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弹簧 钢板 淬火 机械手 及其 液压 系统 设计

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弹簧钢板淬火机械手及其液压系统的设计,弹簧,钢板,淬火,机械手,及其,液压,系统,设计

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湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）中期检查表学 部： 理工学部 学生姓名 曾涛学 号200741914226年级专业及班级2007级机械设计制造及其自动化(2)班指导教师及职称陈文凯副教授毕业论文（设计）题目弹簧钢板淬火机械手及其液压系统的设计毕业论文（设计）工作进度已完成的主要内容尚需解决的主要问题指导教师意见指导教师签名： 年 月 日检查（考核）小组意见检查小组组长签名： 年 月 日湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）任务书学生姓名曾涛学 号200741914226年级专业及班级2007级机械设计制造及其自动化(2)班指导教师及职称陈文凯副教授 20 年 月 日填 写 说 明一、毕业论文（设计）任务书是学院根据已经确定的毕业论文（设计）题目下达给学生的一种教学文件，是学生在指导教师指导下独立从事毕业论文（设计）工作的依据。此表由指导教师填写。二、此任务书必需针对每一位学生，不能多人共用。三、选题要恰当，任务要明确，难度要适中，份量要合理，使每个学生在规定的时限内，经过自己的努力，可以完成任务书规定的设计研究内容。四、任务书一经下达，不得随意更改。五、各栏填写基本要求。（一）毕业论文（设计）选题来源、选题性质和完成形式：请在合适的对应选项前的“（ ）”内打“”，科研课题请注明课题项目和名称，项目指“国家青年基金”等。（二）主要内容和要求：1工程设计类选题明确设计具体任务，设计原始条件及主要技术指标；设计方案的形成（比较与论证）；该生的侧重点；应完成的工作量，如图纸、译文及计算机应用等要求。2实验研究类选题明确选题的来源，具体任务与目标，国内外相关的研究现状及其评述；该生的研究重点，研究的实验内容、实验原理及实验方案；计算机应用及工作量要求，如论文、文献综述报告、译文等。3文法经管类论文明确选题的任务、方向、研究范围和目标；对相关的研究历史和研究现状简要介绍，明确该生的研究重点；要求完成的工作量，如论文、文献综述报告、译文等。（三）主要参考文献与外文资料：在确定了毕业论文（设计）题目和明确了要求后，指导教师应给学生提供一些相关资料和相关信息，或划定参考资料的范围，指导学生收集反映当前研究进展的近13年参考资料和文献。外文资料是指导老师根据选题情况明确学生需要阅读或翻译成中文的外文文献。（四）毕业论文（设计）的进度安排：1设计类、实验研究类课题实习、调研、收集资料、方案制定约占总时间的20%；主体工作，包括设计、计算、绘制图纸、实验及结果分析等约占总时间的50%；撰写初稿、修改、定稿约占总时间的30%。2文法经管类论文实习、调研、资料收集、归档整理、形成提纲约占总时间的60%；撰写论文初稿，修改、定稿约占总时间的40%。六、各栏填写完整、字迹清楚。应用黑色签字笔填写，也可使用打印稿，但签名栏必须相应责任人亲笔签名。毕业论文（设计）题目弹簧钢板淬火机械手及其液压系统的设计选题来源（ ）结合科研课题 课题名称： （）生产实际或社会实际 （ ）其他选题性质（）基础研究 （）应用研究 （）其他题目完成形式（）毕业论文（）毕业设计 （）提交作品，并撰写论文主要内容和要求该机械手用于钢板弹簧淬火热处理中工件的抓取。钢板弹簧热处理时，当钢板在淬火机中完成弯曲和淬火后，板簧被推入到油槽中，然后由机械手抓取并放入回火炉中进行回火处理。机械手完成此项工作需保持所需的速度。机械手主体安装在带燕尾导轨的拖尾上，机械手的动作机构由前后移动机构、水平回转机构、转腕机构、夹紧机构、伸缩机构、行走机构等几部分组成，除行走机构采用液压马达驱动外，其他各部分均采用液压缸传动；整个机械手的工作过程采用PLC控制。表1 钢板弹簧淬火机械手主要技术参数项目参数单位结构形式圆柱坐标行走式自由度5个钳口形式双钳口前后移动最大距离600mm手臂最大伸缩距离200Mm d 水平回转角度180（）手腕仰俯角度90（）工作行走距离5000mm最大行走速度1000mm/min最大夹持重量1000N说明：设计工作量应至少完成折合A0号图纸三张和一份12000字以上的设计计算说明书。注：此表如不够填写，可另加附页。主要参考文献与外文资料1 张利平.现代液压技术应用220例M.北京：化学工业出版社，2009.2 成大先.机械设计手册单行本液压传动与控制M.北京：机械工业出版社，2007.3 张利平.液压传动系统及设计M.北京:化学工业出版社，2005.4 王守城，段俊勇.液压元件及选用M.北京:化学工业出版社，2007.5 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理M.北京:高等教育出版社，2006.6 濮良贵，纪名刚.机械设计第八版M.北京:高等教育出版社，2006.7 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册第3版M.北京:高等教育出版社，2006.8 国外工业机械手夹持器图册M.上海:上海科学技术情报研究所，1978.9 加藤一郎，机械手图册M.上海:上海科学技术出版社，1979.10 工业机械手图册编写组.工业机械手图册M.北京:机械工业出版社，1978.11 胡黄卿，液压系统的逻辑链图J. 南昌水专学报 , 1999,(04).12 李玉军，液压系统的故障检测J. 农机使用与维修 , 2002,(03).13 王春行.液压控制系统第2版M. 北京：机械工业出版社，2005.工作进度安排起止日期主要工作内容2010.9.152010.9.18选题2010.9.192010.9.21下达任务书2010.9.222010.9.25开题2010.9.262011.3.01设计2011.3.022010.3.05中期考核2011.3.052011.4.30完善与总结课题2011.4.302011.5.10提交正稿与指导教师评阅2011.5.102011.5.28专业委员会评阅，答辩与修改定稿要求完成日期：20年月日 指导教师签名： 审查日期：20 年月日 专业负责人签名： 批准日期：20 年月 日 接受任务日期：20 年 月 日； 学生本人签名： 湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）开题论证审批表学生姓名曾涛学 号200741914226年级专业及班级2007级机械设计制造及其自动化(2)班指导教师及职称陈文凯 副教授开题时间2010年9月 22日毕业论文（设计）题目弹簧钢板淬火机械手及其液压系统的设计文献综述（选题研究意义、国内外研究现状、主要参考文献等）选题研究意义：机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。国内外研究现状：当今国内外弹簧钢板淬火机械手的设计生产已基本上形成系列化，设计制造工艺娴熟，使用方便操作简单，但也仍有不足之处，如机器使用时噪音大，常用零件易磨损，更换不方便等，希望能在以后的设计中完善创新，不断优化，以促进搅拌机在人们生活领域内的广泛使用。目前，国内外均往机械手各方面应用进行研究探讨，机械手已在各行各业起到越来越大的作用，这是我们今后对此类机械研究的重点、难点。主要参考文献1 张利平.现代液压技术应用220例M.北京：化学工业出版社，2009.2 成大先.机械设计手册单行本液压传动与控制M.北京：机械工业出版社，2007.3 张利平.液压传动系统及设计M.北京:化学工业出版社，2005.4 王守城，段俊勇.液压元件及选用M.北京:化学工业出版社，2007.5 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理M.北京:高等教育出版社，2006.6 濮良贵，纪名刚.机械设计第八版M.北京:高等教育出版社，2006.7 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册第3版M.北京:高等教育出版社，2006.8 国外工业机械手夹持器图册M.上海:上海科学技术情报研究所，1978.9 加藤一郎，机械手图册M.上海:上海科学技术出版社，1979.10 工业机械手图册编写组.工业机械手图册M.北京:机械工业出版社，1978.11 胡黄卿，液压系统的逻辑链图J. 南昌水专学报 , 1999,(04).12 李玉军，液压系统的故障检测J. 农机使用与维修 , 2002,(03).13 王春行.液压控制系统第2版M. 北京：机械工业出版社，2005.研究方案（研究目的、内容、方法、预期成果、条件保障等）研究目的：研究弹簧钢板淬火机械手及其液压系统，对机械手进行结构分析，设计相应的液压系统。研究内容：1、液压系统结构特点及计算分析；2、液压组件油路设计；3、油路板的设计；4、液压系统图的设计；5、液压系统结构及安装设计；6、机械手工作过程。研究方法：收集并整理资料对机械手结构进行分析，拟定出液压原理草图选择液压执行器配件及分析计算画出液压系统图及组件油路图预期成果：1、设计出结构合理、操作简单、动作可靠，使用寿命长的液压系统；2、进行必要的设计计算；3、设计油路板；4、绘制液压系统图；5、绘制液压系统安装简图 ；6、编写设计说明书。条件保障：此次设计由陈文凯老师的进行指导,并查阅学校图书馆相关手册及文献，利用网络资源进行设计。进程计划（各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等）工作进度安排： 1 2010.09.262010.10.01 收集并整理资料2 2010.10.22011.03.01 完成初步计算和液压系统草图3 2011.03.022011.03.05 中期考核4 2011.03.062011.04.30 完善图纸与说明书5 2011.04.302011.05.10 提交初稿与预审6 2011.05.102011.05.28 专业委员会评审，答辩与修改定稿开题论证小组意见组长签名： 20 年 月 日专业委员会意见 专业教研室主任签名： 20 年 月 日 湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）开题论证记录学 部： 理工学部 学生姓名曾涛学 号200741914226年级专业及班级2007级机械设计制造及其自动化专业(2)班指导教师姓名陈文凯指导教师职称副教授毕业论文（设计）题目弹簧钢板淬火机械手及其液压系统的设计论证小组质疑及指导意见:学生回答简要记录:论证小组成员签名 记录人签名： 论证时间： 年 月 日 注：记录、签名栏必须用黑色笔手工填写。湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）成绩评定册学生姓名曾涛学号200741914226年级专业及班级2007级机械设计制造及其自动化(2)班指导教师及职称陈文凯 副教授毕业论文（设计）题目弹簧钢板淬火机械手及其液压系统的设计完成时间20 年 月 日答辩时间20 年 月 日摘要：在钢板弹簧热处理过程中，当钢板在淬火机中完成弯曲和淬火后，钢板弹簧被推入到油槽中，然后油机械手抓取并放入贯通式回火炉中进行回火处理。由于工作环境恶劣，劳动强度大，无法由人工进行此项操作，必须由机械手完成此项工作，并保持所需的速度。原机械手控制系统由步进选线器构成，硬件故障多，又不易根据工艺参数的变化改变控制逻辑，从而造成对生产的影响。应用PLC技术对原系统进行改造，使新的控制系统的外围电路简单，易于维修，可靠性和逻辑变更柔性获得很大的提高。关键词：机械手；贯通式回火炉；步进选线器；PLC技术。答辩资格审查意见： 专业委员会主任签名：20 年 月 日指导教师评语： 指导教师建议成绩： 指导教师签名： 20 年 月 日评阅教师评语：评阅教师建议成绩： 评阅教师签名：20 年 月 日答辩小组评语： 答辩小组建议成绩： 组长签名：20 年 月 日成绩评定综合成绩（百分制）：分折合五级记分制成绩：答辩委员会审查意见： 答辩委员会主任签名：20 年 月 日指导教师指导检查学生进行毕业论文（设计）工作情况登记表系（部）名称：理工学部指导教师姓名：陈文凯时 间地 点指导、检查的主要内容学生签名注：此表在每次指导、检查工作时由学生带来，指导教师填写。内容包括学生的学习、工作态度；毕业论文（设计）工作的进展情况；论文（设计）工作中尚需解决的问题等。湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）选题审批表专业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目弹簧钢板淬火机械手及其液压系统的设计选题来源（ ）结合科研课题 课题名称： （）生产实际或社会实际 （ ）其他选题性质（ ）基础研究 （）应用研究 （ ）其他选题完成形式（ ）毕业论文 （）毕业设计 （ ）提交作品，并撰写论文指导教师姓名陈文凯职称副教授是否主持或参与过科研课题（）是（ ）否选题依据（科学性、可行性论证）和内容简要工业机械手由执行机构、驱动系统和电气控制系统构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。随着自自动线的高速、高度自动化，要求供料机构更加灵活、柔性化，在机械加工、冲压、锻造、热处理、装配等劳动强度大的生产过程中以及易燃、易爆、有毒、多尘等恶劣工作环境中，液压机械手被广泛的用于自动取料、上料、卸料、搬运工件和自动换取工具等。 为了提高学生的实际能力，培养社会急需的有创新精神的应用型人才，我们从生产实际中选用了该毕业设计题目弹簧钢板淬火机械手及其液压系统的设计。专业委员会意见: 专业委员会主任签名： 年 月 日弹簧钢板淬火机械手及其液压系统的设计 学 生：曾 涛指导老师：陈文凯(湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128)摘 要：首先明确弹簧钢板淬火机械手及其液压系统的要求，然后通过给定的技术参数表里的设计参数，确定液压执行元件的载荷力、系统工作压力和液压缸的主要结构尺寸以及机械手的结构设计，制定系统方案，拟定液压系统图，然后进行液压元件的选择，最后对系统性能进行验算。在具体的结构设计中，主要是针对系统中涉及到机械手，液压系统的设计等。关键词：机械手的设计；液压元件；弹簧钢板淬火Design of Spring Steel Quenching Manipulator and Its Hydraulic Pressure System Student: Zeng Tao Tutor: Chen Wen- kai（Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128）Abstract: Firstly, is to make clear about the request of Spring Steel Quenching Manipulator and its hydraulic pressure system, to define the fluid good parts Dutch strength, the department working strength as well as the fluid cylinders main construction size, the formulation is a plan, decides the fluid department through the technique outside and inside fluid department which decides then, to choose the Hydraulic element , finally is to calculate the performance line. In the concrete construction, is mainly aim to research the design about Manipulator , Hydraulic Pressure System and so onKey words: design of Manipulator; hydraulic element ; steel board springs quenching1 前言机器人技术集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。在传统的制造领域，工业机器人经过诞生、成长、成熟期后，已成为不可缺少的核心自动化设备，目前世界上约有近百万台工业机器人正在各种生产现场工作。在非制造领域，上至太空舱、宇宙飞船、月球探险，下至极限环境作业、医疗手术、日常生活服务，机器人技术的应用已拓展到社会经济发展的诸多领域。科学技术的不断进步，推动着机器人技术不断发展和完善；机器人技术的发展和广泛应用，又促进了人民生活的改善，推动着生产力的提高和整个社会的进步。机器人技术作为当今科学技术发展的前沿学科，将成为未来社会生产和生活不可缺少的一门技术。然本课程设计主要考虑在淬火上的应用。在钢板弹簧热处理过程中，当钢板在淬火机中完成弯曲和淬火后，钢板弹簧被推入到油槽中，然后油机械手抓取并放入贯通式回火炉中进行回火处理。由于工作环境恶劣，劳动强度大，无法由人工进行此项操作，必须由机械手完成此项工作，并保持所需的速度。原机械手控制系统由步进选线器构成，硬件故障多，又不易根据工艺参数的变化改变控制逻辑，从而造成对生产的影响。应用PLC技术对原系统进行改造，使新的控制系统的外围电路简单，易于维修，可靠性和逻辑变更柔性获得很大的提高。机械手主要安装在带燕尾导轨的拖尾上，机械手由以下部分组成：1）前后移动机构。机械手主体安装在带燕尾导轨的拖尾上，通过油缸作前后移动。2）水平回转机构。用双活塞齿条油缸带动回转轴作水平180度回转，在缸头有缓冲装置。3）转腕机构。通过两个安装在机械手座架两侧的直线油缸推动齿条，带动转腕轴上的齿条使手腕仰俯转动，两个油缸靠回转轴达到机械同步。4）夹紧机构。夹紧油缸推动滑块在钳柄斜槽内滑动，使钳手夹紧。为防止温度很高的工件被夹伤，夹紧机构装有减压阀以降低压力。5）伸缩机构。伸缩油缸活塞左右运动，带动夹紧油缸和钳手水平移动，机械手即伸出或收回。6）行走机构。用一台轴向柱塞油马达经齿轮减速后带动主动轮在轨道上移动，同时轴上齿轮还与安装在地面的齿条相吻合，以防工作时轮子打滑而影响定位。在不需要工作时可利用轮子行走至非工作区。油马达通过快慢速度变换和自动阀制动来控制其定位。 2 技术特点与介绍1）钢板淬火机械手采用液压传动和PLC控制，使得高温恶劣环境下人工无法操作的工件抓取和放置作业由机械手自动完成。2）机械手的液压系统采用定量泵供油的调速阀回油节流调速方式；需二次调速的执行器采用两个调速阀并联并由电磁换向阀进行速度换接；行走液压马达、转台行走缸和水平回转缸除采用调速阀外，其进出油口均设置有行程节流阀，以减小换向冲击，提高定位精度。3）机械手采用可编程序控制器组成电控系统，外围电路简单，易于维修，可靠性和逻辑变更柔性高；可以克服由电子逻辑器件和继电器组成的电控系统易受环境干扰、故障率高和维修困难等缺陷，可以提高产品质量和生产效率。通过修改软件，容易满足工艺要求的变更。4）该系统可推广至工况相近的机械手中14。2.1 钢板弹簧淬火机械手主要技术参数 表1 钢板弹簧淬火机械手主要技术参数14 Table 1 The main technical parameters of leaf spring quenching manipulator项目参数单位结构形式圆柱坐标行走式自由度5个钳口形式双钳口 前后移动最大距离600mm 手臂最大伸缩距离 200mm 水平回转角度 180（）手腕仰俯角度90（）工作行走距离5000mm最大行走速度1000mm/min最大夹持重量1000N3 夹钳式手部设计的基本要求1）应具有适当的夹紧力和驱动力手指握力(夹紧力)大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工仍：力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件夹持安全可靠。而对手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。由于机构传力比不同，在一定炉火持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。2）手指应具有一定的开闭范围手指应具有足够的开闭角度(手指从张开到闭合绕支占冈；转过的角度)或开闭距离(对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离)，以便于竹单成退出工件。 3）应保证工件在手指内的夹持精度应保证每个被夹持的工件，在手指内部有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持；目对的位置精度。4）要求结构紧凑，重量轻、效率高在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。5）应考虑通用性和特殊要求一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持；同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法。如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温，耐腐蚀。能承受锻锤冲击力等。3.1 机械手的选择及其分析计算各种夹紧装置驱动力计算手爪的结构很多，在设计和确定手爪的结构方案时，一方面应根据实际要求选取具体的结构，另一方面必须进行力的分析，以便在设计选取时进行比较，才能正确选择手爪结构方案，确定各构件的尺寸，以满足夹持工件钓具体要求。设计者可根据1表2-1所列的机构进行选取。3.1.1 手指夹紧缸已知该机械手要求的最大夹持力,根据该机械手的实际工况，要求该机械手能够夹取扁型钢板，所以采用平行连杆式钳爪进行夹取。平行连杆式钳爪的主要结构示意图如图1所示14。图1 平行连杆式钳爪示意图Figure 1 Sketch of structure about parallel linkage gripper arm根据该传力机构理论驱动力计算公式1，已知如图（1）加持手手部在工作过程中，其实际驱动力的大小，除按照理论驱动力计算外，还应考虑传力机构的效率及工作运送过程中所产生的惯性力等因素的影响。 实际驱动力计算公式为10：（2）式中 -理论驱动力； -安全系数，取1.5-2； -工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按下式估算：（3）其中 为手部抓取工件后手臂运动的最大加速度（）， 为重力加速度（）-传力机构的机械效率，一般。因为机械手在夹持过程中，属于缓慢移动，可以是为零，所以实际驱动力（4）初选系统的工作压力：根据参考文献10表23.4-2，按载荷选择工作压力，初步选择工作压力为。计算液压缸的主要结构尺寸a)图2 液压缸主要设计参数 Figure 2 The main design parameters of hydraulic cylinder液压缸有关设计参数见图2。上图为液压缸活塞杆工作在受压状态，下图为活塞杆工作在受拉状态。活塞杆受压时（5）活塞杆受拉时（6） 式中 -无杆腔活塞有效作用面积（）；-有杆腔活塞有效作用面积（）;-液压缸工作腔压力（）-液压缸回油腔压力（），即背压力。-活塞直径（）；-活塞杆直径（）。根据参考文献10表23.4-5选取，表23.4-4选取回油路带调速阀的系统被压力，由参考文献10式23.4-18得出：（7）由参考文献10表23.4-7常用液压缸内径，圆整为由杆径比，求出活塞杆直径，由参考文献10表23.4-8可查的活塞杆直径。 夹紧缸有杆腔和无杆腔实际作用面积：无杆腔 有杆腔 根据液压行业技术标准，查参考文献10选取HSG型液压缸。3.1.2 伸缩液压缸伸缩液压缸的负载只要考虑所夹持工件的重量和夹紧液压缸的重量所产生的摩擦负载，所以 （8） （9）根据液压行业技术标准，圆整10mm,同样查参考文献10选取HSG型液压缸。3.1.3 转腕液压缸，回转液压缸，转台行走液压缸，行走车液压马达因为转腕液压缸要带动机械手的转动，实现手腕的的仰俯，所以在设计过程中，需要采用直线液压缸两个，推动齿条，带动转腕轴上的齿条使机械手的手腕俯仰转动。该液压缸的活塞杆未带活塞部分带有齿条，以带动转腕轴上的齿条使机械手的手腕仰俯转动，两个液压缸考回转轴实现刚性同步。而对于转台行走液压缸以及行走车液压马达需根据系统的油压进行计算。手臂回转液压缸，当手指夹着工件，手臂旋转时，液压缸需克服的摩擦力矩最大。 （10）所选液压马达的型号及参数如表2所示。表2 液压马达型号及参数Table 2 The model and parameters of hydraulic motor型号额定转速（r/min)额定转矩（NM)额定压力(Mpa)排量（Ml/r)流量(L/min)减速机马达CM-C10C180017.21010.919.63.2 液压缸的其他技术要求1)缸筒与端盖的连接形式 由于机械手要求外形尺寸小，重量轻，故采用螺纹式连接；2)缸筒、端盖和导向套的基本要求缸筒内孔一般采用镗削、绞孔、滚压或磨等精密加工工艺制造，要求表面粗糙度在，使活塞及其密封件、支撑件能顺利滑动，从而保证密封效果，减少磨损；缸筒要承受很大的液压力，因此，应具有足够的强度和刚度；导向套对活塞杆起导向和支撑作用，一般采用摩擦系数小，耐磨性好的聚四氟乙烯制作；3)活塞和活塞杆的连接形式由于机械手工作时振动较大，要求连接强度高且具有减震能力，故选择半环式连接；4)活塞组件的密封在活塞的外圆表面一般开几道宽的环形沟槽，称平衡槽，其作用如下：使活塞具有自位性能，由于活塞的几何形状和同轴度误差，工作压力油在密封间隙中的不对称分布形成一个径向不平衡力，称为液压卡紧力，它使摩擦力增大，开平衡槽后，使得径向油压力趋于平衡，使活塞的对中减小油液的泄漏量，提高了密封性能；自润滑作用，油液储存在平衡槽内，使活塞能自动润滑。同时还采用Y型密封。Y型密封的截面为Y形，属唇型密圈，主要用于往复运动的密封。Y形圈的密封作用取决于它的唇边对耦合面的紧密接触程度。在压力油作用下，唇边对耦合面产生较大的接触压力，从而达到密封的目的。当液压力升高时，唇边与耦合面贴得更紧，接触压力更高，密封性能更好；5)缓冲装置当液压缸拖动负载的质量较大、速度较高时，一般应在液压缸中设缓冲装置，必要时还需要在液压缸传动系统中设缓冲回路，以免在行程终端发生过大的机械碰撞，导致液压缸损坏，缓冲的原理是当活塞或缸筒接近行程终端时，在排油腔内增大回油阻力，从而降低液压缸的运动速度，避免活塞与缸盖相撞。3.3 液压缸压力验算在机械手的机身回转运动中所采用的回转缸是单叶片式摆动缸，它的原理如图3所示10： 图3 回转气缸简图Figure 3 Diagram of Rotating air cylinder定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把腔分隔成两个.当液体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的液体从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。叶片J缸的压力p和驱动力矩M的关系为: (11)式中M- 回转缸的驱动力矩(Ncm);P- 回转缸的工作压力(Ncm);R- 缸体内壁半径(cm);r- 输出轴半径(cm);b 动片宽度 (cm).代人数据得： （12） =2.8Mpa3Mpa满足设计要求 3.4 手爪的夹持误差分析与计算机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度(由臂部和腕部等运动部件确定)，而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，-避免产生手指夹持的定位误差，必须注意选用合理的手部结构参数，(参见图2-9) 1从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过lmm就可以了。这就可以在满足定位精度的条件下，采用简单的回转型手爪。而避免单纯追求自动定心，而使设计出的结构过分复杂。4 驱动系统设计要求及选择本次设计的工业机械手属坐标式机械手。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，手臂升降机构等构成。设计要求1）满足工业机械手动作顺序要求。动作顺序的各个动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁，按程序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。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调；3）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。本次设计采用液压传动的控制方式,相比其他传动控制方式,液压传动有以下优点:1）在同等的体积下,液压装置能比电气装置产生更大的动力。在同等的功率下，液压装置的体积和质量小，即其功率密度大，结构紧凑。液压马达的体积和质量只有同等功率电动机的12%左右；2）液压装置工作比较平稳。由于质量和惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁换向；3）液压装置能在大范围内实现无级变速，它还能在运行过程中调速；4）液压传动易于对液体压力、流量或流动方向进行调节和控制。当将液压控制和电气控制、电子控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，也能实现远程控制和自动化；5）液压装置易于实现过载保护；6）由于液压元件已实现标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便；（7）用液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单。4.1 动力元件定量泵的选择液压泵是标准元件，其选择的依据是额定压力和流量。整个系统由一个定量泵供油，只要确定最大的工作压力和最大的流量就可以确定液压泵的参数。由分析可知：实际流量： （13）实际压力： （14）查参考文献10机械设计手册P23-68,表23.5-6，选择CB32型齿轮泵,技术参数见表3。 表3 齿轮泵型号及参数Table 3 The model and parameters of Gear pump型号排量/压力/转速/容积效率（%）驱动功率重量/额定最高额定最高CB32321012.515008.726.4根据所选的CB32齿轮泵的参数，从机械设计课程设计手册第三版P167表12-1选择Y160M-4,同步转速为1500，额定功率为11kw的电动机。4.2 控制元件电磁换向阀、压力阀、流量阀、平衡阀的选择控制元件是标准件，其选择依据是系统的最高工作压力和通过该阀的最大流量1 方向控制阀电磁换向阀：按选DSG-01-3C型电磁换向阀8个（四个三位四通O型机能电磁阀；两个二位四通电磁阀；两个二位二通电磁换向阀）；单向阀：按 选S型单向阀1个；2 压力控制阀减压阀：按 选DR6DP直动式减压阀1个；卸荷溢流阀：按 选DA型先导式卸荷溢流阀1个；3 流量控制阀调速阀：按 选取FCG-3-16-H-10型流量控制阀9个；单向行程节流阀：按 选取ZC-G-06-22型单行行程节流阀6个.按照元件计算结果见表4。表4 液压阀型号及参数 Table 4 The model and parameters of Hydraulic valve名称工作压力（MPA)流量（L/MIN）型号数量方向控制阀电磁换向阀1136.08DGC-01-3C8单向阀1136.08SV101压力控制阀减压阀1136.08DR6DP1卸荷溢流阀1136.08DA101流量控制阀调速阀1136.08FCG-3-16-H-109单向行程节流阀1136.08ZC-G-06-2265 对液压系统的要求1)液压缸设计：在确保其密封性的同时，尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件，以减小摩擦阻力，提高液压缸的寿命；2)定位点的缓冲与制动：因机械于手臂的运动惯量较大，在定位点前要加缓冲与制动机构或锁紧装置；3)对惯性较大的运动轴和接近机械手末湍的腕部运动轴的液压缸两侧，最好加设安全保护装置，防止因碰撞过载损坏机械结构。4)为保证安全生产，系统应有安全连锁装置。5.1 液压系统传动方案的确定(一)各液压缸的换向回路为便于机械手的自动控制，如采用可编程序控制器或微机进行控制，从工况图中可知系统跃压力和流量都不高，因此一般都选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济汪益。液压机械手一般采用单泵或双泵供油，手臂伸缩，手臂俯仰和手臂旋转等机构采用并联供油，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，换向阀需采用中位O型换向阀。(二)调速方案整个液压系统只用单泵或双泵工作，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工作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，用以保证液压缸运行的平稳运行。各缸可选择进油路或回油路节流调速，因为系统为中低系统，一般适宜选用节流阀调速。 图 图4 液压系统传动方案示意图Figure 4 The force diagram of hydraulic pressure systems transmission scheme 机械手的手臂伸缩和手臂俯仰或升降缸采用两个单向节流阀来实现。在一般情况下，机械手的各个部位是分别动作的，手腕回转缸和手臂回转缸(或升降)所需的流量较为接近，手腕回转缸和手臂回转缸及夹紧缸所需流量较为接近，且它们两组缸所需的流量相差较大，这样可以选择如图所示单泵供油系统。此单泵供油系统要以所有液压缸中需流量最大的来选择泵的流量。优点是系统较为简单，所需的元件较少，经济性好。缺点是当所需流量较少的液压缸(如手腕回转缸、夹紧缸等)动作时，能源利用率较低。对于系统功率较小的场合是可取的。(三)减速缓冲回路通用工业机械手要求可变行程，它是由微机控制，可在行程中任意点定位，故应在液压系统中采用缓冲装置，形成缓冲回路9。 5.1.1 各部分液压回路设计1）手部采用一个单作用直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。在液压回路中采用二位四通阀，通过5YA来控制。同时在加以调速阀和减压阀起背压作用，保证机械手工作时的可靠性。其液压原理图5所示10:图5 手部液压图 图6 臂部液压图Figure 5 Hydraulic diagram of Mechanical hand Figure 6 Hydraulic diagram of arm department2）臂部采用直线缸来实现平动，通过一个三位四通电磁阀来实现手臂的左右运动，同时在回油路上用一个调速阀来实现调速。其原理如图6所示：3）机身采用转腕回转缸来实现回转。机身的转腕采用三位四通电磁换向阀来实现，采用一个二位二通电磁换向阀和两个调速阀实现调速。在回转回路上设置液压锁，提高可靠性和安全性。其液压原理图分别如图7所示： 图 图7 机身液压图Figure 7 Hydraulic diagram of Fuselage5.1.2 供油系统本系统采用单泵供油，同时在油路上设置单向阀起到防止回油的作用，通过并联一溢流阀和两位二通电磁阀分别来实现齿轮泵的过载保护与卸荷作用。其液压原理如图8所示：图8 供油液压图Figure 8 Hydraulic diagram of fuel system5.2 钢板弹簧淬火机械手液压系统原理图图9 钢板弹簧淬火机械手的液压系统原理图Figure 9 Hydraulic system schematic diagram of Steel Board Springs Quenching Robot5.2.1 钢板弹簧淬火机械手液压系统工作原理机械手的液压系统原理图如图2所示。系统的油源为定量液压泵10，其供油压力由溢流阀12设定并可通过压力表38显示，单向阀11用于防止液压油倒灌电磁换向阀13与调速阀22配合用于旁路调节进入系统的总流量。液压系统的执行器有五种（六个）液压缸和一个液压马达。整个机械手沿燕尾导轨的前后移动由液压缸6驱动，缸6的运动方向由电磁换向阀16控制，单向行程节流阀32/33和调速阀23用于控制缸6的移动速度；机械手的水平回转由双活塞齿条液压缸5（端部有缓冲装置）带动回转轴作水平180回转，缸5的运动方向由电磁换向阀18控制，单向行程节流阀36、37和调速阀26用于控制缸5的速度；安装在机手座架4两侧的直线液压缸9（两个）推动齿条，缸9的运动方向由电磁换向阀19控制，缸9的运动速度控制与快慢速切换由调速阀27、28和电磁换向阀15控制；液压缸2推动滑块在钳柄斜槽内滑动，使钳手1夹紧，为防止温度很高的工件被夹伤，夹紧缸2的油路上设有减压阀31以降低压力，夹紧缸2的运动方向和速度由电磁换向阀20和调速阀29控制；液压缸3带动夹紧液压缸2和钳手1水平移动，实现机械手的伸出或收回，缸3的运动方向和速度由电磁换向阀21和调速阀30控制；行走机构由轴向柱塞定量液压马达8及齿轮减速后带动主动轮在轨道上移动，同时轴上齿轮还与安装在地面的齿条相啮合，以防工作时轮子打滑而影响定位。在不需要工作时可利用轮子行走至非工作区，液压马达通过快慢速度变换和制动阀制动来控制其定位，液压马达的旋转方向由电磁换向阀17控制，液压马达的旋转速度及转换通过调速阀24、25和电磁换向阀14进行调节和控制。5.2.2 钢板弹簧淬火机械手液压系统电磁铁动作顺序表表5 钢板弹簧机械手电磁铁动作顺序表Table 5 The solenoid action sequence table of leaf spring quenching manipulator步进程序程序转换条件程序动作液压马达泵卸荷夹紧缸松伸缩缸转腕缸回转缸前前后缸泵卸载换向快伸缩转换慢前后正反上下电磁铁YA1234567891011121341延时手伸，后退+2延时夹紧+续表53延时手缩+4延时前进，前回转，慢进+5延时液压马达快进+6行程液压马达慢进+7行程前回转+8行程转腕下（快）+9行程手伸+10延时转腕下（慢）+11延时手松+12延时手缩+13延时转腕上（快）+14延时后回转，慢退+15延时液压马达快退+16行程液压马达慢退+17行程后回转+18行程原位+6 电控系统该机械手的电控系统以PLC作为控制核心。PLC有手动、单循环、自动循环等操作方式。手动和单循环控制方式主要供系统调试及设备维修时使用，通过PLC控制台面上的手动控制按钮分别操作各设备单独运动。另外为了掌握各工序运行现状，控制台上设有各工序运动状态指示灯及故障报警指示灯等。整个系统的各个输入信号均为数字量，分为位置检测信号和控制命令信号两部分。输入器件是无源的触点（行程开关、按钮、压力继电器）。18个输出负载信号也均为数字量，分负载（液压电磁阀）驱动信号和指示信号两部分。PLC为三菱公司的FX2-48MR可编程序控制器，其输入点数和输出点数分别为24点，输出类型为继电器输出，可满足交流或直流负载的通断；其电阻负载为2A/点，感性负载在80VA以下，触点寿命为100万次。这样对一般电磁阀、指示灯和报警器等类型负载，可由PLC直接驱动；对较大的负载如控制电机，则加一级接触器作为功率驱动。PLC的输入/输出接口分配见表6所示。表6 PLC的输入/输出接口分配表Table 6 The interface allocation table of PLC input / output地址说明地址说明地址说明X0启动ANX21淬火机定位SQY6转腕下YAX1急停ANX22转腕下定位SQY7转腕上YAX2手动/自动转换ANX23手伸定位SQY10转腕慢YAX3单循环ANX24炉口定位SQY11前回转YAX4自动循环ANX25回转定位SQY12前进YAX5液压马达前ANX26后退SQY13后退YAX6液压马达后ANX27前进SQY14泵卸载YAX7手缩ANY0液压马达前YAY15自动循环指示YAX10手伸ANY1液压马达后YAY16单循环指示X11转腕下ANY2液压马达快YAY17手动指示X12转腕下ANY3手松YAY30停机报警指示X13前进ANY4手伸YAY31原位指示X20后退ANY5手缩YA7 液压系统性能验算7.1 验算回路中的压力损失本系统较为复杂，有多个液压缸执行元件动作回路，其中环节较多，管路损失较大的要算快速运动回路，故主要验算由泵到液压缸这段管路的损失8。7.1.1 沿程压力损失的计算沿程压力损失，主要是液压缸快速运动时进油管路的损失。此管路长为5m，管内径0.034速运动时通过的流量为2.7L/s，正常运转后的粘度为= 27 ，油的密度为=918Kg/油在管路的实际流速 =2.93m/s （15） Re=dv=2.93x0.0342.7X10-5=37022300 （16）根据公式=求得沿程压力损失为: =0.023MPa (17)7.1.2 局部压力损失局部压力损失包括通过管路中折管和管接头等处的管路局部压力损失，以及通过控制阀的局部压力损失。其中管路局部压力损失相对来说小得多，故主要考虑通过控制阀的局部压力损失。从系统图中可以看出,从大泵的出口到油缸的进油口,要经过单向阀、电磁换向阀、单向调速阀、溢流阀。单向阀的额定流量为50L/min,额定压力损失0.3MPa, 电磁换向阀的额定流量为150L/min,额定压力损失为0.2MPa, 单向调速阀的额定流量为160L/min,额定压力损失为0.3MPa。溢流阀的额定流量为120L/min,额定压力损失为0.2MPa。通过各阀的局部压力损失之和：=0.65 MPa （18）从小泵出油口到油缸进油口也要经过单向阀、电磁换向阀、单向调速阀、溢流阀。向阀的额定流量为50L/min,额定压力损失0.3MPa, 电磁换向阀的额定流量150L/min,额定压力损失为0.2MPa, 单向调速阀的额定流量为160L/min,额定压力损0.3MPa。溢流阀的额定流量为120L/min,额定压力损失为0.2MPa通过各阀的损失之和为：P3=0.76Mpa （19）以上计算结果是大小是同时工作的,所经过的管道都是一样的。则大小泵是同时工作的,所以大小泵到油缸之间总的压力损失为 （20）7.2 液压系统的发热温升的计算7.2.1 计算液压系统的发热功率液压系统工作时，除执行元件驱动外载荷输出有效功率外，其余功率损失全部转化为热量，使油温升高。液压系统的功率损失主要有以下几种形式：(1) 液压泵的功率损失 （21）式中 -工作循环周期（s）； z投入工作液压泵的台数；-液压泵的输入功率（W）；-各台液压泵的总效率；-第I台泵工作时间（s）；(2) 液压执行元件的功率损失 （22）式中 M液压执行元件的数量；-液压执行元件的输入功率（W）；-液压执行元件的输入效率；-第j个执行元件工作时间（s）；(3) 溢流阀的功率损失 （23）式中 -溢流阀的调整压力（MPa）； -经过溢流阀回油箱的流量（）。(4) 油液流经阀或管道的功率损失 （24）式中 -通过阀或管路的压力损失（MPa）； -通过阀或管路的流量（）。由以上各种损失构成了整个系统的功率损失，即液压系统的发热功率 （25）该公式适用于回路比较简单的液压系统，对于复杂系统，由于功率损失的环节太多，一一计算较麻烦，通常用下式计算液压系统的发热功率 =- （26）式中是液压系统的总输入功率，是输出的有效功率。对于本系统来说, 就是正个工作循环中的双泵的平均输入功率 （27）式中是液压系统的总输入功率，是输出的有效功率。 =7KW （28）式中 -工作周期（s）； z、n、m分别为液压泵、液压缸、液压马达的数量； 、-第i台泵的实际输出压力、流量、效率； -第i台泵工作时间（s）；、-液压缸外载荷及驱动此载荷的行程（Nm）。总的发热功率按照公式:=-=16.8-7=9.8KW （29）7.2.2 计算液压系统的散热功率液压系统的散热渠道主要是油箱表面，但如果系统外接管路较长，而且要考虑管道的散热功率时，也应考虑管路表面散热。=3.416+0.5=3.916KW （30）式中 -油箱的散热系数 -管路的散热系数、-分别为油箱、和管道的散热面积-油温与环境温度之差油箱散热系数见表 7。表 7 油箱散热系数 （W/）Table 7 The heat loss rate of the tank冷却条件通风条件很差89通风条件良好1