送料机械手的设计

摘要
本课题是为普通车床配套设计的上料机械手。

工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。

本课题对机械手进行了结构设计和液压传动原理的设计，确定了机械手的机械系统，液压驱动系统，控制系统三个组成部分的设计方案。

介绍了机械手的组成和分类，确定了机械手的主要参数及设计方案；对抓取机构的各零部件的参数进行计算，对液压元件进行选择，确定电机规格及机构的参数；对机身机座的电动机和减速器进行选择，并对螺栓设计和校核，确定其当量应力，剪切强度，弯曲强度；确定了机械手的定位方式为机械挡块定位；对影响机械手定位和稳定性的因素进行了相关分析。

关键词：机械手；抓取机构；液压缸
目录
摘要 (I)
第1章绪论 (4)
1.1 课题背景 (4)
1.1.1 机器人的历史、现状 (4)
1.2 机器人发展趋势 (6)
1.3 本文的主要研究内容 (6)
第2章方案设计及主要参数的确定 (8)
2.1 机械手组成和分类 (8)
2.1.1 机械手的组成 (8)
2.1.2 机械手分类 (9)
2.2 方案设计 (9)
2.2.1 主要参数的确定 (9)
2.2.2 方案设计 (9)
2.3 料槽形式及分析动作要求 (10)
2.3.1 料槽形式 (10)
2.3.2 动作要求分析 (11)
2.4 本章小结 (11)
第3章抓取机构的设计 (12)
3.1 手部设计计算 (12)
3.1.1 对手部设计的要求 (12)
3.1.2 拉紧装置原理 (13)
3.2 腕部设计计算 (16)
3.2.1 计算扭矩 (16)
3.2.2 油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩 (16)
3.2.3 腕部回转液压缸尺寸的确定 (16)
3.3 臂伸缩机构设计 (19)
3.3.1 计算液压缸活塞驱动力 (19)
3.3.2 根据驱动力确定液压缸结构尺寸 (20)
3.3.3 腔流量 (20)
3.3.4 手臂右腔工作压力 (20)
3.4 液压元件的选择 (21)
3.4.1 绘制机构工作参数表 (21)
3.4.2 由初步计算选液压泵 (21)
3.4.3 算腕部摆动缸 (21)
3.4.4 确定电机规格 (22)
3.4.5 油管尺寸的确定 (22)
3.4.6 管道壁厚的计算 (23)
3.4.7 油缸容积的确定 (23)
3.5 本章小结 (23)
第4章液压系统原理设计及草图 (24)
4.1 手部抓取缸 (24)
4.2 腕部摆动液压回路 (24)
4.3 小臂伸缩缸液压回路 (25)
4.4 总体系统图 (26)
4.4.1 工作过程 (26)
4.4.2 电磁铁动作顺序表 (26)
4.5 本章小结 (27)
第5章机身机座的结构设计 (28)
5.1 电机的选择 (28)
5.1.1 带动臂部升降的电机 (28)
5.1.2 带动机身回转的电机 (28)
5.2 减速器的选择 (29)
5.3 螺柱的设计与校核 (29)
5.4 本章小结 (30)
第6章机械手的定位与平稳 (31)
6.1 常用的定位方式 (31)
6.2 影响平稳性和定位精度的因素 (31)
6.3 机械手的控制 (32)
6.4 本章小结 (33)
结论 (34)
参考文献 (35)
致谢 (36)
第1章绪论
1.1课题背景
1.1.1机器人的历史、现状
机器人首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。

它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。

目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机器人正在加紧研制。

它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。

第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。

它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。

随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。

国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。

目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。

使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。

在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。

目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先
制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。

如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。

随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。

制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。

计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。

研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。

然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。

修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。

解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。

美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：
（1）1963-1967年为试验定型阶段。

1963-1966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。

1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。

（2）1968-1970年为实际应用阶段。

这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。

（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。

1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。

1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。

据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。

又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。

麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。

其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。

就日本来
说，1967年，日本丰田织机公司引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。

通过引进技术、仿制、改造创新。

很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。

经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。

我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。

目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。

1.2机器人发展趋势
随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。

就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：
（1）提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；
（2）开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；
（3）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。

并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。

1.3本文的主要研究内容
随着科学技术的发展，生产率水平的提高，人们对产品精度和质量的要求越来越来严格。

因此，企业生产线的自动化程度要求越来越高，机械手也越来越来多地被应用，工业机械手已成为多数企业生产线上必不可少的设备。

工业机械手可以提高生产过程的自动化程度，改善劳动条件、避免人身事故，减少人力，并便于有节奏地生产，工业机械手从根本上减轻了工人的劳动强度，提高了生产率水平。

因此，有效地应用机械手，是发展机械工业的必然趋势，研究的内容如下：
（1）本次设计主要研究的是柴油机机体加工线上用多功能机械手，使其完成上料、转位和翻转等多种功能，并按该自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。

（2）研究思路及技术方案是本工业机械手机身采用机座式，坐标形式为直角坐标式，使用液压驱动，选用齿轮泵，具有机身旋转、手臂伸缩、手臂升降、腕部转动4个自由度，定位采用机械挡块定位，定位精度为-0.5～0.5mm，采用行程控制系统实现点位控制。

第2章 方案设计及主要参数的确定
2.1 机械手组成和分类
2.1.1 机械手的组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统组成[4]。

执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构如2-1 所示。

1—手部；2—手腕；3—立柱；4—手臂；5—机座
图2-1机构简图
驱动系统 机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。

常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。

控制系统 控制系统是机械手的指挥系统 ，它控制驱动系统，让执行机构按规定的要求进行工作，并检测其正确与否。

一般常见的为电器与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。

2 1
4 3
5
2.1.2机械手分类
（1）根据所承担的作业的特点分类如下：承担搬运工作的机械手；生产工业用机械手；通用工业机械手。

（2）按功能分类如下：专用机械手；示教再现机械手；通用机械手。

（3）按驱动方式分类如下：液压传动机械手；气压传动机械手；机械传动机械手。

（4）按控制方式分类如下：固定程序机械手；可编程序机械手。

2.2方案设计
2.2.1主要参数的确定
2.2.2方案设计
根据课题要求及参数要求，可采用以下多种方案。

（1）直角坐标系式，自动线成直线布置，机械手空中行走，顺序完成上料、翻转、转位等功能。

这种方案结构简单，自由度少，易于配线，但需要架空行走，油液站不能固定，这使设计复杂程度增加，运动质量增大。

（2）机身采用立柱式，机械手臂上下升降，顺序完成上料、翻转、转位等功能，自动线仍呈直线布置。

这种方案可以集中设计液压，易于实
现、油路定点连接，但手臂悬伸量较大。

（3）机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、翻转、转位等功能。

这种案具有占地面积小等优点，但配线要求较高。

图2-2机座式机械手
本设计拟采用第三种方案，如图2-2所示。

这是一种机座式机械手，具有机身旋转(⌒z)手臂伸缩(→x)手臂升降（⌒z）和腕部转动(⌒x)四个自由度。

2.3料槽形式及分析动作要求
2.3.1料槽形式
图2-3机械手安装简易图
由于工件的形状属于小型回转体，此种形状的零件通常采用自重输送的输料槽，如图2-3所示，该装置结构简单，不需要其它动力源和特殊装置，所以本课题采用此种输料槽。

2.3.2动作要求分析
动作一：送料
动作二：预夹紧
动作三：手臂上升
动作四：手臂旋转
动作五：小臂伸长
动作六：手腕旋转
图2-4要求分析
手臂上升，手臂有沿机座立柱做升降运动，获得较大的运动行程，升降过程由电动机连接带动螺柱旋转，由螺柱配合导致了手臂的上下运动。

手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而使手臂回转。

手腕回转和小臂伸缩主要由回转缸控制其回转范围和伸缩运动。

2.4本章小结
在本章中主要对机械手的设计方案的进行分析和主要参数的确定，具体内容如下：
（1）介绍了机械手的组成和分类，并讲述了各类机械手的用途及作用；
（2）根据课题要求，确定了机械手的主要参数，并设计了几套方案，最后拟用第三套方案；
（3）确定了机械手的料槽形式，并对机械手的动作要求进行分析。

第3章抓取机构的设计
3.1手部设计计算
3.1.1对手部设计的要求
（1）有适当的夹紧力
手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。

对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。

（2）有足够的开闭范围
夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。

工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。

图3-1 机械手开闭示例简图
对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。

手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图3-1所示。

（3）力求结构简单，重量轻，体积小
手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积
直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。

因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。

（4）手指应有一定的强度和刚度
（5）其它要求
因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指
钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。

此种结构较为简单，制造方便。

3.1.2 拉紧装置原理
（1）拉紧油缸的尺寸设计
图3-2 油缸示意图
如图3-2所示：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进
油时松开工件。

液压缸内径D 的计算
初步确定：mm R mm L 50,30,1500===ϑ，手指对工件的夹紧力F 用
式(3-1)计算得
R
L N F 2
cos 2θ⨯= (3-1)
式中 p ——手指对工件的夹紧力；
R ——传动销与定位销的长度；
L ——连杆长度；
θ——连杆中心线与夹紧力作用线之垂线的夹角。

根据设计要求可知：N G N 392'==
N R L N F F 95.176350
)23(1502392cos 22'=⨯⨯⨯=⨯==θ计算 实际所采用的液压缸驱动力 F 实际计算>F ，查文献得公式
12K K F F η
=实际计算 (3-2) 式中 1K ——安全系数，一般取 1.2～2.0；
2K ——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，一般取1.1～2.5； η——手爪的机械传动效率，一般取0.85～0.9。

N F 13.342495.176385
.05.11.1=⨯⨯=实际 由此确定液压缸直径D
4
F π22实际（D -d ）= (3-3)
设夹紧缸的直径为D ，则活塞杠的直径取：0.5d D =，压力油的工作压力为Pa P 6105.2⨯=，则
m P F D 048.075.0105.214.313.34244)5.01(462=⨯⨯⨯⨯=-=π实际 根据 GB/T2348-93 液压缸内径尺寸系列取：mm D 50=，则活塞杆直径为选取为
mm D d 255.0==，行程mm 25；
根据GB/T2348-93液压缸活塞杆外径尺寸系列取：mm d 25= 。

由于活塞杆的长度较短，所以不用校核它的强度；
缸壁厚δ的计算
对于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算
[]
σδ2D
p p ≥ (3-4)
式中 δ——液压缸缸筒厚度（mm ）；
p p ——试验压力（MPa ）
，工作压力p≤16MPa 时，p p =1.5p ；工作压力p≥16MPa 时，p p =1.25p ，由于本次设计的液压系统压力为2.5MPa ，故p p =1.5×2.5=3.75Mpa ；
D ——液压缸内径（mm ）； []σ——缸材料体的许用应力（MPa ）：
[]n
b σσ= b σ——缸体材料的抗拉强度（MPa ）
； n ——安全系数，n=3.5～5，一般取n=5。

对于锻钢 []σ=100～120 MPa ；铸钢 []σ=100～110 MPa ；钢管 []σ=100～110 MPa ；铸铁 []σ=60 MPa ，现[]σ选用铸铁材料，[]σ=60Mpa 。

mm 56.160
25075.3=⨯⨯=
δ 因结构设计需要，取δ=10mm 。

缸外径D 0及长度l 的计算
70m m =102+50= 2+D =D 0⨯δ
L≤（20～30）0D ，由结构需要来确定，取mm L 60=。

液压缸行程S 的确定
按GB/T2349-1980标准系列确定液压缸活塞行程为40mm 。

（2）运动范围（速度）
伸缩运动： s mm V /500max =
s mm V /50min =
上升运动： s mm V /500max =
s mm V /40min =
下降运动： s mm V /800max =
s mm V /80min =
回转运动： s W /900max =
s W /300min =
所以取手部驱动活塞速度s mm V /60=
（3）手部右腔的流量
s mm R SV Q /5.1172514.36060322=⨯⨯===π （3-5）
（4）手部工作压强
MPa S F P 78.15.1962/13.3424/===实际 （3-6）
3.2 腕部设计计算
设计要求：回转090±，角速度s W /450=
以最大负荷计算：当工件处于水平位置时，回转缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重kg 5，长度mm l 650=。

如图3-3所示。

3.2.1 计算扭矩
设重力集中于离手指中心mm 200处，即扭矩1M 为：
).(6.192.08.9101M N S F M =⨯⨯=⨯=
（3-7） 3.2.2 油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩
mm S kg m 1005==，
带入公式3-7得).(9.41.08.952M N S F M =⨯⨯=⨯=
（1）回转缸的摩擦力矩摩M
N F 300=摩（估算值）
mm S 20= （估算值）
）（摩摩M N S F M .6=⨯=
（2）回转缸的总摩擦力矩M
).5.3021M N M M M M （摩=++=
(3-8) 3.2.3 腕部回转液压缸尺寸的确定
（1）液压缸内径的确定
回转缸的驱动力矩M 与回转缸的压力p 的关系为：
()222r R pb M -= (3-9)
式中
M ——回转缸的驱动力矩；
P ——回转缸的工作压力；
R ——缸体内壁半径；
r ——输出轴半径； b ——动片宽度。

上述驱动力矩M 与压力p 的关系式是对应与压力腔的背压为零时的情况而言的，若低压腔有一定的背压，则P 为工作压力与背压的差值。

由上式腕部回转缸的驱动力矩M 与回转缸的压力p 的关系推导得缸体内壁半径为；
图3-4手腕回转叶片
mm r Pb M 7.341525
5.2105.3022R 23
2=+⨯⨯⨯=+= 其中输出轴半径r 由结构设计定为mm 15，查表按标准系列圆整，取mm R 50=，即回转液压缸内径为mm 100，回转液压缸回转行程的确定，如图3-4所示，由方案设计可知，腕部回转行程0～180○。

（2）液压缸壁厚δ的计算
对于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算：
[]
σδ2D p p ≥ （3-10） 式中 δ——液压缸缸筒厚度（mm ）；
p p ——试验压力（MPa ）
，工作压力p≤16MPa 时，p p =1.5p ；工作压力p≥16MPa 时，p p =1.25p ，由于本次设计的液压系统压力为
2.5MPa ，故p p =1.5×2.5=
3.75Mpa ；
D ——液压缸内径（mm ）；
[]σ——缸材料体的许用应力（MPa ）：
[]n
b σσ= （3-11） b σ——缸体材料的抗拉强度（MPa ）
； n ——安全系数，n=3.5～5，一般取n=5。

对于锻钢 ][σ=100～120 MPa ；铸钢 ][σ=100～110 MPa ；钢管
][σ=100～110 MPa ；铸铁 ][σ=60 Mpa 。

现][σ选用铸铁材料，
][σ=60Mpa 。

将以知数据代入上式得mm 125.360
210075.3=⨯⨯=δ 因结构设计需要，取mm 5.17=δ。

液压缸外径0D 及宽度b 的计算135m m =5.712+100= 2+D =D 0⨯δ b≤（20～30）0D ，由结构需要确定，取b=30mm 。

回转液压缸回转行程的确定
由方案设计可知，腕部回转行程0～180○，其结构形式见图3-2 由公式
8
10)(6
22⨯-⨯=mm Al b P M φφ (3-12) 式中 b ——叶片厚度，取mm b 30=；
Al φ——摆动缸内径，取mm Al 100=φ；
mm φ——转轴直径，取mm mm 30=φ；
P ——回转缸的工作压力。

上述驱动力矩M 与压力P 的关系式是对应与压力腔的背压为零时的情况而言的，若低压腔有一定的背压，则P 为工作压力与背压的差值。

由上式腕部回转缸的驱动力矩M 与回转缸的压力P 的关系推导回转缸的工作压力为：
MPa mm Al b M P 89.010
)(8622=⨯-⨯=φφ 又因为
b
mm Al Q W )(822φφ-=
所以
s ml b mm Al W Q /278
)(22=-=φφ 式中
Q ——流量；
W ——回转缸的角速度；
b ——叶片厚度，这里取mm b 30=； Al φ——摆动缸内径, 这里取mm Al 100=φ；
mm φ——转轴直径, 这里取mm mm 30=φ。

3.3 臂伸缩机构设计
手臂的伸缩速度为s m /200，行程mm l 500=。

3.3.1 计算液压缸活塞驱动力
F F F =+惯摩 （3-13）
式中 F 摩——手臂运动时的摩擦阻力；
F 惯——起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。

（1）摩擦阻力计算
N mg F 2.88==μ摩
式中 μ——摩擦系数（钢对铸铁：取0.18~0.3μ=，这里取0.3）； m ——手臂伸缩部件的总重量（含工件的质量）
)(302010kg m =+=
（2）起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力计算
N t
g v W F 75=∆∆=惯 式中 W ——手臂伸缩部件的总重力（包括工件重量）（N ）；
v ∆——油静止加速到常速的变化量（/m s ）,取375010/m s -⨯； t ∆——起动过程时间（s ），一般取 0.01～0.5s ，对轻载低速运动部件取较小值，对重载高速运动部件取较大值（这里取0.4）。

所以所需的总的驱动力为
N F F F 2.163=+=摩惯
3.3.2 根据驱动力确定液压缸结构尺寸
D = （3-.14） 式中 D ——液压缸直径,其中0.5d D =；
η——载荷率η 取0 .7～0.85；
P ——液压缸的工作压力 取MPa P 5.2=； 1F ——液压缸驱动力。

mm P F
D 5.11316==πη
根据 GB/T2348-93 液压缸内径尺寸系列取：mm D 40=mm D d 205.0==；
根据GB/T2348-93 液压缸活塞杆外径尺寸系列取：mm d 20= ,行程为mm 500。

3.3.3 腔流量
由公式（3-5）得：
s ml v D Q /100042
==π
式中 Q ——流量（s ml /）
V ——活塞杆速度，取s mm v /200=。

3.3.4 手臂右腔工作压力
由公式（3-6） 得：
S F P =
(3-15) 式中 F ——系统总的驱动力。

所以代入公式（3.12）得：
MPa D F
S F P 26.04
2===π
3.4 液压元件的选择
3.4.1 绘制机构工作参数表
表3-1机构工作参数
3.4.2 由初步计算选液压泵
验所需液压最高压力：MPa P 78.1= 所需液压最大流量：s ml Q /1000=
选取CB-D 型液压泵（齿轮泵）；此泵工作压力为MPa 10，转速为min /1800r ，工作流量Q 在r ml /70~32之间，可以满足需要。

3.4.3 算腕部摆动缸
8/10)(622'⨯-=m mm Al Pb M ηφφ （3-16） b mm Al W v )(822'φφθη-= （3-17）
式中 m η——机械效率取： 0.85～0.9
v η——容积效率取： 0.7～0.95
所以代入公式（3-16）得：
).(8.25'M N M = ).(5.30'M N M M =
代入公式（3-17）得：
s rad W /673.0'= =0.673rad/s s rad W /785.04/'≈π
因此，取腕部回转油缸工作压力 MPa P 1=；流量s ml Q /35=
圆整其他缸的数值：
手部抓取缸工作压力 MPa P I 2=；流量s ml Q I /120= 小臂伸缩缸工作压力 MPa P I 25.0=；流量s ml Q I /1000=
3.4.4 确定电机规格
液压泵选取CB-D 型液压泵，额定压力MPa P 10=，工作流量在之间。

选取min /80L 为额定流量的泵， 因此：
/p p p P p q η= （3-18）
r ml r ml /70~/32
式中 P ——电动机功率（W ）；
p p ——液压泵最大工作压力（Pa ）； p q ——液压泵的输出流量（3/m s ）；
p η——液压泵总效率，由液压泵产品样本查出，8.0=p η
所以代入公式（3-18）得：KW q p P p p p 7.16/==η
选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率KW 17，转速为min /2940r 。

3.4.5 油管尺寸的确定
管道内径计算
v
Q
d π4=
（3-19）
式中 Q ——通过管道内的流量（s m /3），min /80L Q =； V ——管内允许流速（s m /），取s m v /4=，见表3-2。

mm v
Q
d 204==
π 根据参考文献3中表37.9-1，选取管道内径mm d 20=的铜管。

3.4.6 管道壁厚的计算
]
[2σδpd
≥
（3-20） 式中 -p 工作压力（MPa ） -d 管道内径（mm ）
-][σ许用应力（MPa ），对于钢管s
b σ
σ=][（抗拉强度MPa -
s 安全系数，当MPa p 7 时，8=s ；当MPa p 5.17≤-b σ时，6=s ；当MPa p 5.17 时，4=s ）。

对于铜管MPa 25][≤σ。

所以 mm pd
4]
[2=≥
σδ，管道的外径mm d D 282=+=δ，长度m l 2=。

3.4.7 油缸容积的确定
对油缸容积初步确定
V aQ V = （3-21）
已知所选泵的总流量为min /80L ，这样液压泵每分钟排出压力油的体积为308.0m ，取5=a ，算出有效容积为
34.0m V =
3.5 本章小结
本章主要对机械手的抓取机构进行了相关的研究，具体内容如下： （1）阐述了对手部的设计要求，并对拉紧油缸的尺寸进行相关的设计计算；
（2）对腕部进行设计计算，计算各扭矩，并确定了腕部回转液压缸尺寸；
（3）对臂伸机构进行设计计算，计算驱动力，并确定了液压缸结构尺寸；
（4）对液压元件进行选择，确定电机规格及机构的参数。

第4章液压系统原理设计及草图
4.1手部抓取缸
（1）手部抓取缸液压原理图如图4-1所示[5]；
（2）泵的供油压力P取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300ml/s。

因此，需装图4-1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。

采用：YF-B10B溢流阀
2FRM5-20/102调速阀
4.2腕部摆动液压回路
（1）腕部摆动缸液压原理图如图4-2所示
（2）工作压力P=1Mpa
流量Q=35ml/s
采用2FRM5-20/102调速阀
34E1-10B 换向阀
YF-B10B 溢流阀
图4-2 腕部摆动液压回路4.3小臂伸缩缸液压回路
（1）小臂伸缩缸液压原理图如图4-3所示
（2）工作压力P=0.25Mpa
流量Q=1000ml/s
采用YF-B10B 溢流阀
2FRM5-20/102 调速阀
23E1-10B二位三通阀
4.4总体系统图
如图4-4所示为液压传动系统的总体系统图
图4-4总体系统图
4.4.1工作过程
小臂伸长→手部抓紧→腕部回转→小臂回转→小臂收缩→手部放松4.4.2电磁铁动作顺序表
液压总体系统的电磁铁动作顺序如表4-1
4.5本章小结
本章主要对抓取机构各部分的液压系统原理进行了相关的研究，并确定了相关的草图，具体内容如下：
（1）对抓取机构各部分的液压系统原理进行了相关的研究，拟定各部分的原理草图；
（2）确定了抓取机构的工作过程和电磁阀动作顺序表。

第5章机身机座的结构设计
5.1电机的选择
5.1.1带动臂部升降的电机
初选上升速度V=100mm/s
P=6KW
所以n=（100/6）×60=1000转/分
选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。

采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。

表5-1 Y90S-4电动机技术数据所示：
5.1.2带动机身回转的电机
初选转速W=60º/s
n=1/6转/秒
=10转/分
由于齿轮i=3，减速器i=30，所以n=10×3×30=900转/分
选择Y90L-6型笼型异步电动机
电动机采用B级绝缘。

外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。

如表5-2 Y90S-6电动机技术数据所示：。