精品毕业设计机械手夹持器设计

摘 要机械手夹持器，它具有夹持物件和剪切缆索的双重功能，适用于有这两种功能需要的机械手，特别适用于水下机械手，可以顺利进行水下作业。本实用新型是在一种普通的机械手夹持器臂上安装一对能剪切的刀片，当手掌闭合运动时，刀片作剪切运动，达到在夹持的同时完成剪切动作。本文采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松所要抓紧的工件直径为60-80mm 放松时的两抓的最大距离为150mm，1s抓紧，夹持速度10-20mm/s；工件的最大重量为5kg，材质为45#钢。主要研究内容是分析机械手夹持器的原理；确定夹持器与伸缩臂总体方案；完成驱动结构的设计方案；对总体结构设计、主要部件的受力分析和强度校核；对驱动结构设计方案，原理图，整体结构装配图的设计。关键词：机械手；夹持器；装配图；ABSTRACTThe mechanical arm gripping device, it has a clamping objects and shear cable dual function, applicable to the two functions required mechanical hand, is particularly suitable for underwater manipulator, can smoothly operate under water. The utility model is in a common mechanical hand gripper arm mounted on a pair of cutting blades, when the palm is closed when in motion, the blade shearing movement, achieve in the clamping while completing a shearing action.This paper uses the finger gripper, performing as Clutch - relax to hold the workpiece diameter of60-80mm relaxation time two grasping the maximum distance for150mm,1s clutch, clamping speed 10-20mm / S; the workpiece maximum weight is 5kg, materials for the 45# steel. The main research content is the analysis of manipulator gripper principle; determine the gripper and the telescopic arm to complete the drive scheme; structure design; the overall structure design, the main components of the stress analysis and strength check; to drive structure design, schematic diagram, the overall structure of the design of assembly drawing.Keywords: manipulator; gripper; assembly drawing;目 录摘 要3ABSTRACT4第一章 引言7 1.1 背景及意义7 1.1.1论文选题背景7 1.1.2 毕业设计的目的7 1.2 毕业设计的内容和要求8第2章 夹持器的总体设计9 2.1夹持器设计的设计参数9 2.2 夹持器夹紧装置设计9 2.2.1夹持器夹紧力计算9 2.2.2夹持器驱动力力计算10 2.2.3夹持器液压缸驱动力计算11 2.2.4 夹持器液压缸的选用12 2.3夹持器手爪的夹持误差及分析13第3章 夹持器腕部的设计16 3.1 夹持器腕部设计的基本要求16 3.2 自由度的回转缸驱动的典型腕部结构16 3.3 腕部结构计算17 3.3.1腕部回转力矩的计算17 3.3.2回转液压缸所驱动力矩计算18 3.3.3回转缸内径D计算19 3.3.4液压缸盖螺钉的计算20 3.3.5静片和输出轴间的连接螺钉21 3.3.6腕部轴承选择22 3.3.7材料及连接件，密封件选择224章 夹持器伸缩臂的设计24 4.1夹持器伸缩臂设计基本要求24 4.2方案设计25 4.3夹持器伸缩臂机构结构设计26 4.3.1伸缩臂液压缸参数计算26 4.3.2导向杆机构设计33第5章 夹持器夹持器驱动系统的设计36 5.1夹持器驱动系统设计要求36 5.2夹持器驱动系统设计方案36 5.3夹持器驱动系统设计37 5.3.1分功能设计分析37 5.3.2液压泵的确定与所需功率计算37 5.3.3液压元件的选择38第6章 PLC控制系统40 6.1 PLC的构成及工作原理40 6.2 PLC选择40 6.3程序设计41 6.4语句表44总 结50参考文献51致谢52 第1章 引言1.1 背景及意义1.1.1论文选题背景在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装夹、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.1.2 毕业设计的目的毕业设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。其主要目的：培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法.培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。1.2 毕业设计的内容和要求 1、原始数据 采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松 所要抓紧的工件直径为60-80mm 放松时的两抓的最大距离为150mm， 1s抓紧，夹持速度10-20mm/s； 工件的最大重量为5kg，材质为45#钢 2、技术要求 （1）应具有适当的夹紧力和驱动力 （2）手指应具有一定的开闭范围 （3）保证工件在手指内的夹持精度 3、工作要求 （1）机械手夹持器的原理 （2）确定夹持器与伸缩臂总体方案 （3）驱动结构的设计方案 （4）总体结构设计、主要部件的受力分析和强度校核第2章 夹持器的总体设计2.1夹持器设计的设计参数 采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松 （1）所要抓紧的工件直径为60-80mm ； （2）放松时的两抓的最大距离为150mm； （3）1s抓紧，夹持速度10-20mm/s； （4）工件的最大重量为5kg，材质为45#钢。2.2 夹持器夹紧装置设计2.2.1夹持器夹紧力计算 夹持器夹在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，所以必须对其大小、方向和作用点进行分析和计算。一般来说，加紧力必须克服工件本身重力所产生的惯性力或惯性力矩来使工件保持稳定的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： （2-1）式中：安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取，本设计取1.6； 工件情况系数，主要受惯性力的影响，可根据公式计算出， 公式中为最大加速度可根据任务书中给出的有关参数可得，得到的数据代人上述公式可得。 方位系数，可根据手指与工件位置和工件形状不同进行选定。本设计采用手指与工件位置为手指水平放置 ，工件垂直放置；手指与工件形状为型指端夹持圆柱型工件。所以可根据公式计算出。上式中代表摩擦系数，代表型手指半角，此处粗略计算,如图2.1图2.1 机械手开闭示例简图 被抓取工件的重量，可根据任务书中的参数被抓取的工件最大为，本设计中取其最大值。把上述有关数据代人上式（21）的公式中可以求得夹持器的夹紧力，取。2.2.2夹持器驱动力力计算根据夹紧力和驱动力之间的关系式可得： 式中：c滚子至销轴之间的距离； b爪至销轴之间的距离； 楔块的倾斜角；代人数据可得得出为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.80.9，此处取0.88，则： ，取2.2.3夹持器液压缸驱动力计算设计方案中夹紧装置为常开式夹紧装置，故采用的液压缸为单作用缸，提供推力： 式中 活塞直径（液压缸内径） 活塞杆直径 驱动压力，由于,已知液压缸驱动力=，且由于，故选工作压力P=1MPa 可根据公式计算出液压缸内径（活塞直径）：根据液压设计手册,见表2.1。可的到液压缸内径（活塞直径）D，活塞杆直径d,活塞厚 B,缸筒长度 L。表2.1 液压缸的内径系列（JB826-66）（mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250由表可得D=32 mm活塞杆直径 d=0.5D=0.532mm=16mm活塞厚 B=(0.61.0)D 取B=0.8D=0.832mm=25.6mm,取26mm.缸筒长度 L(2030)D 取L为123mm活塞行程，当抓取80mm工件时，即手爪从张开150mm减小到80mm，楔快向前移动大约70mm。取液压缸行程S=70mm。液压缸流量计算：放松时流量夹紧时流量2.2.4 夹持器液压缸的选用选择一种型号为：MOB-B-32-83-FB的轻型拉杆液压缸 其结构简图，外形尺寸及技术参数如下：表2.2夹持器液压缸技术参数工作压力使用温度范围允许最大速度效率传动介质缸径受压面积()速度比无杆腔有杆腔1MPa+300 m/s90%常规矿物液压油32mm12.58.61.45 工件 F S F 图2.3 腕部受力简图2.3夹持器手爪的夹持误差及分析机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定）和手指的夹持误差的大小决定了夹持器能否按照任务要求来夹持工件和把工件送到指定的位置。尤其是在中、小批量生产多品种产品时，工件尺寸会在一定范围内变化，从而产生定位误差，为了避免产生这种误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图2-4，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，一般情况下夹持误差不会超过，而手部的最终误差取决于控制系统补偿能力手部装置和以及加工精度。图 2.4工件直径为80mm，尺寸偏差，则，。 本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图2.5。图2.5若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有：简化为： 该方程为双曲线方程，如图2.6： 图2.6 工件半径与夹持误差关系曲线由上图得，当工件半径为时，X取最小值，又从上式可以求出：，通常取若工件的半径变化到时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用表示。在设计中，希望按给定的和来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径取为时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当a值较大时），偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的和边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径，以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式： 其中,型钳的夹角代入得出： 则 则，此时定位误差为和中的最大值。分别代入得：，所以，夹持误差满足设计要求。由以上各值可得：取值为。第3章 夹持器腕部的设计3.1 夹持器腕部设计的基本要求夹持器腕部是操作机的臂部和手部（末端执行器）之间的连接部件，它的功用主要是利用自身的活动度确定被末端执行器加持物体的空间姿态，也可以说是在臂部运动的基础上进一步改变或调整工件方位，所以手腕部件具有独立的自由度来扩大机械手的动作范围和使手部适应复杂的动作要求。此设计中要求有绕中轴的回转运动。（1）力求重量轻、结构紧凑腕部是臂部和手部之间的部件，因此它的动力载荷和手部的动力载荷都由臂部来承担。显然，腕部的结构、动力载荷和重量，直接影响着臂部的性能、重量和结构。所以，在设计腕部时，必须要做到结构紧凑，重量轻。（2）考虑结构，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还要考虑他的灵活性、平稳性和定位精度高等。因此合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接很重要。（3）要适应工作环境的要求对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。3.2 自由度的回转缸驱动的典型腕部结构如图3.1所示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从AA剖视图上可以看到，回转叶片（简称动片）用螺钉，销钉和转轴10连接在一起，定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔5.7进出油腔，实现手部12的旋转。旋转角的极限值由动，静片之间允许回转的角度来决定（一般小于），图中缸可回转。腕部旋转位置控制问题，可采用机械挡块定位。当要求任意点定位时，可采用位置检测元件（如本例为电位器，其轴安装在件1左端面的小孔）对所需位置进行检测并加以反馈控制。 图 3.1手部抓取缸液压原理图 通向手部驱动液压缸的油管是从回转中心通过，腕部回转时，油路认可保证畅通，这种布置可使油管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管（一根供手部油管，两根供腕部回转液压缸）由手臂内通过并经腕架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动，参考上图典型结构。3.3 腕部结构计算3.3.1腕部回转力矩的计算腕部回转时，需要克服的阻力有：（1）腕部回转支承处的摩擦力矩。 （3-1）式中 ，轴承处支反力（N），可由静力平衡方程求得; ,轴承的直径（m）； 轴承的摩擦系数，对于滚动轴承=（0.010.02）；对于滑动轴承=0.1。为简化计算，取，其中，为工件重量，为手部重量，为手腕转动件重量。 （2）克服由于工件重心偏置所需的力矩。 （3-2）式中 e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离，已知e=10mm，把数据代入（3-2）得： （3）克服启动惯性所需的力矩。启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度及启动过程转过的角度按下式计算： （3-3）式中 工件对手腕回转轴线的转动惯量； 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量； 手腕回转过程的角速度； 启动过程所需的时间，一般取0.05-0.3s,此处取0.1s.。手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为200mm，直径90mm，其重力估算： ,取G=98N.等效圆柱体的转动惯量： 已知圆柱体工件，则工件的转动惯量为： 要求工件在0.5s内旋转90度, 取平均角速度，即=，代入（3-3）得：则有： 由上式可得： 3.3.2回转液压缸所驱动力矩计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩定片1与缸体2固连，动片3与转轴5固连，当a, b口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩。 或 （3-4）式中 手腕回转时的总的阻力矩 回转液压缸的工作压力（Pa） 缸体内孔半径（m） 输出轴半径（m），设计时按选取 动片宽度（m）上述动力距与压力的关系是设定为低压腔背压力等于零。3.3.3回转缸内径D计算由 ，得：， （3-5）为减少动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度时，选用：综合考虑，取值计算如下：r=16mm，R=40mm，b=50mm，取值为1Mpa，即如下图(3.5)：3.3.4液压缸盖螺钉的计算图3.6缸盖螺钉间距示意表3.3 螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P螺钉的间距t(mm)小于150小于120小于100小于80上图中表示的连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为：，即工作拉力与残余预紧力之和计算如下：液压缸工作压强为P=1Mpa,所以螺钉间距小于150mm,试选择2个螺钉，所以选择螺钉数目合适Z=2个 则受力截面由以上数据可得 ，此处连接要求有密封性，故k取，取K=1.7。 可得所以 选择Q235为螺钉的材料，安全系数n取1.6。螺钉的直径由下式得出 ，F为总拉力即 根据实际螺钉的直径d应选择8mm。3.3.5静片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数。螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： （3-6）为预紧力,为接合面摩擦系数，取范围中的0.15，即钢和铸铁零件，为接合面数，取=2，Z为螺钉数目，取Z=2，D为静片的外径，d为输出轴直径，则由（3-6）可得： （3-7） 螺钉的强度条件为： （3-8） 把有关数据代入（3-7）得：选择Q235为螺钉的材料，则（安全系数），把有关数据代入（3-8）可得螺钉的直径 ，d值极小，取。螺钉选择M6的开槽盘头螺钉， ,如图3.7：图3.73.3.6腕部轴承选择腕部材料选择HT200，估计轴承所受径向载荷为50N,轴向载荷较小，忽略。两处均选用深沟球轴承。现校核较小轴径处轴承。6005轴承基本数据如下：，当量动载荷，载荷系数取1，则。N为转速，由0.5s完成回转，计算得：，球轴承。根据以上数据可计算轴承寿命，轴承寿命公式如下： （3-9）把数据代入（3-9）可得：，远大于轴承额定寿命。所以可选用轴承为深沟球轴承6005和6008。3.3.7材料及连接件，密封件选择右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。右缸盖与缸体连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。左缸盖与缸体及法兰盘连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。选用垫圈防松，公称尺寸为5。右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。为定位作用，轴左侧增加一个套筒，材料为HT200，尺寸如下：图3.8动片与输出轴连接选用六角头螺栓 全螺纹， ， 需用2个。密封件选择：全部选用毡圈油环密封，材料为半粗羊毛毡。右端盖 d=40mm, 左右缸盖 d=25mm。 224章 夹持器伸缩臂的设计4.1夹持器伸缩臂设计基本要求机械手伸缩臂的底板固定在大臂上，前端安装机械手，完成直线伸缩动作。（1）功能性的要求伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（2）适应性的要求为了因工件大小不同而随时做出调整，所以要设置成为可调式定位机构。为了减少运动产生的冲击和惯性力，因此要求动力和负载大小相适应。（3）可靠性的要求可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。（4）寿命的要求产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的工作期限里。因此在设计中要特别考虑采取怎样的措施来减少摩擦和磨损。如：采取润滑措施、选择耐磨材料、合理设计零件的形面等。（5）经济的要求机械产品的经济性包括设计、制造、和使用的经济性。在制造机械产品的成本中材料费、加工费占了很大的比例。因此设计时必须要合理考虑。（6）人机工程学的要求人机工程学也称为技术美学，它包括调节有效省力、操作简单、照明适度、显示清晰、色彩和谐、造型美观、容易保养维护等。因此在本设计中充分考虑了人机工程学的特点。（7）自动报警和安全保护的要求按照规范要求，为了确保操作人员的人身安全，设计时必须采取适当的防护措施，这是任何设计的前提。例如因故障造成的突然工作中断，如突然断电、机构卡死等情况。如果不安装报警装置可能会造成人身安全，所以报警装置和安全保护措施必须要有。设计参数（1）伸缩长度：300mm；（2）单方向伸缩时间：1.52.5S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm；（4）前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击；4.2方案设计液压驱动方案（1）伸缩原理这里选择的液压油缸为单出杆双作用液压油缸，手臂伸出时采用单向调速阀进行回油节流调速；当接近终点时，发出信号，进行调速缓冲（也可采用缓冲油缸），靠油缸行程极限定位，采用导向杆导向防止转动；采用电液换向阀，控制伸缩方向。（图4.1）图4.1（2）液压系统的设计计算液压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求，具体设计计算参考液压传动与控制等相关教材。由于伸缩臂做间歇式往复运动，有较大的冲击，设计时要考虑缓冲措施，可从液压回路设计上考虑，也可从液压件结构上考虑等。设计计算参数及要求： 电磁阀流量：要满足伸缩速度的要求。 油缸直径：推力大小要能克服机构起动惯性并有一定的起动加速度，要满足运动时间要求。 导向杆刚度：按最长伸出时机械手端部的挠度不超过规定要求。 定位方式和元件：自选。（3）结构方案设计及强度和刚度计算伸缩臂运动简图见图4-1 结构方案说明a：支座1安装在机器人床身上，用于安装伸缩臂油缸和导向杆等零部件。b：法兰4用于安装机械手，其形式和尺寸要与机械手相协调。c：液压缸伸出杆带动导向杆同时伸出300mm，伸出长度较大，设计、制造和安装时要考虑液压缸与导向杆的平行度要求。 d：导向杆可采用直线导轨或直线导轴。直线导轨可选用外购件，直接从生产厂家的有关资料中获得所需参数（网上查询直线导轨、直线导轴）。采用直线导轴时可自行设计，并且要考虑导向杆的润滑，润滑方式参考有关手册设计。 强度及刚度计算根据任务书机械手夹持工件最大重量为5Kg，本设计中取5Kg，根据设计需要夹持器重量取10Kg，夹持器长度最大约250mm。从受力角度分析，载荷不大，可参考其它机器作类比设计即可。伸缩臂的机构力学模型如图4.2所示。夹持器夹着工件，伸缩臂全部伸出，是导杆受力最大的状态,也是变形最大的位置。在此情况下，用材料力学的知识计算它的强度和刚度。图4.24.3夹持器伸缩臂机构结构设计4.3.1伸缩臂液压缸参数计算1.工作负载R液压缸的工作负载R是指工作机构在满负荷情况下，以一定加速度启动时对液压缸产生的总阻力，即： （4-1）式中：-工作机构的荷重及自重对液压缸产生的作用力；-工作机构在满载启动时的静摩擦力；-工作机构满载启动时的惯性力。(1)的确定 工件的质量m5.9 (kg) 夹持器的质量 10kg(估计)伸缩臂的质量 50kg(估计)其他部件的质量 15kg(估计)工作机构荷重： 取=810N(2) 的确定 (3) 的确定 ) 式中：为启动时间，其加速时间约为0.10.5s=0.1s , =0.2s把数据代入（4-1）可得： 取实际负载为 ： =1100 2.液压缸缸筒内径D的确定 可根据公式： （4-2）式中： , p可取, 把数据代入（4-2）可得：根据第二章中表2.1可得液压缸缸筒内径为40mm。 3.活塞杆设计参数及校核(1)活塞杆材料：选择45号调质钢，其抗拉强度=570(2)活塞杆的直径：查液压传动设计手册得，当压力小于10Mpa时，速比=1.33。则可选取活塞杆直径为20mm系列，且缸筒的厚度为5mm。 最小导向长度： (3)活塞杆强度及压杆稳定性的计算 采用非等截面计算法 油缸稳定性的计算因为油缸的工作行程较大，则在油缸活塞杆全部伸出时，计算油缸受最大作用力压缩时油缸的稳定性。假设油缸的活塞杆的推理为P，油缸稳定的极限应力为Pk，则油缸稳定性的条件为PPk。Pk按下式得到： （4-3）式（4-3）中：可按液压传动设计手册得到； （4-4）式中：为活塞杆直径，可根据公式 为缸体外径， 为缸体内径,代入数据进（4-4）有： 则可得： 因为 、为长度、上的断面惯性矩。查液压设计手册可知时极限力的计算图，可由且查得 （其中，为活塞杆头部至油缸A点处的距离；为缸体尾部至油缸A点处的距离）。所以： 。可得所油缸的稳定性是满足条件的。 活塞杆强度的计算（E：材料的弹性模量）刚的弹性模量为E200Mpa。由液压传动与控制查得： 20所以活塞杆强度是满足条件的。 4.缸筒设计参数及校核(1)缸筒材料：选择ZG310-570铸钢,其抗拉强度(2)缸筒壁厚及校核：取壁厚=5mm 因此属于普通壁厚缸筒壁厚的校核公式为： （4-5） 式中：-缸筒内最高工作压力；=7-材料的许用应力 -材料的安全系数=5把数据代入（4-5）可得： 校核符合要求(3)缸筒外径： 5.缸底设计参数及校核(1)缸底材料：选择Q235碳素结构钢，其抗拉强度375460(2)缸底厚度 mm 取缸底厚度为5mm6.油缸零件的连接计算首先确定油缸缸筒与缸盖采用螺纹连接;缸筒与缸底的连接此处选用焊接方式，此种方式能够使液压缸紧凑牢固。（1）缸筒螺纹处的强度计算：螺纹处的拉应力： （4-6）螺纹处的剪应力： （4-7）合成应力： 许用应力： 式中：P:油缸的最大推力; D:油缸内径cm; ：螺纹直径cm；：螺纹内径，当采用普通螺纹时（GB196-63）时，可近似按下式（t螺距cm）;K:螺纹预紧力系数，去K1.251.5；：螺纹那摩擦系数（0.070.2），一般取0.12；：缸筒材料的屈服极限。n: 安全系数，取n=1.2-2.5,一般取n=1.75.由前面计算可得：D=40mm=4cm，则查机械设计课程设计手册，采用普通螺纹基本尺寸（GB/T196-2003）公称直径第二系列 4.8，可得螺距t=0.4cm; =4.8cm .所以，。 K取1.5，n:取1.75。所以代入数据进（4-6），（4-7）有：,满足强度条件。（2）缸筒与缸底的焊接强度计算P:油缸推力:焊缝效率，可取0.7：焊条材料得抗拉强度n:安全系数，取n3.34并查到焊条材料的抗拉强度为900Mpa1200Mpa(手工焊条)，因此缸体与缸底得焊缝强度是满足要求得。7.液压油缸其他零件结构尺寸得确定由于液压缸的工作负载较小，所以选定液压缸的工作压力为低压。取额定工作压力为2.0。液压缸系统图如下图所示： 图 4-3整个油缸安装在下部伸缩臂基座上。（1）活塞与活塞杆得连接结构：油缸在一般工作条件下，活塞与活塞杆采用螺纹连接。其形式如图所示 图4.4（2）活塞杆导向套：做成一个套筒，压入缸筒，靠缸盖与缸筒得连接压紧固定，材料选用铸铁材料。基本结构为： 图4.5图中：1为缸盖，2为橡胶防尘圈，3为活塞杆，4为活塞杆导向套。（3）活塞与缸体得密封。采用O型密封圈密封。选用36.5内径，截面直径为3.55mm.其基本形式如下： 图 4.6图中：1即为O型密封圈，2则为活塞。活塞与缸体之间靠O型密封圈密封。（4）活塞杆端部结构形式及尺寸端部结构形式有：外螺纹的，内螺纹的，光滑的，球形，耳环等等。此处因活塞杆固定，选用外螺纹连接形式。其基本结构如下： 图4.7图中各尺寸可查液压传动设计手册得，当d20mm时，取.L=(1.21.5), 4.3.2导向杆机构设计1.导向机构的作用保证伸出活塞杆时的方向性和伸缩量的准确性以及提供机构刚度等都是导向机构的作用。2.导向机构的外形尺寸及材料导向选择矩形导轨导向，导轨为伸缩臂基座上得一部分，经加工而成；滑台则在其上滑动且滑台得端部靠法兰安装夹持器部分。材料选择为45号钢.，如图4.8所示：图4.8图中：1为滑台，2为伸缩臂基座，3为矩形导轨的压板。此处矩形导轨是直接在基座上加工出来的，滑台在导轨面上滑动，靠压板来固定调节。基座臂厚为10mm.。3.矩形导轨的弯曲强度及挠度的校核(1)导轨的弯曲应力 (4-8) 根据（4-8）可得： 符合要求。因为只计算了一边得矩形导轨，由结构可知还有另外一边得导轨支撑，故满足条件。(2)杆的挠度 此杆为一悬臂梁，根据简单载荷作用下梁的挠度和转角公式：， （4-9）式中：EI是截面抗弯刚度 ： 本式计算是完全把载荷加在导轨上，实际是载荷由导轨和活塞杆共同承受，所以导向杆的挠度会更小，符合设计要求。转角 = 符合要求。(3)导轨的表面处理及润滑导轨表面淬火，不仅能使表面硬度增加而且导向杆的耐磨性也加强了，也可以保证导向杆的韧性，但导轨精度要求必需要精加工才能提高；导轨的润滑可采用润滑油润滑，或是采用润滑脂润滑。本设计采用润滑脂润滑。伸缩臂基座与升降臂相连靠伸缩臂基座底部的法兰。用4个M12的内六角圆柱头螺钉固定。4.伸缩臂范围控制与调整伸缩臂伸缩范围控制靠活动挡块与行程开关。设备附件活动挡块，它用在当设备安装好后，可以靠它在小范围内调节臂的伸长量，其结构图如图4.6所示此活动挡块可套装在导向杆上，a处可以压住行程开关压柱，从而压动行程开关使行程开关实现动作。此外除上述调节外，还可以调节连接件的旋入导向杆和液压活塞杆的长度，实现对伸长度的微调。保证把工件精确地放在加工机床作业台上。行程开关使用LXW4-11型微型开关。第5章 夹持器夹持器驱动系统的设计5.1夹持器驱动系统设计要求本设计的机械手属于液压机械手。具有手臂伸缩，回转，升降，手腕回转四个自由度。因此，相应地有手腕回转机构、手臂伸缩机构，手臂回转机构，手臂升降机构等机构。这些机构都是用液压缸或液压马达驱控制和驱动。设计要求（1）满足工业机械手动作顺序要求。而这个要求是靠电控系统按照程序控制电磁铁依次步进动作而实现。（2）机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。它要求伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（3）液压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求。5.2夹持器驱动系统设计方案采用叶片泵供油，动作顺序：从原位开始升降臂下降夹持器夹紧升降臂上升底座快进回转底座慢进手腕回转伸缩臂伸出夹持器松开伸缩臂缩回；待加工完毕后，伸缩臂伸出夹持器夹紧伸缩臂缩回底座快退(回转)底座慢退手腕回转升降臂下降夹持器松开升降臂上升到原位停止，准备下次循环。上述动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁（电磁换向阀），按程序依次步进动作而实现。（1）各液压缸的换向回路本设计采用可编程控制器进行控制，是为机械手能更好的的自动控制，前文分析可以知道系统的流量和压力都不是很高，所以本设计选用电磁换向阀回路，这样更能较好的获得的自动化成都和经济效益。液压机械手采用单泵供油，手腕回转，手臂伸缩，夹持动作采用并联供油，这样可有效降低系统的供油压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干扰，实现同步或非同步运动，换向阀采用中位“O”型换向阀。（2）调速方案整个液压系统只用单泵工作，各液压缸所需的流量相差较大，各液压缸都用液压泵的全流量是无法满足设计要求的。尽管有的液压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速，用以保证液压缸的平稳运行。各缸可选择进油路或回油路节流调速，选用节流阀调速。单泵供油系统以所有液压缸中需流量最大的来选择泵的流量。系统较为简单，所需元件较少，经济性好，考虑到系统功率较小，其溢流损失也较小。（3）缓冲回路伸缩臂处设置缓冲回路，使用单向节流阀（4）系统安全可靠性夹紧缸在夹紧工件时，为防止失电等意外情况，设置锁紧保压回路。手臂升降缸在系统失压的情况下会自由下落或超速下行，所以在回路中设置平衡回路。5.3夹持器驱动系统设计5.3.1分功能设计分析（1）为了保证运动过程中不使工件掉下，因此本夹持器采用单出杆双作用缸，夹持器夹紧工件后，锁紧回路由单向阀和先导型顺序阀组成。顺序阀的设置在夹持器松开回油过程中起到缓冲作用。（2）手臂伸缩采用单出杆双作用缸，手臂伸出时，由单向阀和节流阀组成的调速回路进行回油节流调速。手臂缩回时，回油路设置调速阀以完成缓冲作用。（3）伸缩臂进油路设置蓄能保压回路，伸出完全后，进油路压力升高，压力继电器发出电信号导致换向阀通电，泵卸荷，单向阀自动关闭，由蓄能器保压。（4）手臂升降运动采用单出杆双作用缸，上升和下降均由单向调速阀回油节流。因为升降缸为立式，在其液压缸下腔油路中安装单向顺序阀，避免因整个手臂运动部分的自重而下降，起支撑平衡作用。（5）底座回转采用摆动液压缸，正反方向均采用单向调速阀调速。由于回转部分的重量大，回转长度长，因此手臂回转时具有很大的动能。为此，除采用调速阀的回油节流阀调速阀外，还在回油路上安装双溢流阀，进行减速缓冲。（6）单泵供油，采用先导型溢流阀卸荷，设置二位二通换向阀。5.3.2液压泵的确定与所需功率计算系