臂部设计
手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。
臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内的任意一点。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右回转和升降（或俯仰）运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既承受手部和工件的静、动载荷，而且自身运动有较多，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直接影响机械手的工作性能。（李允文，1994）
3.1 臂部设计基本要求
臂部设计首先要实现所旭要求的运动，为此，要满足下列几项要求： （1） 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻； （2） 臂部运动速度要高，惯性要小； （3） 手臂动作应灵活； （4） 位置精度要高。
除此之外，要求机械手的通用性好，能适应多种作业的要求；工艺性好，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。
3.2 臂部结构的确定
（1）由前知，手臂的伸缩采用双导向杆状作用液压缸手臂结构，导向管在导向套内移动，且导向管内设有通向夹紧缸的油管。活塞杆只受拉压作用，受力简单，传动平衡，外形整齐美观，结构紧凑。
（2）手臂的水平回转采用液压摆动缸驱动。 （3）.手臂的升降采用双作用液压缸驱动。
3.3 臂部设计计算
3.3.1 水平伸缩缸的设计计算
（1）驱动力计算
根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回油背压及惯性等几方面的阻力，来确定液压缸所需的驱动力。
理论驱动力：F理＝F摩?F密?F回?F惯
估算参与手臂运动部件总重量 G＝25?9.8＝245N，且重心位置距导向套前端面距离为200mm。
F摩的计算：
由于导向杆对称布置，导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。
由
?M＝0 知 GL?AabF
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则： Fb?又
GL245?200??816N a60a?Y?0 则 F?Fb?G?816?245?571N
∴ F摩?Fa摩?Fb摩＝?Fa??Fb＝0.15?1387＝208N 式中： L—重心距导向套前端距离（200mm）；
a—导向套长度（60mm）；
?—当量摩擦系数，取?＝0.15。
F摩的计算：
当液压缸的工作压力小于10MPa。活塞杆直径为液压缸直径的一半，则活塞和活塞杆都采用O型密封圈，此时液压缸的密封阻力为：
F密?F杆?F活塞＝0.03F驱
F回的计算：一般背压阻力较小，F回取＝0.05F驱 F惯的计算：
F惯＝G?v245?0.15??188N g?t9.8?0.02式中；?v－由静止加速到常速的变化量（m/s）； ?t－ 起动过程时间（s），一般取0.01～0.5s，这里取?t＝0.2s。 则：F理?208?0.05F理?0.03F理?188 得出F理＝408N
实际驱动力 F实＝F理?k?408?2?1020N； 0.8?式中：k—安全系数 k＝2；?—传力机构机械效率 ?＝0.8。 （2）结构尺寸的确定 缸内径计算：
取工作压力P＝2MPa，则：
D?4F4?1020??26mm，圆整为D＝32mm。 6?p?3.14?2?10?0.95 根据强度要求，计算活塞杆直径d：
d?4F?????4?1020?3.6mm，???—材料许用应力，碳钢取???＝63.14?100?10100MPa。
考虑结构要求，取d?11D??32?16mm 22壁厚计算：
此缸工作压力为2MPa，属低压，则缸筒壁厚采用薄壁计算公式（成大先，2004）：
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??pmaxD4?32??0.64mm，取?＝4mm。 2???2?100联接螺钉强度计算：
取螺钉数目Z＝4，工作载荷：FQ?预紧力FQj?1.3?1.8?255?596.7。 则d1?4FQj?4?596.7?2.2mm，查手册取螺纹直径d1＝6mm，螺距p＝
3.14?160?106F1020??255N Z4????0.75，材料为35号钢的内六角螺钉。
3.3.2 升降缸的设计计算
（1）驱动力计算
经分析易知，升降缸在上升阶段所需驱动力为最大，则以此为设计依据，此时相比伸缩缸，其驱动力还应加上手部上面各运动部件以及工件的重力。
理论驱动力；F理＝F摩?F密?F回?F惯?G总， 估算G总＝450N F摩的计算：F摩＝0.16F理；
F密的计算：同理 F密?F杆?F活塞＝0.03F驱； F回的计算：回油背压小，取F回＝0.05F驱； F惯的计算：F惯＝G总?v450?0.1??230N。 g?t9.8?0.02则：F理?0.16F理?0.05F理?0.03F理?230?450 得出F理＝810N
实际驱动力F实＝F理?k?810?2?2025N 0.8?（2）结构尺寸的确定 缸内径计算：
取工作压力P＝2MPa，则：
D?4F4?2025??37mm，圆整到D＝40mm ?p?3.14?2?106?0.95根据强度要求，计算活塞杆直径d：
d?4F?????4?202511?5.1mm，同理取d?D??40?20mm。
3.14?100?10622结构上，活塞杆内部装有花键及花键套，能实现导向作用，同时可使活塞杆在升降
运动中传动平稳，且获得较大刚度。
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壁厚同伸缩缸一样，取?＝4mm。 联接螺钉强度计算：
F2025取螺钉数目Z＝4，工作载荷FQ???506N
Z4预紧力FQj?1.3?1.8?506?1184N。 则d1?4FQj?4?1184?3.7mm，查手册取螺纹直径d1＝6mm，螺距p＝
3.14?160?106????0.75，材料为35号钢的内六角螺钉。
3.3.3 手臂回转液压缸的设计计算
（1）驱动力矩的计算
驱动手臂水平回转所需要的驱动力矩M驱应该与手臂启动时所产生的惯性力矩M惯
及各密封装置处的摩擦力矩M封相平衡，若轴承处的摩擦力忽略不计：则
M驱?M惯?M封，在设计计算时，为简化计算，可不计M封。直接计入回转缸效率中，
则 M驱＝M惯?，?取0.9。
?w ?t式中：?w—角速度变化量（rad/s），在起动过程中?w＝w；
?t—起动过程时间，0.05～0.5s，取?t＝0.1s；
M惯＝J0 J0—手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（N?m?s2）。 经分析知，当手臂完全伸出时，此时J0达到最大值，估算此时回转零件的重心到 转轴线的距离为?＝150mm，则：
?2＝10.68N?m?s2 J0?Jc?m式中：Jc—回转零件对重心轴线的转动惯量； m—回转零件的总质量。
10.6?8?703.14则 M驱??145N?m
180?0.9?0.1（2）回转缸参数的计算
pb(D2?d2)?145N?m 摆动缸驱动力M驱＝8式中：D—回转缸内径（m）；
d—转轴直径（m）；
P—回转缸工作压力，取p＝2MPa。 B—动片宽度（m）。
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为了减少动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度（即液压缸宽度）时，可选用
2b2b?2，这里取?3，且D=2d。 D?dD?d经计算得：d＝47mm，取d＝50mm，则D＝100mm，b＝75mm。 （3）缸盖联接螺栓和动片联接螺钉强度计算 缸盖联接螺栓计算： 取螺栓数目Z＝8
F(0.12?0.052)?3.14?2?106工作载荷FQ???1472N
Z32计算载荷FQj?1.3?2.6?1472?4975N 螺栓内径应满足：d1?4FQj?4?4975?6.3mm。查手册取d1＝10mm，公
3.14?160?106????称长度L＝100mm的六角头螺栓。 动片联接螺钉的计算：
螺钉数一般取双数，对称安装，并用两个销钉定位。取Z=6，则：
bp(D2?d2)0.075?2?106?(0.12?0.052)FQ???7500N
4Zfd4?6?0.15?0.05式中：FQ—每个螺钉的预紧力；
f—被联接件配合面件的摩擦系数，钢对钢取f＝0.15。
螺钉内径d1?4FQj?????4?7500?7.7mm，查手册取d1＝10mm，螺距p＝63.14?160?101.5mm的内六角螺钉。 （4）轴承的选择
轴承主要承受向心力，且转速较低，故选用深沟球轴承，型号为： 6005 d－D－B：25－47－12
（注：除夹紧缸外的另外三个缸的其它参数计算和校核，可参考夹紧缸部分。）
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