工业机械手液压系统设计

工业机械手 是 现代机械化的一种新型生产方式，同时也是智能自动化研发出来的新型 设备。 现今随着 科学技术 的迅猛发展 ，机械手的 原理及应用技术越来越受到重视，在当代工业工厂的生产制造 中， 工业机器人已经全面 应用于 车间的自动化流水线 ， 因而，人们开始 日趋迫切 的对机器人进行研究改造。 其中， 液压机械手 用途最为广泛，所以 本次 对机械手的液压系统进行设计 。 在液压驱动机构中，所述机械手的手臂伸缩和升降均采用了双作用活塞液压缸并由导向杆导向，以确保机械手的运动精度，手腕的旋转采用摆动式液压缸（回转油缸），机械手的手臂旋 转和手爪夹持被采用齿条活塞式液压缸。 本课题通过对机械手和液压传动原理的应用技术设计， 对工业机械手的液压系统的 分类， 结构，特性，受力等方面进行分析，并分析液压系统的工作原理。具有液压系统结构的 机械手机器人可以在空间中 灵活抓取移动物体，并且操作自由度很高 ，可以在高温和危险的位置作业，从而减少人力，并 大大 促进生产节奏。 关键字 ： 机械手；液压系统； 自由度 is a of of a of by of to of in in of as a to is so is in to of of of of of of of of of of in a of to be in of of 目录 1 绪论 . 1 题背景及其意义 . 1 内外研究现状 与发展趋势 . 1 . 1 . 2 . 2 2机械手液压系统概述和计算 . 4 臂伸缩液压缸的设计计算 . 4 . 4 . 5 . 8 直升降液压缸驱动力的计算 . 8 . 9 . 9 . 9 . 10 . 11 . 12 3工业机械手液压系统的工作原理 . 14 . 14 . 15 . 16 . 16 . 16 . 17 . 20 . 21 . 21 . 24 4液压系统的设计 . 25 . 25 压回路的选择 . 25 . 26 压元件的选择 . 26 压泵的选择 . 26 压泵所需液压马达的确定 . 27 压阀的选择 . 27 压辅助元件的选择原则 . 29 道尺寸的确定 . 29 箱容量的确定 . 30 5 总结 . 32 致 谢 . 33 参考文献 . 34 1 1 绪论 题背景及其意义 现代 工业 生产的自动化程度不断的 提高， 同时逐步与智能化和 计算机网络化管理相结合， 机器人 分为工业机器人和特种机器人两种，功能各不相同。排爆机器人可以处理易燃易爆的危险品，而且可以实现各种军警侦查功能，从而大大保护了人类自身的生命安全 。 另 一方面 工业机器人不仅可以代替人工进行高强度 ，作业，而且还能够提高生产效率，降低作业危险。而液压系统成为机械手工作的关键部分。 本次所研究的课题，能够让学生在研究设 计 的 过程 之中巩固专业课程和 专业化 知识， 同时拓展相关课外知识，提高同学利用专业知识 技能去分析和解决 工程设备上的问题 ， 灵活的将专业知识和实操相结合，提高解决问题的思维能力。 本 课题 中的工业机械手系统就是 采用液压驱动 的方式，以此展开研究。 内外研究现状与发展趋势 内的研究现状 液压式机械手起初 应用 于汽车制造行业，一般在电焊、喷刷涂料、切割材料和安装。液压 机械手 的多自由度，可在大范围内实现无极变速 ， 操作十分的精准力量强度也远远高于人，从工业机械手的各项功能来看，它实则是人手足的强化和延伸，能够在高温，有毒各种人类无法承受的恶劣环境中工作，并且其机械式工作方式在强度和效率上远超人工 ， 装有液压装置的多自由度机械手在计算机控制下能够实现精准定位操作，从而提升生产质量 。 而高精度工业机械手大多采用液压传动的方式， 机械手目前广泛用于工业工程的生产和制造，尤其 是 工业机械设备，家用电器、汽车行业、高分子材料 、 以 及 有色 金属 和无色金属的 加工等工业。工业 液压 机械手与 即数控加工车床，再将此类数控设备量化生产 ， 从而满足各类零件和产品的自主化设计和加工，通过计算机系统控制和电气联动的结合，实现智能化和 自动化 生产。随着制造业发展 ， 液压机械手会向着多 功能 化和智能化发展 ， 其性能也会得到质的提升，机械手的应用不会局限于工业 ， 也会向着医疗业和服务业发展。 其液压系统的研究成为 必不可少的一部分 。目前， 我国的特种机器人公司科沃斯机器人，旨在研发服务类机器人，有扫地机器人，全息交流机器人等，必将向着多元化方向发展。 2 外研究现状 国 外机械手的发展趋势是要大力发展机械手的高智能化以及高自动化。它配备各种类型的传感器有像人类一样的感知能力，并且通过传感器搜集 外部 信息，监测外部环境 ， 反馈到计算机网络，再根据计算机程序执行指令做出 改变。 除了传感器还配有各 中 液压传动 元件，可以根据需要 实现一些特定功能，甚至是自我修复 。液压传动具有 质量小、体积小、较小的运动惯性 、反应速度快 等优点，适用于高精度机械手，并且操作简单方便，在较大 范围 内可以实现 无极调速 。 从而使 机 器达到较高的自动化，加上 电液 联合控制后，从而实现更高程度 的自动 化控制过程，再通过计算机传感器的配合进行 遥控 。全自动化机器人装配是当前研究的重点， 这种机器人就会用到多个液压系统，来保证机器稳定的机械传动。液压系统的诸多优点，使其在工业，机电行业，得到广泛应用。 压技术的现状及发展趋势 我国在 工业 上首次使用液压技术是 20 世纪 50年代初 ， 刚开始的初级发展阶段，液压技术尚不成熟，我国所掌握的液压核心技术不够全面，只用于机械制造厂的 锻压设备和车床。经过技术的不断改善提高和农业发展机械化的需求，被应用到 工程机械 和拖拉机制造中。 20世纪 60 年代，从国外引进先进 液压元件 和 技术 人才做指导 ， 一方面把液压元件利用到机械设备中，另一方面进行新 液压 元件研发和外来 产品 的改进。逐渐 我国的液压 元件生产不断加快 ， 技术水平也不断提升， 并在各种 高压 机械设备 和低压设备 上得到了广泛的使用。 之后一直到 90年代更加快了对发达国家高新液压设备和技术的大规模 引进， 政府扶持，作为五年计划研究内容 ， 大大提升液压技术水平，使液压产品国有化生产，液压技术的研发自主化，拥有自己的核 心技术。这样一来我国的液压 产品质量 进一步提高，应用到我国的工业生产中 ， 液压技术推动了工业生产，带动了经济发展，为研究开发提供了足够的资金支持，形成了相互促进的良性发展，经过多年的经验积累和技术开发我国逐步 地赶上世界 领先水平。伴随工业迅速 发展逐 ，创造的经济效益不断提高 ， 我国相继建立了专业研发 机 构和工业工厂，大力进行液压技术开发和液压元件生产。目前，我国不但能生产 液压阀等液压元件 。 还 能 设计制造 动力元件，执行元件和辅助元件等许多新型的元件， 电液比例阀，电液伺 服阀在大型设备工厂已经屡见不鲜 。到目前为止， 即使是液压泵 也能独立生产。 液压元件的生产 制造生产，列入了我国液压元件生产的 系列 产品 。 液压技术的发展正逐步成熟，与现代计算机 率和 精度 不断提高，应用也将更加广泛。 3 21世纪是计算机网络的时代， 计算机 技术的应用，大力 地推进了 工业液压技术的发展，液压系统中 辅助 元件的选择越来越多，液压系统的应用从单一化到多元化，可以结合无线传感器技术， 现更多功能，还可以利用 计算机仿真 软件对液压系统进行分析和优化，利用计算机对液压系统实现控制 ， 这也是高度智能化的体现，我国在这些方面都获得得了不错的成 就。现今 ，液压 技术已经可以实现高压，高速作业，配备多个液压系统的机器不仅实现 大功率， 高强度作业，其 效率 也迅速提升，并且向着环保，耐用，高度智能化 等 方面发展。液压所应用的领域不单单是工业生产 ， 在医疗器械，服务机器人，交通业，军事上也在不断的开发。不过目前在工业方面的比列高达 95%，要想 完善 液压在各个领域的比例，还需要我们这一代继续开发，同时在液压技术上不断尝试创新。 4 2 机械手 液压系统概述 和 计算 臂伸缩液压缸的设计 计算 缩液压缸驱动力计算 当机器人手臂 做水平伸缩运动时，必然 会存在摩擦力，摩擦 力包含 密封 管和导向机构摩擦、导杆机构和承重圆杆的摩擦、液压缸和活塞 之间 的摩擦，不仅要克服以上力，而且还克服启动惯性力和液压油 背 面 压 力等其它 阻力。 伸缩缸 驱动力 的计算公式如下 ： 惯回密摩理 (估算手臂伸缩运动的零件和总 工件总重量 92=30+10(= ,使得部件重心处和导向套的 端面 最大 距离为 300 （ 1）摩 由于伸缩液压缸只有一个导向杆，因此对导向杆设计计算： 图 2械手臂受力分析图 由 0=：(又 0= Y 则 =+ 总 (得： + 2 3 0 0 9 0= + = 0 . 1 5 3 9 2 1 3 5 F F F G a 摩 摩 摩 总其中： L 导向套前端 面和重心之间相距 ,300mm a 导向套长度， 90 当量摩擦系数，取 = 2） 因为伸缩缸的工作压力首选不大于以 活塞杆 和液压活塞都使 用 时伸缩 缸的密封阻力为： 5 = + = 0 . 0 3F F F F 驱杆活 塞密 （ （ 3） 一般背压阻力较小， 4） v 3 9 2 0 . 0 7 5= 1 5 09 . 8 0 . 0 2惯 （ 式中： 变化量 间，一般取 t= : 150+35=+=驱驱惯回密摩理 F=310N 实际驱动力 : 7 5=3 1 0= 理实（ 式中： k 安全系数， k=2； 传力机构机械效率， =缩液压缸的结构尺寸确定 如下图 2-2(a)为液压缸活塞杆工作在受压状态 活塞杆受压时 D 652,7742-2(a) 活塞杆压力 示意图 （见上页） 2211m （ 如下图 2-2(b)为液压 缸活塞杆工作在受压状态 活塞杆受拉时 6 2(b)活塞杆受拉示意图 1221m/ 式中： 21 4/ 无杆活塞杆有效作用面积（ 2； )(4/ 222 有杆活塞杆有效作用面积（ 2； 1P 伸缩液 压 缸工作腔 承受 压力 为 8床液压传动通常 2 2P 背压力，伸缩 缸回 液压油腔压力，压力值通过回路的实际 情况而定， 此处选 背压 2p 0。 D 油缸内径（ ； d 活塞杆直径（ 。 表 2缩液压杆系统类型 系统类型 背压力 /单系统或轻载节流调速系统 油路带调速阀的系统 油路设置有背压阀的系统 补油泵的闭式回路 油路较复杂的工程机械 3 回油路最短， 直接回油箱 此处 忽略不计 对 于 单活塞杆缸，无杆腔 体内 进 入液体或气体时，无需考虑机械效率， 得： 2121 2 1 24()F d p p p （ 有杆腔进液体或气体时，不考虑机械效率，可得： 2211 2 1 24()F d p p p 这时，上面两式便可简化，即无杆腔进液体时： 114 有杆腔进油时： 7 2214 假设 考虑排 出 液 体对活塞产生的压力，液压塞和液压杆处密封及导套产生的静摩擦，和 运动 部 件 因 质量 而 产生 较大惯性力影响，因此 取机械效率 压塞杆的直径 d 可通过工作压力来选择 ， 表 2工作压力选择 d/D 工作压力 /7.0 d/D 2速比要求确定 d/D 2/1 d/D ： 1 无杆腔进油时活塞运动速度； 2 有杆腔进油时活塞运动速度。 当液压缸的往复速度比有一定要求时，杆径 d 可由下式计算。 d= 1D （ 伸缩缸的速比 太大会产生较大的无杆腔背压，速度比 太小会使活塞杆太细，丧失稳定性。建议伸缩液压缸的速度比 如表所示。 表 2用液压缸内径 D（ 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 由上式经过计算按照 2348准 9 可得伸缩液压缸的液压缸内径D 63 液压活塞杆通过受力来 决定 直径 ，受 到 拉 力选 取 （ D,受 到 压 力选取 （ D，综上 ，所以： 28d 伸缩 缸的缸筒长度由 以下部分确定，包括活活塞长度、 导向套长度、活塞杆密封长度和 活塞杆最大 行程等。 为了降低加工难易成度，伸缩 缸缸筒 壁长度应小 于内径的 20 30 倍。根据上述要求和联系实际情况选择固定伸缩 缸缸筒 的 长度 L 500 中 压和 高压 系列的缸通常使用无缝钢管做缸筒，一般金属壁较薄 ，即 4 10 时，壁厚 材料 在 最薄处 使用 薄壁圆筒公式计算壁厚，即： 2（ 8 式中： p 缸筒内最高工作压力； p 缸筒材料的许用应力，由下式可计算： p= （ 式中： b 材料的抗拉强度为 610（由机电一体化手册查得） n 安全系数， 一般 D 10 时 ，安全系数值 n =5；当 D 50 工作压力/，取 n=4。 管道一端连接螺纹比对油管外径选择 。 缸的进出油口直径0 （ 式中： q 液压缸 管内的流量； v 液压缸管内平均流量（通常 取 v=4 5m/s）。 计算得出的0 箱容量的确定 油箱是储存 液压油的容器，油箱 工作 会产生部分热能将热能传递到空气中去 ， 油箱必须合理的设计，油箱配 件 选择要根据工作情况看，这样油箱才能处于最佳的状态 。 油箱 不能够直接装满，以油箱容积的 80%为上限叫做有效容积，油箱储存的容积，通过 液压泵的 散热状况和流量 确定。 油箱容量的有效容积 公式： pV k q（ 式中： V 邮箱的有效容量（ L） 液压泵每分钟排除压力油的容积（ 3m ）； k 经验系数，见下表。 31 表 4验系数 k 10 系统类型 行走机械 低压系统 中压系统 锻压系统 冶金系统 k 1 2 2 4 5 7 6 12 10 计算得到油箱容积 ： 3 7 1 2 1 3pV k q L 选用 250L 规格 的油箱。 32 总 结 本文结合课题研究参考 实际 的 工作条件，从基础 知识 逐渐深入 的课外相关知识，设计了 工业机械手 的液压系统。经过我数月的艰苦奋斗与努力，终于完成了这次毕业设计 。 这次毕业设计让我体验了一个产品从设计之前要先有一个概念，到设计出方案，实施方案到最终设计结果的完整过程。让我更加深入的了解了设计工作的基本流程和设计概念 。 虽然我设计的只 仅仅简单工业 机械手 的液压系统，但需要了解机械手 伸缩、升降 、回转、夹持等功能， 这些都是机械手的液压传动和液压控制部分，并且分别要对这些机构进行分析， 设计 和理论计算 ，以及对其所需的附件选择。通过这次的毕业设计让我之前所学的机械设计理论与实际的相结合，巩固和深化了所学过的专业理论知识。让我对液压技术有了更深的了解。 在这次毕业设计中，我也遇到了许许多多的 困难（对加工工艺 的不了解，设计思路 不成熟），因 此走了许多弯路，但在指导老师的帮助下我不断学习和修改。查阅了 相关 课外 书籍，学习了许多 延伸的 专业知识，最终完成了我的毕业设计。当然现在 设计并不完美还存在着一些 问题， 但 今后我会 不断地学习和提高自己。 33 致 谢 经过这几个月的努力，毕业设计终于落幕。这是一个充实自我的提高学习能力的过程，我要对帮助我、指导我 的老师和同学表示感谢。 首先我要感谢的是我的论文指导老师 张建杰 。从毕业设计的选题、构思、画 论文的定稿。张 老师都对我，一步一步耐心的指导。 尤其是对设计图纸的修正，他一遍又遍的为 我指导，从未抱怨过，而且经常自己给自己周末加班， 为我们修改图 ，还对我看待问题的思维进行发散，让我有了新的明确的设计思路。因此，在设计期间，张 老师交给我们的 不仅仅是如何处理和解决设计中的问题，而是通过设计中的一些问题教会了我们如何去对待一件事情时做到一丝不苟， 还要感谢周院长及时指出设计中的不足和缺少的控制图，给我一个清晰的设计思路。在这期间我所