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譯文：
題目 機械手轉動關節(jié)工作周期的優(yōu)化問題
出處：springer
Bogdan Posiadala · Mateusz Tomala · Dawid Cekus ·Pawe? Wary′s
Received: 25 February 2014 / Revised: 27 March 2014 / Accepted: 4 April 2014 / Published online: 5 May 2014 ? The Author(s) 2014. This article is published with open access at Springerlink.com
摘要：在這項工作中，機械手轉動關節(jié)的工作周期的優(yōu)化運動建模問題一直受到關注。在任何空間工作周期條件下的機械手元件的運動方程已制定。利用經典的矢量力學和二類拉格朗日方程完成了該公式的編制。利用商業(yè)軟件得到了系統(tǒng)的運動方程。為每個致動器考慮所選擇的運動模型是具有準梯形速度分布的點至點運動模型。此外,優(yōu)化問題提出了一個特定的工作周期。優(yōu)化目標已被選為最小化致動器的負載(扭矩)。他目標函數已經在每個考慮執(zhí)行機構制定了使用性能指標和設計變量的額定速度值和工作周期的初始時間值。利用約束多目標粒子群優(yōu)化算法求解該優(yōu)化問題。數值計算已使用完畢并且專門執(zhí)行軟件和計算的結果已被附加到文書工作。
B. Posiadala · M. Tomala (B) · D. Cekus · P. Wary′s Institute of Mechanics and Machine Design Foundations,Czestochowa University of Technology, Czestochowa, Poland e-mail: tomala@imipkm.pcz.pl
關鍵詞:建模學，動力學，機器人，機械手，運動，優(yōu)化
一、引言
多體系統(tǒng)動力學現象的建模與分析問題一直是許多工作的主題。在作品[1-3]，這個文章的作者提出的建模和汽車起重機及其組件的動態(tài)分析的問題。從這項工作的角度來看，這是值得引用的作品[4—7]。在作品中，機器人的建模和優(yōu)化問題已經提出不同的目標函數和約束應用于算法。
在這部作品中,4R機械手的動力學建模的問題已經提出。此外，優(yōu)化的點對點的工作周期的問題已經制定和解決。示例性計算已經執(zhí)行和計算的結果已被附加到文書工作。
二、機械手的運動學和動力學
在一個三維空間中操縱器和四個轉動關節(jié)(4R機械手)允許定位機械手的末端執(zhí)行器,另外,允許旋轉的制動裝置機械手。這樣的系統(tǒng)是一個開放的運動鏈,以簡單的形式顯示在圖1。
考慮系統(tǒng)的運動學和動力學一直在制定全球坐標系統(tǒng)OXYZ笛卡爾,如圖1所示。機械手的模型由四自由度剛體的轉動關節(jié)連接P，Q，S和N。所有功能的運動學已經確定使用經典力學引入局部坐標系永久連接到所考慮的運動鏈的機構。開放運動鏈的運動學問題被廣泛描述的作品[8-12]。
圖1 4R機器人的方案
機器人機械手的逆動力學問題與轉動關節(jié)包括確定每個考慮關節(jié)轉矩的變化,而位置,速度和加速度函數是已知的。解決這個問題的最好方法是制定適當的機械功能(動力學和潛在)能源和使用拉格朗日第二類方程。如果L是拉格朗日,考慮機械手的動力學方程是:
廣義坐標：
q={ (2)
拉格朗日是系統(tǒng)的總動能減去總勢能。由于每個元素的系統(tǒng)被認為是一個剛體，一個特定的元素的動能是平移和旋轉運動的動能總和。一個特定元素勢能是重元素乘以距離勢能最?。ㄈ蚩蚣躉xy平面）。
在這項工作中，還提出了4R機械臂的優(yōu)化問題。優(yōu)化的目標是最小化每個考慮的致動器的轉矩。目標函數可以使用性能指數[12]制定。對于一個特定的致動器，該指數具有一個形式：
三、運動模型
在這部作品中,點對點模型的運動已被接受。在文獻中，各種型號的速度分布可以滿足。例如,配置文件可以被選為梯形,正弦或拋物線[12]。在這項工作中，一個準梯形速度分布已采取。速度和加速度的時間變化如圖2和圖3所示。其中數據是所有重要的工作周期參數。
圖2選擇運動模型的角速度隨時間變化
圖3選擇運動模型的角加速度隨時間變化
從優(yōu)化的角度來看，最重要的參數是工作周期的開始時間及其額定速度。在每個考慮關節(jié)角位移可以簡單地計算為:
額定速度保持的最大加速度和持續(xù)時間等于：
設計變量可以被收集到一個向量：
四、粒子群優(yōu)化算法
粒子群優(yōu)化算法是一種最現代的隨機優(yōu)化技術,是1995年由肯尼迪和埃伯哈特在工作中首次提出的[13]。從一開始,這種方法得到了廣泛的發(fā)展，不斷的應用以及修改到目前為止,例如[14-16]。在機器人技術中，這種方法通常被用來找到最佳的幾何參數和慣性參數的固定機器人，如機械手[4-7]。它也被用于移動機器人找到二維空間的移動機器人最優(yōu)軌跡。
粒子群優(yōu)化算法是基于觀察自然界中出現的現象，如昆蟲或魚群的覓食。
粒子群的每個粒子都能夠記住并使用它的經驗，從整個迭代過程中，也可以與其他成員進行溝通。粒子群是能夠識別“好”領域的領域，并可以在這些領域尋找一個最佳的。
圖4約束粒子群優(yōu)化算法的簡化方案
設計變量的初始值（特定粒子的位置）是隨機的。然后，在一個迭代步驟n + 1，所覆蓋的距離在m方向的粒子（在m個方向的粒子的速度）如下：
在χ是收縮因子，是在先前的迭代速度，w是一個權重系數，和是隨機實數從（0；1），和是學習的因素，是考慮粒子從整個迭代過程和一個人最好位置是一個全球性的最佳位置以獲得整個群。在公式中，三個不同的影響因素可以確定：第一是慣性的影響，其次是個人的影響，第三是社會影響。還有另一個版本的這個公式,全球最佳位置通用被替換為一個本地最好的位置。在這個版本中，每個粒子都有指定的鄰域，并將其個人最好的位置和附近的鄰居進行比較。
此外，在每個考慮方向的最大速度應設置為保護群從爆炸：
(9)
其中是M個方向的最大速度。
每一個粒子在每一個方向上的一個新位置等于：
在迭代過程中，設計變量的值必須滿足某些約束條件。所有變量都必須是正的。速度的跡象是已知的，并依賴于每個被認為的致動器的角位移的跡象（第3章）。此外，速度被限制的最大速度，可在每個致動器中。此外，最大時間的工作周期是指定的，并為每個關節(jié)的最大轉矩值是已知的。所有制定的限制如下：
0
0
考慮到前面介紹的運動模型（第3章）：
=-
在粒子群優(yōu)化算法中，引入了懲罰函數。有必要重新約束成下面的形式：
罰函數可以被假定為：
F（x）=
r是數量的限制。在式（17）中，是校正因子為罰函數和的校正因子為每個約束。max函數以值0當（x）＜0，（x）時，（x）＞0。h(n)函數依賴于迭代步驟，并已被假定為：
h(n)=n
使用的注意事項包含在2和3，無約束優(yōu)化問題的目標函數可以制定：
f(x)=min
在權重系數和的功能進行了描述由方程（3）。將罰函數引入目標函數，給出了一個新的目標函數，給出了一個新的公式：
在這項工作中所使用的粒子群優(yōu)化算法，已提出了在圖4中的簡化形式。
五、示范性計算
在前幾章中介紹的算法，已被用來執(zhí)行的示范性計算。對4R機械手的工作周期的優(yōu)化問題進行了研究。設計變量是在每個考慮關節(jié)的啟動時間和額定速度，所以有8個設計變量。該工作循環(huán)包括從一開始點A到最后一點B的運動，同時夾持旋轉的裝置和一個負載。夾持裝置和負載被認為是一個剛性體。笛卡爾坐標系的選擇點A{ 0.5,0.2,0.8 }和點B{?1.3,1.3,0.9 }。3r機械手的逆運動學問題已經得到解決和特定的旋轉制動裝置設置從-π/3到π/3(rad)。完整的逆運動學結果:
{0.38051,?0.63141, 2.54841,?1.04720} (22)
(23)
假定特定身體的中心被放置在身體的一半長度的一半。幾何和慣性參數：=0.4[m], =1[m], =0.8[m], =0.4[m], =0.7[kg], =1.1[kg], =0.8[kg],=1.5[kg],={0.05,0,0,0,0.03,0,0,0,0.05},={0.1,0,0,0,0.1,0,0,0,0.002},={0.1,0,0,0,0.1,0,0,0,0.002}
={0.05,0,0,0,0.05,0,0,0,0.001}。運動模型參數：,,。最大角速度和扭矩已被假定為：，，，。所選擇的粒子群優(yōu)化參數：
X=0.8,。在每一種情況下，粒子數被設置為500，每一個迭代中的100次迭代。
圖5優(yōu)化的溶液隨時間變化而變化的曲線圖 案例1
圖6角速度隨時間變化而變化，隨時間變化 優(yōu)化案例1
四種不同情況下的優(yōu)化已經調查了不同的工資值。在第一種情況下,所有的重量系數是相等的:=0.25。對于這種情況,最終的目標函數的值是672.63個人價值的性能指標:=3.52,=1487.58,=1201.36,=1201.36×10?6。設計變量是{0.90,0.13,1.15,0.90,0.13,0.00,8.92,3.87}。在第二種情況下的權重系數是:=0.1,=0.5,=0.3,=0.1和1257.52的優(yōu)化結果和{0.38,0.84,0.78,0.38,0.84,8.27,0.00,4.75}。對于這種情況,個別性能指標有:=0.36,=1170.88,=2236.31,=2236.31×10?6。在第三個案例權重系數被選為:=0.1,=0.3,=0.5,=0.1。目標函數的獲得的結果是945.61個人價值的性能指標:=6.83,=2794.95,=213.173,=213.173×10?6和設計變量{0.33,1.06,1.15,0.33,1.06,0.00,8.92,3.60}。在
第四個案例權重系數:=0.05,=0.55,=0.35,=0.05和1236.84的優(yōu)化結果,{0.69,0.13,1,15,0.78,2.34,0.02,8.92,2.41}。對于這種情況,個別性能指標有:=1.92,=1475.86,=1214.36,=1214.36×10?6。所有的結果已被提出作為每個考慮的情況下的轉矩-時間變化（圖.5，7，9，11）。此外，速度時間限制已添加（圖6，8，10，12）。
圖7轉矩變化與時間的優(yōu)化解決方案 案例2
圖8角速度隨時間變化而變化，隨時間變化 優(yōu)化案例2
圖9優(yōu)化的溶液隨時間變化而變化的曲線圖 案例3
圖10角速度隨時間變化而變化，隨時間變化 優(yōu)化案例3
圖11優(yōu)化的溶液隨時間變化而變化的曲線圖 案例4
圖12角速度隨時間變化而變化，隨時間變化 優(yōu)化案例4
六、結論
在這項工作中，優(yōu)化了4R機器人的動力學建模問題。該點與準梯形速度輪廓點模型已被接受。利用經典的矢量力學和二類拉格朗日方程得到了運動方程。利用約束多目標粒子群優(yōu)化算法求解優(yōu)化問題。設計變量是在每個致動器的額定速度和工作周期的開始時間。目標函數是基于使用性能指標的執(zhí)行器中的扭矩最小化的基礎上。
該算法可以用來研究不同的目標函數和不同的設計變量的其他優(yōu)化問題。考慮可用于解決卷和柱狀節(jié)理機器人優(yōu)化問題，關鍵是要用目標函數來確定設計變量。
感謝 這項研究已經進行了法律研究學士BS/PB-1-101-3010/13/P的力學和CZE,?stochowa科技大學機械設計基礎研究所內。本文是2013年二月到五月在第十二次定期會議動力系統(tǒng)理論與應用上，由羅茲，波蘭提出 [ 17 ]。
開架閱覽 本文是根據創(chuàng)造性的共用許可證的條款，允許任何介質中的任何用途，分布和復制，提供了原始作者(年代)和源被認為。
參考文獻：
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本科畢業(yè)論文（設計）任務書
院 別
機電學院
專業(yè)
機械電子工程
班級
學生姓名
學號
指導教師
職稱
題 目
搬運機械手機構與控制電路設計
論文（設計）的主要任務與具體要求（有實驗環(huán)節(jié)的要提出主要技術指標要求）
進行生產線用搬運機械手機構與控制電路設計。包括主要機構和傳動系統(tǒng)設計：機械手搬運最大物重：30Kg，直徑為：以下尺寸的圓形棒料。物品移動范圍為半徑為0.5m的扇形區(qū)域，高度變化范圍為：0.5m。動力裝置自定。如選用液壓系統(tǒng)，要設計出液壓系統(tǒng)圖和相應電氣控制系統(tǒng)。要求設計壽命10年。完成機體和傳動機構的總體設計，并完成指定零件的零件圖設計。進行必要零部件的受力分析與強度驗算；繪制總裝圖和相關零件圖。必要時進行優(yōu)化設計和應力分析。在以上給定參數條件下，設計出應用標準元件最多，體積最小、機構最為合理、強度足夠，基本能交付工程實際的設計資料。
完成文獻資料收集，分析研究和綜述，撰寫開題報告。完成總體設計說明書或論文撰寫。
要求設計學生具有綜合應用所學理論知識，專業(yè)知識和實踐技能；具有查閱科技文獻資料、使用各種標準、手冊以及獨立設計工作能力；具有較強的CAD繪圖能力，具有機械制造方面的基本知識；善于應用新技術、新工藝、新材料。在綜合訓練過程中鍛煉工程應用能力，啟發(fā)創(chuàng)新思維。融會運用所學知識，在充分分析，研究，探討，綜合的基礎上完成畢業(yè)答辯。
進度安排（包括時間劃分和各階段主要工作內容）
2011年12月15日—2011年12月31日下達畢業(yè)設計任務；
2012年2月20日—2012年3月10日收集設計資料，熟悉相關知識，規(guī)范；進行設計問題分析和構思，完成畢業(yè)設計開題報告，開題；
2012年3月11日—3月24日，完成傳動方案設計和傳動路線擬定，傳動過程動力設計；
2012年3月25日—4月1日，完成機械結構分析與計算，驗證方案合理性；
2012年4月2日—4月9日，完成傳動草圖設計，
2012年4月10日—4月18日，完成傳動與支撐總裝草圖；
2012年4月19日—4月26日，進行指定零件圖設計；進行元件強度驗算；
2012年4月27日—5月4日，完成總裝配圖繪制；
2012年5月5日—5月12日，完成指定零件圖繪制，進行必要的優(yōu)化和應力分析；
2012年5月13日—5月18日，完成設計說明書或論文整理與撰寫，交畢業(yè)設計資料，評定成績；
2012年5月19日—5月20日，最后整理資料，準備答辯問題，答辯；
主要參考文獻
進度安排（包括時間劃分和各階段主要工作內容）
2011年12月15日—2011年12月31日下達畢業(yè)設計任務；
2012年2月20日—2012年3月10日收集設計資料，熟悉相關知識，規(guī)范；進行設計問題分析和構思，完成畢業(yè)設計開題報告，開題；
2012年3月11日—3月24日，完成傳動方案設計和傳動路線擬定，傳動過程動力設計；
2012年3月25日—4月1日，完成機械結構分析與計算，驗證方案合理性；
2012年4月2日—4月9日，完成傳動草圖設計，
2012年4月10日—4月18日，完成傳動與支撐總裝草圖；
2012年4月19日—4月26日，進行指定零件圖設計；進行元件強度驗算；
2012年4月27日—5月4日，完成總裝配圖繪制；
2012年5月5日—5月12日，完成指定零件圖繪制，進行必要的優(yōu)化和應力分析；
2012年5月13日—5月18日，完成設計說明書或論文整理與撰寫，交畢業(yè)設計資料，評定成績；
2012年5月19日—5月20日，最后整理資料，準備答辯問題，答辯；
注：畢業(yè)設計期間（2012.2.20 ～ 2012.5.25），每2周以系為單位對學生的畢業(yè)設計情況進行檢查，每個學生準備PPT等資料，自述5分鐘，指導教師提問并指導相關問題。時間初定為：3月22日；4月5日；4月19日；5月10日。參加設計的學生必須到場。
指導教師簽名
系（教研室）審核意見
任務接受人（簽名）
年 月 日
審核人簽名： 年 月 日
年 月 日
備注：1、本任務書一式三份，由指導教師填寫相關欄目，經系審核同意后，系、指導教師和學生各執(zhí)一份。
2、本任務書須裝入學生的畢業(yè)論文（設計）檔案袋存檔。
學生畢業(yè)設計開題報告
題 目：搬運機械手機構與控制電路設計
院 校：
專 業(yè)： 機械電子工程
年 級：
姓 名：
學 號：
指導老師：
本科畢業(yè)論文（設計）開題報告
院別
機電學院
專業(yè)
機械電子工程
班級
姓名
學號
聯系方式
題目
搬運機械手機構與控制電路設計
開題申請：（包括選題的意義與目的、文獻綜述、研究現狀、創(chuàng)新思路、論文提綱、進度安排、參考文獻等。）
一、 選題的意義與目的
意義：機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用于按固定程序抓取、搬運物體或操作工具的自動操作裝置。它可以代替人的繁重勞動以實現生產自動化和機械化，能在有害環(huán)境下操作以保證人的安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。在工業(yè)部門中應用的機械手稱為工業(yè)機械手。
工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，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，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。
工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。
機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一它能部分的代替人工操作；其二它能按照生產工藝的要求遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的廣泛應用 。
機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，它有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。
機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。
選擇《搬運機械手機構與電路控制設計》這個課題作為我的畢業(yè)設計，對我的專業(yè)——機械電子工程，四年里所學的關于機械與電子的專業(yè)知識能夠進行一個系統(tǒng)的總結，因為這個畢業(yè)設計涉及里機械結構的設計與電路控制系統(tǒng)的設計。是實際綜合設計訓練；是一次全面的鍛煉和設計實踐；是工程技術的具體應用；是能力提高的關鍵環(huán)節(jié)。
目的：代替人工操作；能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；能制作必要的機具進行焊接和裝配從而大大改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產率，加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。
通過畢業(yè)設計《搬運機械手機構與電路控制設計》，對大學四年知識的總結，使自己在踏入社會就業(yè)，對機械行業(yè)設計這個領域能更加容易上手，鞏固自己的知識。
二、國內外研究概況及相關文獻綜述
目前國內工業(yè)機械手主要用于機床加工，鑄鍛，熱處理等方面，數量，品種，性能方面都不能滿足生產發(fā)展的需要，因此，國內主要擴大機械手運用范圍，重點發(fā)展鑄鍛，熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在 運用專業(yè)機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手，計算機控制機械手和組合式機械手等。國內外對發(fā)展這一新技術都很重視，幾十年來，這項技術的研究和發(fā)展一直比較活躍，設計在不斷的修改，品種在不斷的增加，運用領域也在不斷的擴大。
在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手運用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床，摸鍛壓機的上下料，以及點焊，噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件機械手本身的損害。為此，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界的條件的變化，做出相應的變更。
3、 創(chuàng)新思路
機械手的機械結構主要手抓、手腕、手臂、和機身組成，包括由兩個液壓回轉缸和三個液壓伸縮缸，采用液壓驅動方案控制機械手運動，用電磁閥控制的液壓缸來實現機械手的上升、下降、伸縮、翻轉運動及夾緊工件的動作，采用可編程序控制器對機械手實現自動控制。該設計將實現對直徑以下尺寸、重高達30kg的圓形棒料在移動范圍半徑為0.5m的扇形區(qū)域，高度變化范圍為：0.5m的區(qū)域內進行可編程控制搬運。
四、論文提綱
論文摘要
前言
第一章 緒論
1.1機械手的研究概況
1.2機械手發(fā)展方向
1.3工業(yè)機械在生產中的應用
1.4本設計中研究的主要內容
第二章 搬運機械手的總體設計方案
2.1機械手的組成
2.1.1機械手的執(zhí)行機構
2.1.2機械手的驅動機構
2.1.3機械手的控制方式選擇
2.2機械手的技術參數列表
2.3機械手手部的設計計算
2.3.1手部設計基本要求
2.3.2 手部機構的選擇
2.3.3手抓的設計計算
2.4腕部的設計計算
2.4.1腕部設計基本要求
2.4.2 腕部機構的選擇
2.4.3腕部的設計計算
2.5臂部的設計計算
2.5.1臂部設計基本要求
2.5.2 臂部機構的選擇
2.5.3臂部的設計計算
2.5.4液壓缸工作壓力及結構的確定
第三章 機身的設計計算
3.1機身的總體設計
3.2機身的回轉機構設計計算
3.3機身的升降機構設計計算
第四章 液壓系統(tǒng)的傳動機構設計計算及總圖
第五章 總體的控制電路設計及總圖
第六章 總結
參考文獻
致謝
五、進度安排
2011年12月15日—2011年12月31日下達畢業(yè)設計任務；
2012年2月20日—2012年3月10日收集設計資料，熟悉相關知識，規(guī)范；進行設計問題分析和構思，完成畢業(yè)設計開題報告，開題；
2012年3月11日—3月16日，完成傳動方案設計和傳動路線擬定，傳動過程動力設計；
2012年3月17日—3月27日，完成機械結構分析與計算，驗證方案合理性；
2012年3月27日—4月5日，完成傳動草圖設計，
2012年4月6日—4月12日，完成傳動與支撐總裝草圖；
2012年4月13日—4月20日，進行指定零件圖設計；進行元件強度驗算；
2012年4月21日—5月1日，完成總裝配圖繪制；
2012年5月2日—5月13日，完成指定零件圖繪制，進行必要的優(yōu)化和應力分析；完成設計說明書或論文整理與撰寫，交畢業(yè)設計資料，評定成績；最后整理資料，準備答辯問題，答辯；六、參考文獻
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[14] 可編程控制器原理與應用，范次猛主編，北京理工大學出版社.2006
指導教師意見：
指導教師簽名： 年 月 日
教研室或系審核意見：
教研室（系）主任簽名： 年 月 日
5
論文題目：,姓名： 學號： 指導老師：,搬運機械手機構與控制電路設計,任務要求：,搬運最大物重：30Kg 直徑為： 以下尺寸的圓形棒料 移動范圍：半徑為0.5的扇形區(qū)域 高度變化范圍為：0.5m 設計壽命：10年 動力裝置自定，選用液壓系統(tǒng)，要設計出液壓系統(tǒng)圖和相應電氣控制系統(tǒng)。,,,手抓設計：,滑槽式杠桿回轉型手部,,腕部設計：,腕部回轉缸,,手抓與手腕連接：,,手臂設計：,雙向導向桿手臂伸縮機構,,機身設計：,回轉缸置于升降缸之上的機構,,驅動系統(tǒng)設計：,,控制電路設計：,從原位開始升降臂下降夾持器夾緊升降臂上升底座快進回轉底座慢進手腕回轉伸縮臂伸出夾持器松開伸縮臂縮回；待加工完畢后，伸縮臂伸出夾持器夾緊伸縮臂縮回底座快退(回轉)底座慢退手腕回轉升降臂下降夾持器松開升降臂上升到原位停止，準備下次循環(huán)。,,謝謝觀賞,搬運機械手機構設計與控制電路設計
畢 業(yè) 設 計（論 文）
題 目： 搬運機械手機構與控制電路設計
（英文）： Design of Manipulator Mechanism and
Control Circuit
院 別： 機電學院
專 業(yè)： 機械電子工程
姓 名：
學 號：
指導教師：
日 期：
搬運機械手機構設計與控制電路設計
摘要
機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用于按固定程序抓取、搬運物體或操作工具的自動操作裝置。它可以代替人的繁重勞動以實現生產自動化和機械化，能在有害環(huán)境下操作以保證人的安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。在工業(yè)部門中應用的機械手稱為工業(yè)機械手。
工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。它的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。
設計包含了機械手的結構設計及控制電路設計，其中在結構設計這方面包含了機械手的手部結構、腕部結構、臂部結構設計及機身的整體結構設計。在控制電路設計這方面包含了液壓驅動控制設計、器件的選擇設計、PLC可編程自動控制電路設計。本畢業(yè)設計《搬運機械手機構與控制電路設計》非常適合作為機械電子工程這門專業(yè)大學四年的一個總結。因為其中包含了機械設計與電路設計，是機械與電子的結合體，能充分體現這門專業(yè)的內涵。
關鍵詞：機械手；手部；腕部；臂部；機身；液壓；電路
Design of Manipulator Mechanism and Control Circuit
ABSTRACT
Manipulator is a kind of automatic control and from the new process to change the multi-function machine, he has multiple degrees of freedom, can carry objects to complete the work in different environments. Mechanical hand can imitate hand and arm function for some action, according to a fixed program to crawl, moving objects or to operate the automatic tool operation device. It can replace people arduous labor to realize production automation and mechanization, can operate under the hostile environment to guarantee the security of the person, and so it is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electron, light industry and atomic energy industries. In the industrial sector in the application of the mechanical hand is called the industrial manipulator.
Industrial machinery hand is the modern automatic control in the field of a new technology developed in recent years, is a high-tech automated production equipment. Involves mechanics, mechanical, electrical and hydraulic technology, the automatic control technology, sensor technology and computer technology and other fields of science, is an interdisciplinary comprehensive technology. It is characterized by a variety of programming to complete the expected operation, in the structure and performance of both people and machines to their respective advantages, especially in human intelligence and adaptability. Mechanical hand operating accuracy and environment to complete operations capability, in the national economy has a broad development space.
This design includes the structure of the manipulator design and the control circuit, wherein the structure design that incorporates a mechanical hand, wrist, arm structure structure structure design and the overall structure of the design. Early control circuit design which contains a hydraulic drive control design, choice of sensors design, PLC programmable automatic control circuit design. This graduation design" handling manipulator mechanism and control circuit design" is suitable for the mechanical electronic engineering this specialized university four years in a summary. Because of which includes the mechanical design and circuit design, mechanical and electronic integration, can fully reflect the professional connotation.
Key words: mechanical hand; hand; wrist; arm; the fuselage; hydraulic circuit
目錄
第一章 緒論 1
1.1機械手的研究概況 1
1.2機械手發(fā)展方向 1
1.3工業(yè)機械手在生產中的應用 2
1.4本設計中研究的主要內容 3
第二章 搬運機械手的總體設計方案 4
2.1機械手的組成 4
2.2機械手基本結構的選擇 4
2.3機械手的執(zhí)行機構 4
2.4機械手的驅動機構 4
2.5機械手的控制方式選擇 5
2.6機械手的技術參數列表 5
第三章 搬運機械手手臂各部件的設計 6
3.1機械手手部的設計計算 6
3.1.1手部設計基本要求 6
3.1.2 手部機構的選擇 6
3.1.3手抓的設計計算 6
3.2腕部的設計計算 17
3.2.1腕部設計基本要求 17
3.2.2 腕部機構的選擇 17
3.2.3腕部的設計計算 18
3.3臂部的設計計算 24
3.3.1臂部設計基本要求 24
3.3.2 臂部機構方案的選擇 25
3.3.3臂部的設計計算 27
第四章 機身的設計計算 40
4.1機身的總體設計 40
4.2機身的升降機構設計計算 41
4.2.1手臂偏重力矩的計算 41
4.2.2升降導向立柱不自鎖條件分析計算 42
4.2.3機身升降液壓缸驅動力矩的計算 43
4.2.4手臂升降液壓缸參數計算 44
4.3機身的回轉機構設計計算 49
4.3.1機身回轉液壓缸驅動力矩計算 49
4.3.2機身回轉液壓缸主要參數 51
4.3.4機身回轉液壓缸螺釘的計算 52
4.3.5動片與輸出軸間的連接螺釘計算 53
4.3.6機身回轉液壓缸筒的壁厚校核 54
4.4聯接板的設計 55
4.4.1聯接板的介紹及作用 55
第五章 液壓驅動系統(tǒng)與控制電路的設計 57
5.1驅動系統(tǒng)設計要求 57
5.2驅動系統(tǒng)設計方案 57
5.3驅動系統(tǒng)設計 58
5.3.1分功能設計分析 58
5.3.2液壓泵的確定與所需功率計算 59
5.4控制電路設計 66
參考文獻 67
致謝 68
附錄A 69
第一章 緒論
1.1機械手的研究概況
機械手是一種模擬人手操作的自動機械?？砂慈藗兯O計的固定程序抓取、搬運物件或操持工具完成某些特定操作。在工業(yè)生產生活中應用機械手可以代替人從事單調、重復或繁重的體力勞動，實現生產的機械化和自動化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動條件，保證人身安全，更能提高生產效率，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6個自由度 。自由度是機械手設計的關鍵參數 。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。
機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。
機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。
1.2機械手發(fā)展方向
現階段關于機械手的研究發(fā)展方向大體主要往重復高精度、模塊化、機電一體化等方向上升級。
（1）重復高精度
精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度, 它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復多次, 機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要, 如果一個機器人定位不夠精確, 通常會顯示一個固定的誤差, 這個誤差是可以預測的, 因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍, 它通過一定次數地重復運行機器人來測定。隨著微電子技術和現代控制技術的發(fā)展,機械手的重復精度將越來越高, 它的應用領域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
（2）模塊化
有的公司把帶有系列導向驅動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術, 而把模塊化拼裝的機械手稱為現代傳輸技術。模塊化拼裝的機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導向系統(tǒng)裝置, 使機械手運動自如。模塊化機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應用范圍, 是機械手的一個重要的發(fā)展方向。
（3）機電一體化
由“可編程序控制器- 傳感器- 液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重要方面，發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制液壓元件, 使液壓技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”，省配線的復合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。
1.3工業(yè)機械手在生產中的應用
國內外機械工業(yè)中機械手主要應用于以下幾方面：
（1）熱加工方面的應用。
熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作
（2）冷加工方面的應用。
冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數字控制等機床上應用，成為設備的一個組成部分。最近更在加工生產線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯接的重要于段。
（3）拆修裝方面的應用。
拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內噴漆通用機械手，可用以對客車內部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質量和效率。
1.4本設計中研究的主要內容
本畢業(yè)設計《搬運機械手機構設計與電路控制設計》主要研究包括機械手機構和傳動系統(tǒng)設計：機械手搬運最大物重：30Kg，直徑為：以下尺寸的圓形棒料。物品移動范圍為半徑為1.2m的扇形區(qū)域，高度變化范圍為：1.5m ，要求設計壽命10年。完成機體和傳動機構的總體設計，并完成指定零件的零件圖設計。進行必要零部件的受力分析與強度驗算；繪制總裝圖和相關零件圖。必要時進行優(yōu)化設計和應力分析。在以上給定參數條件下，設計出應用標準元件最多，體積最小、機構最為合理、強度足夠，基本能交付工程實際的設計資料。
第二章 搬運機械手的總體設計方案
2.1機械手的組成
機械手是由執(zhí)行機構、驅動機構以及控制機構三大部分組成。
2.2機械手基本結構的選擇
機械手按其基本結構可分為：直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式、關節(jié)坐標式、平面坐標式、柔軟臂式、冗余自由度式、模塊式等多種結構。由于本設計搬運機械手大多用于生產線上物料的上下搬運，所以所要求的自由度不高，只有機身的上下運動，手臂的伸縮及平面轉動，腕部的翻轉。結合上面多種結構，本設計將采用圓柱坐標式結構。圓柱坐標型機械手結構具有結構簡單，定位精度較高，占地面積小等特點。
2.3機械手的執(zhí)行機構
機械手的執(zhí)行機構主要包括以下幾部分：
（1）末端操作（執(zhí)行）器：又稱手部，是在手腕上配置的操作機構，有時也稱手抓。是操作機直接執(zhí)行工作的裝置，并可設置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機器人直接與工作對象接觸以完成作業(yè)的機構。
（2）手腕：是支乘和調整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，連接手部與臂部的部分。主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方向；改變產品的空間方向；將作業(yè)載荷傳遞到手臂；擴大手臂的移動范圍。
（3）手臂：是連接機身與手腕的部分，用于支乘和調整手腕與末端執(zhí)行器位置的部件，由操作機的動力關節(jié)與連接桿件等構成。主要作用是改變手部的空間位置，滿足機器手的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到機座。
（4）機身：也稱機座，是工業(yè)機器人機構中相對固定并承受相應的力的基礎部件，起支乘作用。分為移動式與固定式兩類，對固定機器人，直接連接在地面基礎上；對移動式機器人，則安裝在移動機構上，可以擴大機器人的活動范圍。
2.4機械手的驅動機構
根據機械手驅動的動力源不同，工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣壓、電動和機械驅動等四類。四種驅動進行對比，由于液壓驅動具有結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便等優(yōu)點，所以在本設計中將采用液壓機構驅動機械手。
2.5機械手的控制方式選擇
機械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等?？刂葡到y(tǒng)可根據動作的要求，設計采用PLC動作順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。
2.6機械手的技術參數列表
最大抓去物重：30Kg
自由度數：4個自由度（手抓張合、手部回轉、手臂伸縮、手臂回轉、手臂升降）
坐標形式：圓柱坐標式
抓取物料最大直徑：以下尺寸的圓形棒料
物品移動范圍：半徑為R0.5m的扇形區(qū)域
高度變化范圍：0.5m
使用壽命：10年
第三章 搬運機械手手臂各部件的設計
3.1機械手手部的設計計算
3.1.1手部設計基本要求
（1） 應具有適當的夾緊力和驅動力?？紤]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。
（2） 應考慮到手抓抓取物料時是否會損壞物料便面精度或使物料發(fā)生變形。
（3） 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。
（4） 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。
（5） 應保證手抓的夾持精度。
3.1.2 手部機構的選擇
手部結構根據手抓開合的動作特點分為回轉型和移動型兩類。其中回轉型又分為一支點回轉和多支點回轉；根據手抓夾緊是擺動還是平動，又分為擺動回轉型和平動回轉型。
夾鉗式手部中較多的是回轉型手部，一般有單作用斜楔式回轉型手部、滑槽式杠桿回轉型手部、雙支點連杠杠桿手部、齒條齒輪杠桿式手部等。
平移型夾鉗式手部大致可分為直線往復移動機構和平面平行移動機構兩種類型。但由于平移型夾鉗式手部是通過手指的指面作直線往復運動或平面移動來實現張開或閉合動作，常用于夾持具有平行平面的工件（如箱體），其結構叫復雜，不如回轉型手部應用廣泛。
綜上其述本設計中將采用最結構簡單，最常用的滑槽式杠桿會裝型手部機構。
3.1.3手抓的設計計算
3.1.3.1手抓結構的力學分析
下面對其基本結構進行受力分析：滑槽杠桿受力圖如下
圖3.1 滑槽杠桿時手部結構簡圖、受力分析
圖中在杠桿的作用下，銷軸向上的拉力為F，并通過銷軸中心點O點，兩手指的滑槽對銷軸的反作用為和，其力的方向沿滑槽的中心線和并指向O點。
則可得：
（3.1）
得
（3.2）
（3.3）
得
（3.4）
（3.5）
（3.6）
得
（3.7）
（3.8）
所以手抓的驅動力：
（3.9）
式中 a——手指的回轉支點到對稱中心的距離（mm）
——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，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好=，本設計中將設。
這種手部的結構簡單，具有動作靈活，手指開閉角度打等特點。
3.1.3.2夾緊力與驅動力的計算
鉗抓式手部夾緊力的計算必須根據手指和工件的形狀、手指夾持工件時不同的方位進行具體分析，由《工業(yè)機械手設計基礎》中表2——1所列出的不同形狀的手指與工件在不同方位夾持式的夾緊力計算公式：
圖3.2 夾緊力計算公式
由于本設計中時采用手指水平位置移動夾緊，工件水平放置，手指形狀為V型指型夾持圓形棒料的形式，常用的V型塊角有和兩種，本設計中選取V型塊角。由上表可知：
（3.10）
式中G為所夾持工件的重量
（3.11）
即：
（3.12）
驅動力：
（3.13）
為了考慮工件在傳送過程中產生的慣性力、振動以及船里機構效率的影響，其實際的驅動力：
（3.14）
式中 ——手部的機械效率，一般?。?.85～0.95） =0.9
——安全系數，一般為（1.2～2） =1.5
——工作情況系數，主要考慮慣性力的影響，可近似按以下估計，
，其中為被抓取工件運動時的最大加速度，
為重力加速度（）
為運載工件的最大速度，設
為系統(tǒng)達到的最高響應時間，一般取（0.03s～0.5s），設
即
（3.15）
由于手指長b與手指寬a尚未確定，無法確定驅動力大小，又由于b與a關系到手指的夾持精度，所以需先進行夾持定位精度分析。
3.1.3.3機械手手抓夾持精度的分析計算
機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決與機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產中，為了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，需要注意選用合理的手部結構參數。
如下圖所示：
圖3.3 手抓夾持精度圖
鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯結,如圖示幾何關系,若設鉗爪對稱中心O到工件中心O′的距離為x,則
x= （3.16）
當工件直徑變化時,x的變化量即為夾持精度（定位誤差）△,設工件半徑R由變化到時,其最大定位誤差為
△=∣-∣ （3.17）
其中本設計中所要求的是夾持以下的圓形棒料，由于夾持精度△<1mm，所需要夾持的工件最大半徑
所以假設，，，
代入公式計算得最大定位誤差： △=∣79.158-80∣=0.842＜1
故符合要求。
3.1.3.4手抓夾持范圍計算及滑槽長度
為保證手抓張開角時有足夠的寬度加持工件，張開角不宜過大也不宜過小，則選手抓張開角為，由上可知手指長，手指寬，如下圖所示，當手抓沒有張開角的時候，它所夾持的為最小半徑。
圖3.4 手抓夾持最小半徑
當手抓張開角為時，手抓將抓取工件的最大半徑才符合要求。如下圖所示：
圖3.5 手抓夾持最大半徑
則最大夾持半徑：
（3.18）
符合要求。
滑槽杠桿中的滑槽長度由圖中可知從點1運動到點2的距離為：
（3.19）
即驅動杠與兩手指杠桿所連接的圓柱銷在長滑槽中的移動距離 所以取
3.1.3.5手抓液壓缸的確定
現已知，，可求出驅動杠的驅動力F：
（3.20）
則實際驅動力為：
（3.21）
由下表可知：
表3.1 液壓缸負載與工作壓力之間的關系
負載F/N
<5000
500010000
1000020000
2000030000
3000050000
>50000
缸工作壓力P/MPa
<0.81
1.52
2.53
34
45
由驅動力 ，所以選擇液壓缸的工作壓力 。
設液壓缸的直徑D，活塞桿的直徑，則有
（3.22）
所以帶入數據可求得：
（3.23）
由下表可知：
表3.2 液壓缸內徑D系列（GB/T2348-1993）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
320
400
—
—
這里選擇液壓缸直徑為：
表3.3 活塞杠直徑d系列（GB/T2348-1993）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
—
—
—
—
—
由，符合要求。
活塞桿長度：
（3.24）
缸筒壁厚：當時，為薄壁
（3.25）
當 時 ，為厚壁
（3.26）
式中D——缸筒直徑
——缸筒試驗應力，當缸的額定壓力 時取，所以
——缸筒材料的許用應力，，為材料的抗拉強度，n為安全系數，一般取n=5,缸筒材料選用35號鋼，其抗拉強度查表得，。
將數據代入公式得缸筒壁厚：
（3.27）
（3.28）
所以取缸筒壁厚，為厚壁。
活塞寬度：
（3.29）
3.1.3.6液壓缸的缸體長度確定
液壓缸缸體內部長度等于活塞的行程與活塞的寬度之和，缸體外形長度還要考慮到兩端蓋間的厚度，一般液壓缸缸體長度不應大于內徑的2030倍。
本設計中活塞桿的行程為 ，活塞寬度為 ，所以缸體內部長度為：
（3.30）
3.1.3.7液壓缸的活塞與活塞桿的連接結構
本設計中由于液壓缸內徑較小，行程也小，所以采用整體式結構，該結構簡單，適用于缸徑較小的液壓缸。
3.1.3.8液壓缸端蓋的設計計算
（1）端蓋螺釘的設計計算
表3.4 螺釘間距t與壓力P之間的關系
工作壓力
螺釘的間距
0.5:1.5
小于150
1.5:2.5
小于120
2.5:5.0
小于100
2.0:10.0
小于80
液壓缸端蓋上每個螺釘在危險截面上所承受的拉力為：
（3.31）
即工作拉力與參與預緊力之和。
計算如下：
液壓缸工作壓強為,所以螺釘間距小于,試選擇4個螺釘，
（3.32）
所以選擇螺釘數目合適個
受力截面：
（3.33）
所以
（3.34）
，此處連接要求有密封性，故?。?.5-1.8），取。
（3.35）
所以
（3.36）
螺釘材料選擇Q235。
則
（3.37）
安全系數n取1.5（1.2-2.5）。
螺釘的直徑由下式得出
（3.38）
F為總拉力即 ，代入數據得：
（3.39）
螺釘的直徑選擇取標準。
即選用六角頭螺栓（GB/T5783-2000）M5 。
（2）端蓋厚度的確定
由于該液壓缸前端蓋通有活塞桿，即為有孔端蓋，所以端蓋厚度為：
（3.40）
式中 D——端蓋止口內徑（）
d——端蓋孔的內徑（）
，
代入數據得：
（3.41）
取
3.1.3.9液壓缸密封裝置的選擇
端蓋內孔壁選用O型橡膠密封圈規(guī)格（GB3452.1-2005），材料為丁腈橡膠，規(guī)格為。
活塞壁選用O型橡膠密封圈規(guī)格（GB3452.1-2005），材料為丁腈，規(guī)格為。
3.2腕部的設計計算
3.2.1腕部設計基本要求
手腕部件設置在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，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，此設計中要求有繞中軸的回轉運動。
（1）力求結構緊湊、重量輕
腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。
（2）結構考慮，合理布局
腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。
（3）必須考慮工作條件
對于本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。
3.2.2 腕部機構的選擇
腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用。考慮到實際生產線上搬運工件需要給予工件翻轉運動，所以選用一個回轉缸以實現工件的回轉，回轉的角度可用液壓的流量來控制也可用機械擋塊來實現。
3.2.3腕部的設計計算
3.2.3.1腕部回轉力矩的計算
腕部回轉時，需要克服的阻力由：
（1）腕部回轉支承處的摩擦力矩：
（3.42）
式中 ，—軸承處支反力（N） ,—軸承的直徑（m）；
—軸承的摩擦系數，對于滾動軸承；對于滑動軸承
為簡化計算取
（3.43）
（2）克服啟動慣性所需的力矩
啟動過程近似等加速運動，根據手腕回轉的角速度及啟動過程轉過的角度按下式計算：
（3.44）
式中 —工件對手腕回轉軸線的轉動慣量；
—手腕回轉部分對腕部回轉軸線的轉動慣量；
—手腕回轉過程的角速度；
—啟動過程所需的時間，一般取0.05-0.3s,此處取0.1s 。
假設手抓、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300mm，直徑140mm，其重力估算：
（3.45）
等效圓柱體的轉動慣量：
（3.46）
工件的轉動慣量，已知圓柱體工件，，
求得：
（3.47）
（3.48）
設工件在0.5s內旋轉, 取平均角速度，即，
代入得：
（3.49）
由
（3.50）
解可得：
（3.51）
3.2.3.2回轉液壓缸的驅動力矩及內徑的計算
回轉液壓缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力矩
如下圖回轉缸簡圖所示：
圖3.6 手腕回轉缸簡圖
作用在動片上的合成液壓力矩即驅動力矩為：
（3.52）
（3.53）
式中 ——手腕回轉時的總阻力矩
——回轉液壓缸的工作壓力
——缸體內孔半徑
——回轉軸的半徑 ，設計時按
——動片寬度
為了減少動片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度時應選用：
（3.54）
綜上考慮：回轉缸將以手抓整個驅動缸作為回轉軸，靜片與回轉缸壁相連固定，動片與液壓驅動缸壁相連，帶動整個缸體作回轉運動，根據前面的計算公式試估計各尺寸可得：
， ， ，
3.2.3.3液壓缸蓋螺釘的計算
液壓缸端蓋上每個螺釘在危險截面上所承受的拉力為：
（3.55）
即工作拉力與參與預緊力之和。
計算如下：液壓缸工作壓強為,所以螺釘間距小于,試選擇6個螺釘，
（3.56）
所以選擇螺釘數目合適個
受力截面：
（3.57）
所以
（3.58）
，此處連接要求有密封性，故取（1.5-1.8），取。
（3.59）
所以
（3.60）
螺釘材料選擇Q235，
則，安全系數n取1.5（1.2-2.5）
螺釘的直徑由下式得出
（3.61）
F為總拉力即
（3.62）
螺釘的直徑選擇取標準。
3.2.3.4動片與輸出軸間的連接螺釘計算
動片和輸出軸之間的連接螺釘一般為偶數，輸出軸即為手抓液壓驅動缸的缸體。螺釘由于油液沖擊產生橫向載荷，由于預緊力的作用，將在接合面處產生摩擦力以抵抗工作載荷，預緊力的大小，以接合面不產生滑移的條件確定，故有以下等式：
（3.63）
為預緊力,為接合面摩擦系數，?。?.10-0.16）范圍的0.15，即鋼和鑄鐵零件，為接合面數，取，Z為螺釘數目，取，D為靜片的外徑，d為輸出軸直徑，則可得：
（3.64）
螺釘的強度條件為：
（3.65）
帶入有關數據，得：
（3.66）
螺釘材料選擇Q235，則（安全系數）
代入數據得螺釘的直徑為：
（3.67）
取，螺釘選擇M5的開槽盤頭螺釘。
3.2.3.5腕部軸承的選擇
由于該設計中手腕回轉缸帶動驅動缸回轉只受徑向力作用，所以選用徑向接觸軸承。
腕部材料選擇HT200（HT200特性及適用范圍：為珠光體類型的灰鑄鐵。其強度、耐磨性、耐熱性均較好，減振性也良好，鑄造性能較好，但脆性較大，需進行人工時效處理。大量用于不受沖擊載荷的零部件，如承受壓力的發(fā)動機缸體、缸蓋、離合器殼及制動鼓等。也用于中等壓力的油缸、泵體、閥體以及經表面淬火的零件。）
估計軸承所受徑向載荷為500N,軸向載荷較小可忽略。兩處均選用深溝球軸承?，F校核較小軸徑處軸承。
6005軸承基本數據如下：，當量動載荷，徑向系數取1，，則，由公式：
（3.68）
N為轉速，由0.5s完成回轉，計算得：，，球軸承
代入得：
（3.69）
遠大于軸承使用壽命。
選用軸承為深溝球軸承6005，6013。
3.2.3.6材料及連接件，密封件的選擇
端蓋內孔壁選用O型橡膠密封圈規(guī)格（GB3452.1-2005），材料為丁腈，規(guī)格為。
活塞壁選用O型橡膠密封圈規(guī)格（GB3452.1-2005），材料為丁腈，規(guī)格為。
3.3臂部的設計計算
3.3.1臂部設計基本要求
設計機械手伸縮臂，底板固定在大臂上，前端法蘭安裝機械手，完成直線伸縮動作。
（1）功能性的要求
機械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準確，工作協(xié)調。
（2）適應性的要求
為便于調整，適應工件大小不同的要求，起止位置要方便調整，要求設置可調式定位機構。為了控制慣性力，減少運動沖擊，動力的大小要能與負載大小相適應，如步進電機通過程序設計改變運動速度，力矩電機通過調整工作電壓，改變堵力矩的大小，達到工作平穩(wěn)、動作快捷、定位準確的要求。
（3）可靠性的要求
可靠性是指產品在規(guī)定的工作條件下，在預定使用壽命期內能完成規(guī)定功能的概率。
工業(yè)機械手可自動完成預定工作，廣泛應用在自動化生產線上，因此要求機械手工作必須可靠。設計時要進行可靠性分析。
（4）壽命的要求
產品壽命是產品正常使用時因磨損而使性能下降在允許范圍內而且無需大修的連續(xù)工作期限。設計中要考慮采取減少摩擦和磨損的措施，如：選擇耐磨材料、采取潤滑措施、合理設計零件的形面等。因各零部件難以設計成相等壽命，所以易磨損的零件要便于更換。
（5）經濟的要求
機械產品設備的經濟性包括設計制造的經濟性和使用的經濟性。機械產品的制造成本構成中材料費、加工費占有很大的比重，設計時必須給予充分注意。將機械設計課程中學到的基本設計思想貫穿到設計中。
（6）人機工程學的要求
人機工程學也稱為技術美學，包括操作方便宜人，調節(jié)省力有效，照明適度，顯示清晰，造型美觀，色彩和諧，維護保養(yǎng)容易等。本設計中要充分考慮外形設計，各調整環(huán)節(jié)的設計要方便人體接近，方便工具的使用。
（7）安全保護和自動報警的要求
按規(guī)范要求，采取適當的防護措施，確保操作人員的人身安全，這是任何設計都必須考慮的，是必不可少的。在程序設計中要考慮因故障造成的突然工作中斷，如機構卡死、工件不到位、突然斷電等情況，要設置報警裝置。
設計參數
（1）伸縮長度：500mm；
（2）單方向伸縮時間：6～10s；
（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；
（4）前端安裝機械手，伸縮終點無剛性沖擊；
3.3.2 臂部機構方案的選擇
液壓驅動方案
（1）伸縮原理
為使手臂受力均衡，本設計中采用雙導向桿雙作用液壓油缸，它可以配置在手臂伸縮的油缸兩側，并兼作手部油路的管道，外形比較整齊；對于伸縮行程大的手臂，為防止導向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導向桿尾部增設輔助支架，以提高導向桿的剛性。手臂伸出時采用單向調速閥進行回油節(jié)流調速，接近終點時，發(fā)出信號，進行調速緩沖（也可采用緩沖油缸），靠油缸行程極限定位，采用導向桿導向防止轉動，采用電液換向閥，控制伸縮方向。
圖3.7 手臂雙向導向桿伸縮圖
（2）液壓系統(tǒng)的設計計算
液壓控制系統(tǒng)設計要滿足伸縮臂動作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運動時間要求，由于伸縮臂做間歇式往復運動，有較大的沖擊，設計時要考慮緩沖措施，可從液壓回路設計上考慮，也可從液壓件結構上考慮。
設計計算參數及要求：
① 電磁閥流量：要滿足伸縮速度的要求。
② 油缸直徑：推力大小要能克服機構起動慣性并有一定的起動加速度，要滿足運動時間要求。
③ 導向桿剛度：按最長伸出時機械手端部的撓度不超過規(guī)定要求。
④ 定位方式和元件：自選。
（3）結構方案設計及強度和剛度計算
結構方案：
a：支座安裝在機器人床身上，用于安裝伸縮臂油缸和導向桿等零部件。
b：法蘭用于安裝機械手，其形式和尺寸要與機械手相協(xié)調。
c：液壓缸伸出桿帶動導向桿同時伸出500mm，伸出長度較大，設計、制造和安裝時要考慮液壓缸與導向桿的平行度要求。
d：導向桿可采用直線導軌或直線導軸。
② 強度及剛度計算
本機械手夾持工件重量約30Kg左右，夾持器夾著工件，伸縮臂全部伸出，是導桿受力最大的狀態(tài),也是變形最大的位置。
3.3.3臂部的設計計算
3.3.3.1工作負載R和工作壓力P
液壓缸的工作負載R是指工作機構在滿負荷情況下，以一定加速度起動時對液壓缸產生的總阻力，可如下計算：
（3.70）
式中：——工作機構的工作阻力及自重對液壓缸產生的作用力；
——工作機構在滿負載起動時的靜摩擦力對液壓缸產生的作用力；
——工作機構滿負載起動時的慣性力對液壓缸產生的作用力。
由前面公式計算所得的總阻力即為液壓缸的最大工作負載
（1）的確定
1、工件的質量（已知）
2、夾持器的質量 15kg(估計)
3、伸縮臂的質量 50kg(估計)
4、其它零部件的質量 10kg（估計）
工作機構荷重：
（3.71）
（2）的確定
（3.72）
（3） 的確定
（3.73）
式中假設為起動時間，其加速時間約為0.1～0.5s ， ,
總負載
（3.74）
取實際負載為
液壓缸的工作壓力是指作用在活塞上克服最大工作負載所需的液體壓力。工作壓力可根據前面計算的最大工作負載參考表3.1來選取。
式中： ,可取0.8～1, 即
3.3.3.2工作速度和速比的確定
液壓缸的速比，通常是對雙作用活塞桿式液壓缸而言的，它與液壓缸的鋼桶內勁和活塞桿直徑有關，速比一般不宜過大，否則無桿腔回液流速過高而形成很大的背壓，但也不宜過小，否則活塞桿直徑相對于鋼筒內徑太細，穩(wěn)定性差。速比可按下表選取，工作壓力高的液壓缸選用較大值（活塞桿較粗），工作壓力低的則選較小值。
表3.5 液壓缸的速比
工作壓力/MPa
12.5～20
>20
速比
1.33
1.46 ；2
2
由上表可得本設計中的速比為：
3.3.3.3液壓缸缸筒內徑D和活塞桿直徑d的確定
a、液壓缸缸筒內徑D可按下式計算得：
（3.75）
式中：，
查表3.2可取液壓缸缸筒內徑為：
b、活塞桿直徑d可按下式計算得：
（3.76）
由表3.3可查活塞桿直徑為：
3.3.3.4最大工作行程和最小導向長度
液壓缸的最小導向長度是指當活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點到導向套滑動面中點的距離，若導向長度太小，式液壓缸因間隙引起的初始撓度增大，從而影響液壓缸的穩(wěn)定性。對于一般液壓缸的最小導向長度H應滿足下列要求：
（3.77）
式中L為最大工作行程
一般導向套滑動面的長度A，在缸筒D<80mm時，取缸筒內徑D的0.6～1.0倍，活塞寬度B取缸筒內徑D的0.6～1.0倍，為保證最小導向長度而過分的增大導向套長度和活塞寬度都是不適宜的，最好的辦法是在導向套與活塞之間裝一隔離套K，其長度C由所需的最小導向長度決定。采用導向套不僅能保證最小導向長度，而且還能擴大導向套及活塞的通用性。如下圖所示：
圖3.8 導向長度
導向套滑動面的長度
（3.78）
活塞寬度
（3.79）
隔離套長度
（3.80）
3.3.3.5缸筒壁厚和外徑計算
根據標準液壓缸外徑系列表選擇，為了盡可能滿足要求，由下表可選取液壓缸外徑為 ，即伸縮液壓缸的壁厚為
表3.6 標準液壓缸外徑系列表（JB1068—67）
液壓缸內徑
40
50
63
80
90
100
110
125
140
150
160
180
200
20鋼
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
45鋼
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
計算缸筒壁厚的合成應力和厚度時必須考慮不同的比值和材質，采用不同的強度計算公式。
當時，為薄壁
（3.81）
當 時，為厚壁
（3.82）
式中D——缸筒直徑
——缸筒試驗應力，當缸的額定壓力 時取，所以
——缸筒材料的許用應力，，為材料的抗拉強度，n為安全系數，一般取n=5,缸筒材料選用35號鋼，其抗拉強度查表得，。
將數據代入公式得缸筒壁厚：
（3.83）
（3.84）
符合要求。所以取缸筒壁厚，為厚壁。
缸筒外徑為：
（3.85）
3.3.3.6缸底參數計算及校核
缸底材料選擇材料選用35號鋼，其抗拉強度查表得
（3.86）
所以缸底厚度取
3.3.3.7液壓缸穩(wěn)定性和活塞桿強度校核
（1） 油缸穩(wěn)定性的計算
因為油缸的工作行程較大，則在油缸活塞桿全部伸出時，計算油缸受最大作用力壓縮時油缸的穩(wěn)定性。
假設油缸的活塞桿的推力為F，油缸穩(wěn)定的極限應力為，則油缸穩(wěn)定性的條件為。
按下式得到：
（3.87）
式中：可先算出和的值從下表查出相對應的值，然后再計算的值。
圖3.9 時臨界力的計算圖
（3.88）
（3.89）
式中：為活塞桿直徑 、為缸體外徑、為缸體內徑。
其中
（3.90）
（3.91）
所以
（3.92）
取
（3.93）
圖3.10 液壓缸縱向彎曲
、為長度、上的斷面慣性矩。
查 時臨界力的計算圖，可由 且 查上表得
（其中，活塞桿頭部至油缸A點處的距離 :缸體尾部至油缸A點處的距離）
所以：
（3.94）
（3.95）
即油缸的穩(wěn)定性是滿足條件。
（2）活塞桿強度的驗算
因為活塞桿長 ，活塞桿直徑 ，即為細長桿，其活塞桿強度需同時考慮壓縮和彎曲。
判別最大撓度點位置之值可由式計算：
式中 ——活塞桿材料的彈性模量，對于鋼材
——活塞桿截面慣性矩
所以
（3.96）
短行程液壓缸的活塞桿，在工作中主要承受軸向壓縮（或拉伸）載荷，故可近似地按中心受壓（或受拉）進行強度驗算，即
（3.97）
式中 ——活塞桿外徑
——空心活塞桿內徑，對于實心活塞桿
F——液壓缸的最大推力 （）
——活塞桿的壓（或拉）應力
——活塞桿材料的許用應力，，其中為材料的屈服極限，n為安全系數，通常取，活塞桿材料選用45號鋼，其屈服極限為
即
（3.98）
所以
（3.99）
滿足條件要求。
3.3.3.8連接零件的強度計算
首先確定油缸缸筒與缸蓋采用螺紋連接，鋼筒與缸底采用焊接方式，此種方式能夠使液壓缸緊湊牢固。
（1）缸筒與缸底焊縫的強度計算
對接焊縫的應力及強度條件為：
（3.100）
式中 F——液壓缸的最大推力
——缸筒外徑
——焊接內徑
——焊接效率，取
——焊接的許用應力。，為焊條的抗拉強度，當采用T422焊條時，，取安全系數
所以
（3.101）
（3.102）
其中符合條件。
（2）缸筒與缸蓋的螺紋連接強度計算
缸筒螺紋處的強度計算：
螺紋處的拉應力：
（3.103）
螺紋處的剪應力：
（3.104）
合成應力及強度條件為：
（3.105）
式中：F——油缸的最大推力
D——缸筒內徑
——螺紋外徑
——螺紋內徑，當采用普通螺紋時（GB196-63）時，可近似按下式計算，，t為螺距
K——螺紋預緊力系數，取
——螺紋內摩擦系數（），一般??；
——螺紋的許用應力，，其中為缸筒材料的屈服極限，n為安全系數，通常取，缸筒材料選用35號鋼，其屈服極限為，則
由前面計算可得：，則查《機械零件手冊》，采用普通螺紋基本尺寸（GB/T193-2003）公稱直徑第一系列 60，可得螺距 ，
所以
（3.106）
（3.107）
（3.108）
（3.109）
因為 ，所以滿足強度條件。
3.3.3.9液壓油缸其它零部件的確定
（1）活塞與缸筒和活塞桿間的密封裝置
由于活塞與缸筒內壁間存在相對運動，因此該密封屬于動密封，這里采用O型密封圈，具有結構簡單，密封性能好，安裝空間小，拆裝方便等優(yōu)點。此處選用GB/T3452.3-2005標準O型圈 502.65 。
活塞與活塞桿件的密封屬于靜密封，通常是在活塞與活塞桿連接部位的配合間隙表面之間采用O型圈密封，密封槽通常開在軸上，以便于加工與拆裝。但當活塞桿與活塞連接部位的軸徑較小時，密封槽開在活塞內孔上。此處選用GB/T3452.3-2005標準O型圈252.65 ，密封槽開在活塞內孔上。
（2）活塞桿的導向套和防塵
活塞桿導向套在液壓缸的有桿側端蓋內，用以對活塞桿進行導向，內裝有密封裝置以保證缸筒