自動上下料機械手設計

1、自動上下料機械手的設計摘 要隨著機電一體化技術和計算機技術的應用，機械手的研究和開發(fā)水平獲得了迅猛的發(fā)展并涉及到人類社會生產(chǎn)及生活的各個領域，特別是工業(yè)機械手在生產(chǎn)加工中的應用。機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一種新型技術裝備，它能模仿人體上肢某些動作，在生產(chǎn)中代替人搬運物體或操持工具進行動作，已成為現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分。本次設計主要設計自動上下料的機械手，該系統(tǒng)采用液壓驅動，傳動平穩(wěn)，且易于控制，控制系統(tǒng)采用一般PLC所具有的位移寄存器和位移指令來編程。關鍵詞：機械手，液壓驅動，控制系統(tǒng)目 錄1緒論12 工業(yè)機械手的設計方案22.1 工業(yè)機械手的組成22.2 上下料機械手的工

2、作原理32.3 規(guī)格參數(shù)的選擇32.4 設計路線與方案42.4.1 機械手的總體設計方案42.4.2 設計步驟42.4.3 研究方法和措施43 機械手各部分的計算與分析53.1 手部計算與分析53.1.1 滑槽杠桿式手部設計的基本要求53.1.2 手部的計算和分析53.2 腕部計算與分析123.2.1 腕部設計的基本要求123.2.2 腕部回轉力矩的計算133.2.3 腕部擺動油缸設計163.2.4 選鍵并校核強度183.3 臂部計算與分析183.3.1 臂部設計的基本要求183.3.2 手臂的設計計算203.4 機身計算與分析284 液壓系統(tǒng)設計294.1 液壓系統(tǒng)總體設計294.2 液壓元

3、件的選擇294.2.1 液壓缸294.2.2 液壓泵的選取要求及其具體選取314.2.3 選擇液壓控制閥的原則334.2.4 選擇液壓輔助元件的要求335 液壓元件的保養(yǎng)與維修375.1 液壓元件的安裝375.2 液壓系統(tǒng)的一般使用與維護375.3 一般技術安全事項376 結 論39參考文獻40致 謝41附 錄42I西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計（論文）1緒論工業(yè)機械手是人類創(chuàng)造的一種機器,更是人類創(chuàng)造的一項偉大奇跡,其研究、開發(fā)和設計是從二十世紀中葉開始的。世界工業(yè)機械手的數(shù)目雖然每年在遞增，但市場是波浪式向前發(fā)展的。在新世紀的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險的勞動環(huán)境都需要用機

4、器人代替人工。隨著機器人應用的深化和滲透，工業(yè)機械手在各行各業(yè)中還在不斷開辟著新用途。機械手的發(fā)展也已經(jīng)由最初的液壓，氣壓控制開始向人工智能化轉變，并且隨著電子技術的發(fā)展和科技的不斷進步，這項技術將日益完善。上料機械手與卸料機械手相比，其中上料機械手中的移動式搬運上料機械手適用于各種棒料，工件的自動搬運及上下料工作。例如鋁型材擠壓成型鋁棒料的搬運及高溫材料的自動上料作業(yè)，最大抓取棒料直徑達180mm，最大抓握重量可達30公斤，最大行走距離為1200mm。根據(jù)作業(yè)要求及載荷情況，機械手各關節(jié)運動速度可調。移動式搬運上料機械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回轉機構，小車行走機構，液壓泵站電器控制系統(tǒng)

5、組成，同時具有高溫棒料啟動疏料裝置及用于安全防護用的光電保護系統(tǒng)。整個機械手及液壓系統(tǒng)均集中設置在行走小車上，結構緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用OMRON可編程控制器，各種作業(yè)的實現(xiàn)可以通過編程實現(xiàn)。機械手涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、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。它是一種能自動控制并可以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。 2 工業(yè)機械手的設計方案2.1 工業(yè)機械手的組成工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構，驅動機構和控制部分所組成，各部分關系如下框圖：控制機構驅動機構執(zhí)行機構位置檢測裝置電量工件 圖2-1 工業(yè)機械手各部分

6、關系圖執(zhí)行機構：執(zhí)行機構包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走機構等運動部件所組成。（1）手部：直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平移型。傳動機構形式多樣，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、彈簧式等。（2）腕部：是聯(lián)接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物體的方位。（3）臂部：手臂是支撐被抓物體，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到給定位置。該設計的手臂有三個自由度，采用關節(jié)式坐標（繞橫軸旋轉，上下擺動和左右擺動）關節(jié)坐標式具有較大的工作空間和操作靈活性，機械臂的結構性容易進行優(yōu)化，便于提高機械手的動態(tài)操作性能。（4）行走機構：有的工業(yè)機械手帶有行走機

7、構。驅動機構：有氣動，液動，電動和機械式四種形式?？刂葡到y(tǒng)：有點位控制和連續(xù)控制兩種方式。機身：它是整個工業(yè)機械手的基礎。機械手功能：（1）它能部分的代替人工操作；（2）它能按照生產(chǎn)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；（3）它能操作必要的機具進行焊接和裝配。2.2 上下料機械手的工作原理上下料機械手是一種專用的工業(yè)機械手，其執(zhí)行程序一般是固化好的，或只能進行簡單編程，所以機械手的動作是固定的，一種機械手只能供送一種或有限的幾種物品，程序控制系統(tǒng)相對比較簡單。供送料機械手可看做是一種無料槽、滑道的供送料機構，它在一個位置（料槽）抓取物品（工件），然后將其搬運到另一個位置。

8、其基本動作是：上料時，先由料槽中取出工件，帶著工件到指定工位，將其放在工位上，返回；卸料時則從工位上取下工件，帶走，放到料箱中。上料時一般有位置及方位要求，而卸料時一般無嚴格要求，所以上料是關鍵。要完成上述動作，上下料機械手的手爪必須到達兩點（取料點料槽；放料點加工工位），這可通過機械手的手臂來實現(xiàn)。手爪必須做兩個動作（抓取料和放下料），這可通過機械手的手爪閉合、張開來實現(xiàn)。方位要求一般通過機械手的手腕來滿足供送料要求的運動，軌跡應該是：直線下降直線升起平面圓弧擺動直線下降。2.3 規(guī)格參數(shù)的選擇工業(yè)機械手的規(guī)格參數(shù)是說明機械手規(guī)格和性能的具體指標，一般包括以下幾個方面：（1）抓重（又稱臂力）

9、：額定抓取重量或稱額定負荷，單位為公斤，本次設計要求抓重為25kg。（2）自由度數(shù)目：本次設計整機四個自由度，手臂三個自由度，手腕兩個自由度。（3）定位方式：有固定機械擋塊，可調機械擋塊，行程開關，電位器及其他各種位置設定和檢測裝置，本次設計選固定機械擋塊定位。（4）驅動方式：有氣動，液動，電動和機械式四種形式，本次設計選擇液壓驅動。（5）手臂運動參數(shù)：臂部上仰60度、下俯30度、回轉220度。（6）手腕運動參數(shù)：腕部回轉順逆各180度。（7）手指夾持范圍和握力：工件直徑d<100mm。（8）定位精度：位置設定精度和重復定位精度。（9）輪廓尺寸：長×寬×高（毫米）為4

10、45.75×223.15×459.5mm。2.4 設計路線與方案2.4.1 機械手的總體設計方案本課題是自動上下料機械手的設計，本設計主要任務是完成機械手的結構方面設計，以及液壓系統(tǒng)方面的簡單設計。在本章中對機械手的坐標形式、自由度、驅動機構等進行了確定。因此機械手的執(zhí)行機構、驅動機構是本次設計的主要任務。2.4.2 設計步驟（1）查閱相關資料；（2）確定研究技術路線與方案構思；（3）結構和運動學分析； （4）根據(jù)所給技術參數(shù)進行計算；（5）按所給規(guī)格，范圍，性能進行分析，強度和運動學校核；（6）繪制工作裝配圖草圖；（7）繪制總圖及零件圖等；（8）總結問題進行分析和解決。2

11、.4.3 研究方法和措施使用現(xiàn)在機械設計方法和液壓傳動技術進行設計，采用關節(jié)式坐標（四個自由度，可以繞橫，縱軸轉動和上下左右擺動）。液壓驅動即是以油液的壓力來驅動執(zhí)行機構。抓重能力大，結構小巧輕便，傳動平穩(wěn)，動作靈便，可無級調速，進行連續(xù)軌跡控制，易于實現(xiàn)直接驅動。但因油的泄露對工作性能影響較大，故它對密封裝置要求嚴格，且不宜在高溫或低溫下工作。3 機械手各部分的計算與分析3.1 手部計算與分析手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類最常見的主要有夾鉗式，本設計主要考慮夾鉗式手部設計。夾鉗式手部是由手指，傳動機構和驅動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可

12、以抓取軸，盤，套類零件，一般情況下多采用兩個手指。手部示意圖如下：圖3-1 手部示意圖3.1.1 滑槽杠桿式手部設計的基本要求（1）應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力。（2）手指應具有一定的開閉范圍。（3）應保證工件在手指內的夾持精度。（4）要求結構緊湊，重量輕，效率高。（5）應考慮通用性和特殊要求。3.1.2 手部的計算和分析（1）手部受力分析圖3-2 手部受力圖(1)圖3-3 手部受力圖(2)（2）手指尺寸初步設定由拉桿的力平衡條件： cos=得 由得 又由工件的平均半徑： mm初取V型手指的夾角2，mm，滑桿總長h=170mm（3）夾緊力計算又由于工件的直徑不影響其軸心的位置即定位誤差為零，手指

13、水平位置夾取水平位置放置的工件。由參考文獻2中表2-1查得：N0.5G=0.5×25=12.5kg （31）又因為： （32）當取最小值時，則增力比較大，手指走到最小行程時則有, 又因為： （33） （34）取安全系數(shù)，工作情況系數(shù),傳動機構的機械效率 手指夾緊時：夾緊缸活塞移動范圍L130mm，其動作時間t=1.5s（由機械手的動作節(jié)拍時間得之），所以夾緊活塞移動得平均速度v為：運動部件得總重估算G10kg夾緊力N與驅動力P的關系：由于結構左右對稱，在驅動力P的作用下，每一滑槽杠桿受力相等圖3-4 夾緊力與驅動力的關系圖在不計摩擦力的情況下：為夾緊狀態(tài)得傾斜角50夾緊工件半徑為50

14、mm 38.9kg 根據(jù)各力對回轉支點的力矩平衡條件，同樣在不計摩擦力的情況下,C為杠桿動力臂，即驅動銷對滑槽杠桿作用力對支點的垂直距離。又因為a=50mm C= 則 Nb= 當夾緊半徑為25mm的工件時， 則 Nb= （4）動作特性和傳動特點定位到最大行程時，則 取又因為，,滑槽杠桿手指最大開閉角為滑槽傾斜角的變化范圍可以為,可見機構傳動比將在下列范圍內變化:所以開始所初步取的a，b與均符合要求。（5）確定夾緊油缸外徑D驅動桿行程與手指開閉范圍關系分別為手指夾緊工件范圍值時，滑槽相對于兩支點連接的傾斜角。 考慮到機構效率，傳力比N/P的公式應力： （35）0.9又因為G=250N,夾緊力F=

15、500N,則 式中：工作負載即為重物重力250N。導軌摩擦阻力負載，對于平導軌垂直于導軌的工作負載，0。f導軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2，動摩擦系數(shù)為0.1。，一般取0.01-0.5s，時間內速度變化量： 啟動：穩(wěn)態(tài)：工作壓力P的確定，工作壓力根據(jù)負載大小及機器的類型來初步確定。參閱參考文獻5中表37.5按載荷選擇工作壓力為1。計算液壓缸內徑D和活塞桿直徑d，由負載可知最大負載F為275N。根據(jù)液壓系統(tǒng)設計手冊表22取為0.5，為0.95，d/D為0.7。又因為： （36）根據(jù)參考文獻8中表24，將液壓缸內徑圓整為標準系列直徑D=25mm,活塞桿直徑按d/D0.7及參考文獻8中表25活塞直

16、徑系列取d=18mm。按工作要求夾緊力為一個夾緊缸提供，考慮到夾緊力的穩(wěn)定性。夾緊缸的工作壓力應大于復位彈簧的彈力。又因為進油缸在有桿腔，則其有效工作面積： 液壓缸壁厚和外徑計算： （37）為最大工作壓力的1.5倍，1.5。材料為高強度鑄鐵，60 液壓缸工作行程的確定，并參照參考文獻8中表26中的系列尺寸選取標準值S=100mm。缸蓋厚度的確定一般液壓缸為平底缸蓋，其有效厚度t按強度要求計算。 （38）現(xiàn)取t=20mm?；钊膶挾菳一般取B=(0.6-1.0)D=0.6D=15mm夾緊缸彈簧的確定彈簧工作載荷F=50N,最大軸直徑,最小筒直徑彈簧剛度查參考文獻5中表30.28圓柱螺旋壓縮彈簧的

17、尺寸及參數(shù)得:材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mm,節(jié)距P=10.4mm,單圈彈簧工作極限載荷下變形量為7.075mm，單圈彈簧剛度。 （39）C-直徑比，G彈簧材料的剪切彈性模量，鋼材G=，計算得Z=110mm,則活塞缸總長L=120mm。3.2 腕部計算與分析3.2.1 腕部設計的基本要求手腕部件置于手部和臂部之間，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，適應性更強。手腕具有獨立的自由度，此設計手腕有繞X軸轉動和沿X軸左右擺動兩個自由度。手腕回轉運動機構為回轉油缸，擺動也采用回轉油缸。他的結構緊湊，靈活，自由度符合設計要求，它要求嚴

18、格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉矩。（1）腕部處于臂部的前端，它連同手部的動靜載荷均由臂部承受。腕部的結構、重量和動力載荷直接影響著臂部的結構、重量和運動性能。因此在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。（2）腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔聯(lián)接和支承作用，除了保證力和運動的要求以及具有足夠的強度和剛度外還應綜合考慮合理布局腕部和手部的連接、腕部自由度的檢測和位置檢測、管線布置以及潤滑、維修調整等問題。（3）腕部設計應充分估計環(huán)境對腕部的不良影響（如熱膨脹，壓力油的粘度和燃點，有關材料及電控電測元件的耐熱性等問題）。腕部的結構如圖3-5所示，它可做與手臂垂直方向（例如Y軸方向）橫移，還可以繞Y軸或Z

19、軸回轉。圖3-5 手腕運動示意圖3.2.2 腕部回轉力矩的計算腕部回轉時，需要克服以下幾種阻力：（1） 腕部回轉支承處的摩擦力矩 ： 由靜力學平衡方程求得 × （310）式中：D1、D2軸承直徑(m)R1、R2軸承處支反力(kgf-m)f軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承f=0.01-0.02為簡化計算取工件重量（kgf）手部重量（kgf）手腕轉動件重量（kgf）（2）克服由于重心偏置所引起的力矩： （kgf） （311）式中e工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離（m）（3）克服啟動慣性，所需的力矩啟動過程近似等加速運動，根據(jù)手腕回轉的角加速度及啟動所用的角速度, （312）式中:工件對手腕回

20、轉軸線的轉動慣量J手腕回轉部分對手腕回轉軸線的轉動慣量手腕回轉過程的角加速 啟動過程所轉過的角度（度）手腕回轉所需要的驅動力矩應當?shù)扔谏鲜鋈椫停?因為手腕回轉部分的轉動慣量不是很大，手腕起動過程所產(chǎn)生的轉動力矩也不大，為了簡化計算，可以將計算，適當放大，而省略掉，這時 設手指，手指驅動油缸及回轉油缸轉動件為一個等效圓柱體，L=50cm，直徑D=10cm，則m=27.5kg。摩擦阻力矩0.1設起動過程所轉過的角度,等速轉動角速度 查型鋼表有： （313） （314）代入256（N·m）00.10.1+265M=確定轉軸的最小尺寸： （315）抗扭剖面模量, ，查得,，取轉軸直徑d=

21、40mm。回轉油缸所產(chǎn)生的驅動力矩計算回轉油缸所產(chǎn)生的驅動力矩必須大于總的阻力矩，機械手的手腕回轉運動所采用的單葉片回轉油缸，其結構簡圖如圖3-6所示，它的回轉角小于360度。定片2與缸體1固連，動片3與輸出軸4固連，當a,b口分別進出油時，動片帶動輸出軸回轉達到手腕回轉目的。圖3-6 葉片式擺動缸結構簡圖 M= （316）式中：手腕回轉總的阻力矩（N·m）P回轉油缸的工作壓力 r缸體內徑半徑（cm）R輸出軸半徑（cm）b動片寬度注：可按外形要求或安裝空間大小，先設定b,R,r中兩個：，取=3 =1.5-2.5, 取=2又因為d=40mm，則D=80mm，b=60mm去頂回轉油缸工作

22、壓力： 由于系統(tǒng)工作壓力遠遠大于此壓力，因此回轉油缸的工作壓力足以克服摩擦力。3.2.3 腕部擺動油缸設計 （317）偏離重心e的計算及圖3-4 腕部擺動油缸設計尺寸圖估計L=45cm， =30cm克服重心偏置所需的力矩克服摩擦所需力矩=0.1cm克服運動慣性所需的力矩： =0.7654(kg-m-) =25=5.1(kg-m-) =5.8654(kg-m-)=JW/t設w=, =0.0175/=12.83(kgf·m)則擺動所需的驅動力矩： =32.14(kgf·m)確定轉軸的最小直徑： （318）抗拒剖面摸量所需驅動力矩： 取d=50mm所以機械手的擺動采用單葉片回轉油

23、缸，定片與缸體固連，動片與轉軸固連，當兩油口分別進出油時，動片帶動轉軸轉動達到腕部擺動目的。 又因為： =1.5-2.5,取 =2，=3所以：d=50mm，所以D=100mm，b=75mm確定回轉油缸工作壓力： 由于系統(tǒng)工作壓力遠遠大于此壓力，因此該缸的工作壓力足以克服摩擦力3.2.4 選鍵并校核強度轉軸直徑d=40mm,由參考文獻5中GB1095-79選鍵為bh=128鍵校核如下公式：=2T/kld （319）K接觸面的高度k=0.4h=0.4×8=3.2mm=32.24mpa轉軸直徑d=50mm,由參考文獻5中GB1095-79選鍵為bh=2010k=0.4h=0.4×

24、10=4mm=13.208mpa取接方式：靜連接，輕微沖擊，查得=100所以滿足要求3.3 臂部計算與分析3.3.1 臂部設計的基本要求手臂部件是機械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并帶動它們作空間轉動。臂部運動的目的：把手部送到空間范圍內的任意一點。因此，臂部具有三個自由度才能滿足基本要求：即手臂繞橫軸旋轉，左右回轉和俯仰運動。手臂的各種運動由油缸驅動和各種傳動機構來實現(xiàn)，從背部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的靜動載荷，而且自身運動又較多，故受力復雜。因而，它的結構，工作范圍，靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機械手的工作性能。機身是固定的

25、，它直接承受和傳動手臂的部件，實現(xiàn)臂部的回轉等運動。臂部要實現(xiàn)所要求的運動，需滿足下列各項基本要求：（1）機械手臂式機身的承載機械手臂式機身的承載能力，取決于其剛度，結構上采用水平懸伸梁形式。顯然，伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷變化，對于機械手的運動性能，位置精度和負荷能力等影響很大。為可提高剛度，盡量縮短臂桿的懸伸長度，還應注意：根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸臂部和機身既受彎曲（而且不僅是一個方向的彎曲）也受扭轉，應選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。所以機械手常用工字鋼或槽鋼作為支撐板，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內部

26、還可以布置驅動裝置，傳動機構以及管道，有利于結構的緊湊，外形整齊。高支承剛度和選擇支承間的距離臂部和機身的變形量不僅與本身剛度有關，而且同支撐的剛度和支撐件間距離有很大關系，要提高剛度，除從支座的結構形狀，底板的剛度以及支座與底版的連接剛度等方面考慮外，特別注意提高配合面間的接觸剛度。合理布置作用力的位置和方向在結構設計時，應結合具體受力情況，設法使各作用力的變形相互抵消。a）設計臂部時，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應盡可能使結構簡單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理，確定調整補償環(huán)節(jié)，以及減少重要不見的間隙，從而提高剛度。b）水平放置的手臂，要增加導向桿的剛度，同時提高其配合精

27、度和相對位置精度，使導向桿承受部分或者大部分自重。c）提高活塞和剛體內徑配合精度，以提高手臂俯仰的剛度。（2）臂部運動速度要高，慣性要小機械手臂的運動速度是機械手主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平，一般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定。在一般情況，手臂回轉俯仰均要求均速運動，（v和w為常數(shù)），但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前的加速度不能太大，否則引起沖擊和振動。對于告訴運動的機械手，其最大移動速度設計在10001500mm/s，最大回轉角速度設計在內，在大部分行程距離上平均移動速度為1000mm/s內，平均回轉角速度為內。為減少轉動慣量的措施：減少

28、手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質高強度材料。減少手臂運動件的尺寸輪廓。減少回轉半徑，在安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸），盡可能在前伸位置下進行回轉動作，并且驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。（3）手臂動作應靈活為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件，導向件和定位件布置應合理，使手臂運動過程盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生“卡死”的現(xiàn)象（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。計算零件重量，可分解為規(guī)則的體形進行計算。計算零件重心位置，求出重心至回轉軸線的距離。求重心位置并計算偏重力臂： （320） （

29、321）計算偏重力矩： （322）（4）位置精度要高一般說來，直角和圓柱坐標式機械手位置精度較高；關節(jié)式機械手的位置最難控制，精度差；在手冊上加設定位裝置和自檢測機構，能較好的控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動，嚙合件的間隙。除此之外，要求機械手通用性要好，能適合做各種作業(yè)的要求；工藝性要好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手，還要設置防塵裝置等。3.3.2 手臂的設計計算通常先進行粗略的估算，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關機構的主要尺寸，在進行校核計算，修正設計。為了便于進行液壓機械手的設計計算，分別對俯仰缸回轉油缸的設計敘述

30、如下：（1）小臂設計設小臂L=40cm,D=60cm則 m= =0.79kg則手臂總重： 俯仰缸的設計計算：設，當手臂處在仰角為的位置時，驅動力P通過連桿機構產(chǎn)生的驅動力矩 為： 因為： 又因為：=，= P= （323）P油缸的工作壓力（）D油缸內徑（cm）活塞缸與缸徑，活塞桿與端差的密封裝置處的摩擦阻力（kg）通油箱，=010590.3kg取=10600kg 106000.8=60356.601kg·cm當手臂處在俯角為的位置時，驅動力P通過連桿機構產(chǎn)生的驅動力 因為： ,所以： 則 當手臂處在水平位置即為驅動力矩時因為,由于手臂與支柱連軸有振動軸承，摩擦力矩較小=0,所以驗證油缸

31、是否滿足要求，滿足上仰條件，出于時 = =1134kgf選取=0.7，所以 D=0.053m整理得到D=63mm，則d=45mm。液壓缸壁和外徑計算 （324） 材料為高強度鑄鐵，=60 液壓缸為平底缸差，其厚度t按強度要求計算無孔時： （325）取t=3mm液壓缸工作行程的確定由得S=16mm由參考文獻8中表2-6的系列尺寸查得:S=25cm則活塞桿L=30cm活塞桿的穩(wěn)定性校核，活塞桿由45鋼制成。桿長300mm，d=45mm,最大壓力P=1134N,設穩(wěn)定安全系數(shù)為，。 將上面參數(shù)帶入式中求得： 活塞桿兩端可簡化為鉸支座，故，活塞桿橫截面為圓形i=,故為因為，故不能用歐拉公式計算,使用直

32、線公式，由參考文獻5中表10.1查得可得： 而P=1134N，活塞桿的工作安全系數(shù)為n=，所以滿足要求。（2）油缸端蓋的連接方式及強度計算為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距，進而決定螺釘?shù)臄?shù)目。缸的一端為缸體與缸蓋鑄造成一體，另一端缸體與缸蓋采用螺釘連接。缸蓋螺釘?shù)挠嬎銥楸ＷC連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距，進而決定螺釘?shù)臄?shù)目，在這種連接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷Q和預進力之和。 （326）式中：P驅動力kgfP工作壓力kgf/Z螺釘數(shù)目，取8預緊力kgf=K，K=1.5-1.8螺釘?shù)膹姸葪l件為： （327）式中：=1.3計算載荷（kgf）抗拉許用應力()，螺紋內徑（cm

33、）表3-1 常用螺釘材料的流動極限 鋼號10A2A3354540cr210022002400320036006500-9000缸體螺紋計算： （328）式中， , D油缸內徑考慮螺紋拉應力和扭應力合成作用系數(shù)取=1.3（3）大臂回轉缸的設計驅動手臂回轉的力矩： D輸出軸與缸差密封處的直徑（cm）L密封的有效長度（cm）“O”形密封圈的截面直徑（cm）“O”形圈在裝配時壓縮率，對于回轉運動，k=0.03-0.35摩擦系數(shù)P回轉軸缸的工作壓力（kg/）選取=0.5，b=10cm,p=80kg/,設=6mm，若,則取，取，則 ，D=14cm選用O型橡膠密封圈S58型，=4.7mm，則 動片側面與缸蓋

34、密封處的摩擦阻力距： 回轉缸動片的角速度變化量，在啟動過程中（弧度/秒）啟動過程時間手臂回轉部件，對回轉軸的輕功慣量（）若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為，則回轉零件對重心軸線的轉動慣量 =649.2（）設角速度，啟動時間 （329）取=0.2P=16（） 由內徑公式： 基本滿足要求，則D=16cm，d=8cm。（4）缸蓋連接螺釘和動片連接螺釘計算螺釘?shù)膹姸葪l件為： 或（取=8mm） （330）式中：螺釘?shù)膬葟剑╟m）計算載荷（kgf）螺釘材料作用拉應力3.4 機身計算與分析機身是直接支撐和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降，回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構成機體

35、的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結構和受力情況就愈復雜。機身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運動。此次設計機身為地面軌道運動式。它的驅動系統(tǒng)是步進電機其型號為Y132S8功率2.2KW轉速710r/min，再電動機后接了一個圓錐圓柱齒輪減速器其輸出速度為1.2m/s。在后是一個制動箱。其主要參數(shù)是由外部計算機調整和控制，在很大程度上是由運動學和軌跡運動而去編制小車的運行程序。由以上對機身的分析和前面的計算完成機身結構圖見附錄。由以上對機械手各執(zhí)行機構的分析與計算，完成機械手總裝配圖見附錄。4 液壓系統(tǒng)設計4.1液壓系統(tǒng)總體設計本次設計的機械手是以PLC來控制

36、整個液壓元件，通過控制液壓缸的電磁換向閥而實現(xiàn)機械手各個關節(jié)的運動。至于機械手在空間的運動和定位則由外部的電腦操作系統(tǒng)完成，它主要先進行機器手的運動學分析，動力學分析，軌跡規(guī)劃和編程。從而由上述系統(tǒng)完成整個機械手在空間的行走，定位和重復定位等操作。(1) 換向回路的選擇夾緊缸換向選用二位三通閥，其他缸全部選用B型的三位四通電磁換向閥。選用B型電磁閥便于微機控制，選中位為O型是使定位準確。(2) 調速方案的選擇本系統(tǒng)是功率較小的，故選簡單的進油路節(jié)流閥調速。(3) 緩沖回路的選擇選用二位三通閥加入油路，便于微機控制，提高自動化程度。(4) 系統(tǒng)的安全可靠性的選擇為防止伸縮缸在仰起一定角度后的自由

37、下滑，都采用單向順序閥來平衡。為保證夾緊缸夾持工件的可靠性選用液控單向閥保壓和鎖緊。4.2液壓元件的選擇4.2.1液壓缸根據(jù)前面設計好的各種液壓缸的參數(shù)。（1）活塞缸已知參數(shù)（包括設計出的參數(shù)）：表示第幾個缸的參數(shù)： 無桿腔進油： （41）有桿腔進油： （42） （43）（2）擺動缸 已知參數(shù)： （44） （45） （46）注意已知參數(shù)中在前面設計中不夠明確時，則要進行分析。 單作用彈簧復位的夾緊缸；=25mm，=18mm =8.67cm/s注意：為尚未夾持工件的時間。手腕回轉缸=80mm，=40mm，=60mm 手腕擺動缸 手臂回轉缸 =160mm ,=80mm ,=120mm 注意：忽略角

38、加速度和角減速度的影響手臂仰俯活塞缸：=63mm，=45mm V=5cm/s（3）估算流量夾緊缸：。手腕回轉缸：手腕擺動缸：手臂回轉缸：手臂仰俯活塞缸：4.2.2液壓泵的選取要求及其具體選?。?）計算液壓泵的工作壓力泵的工作壓力是所有液壓缸中工作壓力最大者與管道壓力損失之和。即： （47）管道和各類閥的全部壓力損失之和?？上裙烙?，一般?。?（5-8）（2）計算液壓泵的流量式中：K泄露折算系數(shù)，一般，K=1.1-1.5（3）選擇液壓泵的規(guī)格參照設計手冊或產(chǎn)品樣本，選取其額定壓力比高25%60%，其流量與上述計算一致的液壓泵。（4）計算功率，選用電動機按工況圖，找出所有缸N-t圖中最高功率點的對應

39、的（計算值）和泵額定流量的乘積，然后除以泵的總效率 （48）確定液壓泵的流量壓力和選擇泵的規(guī)格，泵的工作壓力的確定?？紤]到正常工作中進油路有一定的壓力損失，所以，泵的工作壓力為：液壓泵的最高工作壓力；執(zhí)行元件的最高工作壓力進油管路中的壓力損失，初算時，簡單系統(tǒng)可取0.20.5，=0.5，=4.5+0.5=5上述計算所得的是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡，階段出現(xiàn)的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外考慮到，一定的壓力儲備量并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力應滿足泵流量的確定液壓泵的最大流量應為： （49）式中：液壓泵的最大流量同時工作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如果這時溢流閥正進行

40、工作，尚需加溢流閥的最小溢流量23L/min系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取=1.1-1.3，現(xiàn)取=1.2 選擇液壓泵的規(guī)格。根據(jù)以上算得和，再查閱有關手冊，現(xiàn)選用YB-80BI雙聯(lián)葉片泵，該泵的基本參數(shù)為：每轉排量：10-194mL/r;泵的額定壓力=10.5；電動機轉速；容積效率；總效率。與液壓泵匹配的電動機的選定。首先分別計算出不同工況時的功率，取它們之間的最大值作為選取電動機規(guī)格的依據(jù)。由于在速度較小時，泵輸出的流量減小，泵的效率急劇下降，一般當流量在0.2-1L/min范圍內時，可取0.03-0.14。同時，應注意到，為了使所選擇的電動機在經(jīng)過泵的流量特性曲線最大功率點時，不致停車，需進行驗算，

41、即： （410）泵的工作壓力：P=245.25 式中：余量系數(shù)，取K=1.05泵出油量油頭主管損失油頭泵的功率傳動效率直接傳遞為1選電機：4.2.3選擇液壓控制閥的原則按控制閥的額定流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量原則4.2.4選擇液壓輔助元件的要求（1）濾油器按泵的最大流量選取流量略大些的濾油器，濾油精度在為網(wǎng)式或線段式濾油器即可。（2）油管和管接頭的通徑與閥一致來選取。（3）油箱容積Q=50Qp注意：Qp單位若為L/min時，V的單位為 Qp單位若為時，V的單位為液壓元件的選擇單向壓力補償調速閥：QI-63B，QI-130B，QI-23B單向閥：I-25減壓閥：I-10單向順序

42、閥：XI-160B二位三通電磁閥：23D-10B，23D-50B，23D-100B二位四通電磁閥：24D-25B，34DY-63B，34S-160B線隙式濾油器：XU-B327-75 XU-1337-50壓力表：Y-60確定管道尺寸時本系統(tǒng)主油路流量q=160L/min，壓油管的允許流速為v=4m/s，則內徑d=4.6=4.6=29mm夾緊油路d=11mm手腕回轉油路d=18mm手腕擺動油路d=18mm手腕回轉油路d=26mm手腕仰俯油路d=28mm液壓油箱的設計：液壓油箱的作用是儲存液壓油，分離液壓油中的雜質和空氣，同時起到分散的作用。a)液壓油箱有效容積的確定液壓油箱在不同的工作條件下，影

43、響散熱的條件很多，通常按壓力范圍來考慮。液壓油箱的有效容量v可概略地確定為：在中低壓系統(tǒng)中（p），可取v=（5-7）。V=3=696=576，故V=576L式中：V液壓油箱有效容量；液壓泵額定流量應當注意：設備停止運轉后，設備中的那部分會因重力作用而流回液壓油箱。為了防止液壓油從油箱中溢出，油箱中液壓油位不能太高，一般不應超過液壓油箱高度的b)液壓油箱的外形尺寸液壓油箱的有效容積確定或，需設計液壓油箱的外形尺寸，一般尺寸比（長：寬：高）為：1：1：11：2：3為提高冷卻效率，在安裝位置不受限制時，可將液壓油箱的容量予以增大根據(jù)油箱有效容量可選BEX630。根據(jù)以上對液壓系統(tǒng)的分析設計，完成自動

44、上下料機械手液壓系統(tǒng)原理圖見附錄，液壓控制電磁鐵通斷表見表4-1。表4-1 液壓控制電磁鐵通斷表電磁鐵1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT11DT12DT13DT14DT15DT16DT手腕回轉正傳+正轉緩沖+反轉+反轉緩沖+手腕擺動正擺+正擺緩沖+反擺+反擺緩沖+手臂回轉正傳+正轉緩沖+反轉+反轉緩沖+手臂俯仰上升+上升緩沖+下降+下降緩沖+停止夾持夾緊+松開待料卸貨+5液壓元件的保養(yǎng)與維修5.1 液壓元件的安裝（1）安裝前元件應以煤油進行清洗，并要進行壓力和密封性實驗，合格后可安裝。（2）泵及其傳動要求較高的同心度。（3）油泵的入口，出口和旋轉方向一般在泵上均有標明，不得接反。（4）安裝各種閥時，應注意進油口與回油口的方向。（5）為了避