一、總體方案設計

1.1設計任務

基本要求：

設計一個多自由度機械手（至少要有三個自由度）將最大重量為40Kgi勺工

件，由車間的一條流水線搬到別一條線上；

二條流水線的距離為:1000mm；

工作節拍為:70s；

工件：最大直徑為160mm的棒料；

1.2總體方案確定

1.2.1自由度

自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數斗但是一般不包括手部（末端

操作器）的開合自由度。自由度表示了機器人靈活的尺度，在三維空間中描述一

個物體的位置和姿態需要六個自由度。

機械手的自由度越多，越接近人手的動作機能，其通用性就越好，但是結構也越

復雜，自由度的增加也意味著機械手整體重量的增加。輕型化與靈活性和抓取能

力是一對矛盾，，此外還要考慮到由此帶來的整體結構剛性的降低，在靈活性和

輕量化之間必須做出選擇。工業機器人基于對定位精度和重復定位精度以及結構

剛性的考慮，往往體積龐大，負荷能力與其自重相比往往非常小。一般通用機械

手有5?6個自由度即可滿足使用要求（其中臂部有3個自由度，腕部和行走裝

置有2?3個自由度），專用機械手有1?2個自由度即可滿足使用要求。在控制

器的作用下，它執行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一動作。在滿足前

提條件上盡量使結構簡單，所以我們這次選擇5自由度機械手。

L2.2機械手基本形式的選擇

常見的工業機械手根據手臂的動作形態，按坐標形式大致可以分為以下4種：

直角坐標型機械手：

1

特點：操作機的手臂具有三個移動關節，其關節軸線按直角坐標配置。

優缺點：結構剛度較好，控制系統的設計最為簡單，但其占空間較大，且運動軌

跡單一，使用過程中效率較低。

結構圖：情度的要求。

圓柱坐標型機械手：

特點：操作機的手臂至少有一個移動關節和一個回轉關節，其關節軸線按圓柱坐

標系配置。

優缺點：結構剛度較好，運動所需功率較小，控制難度較小，但運動軌跡簡單，使

用過程中效率不高。

結構圖：niaic碩〃“j/i、…,-?-----

圖2.4圓柱坐標型機器人

2

(3)球坐標(極坐標)型機械手:

特點：操作機的手臂具有兩個回轉關節和一個移動關節，其軸線按極坐標系配

置。

優缺點：結構緊湊，但其控制系統的設計有一定難度，且機械手臂的剛度不足,

機械結構較為復雜。

結構圖:

⑷多關節型機機械手。

特點：操作機的手臂類似人的上肢關節動作，具有三個回轉關節。

優缺點:運動軌跡復雜，結構最為緊湊，但控制系統的設計難度大，機械手臂的

剛度差。

結構圖:

因為本次設計的三自由度機械手主要用來運輸2流水線的零件,2者距離

1000mm,這就要求機械手結構簡單緊湊，定位精度較高,占地面積小。根據上面4

種坐標形式，我選擇了圓柱坐標形式，這種形式二匕較符合這次設計的需要。圖

1-2-3是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務是將傳送帶A上的物品搬運

到傳送帶Bo

3

圖1-2-3機械手搬運物品示意圖

1.2.3機械手的主要部件及運動

在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據設計任務，為了滿足設計要求，本設計關于機械手具有

3個自由度既：手抓張合：手臂回轉：手臂升降3個主要運動。本設計機械手主要由3個大部件：

手部，采用一個直線液壓缸，通過機構運動實現手抓的張合。

（2）腕部，腕部是聯結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物

體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。本課題腕部具有回轉這一個自由度，采用

一個回轉液壓缸實現手部回轉。

（3）臂部，臂是機械手機構的主要執行部件。它的作用是支撐腕部和手部：并

帶動它們在空間運動。

（4）機身，機身是直接支承和傳動手臂的部件。

1.2.4機械手的驅動元件

在機器人驅動系統中，使用的電機類型主要有步進電機、直流伺服電機、交

流伺服電機以及最近幾年出現的超聲波電機和HD電動機等幾種。

步進電機可直接將電脈沖信號轉換成轉角，每輸入一個脈沖，步進電機就回

轉一定的角度，其角度大小與脈沖數成正比，旋轉方向取決于輸入脈沖的順序。

步進電機可在很寬的范圍內，通過改變脈沖的頻率來調速，能夠快速起動、反轉

和制動，有較強的阻礙偏離穩定的能力。在機器人中無位置反饋的位置控制系統

4

中得到了廣泛的應用。

直流伺服電機在機器人中應用也很廣泛。常用它直接帶動滾珠絲杠驅動關節

手臂關節運動。直流伺服電機的工作原理和基本結構均與一般動力用直流電機相

同。按激磁方式直流伺服電機可分為永磁式、他激式、并激式和串激式等。在機

器人驅動系統中多采用永磁式直流伺服電機。.

交流伺服電機在機器人中的應用情況與置流伺服電機相同，但交流伺服電機

與直流伺服電機相.比，，功率大、過載能力強、無電刷、環境適應性好，因而交

流伺服電機是今后機器人用電機的發展方向。

5

低速電機主要用于系統精度要求高的機器人。為了提高功率

體積比，伺服電機制成高轉速，經齒輪減速后帶動機械負

載。由于齒輪傳動存在間隙，系統精度不易提高，若對功率

體積比要求不十分嚴格，而對于精度有嚴格的要求，則最

好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機，配以高分辨率

的光電編碼器及高靈敏度的測速發電機，實現直接驅動。環

形超聲波電動機具有低速大轉矩的特點，使用在機器人的

關節處，不需齒輪減速，可直接驅動負載，因而可大大改

善功率重量比，并可利用其中空結構傳遞信息。HD電動機是

一種小型大轉矩（大推力）的電動機，電動機可直接與負載

連接，可應用在系統定位精度要求高的機器人產品中。

通過上述對幾種機器人常用電機的分析和比較，綜合考慮

本文機械手臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有較高精

度并要求能夠快速啟動和制動，所以選擇應用較為廣泛的

直流伺服電機作為驅動電機。

1.2.5機械手的技術參數列表

一、用途：搬運:用于傳送帶間搬運

二、設計技術參數：

1.抓重:40Kg（夾持式手部）

2.自由度數:5個自由度

3.座標型式:圓柱座標

4.最大工作半徑:1000mm

6.手臂運動參數

6

回轉范圍：0~180°

二、各主要組成部分設計

2.1爪部機構設計

2.1.1對手部設計的要求

(1)對手部設計的要求

(a)有適當的夾緊力

手部在工作時，應具有適當的夾緊力，以保證夾持穩定可靠，變形小，且

不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節,

對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。

(b)有足夠的開閉范圍

根據工件外圓大小，夾持的大小直徑必須大于100mmo

夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化

量稱為開閉范圍。對于回轉型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度

表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀

和尺寸，一般來說，如工作環境許可，開閉范圍大一些較好。

(c)力求結構簡單，重量輕，體積小

手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態多變，其結構，重量和體積直接影

響整個機械手機構的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設計手部

時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。

(d)手指應有一定的強度和剛度

(e)其它要求：

因此送料，夾緊機械手機構，根據工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪,

夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單,

制造方便。

2.1.2手部設計基本要求

(1)應具有適當的夾緊力和驅動力。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳

動機構所需的驅動力大小是不同的C

7

（2）手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開

閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度），以

便于抓取工件。

（3）要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、

強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手

臂的負載。

2.1.3機械手手抓的設計計算

L選擇手抓的類型及夾緊裝置

本設計是設計平動搬運機械手的設計，考慮到所要達到的原始參數：手抓張合

角二,夾取重量為30Kg。常用的工業機械手手部，按握持工件的原理，分為夾

持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體，不適

合用于本方案。本設計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為

回轉型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結構簡單,

適于夾持平板方料，且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置，其理論夾持

誤差零。若采用典型的平移型手指，驅動力需加在手指移動方向上，這樣會使結

構變得復雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。

通過綜合考慮，本設計選擇二指回轉型手抓，采用滑槽杠桿這種結構方式。夾緊

裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機械手手抓閉和，在壓力油作用

下，彈簧被壓縮，從而機械手手指張開。

2、手抓的力學分析

下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿圖2-1-3.1為常見的滑槽杠桿

式手部結構。

8

圖2-1-3.1滑槽杠桿式手部結構

圖2-1-3.2滑槽杠桿式受力分析

在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F,并通過銷軸中心。點：兩

手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2,其力的方向垂直于滑槽的中心

線和并指向點，交和的延長線于A及B。

由Z乙二0得￡二人

Z耳二0得

6=7^

26

由Z%（戶）二0E=&h

vh=-^—

cosa

b?

Ir'=-cos2aF

aN

式中a一一手指的回轉支點到對稱中心的距離（mm）.

。一一工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。

由分析可知，當驅動力一定時，角增大，則握力也隨之增大，但用過

大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好二~O

3.夾緊力及驅動力的計算

手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據。必須對大小、方向和作

用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動

狀態變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態。

手指對工件的夾緊力可按公式計算：

式中安全系數,通常1.2~2.0；

10

工作情況系數，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估其中

a,重力方向的最大上升加速度；

%ax一—運載時工件最大上升速度

——系統達到最高速度的時間，一般選取0.03~0.5s

-方位系數，根據手指與工件位置不同進行選擇。

G——被抓取工件所受重力(N)o

表2-1-3.1液壓缸的工作壓力

作用在活塞上外力液壓缸工作壓力作用在活塞上外力液壓缸工作壓力

F(N)MpaF(N)Mpa

小于50000.8-120000-300002.0~4.0

5000~100001.5~2.030000~500004.0~5.0

10000~200002.5~3.050000以上5.0~8.0

(1)計算：設a=50mm,b=100nini,<<;機械手達到最高響應時間為0.5s,

求夾緊力和驅動力和驅動液壓缸的尺寸。

⑵設叫=1.5,

,=1.02(a運載工件時重力方向的最大上升加速度)，

(=0.5

根據公式，將己知條件帶入：

.=1.5x1.02x0.5X400=306N

(2)根據驅動力公式得：

產計算=^1^2(cos30)2x306:918N

50

(3)取〃=0?85

L尸計算918

R實際=----=1080N

一礪

(4)確定液壓缸的直徑D

11

晨際=9（。2"）〃

選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.8-1MPa,

則活塞桿內徑為：

d=500.5=25mm,選取d=25mm

4.活塞桿長度與手指長度的計算計算

為了保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34nm1。

手抓夾持范圍，手指長100mm,當手抓沒有張開角的時候、根

據機構設計，它的最小夾持半徑，當張開時，最大夾持半徑計算如下：

凡=100xtg30+50cos30之101

二?機械手的夾持半徑從40~101mm

2.1.4彈簧的設計計算

選擇彈簧是IK縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖2-1-4.1所示，計算團如下。

12

圖2-1-4.1圓柱螺旋彈簧的幾何參數

(1).選擇硅缽彈簧鋼，查取許用切應力

(2).選擇旋繞比08,則

v4C-10.615

4C-46

“4C-10.615(4x8)-!0.615.

Kx-----+-----=7———+-----=11.118Q3

4C-46(4x8)-46

⑶.根據安裝空間選擇彈簧中徑D=35mni,估算彈簧絲直徑

D35,…

d=—=—=4.375mm

C8

(4).試算彈簧絲直徑.7>1.6

二二5.7mm,取6mm

⑸.根據變形情況確定彈簧圈的有效圈數:

Gd

“Q1763MAX

“MAX。

Gd.42

“『23

選擇標準為n=5,彈簧的總圈數nl=n+l.5=6.5圈

(6).最后確定，D=35mn,d=5,Dl=D-d=29mm,D2=D+d=41mm

(7).對于壓縮彈簧穩定性的驗算

13

對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩定性，這在工作中是不

允許的。為了避免這種現象壓縮彈簧的長細比，本設計彈簧是2端自由，根據

下列選取：

當兩端固定時，，當一端固定；一端自由時，；當兩端自由轉動時，。

結論本設計彈簧，因此彈簧穩定性合適。

(8).疲勞強度和應力強度的驗算。

對于循環次數多、在變應力下工作的彈簧，還應該進一步對彈簧的疲勞

強度和靜應力強度進行驗算(如果變載荷的作用次數，或者載荷變化幅度不大

時，可只進行靜應力強度驗算)。現在由于本設計是在恒定載荷情況下，所以只

進行靜應力強度驗算。計算公式：；選取1.31.7(力學性精確能高)

=SKD8x1.184x0,55x108()=522401441

3

田兀WnxO.007

&=-^=1.5

“max

結論：經過校核，彈簧適應。

14

圖2-1-4.2機械手開閉示例簡圖

2.2腕部設計計算

手腕是操作機的小臂上臂和末端執行器手爪之間的連接部件。其功用是利用

自身的活動度確定被末端執行器夾持物體的空間姿態，也可以說是確定末端行

器的姿態。故手腕也稱作機器人的姿態機構

2.2.1腕部設計的基本要求

腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設計腕部時要注意以

下幾點：

（1）結構緊湊，重量盡量輕。

（2）轉動靈活，密封性要好。

（3）注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、

（4）管線的布置以及潤滑、維修、調整等問題

（5）要適應工作環境的需要。

另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內部通過，以便手腕轉動時管路不扭轉和

不外露，使外形整齊。

2.2.2腕部結構和驅動機構的選擇

本設計要求手腕回轉口，綜合以上的分析考慮到各種因

素，腕部結構選擇具有一個自由度的回轉驅動腕部結構，

采用液壓驅動。

2.2.3腕部的設計計算

1.腕部設計考慮的參數

夾取工件重量40Kg[3,回轉

（1）2.腕部的驅動力矩計算

（2）腕部的驅動力矩需要的力矩“慣。

15

(3)腕部回轉支撐處的摩擦力矩用摩。

夾取棒料直徑160mm,長度1000mm,重量40Kg,當手部回轉時，計算力矩:

(1)手抓、手抓驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，高為

220mm,直徑180mm

G二4x0.092x0.22x7800Kg/x9.8N/Kg=4279N

(2)擦力矩.登=0.歷小

啟動過程所轉過的角度=0.314rad,等速轉動角速度。

2

“慣J工件)^-

卬啟

查取轉動慣量公式有：

I14279

J=-xmx/?2=-x——-xO.O92=0.178N〃九J

229.8

J=—x—(/3+3x/?2)=—x40x(l3+3x0.082)=3.354Nms2

Tlt1t112g12

代入：

M=M慣+M摩二M慣+0.1M.乂=38.49=428Mm

0.9

3.腕部驅動力的計算

設定腕部的部分尺寸：根據表2T-3.2設缸體內空徑1)=110口叫外徑根據表

2-2-3.1選擇133nlm，這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外

徑為226nl明動片寬度b=66nim,輸出軸r=22.5nmi。則回轉缸工作壓力，選擇IMpa

表223.1標準液壓缸外徑(JB1068-67)(mm)

液壓缸內徑40506380901011121415161820

00500000

20鋼50607695101213161418192124

16

p<160Mpa813860495

45鋼50607695101213161418192124

P<2OOMpa813860495

4.液壓缸蓋螺釘的計算

圖223.1缸蓋螺釘間距示意

表2-2-3.2螺釘間距t與壓力P之間的關系

工作壓力P(Mpa)螺釘的間距t(mm)

0.5~1.5小于150

1.5~2.5小于120

2.5~5.0小于100

5.0^10.0小于80

缸蓋螺釘的計算，如圖2-2-3.1所示，t為螺釘的間距，間距跟工作

壓強有關，見表2-2-3.2,在這種聯結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力

%=FQ+FQ：

計算：

液壓缸工作壓強為P=lMpa,所以螺釘間距t小于150mm，試選擇5個螺釘，，

所以選擇螺釘數目合適Z=5個

危險截面S=TTR2一4產=乃°\一0045-=0.007908875〃/

4

17

F=3=1x().0()79()8875=39544.K=1.5?1.8

Qz5

FQS=KXFQ=\.5X3954.4=5931.6N

所以％=3954.4+5931.6=9886N

螺釘材料選擇Q235,()

螺釘直徑：

公@半尸書RO］。］

7萬㈤'3.14x160x1()6

螺釘的直徑選擇d=12nm.

2.3臂部的設計及有關計算

手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部(包括工件

或工具)，并帶動它們作空間運動.手臂運動應該包括3個運動：伸縮、回轉和

升降。本章敘述手臂的伸縮運動，手臂的回轉和升降運動設置在機身處，將在下

一章敘述。

臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如

果改變手部的姿態(方位)，則用腕部的自由度加以實現。

因此，一般來說臂部應該具備3個自由度才能滿足基本要求,

既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通常

用驅動機構和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分

析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載

荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活

性等直接影響到機械手的工作性能。

2.3.1臂部設計的基本要求

(1)剛度要大：為防止臂部在運動過程中產生過大的變形，手臂的截面形狀

的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲

剛度都比實心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承

板。

18

（2）導向性要好：為防止手臂在直線移動中，沿運動軸

線發生相對運動，或設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形

式的臂桿。

（3）偏重力矩要小：所謂偏重力矩就是指臂部的重量對

其支承回轉軸所產生的靜力矩。為提高機器人的運動速度,

要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少偏重力矩和整個

手臂對回轉軸的轉動慣量。

（4）運動要平穩、定位精度要高：由于臂部運動速度越

高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動

即不平穩，定位精度也不會高。故應盡量減少小臂部運動部

分的重量，使結構緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措

施。

2.3.2手臂結構的選擇及相關設計計算

1.手臂的典型運動機構

（1）常見的手臂伸縮機構有以下幾種：

（2）雙導桿手臂伸縮機構。

（3）手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；

回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回

轉運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結構。

（4）雙活塞桿液壓崗結構。

（5）活塞桿和齒輪齒條機構。

2.手臂運動機構的選擇

通過以上，綜合考慮，本設計選擇雙導桿伸縮機構，使用液壓驅動，液壓缸選取

雙作用液壓缸。

3.手臂直線運動的驅動力計算

先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據運動參數初步確定有關機構的

主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結構。

19

圖2-321手臂活塞桿簡圖

做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力根據液壓缸運動時所克服

的摩擦、慣性等兒個方面的阻力，來確定來確定液壓缸所需要的驅動力。液壓缸

活塞的驅動力的計算。

/=%+七+晶+品

4.手臂摩擦力的分析與計算

分析：

摩擦力的計算不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根

據具體情況進行估算。設計是雙導向桿，導向桿對稱配置在伸縮崗兩側。

計算如下：

由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。

>

得：，，

得：，

l?「2L+。

%=〃G總

_a_

式中G總——參與運動的零部件所受的總重力(含T件)(N)：

L一一手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離(□),

參考上一節的計算；

a——導向支撐的長度(m);

——當量摩擦系數，其值與導向支撐的截面有關。

對于圓柱面：

一一摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時；

20

鋼對青銅：取R=0.1飛.15

鋼對鑄鐵：取u=0.18~0.3

導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵，，L=0.198導向支撐a設

計為0.0216m

將有關數據代入進行計算

*2L2x0.198+0.0216

/=G總〃—=300乂0.3乂=1740N

a0.0216

5.手臂慣性力的計第

本設計要求手臂平動是V二5〃z/min,在計算慣性力的時候，設置啟動時間

N=0.2s,啟動速度Av=v=0.083m/s。

=400x0.083=127N

gbt9.8x0.2

6.密封裝置的摩擦阻力

不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用0型密封，當液壓缸工作

壓力小于10Mpao液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。

經過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅動力：

F=0.03F+F^+^=1807N

2.3.3液壓缸工作壓力和結構的確定

經過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力F=461N,根據表2T-3.1選擇液壓缸

的工作壓力P=2MPa

確定液壓缸的結構尺寸：

液壓缸內徑的計算，如圖2-3-2.1所示

1r

pl一

1-1

21

圖2-3-2.1雙作用液壓缸示意圖

當油進入無桿腔：

當油進入有桿腔中:

液壓缸的有效面積:

故有（無桿腔）

（有桿腔）

選擇機械效率〃=0.95

將有關數據代入:

1807

D==0.031m

095x2x1()6

（1）根據表2T-3.2,選擇標準液壓缸內徑系列，選擇D=32mm.

（2）液壓缸外徑的設計

（3）根據裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm,所以該液壓缸的外徑為

27mm.

（4）活塞桿的計算校核

活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。

對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算：

-d2

4

設計中活塞桿取材料為碳剛，故=100"120Mpa,活塞直徑

d=10mm,L=150mm,現在進行校核。

=23x1()60l()0xl(P

-d2

4

結論：活塞桿的強度足夠。

2?4液壓驅動系統設計

液壓控制機械手機構的一種主要的控制形式。機械手機構的運動速度和操作

室根據油的流量與壓力來確定，因而只要控制油的流量和壓力，就可以控制機

22

械手機構的運動速度和操作力，油壓壓力一般在5-140公斤/厘米范圍內：最

大臂力可達160公斤以上。

主要優點：

(1)液壓執行元件:馬達和油缸)結構緊湊，重量輕，功率小。

(2)可通過液壓油帶走大量熱能，保證機械的正常運行，并由于液壓油的潤

滑作用，可延長元件的使用壽命。

(3)液壓元件有直線位移式和旋轉式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區

間也比較寬。只要通過閥和泵的調節就能實現開環和閉環的控制系統。

(4)響應速度比較快，能高速啟動，制動和反向，無后滯現象。其力矩一慣

量比也較大，因而其加速度能力較強。

(5)液壓元件于其他驅動元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高,

而且耐振動等c

缺點：

(1)液壓控制需要一套液壓系統，不像電力容易獲得，而且價格較貴。

(2)油溫有上限，并難以保持不漏，比較臟，易于使閥和執行元件堵塞。

(3)控制系統比較復雜，處理功率訊號的數學運算誤差，檢測，放大，測試和補

償功能不如電子，機電裝置靈活簡便。總體系統圖

23

(1)總體系統圖如圖2-4-1所示

(2)工作過程：

小臂伸長一手部抓緊一腕部回轉一小臂回轉一小臂收縮一手部放松

(3)電磁鐵動作順序表：

表2-4-1總體系統圖

元1DT2DT3DT4DT5DT

件、

動作\

小臂伸長—4+一一

手部抓緊一-一一

腕部回轉—+—+—

小臂收縮—————

手部放松——+—一

卸荷+±土土±

(4)確電機規格：

液壓泵選取CB-D型液壓泵，額定壓力P=10Mpa,工作流量在32?70ml/r之間。

選取80L/min為額定流量的泵，

因此：傳動功率

式中：n=0.8(經驗值)

所以代入公式得：

/V=10X80X10'X10760X0.8

=16.7KN

選取電動機JQZ-61-2型電動機，額定功率17KW,轉速為

2940r/mino

2.5機身結構的設計

機身是直接支承和傳動手臂的部件。一般實現胃部的升降、回轉或俯仰等運動的

24

驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者就直接陶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，機身既可以是固定式

的，也可以是行走式的，如圖2-5-1

圖2-5-1機身機座結構圖

臂部和機身的配置形式基本上反映了機械手機構的總體布

局。本課題機械手機構的機身設計成機座式，這樣機械手機

構可以是獨立的，自成系統的完整裝置，便于隨意安放和

搬動，也可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見

于回轉型機械手機構。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得

較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱

配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速

器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋轉，從而達到了自由度

的要求。

2.6電機的選擇

機身部使用了兩個電機，其一是帶動臂部的升降運動；其二是帶動機身的回轉運

動。帶動臂部升降運動的電機安裝在肋板上，帶或機身回轉的電機安裝在混凝土

地基上。

帶動臂部升降的電機：

初選上升速度V=100mm/s

25

P=6KW

所以〃二(100/6)X60=1000轉/分

選擇Y90S-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用B級絕緣，外殼防護等級為

IP44,冷卻方式為I(014)即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V,額定功率為

50HZo

如表2-6TY90S-4電動機技術數據所示：

表2-6-1Y90S-4電動機技術數據

型號額定功滿載時堵轉電堵轉轉最大轉

率KW電流A轉速效率%功率因流矩矩

r/min素

額定電額定轉額定轉

流矩矩

Y90S-41.12.71400790.786.52.22.2

2.7減速器的選擇

減速器的原動機和工作機之間的獨立的閉式芍動裝置。用來降低轉速和增

轉矩，以滿足工作需要。

初選WD80型圓柱蝸桿減速器。

WD為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。

蝸桿的材料為38siMnMo調質

蝸輪的材料為ZQA19-4

中心矩a=80

/VfsXq=4.0Xll

傳動比/=30

傳動慣量0.265X10-3kg?m2

26

2.8螺柱的設計與校核

螺桿是機械手機構的主支承件，并傳動使手臂上下運動。

螺桿的材料選擇：

從經濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。

螺距P=6mm梯形螺紋

螺紋的工作高度h=0.5六3mHi

螺紋牙底寬度b=0.65P=0.65X6=3.9mm

螺桿強度卜］=os/3?5

二30?50Mpa

螺紋牙剪切［p］=40

彎曲［%］=45?55

(1)當量應力

式中T-----傳遞轉矩N-mm

［。］一一螺桿材料的許用應力

所以代入公式得：

=(2495/d,2)2+3(61.2/d丁)2^900-2500X10,2

二6225025/d/+n236/d「W900?2500X10微

6225025d:+11236W900d/X10,2

6225025X0.0292+l1236^900X0.0296X1012

即16471pa<535340pa

合格

(2)剪切強度

=160/6(旋合圈數)

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BE利>.

二200X9.8/冗X0.029義3.9X(160/6)X103

=206.8X103pa

=0.206Mpa<[T]=40Mpa

(3)彎曲強度

=3X200X9.8X3/nX2.9X3.92X(160/6)

=0.48Mpa<[o]=45Mpa

合格

三、機械手控制系統的設計

S7-200是一種小型的可編程控制器，適用于各行各業，

各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。S7-200系列的強

大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復

雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。

3.1西門子PLC的I/O分配

根據機械手動作的要求，輸入、輸出分配如表3-1所示。因為西門子S7-200

CPU226輸入端子為24個，輸出端子為16個，而所需的輸入端子為25,所以外界

一個EM223拓展模塊。

表3-1PLC輸入/輸出分配表

輸入信號輸出信號

手動SA10.0上升/下降步YAOQ0.0

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回原位SAI0.1進電機YA1Q0.1

連續SAI0.2YA2Q0.2

回原位SB1I0.3YA3Q0.3

前進/后退步

啟動SB2I0.4YA4Q0.4

進電機

停止SB3I0.5YA5Q0.5

下降SB4I0.6夾緊YA6Q0.6

上升SB5I0.7手順轉YA7Q0.7

夾緊SB6I1.0手逆轉YA8Q1.0

松開SB711.1底盤順轉YA9Q1.1

手順轉SB811.2底盤逆轉YA10Q1.2

手逆轉SB91.13

底盤順轉SB1011.4

底盤逆轉SR11