液压系统模块设计 机械手的液压模块设计包括机械手工作时液压缸的受力情况、液压元件的选取和机械手工作时的液压原理图的设计。第2章 四自由度搬运机械手的总体方案设计2.1工作原理四自由度搬运机械手的工作原理是仿造人类手臂关节的活动结构，来实现各种复杂动作的运动的，一般机械手都运用在环境恶劣、流水线或者是危险性的工作环境下。本文设计的这种四自由度搬运机械手主要功能是搬运，具体来说就是把一个地方的物品搬运到固定位置上去，这样的自动化设备可以有效减轻劳动力。本文设计的这种四自由度搬运机械手运用在流水工作线上2，所以对四自由度搬运机械手的活动顺序和对时间的掌控都有比较高的要求了。四自由度搬运机械手在搬运物体时，要保证机械手能平稳，快速，精准的运行。机械手原理图如图2.1所示。图2.1机械手的结构简图2.2 基本参数要求2.2.1基本参数的确定机械手的设计主要包括结构、功能和各种驱动及动力系统的设计，机械手的基本参数的确定应该是机械手的第一步。本文设计机械手的基本参数如下表所示3。表2-1 机械手工作过程中的主要参数2.2.2设计要求本课题设计的搬运机械手，要求由四个方向的运动，分别是手臂可以旋转，还有手臂能够绕着轴来摆动，最后是手臂可以夹紧松开，达到加持物品的效果。机械手的工作过程可分为： 1）机械手运动的实现是利用电机传递的动力，带动传动轴、齿轮运动，进一步带动机械手的运动； 2）手部的运动的实现是靠凸轮驱动摆杆，进而带动齿轮转动，最后经过内部机构的带动； 3）利用凸轮的运动原理，使圆通实现移动，进而带动手臂进行摆动； 4）转盘的往复回转的实现是通过圆柱凸轮带动齿条、齿轮转动完成的。 2.3整体方案在设计机械手的结构时候，要对实际的工作环境还有使用情况详细分析，然后根据情况来设计能够符合要求的机械手才行。机械手的设计需要满足的条件：要留足机械手的工作空间，并且设计的机械手应能够以多种运动形式完成不同要求的工作。机械手的结构设计，应该在满足机械手具体的工作环境和要求的前提下，通过对人的手臂功能的模仿学习之后，进行机械手的具体结构、机械手的姿态和运动方式的设计4。图2.2机械手实物图图中1机座，2液压缸，3旋转关节，4手臂，5手爪，6法兰盘7手杆。2.4小结本章对四自由度搬运机械手的工作原理进行了详细的描述，确定了机械手的基本参数和设计要求，明确了机械手的整体设计方案。第3章 四自由度搬运机械手的机械结构设计3.1底座的设计机械手的底座的主要作用是承重，不仅要承受机器人全部重量，还要承受机械手的工作载荷，因此需要有较大的强度和刚度。机械手能否正常工作，取决于底座的安装基面的大小。由于机械手对底座的结构要求较低，只要机械手的定位合理即可，本课题设计的机械手其底座如图所示。图3.1底座三维图3.2手部的设计3.2.1机械手手部结构的计算 机械手夹持爪要根据手爪的工作环境来选取，主要参考依据有被搬运物品的质量、大小、形状和机械手夹持爪的工作行程，本课题所设计的机械手的参数为:M=30.0kg,夹持点和转轴中心的最大力臂为46.0mm,由这些参数来确定夹持手爪的规格。夹持手爪夹持物品的夹持力的计算如下5： 公式(3.1)式中 安全系数，(取值为1.22)；工况系数，一般情况下受器件惯性力的影响较大,a被搬运物品的加速度，g被搬运物品的重力加速度；位置系数； G被搬运物品的重量； 分别取,;则由能公式(3.1)可得: 公式(3.2)所以夹持力矩(取最小的夹持力计算) 为: 公式(3.3)由计算结果知，可选取型号为SMC,MHC2- 16D- A198S的手爪，其主要参数：（1）手爪开合时间0.03s；（2）手爪的夹持力矩75N.m；（3）重复定位精度为0.02mm。图3.2手爪结构图3.2.2竖直升降模块的设计竖直臂的作用是控制机械手的升降，它的驱动方式是气压驱动，因为竖直臂不易定位，考虑到工作中工作行程和工作压力等因素的影响，所以本设计选取了双联气缸。由于活塞杆要克服载荷收缩做工，所以气缸的内径D的大小要结合机械手工作压力和工作载荷来确定，具体过程如下： 公式(3.4) 式中 D气压缸的内径m；F气压活塞受到的载荷N；P气压缸受到的压力Pa；气缸总的机械效率（的取值范围0.30.5）；考虑到气缸中活塞杆的直径和具体工作情况的影响： 公式 (3.5) 将 ，代入公式（3.5）计算得： 公式（3.6）式中 t竖直臂气缸的伸缩时间， s竖直臂气缸的收缩行程， F竖直臂气缸的收缩行程，3.2.3水平伸缩模块的设计因为水平臂只在平面内运动，且仅有一端需要定位，所以采用水平钢杆和气压缸组合使用的方法来保证了水平臂的刚性，选用笔形气缸就可达到设计要求。将 ，代入式（3.5）计算得： 公式（3.7） 式中 t竖直臂气缸的伸缩时间， s竖直臂气缸的收缩行程， F竖直臂气缸的收缩行程，根据3.2.2和3.2.3的计算结果，选取型号为SMC,CXSM10-70-Z75的气缸，其重复定位精度为0.020mm。3.3腕部的设计3.3.1 概述机械手的手部与臂部是靠腕部进行连接的，腕部对手部有支承作用。因为腕部作用的重要性，所以腕部的结构设计尽量紧凑，材料选取密度较小的，这样的腕部重量较轻，转动起来比较灵活6。本课题设计的机械手腕部具体结构如下图所示。图3.3腕部结构图3.3.2 手腕驱动力矩的确定机械手手腕回转时，启动产生的惯性力矩、转动轴与支承孔之间的摩擦阻力矩、密封装置的摩擦阻力矩、转动的重心与轴线不重合产生的偏重力矩对手腕的回转影响较大，因此在设计手腕时就不得不从这几方面进行入手。手腕转动时驱动力矩具体可按下式来计算7： 公式（3.8） 式中 M驱驱动手腕转动的驱动力矩M惯惯性力矩 M偏参与转动的零部件对转动轴线所产生的偏重力矩 M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 腕部回转时受力如图所示。图3.4腕部回转力矩图 摩擦阻力矩M摩 公式（3.9） 式中 f轴承摩擦系数，滚动轴承取f=0.020，滑动轴承取f=0.10； N1 、N2 轴承的支承反力； D1 、D2 轴承直径由设计参数得, ,， f=0.10。由公式（3.9）代入数值计算可得 公式（3.10） 工件重心偏置力引起的偏置力矩M偏 公式（3.11） 式中 G1工件重量（N） e偏心距将e=0.02，G1=300N代入公式（3.11）计算得 公式（3.12） 腕部启动时的惯性阻力矩M惯 公式 （3.13） 式中 手腕回转角速度（1/s） t手腕启动过程中所用时间（s） J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kgm） J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量（kgm） 由已知计算得J=3.0，J工件 =6.0，=0.30m/ m,t=1.50s,代入公式（3.13）得 公式（3.14） 由于受到驱动缸密封处摩擦损失的影响，设计时M的取值应该比理论值偏大，一般按下式进行计算8。 公式（3.15） 将公式（3.10）、（3.12）、（3.14）计算的结果代入得 公式（3.16）综上计算知手腕驱动力矩为12.123.4臂部的设计3.4.1手臂运动机构的选择臂部不仅是用来支承手部和腕部的主要部件，也是机械手的主要执行部件。它不仅承受手臂自身的重量，还要承受手部、手腕、和被抓取工件的重量。手臂的设计是否合理将直接影响机械手的工作性能，因此手臂的设计必须考虑以下因素的影响8：机械手的抓取重量、运动形式、运动速度和定位精度的要求 手臂受力情况、导向装置和油缸的分布、手腕与内部管路的连接方式。综合刚度、导向性、偏重力矩和稳定性等因素对机械手臂部的设计的影响，本设计选择的手臂运动机构为双导杆伸缩机构，其驱动方式为液压驱动,液压缸选取双联液压缸。3.4.2手臂偏重力矩的确定手臂偏重力矩的计算公式 公式（3.17）经过初步计算可得，。所以手臂所受的外力为 公式（3.18）初步取各部分长度为， 计算出平均偏重长度为 公式（3.19）由公式（3.17）代入数据计算得偏重力矩为 公式（3.20）3.5小结本章确定了机械手的机身底座、手爪的相关数据以及确定了水平升降模块和垂直升降模块的气缸内径和型号,对机械手的手臂、腕部和臂部进行了设计。第4章 四自由度机械手驱动系统设计4.1气动元件的选用气压泵是气压回路的心脏，主要为回路提供动力。进行气动回路设计时，首先要完成气压泵的选择。而气压泵的选择主要确定气压泵的类型和气压泵具体型号，气压泵的类型要根据气压回路对气压的特性要求来确定，气压泵的具体型号是由气压回路中气压缸的耗气量总和、所需的气体压力、气压泵的吸入流量和气压泵的输出气压进行参考选取的10。气缸的换气量Q主要受气缸的直径D、气缸的动作时间、行程S、气缸管道内的容积、换向阀到气缸管道的容积等因素的影响，为了方便计算，一般忽略这些因素的影响，因此在单位时间内气缸内空气耗气量Q的计算过程如下： ， 公式（4.1）式中 Q在单位时间内气缸压缩气体的消耗量(m3s)；Q1无活塞杆端气缸进气的情况下压缩气体的消耗量（m3s)；Q2有活塞杆端气缸进气的情况下压缩气体的消耗量（m3s)；t1、t2气缸内活塞的往返程时间（s）；S气缸内活塞的行程（m）；D气缸内部的直径（m）；d气缸内活塞杆的直径（m）；水平臂气缸内的压缩空气耗气量计算过程如下：由公式（4.1）计算得： 公式（4.2）式中 t水平臂气缸压缩空气的时间，t=0.6s s水平臂气缸压缩空气的行程，s=60mm D水平臂气缸的缸径，D=13mm竖直臂气缸内的压缩空气耗气量计算过程如下10：由公式（4.1）计算得： 公式（4.3）式中 t竖直臂气缸压缩空气的时间，t=0.5s s竖直臂气缸压缩空气的行程，s=70mm D竖直臂气缸的缸径，D=35mm综上两部分的计算,本课题最后选用参数为：LB:0.0178; 220V50HZ; 0.80MPa；0.245kw的气压泵。4.2气动系统中各控制和辅助元件的选用在气动系统中，气压泵、控制阀、气动回路和执行气动缸的相互配合是机械手完成指定的工作要求和任务的关键。气动控制阀保证了整个气动回路的有序运行，气动回路中的各类控制阀控制各执行元件的动作顺序和速度的方式是通过改变压缩空气的方向和流量来控制的，气压泵的压缩空气进而带动各气压缸等执行元件的工作。 4.2.1方向控制阀的选用在气压回路中，执行元件的启动、停止和方向变化是由方向控制阀来控制的。它的工作原理是通过改变压缩气体的方向及通断，来控制气动回路中的执行元件完成指定要求的工作。方向控制阀种类较多，可以将其分为如下3类11：（1）按阀内空气流通方向分为：单向型控制阀；双向控制阀。（2）按控制方式分为：电磁控制型换向阀；气压控制换向阀；机械换向阀；人力控制阀。（3）按照定义分为：按阀内换气端口的数量定义为几通阀按阀内阀芯有、切换工作位置的数目定义为几位阀。 所研究的机械手要满足自动控制的要求气缸工作时的具体要求，综合考虑了机械手的技术要求，所以本课题选择了先导性2位5通电磁换向阀。4.2.2流量控制阀的选用通过流量控制阀对机械手的各个动作元件的速度进行有效的控制，机械手才能保证其动作过程的完整进行。流量控制阀是通过控制流过流量控制阀的气流流通截面积的改变来控制气动回路中的流量，流量控制阀大体上可以分为3种：排气节流阀节流阀单向节流阀。因为本课题所选用的是双向工作气缸，所以需要2个单向节流阀组合的来实现。4.2.3压力控制阀的选用压力控制阀作为气动回路中首选气压元件，它的功能是控制回路中气流压力的变化，按照功能可以将其分为：减压阀；顺序阀；溢流阀（安全阀）。本课题所选用的是溢流阀，它主要用于气压泵的出口处，当回路中压力过大时，可以对整个回路起到过载保护作用。4.3液压模块计算4.3.1 液压缸活塞的驱动力的计算本课题所设计机械手的手臂伸缩速度为250.0mm/s，其行程L=400.0mm，其抓重300.0N； 公式（4.4）式中 摩擦阻力； 密封装置处的摩擦阻力；液压缸回油腔内的低压油液所造成的阻力；启动或制动时，活塞杆所受到平均惯性力。其中、的具体计算如下。（1）的计算。本课题设计导向杆是截面为圆柱面的双向导向杆，导向杆对称均布在伸缩缸的两侧，启动开始时，导向杆受到摩擦阻力较大，具体计算如下:由于导向杆的配置是对称的，两个导向杆的受力情况是相同的，因此计算过程中只计算一个导向杆。 公式（4.5） 公式（4.6） 公式 （4.7） 公式（4.8） 公式（4.9）由公式（4.5）、（4.6）、（4.7）、（4.8）、（4.9）联合得 公式（4.10） 公式（4.11）式中 参与运动的零部件和工件所受的总重力,本设计具体值为L支承杆和手臂结构的重量的中心的距离,；a导向支承杆的长度,; 当量摩擦系数，其值受导向支承杆的截面形状影响。对于圆柱面来说 的计算如下: 取=1.5摩擦系数常见材料的摩擦系数如下：钢对青铜: 取 钢对铸铁: 取，取，代入已知数据得 公式（4.12）（2）的计算 液压缸密封处的总摩擦力计算如下: 公式（4.13） 公式（4.14）式中 驱动力，d伸缩油管的直径,d=70mm；P工作压力(Pa)；P<10.0MPa,取值范围为0.02300.050,取p=4.0Mpa,=0.050；L密封的有效长度。 公式（4.15） 公式（4.16） 公式（4.17）取=10mm,K=0.1代入公式（4.17）计算得 公式（4.18）公式(4.19)（3）的计算 由于背压阻力较小，F回的计算一般取（4）的计算 公式（4.20） 公式(4.21)式中 参与运动的零部件所受的总重力(包括工件重量)（N）g重力加速度，取10静止加速到常速的速度变化量启动过程的时间(s)，其取值范围为，取=0.050s。综上（1）、（2）、（3）、（4）的计算，所求驱动力为，F=453.13N 公式（4.22）4.3.2液压缸的结构尺寸（1） 液压缸内径的计算油进入无杆腔的情况如下： 公式（4.23） 油进入有杆腔的情况如下： 公式（4.24）液压的有效面积: 公式（4.25）由公式（4.23）、（4.24）代入数值计算得 公式(4.26) 公式(4.27)由计算结果查表4-1得，液压缸内径 D取整D=40mm式中 F驱动力N)；液压缸的工作压力,取=4Mpa；D活塞缸内径m)；d活塞杆直径(m)；液压缸机械效率，取。表4-1 液压缸工作压力表表4-2液压缸内径系列JB826-66（mm）（2） 液压缸壁厚计算在实际应用中，液压缸壁厚计算有下列三种情况11:中等壁厚，时， 公式（4.28） 公式（4.29）式中 液压缸内的工作压力钢管的强度系数，其中无缝钢管=1计入管壁公差及侵蚀的附加厚度D液压缸内径（m）壁薄，时， 公式（4.30） 公式（4.31）壁厚，时，由得 公式（4.32） 公式（4.33）式中 材料的抗拉强度（）n安全系数，n的取值范围为3.55常用缸体材料的许用应力常见几种材料的许用应力如下，锻钢的取值范围为110.0120.0Mpa,本文取用=120.0Mpa；铸铁=60.0Mpa；无缝钢管的取值范围为100.0110.0Mpa。表4-3 标准液压缸径（JB6867）（mm）4.4活塞杆的设计4.4.1活塞杆的计算因为活塞杆直d由强度条件决定,故具体计算要考虑拉、压强度的影响，计算过程如下12: 公式 (4.34) 公式（4.35）碳钢,取;一般不小于1.4，取由公式（4.34）、（4.35）计算得 公式 (4.36)由公式（4.36）结果得，活塞杆直径d取整d=10mm 4.4.2活塞杆的稳定性校核由活塞杆长度和直径的关系来确定是否进行稳定性校核。当括塞杆长度L15d时，就必须进行校核了，校核过程如下11： 公式（4.37）式中 临界力（N），由材料力学中的有关公式计算可得。 安全系数，其取值范围为活塞杆的临界力有三种情况，具体情况如下：（1）大柔度杆当时，临界力为 公式(4.38)式中 柔度系数，活塞杆的计算柔度i活塞杆横截面的惯性半径（m）,J活塞杆截面对中性轴的惯性矩（），E弹性横量，E=210GPa长度折算系数，特定的柔度值，为比例极限。（2）中柔度杆 当时，临界力为 公式（4.39）式中 F活塞杆横截面积（）a、b与材料性质有关的常数，特定的柔度值，为屈服极限（3）短压杆短压杆的时候，由于，此时活塞杆L<15d,因此不进行压杆稳定的校核。4.5手臂旋转设计由机械手手臂的旋转运动来确定机械手手臂的回转液压缸，回转液压缸做回转运动受力情况如图4.1所示。图4.1 手臂回转运动受力图机械手手臂的回转驱动力矩计算如下： 公式（4.40）（1）密封装置处的摩擦力矩 公式（4.41）估计取 ,；取回转缸内径 ,输出轴与动片联接处的直径为, 公式(4.42) 公式 (4.43) 公式(4.44)(2)手臂启动时的惯性力矩 公式 (4.45)式中动片角速度的变化量，启动时，。启动过程所需的时间（s）,取 公式（4.46）式中 回转零件相对于重心轴线的转动惯量 公式（4.47）将手臂回转零件质量，回转时手臂长度代入公式（4.45）、（4.46）、（4.47）中计算得 公式(4.48) 公式(4.49) 公式(4.50)（3）回转液压缸回油腔的背压反力矩 公式（4.51）取, 公式 (4.52) 公式(4.53)驱动力矩的计算 公式（4.54） 图4.2 回转液压缸计算图回转缸内径D的计算根据 公式（4.55） 公式（4.56） 公式（4.57）式中D回转缸内径（m）M驱作用在动片的外载荷力矩b动片宽度（m）p回转液压缸的工作压力（Pa）d输出轴和动片联接处的距离（m），初步设计时按D=2d计算b动片的宽度 公式（4.58）选择动片宽度b（即液压缸宽度）时,考虑到动片的悬伸长度和动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷的影响，可采用如下约束 公式（4.59）由公式（4.59）的约束关系结合公式（4.58）的计算，最终得出下列结果 4.6 手臂升降设计4.6.1臂部做升降运动时油缸的相关计算机械手臂部做升降运动的驱动力计算 公式 （4.60）式中 摩擦阻力（N），取； 臂部运动的零部件和被抓取工件的总重力，单位（N）。（注：必须加上不自锁的条件）计算结果为驱动力为45000牛，即 。4.6.2油缸内径的计算手臂升降液压缸内径如图所示图4.3 油缸内径图油进入无杆腔的情况如下： 公式（4.61）油进入有杆腔的情况如下： 公式（4.62）油缸的有效面积： 公式（4.63） 由公式（4.61）、（4.62）、（4.63） 得 公式（4.64） 公式（4.65）式中 P活塞受到的驱动力（N）；P1油缸的工作压力（）；D油缸的内径（mm）；d活塞杆的直径（mm）；油缸的机械效率。表4-4 压力选择参考表查表4-4知，当驱动力为45万牛时，油缸工作压力应选取为4MPa。再由公式计算得： 公式（4.66）表4-5 液压缸缸内径表（GB/T2348-93） 注：括号内的尺寸为理论尺寸，能不用尽可能不选用。由公式（4-66）计算结果选取的油缸内径，查表4-5可选出油缸内径为125mm 。4.6.3油缸壁厚的计算油缸壁厚的具体计算如下：中等壁厚（） 公式 （4.67）式中 D油缸内径（mm）；计算压力，P计的取值范围为；油缸材料的许用应力（）；强度系数；C油缸的附加厚度；由公式（4.67）代入数值计算得出油缸外径为 公式（4.68）查表4-6油缸外径表，可知C可取17，因此壁厚mm 。表4-6 油缸外径表注：缸体为无缝钢管4.6.4活塞杆的计算活塞杆的尺寸设计是必须要符合活塞运动的要求及强度的要求。当活塞杆的长度超过直径的15倍时，必须要对其进行稳定性校核。具体计算如下：因为活塞杆是直杆，所以应按拉、压强度计算： 公式(4.69) 公式(4.70)式中 P活塞杆所受的总载荷（N）；活塞杆材料的许用应力（） 。 公式(4.71)通过查活塞杆直径系列表表4-7，选用了直径为d=25mm的活塞杆。表4-7 活塞杆直径系列表由活塞杆长度L=300.0mm，知，此时不需要进行稳定性校核，因为该活塞杆满足设计要求。4.7小结本章首先完成了气动元件和液压阀的选取，然后完成了液压缸活塞的驱动力和液压缸结构尺寸的设计，最后完成了活塞杆的设计、校核以及手臂回转、升降液压缸的设计和油缸壁厚的确定。 第5章 四自由度机械手液压系统设计5.1机械手液压缸的受力情况5.1.1 大臂升降缸的受力情况大臂升降缸无论是否工作都会受到力的作用，具体情况分析如下10：机械手下降时，升降缸除了受活塞杆自身的重力，还受机械手组件启动惯性力和机械手组件的重力。机械手上升过程中，升降缸除了受到各组件的重力外，还要克服运动部件重载运动的摩擦阻力。机械手动作完成时，升降缸停止动作，升降缸依然受到各组件的重力的影响。5.1.2 手爪夹紧缸的受力情况手爪夹紧缸的受力情况主要有三种，具体分析如下10：当手爪夹紧工件夹紧缸竖直向下时，由于重载运动，夹紧缸不仅受到下降的启动惯性力和夹紧缸活塞杆自身的重力，还受到手部组件的重力。夹紧缸放松工件时，夹紧缸和手部组件的位置是水平的，夹紧缸的外载荷受到连动部件的启动惯性力和手部滑槽杆摩擦力的影响。机械手手部上下翻转时，此时夹紧缸动作保持不变，所受外载荷是摆动产生的离心力。5.1.3 手臂伸缩缸的受力情况手臂伸缩缸主要动作有两种，分别是手臂延伸动作和手臂收缩动作。手臂的动作状态只受启动惯性力地影响。手臂伸缩缸除了动作状态之外，均为动作保持阶段，此时手臂伸缩缸不受外部载荷。5.2液压元件的选择对机械手动作进行分析，考虑到立柱工作次数较多、能量的损耗、系统的温度等因素带来的影响，本文选用了电机型号为J02-51-4，功率7.50KW，电压380v的液压泵；选用了双联齿轮泵，其中一个是额定流量为18.0L/min；额定工作压力为2.5.0MPa的高压小流量泵，一个是额定流量为125.0L/min，额定工作压力为2.50MPa的低压大流量泵。5.3液压系统原理图机械手液压系统原理原理如图5.1所示图5.1 机械手液压系统原理图1油箱；2过滤器；3高压小流量泵；4低压大流量泵；5单向阀；6二位二通电磁阀；7溢流阀；8三位四通电磁阀；9二位五通电磁阀；10调速阀；11单向顺序阀。机械手液压系统工作原理如下：油箱1里的液压油经过过滤器2分为两路：经过高压小流量泵3流经单向阀5，流经三位四通电磁阀8、二位五通电磁阀9，依据系统油压的大小，电磁阀8、9依次打开，机械手完成相应的动作。当系统压力超载时，溢流阀7将会打开，对整个回路进行过载保护。经过低压大流量泵4流经单向阀，流经二位五通电磁阀9，依据系统油压的大小，电磁阀9打开，机械手完成抓取动作。当系统压力过载时，卸压回路对回路进行卸荷，维持回路压力稳定。5.4小结本章完成了大臂升降液压缸、夹紧液压缸、手臂伸缩液压缸的受力情况的确定，选取了合适的液压缸，构建了液压原理图。第6章结论本论文通过查阅分析四自由度搬运机械手的现阶段的发展状况，对比国内外机械手的发展情况，了解机械手的不同设计方案的优缺点，总结对比了各个设计方案。从目前国内外对机械手研制的投入可以看出，机械手是未来的工业发展必不可少的东西。总结本论文，本论文的主要研究内容有：（1）查阅机械手相关资料，对国内外目前对四自由度搬运机械手的发展状况进行详细阐述。(2)本文设计了机械手的机械结构、驱动系统和液压系统，使用UG对四自由度搬运机械手进行了三维建模，验证了机械手设计方案合理性。致谢时光如白驹过隙，四年时间转眼就过去了，大学生活也要结束了，与此同时毕业设计也渐入尾声了。在这段日子里，我为能够按时完成毕业设计，去查阅机械手相关方面的书籍；为了解决一些专业性较强的问题，去咨询我的指导老师。整个过程都是在导师的指导下完成的。在开题报告、论文框架的确定方面，老师都给出了详细的指导；在论文的细节修改方面，老师也给出了正确的建议。老师的严谨求实的教学风格、不懈于心的敬业精神、精益求精的工作作风和勇于创新的精神给我留下了深刻的印象。她丰富的知识、开阔的视野和开放的思维教会了我看待问题要从多个方面去考虑，在老师的精心指导下，我的论文才完成的这么顺利。此外，还要感谢所有给我授业的老师，没有你们的谆谆教诲和专业知识的传授，我的论文未必能如此顺利完成。在这四年时光里，感谢那些曾给予我帮助的同学和老师，感谢的父母，最后感谢西安文理学院给我提供学习的平台。作为一个文理学子，我应该把文理的优良传统发扬下去。最后再次感谢我的指导老师吴老师！参考文献1 岳宗风，陈家兑，徐玉梁.自动送料机械手的设计J.现代机械，2012(3):10-11.2李超.气动通用上下料机械手的研究与开发D.山西科技大学，2003.3李庭贵.气动机械手搬运物料精确定位控制系统设计J.液压与气动，2012(1):54-56.4 陈红.气动机械手系统设计D.长春理工大学，2010.5于传浩,章涤峰.一种气动机械手夹持机构的设计J.液压气动与密封，2003(5):22-22.6 濮良贵.机械设计M.北京:高等教育出版社,2006.7刘鸿文.简明材料力学，高等教育出版社，2008.8齐进凯.气动机械手的结构设计、分析及控制的研究D.东华大学，2006.9王雄耀. 近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用J. 液压气动与密封, 1999(5):13-1610林梓九. 四自由度气动机械手及其控制系统的设计J. 2009(17):136-137.11刘延俊.液压与气动传动M清华大学出版社，2010.12陆玉.机械设计课程设计，机械工业出版社，2006.12 13Ren C. Luo, Fellow, IEEE, Chih-Chen Yih, and Kuo Lan Su.Multisensor Fusion and Integration: Approaches,Applications, and Future Research DirectionsJ.IEEE SENSORS JOURNAL,2002,4(2):107-119. 14P.J.Drazan and R. Kennett .An Opto-Pneumatic Manipulating ArmJ.Industrial Robot: An International Journal, 2005，2,(1):7-10. 附录 ManipulatorRobotdevelopedinrecentdecadesashigh-techautomatedproductionequipment.Industrialrobotisanimportantbranchofindustrialrobots.Itfeaturescanbeprogrammedtoperformtasksinavarietyofexpectations,inbothstructureandperformanceadvantagesoftheirownpeopleandmachines,inparticular,reflectsthepeoplesintelligenceandadaptability.Theaccuracyofrobotoperationsandavarietyofenvironmentstheabilitytocompletetheworkinthefieldofnationaleconomyandtherearebroadprospectsfordevelopment.Withthedevelopmentofindustrialautomation,therehasbeenCNCmachiningcenter,itisinreducinglaborintensity,whilegreatlyimprovedlaborproductivity.However,theupperandlowercommoninCNCmachiningprocessesmaterial,usuallystillusemanualortraditionalrelay-controlledsemi-automaticdevice.Theformertime-consumingandlaborintensive,inefficient;thelatterduetodesigncomplexity,requiremorerelays,wiringcomplexity,vulnerabilitytobodyvibrationinterference,whiletheexistenceofpoorreliability,faultmoremaintenanceproblemsandotherissues.ProgrammableLogicControllerPLC-controlledrobotcontrolsystemformaterialsupanddownmovementissimple,circuitdesignisreasonable,withastronganti-jammingcapability,ensuringthesystemsreliability,reducedmaintenancerate,andimproveworkefficiency.Robottechnologyrelatedtomechanics,mechanics,electricalhydraulictechnology,a