毕业设计论文——机械手设计

北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第1页共43页一 、 引 言 引 言 引 言 引 言1.1机械液压通用机械手 ， 就其本质上来说 ， 属于工业机器人的范畴 ， 机器人学是近几十年来迅速发展起来的一门综合学科 。 它集中了机械工程 、 电子工程 、 计算机科学 、 自动控制以及人工智能等多种学科的最新研究成果 ， 体现了光机电一体化技术的最新成就 ， 是当代科学技术发展最活跃的领域之一 ， 也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。 “ 机械手 ” （ MachanicalHand） ： 多数指附属于主机 、 程序固定的自动抓取 、操 作装置（国内一般称作机械手或专用机械手 ） 。 如自动线、自动机的上下料，加工中心的自动换到的自动化装置。 1.2机械手特点、结构与研究意义机 器人的特点 机 器人的特点 机 器人的特点 机 器人的特点机器人的主要特点体现在它的通用性和适应性等方面。 1.通用性机器人的通用性指具有执行不同功能和完成多样简单任务的实际能力 ； 通用性也意味着 ， 机器人是可变的几何结构 。 或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。 2.适应性机器人的适应性是指具有对环境的自适应能力 ， 及机器人能够自主执行实现经规划的中间任务，而不管执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。 1.2机 器人的系统结构 机 器人的系统结构 机 器人的系统结构 机 器人的系统结构一个机器人系统一般由四个相互作用的部分组成 ， 即机械手 、 环境 、 任务和控制器。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第2页共43页工业机器人的本体机械系统即为通常的机械手装置 ， 他由肩 、 臂 、 腕 、 机身或行走机构组成，组合为一个相互依赖的运动机构。 环境即指机器人所处的周围状态 ， 环境不仅由机和条件决定 ， 而且有环境和它所包含的每个事物的全部自然特性决定。 机 器 人 体 系 结 构 中 的 任 务 一 般 定 义 为 环 境 的 两 种 状 态 （ 初 始 状 态 和 目 标 状态）间的差别，必须用适当的程序语言来描述，并能为计算机所理解。 机器人控制器一般为控制计算机 ， 接收来自传感器的信号 ， 对其进行数据处理 ， 并按照预存信息 ， 即机器人的状态及环境情况等 ， 生成控制信号来驱动机器人的各个关节运动。1.23机 械手的研究意义 机 械手的研究意义 机 械手的研究意义 机 械手的研究意义随着现代科学技术的发展，机械手的应用也越来越广泛。在机械工业中 ， 大量应用于铸、锻、焊、冲、热处理、机械加工以及装配等工种。在其他部门 ， 如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有应用。 在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： (1)可以提高生产过程的自动化程度。应用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送 、 工件的装卸 、 刀具的更换、以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。 (2)可以改善劳动条件，避免人身事故。在高温 、 高压 、 低温 、 低压 、 噪声 、 臭味 、 有放射性物质的环境场合 ， 用人手直接操作是很危险的甚至是不可能的 。 而应用机械手即可部分或者全部代替人完成作业，使劳动条件得以改善。 (3)可以减少人力，并便于有节奏的生产。应用机械手代替人手进行作业 ， 这是直接减少人力的一个侧面 ， 同时应用机械手可以连续的工作 ， 这是减少人力的另一方面 。 因此 ， 在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍 ，便于有节奏的生产。 （ 4） 用液压系统来控制机械手 ， 比一般的机械控制具有更好的稳定性 ， 并且控制的精确度更高。 （ 5）运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间 ，从而能大幅提高劳动的生产率。 综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。 1.3国内外的发展状况专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代 。通用机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本 。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第3页共43页由于通用机械手的发展 ， 进而促进了智能机器人的研制 。 通用机械手涉及的内容 ，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术 、 电视技术 、 通讯技术 、 计算技术 、 无线电控制 、 仿生学等 ， 因此它是一项综合性较强的技术 。 目前国内外对发展这一技术都很重视 。 几十年来 ， 这项技术的研究和发展一直比较活跃 ， 设计在不断的修改 ， 品种在不断的增加 ， 应用领域在不断的扩大 。 虽然在这方面相对于发达国家还有点落后 ， 但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性 ， 国家大力支持相关的设计及产品的开发 。 在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果 ， 国内每年都将举行机器人大赛 ， 以增加研发单位的交流与合作。 目前国内外的发展趋势是：(1)研 制有更多自由度的液压机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。 (2)研 制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。 (3)研制维修维护方便的通用机械手。(4)研制能自动编制和自动改变程序的通用机械手。(5)研 制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置 ， 并配有计算机 。 根据仿生学的理论 ， 用计算机充当其大脑 ， 使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答 ， 用热 电 偶 和 电 阻 应 变 仪 作 为 触 觉 和 感 触 。 用 滚 轮 或 者 双 足 式 机 构 脚 来 实 现 自 动 移位。这样的智能机械手可以由人的特殊 语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。 (6)机 械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。 (7)研制具有柔性系统的通用机械手目前，在国外广泛应用的再现式通用机械手，虽然一般也都有记忆装置 ， 但其程序都是预先编好的 ， 或由人在工作之前领动一次 ， 而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作 。 如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的话 ， 那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了 。 现在研究的机械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展 ， 而且机械手具有比原来的更多的自由度。现在国内具有越来越强的自主研发的单位 ，我相信在不久的将来 ， 我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位。 1.4机械手的组成和分类 机 械手的组成 机 械手的组成 机 械手的组成 机 械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成 。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第4页共43页各系统相互之间的关系如方框图 1-1所示。1.42机 械手的分类 机 械手的分类 机 械手的分类 机 械手的分类工业机械手的种类很多 ， 关于分类的问题 ， 目前在国内尚无统一的分类标准 ，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 一、按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种：1、专用机械手 它是附属于主机的 、 具有固定程序而无独立控制系统的机械装置 。 专用机械手具有动作少 、 工作对象单一 、 结构简单 、 使用可靠和造价低等特点 ， 适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手 ， 如自动机床 、 自动线的上 、 下料机械手和“ 加工中心 ” 。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的 、 程序可变的 、 动作灵活多样的机械手 。 格性能范围内 ， 其动作程序是可变的 ， 通过调整可在不同场合使用 ， 驱动系统和控制系统是独立的 。 通用机械手的工作范围大 、 定位精度高 、 通用性强 ， 适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产 。 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种 :简易型以 “ 开一关 ” 式控制定位，只能是点位控制 :可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统 ，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 (二 )按驱动方式分1、液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :抓重可达几百公斤以上 、 传动平稳 、 结构紧凑 、 动作灵敏 。 但对密封装置要求严格 ， 不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响 ， 且不宜在高温 、 低温下工作 。 若机械手采用电液伺服驱动系统 ， 可实现连续轨迹控制 ， 使机械手的通用性扩大 ， 但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 2、气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :介质李源极为方便 ， 输出力小 ， 气动动作迅速 ， 结构简单 ， 成本低 。 但是 ， 由于空气具控制系统驱动系统执行机构位置检测装置北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第5页共43页有可压缩的特性 ， 工作速度的稳定性较差 ， 冲击大 ， 而且气源压力较低 ， 抓重一般在 30公斤以下 ， 在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大 ， 所以适用于高速 、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 3、机械传动机械手 即由机械传动机构 (如凸轮 、 连杆 、 齿轮和齿条 、 间歇机构等 )驱动的机械手 。它是一种附属于工作主机的专用机械手 ， 其动力是由工作机械传递的 。 它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大 ， 动作程序不可变。 4、电力传动机械手 即有特殊结构的感应电动机 、 直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手 ， 因为不需要中间的转换机构 ， 故机械结构简单 。 其中直线电机机械手的运动速度快和行程长 ， 维护和使用方便 。 此类机械手目前还不多 ， 但有发展前途。 (三 )按控制方式分1、点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置 ， 不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性 。 目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。 2、连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线 ， 其特点是设定点为无限的 ， 整个移动过程处于控制之下 ， 可以实现平稳和准确的运动 ， 并且使用范围广 ， 但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第6页共43页二 、 机 械 手 总 体 结 构 的 确 定 二 、 机 械 手 总 体 结 构 的 确 定 二 、 机 械 手 总 体 结 构 的 确 定 二 、 机 械 手 总 体 结 构 的 确 定 2.1机械手的运动自由度物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关 。 物体能够能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度（ DOFdegreeoffreedom） 。自由度是指描述物体运动所需的独立坐标数 ， 三维空间需要 6个自由度 。 物体所能进行的运动有沿着坐标轴的三个平移自由度和绕坐标轴的三个旋转自由度。 一般固定程序的机械手 ， 动作比较简单 ， 自由度数较少 。 工业机器人自由度数较多 ， 动作灵活性和通用性较大 。 一般说来 ， 机器人靠近机座的 3个自由度是用来实现手臂末端的空间位置的，再用几个自由度来定出末端执行器的方位； 7个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。 自由度的选择也与生产要求有关 ， 若批量大 ， 操作可靠性要求高 ， 运行速度快 ， 周围设备构成比较复杂 ， 工件质量轻时 ， 机械手的自由度数可少 ； 如果要便于产品更换，增加柔性，则机械手的自由度要多一些。 计算机械手的自由度时 ， 末端执行器的夹持器动作是不计入的 ， 因为这个动作不改变工件的位置和姿态 。 在满足机械手工作要求前提下 ， 为简化机械手的结构和控制，应使自由度数最少。 本 设计的通用机械手的结构相对比较简单，自由度选择为四个。分别为大臂回转 、 大臂升降 、 小臂回转和小臂伸缩 。 分别由大臂回转油缸 、 大臂升降油缸 、小臂回转油缸和小臂伸缩油缸控制。 2.2工作空间的确定工作空间是指机械手正常工作时 ， 手腕参考点在空间活动的最大范围 ， 依据机械手工作范围和运动轨迹确定。工作空间大小不仅与机器人各杆件尺寸有关 ，而且也与它的总体构形有关 。 在工作空间内要考虑杆件自身的干涉 ， 防止与作业环境发生碰撞。此外在工作空间内某些位置，机械手不可能达到预定的速度 ， 甚北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第7页共43页至不能在某些方向上运动，即所谓工作空间的奇异性。 本机械手的工作空间要求为 ： 手臂伸缩行程范围 0500mm， 手臂升降行程范围最大 0 100mm，手臂回转行程范围 0220。2.3额定负载的确定 承载能力说明机械手搬运重物的能力 ， 负载大小主要考虑 机械手 各运动轴上的受力和力矩 ， 末端执行器的重量 ， 抓取工件的重量 ， 以及由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。 任务书要求能夹持重量为 50N的物体 ， 考虑末端执行器的重量及各运动轴上的受力和力矩，以及考虑足够的安全系数，初步确定设计负载为 800N。2.4机械手结构形式的确定本毕业设计是通用机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一般有一下几种： 表 2-2机械手结构选型表 6结构形式方案 特点 优缺点 结构简图1直角坐标型 作机的手臂具有三 个移动关节，其关 节轴线按直角坐标 配置 结构刚度较好 ， 控制 系 统 的 设 计 最为简单 ， 但其占空间较大 ， 且运动轨迹单一 ， 使用过程中效率较低2圆柱坐标型 操作机的手臂至少 有一个移动关节和 一个回转关节，其 关节轴线按圆柱坐 标系配置 结构刚度较好 ， 运动所需功率较小 ，控制难度较小 ， 但运动轨迹简单 ， 使用 过 程 中 效 率 不高3球坐标型 操作机的手臂具有 两个回转关节和一 个移动关节，其轴 线按极坐标系配置 结构紧凑 ， 但其控制 系 统 的 设 计 有一定难度 ， 且机械手臂的刚度不足 ，机 械 结 构 较 为 复杂北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第8页共43页4关节型 操作机的手臂类似 人 的 上 肢 关 节 动作，具有三个回转 关节 运动轨迹复杂 ， 结构最为紧凑 ， 但控制 系 统 的 设 计 难度大 ， 机械手臂的刚度差2.5运动速度机器人的运动速度是其主要运动参数之一。它反映了机器人的作业水平 ， 运动速度的快慢与它的驱动方式 、 定位方式 、 抓去质量大小和行程距离有关 ， 作业机器人手臂的运动速度应根据生产节拍 、 生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定。 目 前，工业机器人的最大直线运行速度大部分为 1000mm/s左 右；最大回转速 度 110/s左 右 。 在 本 次 设 计 中 选 定 手 臂 伸 缩 速 度 750mm/s， 手 臂 升 降 速 度250mm/s， 手臂回转速度 110 s， 手腕回转速度 360/s， 驱动方式为电 -液伺服系统 。 作为机器人规格参数的运动速度是指全程的平均速度 ， 实际使用速度可以在一定的范围内调节。 2.6定位精度定 位 精 度 是 衡 量 机 器 人 工 作 质 量 的 又 一 项 重 要 指 标 ， 一 般 所 说 的 定 位 精 度是指重复顶诶精度 。 定位精度取决于位置控制方式及机器人本体部件的结构刚度与精度 ， 与抓取质量 、 运动速度 、 定位方式等也有密切关系 。 目前 ， 专用机械手采用固定挡块定位方式可达到较高的定位精度 （ 大约为 0.02） ， 采用行程开关 、电 位 计 等 电 器 元 件 控 制 的 位 置 精 度 相 对 较 低 ， 大 约 为 1mm。 伺 服 控 制 系 统 的 机器人是一种位置跟踪系统 ， 即使在高速重载的情况下 ， 也可不发生剧烈的冲击和振动，因此可获得较高的定位精度，重复定位精度最高可达到 0.01mm。2.7程序编制与存储容量程序编制与存储容量这个技术参数用来说明机器人的控制能力 ， 即程序编制和 存 储 容 量 的 大 小 表 明 机 器 人 作 业 能 力 的 复 杂 程 度 和 改 变 程 序 时 的 适 应 能 力 及通用程度。 2.8机械手的技术参数列表1、手臂力可达 50N北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第9页共43页2、自由度数 43、坐标形式 圆柱坐标4、 手 臂 伸 缩 速 度 750mm/s， 手 臂 升 降 速 度 250mm/s， 手 臂 回 转 速 度 110 s，手腕回转速度 360/s，驱动方式为电 -液伺服系统 。5、 手 臂伸缩行程范围 0500mm， 手臂升降行程范围最大 0 100mm， 手臂回转行程范围 0220。6、定位方式 行程开关或可调机械挡块等7、定位精度 m18、驱动方式 液压驱动9、控制方式 点位程序控制（采用 PLC）三 、 手 部 结 构 设 计 三 、 手 部 结 构 设 计 三 、 手 部 结 构 设 计 三 、 手 部 结 构 设 计为了使机械手的通用性更强 ， 把机械手的手部结构设计成可更换结构 ， 当工件是棒料时 ， 使用夹持式手部 。 如果有实际需要 ， 还可以换成气压吸盘式结构或电磁式吸盘结构 。 手爪是机械手直接用下抓取和握紧 (或吸附 )工件夹持专用工具(如 喷枪。扳子、焊接工具 )进 行损作的部件。它具有模仿人手动作的功能 ， ， 并安 装于机械手手臂的前端，如图 3 1所 示为齿轮齿条式手部结构。其手指夹紧工件是由夹紧气缸 1中的齿条活塞杆 8在压缩空气作用下右移 ， 经齿条推动齿 轮7并带动扇形齿轴 5回转 ， 因手指 6与扇形齿轮 5固结为一体 ， 所以两个手指同时回转而夹紧工件。由于采用单向作用油缸，故靠弹簧 3复位，使手指张开 。 手部结构中的齿轮齿条属于传力机构。 3.1夹持式手部结构 夹 持 式 手 部 结 构 由 手 指 (或 手 爪 )和 传 力 机 构 所 组 成 。 其 传 力 结 构 形 式 比 较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 3.1手 指的形状和分类 手 指的形状和分类 手 指的形状和分类 手 指的形状和分类夹持式是最常见的一种 ， 其中常用的有两指式 、 多指式和双手双指式 :按手指 夹持工件的部位又可分为内卡式 (或 内涨式 )和 外夹式两种 :按 模仿人手手指的动作 ， 手指可分为一支点回转型 ， 二支点回转型和移动型 (或称直进型 )， 其中以二支点回转型为基本型式 。 当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷 小时，就变成了一支点回转型手指 ；同 理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易 ， 应用广泛 。 移动型应用较少 ， 其结构比较复杂庞大 ， 当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。 3.12设 计时考虑的几个问题 设 计时考虑的几个问题 设 计时考虑的几个问题 设 计时考虑的几个问题(一 )具有足够的握力 (即夹紧力 )在 确 定 手 指 的 握 力 时 ， 除 考 虑 工 件 重 量 外 ， 还 应 考 虑 在 传 送 或 操 作 过 程 中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (二 )手指间应具有一定的开闭角 两 手 指 张 开 与 闭 合 的 两 个 极 限 位 置 所 夹 的 角 度 称 为 手 指 的 开 闭 角 。 手 指 的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开 ， 若夹持不同直径的工件 ， 应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第10页共43页(三 )保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置 ， 必须根据被抓取工件的形状 ，选择相应的手指形状 。 例如圆柱形工件采用带 “ V” 形面的手指 ， 以便自动定心 。(四 )具有足够的强度和刚度 手 指 除 受 到 被 夹 持 工 件 的 反 作 用 力 外 ， 还 受 到 机 械 手 在 运 动 过 程 中 所 产 生的惯性力和振动的影响 ， 要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形 ， 但应尽量使结构简单紧凑 ， 自重轻 ， 并使手部的中心在手腕的回转轴线上 ， 以使手腕的扭转力矩最小为佳。 (五 )应考虑被抓取对象的要求 1 抓取形状 手 指形状应根据工件形状而设计。如工件为圆柱形则采用“ V” 形手指 ； 圆球状工件用圆弧形三指手指 ， 方料用平面形手指 ， 细丝工件用尖指勾形或细齿 钳爪手指。总之应根据工件形状来选定手指形状。 2， 抓取部位 抓 取部位的尺寸尽可能是不变的若加工后尺寸有变化，手指应能适 应尺寸变化的要求，否则不允许定为抓取部位。对于工件表面质量要求高的 ， 抓取时尽 量避开高质量表面或在手指上加软质垫片 (如橡皮抱沫塑料石棉衬垫等 )， 以防夹持 时损坏工件。 3 抓取数量 若 用一对手指抓取多个工件，为了不发生个别工件的松动或脱落现 象 ，在手指上可增加弹性衬垫，如橡皮、泡沫、塑料等 ， 对于较长工件可采用双指或多指抓取。 (六 )应考虑手指的多用性 手指是专用性较强的部件 ， 为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求，可 制成组合式的手指 ， 对于这种手指要求结构简单 ， 安装维修方便 ， 更换迅速和准确，以便扩大机械手的使用范围。 3.1手 部夹紧油缸的设计 手 部夹紧油缸的设计 手 部夹紧油缸的设计 手 部夹紧油缸的设计、手部驱动力计算本课题液压机械手的手部结构如图 3-1所示，北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第1页共43页3-1齿轮齿条式手部结构要求抓取重量为 50NV形手指的角度 2=120o， b=60mm ,R=17mm ， 摩擦系数为 f=0.1(1)根据手指夹持工件的方位 ，可得握力计算公式 :GsinN2f=50sin6020.1217N=o(2)根据手部结构的传动示意图 3-2，其驱动力为 :P=理 2bR602171532N=北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第12页共43页(3)实际驱动力 :12kP理实 际因 为 传 动 机 构 为 齿 轮 齿 条 传 动 ， 故 取 0.9=， 并 取 1k1.5=。 若 被 抓 取 工 件的最大加速度取 a0.5g=时，则 :2k0.51g=+10.51.=+=所以 1.5P15320.9=实 际 380N所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 3830N。2、 手指夹紧工件时，弹簧变形所产生的弹簧力 使手指松开的复位弹簧其钢丝直径 d=3mm， 弹簧外径 D=30mm， 弹簧的自由长度 H=46mm，有效圈数 12，手指夹紧工件时弹簧的变形量 25m m=。3GdP8CZ=弹3-2齿轮齿条式手部结构示意图北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第13页共43页其中 2Dd303C= 9d=； Z=12； 102G8N/m=3GP8CZ弹 1033251081010912 =86N3、求夹紧缸的工作压力 作用在夹紧缸活塞上的机械载荷 P为：PP=+弹 封实由于密封装置的摩擦阻力较工作阻力 （ PP=+工 弹实 ） 小 ， 又因密封处的工作压力 p是待求值，故按照经验取 工封 （ 0.5-1） ， 所以取P1.06P=+弹实（ ）.（ 3806）415N=因作用在活塞上的合成液压力即驱动力与机械载荷 p相平衡 ， 故夹紧缸的工作压力 P为： 2PpD4=式中 D为夹紧缸直径，从结构设计得知 D=40m，所以2PpD4=3241513.14=（ 4010）5233.0N/m北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第14页共43页四 、 手 腕 结 构 设 计 四 、 手 腕 结 构 设 计 四 、 手 腕 结 构 设 计 四 、 手 腕 结 构 设 计 考虑到机械手的通用性 ， 同时由于被抓取工件是水平放置 ， 因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求 。 因此 ， 手腕设计成回转结构 ， 实现手腕回转运动的机构为回转气缸。 4.1手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件 ， 它的作用是调整或改变工件的方位 ， 因而它具有独立的自由度 ， 以使机械手适应复杂的动作要求 。 如图 4 1所示的手腕运动有绕 X轴转动称回转运动，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 ， 沿 y轴方向的横向移动 (或沿 Z轴方向纵向移动 。 因此手腕最多具有四个独立运动即四个自由度。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第15页共43页图 4-1手腕运动示意图手腕自由度的选用与机械手的通用性 ， 加工工艺要求 ， 工件放置方位和定位精度等许多因素有关 ， 一般手腕没有回转运动或再增一个上下摆动即可满足工作的要求 ， 也有的专用机械手没有手腕的运动 ， 若有特殊要求的可增加手腕左右摆动或沿 y轴方向的横向移动。手腕自由度的选用与机械手的通用性 、 加工工艺要求 、 工件放置方位和定位精度等许多因素有关 。 由于本机械手抓取的工件是水平放置 ， 同时考虑到通用性 ，因 此给手腕设一绕 x轴 转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油 (气 )缸，我们选用的是回转油缸。它的结构紧凑 ，回转角度为 0 200，手腕回转速度 360/s，并且要求严格的密封。4.2手腕的驱动力矩的计算4.21手 腕转动时所需的驱动力矩 手 腕转动时所需的驱动力矩 手 腕转动时所需的驱动力矩 手 腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转 、 上下和左右摆动均为回转运动 ， 驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩 ，动片与缸径 、 定片 、 端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩 .图 4-2所示为手腕受力的示意图。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第16页共43页1.工件 2.手部 3.手腕图 4-2手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算 :封摩偏惯驱 MMM+=式中 :驱 -驱动手腕转动的驱动力矩 (cmN)；惯M惯性力矩 (cmN)；偏 -参与转动的零部件的重量 (包括工件、手部、手腕回转缸的动片 )对转动轴线所产生的偏重力矩 (cmN).,封M-手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力 矩 (cmN)；下面以图 4-2所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算 :1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩惯M若手腕起动过程按等加速运动 ， 手腕转动时的角速度为 ， 起动过程所用的时间为 t，则 :).c(21 smNtJM+=）（惯式中 :J-参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 ).(2scmN1J工件对手腕转动轴线的转动惯量 ).(2scmN。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第17页共43页若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 1J为 :gGJc11+=2e式中 :cJ-工件对过重心轴线的转动惯量 ).(2scmN；1G工件的重量 (N)；1e-工件的重心到转动轴线的偏心距 (cm),手腕转动时的角速度 (弧度 /s)；t-起动过程所需的时间 s)； 起动过程所转过的角度 (弧度 )。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 M偏=偏M1eG+3e(cmN)式中 :3-手腕转动件的重量 (N)；3e手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距 (cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 1eG0=。3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩封M=封M)(212dRdf BA+(cmN)式中 :1d， 2-转动轴的轴颈直径 (cm)；f-摩擦系数，对于滚动轴承 01.0=f，对于滑动轴承 1.0=f；AR,B处的支承反力 (N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据 0=）（ FMA,得 :3lGlRB+lGl12+BR=lll 321同理，根据BM(F)0=,得 :北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第18页共43页l lGGlGRA )()()( 332211 +=式中 :2G-手部的重量 (N)321,ll 如图 4-2所示的长度尺寸 (cm).4、 回转缸的动片与缸径 、 定片 、 端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 M封 ， 与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。 4.2.2回转油缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸 ， 它的原理如图 4-3所示 ， 定片 1与缸体 2固连 ， 动片 3与回转轴 5固连 。 动片封圈 4把油腔分隔成两个 .当压缩油从孔 a进入时，推动输出轴作逆时针方向回转，则低压腔的油从 b孔排出 。 反之 ， 输出轴作顺时针方向回转 。 单叶片回转油缸的压力 P和驱动力矩 M的关系为 :2bpMDd8=（ -） ,或 )dD(M822=bp4.23手 腕回转缸的尺寸及其校核 手 腕回转缸的尺寸及其校核 手 腕回转缸的尺寸及其校核 手 腕回转缸的尺寸及其校核1.尺寸设计设计油缸内径为1D=90mm,半径 mR45=,轴径 mD202=,半径 mR13=,油缸运行角速度 =s/360，加速度时间 t=0.1s，回转油缸的工作压力为528010N/m， 动片宽度为 50mm。则力矩： 2bpMDd8=（ -）5221080.5（ .09-.0）=385N.m2.尺寸校核 1测定参与手腕转动的部件的质量 kgm101=,分析部件的质量分布情况，北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第19页共43页4-3回转油缸简图质量密度等效分布在一个半径 mr60=的圆盘上，那么转动惯量：221rmJ=206.0102=018.0=（2.mkg）工件的质量为 5k,质量分布于长 ml80=的棒料上，那么转动惯量).(0027.01208.0512222mkgmlJc=假如工件中心与转动轴线不重合，对于长 ml80=的棒料来说，最大偏心距me401=，其转动惯量为 :).(0117.004.050027.2221mkgeJc=+则： 惯MtJ+=)(1北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第20页共43页).(9.1061.0360)0117.0018.0(mN=+2、 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为 M偏 ， 考虑手腕转动件重心与转动轴线重合， 01=e，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线me403=,则偏M1eG+3e).(2 04.0105010mN=其中 1G为手腕回转部件的重量， 3G为工件的重量3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为摩M由于是液压传动，润滑比较好，根据经验得知摩擦力矩很小，故忽略不计 。4回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 M封M22M=+封 封 1封 侧 封 径 1封 ： 输出轴与缸盖密封装置处的摩擦阻力矩21dlp=封其中 20ldk=d-输出轴与缸盖密封处直径；l密封的有效长度（或密封宽度）；0d-“ O” 形密封圈的截面直径；k“ ” 形圈在装配时的压缩率，对于回转运动， k=0.03-0.05；-摩擦系数P 回转油缸的工作压力由设计得： d=20mm， 0d=3m， k=0.4， =0.1， p=528010N/m20l20.0320.040.04=北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第21页共43页0.0084=m则 ： 1M封 2 50.020.180102=4.N.m 封 侧 ：动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力矩 21MlDdp8=封 侧 （ -）其中210ldk=20.0320.040.040.0084=mD 回转油缸直径d 回转油缸与动片连接处直径由设计得： D=90m， d=20m则 M封 侧 22510.008480100.18（ 0.09-0.02）6.5N.m= 封 径 ：动片外径与油缸密封装置处的摩擦阻力矩 1DMblp2=封 径其中 b为动片的宽度， b=50mm，1l， D， p和 同上述。封 径 50.09=0.050.008480100.1215.Nm则： M24.26.51.=+封 36.5.Nm5、回转油缸回油腔的背压反力矩 M回2bMDdp8=回 回（ -）其中 p回 为回油腔的油液压力，在这里初步估算为 522010N/m则： M回 2250.058=（ 0.09-0.02）96.3.Nm则手腕回转油缸所需的驱动力矩 M驱 为：北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第22页共43页M+M+=驱 回惯 封 偏106.93.5296.324.7N.m=M1.m M=385N.m驱所以设计尺寸符合使用要求，安全。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第23页共43页五 、 手 臂 伸 缩 ， 升 降 ， 回 转 气 缸 的 尺 寸 设 计 与 校 核 五 、 手 臂 伸 缩 ， 升 降 ， 回 转 气 缸 的 尺 寸 设 计 与 校 核 五 、 手 臂 伸 缩 ， 升 降 ， 回 转 气 缸 的 尺 寸 设 计 与 校 核 五 、 手 臂 伸 缩 ， 升 降 ， 回 转 气 缸 的 尺 寸 设 计 与 校 核 5.1手臂伸缩油缸的尺寸设计与校核5.1手 臂伸缩油缸的尺寸设计 手 臂伸缩油缸的尺寸设计 手 臂伸缩油缸的尺寸设计 手 臂伸缩油缸的尺寸设计手臂伸缩油缸运行长度设计为 l=500mm,油缸内径为 1D=40mm,半径 R=20mm。5.12尺 寸校核 尺 寸校核 尺 寸校核 尺 寸校核、 设计油缸运行长度设计为 l=500mm,油缸内径为1D=40mm,半径 R=20mm,油缸运行速度为 1=750m m /s，加速度时间 t=0.1s，进油压力为 52p=10N/m。当压力油输入无杆腔 ， 使活塞以速度 1而运动是所需输入油缸的流量 1Q为 ：211DQ4=式中： D 油缸（或活塞）直径：1Q 输入无杆腔的流量1 活塞的移动速度则流量 1Q为： 210.47.5604=56.L/m in油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力1P即油缸的驱动力为：21 1DPp4=式中： 1p 进油压力1P 油缸驱动力 2510.04P104=1256N当压力油输入有杆腔 ， 使活塞以速度 2而运动是所需输入油缸的流量 2Q为 ：北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第24页共43页222DdQ4=（ ）式中： d 活塞杆直径1Q 输入无杆腔的流量2 活塞的移动速度 ， 2=150m/s则流量2Q为： 2220.40.215604=（ ）8.L/m in油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力 2P即油缸的驱动力为：222 1DdPp4=（ ）2250.040.02104=（ ）942N所谓油缸的驱动力是指油缸的高压油腔的压力油所产生的合成液压力 。 在机械手工 作时 ， 各油缸的驱动力要分别克服作用在各自油缸活塞上的总机械载荷 ， 以保证机械手 正常运动。2、计算作用在活塞上的总机械载荷 机械手手臂移动油缸的受力简图如图 5-1所示 。 作用在活塞上的总机械载荷 P为： P=PP+驱 工 导 回封 惯 工作阻力 工 ： 工作阻力 工 的数值要根据油缸工作的具体情况确定有无 ，并进行计算或估算。 在此为完成搬运工件的伸缩油缸，故不受工作阻力，即 P工 为 0。 导向装置处的摩擦阻力 P导 ： 不同配置和不同的导向截面形状 ， 其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第25页共43页本 设计如图 5-1所 示的是双向杆导向，其导向杆截面形状是圆柱面。导向杆对称配置在油缸的两侧，并布置在过油缸活塞杆的平面内。 图 5-1所示的油缸在启动时，导向装置处的摩擦阻力较大，估计如下：由于导向杆对称配置 ， 两导向杆受力均匀 ， 可按一只导向杆估算 ， 忽略导向杆直径的影响，根据它手里的平衡条件推得： 2L+aPG=导 总式中 G总 参与运动的零部件的总重量（包括被抓物件重量）L 手 臂缩回时参与运动的零部件的总重量的重心 C到 导向支承前端的距离 a 导向支承的长度1 当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。 对于圆柱面1=（ 1.271.57） 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时，钢对钢的取为 0.1估算 G总 为 80kg， L=50m， a=160m， 1=.4， =0.1则： 250100P80100.11.4160+导 182N= 密封装置处的摩擦阻力 P封在压力油驱动活塞运动时，各密封装置处摩擦阻力之和为 P封 ，即5-1手臂伸缩油缸受力简图北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第26页共43页P+P=封 封 1封 2封 3PP封 1封 2封 3、 、 分别为活塞杆和缸盖处 、 活塞与缸壁处 、 伸缩油管处等密封装置处的摩擦阻力，其值随密封圈结构的不同而异。 当油缸的工作压力不大于 5210010N/m时 ， 活塞杆直径为油缸直径的一半 ，活塞和活塞杆处走采用 O型密封圈时，油缸密封处的总摩擦力为： P+P封 1封 2=0.3.1256=37.7N伸缩油管处的摩擦阻力 P封 3为： pdl=封 3式 中 密 封 圈 与 配 合 面 的 摩 擦 系 数 ， 主 要 与 密 封 圈 形 式 、 材 料 与 配合接触的零件材料和油液压力有关。 对于 O型橡胶密封圈，当油液压力52pN/m10010时， =0.0230.05。 油液压力高时 取小值，压力低时 取大值，在本次设计中取 0.04。P 密封处的工作压力d 伸缩油管直径l 密封的有效长度密封的有效长度 近似估算为：20ldk=k为压缩率一般为 0.8.14，在这里取 k=0.12， 0d为 O型密封圈截面直径则 ： l 220.1.=0.3.14m由设计得： d=0.006m，52P10N/m=pdl封 3 50.04103140.0060.0014=1.NP+P=封 封 1封 2封 3北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第27页共43页37.71.1=+38.N 惯性力 P惯机械手的手臂在起动时，活塞杆上所受到的平均惯性力，可近似计算如下 ：GvPgt=总惯式中： G总 参与运动的零部件的总重量（包括被抓物件重量）g 重力加速度v 速度变化量t 启动过程的时间由设计得 v0.75m /st0.1s=， ， G总 =80kg则： 80100.75P0.1惯 600N= 背压阻力 P回背压阻力为油缸低压油液所造成的阻力。一般被压阻力较小，可按P0.05P=工回 计算。由于 0工 ， 故 P0=回 。所以： P=PP+驱 工 导 回封 惯 01823.860= 821N因为： P= 821NPN56驱 ，故该油缸的尺寸符合使用要求。5.13导 向装置 导 向装置 导 向装置 导 向装置液压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时 ， 为了防止手臂绕轴线转动 ， 以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性 ， 在设计手臂结构时 ， 应该采用导向装置 。 具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定 ， 同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量 。 目前导向杆常采用的装置有单导向杆 ， 双导向杆，四导向杆等，在本设计中采用双向导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 5.14平 衡装置 平 衡装置 平 衡装置 平 衡装置在本设计中 ， 为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态 ， 减少手抓一侧重力矩对性能的影响 ， 故在手臂伸缩油缸一侧加装平衡装置 ， 装置内加放砝码 ，砝码块的质量根据抓取物体的重量和油缸的运行参数视具体情况加以调节 ， 务求北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第28页共43页使两端尽量接近平衡。 5.2手臂升降油缸的尺寸设计与校核5.21尺 寸设计 尺 寸设计 尺 寸设计 尺 寸设计油缸运行长度设计为 l=100mm,油缸运行速度为 250m m /s，加速度时间t=0.1s,油缸内径为 1D=80mm,半径 R=40mm,进油压力为 52p=5010N/m， 做升降运动的总重量 G总 为 900N。5.2尺 寸校核 尺 寸校核 尺 寸校核 尺 寸校核驱动力 P驱 为 ：=PP+驱 工 背 惯 摩 封由经验公式可得： PG90N=工 总P0.5P0.59045N=工背 G90.25Pag1.1=总惯 P0.1G0.190N=总摩P0.60.69054=总封故： PP+驱 工 导 回封 惯=90452805413N作用在活塞上的推力 P：2D=p4253.140.08=50104北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第29页共43页25120N=因为 P=1304NP2510驱 ， 所以伸缩油缸的尺寸符合要求。5.3手臂回转油缸的尺寸设计与校核采用回转油缸实现手臂回转运动时，其受力情况可简化成如图 5-2所示。5-2手臂回转运动时的运动状态5.31尺 寸设计 尺 寸设计 尺 寸设计 尺 寸设计油缸内径为 mD1001=,半径 R=50mm,轴径 mD402=半径 mR20=,油缸运行角速度 s/90o，加速度时间 t=0.5s，进油压力 52p=5010N/m5.32尺 寸校核 尺 寸校核 尺 寸校核 尺 寸校核驱动手臂回转的力矩 M驱 ，应该与手臂起动时所产生的惯性力矩 M惯 及各密封装置处的摩擦阻力矩 封 相平街。若轴承处摩擦力矩忽略不计，则可按下式计算： M=+驱 惯 封式中 封 密封装置处的摩擦阻力矩，回转缸密封装置处的摩擦阻力矩应北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第30页共43页包括回转缸动片圆柱面与缸径和动片端面与缸盖之间的摩擦阻力矩，如 图 b所示，因此，摩擦阻力矩可按下式计算： M=+封 封 1封 211FRbp封 2cp1cp2bR-r=封 2 （ ）其中：cp+rR2式中各尺寸符号如图所示 ， 单位为厘米 ， 其 1b为密封圈与缸径装配后接触面的有效宽度。 由设计估算 ： 15.0=， mb40=， mb61=， mB50=， m80=， mR50=，mr20=，52G100kgp=5010N/m， 3351M.561041010. 封 9.m= 3335 330120120.156101 (501201) += 封 9.NmM=+封 封 1封 2928.Nm=M惯 惯 性力矩，手臂在起动过程的惯性力矩可按下式计算： 00=Jt惯式中 回转缸动片的角速度变化量，在起动过程，其 =。t 起动过程的时间，0J 手臂回转部件 (包括工件 )对回转轴线的转动惯量。由于参与回转的零件形状尺寸和重量各不相同，所以计算 0J比较复杂 ， 为北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第31页共43页了简化 计算，可将形状复杂的零件简化成几个简单形体，分别计算，然后将各值相加 ，即是复 杂零件对回转轴的转动惯量。 手臂回转的零件重心与回转轴线重合，其零件对回转轴的转动惯量为： 20JG=210000.0826.4.Nm=90/1.57/srads=o ， 0.1ts=， t=01.57M6.4.0.J Nm惯=+驱 惯 封2810128.Nm=手臂回转力矩： 2bpMDd8=（ -） 5220.045010(0.10.04)8=210.Nm=因为： M8. 210.MNm=驱所以油缸的尺寸设计符合要求。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第32页共43页六 、 机 械 手 液 压 系 统 的 设 计 六 、 机 械 手 液 压 系 统 的 设 计 六 、 机 械 手 液 压 系 统 的 设 计 六 、 机 械 手 液 压 系 统 的 设 计 6.1油缸的密封有的液压机械手由于油缸泄漏严重 ， 压力不能提高 ， 工作性能不稳定 ， 以致影响机械手的正常使用 。 因此 ， 为了保证机械手液压系统的工作性能 ， 在各油缸的相对运动表面和固定连接的表面进行密封 ， 以防压力油液从高压油腔泄漏到低压油腔，或泄漏到缸体外面。 目前机械手液压系统使用的密封件 ， 大多采用耐油橡胶制成的各种形式的密封圈 。 作为动密封 (即运动部分的密封 )或静密封 (即静止部分的密封 )， 以保证配合面的密封性。 密封圈在配合面间的密封作用 ， 主要是借安装时的预压力和在工作时由于油液压力的作用，使密封圈产生变形并压紧密封表面来达到的。 密封圈具有制造容易 ， 使用方便 ， 密封可靠 ， 并能在温度变化范围较大及各种油液压力下可靠地工作 ， 结构简单紧凑 ， 无需调整等一系列优点 ， 所以获得广泛 的 应 用 。 在 液 压 机 械 手 上 常 用 的 密 封 固 有 ： O形 (圆 形 )、 Y形 、 v形 和 矩 形 等几 种 。 O形 、 Y形 、 v形 密 封 圈 均 已 标 准 化 ， 可 按 标 准 选 用 。 矩 形 密 封 圈 主 要 用于回转油缸的动片与缸壁间的密封 ， 它是非标准的 ， 要根据具体使用条件进行设计与制造。 6.1活 塞式油缸的泄漏与密封 活 塞式油缸的泄漏与密封 活 塞式油缸的泄漏与密封 活 塞式油缸的泄漏与密封对于实现往复直线运动的活塞油缸来说 ， 其泄漏主要是活塞与缸壁处的内泄漏及活塞杆与缸盖处的外泄漏 引起泄漏的主要原因是加工精度和滑动面光洁度不高，以及密封装置不良所致。因此，根据油缸的工作压力选择密封可靠 、 磨损小、摩擦阻力小、维护简单、成本低廉的密封转置是很重要的。对于活塞油缸的静密封 ， 主要采用 O形密封圈 ， 其动密封常采用 O形 、 v形 、y形等密封圈。 1、 O形密封圈形密封圈具有结构简单 ， 密封性能良好 ， 摩擦力小 ， 装置 O形圈的沟槽尺寸小并易于制造等优点 。 它既可以用外径或内径密封 ， 也可以用端面密封 。 O形圈的形状和它在沟槽中的情况如图 6 1所示 ， 图 (b)中尺寸 为 形圈转配后的预压缩量，这样可以保证间6-1O形密封圈及在沟槽中的情况北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第33页共43页6-2V形密封圈隙处密封严密 。 O形密封圈的预压缩量的正确选择很重要 。 用于静密封时 ， 预压缩量 2为 0d（ 0.20.25） ； (0d为 O形圈的橡胶圆条的直径 )， 用于往复运动密封 时 ， 预 压 缩 量 2为 0（ 0.080.14） ； 用 于 回 转 运 动 密 封 时 ， 预 压 缩 量 2为0d（ 0.030.05） 。为了保证密封性能安装 O形密封圈的沟槽尺寸和表面光洁度应符合要求 ，可 查阅 “ 机 械没计手册 ” 。 使用 形 圈密封的相对运动的配合表面，一般是尺寸精度为 级，表面光洁度为 89，而沟槽内部表面的光洁度为 6。O形密封圈制正沟槽中 ， 因受油压作用而变形 并胀紧沟槽和间隙 ， 从而起到密封作用 ， 因此它的密封性能随压力的增加而提高 。 但是 当压力过高或沟槽尺寸选择不当时，密封圈很容易被挤出沟槽而造成剧烈磨损。为克服这个缺点 ，当 油 缸 油 液 压 力 大 与 5210010N/m时 ， 要 在 O形 密 封 圈 侧 面 放 置 挡 圈 ， 在 压 力低于 5210010N/m时，一般不加挡圈。 2 V形密封圈 V形密封圈由夹布橡胶制成 。 图 6 2所示为 V形密封圈的形 状 ， 通 常 由 三 个 环 (支 承 环 1， 密 封 环 2 压 坏 3)叠 在 一 起 成 组 使 用 。 当 油 缸的 工 作 压 力 小 于5210010N/m时 ， 用 一 组 V形 圈 就 有 足 够 的 密 封 性 。 当 压 力 提高时，可增加密封环数量，以加长密封长度。 V形密封圈一般用于活塞与缸体 、 活塞杆与缸盖间的密封 。 安装时要注意方向，使 压力油腔的油液压力能使两唇边张开，即支承环必需面对压力油方向。 由干 v形密封圈拨触面较长 。 密封性好 ， 但摩擦力较大 ， 所以在 栘 动速度不高的 油缸中应用较多。 3、 Y形 密 封 圈 Y形 密 封 圈 的 形 状 如 图 6-3(a)所 示 ， 图 中 尺 寸 d和 D是 Y北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第34页共43页形密封圈的公称内径和公称外径 。 Y形密封圈在工作时 ， 压力油液把 Y形圈的唇边紧紧压在相对运动6-3Y形密封圈及其安装情况的两配合面上，并随着油液压力的增高而提高密封能力，并能补偿磨损的影响 ，所以装配时唇边要面对压力油腔。 形密封圈摩擦力较小，在运动速度较高 ， 工作压力小于 5220010N/m的活塞油缸中常有应用。在一般情况下 ， Y形圈可直接装入沟槽内即可起密封作用 ， 但在压力变动较大，滑动速度较高的地方，要使用支承环以固定密封圈，如图 6 3（ b）所示 。支承环的主要尺寸如图 6 3(c)所示。对于活塞油缸 ， 除了采用上述密封圈进行密封防止泄漏外 ， 还要求油缸和活塞杆的 轴 线 弯 曲 度 ， 在 500毫 米 长 度 上 应 不 大 于 0.03mm。 油 缸 安 装 端 面 对 轴 线 或 活 塞安装端面对活塞杆轴线的不垂直度在直径 100mm上应不大于 0.04mm。6.12回 转油缸的泄漏与密封 回 转油缸的泄漏与密封 回 转油缸的泄漏与密封 回 转油缸的泄漏与密封有的液压机械手的手臂和手腕回转运动采用回转油缸来实现 。 由于动片和缸体、动片和输出轴、动片端面和缸盖之间的间隙不易保证，易引起较大的泄漏 ，使油液压力降低 ， 减小了输出扭矩 ， 达不到设计要求 ， 影响机械手的正常的回转运动 ， 为减少泄漏 ， 除严格控制相对运动表面的配合间隙外 ， 主要的还是采用密封装置进行密封。 当回转油缸的动片与输出轴 (或缸壁 )用螺钉联接时 ， 要对动片的三个相对运动表面和一个固定联接表面均进行密封，即需要在矩形动片的四周进行密封 ， 这比圆周密封要困难的多 ， 没有标准密封圈可供选用 ， 若进行设计制造 ， 需有一个生产周期和相应的设备。现将实践中有关回转油缸的密封经验，简介几例。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第35页共43页1 圆截面矩形密封圈密封 图 6 4所示 ， 为某 “ 加工中心 ” 上的换刀机械手采用的6-4回转油缸及其密封结构回转油缸结构图 。 其密封装置采用圆形截面的密封圈 ， 嵌在动片的四周槽内进行密封 ， 它的外形是矩形的 ， 以保证缸体转角处密封可靠 ， 装入缸体后 ， 密封圈的预压缩量 2约为 0.20.3m。 缸体与动片的配合为 44/cdD， 光洁度为 7。 该回转油缸的工作压力为 524010N/m， 传递扭矩在 200N.m以上，密封效果较好。2.带 挡圈的矩形密封圈密封 由 于回转油缸的输出扭矩约为 100N.m左 右，矩形橡胶密封圈和牛皮挡圈组成的密封结构 。 牛皮挡圈的作用是防止高压油液将橡胶密封圈挤入配合间隙，以保证密封性并延长密封圈的使用寿命。 此外回转油缸动片刚度不足也容易造成泄漏 ， 并且使输出扭矩减小 。 动片在受到压力油液作用时 ， 其受力情况相当于一受均布载荷的悬臂梁 ， 顶端变形量最大 ， 而且扁平的动片的抗弯刚度又差 ， 很易变形 ， 在使用中当负荷增加时 ， 动片变 形，出现运动不稳定，甚至动片卡住在缸壁上的现象 (当 然，这一现象，还同油 缸各运动件的配合间隙、相对位置精度和缸壁的几何形状精度有关 )。 为了提高动片的刚度，可根据回转油缸的摆动角度大小，对动片采用有加强贴的结构 。另外 ， 如采用双动片回转油缸 ， 固有两个动片同时承受油压 ， 在与单动片回转油缸尺寸相同的条件下 ， 可用较低的油压 ， 获得较大的输出扭矩 ， 这有利于减少动北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第36页共43页片的变形和减少泄漏。但动片的回转角度要减少一半。 6.2油泵的选择确定油泵的工作压力 P泵 和流量 Q泵由于机械手的液压系统在工作原理图设计时 ， 采用一个油泵向五个油缸 （ 手抓夹紧油缸、手腕回转油缸、手臂伸缩油缸、手臂回转油缸、手臂升降油缸 ） 供油 ， 但因机械手的动作是依次进行的 ， 无重叠动作 ， 就上述五个油缸而言 ， 手臂升降油缸的负荷最大。因此，以手臂升降油缸来确定油泵的工作压力和流量。 P=p+p1.5局泵 （ ） （ 0）从液压系统原理图知 ， 在压力油路中局部压力损失 p局 主要是通过换向阀的压力损失，取 52p10Nm局 =2/， 因此，油泵工作压力为 ：55P1010泵 =（ +） .1552N/m60流量 Q:2DQ4=其中 D为手臂升降油缸的内径， d=80mm； 为手臂升降速度， =250mm/s23.140.8Q2.5604=76L/m in取泄漏系数 K=1.2，故油泵的流量 Q泵 为：Q7692L/m in=泵 =1.2根据和的数值 ， 结合产品规格 ， 选用 YB-B113B型叶片泵 ， 其额定工作压力为 7Mp，额定流量为 115L/min，转速为 1200r/min，驱动功率为 16.5KW。6.3确定液压系统油泵所需的电动机功率 N0PQN612=泵 取叶片泵总效率 0.8=1带动油缸的油泵所需的电动机功率 7092N13.KW61.8=臂北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第37页共43页根 据 电 动 机 产 品 样 本 ， 选 用 Y200L1-6型 三 相 异 步 电 动 机 ， 其 额 定 功 率 为18.5KW，满载转速为 970r/min。6.4控制调节阀的选择6.41方 向阀 方 向阀 方 向阀 方 向阀根 据 通 过 阀 的 最 大 流 量 和 最 大 工 作 压 力 ， 以 及 所 要 求 的 滑 阀 机 能 状 况 等 因素 ， 结合现有的产品规格 ， 选择其额定流量和额定压力相近的产品 。 必要时最大流量允许超过额定流量 ， 但不宜过大 ， 一般规定阀的最大通过量不应超过额定流量的 20%。6.42压 力阀 压 力阀 压 力阀 压 力阀如溢流阀 、 减压阀 、 顺序阀等 ， 根据通过阀的最大流量及最大工作压力等因素来选择 。 对于溢流阀的压力和流量 ， 一般要与油泵的最高工作压力和最大流量量 相 适 应 。 对 于 减 压 阀 的 压 力 要 特 别 注 意 其 调 整 范 围 ， 应 在 5210N/m以 上 ，到低于溢流阀压力 5210N/m以下的范围内调节。6.43流 量阀 流 量阀 流 量阀 流 量阀如 节 流 阀 、 调 速 阀 等 ， 根 据 阀 的 最 大 流 量 Q最 大 、 最 小 流 量 Q最 小 和 最 大 工 作压 力 等 因 素 来 选 择 。 一 般 流 经 节 流 阀 或 调 速 阀 的 通 流 量 要 比 系 统 的 通 流 量 小 得多 ， 特 别 要 注 意 最 小 的 稳 定 流 量 。 节 流 阀 或 调 速 阀 的 最 小 流 量 为0.2.03L/min。6.5辅助装置的选择液压系统中有一些辅助装置 ， 如油管 、 管接头 、 滤油器 、 蓄能器 、 油箱和冷却装置等 。 虽然在液压系统中辅助装置居于次要的位置 ， 但是 ， 当这些辅助装置中任何一个细小的部分 ， 如果没有给予足够的重视和适当的安排 ， 往往回破坏液压系统的正常工作或降低了系统的工作效率和寿命等 。 因此 ， 在安排液压系统的结构，或选择这些辅助元件时，都要做细致的工作。 6.51油 管和管接头 油 管和管接头 油 管和管接头 油 管和管接头油管 油管的类型 ， 可根据使用场合和液压系统的最大工作压力进行选择 ， 对于两个相对运动的部件 。 一般可选用软管或伸缩油管及回转接头头进行连接 。 油管有紫铜管 、 塑料管 、 尼龙管及橡胶软管 。 根据油液压力的大小 ， 装配条件和工作部位的要求来选用。由于本设计的承压较低，加之紫铜管弯曲方便，容易装配 ， 所以设计时选用紫铜管。 2管接头油管之间的连接或油管与各种液压元件的连接 ， 是液压系统配管工作中最大量的工作 。 对这些连桉的要求是工作可靠 、 密封良好 、 结构简单 、 安装和制造方便。 在机械手上油管的连接方法应用最多的是螺纹连接 。 螺纹连接的优点是便于拆换 ， 安装方便 。 管接头和体部的连接常用的有 60圆锥螺纹 (Z)和普通细牙螺纹(M)。用普通细牙螺纹连接时应采用密封垫圈，以保证连接的密封性。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第38页共43页6.52滤 油器 滤 油器 滤 油器 滤 油器 在机械手液压系统中 ， 保持油的清洁很重要 ， 油中的脏物会引起运动零件划伤 、 磨损甚至卡死 ， 堵塞节流阀和缓冲装置的节流缝隙及小孔 ， 影响液压机械手的工作性能并造成故障 。 因此需要对油液进行过滤 ， 一般是采用滤油器来防止杂质进入液压系统中。滤油器的主要类型有网式滤油器和金属烧结式滤油器 。滤油器一般安置在油泵吸油口前边 ， 以保护油泵 ， 并使通往系统的全部油液过滤 。如果系统中有精密液压件 (如伺服阀等 )， 为保证其正常工作 ， 应对油液进行精过滤，可在精密液压件前装置精滤油器。 对于滤油器的要求有： 有较高的过滤能力 ， 能阻挡一定尺寸范围的杂质 ， 而且对于油液的阻力很小。 过滤材料要有一定的机械强度，不致因受到压力油液而破坏。 清洗维护方便，易于更换过滤材料。6.53油 箱 油 箱 油 箱 油 箱油箱用来存油 ， 使油散热和沉淀 。 其容量不能过小 ， 最小应能储存整个液压系统充满油时的容积，并有一些裕量。如果不能散发从液压系统中带出的热量 ，就会使油升温 ， 粘度降低 ， 影响系统的继续工作 ， 使机械手液压系统产生热变形 ，降低了机械手的工作性能和定位精度。 在设汁油箱和油池时，除了考虑其有效容积及是否冷却问题外，还应注意 ：1 吸油口与回油口应远离。吸油侧和回油侧要用隔板隔开，隔板高度为油箱 (或油池 )油面高度的 3 4，以利于油液冷却和杂质进行沉淀2 为使油液流动畅通吸油管离油箱 (或 油池 )底 部的距离应不小于管径的二倍 。 距箱边应不小于管径的三倍 。 回油管的管门距油箱 (或油池 )的底面不小于管径的二倍，管端切成角 45。6.54冷 却器 冷 却器 冷 却器 冷 却器当 油 箱 的 散 热 面 积 不 够 或 油 池 的 散 热 条 件 不 佳 时 ， 靠 自 然 散 热 油 温 超 过50C时，就需要采用油冷却器。油冷却器在液压系统中安装的位置 ， 应串连在回油路巾或住溢流阀的隘流管路中，因为这时的油液温度较高，冷却效果较好。 6.6液压传动机械手的缓冲与定位6.1机 械手的运动平稳性与定位精度 机 械手的运动平稳性与定位精度 机 械手的运动平稳性与定位精度 机 械手的运动平稳性与定位精度所谓运动平稳性是指机械手从起动 (速度为零 )到正常工作速度 (匀速运动 )，再从正常工作速度经制动后到停止运动 速度降到零 的过程 ， 其速度变化是渐变过程，没有速度突变现象。 所谓定位精度 ， 就是机械手重复地将物件搬运到实际位置时与设定 (或给定 )位置所产生的误差。也叫重复位置误差。若重复位置误差小即定位精度高。 影响机械手运动平稳性扣定位精度的因素是很多的 。 如执行机构各部件的重量及其刚性、机械结构的配合间隙驱动源压力的波动及输出流量的脉动性 、 位置检测系统的反馈机构所产生的误差 ， 定位方式的误差等等 ， 都直接或间接地影响机械手的运动平稳性和定位精度 ， 而影响较大的还是机械手的工作速度和速度变化规律。在定位时一般采用机械挡块定位。北京科技大学成人教育学院毕业设计（论文）第39页共43页6.2油 缸的缓冲装置 油 缸的缓冲装置 油 缸的缓冲装置 油 缸的缓冲装置活塞油缸和回转油缸是实现手臂直线运动和回转运动的动力部件 ， 它们一般是用来带动重量较大的部件运动，有时运动速度较快，因此具有很大的动能 。 为了防止活塞油缸的6-5活塞油缸端部缓冲原理图活塞或回转油缸的动片运动到头时产生冲击 ， 在油缸的端盖或回转油缸的侧盖上设有缓冲装置。 1.活塞油缸的缓冲装置 活塞油缸的缓冲装置可以由活塞端部的柱塞和缸盖的凹槽构成 。 当活塞运动到使柱塞逐渐进入缸盖的凹槽时 ， 将存在于缓冲油腔内的油液经柱塞与