第二章 搬运机械手的总体设计方案
2.1机械手的组成
机械手是由执行机构、驱动机构以及控制机构三大部分组成。
2.2机械手基本结构的选择
机械手按其基本结构可分为：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、平面坐标式、柔软臂式、冗余自由度式、模块式等多种结构。由于本设计搬运机械手大多用于生产线上物料的上下搬运，所以所要求的自由度不高，只有机身的上下运动，手臂的伸缩及平面转动，腕部的翻转。结合上面多种结构，本设计将采用圆柱坐标式结构。圆柱坐标型机械手结构具有结构简单，定位精度较高，占地面积小等特点。
2.3机械手的执行机构
机械手的执行机构主要包括以下几部分：
（1）末端操作（执行）器：又称手部，是在手腕上配置的操作机构，有时也称手抓。是操作机直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。
（2）手腕：是支乘和调整末端执行器姿态的部件，连接手部与臂部的部分。主要用来确定和改变末端执行器的方向；改变产品的空间方向；将作业载荷传递到手臂；扩大手臂的移动范围。
（3）手臂：是连接机身与手腕的部分，用于支乘和调整手腕与末端执行器位置的部件，由操作机的动力关节与连接杆件等构成。主要作用是改变手部的空间位置，满足机器手的作业空间，并将各种载荷传递到机座。
（4）机身：也称机座，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件，起支乘作用。分为移动式与固定式两类，对固定机器人，直接连接在地面基础上；对移动式机器人，则安装在移动机构上，可以扩大机器人的活动范围。
2.4机械手的驱动机构
根据机械手驱动的动力源不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气压、电动和机械驱动等四类。四种驱动进行对比，由于液压驱动具有结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便等优点，所以在本设计中将采用液压机构驱动机械手。
2.5机械手的控制方式选择
机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。控制系统可根据动作的要求，设计采用PLC动作顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。
2.6机械手的技术参数列表
最大抓去物重：30Kg
自由度数：4个自由度（手抓张合、手部回转、手臂伸缩、手臂回转、手臂升降）
坐标形式：圆柱坐标式
抓取物料最大直径：以下尺寸的圆形棒料
物品移动范围：半径为R0.5m的扇形区域
高度变化范围：0.5m
使用寿命：10年

第三章 搬运机械手手臂各部件的设计
3.1机械手手部的设计计算
3.1.1手部设计基本要求
（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。
（2）应考虑到手抓抓取物料时是否会损坏物料便面精度或使物料发生变形。
（3） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。
（4） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。
（5） 应保证手抓的夹持精度。
3.1.2 手部机构的选择
手部结构根据手抓开合的动作特点分为回转型和移动型两类。其中回转型又分为一支点回转和多支点回转；根据手抓夹紧是摆动还是平动，又分为摆动回转型和平动回转型。
夹钳式手部中较多的是回转型手部，一般有单作用斜楔式回转型手部、滑槽式杠杆回转型手部、双支点连杠杠杆手部、齿条齿轮杠杆式手部等。
平移型夹钳式手部大致可分为直线往复移动机构和平面平行移动机构两种类型。但由于平移型夹钳式手部是通过手指的指面作直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作，常用于夹持具有平行平面的工件（如箱体），其结构叫复杂，不如回转型手部应用广泛。
综上其述本设计中将采用最结构简单，最常用的滑槽式杠杆会装型手部机构。
3.1.3手抓的设计计算
3.1.3.1手抓结构的力学分析
下面对其基本结构进行受力分析：滑槽杠杆受力图如下

图3.1 滑槽杠杆时手部结构简图、受力分析
第四章 机身的设计计算
4.1机身的总体设计
机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。本设计中的机身选择固定式。
在本设计中考虑生产应用中常需要使手臂作回转运动，所以设计机械手将实现手臂的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。
机身承载着手臂作回转和升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：
（1）回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。
（2）回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。
（3）活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现，齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。
分析：
经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。
驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转。
4.2机身的升降机构设计计算

图4.1 手臂各部件重心位置图（试估计）
4.2.1手臂偏重力矩的计算
初估算各部件的重量：

4.3机身的回转机构设计计算
4.3.1机身回转液压缸驱动力矩计算
机身回转液压缸驱动力矩应与手臂运动是所产生的惯性力矩及各密封装置出的摩擦阻力矩相平衡。
即
4.3.2机身回转液压缸主要参数
回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩
作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩为：

第五章 液压驱动系统与控制电路的设计
5.1驱动系统设计要求
本次设计的工业机械手属圆柱坐标式液压驱动机械手。具有手臂伸缩，回转，升降，手腕回转四个自由度。因此，相应地有手腕回转机构、手臂伸缩机构，手臂回转机构，手臂升降机构等构成。各部分均用液压缸或液压马达驱动与控制。
设计要求
（1）满足工业机械手动作顺序要求。动作顺序的各个动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁，按程序依次步进动作而实现。
（2）机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。
（3）液压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求
5.2驱动系统设计方案
采用叶片泵供油，动作顺序：从原位开始——升降臂下降——夹持器夹紧——升降臂上升——底座快进回转——底座慢进——手腕回转——伸缩臂伸出——夹持器松开——伸缩臂缩回；待加工完毕后，伸缩臂伸出——夹持器夹紧——伸缩臂缩回——底座快退(回转)——底座慢退——手腕回转——升降臂下降——夹持器松开——升降臂上升到原位停止，准备下次循环。
上述动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁（电磁换向阀），按程序依次步进动作而实现。
（1）各液压缸的换向回路
为便于机械手的自动控制，采用可编程控制器进行控制，前分析可得系统的压力和流量都不高，选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化成都和经济效益。液压机械手采用单泵供油，手臂伸缩，手腕回转，夹持动作采用并联供油，这样可有效降低系统的供油压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干扰，实现同步或非同步运动，换向阀采用中位“O”型换向阀。
（2）调速方案
整个液压系统只用单泵工作，各液压缸所需的流量相差较大，各液压缸都用液压泵的全流量是无法满足设计要求的。尽管有的液压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速，用以保证液压缸的平稳运行。各缸可选择进油路或回油路节流调速，选用节流阀调速。
单泵供油系统以所有液压缸中需流量最大的来选择泵的流量。系统较为简单，所需元件较少，经济性好，考虑到系统功率较小，其溢流损失也较小。
（3）缓冲回路
伸缩臂处设置缓冲回路，使用单向节流阀
（4）系统安全可靠性
夹紧缸在夹紧工件时，为防止失电等意外情况，设置锁紧保压回路。
手臂升降缸在系统失压的情况下会自由下落或超速下行，所以在回路中设置平衡回路。
5.3驱动系统设计
5.3.1各部分功能设计分析
（1）夹持器采用单出杆双作用缸，保证运动过程中不使工件下掉，夹持器夹紧工件后，锁紧回路由两个液控单向阀组成。
（2）底座回转采用摆动液压缸，正反方向均采用单向调速阀调速。由于回转部分的重量大，回转长度长，因此手臂回转时具有很大的动能。为此，除采用调速阀的回油节流阀调速阀外，还在回油路上安装双溢流阀，进行减速缓冲。
（3）手臂伸缩采用单出杆双作用缸，手臂伸出时，由单向阀和节流阀组成的调速回路进行回油节流调速。手臂缩回时，回油路设置调速阀以完成缓冲作用。
（4）手臂升降运动采用单出杆双作用缸，上升和下降均由单向调速阀回油节流。因为升降缸为立式，在其液压缸下腔油路中安装单向顺序阀，避免因整个手臂运动部分的自重而下降，起支撑平衡作用。
（5）伸缩臂进油路设置蓄能保压回路，伸出完全后，进油路压力升高，压力继电器发出电信号导致换向阀通电，泵卸荷，单向阀自动关闭，由蓄能器保压。
（6）单泵供油，采用先导型溢流阀卸荷，设置二位二通换向阀。
5.3.2液压泵的确定与所需功率计算
5.3.2.1确定各部件的流量计算
（1）手抓夹紧液压缸的流量计算
手抓夹紧时：

5.3.2.7液压系统性能验算
（1）压力损失
系统的总压力损失包括沿程损失和局部损失。
（2）管路压力损失对系统性能的影响
管路压力损失通常按快速工况计算。管内流速过高，引起管道振动和压力损失增大。管路压力损失太大，在定量泵系统中，快速时系统压力将超过溢流阀或卸荷阀的调整压力，致使阀有溢流；在变量泵或双泵系统中，快速对系统压力将超过转换压力，使进入缸的流量减少，缸的运动速度达不到预期的效果。因此须根据压力降重新调整元件的工作压力，以保证快速运动的要求。
（3）油温的允许值
不同机械，因工作条件的不同，允许的高油温应有区别。本系统中正常工作温度30°50°，最高允许55°70°，油及油箱 温升。
（4）液压冲击
1、 保证工作周期的原则下，尽量减慢换向速度。电磁换向阀，可考虑带阻尼器或设计成正开口的滑阀结构。使阀芯移动速度过慢，使电磁铁的线图长期通过大电流，会造成发热、烧伤。
2、在滑阀完全关闭前，减慢液体的流速。可在阀芯的棱边上开长方形或V形槽，或作成半锥角为2°5°的节流锥面。
3、适当加大管径，缩短导管长度，避免不必要的弯曲；或采用软管。
5.3.2.8液压系统图

图5.1 液压控制系统图