自动上下料机械手设计

自动上下料机械手的设计
摘要
随着机电一体化技术和计算机技术的应用，机械手的研究和开发水平获得了迅猛的发展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域，特别是工业机械手在生产加工中的应用。

机械手是近代自动控制领域中出现的一种新型技术装备，它能模仿人体上肢某些动作，在生产中代替人搬运物体或操持工具进行动作，已成为现代机械制造系统中的一个重要组成部分。

本次设计主要设计自动上下料的机械手，该系统采用液压驱动，传动平稳，且易于控制，控制系统采用一般PLC所具有的位移寄存器和位移指令来编程。

关键词：机械手，液压驱动，控制系统
目录
1绪论 (1)
2 工业机械手的设计方案 (2)
2.1 工业机械手的组成 (2)
2.2 上下料机械手的工作原理 (3)
2.3 规格参数的选择 (3)
2.4 设计路线与方案 (4)
2.4.1 机械手的总体设计方案 (4)
2.4.2 设计步骤 (4)
2.4.3 研究方法和措施 (4)
3 机械手各部分的计算与分析 (5)
3.1 手部计算与分析 (5)
3.1.1 滑槽杠杆式手部设计的基本要求 (5)
3.1.2 手部的计算和分析 (5)
3.2 腕部计算与分析 (12)
3.2.1 腕部设计的基本要求 (12)
3.2.2 腕部回转力矩的计算 (13)
3.2.3 腕部摆动油缸设计 (16)
3.2.4 选键并校核强度 (18)
3.3 臂部计算与分析 (18)
3.3.1 臂部设计的基本要求 (18)
3.3.2 手臂的设计计算 (20)
3.4 机身计算与分析 (28)
4 液压系统设计 (29)
4.1 液压系统总体设计 (29)
4.2 液压元件的选择 (29)
4.2.1 液压缸 (29)
4.2.2 液压泵的选取要求及其具体选取 (31)
4.2.3 选择液压控制阀的原则 (33)
4.2.4 选择液压辅助元件的要求 (33)
5 液压元件的保养与维修 (37)
5.1 液压元件的安装 (37)
5.2 液压系统的一般使用与维护 (37)
5.3 一般技术安全事项 (37)
6 结论 (39)
参考文献 (40)
致谢 (41)
附录 (42)
1绪论
工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的。

世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。

在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。

随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在各行各业中还在不断开辟着新用途。

机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。

上料机械手与卸料机械手相比，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。

例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达180mm，最大抓握重量可达30公斤，最大行走距离为1200mm。

根据作业要求及载荷情况，机械手各关节运动速度可调。

移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。

整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。

电气控制系统采用OMRON可编程控制器，各种作业的实现可以通过编程实现。

机械手涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

它是一种能自动控制并可以从新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

2 工业机械手的设计方案
2.1 工业机械手的组成
工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框图：
图2-1 工业机械手各部分关系图
执行机构：
执行机构包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。

（1）手部：直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。

传动机构形式多样，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。

（2）腕部：是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。

（3）臂部：手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。

手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定位置。

该设计的手臂有三个自由度，采用关节式坐标（绕横轴旋转，上下摆动和左右摆动）关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性，机械臂的结构性容易进行优化，便于提高机械手的动态操作性能。

（4）行走机构：有的工业机械手带有行走机构。

驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。

控制系统：有点位控制和连续控制两种方式。

机身：它是整个工业机械手的基础。

机械手功能：
（1）它能部分的代替人工操作；
（2）它能按照生产工艺的要求遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；
（3）它能操作必要的机具进行焊接和装配。

2.2 上下料机械手的工作原理
上下料机械手是一种专用的工业机械手，其执行程序一般是固化好的，或只能进行简单编程，所以机械手的动作是固定的，一种机械手只能供送一种或有限的几种物品，程序控制系统相对比较简单。

供送料机械手可看做是一种无料槽、滑道的供送料机构，它在一个位置（料槽）抓取物品（工件），然后将其搬运到另一个位置。

其基本动作是：上料时，先由料槽中取出工件，带着工件到指定工位，将其放在工位上，返回；卸料时则从工位上取下工件，带走，放到料箱中。

上料时一般有位置及方位要求，而卸料时一般无严格要求，所以上料是关键。

要完成上述动作，上下料机械手的手爪必须到达两点（取料点—料槽；放料点—加工工位），这可通过机械手的手臂来实现。

手爪必须做两个动作（抓取料和放下料），这可通过机械手的手爪闭合、张开来实现。

方位要求一般通过机械手的手腕来满足供送料要求的运动，轨迹应该是：直线下降—直线升起—平面圆弧摆动—直线下降。

2.3 规格参数的选择
工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：
（1）抓重（又称臂力）：额定抓取重量或称额定负荷，单位为公斤，本次设计要求抓重为25kg。

（2）自由度数目：本次设计整机四个自由度，手臂三个自由度，手腕两个自由度。

（3）定位方式：有固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其他各种位置设定和检测装置，本次设计选固定机械挡块定位。

（4）驱动方式：有气动，液动，电动和机械式四种形式，本次设计选择液压驱动。

（5）手臂运动参数：臂部上仰60度、下俯30度、回转220度。

（6）手腕运动参数：腕部回转顺逆各180度。

（7）手指夹持范围和握力：工件直径d<100mm。

（8）定位精度：位置设定精度和重复定位精度。

（9）轮廓尺寸：长×宽×高（毫米）为445.75×223.15×459.5mm。

2.4 设计路线与方案
2.4.1 机械手的总体设计方案
本课题是自动上下料机械手的设计，本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及液压系统方面的简单设计。

在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。

因此机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。

2.4.2 设计步骤
（1）查阅相关资料；
（2）确定研究技术路线与方案构思；
（3）结构和运动学分析；
（4）根据所给技术参数进行计算；
（5）按所给规格，范围，性能进行分析，强度和运动学校核；
（6）绘制工作装配图草图；
（7）绘制总图及零件图等；
（8）总结问题进行分析和解决。

2.4.3 研究方法和措施
使用现在机械设计方法和液压传动技术进行设计，采用关节式坐标（四个自由度，可以绕横，纵轴转动和上下左右摆动）。

液压驱动即是以油液的压力来驱动执行机构。

抓重能力大，结构小巧轻便，传动平稳，动作灵便，可无级调速，进行连续轨迹控制，易于实现直接驱动。

但因油的泄露对工作性能影响较大，故它对密封装置要求严格，且不宜在高温或低温下工作。

3 机械手各部分的计算与分析
3.1 手部计算与分析
手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。

夹持类最常见的主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。

夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴，盘，套类零件，一般情况下多采用两个手指。

手部示意图如下：
图3-1 手部示意图
3.1.1 滑槽杠杆式手部设计的基本要求
（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。

（2）手指应具有一定的开闭范围。

（3）应保证工件在手指内的夹持精度。

（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高。

（5）应考虑通用性和特殊要求。

3.1.2 手部的计算和分析
（1）手部受力分析
图3-2 手部受力图(1)
图3-3 手部受力图(2)
（2）手指尺寸初步设定
由拉杆的力平衡条件：
11
2sin P P =∂ 0x F
=∑ 1p cos 1∂=22cos ∂p
得 12P P =
'
11P P =
由()0M F =∑得'1AB P h NL =
cos h c =∂ **p b tg N =∂
又由工件的平均半径： 502537.52
cp R +==mm 初取V 型手指的夹角2120o θ=，55AB L =mm ，2100C mm =，53b mm =，53CD L mm =，滑杆总长h=170mm
（3）夹紧力计算
又由于工件的直径不影响其轴心的位置即定位误差为零，手指水平位置夹取水平位置放置的工件。

由参考文献[2]中表2-1查得：
N ＝0.5G=0.5×25=12.5kg （3—1）
又因为：
22cos b P N c
=∂ （3—2） 当α取最小值时，则增力比较大，手指走到最小行程时则有min α, o min 30α=
又因为：
kg a N c
b p 88.19cos 2min 2==理 （3—3） 12k k P P η≥理实 （3—4）
取安全系数1 1.5k =，工作情况系数2 1.5k =,传动机构的机械效率0.9η= ××50P kg ≈实19.881.51.5＝0.9
手指夹紧时：夹紧缸活塞移动范围L ＝130mm ，其动作时间t=1.5s （由机械手的动作节拍时间得之），所以夹紧活塞移动得平均速度v 为：
138.671.5
l v cm s t ===
运动部件得总重估算G ＝10kg 夹紧力N 与驱动力P 的关系：
由于结构左右对称，在驱动力P 的作用下，每一滑槽杠杆受力相等
图3-4 夹紧力与驱动力的关系图
在不计摩擦力的情况下：
121
2cos P
P P α==
1α为夹紧状态得倾斜角1α＝50夹紧工件半径为50mm
121
2cos P
P P α==
＝38.9kg
根据各力对回转支点1O 的力矩平衡条件，同样在不计摩擦力的情况下,
1
1
2cos PC
Nb PC α==
C 为杠杆动力臂，即驱动销对滑槽杠杆作用力1p 对支点1O 的垂直距离。

又因为a=50mm
C =
150
77.878cos cos50o
a mm α==≈ 则 N
b =11
2cos pc
Pc α=
5078
12.52cos50b ⨯⨯=
⨯
38.978
24312.5
b mm ⨯=
≈ 当夹紧半径为25mm 的工件时，1α＝
70
150
146.2147cos cos 70
a c mm α=
==≈ 则 Nb =121
2cos pc
p c α=
21
2cos N a p b α=
212.550
502cos 50
b =⨯⨯ 243b mm ≈
（4）动作特性和传动特点 定位到最大行程时，50α=
max max
cos a L α=
则 max max
80cos a L mm α=≈取max 130L mm =
又因为max 1
cos 2
α>
，max 60α<,滑槽杠杆手指最大开闭角为 0max max 120<=a r
滑槽倾斜角的变化范围可以为6060α-<<,可见机构传动比将在下列范围内变化:
22a N a b P b
≤< 0.10.4N
P
≤<
所以开始所初步取的a ，b 与α均符合要求。

（5）确定夹紧油缸外径D ①驱动杆行程与手指开闭范围关系
12.αα—分别为手指夹紧工件范围值时，滑槽相对于两支点连接的倾斜角。

1278L atg atg mm αα=-≈
考虑到机构效率，传力比N/P 的公式应力：
21
2cos N a P b ηα= （3—5） η＝0.9
又因为G=250N,夹紧力F=500N,260α<
则 N f f F w fs 502502.0=⨯=⋅=
N f f F w f 252501.0=⨯=⋅=λ
式中：W F —工作负载即为重物重力W F ＝250N 。

f F —导轨摩擦阻力负载，对于平导轨()f Rn F f G F =+
Rn F —垂直于导轨的工作负载，Rn F ＝0。

f —导轨摩擦系数，取静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1。

a G v
F g t
∆=
∆，一般取t ∆＝0.01-0.5s ，v t ∆-∆时间内速度变化量： 255 4.239.80.0560
a F N =
⨯=⨯ 启动：54.23fs a F F F N =+= 稳态：275fa W F F F N =+=
②工作压力P 的确定，工作压力根据负载大小及机器的类型来初步确定。

参阅参考文献[5]中表37.5按载荷选择工作压力为1a MP 。

③计算液压缸内径D 和活塞杆直径d ，由负载可知最大负载F 为275N 。

根据液压系统设计手册表2－2取2P 为0.5a MP ，cm η为0.95，d/D 为0.7。

又因为：
0.0223m D =
= （3—6）
根据参考文献[8]中表2－4，将液压缸内径圆整为标准系列直径D=25mm,活塞杆直径按d/D ＝0.7及参考文献[8]中表2－5活塞直径系列取d=18mm 。

按工作要求夹紧力为一个夹紧缸提供，考虑到夹紧力的稳定性。

夹紧缸的工作压力应大于复位弹簧的弹力。

又因为进油缸在有杆腔，则其有效工作面积：
()2
220.1884
A D
d cm π
=
-=
④液压缸壁厚和外径计算：
[]
2y P D δσ≥
（3—7）
y P 为最大工作压力1P 的1.5倍，y P ＝1.5a MP 。

材料为高强度铸铁，[]σ＝60a MP
3.125mm δ≥
12252433D D mm δ≥+=+⨯=
液压缸工作行程的确定，并参照参考文献[8]中表2－6中的系列尺寸选取标准值S=100mm 。

⑤缸盖厚度的确定
一般液压缸为平底缸盖，其有效厚度t 按强度要求计算。

0.433t D ≥（3—8）
0.27t mm ≥
现取t=20mm 。

活塞的宽度B 一般取
B=(0.6-1.0)D=0.6D=15mm
⑥夹紧缸弹簧的确定
弹簧工作载荷F=50N,最大轴直径max 18D mm =,最小筒直径min 25D mm = 弹簧刚度0.769F
N k mm f
=
= 查参考文献[5]中表30.2－8圆柱螺旋压缩弹簧的尺寸及参数得:
材料直径d=2.5mm,弹簧中径D=25mm,节距P=10.4mm,单圈弹簧工作极限载荷下变形量为7.075mm ，单圈弹簧刚度24.5N
k mm
'=。

max 3
max 8G d
Z P C λ=
（3—9）
10D
C d
=
= C-直径比，G －弹簧材料的剪切弹性模量，钢材G=()25810kg cm ⨯，max 100P N = 计算得Z=110mm ,则活塞缸总长L=120mm 。

3.2 腕部计算与分析 3.2.1 腕部设计的基本要求
手腕部件置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，适应性更强。

手腕具有独立的自由度，此设计手腕有绕X 轴转动和沿X 轴左右摆动两个自由度。

手腕回转运动机构为回转油缸，摆动也采用回转油缸。

他的结构紧凑，灵活，自由度符合设计要求，它要求严格密封才能保证稳定的输出转矩。

（1）腕部处于臂部的前端，它连同手部的动静载荷均由臂部承受。

腕部的结构、重量和动力载荷直接影响着臂部的结构、重量和运动性能。

因此在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。

（2）腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支承作用，除了保证力和运动的要求以及具有足够的强度和刚度外还应综合考虑合理布局腕部和手部的连接、腕部自由度的检测和位置检测、管线布置以及润滑、维修调整等问题。

（3）腕部设计应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀，压力油的粘度和燃点，有关材料及电控电测元件的耐热性等问题）。

腕部的结构如图3-5所示，它可做与手臂垂直方向（例如Y 轴方向）横移，还可以绕Y 轴或Z 轴回转。

图3-5 手腕运动示意图
3.2.2 腕部回转力矩的计算
腕部回转时，需要克服以下几种阻力：
（1） 腕部回转支承处的摩擦力矩M 摩 ： 由静力学平衡方程求得
M 摩＝
()11222
f
R D R D +×()kgf m -
（3—10） 式中：D 1、D 2—轴承直径(m) R 1、R 2—轴承处支反力(kgf-m)
f —轴承的摩擦系数，对于滚动轴承f=0.01-0.02 为简化计算取M 摩0.1M =总阻力矩
1G —工件重量（kgf ） 2G —手部重量（kgf ） 3G —手腕转动件重量（kgf ）
（2）克服由于1G 重心偏置所引起的力矩M 偏：
M 偏＝1G e ⨯（kgf ） （3—11） 式中e —工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m ） （3）克服启动惯性，所需的力矩M 惯
启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角加速度ω及启动所用的角速度
ϕ起,
M 惯＝()20.01752J J ωϕ⨯+⨯⨯工件 （3—12）
式中:J 工件—工件对手腕回转轴线的转动惯量()2kgf m s --
J —手腕回转部分对手腕回转轴线的转动惯量()2kgf m s --
ω—手腕回转过程的角加速()
度秒 ϕ—启动过程所转过的角度（度）
手腕回转所需要的驱动力矩应当等于上述三项之和： M M M M =++总偏摩惯
因为手腕回转部分的转动惯量()J+J 工件不是很大，手腕起动过程所产生的转动力矩也不大，为了简化计算，可以将计算M 偏，M 摩适当放大，而省略掉M 惯，这时 ()M 1.1M M =+总偏摩
①设手指，手指驱动油缸及回转油缸转动件为一个等效圆柱体，L=50cm ，直径D=10cm ，则m=27.5kg 。

②摩擦阻力矩M 摩＝0.1M 总阻力矩
③设起动过程所转过的角度ϕ起＝20,等速转动角速度100s
ω︒=
M 偏＝()2
0.01752J J ωϕ⨯+⨯⨯工件
查型钢表有： ()221
0.0342J mR kgf m s =
=-- （3—13） ()()2221
3 6.02812
J m L R kgf m s =+=--工件
（3—14） 代入M 惯＝256（N ·m ）
M 偏＝0 M 摩＝0.1M 总阻力矩
M 摩＝0.1M 总阻力矩+265 M =
()265
294.4kg 0.9
m =⋅ 确定转轴的最小尺寸：
[]3
T
0.2M d τ≥
⨯驱
（3—15）
T W —抗扭剖面模量, 30.2T W d =，[]3
3
294.410
0.2T T d ττ⨯=≤
查得[]60a T MP τ=,15d mm ≥，取转轴直径d=40mm 。

④回转油缸所产生的驱动力矩计算
回转油缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩M 总，机械手的手腕回转运动所采用的单叶片回转油缸，其结构简图如图3-6所示，它的回转角小于360度。

定片2与缸体1固连，动片3与输出轴4固连，当a,b 口分别进出油时，动片带动输出轴回转达到手腕回转目的。

图3-6 叶片式摆动缸结构简图
M =22··R -r )
2
p b （≥M 总 （3—16）
式中：M 总—手腕回转总的阻力矩（N ·m ） P —回转油缸的工作压力
r —缸体内径半径（cm ） R —输出轴半径（cm ）
b —动片宽度
注：可按外形要求或安装空间大小，先设定b ,R ,r 中两个：
2b
2D-d
≥，取2b D-d =3 D d =1.5-2.5, 取D
d
=2
又因为d=40mm ，则D=80mm ，b=60mm 去顶回转油缸工作压力：
222()M p b R r ≥
=-总2
22
2294.48.01(kg /)6(84)
cm ⨯=⨯- 由于系统工作压力远远大于此压力，因此回转油缸的工作压力足以克服摩擦力。

3.2.3 腕部摆动油缸设计
M M M M =++摩偏惯 （3—17） 偏离重心e 的计算及M 偏
图3-4 腕部摆动油缸设计尺寸图
估计L=45cm ，1216,45,5e cm e cm R cm ===，29.7k m g =杆 12()/e m e m e m m =⨯+⨯+杆件杆件=30cm
克服重心偏置所需的力矩·
16.41()M G e kgf m ==⋅偏
克服摩擦所需力矩M 摩=0.1cm 克服运动惯性所需的力矩M 惯：
J 杆=2221(3)/12m L R me ++=0.7654(kg-m-2s )
J 件=22me =25⨯20.45=5.1(kg-m-2s ) J 总=5.8654(kg-m-2s )
M 惯=JW/t
设w=050/s ,20o ∅=起
M 惯=0.0175J 总2w /∅起=12.83(kgf ·m)
则摆动所需的驱动力矩：
M M M M =++摩偏惯=32.14(kgf ·m)
确定转轴的最小直径：
/[]t T M WT T ≤驱 （3—18）
抗拒剖面摸量33()16
T W d mm π
=
所需驱动力矩：
30d mm ≤
= 取d=50mm
所以机械手的摆动采用单叶片回转油缸，定片与缸体固连，动片与转轴固连，当两油口分别进出油时，动片带动转轴转动达到腕部摆动目的。

22·()
2
p b R r M M -=
≥总 又因为：
D d =1.5-2.5,
2b
2D-d ≥ 取 D d =2，2b
D d
-=3
所以：d=50mm ，所以D=100mm ，b=75mm 确定回转油缸工作压力：
2
22
210.58/()
M P kg cm b R r ≥
=-总 由于系统工作压力远远大于此压力，因此该缸的工作压力足以克服摩擦力 3.2.4 选键并校核强度
转轴直径d=40mm,由参考文献[5]中GB1095-79选键为b ⨯h=12⨯8 键校核如下公式：
p δ=2T ⨯310/kld ≤[p δ] （3—19）
K —接触面的高度
k=0.4h=0.4×8=3.2mm
p δ=32.24mp a ≤[p δ]
转轴直径d=50mm,由参考文献[5]中GB1095-79选键为b ⨯h=20⨯10
k=0.4h=0.4×10=4mm
p δ=13.208mp a ≤[p δ]
取接方式：静连接，轻微冲击，查得[]p δ=100a P 所以满足要求 3.3 臂部计算与分析 3.3.1 臂部设计的基本要求
手臂部件是机械手的主要执行部件。

它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并带动它们作空间转动。

臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。

因此，臂部具有三个自由度才能满足基本要求：即手臂绕横轴旋转，左右回转和俯仰运动。

手臂的各种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现，从背部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。

因而，它的结构，工作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。

机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。

臂部要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求：
（1）机械手臂式机身的承载
机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。

显然，伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度逾差，而且其刚度随支臂杆的伸缩不断变化，对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。

为可提高刚度，尽量缩短臂杆的悬伸长度，还应注意：
①根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸
臂部和机身既受弯曲（而且不仅是一个方向的弯曲）也受扭转，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。

所以机械手常用工字钢或槽钢作为支撑板，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置，传动机构以及管道，有利于结构的紧凑，外形整齐。

②高支承刚度和选择支承间的距离
臂部和机身的变形量不仅与本身刚度有关，而且同支撑的刚度和支撑件间距离有很大关系，要提高刚度，除从支座的结构形状，底板的刚度以及支座与底版的连接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。

③合理布置作用力的位置和方向
在结构设计时，应结合具体受力情况，设法使各作用力的变形相互抵消。

a）设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理，确定调整补偿环节，以及减少重要不见的间隙，从而提高刚度。

b）水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精度，使导向杆承受部分或者大部分自重。

c）提高活塞和刚体内径配合精度，以提高手臂俯仰的刚度。

（2）臂部运动速度要高，惯性要小
机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般是根据生产节拍的要求来决定。

在一般情况，手臂回转俯仰均要求均速运动，（v和w为常数），但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前的加速度不能太大，否则引起冲击和振动。

对于告诉运动的机械手，其最大移动速度设计在1000～1500mm/s，最大回转角速度设计在180/o s内，在大部分行程距离上平均移动速度为1000mm/s内，平均回转角速度为90/o s内。

为减少转动惯量的措施：
①减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料。

②减少手臂运动件的尺寸轮廓。

③减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸）， 尽可能在前伸位置下进行回转动作，并且驱动系统中设有缓冲装置。

（3）手臂动作应灵活
为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滑动摩擦代替滑动摩擦。

对于悬臂式的机械手，其传动件，导向件和定位件布置应合理，使手臂运动过程尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生“卡死”的现象（自锁现象）。

为此，必须计算使之满足不自锁的条件。

①计算零件重量，可分解为规则的体形进行计算。

②计算零件重心位置，求出重心至回转轴线的距离。

③求重心位置并计算偏重力臂ρ：
∑=+++++=n
l i G 1G G G G 2 臂腕爪总 （3—20）
∑∑===
++++++++=
n
l
i i
n
l
i G
G G 1
1
22
2222X
G G G G G G G
臂腕爪臂腕爪ρ （3—21）
④计算偏重力矩：
n
11i=G M G X ιρ==∑总偏 （3—22）
（4）位置精度要高
一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高；关节式机械手的位置最难控制，精度差；在手册上加设定位装置和自检测机构，能较好的控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动，啮合件的间隙。

除此之外，要求机械手通用性要好，能适合做各种作业的要求；工艺性要好，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热，冷却；用于作业区粉尘大的机械手，还要设置防尘装置等。

3.3.2 手臂的设计计算
通常先进行粗略的估算，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，在进行校核计算，修正设计。

为了便于进行液压机械手的设计计算，分别对俯仰缸回转油缸的设计叙述如下：
（1）小臂设计 设小臂L=40cm,D=60cm
则 m =2230.050.471022R lp kg ππ=⨯⨯⨯⨯= m =回2230.050.1710R lp ππ=⨯⨯⨯⨯=0.79kg
则手臂总重： 222970.7952.49m kg =++=总.
①俯仰缸的设计计算：
设76a mm =，76b mm =，176c mm =
当手臂处在仰角为1β的位置1OA 时，驱动力P 通过连杆机构产生的驱动力矩 为： 11cos()M Pb αβ=+驱 因为： 11111A D B C
tg O D O D
α=
= 又因为：mm a O B C B D A 11560cos 157660cos 7600111-=-⨯=-=-==
mm B A C D O 4160sin 7676011===+=
1tg α=
2.5
43
，1α=15o 11cos()M Pb αβ=+驱
P=
2
4
D P P P π--封背 （3—23）
P —油缸的工作压力（2/kg cm ） D —油缸内径（cm ）
P 封
—活塞缸与缸径，活塞杆与端差的密封装置处的摩擦阻力（kg ） P 背—通油箱，P 背
=0
ρ>10590.3kg 取ρ=10600kg
M =驱10600⨯0.8⨯cos(3.360)+=60356.601kg·cm 当手臂处在俯角为2β的位置2OA 时，驱动力P 通过连杆机构产生的驱动力
22Pb cos M αβ=-驱（）
因为： 2221A E A E
O E O C EC
α=
=-2tg 2222cos 2.9A E B C OB OC b βα==-=-=,
1O C c =,222sin EC A B b β==
所以： 1
222
cos 15sin o b a tg c b βα
β--==-
则 cos(1530)95050.76?o M Pb kg cm =-=驱 当手臂处在水平位置即OA β=为驱动力矩时
cos(1530)95050.76?o M Pb kg cm =-=驱
因为M M M M =±+驱惯偏摩,由于手臂与支柱连轴有振动轴承，摩擦力矩较小
M 摩=0,所以M M M =±驱惯偏
验证油缸是否满足要求，满足上仰条件，出于1β时
1
·sin M p c b βαββ=
-+驱
-111bcos b cos(tg +)
=
160.356
0.15cos600.05
0.15cos(60)0.30.15sin 60
o
o o
tg -⨯-⨯++⨯ =1134kgf
选取
d
D
=0.7，所以1a p MP =
D ==
26
41134
0.5110D π⨯=
⨯
D=0.053m 整理得到D=63mm ，则d=45mm 。

②液压缸壁和外径计算
2[]
y P D δδ≥
（3—24）
1.563
5260
mm δ⨯≥
=⨯ 1a 1.5 1.5y P P MP ==
材料为高强度铸铁，[]δ=60a P
126632573D D mm ≥+=+⨯=
液压缸为平底缸差，其厚度t 按强度要求计算
无孔时：
0.4330.43363 1.67t D mm ≥≥⨯= （3—25）
取t=3mm
③液压缸工作行程的确定 由1122A B A B S +=得S=16mm
由参考文献[8]中表2-6的系列尺寸查得:S=25cm 则活塞杆L=30cm 活塞杆的稳定性校核，活塞杆由45钢制成。

杆长300mm ，d=45mm ,最大压力P=1134N ,设稳定安全系数为89st Sn =-，a s MP 350=δ，a p MP 280=δ，
a GP E 210=。

将上面参数带入式中求得：
186λ===
活塞杆两端可简化为铰支座，故1μ=，活塞杆横截面为圆形i =
4
d
,故为。