球坐标机械手说明书

摘要

机械手与机械人是二十世纪五十年代以后,伴随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用,而迅速发展起来的一门新兴技术。它综合应用了机械、电子、自动控制等先进技术以及物理，生物等学科的基础知识实现机械化与自动化的有机结合。它不仅在工业生产上，而且对宇宙开发，海洋开发，军事工程和生物医学等方面都起着推动的作用，因而日益受到世界许多国家政府，学术团队和科学技术人员的重视，毫无疑问，这门技术将具有广阔的发展前景。

在生产现代化领域里，材料的搬运，机床的上下料，整机的装配等是个薄弱环节。在机械工业部门，这些工序的费用占全部加工费用三分之二以上，而且绝大多数的事故发生在这些工序，自动上下料装置和工业机械手就是为实现这些工序的自动化而采用的。

通用机械手在工业生产中的应用只有二十来年的历史，这种装置在国外得到相当重视，到七十年代，其品种和数量都有很大的发展，并且研制了具有各种感觉器官的机器人。

关键词：机械手液压缸PLC自由度控制阀

Abstract

Machinery and mechanical hand is the 20th century after the 1950s, accompanied by electronic technology, especially the extensive application of computers and the rapid development of a new and emerging technologies. It comprehensive application of the machinery, electronics, automatic control, and other advanced technology, and physics, biology and other disciplines of basic knowledge of mechanization and automation to achieve the organic integration. It is not only in industrial production, but also the development of the universe, ocean development, military engineering and biomedical and other aspects of the role of promoting the play, thus increasing by many countries in the world government, academic team and the importance of science and technology, there is no doubt that This portal technology will have broad prospects for development.

In the field of modern production, material handling, machine tools expected from top to bottom with two of the assembly is a weak link. In the industrial machinery sector, these processes of the total cost of processing more than two thirds of the cost, but the majority of the accidents occurred in these processes, automatic device from top to bottom and industrial machinery is in hand to achieve the automation of these processes used. Universal Manipulator in the industrial production of only 20 coming year history of such devices in foreign countries have attached considerable importance to the 1970s, has great variety and quantity of development and has developed a variety of sensory organ of the so-called machine People.

Keywords:manipulatorhydrauliccylinderPLCfreedomcontrol valve

目录

摘要 ....................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................... I I 绪论 .. (1)

1 总体方案分析 (7)

1.1 总体方案分析 (7)

1.2 方案的确定 (7)

1.3 动作原理 (7)

1.4 工业机械手的传动方案设计 (8)

1.4.1 传动方案设计 (8)

1.4.2 工业机械手主要技术参数 (8)

2 手部的设计 (10)

2.1 手部结构 (10)

2.2 手爪的计算与分析 (10)

2.2.1 手爪执行液压缸工作压力计算 (10)

2.2.2 手爪的夹持误差分析与计算 (11)

3 腕部的设计 (12)

3.1 腕部结构 (12)

3.2 腕部回转力矩的计算 (12)

4 手臂的设计 (15)

4.1 手臂伸缩液压缸的设计计算 (15)

4.1.1 手臂作水平伸缩直线运动驱动力的计算 (15)

4.1.2 手臂垂直升降运动驱动力的计算 (15)

4.1.3 确定液压缸的结构尺寸 (16)

4.1.4 活塞杆的计算 (17)

4.1.5 液压缸端盖的联接方式与强度计算 (17)

4.2 手臂俯仰运动的设计计算 (20)

4.2.1 手臂俯仰时所需的驱动力矩 (20)

4.2.2 缸盖联接螺钉计算和动片联接螺钉计算 (20)

5 机身设计 (22)

5.1 机身结构的计算 (22)

5.2 机身设计时应注意的事项 (23)

6 机械手液压系统工作原理 (24)

6.1 能量转化简图 (24)

6.2 液压系统的组成 (24)

6.3 液压传动系统机械手的特点 (24)

6.4 油缸泄漏问题与密封装置 (25)

6.4.1 活塞式油缸的泄漏与密封 (25)

6.4.2 回转油缸的泄漏与密封 (26)

6.5 液压系统传动方案的确定 (26)

6.5.1 各液压缸的换向回路 (26)

6.5.2 调速方案 (26)

6.5.3 减速缓冲回路 (27)

6.5.4 系统安全可靠性 (27)

6.5.5 机械手的动作分析 (28)

7机械手的PLC控制系统设计 (31)

7.1用于控制机械手的PLC简介 (31)

7.1.1PLC简介 (31)

7.1.2机械手PLC的选用 (31)

7.2工业用机械手的动作顺序的PLC编程 (32)

结论 (37)

致谢 (38)

参考文献 (39)

绪论

(1) 机械手的概述

工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，作为多学科融合的边沿学科，它是当今高技术发展最快的领域之一，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。

所谓工业机械手就是一种能按给定的程序或要求自动完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人的手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。

由于机械手科学的发展十分迅速，世界上对机械手还没有一个明晰，统一的定义。

国际标准化组织（ISO）对机械手做了如下定义：机械手是一种可以反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作机或是为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统（A reprogrammable and multifunctional manipulator, devised forthe transports of masteries, parts, tools or specialized Systems, with varied and programmed movements, with the aim of carrying out varied tasks）。

随着我国工业机械手技术的不断发展，很多专家也建议建立自己的机械手定义，我国国家标准GB/T12643-90 也将工业机械手定义为“一种能自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或操持工具，用于完成各种任务作业”。

(2) 机械手的组成

工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成，各部关系如图1所示：

图0-1工业机械手组成框图

机械手大致可分为手部、传送机构、驱动部分、控制部分以及其它部分。

手部（或称抓取机构）包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用；

传送机构（或称臂部）包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用；

驱动部分它是驱动前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式；

控制部分它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序(程序)、位置和时间(甚至速度与加速度)等；

其它部分如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。

(3) 机械手的分类

机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：

按机械手的使用范围分类：

①专用机械手

一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。

②通用机械手（也称工业机器人）

指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动

生成传送物件或操作某些工具的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。这种机械手由于手指可更换(或可调节)，程序可变，故适用于中、小批生产。但因其运动较多，结构较复杂，技术条件要求较高，故制造成本一般也较高。

按机械手臂部的运动坐标型式分类：

①直角坐标式机械手

臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X 方向的移动)、左右移动(定为沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)；

②圆柱坐标式机械手

手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；

③球坐标式机械手

臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)；

④多关节式机械手

这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。

(4) 按机械手的驱动方式分类：

①液压驱动机械手以压力油进行驱动；

②气压驱动机械手以压缩空气进行驱动；

③电力驱动机械手直接用电动机进行驱动；

④机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。

按机械手的臂力大小分类：

①微型机械手臂力小于1kg；

②小型机械手臂力为1—10kg；

③中型机械手臂力为10—30kg；

④大型机械手臂力大于30kg。

(5) 机械手发展概况

机械手是在自动化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术，特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与自动化的有机结合。

机械手是一种模仿人手部的动作，按照预先设定的程序、轨迹和其他要求，实现抓取、搬运工件和操纵工具的自动化装置。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量臂人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛的得到应用。

(6) 机械手的组成

机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的。一般机械手由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。

机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支座组成。手是抓取机构，用来夹紧或是松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指和手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕，而只有手臂，手臂的动作和手腕相类似，只是动作范围更大，可以前后伸缩，上下升降和左右摆动等。支柱用来支撑手臂，它是固定的，也可以根据需要做成移动的。

执行机构的动作要有传动系统来实现。常用的机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。

控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作。简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现对传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作。动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。

简单的组成和分类以及适用范围如下：

①工业机械手的组成：

执行系统的组成：手部、腕部、机身、行走机构。

驱动系统的组成：各种电气、液压元件。

控制系统的组成：位置检测器、记忆存储器。

②工业机械手的分类：

液压式：操作力大，动作平稳，其缺点是泄油会影响系统的工作性能，油的粘度对温度的变化敏感。

气动式：气源方便，维护简单，易于获得高速度，其缺点是操作力有限，体积大。空气压缩性大,速度控制困难,动作不平稳,控制有滞后现象。

电动式：动力源方便，操作力度大。其缺点是需要设置减速机构，结构较复杂，

或用特殊电机驱动。

机械式：一般借助主机动力源，通过凸轮，连杆机构来实现规定的动作，变换程序较困难，结构庞大。

③工业机械手按适用范围分：

专业机械手：一般指附属于某一设备的，动作程序固定的，没有独立的控制系统的搬运装置。

通用机械手：一般指动作程序可变的，具有独立控制系统的自动化装置。

④工业机械手按运动轨迹控制方式分：

点位控制：机械手的运动轨迹是空间两点间的联线，只要求准确控制部件的移动起始位置或有限的设定点位置，不要求控制其运动轨迹。

连续轨迹控制：机械手的运动轨迹是空间连续曲线，其设定点是无限的能在三维空间中作任意复杂的动作。

(7) 上下料机械手的使用必要性

在现代的机械加工中，消耗于上下料的时间损失是组成零件单件加工时间的一部分，它属于辅助时间，我们知道要想提高生产率，减少生产中的辅助时间，将是非常重要的一个环节。而要想减少辅助时间必须实现生产自动化，自动上下料机构就是为实现生产中上下料工序而设计的一种专用机构。

自动上下料机构中供散乱的中、小型工件毛坯，经过定向机构，实现定向排列，然后顺序的由上下料机构送到机床或工作地点去。这在自动化成批大量的生产中显然是实用的，它不但可把操作人员从复杂而繁重的劳动中解脱出来，而且对保证安全生产也是一种行之有效的方法。

工业机械手在二十世纪五十年代就已用于生产。它是在自动上下料的基础上发展起来的一种机械装置。开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化。随着应用范围的不断扩大，现已用来操持工具和完成一定的作业。实践证明：使用自动上下料的机械手可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率，还具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量臂人手大等特点。因此，自动上下料机械手已得到越来越广泛的得到应用。

(8) 机械手在生产中的作用

机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下一些方面。

旋转休零件（轴类、盘类、环类）自动线，一般都采用机械手在机床之间传送工件。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的。

在实现单机自动化方面：

①各类半自动车床，有自动夹进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动生产，一人看管多台机。

②注塑机有加料、合成、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现全自动生产。

③冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。

铸、锻、焊、热处理热加工方面：

①对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境时行合理设计，扶把适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。为了谋求操作安全和彻底防止公害，在工作事故多的工程，如冲压、压铸、热处理、锻造、喷漆以及有有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中，推广工业机械手工机器人。

②机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。人在连续工作几个小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护、检修，即能用途长时间的单调重复劳动。

③由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。

④机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好，能较好地适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置（或轨迹）能够十分灵活快速地予以改变，而其众多的自由度，又提供了迅速改变作业内容的可能，在中、小批量的自动化生产中，最能发挥其作用。

⑤采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。

1 总体方案分析

1.1 总体方案分析

由设计内容可知，本次设计所确定的机械手的整体结构为球坐标式机械手，此机械手要实现从传送带到设备的上下料过程。传送带移动方向与设备上所夹持的工件方向垂直。因此手臂动作为摆动或者转动，手爪的动作为伸缩和松夹。由于此机械手的动作要求放置不同的工件，所以实现上下料过程也要求手腕能旋转动作。

通过以上分析，这里初选三个方案，各方案如下：

方案一：机身的旋转，采用电动机驱动实现，大手臂的俯仰也采用电动机驱动实现，小手臂的伸缩用伸缩缸实现，手腕的回转用电动机实现。

方案二：机身的旋转，采用电动机驱动实现，大手臂的俯仰也采用电动机驱动实现，小手臂的伸缩用齿轮齿条实现，手腕的回转用电动机实现。

方案三：机身的旋转，采用摆动液压缸驱动实现，大手臂的俯仰采用摆动液压缸驱动实现，小手臂的伸缩用伸缩缸实现，手腕的回转用摆动液压缸。

1.2 方案的确定

通过方案一，方案二和方案三的比较分析可知，方案一从功能上讲可以满足条件，但电动机的造价太高，不太经济。方案二中也存在上述的问题。同时齿轮齿条的驱动精度太低，在抓取工件时定位精度不够准确，且结构大而复杂。方案三中，由液压缸来完成的部分，不仅驱动力大且结构也相对简单，虽然摆动缸结构尺寸大但输出转矩大，进行优化设计，从而得出方案三最佳，并最终确定此次的设计方案方案三，方案如下：

机身旋转、手腕转动，均采用摆动缸来控制，手臂的伸缩用伸缩缸控制，手爪的松夹用夹紧缸来控制。

1.3 动作原理

本次设计是液压驱动，电气控制。机械手的各个动作是由液压缸来驱动的，其动作过程是由液压缸的各个动作运动至终点时压合行程开关，将行程开关的机械运动通过PLC转化为电磁阀得电和失电，后由电磁阀控制各油路的通断，以实现各液压缸的相应运动，从而控制机械手的各个动作。

1.4 工业机械手的传动方案设计

1.4.1 传动方案设计

按工业机械手的不同形式及其组合情况，其活动范围的图形也是不同的，基本上可分为四种运动形式；直角坐标式机械手、圆柱坐标式机械手、球坐标式机械手、关节式机械手。

根据设计要求，选用球坐标型式。

由于液压传动具有以下几个优点：

(1)压力高，可实现较大的驱动力，机构可做的较小，紧凑。

(2) 无级变速，定位精度高，可实现任意中间位置的停止。系统固有震动频率小，压力、容量调节容易。

(3) 重量小，惯性小，可做到经常快速且无冲击的变速和换向，容易控制，动作平稳，迟滞小。

1.4.2 工业机械手主要技术参数

机械手的主要技术参数有抓重、自由度、坐标形式、工作行程（或转角）、工作速度和定位精度、手指夹持范围、驱动源等。

(1) 抓重（又称臂力）额定抓取重量或额定负载，单位㎏。

抓重是指机械手在正常运行时所能抓取或搬运工件的最大重量，本设计要求抓取工件的重量为30kg,考虑到手臂结构强度等因素，通常安全系数k在2～3范围内选用。

(2) 自由度和坐标形式

整机、手臂和手腕等运动共有四个自由度，坐标型式为球坐标。

机械手的四个自由度分别为机身回转，手臂俯仰，伸缩及手腕回转四个自由度，以满足上下料动作的要求。

(3) 工作行程范围

工作行程范围是指臂部，腕部，整个机械手直线移动距离或回转角度的范围。对于通用机械手，为保证一定的通用性，一般手臂回转行程范围应尽可能大一些，选择0°～200°（实际使用为180°），俯仰范围60°。手臂伸缩行程及工件半径要适当，若伸缩行程大，工件半径也较大，手臂伸缩也较长，偏重力矩，转动惯性了较大，

刚性降低，易振动，定位精度验难于保证，手臂伸缩行程在500～1000毫米范围内选取，据设计要求选取上料机械手伸缩范围0～600毫米，手臂升降范围为0～600毫米。

(4) 工作速度

工作速度是指机械手最大的运动速度，运动的大小与机械手的驱动方式、定位方式、抓重大小和行程距离有关。因此，手臂的运动速度应根据生产节拍时间的长短，生产过程的平稳性，定位精度的要求来确定。影响机械手动作快慢的两个主要运动是：手臂的伸缩和回转运动一般应用的机械手移动速度通常在200～300毫米/秒，回转角度在一圈5S左右。

(5) 定位精度

定位精度即位置精度，位置精度的高低与位置控制方式，机械手运动部件的精度和刚度、抓重、运动速度等有关。目前机械手大多采用点位控制，采用固定挡块控制时，可达到较高的位置精度（±0.5mm或更高）。

(6) 工件为截面200mm×200mm的方形工件。

2 手部的设计

2.1 手部结构

手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等不同，所以工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可以分成夹持和吸附两大类。

夹持手部按其手指夹持工件时的运动方式，可分为手指回转型和手指平移型两种。

平移型手指的张开和闭合靠手指的平行移动，适用于夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。所以选择平移型手指。

由于工件为方料，而平移型手指适于夹持平板和方料，故本设计选用平移型手指。移动型即两手指相对支座作往复移动。

其驱动力为：F=2F N 。

2.2 手爪的计算与分析

2.2.1 手爪执行液压缸工作压力计算

一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。

手爪对工件的夹紧力：

F N ≥K 1K 2K 3

G （2-1）

式中 K 1——安全系数，通常取1.2～2.0；

K 2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下式估K 2=1+ a ——运载工件时重力方向的最大上升加速度； g ——重力加速度，g≈9.8m/s 2，a=

； ——运载工件时重力方向的最大上升速度；

——系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取。一般取0.03～0.5s ；

a

g

max

t ν响

max νt 响

K3——方向系数，由于手爪是水平放置夹持水平放置工件，平直指端夹方形件，由表取K3=0.5。

G——被抓持工件的重量，G= 30×9.8N=294N

代入数据，计算得：

F N =1.5×1.02×0.5×294N=224.91N≈225N

驱动力：

F计算=2 F N =450N

取η=0.85

F实际=F

η

计算=450/0.85N=530N

2.2.2 手爪的夹持误差分析与计算

机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度，而且也与手指的夹持误差大小有关。为适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，必须注意选用合理的手部结构参数，从而使夹持误差控制在较小的范围。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过±1mm就可以了。

3 腕部的设计

3.1 腕部结构

手腕部件设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善或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的运动范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。

手腕部件具有独立的自由度。

手腕运动有：绕X轴转动称为回转运动；绕Y轴转动称为上下摆动（或俯仰）；绕Z轴转动称为左右摆动；有的甚至沿着Y轴（或Z轴）的横向移动。

采用一个自由度的回转缸驱动的腕部结构，具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛采用。

3.2腕部回转力矩的计算

腕部回转时，驱动力矩用来克服腕部摩擦力矩、工件重心偏移力矩和惯性力矩。受力分析如图所示。

图3-1 腕部回转受力分析图

手腕回转所需的驱动力矩大小可按下式计算：

M驱=k f（M摩+M偏+M惯）（3-1）式中k f——考虑驱动缸密封摩擦损失的系数，通常k f取1.1～1.2;

M偏——工件重心偏执引起的偏置力矩（N﹒m）；

M摩——腕部转动支撑处的摩擦阻力距（N﹒m）；

M 惯——克服启动惯性所需的力矩（N ﹒m ）； (1)腕部转动支撑处的摩擦阻力距：

M 摩=

（N 1D 1+ N 2D 2）（3-2） 式中F ——轴承的摩擦系数，滚动轴承f=0.02，滑动轴承f=0.1； N 1,N 2——轴承处支承反力（N ）; D 1,D 2——轴承直径（m ）； (2) 工件重心偏执引起的偏置力矩：

M 偏=G 1 e （3-3）

式中G 1——工件重量；

e ——偏心距（m ）（即工件重心到腕部回转中心线垂直距离）；

由于工件重心与手腕回转中心重合，故M 偏=0。 (3)克服启动惯性所需的力矩：

M 惯=(J+J 工件)

t

ω

（3-4）

式中J ——手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量（kg ﹒m 2）；

J 工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量（kg ﹒m 2）；

ω——腕部回转角速度（rad/s ）；

t ——启动过程所需的时间（s ），此处假定启动过程为匀加速运动，一般

取0.05～0.3s 。

J=m （a 2+b 2）/12=

/12 G=30×9.8=294N

∴J=30×(0.22+0.22)/12 kg ﹒m 2=0.2 kg ﹒m 2

J 工件=0.5J=0.1kg ﹒m 2

∴M 惯=（J+J 工件）t ω

=0.3×2

.026.1N ﹒m=1.9 N ﹒m

M 偏=0 M 摩=0.1M 驱

M 驱=k f （M 摩+M 偏+M 惯）=1.2×（0.1 M 驱+0+1.9）

∴ M 总=2.61N ﹒m

2

f

()22

G a b g

+

图3-2回转缸简图

4 手臂的设计

4.1 手臂伸缩液压缸的设计计算

4.1.1 手臂作水平伸缩直线运动驱动力的计算

手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。

其驱动力F 驱可按下式计算：

F 驱 = F 摩 + F 惯 (N)（4-1）

式中F 摩——各支承处的摩擦阻力； F 惯——启动过程中的惯性力。

F 惯其大小可按下式估算：

F 惯=

g

W

a (N) 式中W ——手臂伸缩部件的总重量（N ）；

g ——重力加速度（g =9.8m/s

）；

a ——启动过程中的平均加速度（m/s ），a =

t

v

?? (m/s )；

△v ——速度变化量。手臂从静止状态加速到工作速度V 时，则这个过程

的速度变化量就等于手臂的工作速度；

△t ——启动过程中所用的时间，一般为0.01~0.5s 。 当F 摩=100N,W=1300N ，△V = 500mm/s 时，

F 驱= 100+8.91300×5.05

.0 =100+133=233 (N)

4.1.2 手臂垂直升降运动驱动力的计算

手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力F 摩和惯性力F 惯之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力F 驱可按下式计算：

F 驱 = F 摩 + F 惯± W(N)（4-2）

式中F 摩——各支承处的摩擦力（N ）；

F 惯——启动时惯性力（N ）可按臂伸缩运动时的情况计算； W ——臂部运动部件的总重量（N ）；

±——上升时为正，下降时为负。

当F 摩=100N ，F 惯=133N ，W =1300N 时，

F 驱=100+8.91300×5.05

.0+1300=1533（N ）

4.1.3 确定液压缸的结构尺寸

(1) 液压缸的内径的计算，当油进入无杆腔，活塞推力

F= F 1η=P

4

2

D πη（4-3）

当油进入有杆腔，活塞推力

F= F 2η= P

()

4

d 22-D πη

液压缸有效面积 D=ηπ14P F

(无杆腔)

式中F ——驱动力（N ）；

P 1——液压缸的工作压力（pa ）； d ——活塞杆的直径（m ）； D ——液压缸的内径（m ）；

h ——液压缸的机械效率，在工程机械中可用耐油橡胶，可取η=0.95。

∴D=

95.010214.35234

46????=0.059m

D=80mm,d=45mm

压缸工作压力的选取一般取2～8Mpa 。

液压缸的工作压力是1533N ，液压缸的内径80mm 。 (2)液压缸壁厚计算

三种壁厚的公式选取中等壁厚：

δ=

[]1

133.2P D P -σ+C （4-4）

式中 P 1——液压缸内工作压力（pa ）；

C ——入管壁公差及侵蚀的附加厚度值；