R175型柴油机机体加工自动线上用多功能液压机械手设计【全套CAD图纸+答辩毕业论文】

买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 摘 要 本次设计的多功能机械手用于 要由手爪、手腕、手臂、机身、机座等组成，具备上料、翻转和转位等多种功能，并按该自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。本机械手机身采用机座式，自动线围绕机座布置，其坐标形式为球坐标式，具有立柱旋转、手臂伸缩、手臂俯仰、腕部转动和腕部摆动 5个自由度。驱动方式为液压驱动，选用双联叶片泵，系统压力为 机功率为 有整机回转油缸、手臂俯仰油缸、手臂伸缩油缸、手腕摆动油缸、手腕回转油缸、手爪夹紧油缸 6 个液压缸。送放机 构的液压驱动系统是由液压基本回路组成，包括调压回路，缓冲回路，调速回路，换向回路 压回路。定位采用机械挡块定位，定位精度为 1用行程控制系统实现点位控制。 关键词： 机械手，球坐标，液压，机械挡块 ，点位控制 本科生毕业设计 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 he of 175of so of of is of of to of a of of a of to 科生毕业设计 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 目 录 第 1 章 概述 1 执行系统 . 1 驱动系统 1 控制系统 2 第 2 章 方案设计及主要参数的确定 3 方案设计 3 主要参数的确定 4 第 3 章 抓取机构的设计 5 抓取机构结构形式的确定 5 夹紧力（握力）的确定 5 夹紧缸驱动力的计算 7 夹钳式抓取机构的定位误差分析 8 夹紧液压缸主要尺寸的确定 10 液压缸内径 10 活塞杆直径 11 液压缸壁厚的 计算 12 液压缸外径 12 液压缸行程 12 第 4 章 送放机构的设计 13 13 14 液压缸工作载荷的确定 15 液压缸推力的确定 15 液压缸流量的计算 15 液压缸基本尺寸的确定 15 本科生毕业设计 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 16 腕部结构形式的确定 16 腕部回转缸驱动力矩的计算 17 腕部回转液压缸尺寸的确定 21 腕部摆动缸驱动力矩的计算 22 腕部摆动液压缸尺寸的确定 24 25 手臂和机身结构形式的确定 25 手臂驱动力的计算 27 31 31 调压回路 31 缓冲回路 32 调速回路 32 换向回路 33 锁紧回路 33 保压回路 33 第 5 章 控制系统的设计 34 参考文献 35 致谢 36 附录 1：科技论文翻译 37 附录 2：实习报告 49 本科生毕业设计 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 本科生毕业设计 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 本科生毕业设计 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 本科生毕业设计 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 本科生毕业设计 9 第 1章 第 2章 概述 机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹、和要求实现自动抓取，搬运或操作动作的自动化机械装置。在工业中应用的机械手称为“工业机械手”。 工业机械手由执行系统、驱动系统和控制系统组成。执行系统又可分为抓取，送放和机身三部分，如图 示 1 2 3 图 行系统 执行系统是直接握持物件实现所需的各种运动的机械部分，它包括以下机构 （ 1）抓取机构 抓取机构又称手部或手爪，是机械手直接与被抓取物件接触并施加约束和加紧力的部分。 （ 2）送放机构 送放机构是执行系统中将被抓取物件送放到目的地的机械部分。它主要由手臂、手腕、行走装置等部分组成。 手臂是用来支撑腕部和手部并改变被送放物件的空间位置的。它是机械手的主要运动部件。 手腕主要是用来调整和改变被送放物件的方位，并连接手臂 和手指。 行走装置的主要作用是扩大机械手的送放范围，以适应远距离操作的需要。 本科生毕业设计 10 （ 3）机身 机身是机械手中用来支撑送放机构的部件，也是安装驱动系统，控制系统的基础部件。 动系统 机械手的驱动系统是为执行系统各部分提供动力的装置。驱动系统可分为液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等多种形式。液压驱动系统主要由油泵，油缸，油压阀机管路组成。 制系统 机械手控制系统的功用是通过对驱动系统的控制使执行系统按照规定的要求进行工作，并检测其工作位置正确与否。它主要包括程序控制和位置检测等部分 . 程 序控制装置指挥机械手按规定的程序进行运动 ,并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序 ,运动轨迹 ,运动速度 ,运动时间等 ),同时按其控制系统的信息对执行系统发出指令 ,必要时它还可对机械手的动作进行监视 ,当动作有错误或发生故障时 ,即发出报警信号 . 信息检测装置主要用来控制机械手执行系统的运动位置 ,并随时竟执行系统的实际位置反馈给控制系统 ,并与设定的位置进行比较 ,然后通过控制系统进行调整 ,从而使执行系统以一定的精度达到设定位置 . 本科生毕业设计 11 第 2 章 方案设计及主要参数的确定 案设计 根据课题要求，机械手需要具备上料、翻转和转位等多种功能，并按该自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作，因此可采用以下多种设计方案。 （ 1）直角坐标系式，自动线成直线布置，机械手空中行走，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种方案结构简单，自由度少，易于配线，但需要架空行走，油液站不能固定，这使设计复杂程度增加，运动质量增大。 （ 2）机身采用立柱式，机械手侧面行走，顺序完成上料、翻转、转位等功能，自动线仍呈直线布置。这种方案可以集中设计液压站，易于实现电气、油路定点连接，但占地面积大，手臂悬伸量 较大。 （ 3）机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种案具有电液集中、占地面积小、可从地面抓取工件等优点，但配线要求较高。 本设计拟采用第三种方案，如图（ 1）所示。这是一种球坐标式机械手，具有立柱旋转 z、手臂伸缩 x、手臂俯仰 y、腕部转动 本科生毕业设计 12 图 球坐标式机械手 要参数的确定 （ 1）抓取重量 15 2）坐标形式和自由度 坐标形式为球坐标式，有五个自由度。 （ 3）工作行程 工作行程由已知条件及方案分析确定： 最 大工作半径 1500 手臂最大中心高 1000 手臂水平中心高 700 手臂伸缩行程 450 手臂回转范围： =0 270； 手腕回转范围：翻转 =0 180； 腕部摆动范围：转位 =0 90； 手臂上下摆动角度： =0 60。 （ 4）运动速度 直线运动速度：手臂伸缩行程 l=450动时间 t=2s，则手臂伸缩速度为：v=s； 回转运动速度：定为 60 /s。 （ 5）驱动方式 驱动方式采用液压驱动的方式。由 于机械手操作时各缸不同时工作，手臂伸缩缸和手臂回转缸所需的流量大，其余各缸所需的流量均较小，因此可选用双联叶片泵。在小流量时，只需高压小流量供油，大流量低压泵卸荷；在大流量时，两泵同时供，这样可以减少系统功率损失，防止油温升高。 （ 6）定位精度 定位采用机械挡块定位，定位精度为 1 （ 7）控制方式 采用行程控制系统实现点位控制。 本科生毕业设计 13 第 3 章 抓取机构的设计 3 1 抓取机构结构形式的确定 抓取机构的结构形式主要决定于工件的形状和质量，本课题的抓取工件为 250170 140此采用 平行连杆杠杆式手部结构较为合适。夹紧装置为常开式，当夹紧液压缸通油时，推动活塞带动杠杆机构合拢将工件夹紧。当夹紧液压缸断油时，活塞杆通过弹簧复位，手爪张开。 3 2 夹紧力（握力）的确定 当用不同的手部机构夹紧同一种工件时，由于各手部机构的增力倍数不同，所需拉紧油缸的驱动力也不同。当手部机构选定后，由于工件的方位不同（如工件水平放置或垂直放置），钳爪的受力状态不一样，因而所需拉紧油缸的驱动力也不一样。下图（ 2）为两钳爪式手部机构，由于驱动力 P 使一对平行钳口对被夹持的工件产生两个作用力 N，当忽略工件重量时（即相 当于夹紧一块握力表），这两个力大小相等，力产生的夹紧力。 图 紧力 现引入一个称为“当量夹紧力”的概念，所谓当量夹紧力，就是指把重量为 某一方位夹紧可以求得其拉紧油缸具有的最小驱动力，这个最小驱动力所能产生的夹紧力，就称为工件在这个方位的当量夹紧力。 当量夹紧力的数值与具体的手部机构方案无关。只与工件的重量 明如下： （ 1）首先求驱动力 P 与夹紧力 N 的关系。当驱动力推动活塞杆移动一 小段距离个钳爪都相应产生一微小转角 据虚功原理，驱动力 夹紧力 N 本科生毕业设计 14 N= （ 2）当量夹紧力与工件重量之关系。当钳爪水平夹紧重为 G 的工件时，根据工件的平衡条件 F=0可得 2+G 可以看出，上下钳爪对工件的夹紧力并不相等，且随驱动 力的增大而增大，但 2 的差值永远为工件之重量 G，如 ， ，驱动力最小。这个最小驱动力可以由下述方法求出： 1 将 ， 代入上式得 （ 由 P 所产生的夹紧力 N ，即当量夹紧力。将（ 代入（ 得 2212 （ 从计算结果可以看出，当量夹紧力 N 与具体的手部结构方案无关。不同的手部机构的增力倍数特性 不一样，而当量夹紧力与 无关，只与工件的重量和它相对于钳爪的放置方位无关。 由课题要求可知，本机械手水平夹持悬伸工件，示意如图 力示意图 查表得进行握力计算： N= 213（ 式中 N 夹持工件时所需的握力； 本科生毕业设计 15 G 工件的重量， G=1550N； L、 H 尺寸， L=50H=80 将上述数值代入得 N= 03 N 考虑到工件在传送过程中还会 产生惯性力、振动以及受到传力机构效率等的影响，故而实际握力还应按以下计算： N 实 21 （ 式中， 手部的机械效率，一般 = 安全系数，一般取 2； 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，按下式估算： + /g，其中，为被抓取工件传送过程中的最大加速度， 若取 = g/2计算， + /g= N 实 21 =890N 紧缸驱动力的计算 抓取机构产生的握力是通过驱动装置产生的驱动力经传动机构传递而得到的。如图 中 图 图 P=2 （ | 因为 h=80 + ) = + （长度取正值） R|= N 实 所以 P=2实l )co s (co ss 由结构设计，确定 =10 ， =120 ， =50 ， 306入上式得 4 （长度取正直） 本科生毕业设计 16 图 紧缸受力分析简图 图 钳式抓取机构的定位误差分析 图 示情况为分别夹持两种不同直径的工件时的情况。其中， 手指长度，即手指的回转中心 A 到 V 形槽顶点 B 之间的距离； 2 为 V 形槽的夹角； 为偏转角，即 V 形槽的角平分线 手指 的夹角； 本科生毕业设计 17 图 件的中心 之间的距离 c o ss i i nc o 2222 2222 s i ss i ns i 或 1s in c o ss 222 此式为双曲线方程，其曲线如图 中曲线表示了 变化的关系，而且 0为分界线 左右对称的。当工件的半径由 ， ，其值为 c o ss i nm i i nm i nc o ss i nm a i nm a 18 图 设计手指时，只要给定手指的长度 选取合适的偏转角，即可根据工件的最大直径 了减少定位误差，可加大手指的长度，会使结构增大，重量增加。另外，选择最佳的偏转角，也可使定 位误差最小。 当 m 2 m 位误差最小，此时 s i nc o ss i nm i i nm i ns i nc o ss i nm a i nm a xm i 式中， e 最佳偏转角。 3 5 夹紧液压缸主要尺寸的确定 压缸内径 D 的计算 由单杆活塞式液压缸的推力公式： 11 （ 式中， 1F 液压缸的推力 (N)； p 系统的工作压力， p= 1A 活塞的作用面积（ 1A= 24DD 活塞直径（ 本科生毕业设计 19 推导得出： D=（ 式中， 1F 驱动力，即液压缸的实际工作载荷（ N）； p 系统的工作压力， p= m 机械效率，一般取 m= D 液压缸内径（ 将上述数值代入得 D=按 2348 D=32 塞杆直径 d 的计算 根据速度比的要求来计算活塞杆直径 d 1 （ 式中 ， d 活塞杆直径（ D 液压缸直径（ 速度比： 22212 2v 活塞杆的缩入速度（ mm/ 1v 活塞杆的伸出速度（ mm/ 液压缸的往复运动速度比，与系统工作压力的关系如下 表 作压 力 p/ 10 20 20 速度比 2 2 由于本次设计的液压系统工作压力为 选用速度比为 不同速度比时活塞杆直径 的关系如下 表 d 2348 d=14 本科生毕业设计 20 压缸壁厚的计算 对于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算： 2 式中， 液压缸缸筒厚度（ 试验压力（ 工作压力 p 16，作压力 p 16，p=于本次设计的液压系统压力为 D 液压缸内径（ 缸材料体的许用应力（ b 缸体材料的抗拉强度（ n 安全系数， n=5，一般取 n=5。 对于：锻钢 =100 120 钢 =100 110 管 =100 110 铁 =60 选用铸铁材料， =60 将以知数据代入上式得 因结构设计需要，取 =10 压缸外径 l 的计算 5 2 m m=102+32= 2+D=D 0 L（ 20 30） 结构需要确定，取 l=60 压缸行程 S 的确定 根据课题要求以及机构的运动要求按 234950 本科生毕业设计 21 第 4 章 送放机构的设计 述 （ 1）送放运动 改变被抓取物体的位置和方向，并将其送放到一定的目的位置上，这一运动过程称为送放运动。送放运动是机械手或机器人或机器人最主要的运动，包括手臂、手腕和行走装置的运动，但不包括机械手或机器人手爪抓取物体的动作。因此，抓取动作只具有抓取功能，不能改变被抓取物的位置和方向，因而不是送放运动。送放运动又可分为主运动和辅运 动两部分，手臂的运动为主运动，手腕的运动和整机的行走运动为辅运动。主运动决定送放运动的空间范围的形状和性质，辅运动可扩大送放运动或改变被送放物体在空间的方位。 （ 2）送放范围 机械手或机器人将被抓取的物体送放到某一位置，其所能达到的空间范围称为机械手或机器人的送放范围。当送放位置为一点时，称为点位送放；当送放位置在一个确定的表面内（如矩形面、扇形面、圆柱面）时，这样的送放范围称为面位送放；当送法的位置在一个确定的空间体内（如长方体、圆柱体、球体、多球体）时，这样的送放范围称为体位送放。点位送放、面位送放、体 位送放均由主运动的运动形式、自由度及其组合来决定。 （ 3）送放图形 送放范围可用送放图形（送放运动的轨迹或空间的形状及大小）来描述。 点位送放的送放位置为确定的点，其主运动只有一个自由度。其运动形式为直线运动时，送放图形为一直线；为回转运动时，送放图形为一圆弧；为复合运动，送放图形为一空间曲线。 面位送放，其送放图形为一确定的表面，由两个参变量决定，故主运动需要两个自由度。其送放图形为三种不同的情况：两个直线运动组合，送放图形为一矩形面；两个回转运动组合时，送放图形为一圆弧面；一个直线运动和一个回转运动组合 时，送放图形为一扇形面（如手臂伸缩和手臂回转组合）或圆柱面（如手臂升降和手臂回转组合。 体位送放，其送放图形为一个确定的空间体，故主运动有三个自由度。其送放图形也有几种不同的情况：三个直线运动组合时，送放图形为一空间立方体；两个直线运动和一个回转运动组合时，送放图形为一空间圆柱体；两个回转运动和一个直线运动组合是，送放图形为一空间组合体；三个回转运动组合时，送放图形为空间球体或多球体。 本科生毕业设计 22 （ 4）送放运动的自由度 送放运动具有的独立运动参数的数目，即送放运动的自由度，亦即机械手或机器人的自由度。它等于主运动自由 度数和辅运动自由度数之和。一般情况下，主运动有1 3个自由度：当主运动有 1个自由度时，送放图形为点位送放；当主运动有 2个自由度时，送放图形为面位送放；当主运动有 3个自由度时，送放图形为体位送放。如果采用多关节的送放机构，则机械手的主运动自由度数还可以增加，但其结构非常复杂，故实际应用不多。此时，宜采用增设辅运动的方法来增加机械手的功能，如增加腕部的平移或整机的行走运动以扩大送放范围，或增设腕部的回转和摆动运动以改变被送放物的方位。 机械手有几个自由度就说明有几个送放运动。自由度越多，送放动作也越多，则机械手 越灵活，其送放范围也越大，但机械手也越复杂。 本次所设计的机械手的送放机构共有 5个自由度，即主运动有 3个自由度（手臂的伸缩、回转、俯仰）、辅助运动有 2个自由度（腕部的回转、摆动），为体位送放，全部采用液压驱动，分别由两个直动液压和三个回转液压缸来实现。机械手液压系统的工作原理图如下图 示： 图 液压系统的工作原理图 压系统主要参数的确定 本科生毕业设计 23 R= f （ w （ 式中， R 液压缸的工作载荷； 液压缸轴线方向上的外作用力； 液压缸轴线方向上的重力； 运动部件的摩擦力； 运动部件的惯性力。 非标准机械的液压缸设计，按实际计算出工作压力后，还应符合液压缸额定工作压力系列标准规定（ 本设计确定的系统工作压力 为 当液压缸工作压力确定之后，即可计算出液压缸的推力。对于活塞式液压缸，液压缸的推力为 P= （ 式中， p 系统的工作压力； A 活塞的有效工作面积。 液压缸的工作流量为 q= （ 式中， v 液压缸或活塞杆的速度； A 液压缸的有效工作面积。 因此，只要确定出液压缸的直径 D，就可求出活塞或液压 缸的有效工作面积，从而可求得液压缸的推力和流量。或者，根据各缸的实际工作载荷 P，先求出活塞或液压缸的有效工作面积 A，再确定各缸的直径 D。 （ 1）活塞缸直径 D 的确定 无杆腔工作时： D=)()(4212221 （ 有杆腔工作时： D=)()(4211221 （ 式中， 1P 系统的工作压力， 1P = 本科生毕业设计 24 2P 回油腔的压力； m 机械效率，一般取 m = R 液压缸的工作载荷； d 活塞杆的直径。 按上式计算后，还应按 （ 2）活塞杆直径 d 的确定 活塞杆直径可按工作压力确定，对于 常用速比的液压缸也可根据已定的缸径 压缸工作压力（ 5 5 7 7 活塞杆直径 d （ D （ D 外，当液压缸速度在 6 10 m/可按活塞往返的工作速度之比来确定活塞杆直径： d=D 1 ，其中 = 12速比 与工作压力有如下关系： 工作压力（ 20 速比 2 2 （ 3）液压缸壁厚的确定 = 2 试验压力； D 液压缸直径； 缸体材料的许用应力 。 （ 4）液压缸外径 长度 +2 l（ 20 30） 体长度 注意缸体的制造工艺性和经济性。 机械手的腕部设计 部结构形式的确定 工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件，起支承手部的作用，为了使手部处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴 X、 Y、 具有回转、俯仰和摆动三个自由度。腕部实际所具有的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。在多数情况下，腕部具有 两个自由度：回转和俯仰或摆动。一些专业机械手甚至没有腕部，但有的腕部为了特殊要求还有横向移动自由度。 本科生毕业设计 25 本机械手腕部具有两个自由度，因此采用两个回转油缸，即回转和摆动，且回转范围为 0 180 ，摆动范围为 0 90 。回转油缸和摆动油缸的结构图分别如图 腕部回转缸驱动力矩的计算 实现上述运动的驱动力必须克服腕部启动时所需的惯性力矩、 腕部回转轴与支承处的摩擦力矩、动片与缸壁和端盖等处密封装置的摩擦力矩，以及由于转动部件重心与转动轴心线不重合所产生的偏重力矩，图 本科生毕业设计 26 图 部转动时必须克服三种力矩 摩M 、 偏M 和 惯M ，故手腕的回转力矩 ）（惯偏摩 （ 考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将 M 取大一些，可取 ）（惯偏摩 式中， M 驱动力矩； 惯性力矩； 参与转动的零部件的重量（包括工件、手部及腕部的回转缸动片等）对转动轴线所产生的偏重力矩； 腕部回转与支承处的摩擦力矩； 以上各力矩的分析计算如下： 1）腕部加速运动时所产生的惯性力矩 若手部启动时按等加速运动，角速度为 w，启动过程所用的时间为 t ，启动过程所转过的角度为 ，则 ）（惯 1或 221）（惯 式中， J 腕部参与转动的各部件对回转轴的转动惯量； 工件对腕部回转轴的转动惯量； 腕部转动的角速度； t 启动过程所需的时间，一般为 s），这里取 启动过程所转过的角度。 本科生毕业设计 27 若工件的重心与回转轴不重合，则转动惯量为 2111 （ 式中， 工件对重心轴线的转动惯量； 1G 工件的重量； 1e 工件重心到回转轴的偏心距； g 重力加速度。 本机械手腕部参与转动的各部件的转动惯量如下： 回转轴：对其 重量进行估算，定小直径段为 1G ，大直径段为 2G ，即 查表得其转动惯量为 2622222211 连接板：对其重量进行估算，即 2332 查表得其转动惯量为 26222221 7 液压缸：对其重量进行估算，即 2332 查表得其转动惯量为 2622 60 2 7 手爪：对其重量进行估算，即 2332 查表得其转动惯量为 本科生毕业设计 28 2622 8 60 3 故腕部参与转动的各部件的转动惯量和为： 266 0 4101 9 8 6 . 65 8 6 . 52 0 . 11 1 . 4J 工件对腕部回转轴的转动惯量为： 2222222 5 0121 由以上计算得腕部加速运动时所产生的惯性力矩为： 2 6 0 4 2）腕部转动时在轴颈处的摩擦力矩 1221 A 摩 式中， 腕部轴颈的直径（参见图 10）； f 轴承的摩擦系数，对于滚动轴承， f=于滑动轴承， f= 轴颈处的支撑反力。 按腕部转动轴的受力分析求解 B。根据 0 112233 即 Nl 同理，根据 0 式中， 1G 、 2G 、3G 工件、手部、腕部的重量； 1l 、 2l 、 3l 、 l 尺寸，见图 10。 故 2摩本科生毕业设计 29 3）工件重心偏置引起的偏重力矩 M 偏 = （ 式中， 工件重量（ N）； e 偏心距。 由于本课题的工件为 250 170 140为对称的零件，因此工件重心与手腕回转中心线重合，也就是偏心距为零，故 因此腕部转动时所需的驱动力矩为： ）（惯偏摩 又腕部回转缸的驱动力矩 p 的关系为： 2 22 （ 式中， M 回转缸的驱动力矩； P 回转缸的工作压力； R 缸体内壁半径； r 输出轴半径； b 动片宽度。 上述驱动力矩 低压腔有一定的背压，则 部回转液压缸尺寸的确定 1