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机械手
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机械手-液压工业抓持机械手设计,机械手,液压,工业,设计
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1 绪论1.1机器人的定义 工业机器人及其应用技术是现代工业自动化发展的一个重要分支，作为多学科融合的边沿科学，机器人技术是当今高技术发展最快的领域之一。随着机械结构学、微电子技术、液压技术、控制理论、计算机技术、人工智能的研究取得突破性进展，必将对机器人技术的研究及应用产生深远的影响，特别是生物技术、医学在感觉及大脑神经研究所取得的重大成果，为未来高度智能化机器人的诞生打下了坚实的基础。由于机器人科学的发展十分迅速，世界上对机器人还没有一个明晰、统一的定义。国际标准化组织(ISO)的定义:机器人是一种可以反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作机或为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统(A reprogrammable and multifunctional manipulator,devised for the transport of masterials,parts,tools or specialized Systems,with varied and programmed movements,with the aim of carring out varied tasks )。 随着我国在工业机器人技术上研究的不断进展，很多专家也建议建立自己的机器人定义，我国国家标准GB/T12643-90将工业机器人定义为“一种能自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用于完成各种任务作业”。1.2工业机器人的发展简史及趋势50年代，机器人技术开始萌芽，并随计算机技术及数控技术的研究进展而迅速发展起来。1949年，美国空军研制新型军用飞机，它把成熟的伺服技术与当时新近发展起来的数字计算机技术结合起来，麻省理工学院(MIT)辐射实验室于1953年研制出这样的机器。1954年美国人(George C.Devol)申请了第一个机器人技术方面的专利“程序控制物料传送装置”，根据这一专利，1959年第一次成功地研制出采用数字控制程序自动化装置的原型机。世界上第一台实用的工业机器人是美国Unimation公司研制成功的Unimate机器人，人们普遍把Unimate机器人看成是现代工业机器人的鼻祖。 到了90年代后期，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。我国的机器人研究相对开始较晚。先后经历了上世纪70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。1972年我国开始研制工业机器人。进入80年代，我国机器人技术的发展得到了国家和政府的重视与支持。“七五”期间，国家着重进行了工业机器人基础技术、基础元件、几类工业机器人整机与应用工程的开发研究。经过五年的攻关，完成了示教再现式工业机器人的成套技术开发，研制出喷漆、弧焊、点焊和搬运等作业机器人，开发了几类通用与专用控制器及几类关键的元部件，并在生产中经受了实际应用的考验。90年代是我国机器人技术发展的关键年代。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。而在“十一五”期间，我国更强调了机器人技术的重要性，把重点放在解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术，大力推进其产业化进程，力争在“十五”末期实现喷涂、焊接、装配等机器人的产业化。21世纪的头十年应是我国工业机器人实现商品化、为产业化铺平道路的时期，在扩大国内应用领域的同时，进一步开拓国际市场，促进国际合作，为以后我国工业机器人的普及和腾飞打下坚实的基础。现在国内外机器人领域的发展近几年有如下几个趋势:（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。（2）机械结构向模块化、可重构化发展。（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于实现标准化、网络化。（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。1.3项目的国内外研究现状机械手也是工业机器人的一种，它能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式；运动机构是使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。作者所研究的项目是“轴类零件二维运输机械手”，项目来源于云南铜业股份有线公司的电镀生产线改进。根据设计要求，机械手手部采用夹持式结构，在空中能实现升降移动和前后移动两个自由度，并能搬运重30kg的轴类零件。机械手最多有六个自由度，二维机械手是其中最简单的一种，技术相对成熟。国内外很多专家和学者都对这类机械手进行了研究，国外发展最成熟的是日本的公司，把可重构化的思想与机械手机构相结合，生产的机械手不仅价格低，还具有相当广泛的适用性，易于维护和改进。我国的机械手研究起步较晚，发展相对落后，虽然也有很多公司已经开始生产这种机械产品，并初具规模，例如上海瓦科自动化设备有限公司、扬州市恒阳冶金科技有限公司、广州市海同机电设备有限公司、大连四达高技术发展有限公司和上海优乐博特自动化工程有限公司等都是专业提供各种机械手的公司，但多采用电动机来驱动和控制，使这类机械手运行不平稳、体积大、调速不方便、造价昂贵，且只能控制单个机体的运动，不利于组装在自动生产线上。而应用在电镀行业的机械手更是少，由于电镀行业的特殊性，项目的复杂性，市场上不可能买到现成的机械手装备，重新设计电镀行业二维轴类零件运输机械手生产线有相当大的必要性。 目前，在电镀行业，机器设备还比较差，多为人工操作或是半自动机操作，生产线装备更是比较落后，致使生产效率低，而且在恶劣的环境下，对工人身体不利还易出现危险。正是在这种条件下，以电镀行业轴类运输通用机械手为切入点，设计能够在电镀槽与电镀槽之间、电镀槽与上料装置之间、电镀槽与下料装置之间搬运轴类零件的通用机械手，为改善此行业的生产效率低，工人环境危险的问题。虽然目前也有很多同类运输机械手正在应用中，可是最大的问题是，这些机械手为专用化设备，不仅价格高，而且适应性不强，有的只能适用于一种零件或只适用于一条生产线，且有些老式的机械手体积庞大，浪费了不少资源，这也就成了制约电镀行业发展的瓶颈。综上所述，机械手生产线作为新一代生产工具，能够代替人完成人力所不及或人所不适宜的工作。随着机械手在各个领域的应用，对机械手的综合性能提出了更高的要求，专业化更强，实用性更高，经济性要求也己经摆到了人们的面前。因此，结构简单、操作方便、能满足功能要求又具有一定的可靠性的工业机器人或者说功能专一的机械手需求量越来越大。1.4项目的可行性与安全性分析1.4.1项目的可行性分析 可行性研究的目的是用最小的代价在尽可能短的时间内确定问题是否能够解决。以下分别从经济上、技术上、运行上、法律上对该系统可行性进行研究。（1）从经济上来说，随着技术的逐步成熟与工作效率的提高，液压缸、行架、导轨、螺钉等零件和加工成本等费用都有所降低，原来十几万的系统成本现在几万元就能实现，而该系统投入运行后能节约更多的财力，现在主要表现有以下几个方面:第一，本系统的运行可以代替人工进行许多繁杂的劳动；第二，本系统的运行可以节省更多的资源；第三，本系统的运行可以大大的提高工作人员的工作效率；第四，本系统的运行可以满足大量轴类零件的电镀，很好的适应零件的变化。所以，本系统在经济上是可行的。（2）从技术上来说，本系统的开发应用机械原理、机械设计、精度配合的知识对其结构进行设计，在二维绘图软件CAXA2007的环境下进行开发；用液压系统设计的基本步骤和计算方法对其液压油缸、液压站、集成油路进行设计；从工艺学的角度出发对机械手中的复杂零件进行结构设计。综上所述，本系统的设计与开发在技术上和软硬件设备上的条件都是满足的，因此，它在技术上是可行的。（3）从运行上来说，本系统为一个轴类零件二维运输机械手生产线系统，采用液压驱动的方式，使三个机械手同步运动完成整个电镀的过程。机械工厂的电压380V，能提供此系统所需的能量。因此，本系统在运行上也是可行的。（4）从法律上来说，本系统纯为私人设计，在开发过程中没有涉及合同、责任等与法律相抵触的方面。因此，本系统在法律上是可行的。1.4.2项目的安全性分析系统安全性研究的目的是该系统的运行不影响工人的工作生活，工厂的设备，零件的质量以及尽量避免事故的发生。主要表现在以下几个方面：（1）油缸的设计及密封方式做了很好的保护，尽量避免露油、泄油事故的发生。（2）定期对油缸、油管、油口进行检查与清洗，避免油口或油管堵塞事故的发生。（3）整个生产线放置指定的区域里，外围用黄色警戒线标出，以免工人无意靠近造成事故的发生。（4）对机械手生产线进行维修，检查时，事先切断电源开关，防止事故的发生，提高系统的安全性。综上所述，该机械手生产线是安全的。1.5本论文的主要研究内容本论文选题于电镀行业的“轴类零件二维运输机械手设计”，并把机械手运用到自动生产线上。该生产线针对现在电镀行业工作效率低、电镀成本高、工人工作环境危险的情况而设计。主要完成机械手夹紧和松开、前后移动、上下移动的功能，实现把将要电镀的轴类零件从上料机构取下，到完成电镀从下料机构取出的全自动化操作，整个过程需要三个机械手同步运动，它们是生产线的重要组成部分，其组成环节较多，结构复杂，较难协调工作。整个运动采用液压驱动的方法，分别用三对油缸实现三对运动，这是本文论述的重点。而行架、上料机构、下料机构、电镀槽的结构相对简单，在整个系统中只取到辅助作用，所以只对其进行简单的描述。 本论文研究的主要内容有：（1）轴类零件二维运输机械手的总体方案的确定。机械手采用悬挂式结构，在空间行架上运动，用液压进行驱动，构建液压站对其进行控制。（2）机械手手部结构的设计。手部采用连杆杠杆式结构，夹持部用镶块的结构。由于是搬运轴类零件，采用两支机械手并排设计。（3）机械手行走机构的设计。机械手要能前后运动，只有在机械手上安上滚轮和导轨实现机械手的高效的运动。（4）液压缸的设计。机械手有三对运动，故采用三个液压缸来满足系统的需要，对每个液压缸都需要详细的设计。 （5）液压站的设计。包括油箱、电动机、液压泵、油管等的设计过程。（6）功能检验。检验机械手的各功能，并效验使用年限和工作效率。2 机械手关键技术分析2.1引言 机械行业拥有悠久的历史，是一个自古就有的行业。从古代生产简单的小型工具开始，到英国工业革命时期瓦特发明蒸汽机，到现在新型数控机床、大型机的发明，整个机械行业都在向前发展着。而工业机器人和专用机械手这个才起源于上实际70年代的应用科学，伴随着传动技术、液压技术、计算机技术、传感技术、控制工程等各种科学的交叉发展，技术逐步趋近成熟，在国民生活中发挥到越来越来的作用。这是在这些关键技术的基础上，机械手生产线才能做出正确的设计。2.2电镀技术随着工业化生产的不断细分，新工艺新材料的不断涌现，在实际产品中得到应用的设计效果也日新月异，电镀是在设计中经常要涉及到的一种工艺，对于这种工艺的应用已经非常广泛，通过这种工艺的处理我们通常可以得到一些金属色泽的效果，如高光，亚光等，通过这样的处理为产品的设计增加一个亮点。电镀就是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。简单的理解，是物理和化学的变化和结合。我们一般应用电镀工艺来提高工件的抗腐蚀、抗磨损的性能，或提供导电或绝缘性能的镀层改变工件的电性能等。电镀工艺要求镀层金属做阳极，待镀件做阴极，镀层金属的盐溶液做电解质溶液,通直流电进行电镀。利用这个原理,可以镀金、银、铜、锌、镉、镍等。也可以说，电镀是指借助外界直流电的作用，在溶液中进行电解反应，使导电体例如金属的表面沉积上一层金属或合金层的过程。该机械手系统就是应用在电镀铜生产线上，用CuSO4作电解质溶液，要镀的金属轴类工件接电源负极，电源正极接纯铜。通电后，阳极的Cu原子失去电子变成Cu2离子溶入电解液中，而在阴极：金属铜以离子状态进入镀液，并不断向阴极迁移，最后在阴极上得到电子还原为金属铜，逐渐形成金属铜镀层。其反应式为：阳极： Cu - 2e Cu2 阴极： Cu2+ + 2e Cu2.3液压技术2.3.1液压传动概述及其优点一部完整的机器就是一个复杂的系统，由动力子系统、传动子系统、控制子系统和工作机构等组成。传动部分是一个中间环节，而液压传动是传动方式的一种主要类型。液压传动（hydrostatic transmission）是用液体的压力能进行能量转换与传递。液压系统主要由：动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。近30年来，由于控制技术、微电子技术、计算机技术、传感检测技术及材料科学的发展，极大的推动了液压传动与控制技术的发展，使其成为集传动、控制、计算机、传感检测、机电液为一体化的全新的自动控制技术。液压传动与控制技术应用在工程机械、矿山机械、建筑机械、农业机械、汽车机械、机床机械、军事机械、海洋工程等各种行业，在国民经济生活中得到了广泛的应用。表现出液压传动的优点：（1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击。因此，液压传动易于实现快速启动、制动及频繁换向，每分钟的换向次数可达500次（左右摆动）、1000次（往复移动）。（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现大范围的无极调速。这使得液压传动装置可在极低的速度下输出很大的力（3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换。（4）液压装置易于实现过载保护。当液压系统超过负荷（或系统承受液压冲击）时，液压油可以经溢流阀排回油箱，系统特到过载保护。（5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长。（6）操纵控制简便，自动化程度高。（7）易于设计和制造。因为液压元件都已经实现标准化、系列化、通用化，使液压系统的设计、制造都比较方便。2.3.2液压传动的基本原理液压传动是以有压力的油液作为传递运动的介质，通过液压泵把电动机（或其他动力）供给的机械能转换成油液的液压能，油液输入液压缸后，又通过液压缸把油液的液压能转变成驱动工作部件运动的机械能。液压系统中的能量转换与传递过程可以简单的用图21来表示。 动力元件 执行元件机械能 液压能 机械能 控 制 元件控制与调节作用 图21 液压系统中的能量转换与传递过程在液压系统中，无论电动机的旋转运动或其他直线运动的机械能都依靠密封容积的变化转化为液体的压力能，即液压泵输出的液压油具有一定的压力。而工作部件运动的速度决定于在单位时间内通过节流阀流入液压缸中油液的多少，因为工作部件运动时所能克服的阻力大小于液压油的压力和活塞的有效工作面积有关。对液压系统的控制则是通过控制和调节液压油的压力、流量及液压方向来实现的，因此，液压传动和液压控制是不可分割的。2.3.3液压系统的设计步骤和内容液压系统的设计是整个机器设计的一部分，它的任务是根据机器的用途、特点和要求，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，再经过必要的计算来确定液压系统的参数，然后按照这些参数来选用液压元件的规格和进行系统的结构设计。液压系统的设计步骤大体如下：（1）液压系统的工况分析。即在开始设计液压系统时，首先要对机器的工作情况进行详细的分析，一般要考虑下面几个方面的问题。第一：确定该机器中哪些运动需要液压传动来完成。第二：确定各运动的工作顺序和各执行元件的工作循环。第三：确定液压系统的主要工作性能，包括执行元件的运动速度、调速范围、最大行程以及运动的平稳性要求。第四：确定各执行元件所承受的负载及其变化范围。（2）拟定液压系统原理图。即根据任务要求，确定采用执行机构的型式、调速方案和速度换接方法，满足系统的调压、卸荷及执行机构的换向和安全互锁等要求，选择基本回路，然后将各基本回路组合成液压系统原理图。（3）液压系统的计算并选择液压元件。液压计算的目的是确定液压系统的主要参数，以便按照这些参数合理的选择标准元件和设计非标准元件。具体设计计算步骤如下:第一步：计算液压缸的主要尺寸以及所需的压力和流量。第二步：计算液压泵的工作压力、流量和传动功率。第三步：选择液压泵和电动机的类型和规格。第四步：选择阀类元件和辅助元件的规格。（4）对液压系统进行验算。为了确保系统的稳定运行，满足设计任务的要求，对液压系统的压力损失和发热升温要进行验算。（5）绘制正式工作图和编制技术文件。正式工作图一般包括：液压系统原理图；非标准的液压缸、液压油箱图；液压泵、液压阀及管路的安装总图。技术文件一般包括：基本件、标准件、通用件及外购件汇总表，液压系统安装和调试要求，设计说明书等。2.4机械设计技术2.4.1机械原理 “机械”是“机器”和“机构”的总称，机械原理正式一门以以机器和机构为研究对象的科学。在机械原理中，我们把机器的各种问题看成是归纳成机构的结构和运动学以及机器的动力学两个方面来考虑。现代机器人的研究，正是建立在此基础上，在机构学中形成了研究专题，其中以普通、特殊串联、多环并联机器人机构，步行和蛇行机器人机构等为研究对象，包括结构分析、运动学、动力学建模，最优控制，参数识别等多个应用领域。 用机械原理的方法，能使所分析的问题简单化，以最快的速度，最优的方法满足系统的要求。我所设计的电镀机械手手部结构运用连杆杠杆式机构的原理，绘出正确的机构简图，并对机械手进行运动分析和动力分析。 2.4.2机械设计机械设计是为了满足机器的某些特定的功能而进行的创造性的过程，即用新的原理或新的概念，开发创新出新的产品。我已经掌握了通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有选用通用机械传动装置和初步具有设计简单机械的能力，具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力，在此机械设计能力的基础上，我的项目题目为“轴类运输二维机械手的设计”，包括了机械手手部结构、传动系统、空间行架、行走机构和液压站的设计。整个产品的设计步骤如下：（1）明确设计的任务要求，把任务分解为具体的功能模块。（2）针对具体的要求，提供可供选择的方案，并进行比较得出最优的方案。（3）按照选定的方案进行总体设计、运动学、动力学分析、零部件的工作能力和结构分析，绘制装配总图。（4）根据装配图，结合具体的生产条件和零件的结构工艺性等因素，绘制零件工作图。（5）整理图纸，编写计算说明书和使用说明书。我所设计的机械手正是根据这个设计步骤进行设计和分析的，从解读任务要求到完成设计说明书，都以机械设计的思想和方法贯穿于始终，以机械设计手册为重要的参考资料，完成整个机械手的设计过程。2.4.3精度设计 任何机械产品，都是由零部件组成的。因此，机械零部件几何参数的精度（尺寸精度、形状及相互位置精度、表面粗燥度等）会直接影响现代机械产品的质量，包括工作精度、耐用性、可靠性、效率等。这就是说，在合理设计结构和正确选用材料的前提下，机械零部件几何参数的精度设计是保证产品质量的重要因素，是机械设计的基础。机械零部件几何精度的任务，就是根据使用要求对于经过参数设计阶段确定的机械零件的几何参数合理的给出尺寸、形状位置和表面粗糙度公差值，用以控制加工误差，从而保证产品的各项性能要求。机械产品中的孔、轴结合主要有三种形式：孔、轴有相对运动，孔轴固定连接和孔、轴之间定位可拆连接。为满足这三种配合要求，极限于配合国家标准规定了配合制、标准公差系列和基本偏差系列，其基本结构图如图22所示。 标准公差系列 基孔制配合配合制 基本偏差系列 基轴制配合 图22 极限与配合的结构在机械制造过程中，从工艺上和宏观经济效益考虑，一般优先选用基孔制。这是因为加工孔用的刀具多是定值的，选用基孔制便于减少孔用定值刀具和量具的数目。而加工轴的刀具大都不是定值的，因此，改变轴的尺寸不会增加刀具和量具的数目。轴类零件二维机械手经过设计计算，应用到的配合尺寸如图23所示。序号配合零件配合代号配合制配合类别配合特征1活塞与油缸H7/g6基孔制间隙配合较小的间隙，应用于精密的润滑处。2活塞杆和法兰盖H7/g6基孔制间隙配合较小的间隙，应用于精密的润滑处。3内缸套和外端盖H7/g6基孔制间隙配合较小的间隙，应用于精密的润滑处。4法兰盖和油缸H8/g7基孔制间隙配合较小的间隙，应用于精密的润滑处。5开口销的连接H8/f8基孔制间隙配合一般的间隙，用于一般转速的动配合。6机械手部铰链连接处H9/c9基孔制间隙配合较大间隙多应用于铰接处。7弹性联轴器的配合H7/k6基孔制过渡配合大部分有微小的间隙，用于稍有震动的配合。图23 机械手设计中用到的配合2.4.4工程材料 材料用来做器件、机构或其他产品，材料是生产生活的物质基础。对机械手进行设计，首先就是要对材料进行选择。选用材料的好坏，直接影响到整个机器的性能好坏，如果选择的材料不适当，整个机器无法正确的制造出来，这个设计就是白费。在机械行业中，应用得最广的仍然是金属材料。根据初步的估计，整个机械手生产线自重的70左右为铸铁，碳钢占20，其余为合金钢及少量的有色金属塑料等。了解钢的热处理及各金属材料的组织、性能关系，从工艺学的角度认识机械产品是进行设计的基本前提。再好的设计，如果在实际生产中无法制造出来，那么这个设计就是失败的，正式这点，使我的整个机械手的设计立足于实际生产。从毛坯的材料选择到材料的制造工艺，都为本设计提供了基本的保证。2.5计算机绘图技术计算机绘图是相对于手工绘图而言的一种高效率、高质量的绘图技术。手工绘图使用三角板、丁字尺、圆规等简单工具，是一项细致、复杂和冗长的劳动。不但效率低、质量差，而且周期长，不易于修改。随着计算机技术的发展，用计算机绘图能很好的解决手工绘图所带来的不便。 现在市场上，计算机绘图软件主要分三维绘图和二维绘图两大类，由于现在三维绘图软件还发展的不太成熟，国内公司主要应用三维绘图在外观设计和产品造型方面。而我所设计的机械手处于结构的设计，用二维绘图软件才能更好的表示出整个系统的结构和尺寸。国内市场比较活跃的二维绘图软件有：美国AutoDesk公司AutoCAD、华工开目公司的KMCAD、北航华正的CAXA、华软公司的InteCAD。因为CAXA不仅具有绘图方便、操作简单、运行消耗的资源小等优点，更因为它的种类齐全的国际标准件图库，灵活的剖面线设置使得越来越多的企业应用此软件。正是因为此原因，我说设计的机械手采用CAXA2007r1（测试版）的开发环境进行计算机绘图。2.6本章小结 本章对机械手所采用的关键技术及设计思想进行了介绍。首先详细说明液压的基本原理和方法，接着分别介绍了机械设计技术和计算机绘图技术的方法原理，并初步介绍了机械原理、机械设计、精度设计、工程材料等方面的基础知识，同时分析了CAXA绘图的优点及整个设计的开发环境。为下面几章的机械手详细设计做好了铺垫。4 机械手系统总体方案设计3.1引言机器手是典型的机电一体化产品，根据机械手所要完成的要求，合理的分配机械、电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、成本降低起着举足轻重的作用。因此，对轴类零件二维运输机械手采用系统的观点进行整体功能分析，可以实现结构优化，是实现经济性、灵活性和高可靠性系统设计的重要环节和关键步骤。3.2机械手任务要求该机械手运用在电镀生产线上，为了提高劳动生产率，加快产品的生产速度与工人工作的安全性，要求三支机械手同步运动，当第一支机械手把轴类零件从上料机构搬运到电镀槽内时，第二支机械手负责把轴内零件从电镀槽搬运到清洗槽内，而第三支机械手则把零件从清洗槽搬运到下料机构中，最后整个工序完成。三支机械手在生产线上要求同步运动，即机械手每次运动都要完成如下动作：下降夹紧上升平移下降松开返回机械手的设计参数与要求如下：（1）机械手能夹持轴类零件的直径为3060mm。（2）机械手能进行上下运输运动，其最大行程为300mm。（3）机械手能进行左右运输运动，其行程为100mm1500mm。（4）工件重量30Kg，工件长度为400mm。（5）完成一次运输时间小于20秒钟。（6）机械手使用年限为20年。（按每年250天，每天16小时计算）3.3机械手手部结构设计机械手手部结构是轴类零件二维运输机械手最终的执行机构，是工业机器人、机械手生产线赖以实现各种运动的实体，机械结构的布局、类型、传动方式以及驱动系统的设计直接关系着其工作性能。专业机械手属于工业机器人的一种，其机械结构按坐标形式主要有直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型、SCARA型和关节型等。（1）直角坐标型机器人操作臂的优点是结构简单、刚度高，三个关节的运动相互独立，其间没有祸合，不影响末端手爪的姿态，不产生奇异状态，运动和控制都比较简单；缺点是占地面积大，动作范围小，操作灵活性差。（2）球坐标机器人和圆柱坐标机器人占地面积小，工作空间较大，在空间中的定位也比较直观，但是它们的移动关节不容易防护，极坐标型机器人也存在移动关节不易防护的问题，它们多用于一些特殊的作业环境。（3）SCARA型机器人的主要特点是结构轻便，响应快，最适用于在垂直方向完成零件的装配作业。（4）关节型机器人操作臂的优点是结构紧凑，占地面积小，动作灵活，在作业空间内手臂的干涉最小，工作空间大；缺点是进行控制时计算量比较大，确定末端执行部件的位姿不直观。综上所述，关节型机器人虽然运动学分析比较复杂，控制难度大，但与其它型式机器人相比操作灵活性强，因而它的应用日益广泛。针对该轴类零件二维运输机械手，为了使它具有一定的操作灵活性和较好的使用性能，在结构设计上采用圆柱坐标型。整个机器人系统设计为3个自由度，将运动分解为两部分:移动部分和操作部分。移动部分占2个自由度，包括上下移动机构和前后移动机构，这两个自由度相互垂直，其间无祸合，可以有效的进行控制。操作部分有1个自由度，即为机械手夹紧和放松机构。机械手手部结构采用连杆杠杆式结构，如图31所示。图31 机械手手部结构设计3.4驱动系统性能分析及方案设计机器人驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制，同时还要考虑价格因素的影响以及所能达到的技术水平。目前机器人的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电气驱动三种形式。气动系统具有结构简单、动作迅速，可在恶劣的环境中工作，但气动装置也存在噪声问题，只适用于精度要求不高的点位系统中。电气驱动系统具有精度高、控制准确、响应迅速快等优点，但控制较复杂、结构复杂、成本较高。而压驱动系统能够提供较大的驱动压力和功率，具有结构简单、性能稳定、无级变速等特点，液压伺服驱动系统响应速度快，可达到较高的定位精度和刚度，常用于要求提供较大驱动力矩、对移动性能要求差的大功率机器人系统中。综合考虑各种因素，这里设计的电镀生产线运输机械手系统运用液压驱动，建立一个液压站为整个生产线提供动力支持。液压驱动系统装配图见设计图纸部分第2张：电镀自动线液压站装配图。3.5传动系统设计3.5.1传动方式概述传动装置的作用主要是将驱动元件的动力传递给机器人相应的执行部件，以实现各种预定的运动。目前常用的传动方式有:皮带轮传动、链条传动、齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动、行星齿轮传动、谐波减速传动、螺旋传动等机械传动方式以及液体传动、电气传动等。谐波齿轮传动具有体积小、结构紧凑、效率高、能获得大的传动比等优点，但存在扭转刚度较低且传动比不能太小的缺点。行星齿轮传动具有结构紧凑、效率高的优点是用于中等减速比传动，但存在齿轮间隙，难以实现正反转过程中精确位置要求，因此限制了它的广泛应用。蜗轮蜗杆机构常用于要求有大的传动比且传动过程中要求机构自锁的场合，这种方式安全性能高，但同样存在齿侧间隙，而且效率较低。皮带轮传动可以实现过载保护，可是存在弹性滑动，和链传动一样使用一段时间后易松弛，传动运转过程中还产生动载荷，因此，二者常用于传动精度要求不高的场合。滚珠丝杠传动具有传动效率高、摩擦阻力小、运转平稳且能够有效消除传动间隙，无传动“爬行”现象和不自锁等优点，但是价格较高。相对机械传动，液压传动能进行无级调速、可在极低的速度下传递出很大的力、体积小、质量轻、易于实现自动化等优点，应用较为广泛。3.5.2机械手移动部分传动由于在电镀生产线上，机械手移动精度要求不是很高，但需要三支机械手同步运动，要传递的力很大，在满足性能的基础上考虑到经济性要求，所以，移动机构选用液压传动，由活塞液压缸来承担将油液压力转换为机械手的直线移动。由于升降移动行程较短，故采用单杆移动液压缸就能满足要求；而机械手的前后移动由于行程为1500mm，距离较长，故需采用液压缸套筒的结构，液压油先推动油缸内缸套筒移动，当内缸套顶住一个凸台后，内缸套不动，液压油继续推动活塞杆移动，实现二级移动，即节约了液压缸的制造成本，又节省了液压缸的空间占位面积。机械手移动部分传动设计，见设计图纸第4张：机械手前后移动液压缸；第5张：机械手升降移动液压缸。3.5.3机械手夹持部分传动考虑到机械手的零件为轴类零件，工件重量30Kg，工件长度为400mm，需要两支机械手手爪均部于轴的两侧，实现同步运动，且机械手抓起零件后，在空中运输需要保持机械手的夹紧状态。用液压传动系统，可以直接用阀类元件控制两支机械手手爪的同步运动并进行夹紧，夹紧油缸要求体积小，但活塞运动速度快，保证夹紧时间小于1s。机械手夹持部分传动设计见设计图纸第6张：机械手手部结构设计。3.6机械手总装配置 根据以上的设计方案，绘制出电镀生产线运输机械手总体配置方案如下图所示：图32 机械手总体配置图整个机械手电镀生产线包括上料机构、下料机构、液压站、电镀槽、清洗槽、机体支座、支撑柜空中行架、机械手、液压缸等部件组成。在此机械手电镀生产线上，三支机械手同步运动，当第一支机械手把轴类零件从上料机构搬运到电镀槽内时，第二支机械手负责把轴内零件从电镀槽搬运到清洗槽内，而第三支机械手则把零件从清洗槽搬运到下料机构中，实现三个零件同时工作，节省了人力，大大提高了工作的效率。3.7本章小结 本章主要针对电镀生产线上，轴类零件二维运输机械手的性能要求和工作特点，对机械手的机械结构、传动方式、液压驱动以及总装配置等问题进行了整体分析和方案设计，确定连杆杠杆式的机械结构形式，采用液压驱动和传动技术，用液压缸和液压站来构建整个电镀自动生产线，并简单介绍了整个生产线的工作步骤。系统方案的确定为后文液压系统的设计、液压缸的设计和液压站的设计提供了根本条件。4 机械手结构分析4.1引言 机械手的结构是整个电镀生产线的重点，它是与零件直接接触的重要部件，机械手的结构设计好坏，直接影响到整个系统的功能要求能否满足。机械手的结构设计包括夹持部分、行走部分、缸体部分等组成，下文将分别从这几个方面进行介绍。4.2机械手夹持部的力学分析 机械手采用连杆杠杆式的结构设计，手爪内部用镶块进行连接，装入不同大小的镶块，就能实现对不同直径轴的夹紧，其结构简图如下图41所示：图41 机械手手部结构简图在此机械手中，手爪的夹紧力靠a、b、c、四个参数来设定，其力N、P的计算公式如下：P= （4.1）P机械手外作用力；N机械手对零件的夹紧力；因为轴类零件重量为30Kg，重力Gmg3010300N，根据公式： GN （4.2）查表得，将其0.28；G300N；代入公式（4.2）中，得：N300/0.281071N，根据我所设计得机械手夹持结构得尺寸，有b40mm；c22mm；a15；60，将其代入公式（4.1）中，得P940N0.94KN机械手外作用力P0.94KN，即为机械手夹紧油缸的外作用力。4.3机械手行走机构的设计 机械手要能实现在空中的前后移动，首先需要在空中固定一个导轨，通过导轨，利用滚轮在导轨的移动来实现机械手的前后移动。空间行架用两根槽型钢焊接固定在圆柱立柱上，滚轮采用三角的型式，中间夹住导轨，使其运动平稳。导轨和行架用螺钉连接，中间螺钉起连接固定的作用，两边的螺钉起调整导轨相对位置及保证导轨平行的作用。由于前后移动油缸固定在空中行架上，液压缸的动作通过带动拉杆的前后移动，而拉杆与机械手的行走机构套在一起，实现机械手的前后移动，故在机械手的行走机构上两端要装上拉杆套。如图42所示，为机械手的行走机构。图42 机械手行走机构4.4机械手总体结构 通过以上的分析，该机械手的总体结构包括空中行走机构、机械手升降移动油缸、机械手夹紧油缸和机械手的夹持部四个大的部件，将其组装成一体后就形成了一部完整的机械手。 机械手的行走机构与升降移动液压缸的法兰盖采用四个螺栓均匀布置进行连接，使其升降移动液压缸稳定的放置在机械手行走机构的下方；而升降油缸与夹紧油缸中间用一块连接板，用内六角圆柱头螺钉使活塞杆和连接板固定，用六角头螺栓使连接板和夹紧油缸的法兰盖固定，这样使夹紧油缸与升降油缸连接成为了一个整体。夹紧油箱的另一端法兰盖用长板的结构，直接与机械手的手爪部结构连接在一起。如图43所示，为机械手总体结构示意图。图43 机械手总体结构示意图4.5本章小结 本章通过对机械手的行走机构、手部结构、升降油缸和夹紧油缸进行分析，并对这四部分进行连接，形成机械手的总体结构，并用简单的示意图进行表示，清楚的描述了机械手的总体结构。5 液压系统设计5.1引言 液压系统是整个机械手设计的核心，液压系统设计的好坏，直接影响到整个机械手系统的工作性能，本章将重点介绍机械手液压系统的设计。对液压系统进行设计，要按照一定的方法和步骤，首先了解系统的功能结构、工作循环及对液压系统的主要要求，其次对液压系统进行分析、计算及效验，最后分析液压站的结构特点，并作出总结。5.2液压系统工况分析5.2.1液压系统的组成机械手生产线系统，采用液压传动系统，液压系统若能正常工作必须由以下五部分组成： (1)动力装置。它是把原动机输入的机械能转换为液体压力能的能量转换装置，一般由电动机和液压系组成，其作用是为液压系统提供压力油。 (2)执行元件。它是将液体的压力能转换为机械能的能量转换装置，其作用是在压力油的推动下输出力和速度(直线运动)，或力矩和转速(回转运动)。这类元件包括各类液压缸和液压马达。 (3)控制调节元件。它是能控制或调节液压系统中油的压力、流量或方向，以保证执行装置完成预期工作的元件。这类元件主要包括各种液压阀，如溢流阀、节流阀以及换向阀等。 (4)辅助元件。辅助元件是指油箱、蓄能器、油管、管接头、滤油器以及流量计等。这些元件分别起散热、贮油、蓄能、输油、连接、过滤、测量压力和测量流量等作用，以保证系统正常工作，是液压系统不可缺少的组成部分。(5)工作介质。它在液压传功及控制中起传递运动、动力的作用。工作介质为液压油或其它合成液体。5.2.2系统达到的功能要求和技术指标运输机械手是对零件进行搬运以及正确放置为目的的设备，在自动生产线上具有重要的用途。该机械手的各动作是由液压系统来实现的，完成机械手的上升运动、前后移动、夹紧和放松三对运动的六个动作。工人在操作台前，使用不同的按钮实现本机械手的各个动作。机械手运用在电镀生产线上，要求三支机械手同步运动，当第一支机械手把轴类零件从上料机构搬运到电镀槽内时，第二支机械手负责把轴内零件从电镀槽搬运到清洗槽内，而第三支机械手则把零件从清洗槽搬运到下料机构中，最后整个工序完成。机械手由液压和电气配合实现的动作循环要求如图51所示：图51 机械手动作循环图通过机械手的以上动作分析，分别用三个液压油缸来实现机械手的三对动作。分别称作：前后移动油缸、升降油缸和夹紧油缸。根据设计要求，机械手的设计参数如图52所示。序号设计参数1机械手能夹持轴类零件的直径为3060mm。2机械手能进行上下运输运动，其最大行程为300mm。3机械手能进行前后运输运动，其行程为100mm1500mm。4工件重量30Kg，工件长度为400mm。5完成一次运输时间小于20秒钟。6机械手使用年限为20年。（按每年250天，每天16小时计算）图52 机械手设计参数5.3液压系统参数计算5.3.1确定液压缸负载力设液压缸工作循环中最大外负载为F，根据液压设计手册中，液压缸负载公式及各参数意义为：F= （5.1）R液压缸外作用力，单位KN；液压缸总效率；通过查表，在额定压力下的液压缸，总效率为=0.90.95，取=0.93，升降移动液压缸所受外作用力R=5.56KN，代入公式（5.1）得： F=5.98KN5980N 夹紧油缸和前后移动油缸的外作用力分别为0.94KN、34.31KN，带入公式21中，对各油缸的负载情况进行计算，对出如图53所示的数据。液压缸类型液压缸外作用力R（KN）液压缸负载力F（KN）前后移动液压缸14.7815.89升降移动液压缸5.565.98机械手夹紧液压缸0.941.0153 各油缸的外作用力和负载力5.3.2确定液压缸主要尺寸5.3.2.1初选液压系统压力系统压力选定得是否合理，直接关系到整个系统设计的合理程度。在液压系统功率一定的情况下，若系统压力选得过低，则液压元器件、液压辅件的尺寸和重量就增加，系统造价也相应增加；若系统压力选得较高，则液压设备的重量、尺寸会相应降低，但制造精度等要求也相应的提高。根据液压设计手册中的工作压力表，初步选定液压系统的工作压力为PP5MPa。5.3.2.2液压缸主要尺寸液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径和活塞杆的外径两个主要的尺寸，设液压缸的内径用D表示，塞杆的外径用d表示，根据液压设计手册中，单活塞杆液压缸内径的计算公式及各参数的意义为： （5.2）P1液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力PP，单位MPa； P2液压缸回油腔背压力，单位MPa；dD活塞杆外径与液压缸内径之比； F液压缸负载，单位N；通过查表，确定P15MPa，P20.4MPa，d/D=0.5，机械手升降移动油缸的负载力F5980N,代入公式（5.2）得：40.33mm 机械手夹紧油缸的负载力F1010N，带入公式（5.2）得：17.27mm机械手横移油缸得负载力F15890N，带入公式（5.2）得：63.09mm 活塞杆直径可由d/D值算出，由计算所得得D与d值分别按液压设计手册表中圆整到近似得标准直径，以便采用标准的密封元件。由于机械手的前后移动油缸最大行程为1500mm，考虑到活塞杆的加工过程中，此长活塞杆加工困难，不易制造，故采用双级油缸结构，内缸套内径取63mm，根据设计，外油缸取100mm。各功能液压缸的油缸内径D和活塞杆外径选取值如图54所示。 液压缸类型液压缸内径D（mm）活塞杆外径d（mm）前后移动液压缸10032升降移动液压缸4022机械手夹紧液压缸188图54 各液压缸的D和d的取值对选定后的液压缸内径D，必须进行最小稳定速度的验算。要保证液压缸节流腔的有效工作面积A，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积Amin，即AAmin，由公式：Amin （5.3）流量阀的最小稳定流量；液压缸的最低速度，由设计要求给定；用机械手夹紧油缸进行最小稳定速度验算，qmin是由产品样本查得调速阀L-10B的最小稳定流量为0.05L/min，由于夹紧时间取1s，根据设计要求，vmin20m/min。夹紧油缸D=18mm，d8mm，代入公式（5.3），得：Amincm22.5cm2A1822.64 cm2可见上述不等式能满足，液压缸能达到所需低速。5.3.2.3计算各液压缸工作时所需流量 查液压设计手册，液压缸的流量计算公式及各参数的意义为： （5.4）液压缸的流量，m3/min；D液压缸内径，m；V活塞杆的运动速度，m/min；根据公式（5.4），代入各参数数值，计算出机械手前后移动和升降移动工作所需的流量Q前后、Q上下为：Q前后D2v/43.140.06321840.05608m3/min56.08L/minQ上下D2v/43.140.0421040.01256m3/min12.56L/min5.3.3液压泵与电动机的确定 5.3.3.1泵的工作压力的确定考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为： PPP1+P （5.5） PP液压泵最大工作压力，MPa； P1执行元件最大工作压力，MPa；P进油管路中的压力损失；初始计算时，压力损失P在简单系统下，可取0.20.5MPa；在复杂系统下，可取0.51.5MPa。这里机械手液压系统中选取0.4MPa，并将P1=5MPa，P0.4MPa 代入公式（5.5），得： PPP1+P=5+0.4=5.4MPa上述计算得的是系统的静压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外，考虑到一定的压力贮备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力Pn应满足Pn(1.251.6)PP。中低压系统取小值，高压系统取大值，机械手液压系统中，按中低压系统取小值，则：Pn1.35.47.02MPa5.3.3.2泵的流量确定液压设计手册中，液压泵的最大流量公式为： Q （5.6） Q液压泵的最大流量，L/min；同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值，L/min； 系统泄漏系数；一般取系统泄漏系数1.11.3，现取1.2。由于机械手升降移动油缸有三个同时运动，故流量之和为3Q上下37.68 L/min。因此取前后移动液压缸的流量为56.08L/min，代入公式（5.6），得：Q1.256.08L/min 67.29L/min5.3.3.3选择液压泵的规格根据以上算得的液压泵最大工作压力PP和液压泵的最大流量Q，查找液压设计手册中的液压泵型号规格，现选用CB-50型齿轮泵。该泵的参数如图55所示。类别型号排量（mL/r）压力（MPa）转速（r/min）特点生产场额定最高额定最高齿轮泵CB-50501012.514501650铝合金壳，浮动轴套结构长江液压件厂合肥液压件厂图55 液压泵的参数5.3.3.4电动机的选定选择与液压泵相匹配的电动机，首先需要计算电动机的额定功率，查液压设计手册，根据公式，即P= （5.7） P电动机额定功率，KW； PS泵的额定压力，MPa； Q泵的额定流量，L/min； 转换系数； p液压泵的总效率。根据以上的液压泵的参数，将p=0.81，=0.7，Q50mL/r1450 r/min72.5 L/min，PS10MPa，代入公式（5.7）中，得： P=10.44KW由以上计算，所需电动机额定功率为P=10.44KW，查阅手册，选择Y160M-4型电动机，其额定功率为11KW，额定转速为1460r/min。5.4确定液压系统方案5.4.1选择液压回路拟定液压系统原理图是液压系统设计中的一个重要步骤，也为液压系统的验算提供重要的依据，液压系统原理图是由各种液压回路组合而成的，所以确定液压系统的回路是拟定液压系统原理图的首要步骤。液压系统的回路包括调压回路、调速回路和方向控制回路等，各回路的特点如下：（1）压力调定回路是最基本的调压回路，通常选用溢流阀进行控制。溢流阀的调定压力应该大于液压缸的最大工作压力，其中包含液压管路上各种压力损失。 （2）调速回路使用普遍，但由于执行元件的回油不受限制，所以不宜用在超越负载(负载力方向与运动方向相同)的场合。阀应安装在液压执行元件的进油路上，多用于轻载、低速场合。对速度稳定性要求不高时，可采用节流阀；对速度稳定性要求较高时，应采用调速阀。该回路效率低，功率损失大。（3）方向控制回路一般都采用换向阀来换向实现方向控制。换向阀的控制方式和中位机能依据主机需要及系统组成的合理性等因素来选择，例如当换向阀左边工作时，液压缸活塞杆向右方向运动，当换向阀左边不工作时，则液压缸可以向右运动。5.4.1.1液压油源回路液压油源回路是液压系统中提供一定压力和流量传动介质的动力源回路。在设计和构成油源时要考虑压力的稳定性、流量的均匀性、系统工作的可靠性、传动介质的温度、污染度及节能等因素。液压系统油源回路按应用的泵数分为单泵及多泵系统，单泵系统适用于功率较小，工作不太频繁的一些开式系统和外负载惯性较小的一些开式系统。在本次的液压控制系统设计中，从工厂的角度出发，要求以低成本来实现压装机的各个功能，因此选用单泵系统。该机械手液压油源回路如图56所示。56 液压油源回路 在此液压油源回路中，通过电动机带动齿轮泵将油箱中的油压入系统中，用压力计测量系统的工作压力。用溢流阀保证系统的压力恒定，起保压和安全的作用。换向阀用来使系统快速卸荷，当电磁阀1DT得电，整个系统就卸荷了。5.4.1.2前后移动系统回路 机械手要能实现前后移动，液压系统回路图如图57所示。图57 前后移动系统回路机械手的前后移动采用双级液压缸来实现，由于系统对工作运动时间有严格的限制，所以用一个换向阀和一个调速阀来实现工件的快慢工作变化情况，用一个三位二通换向阀来实现活塞杆的前进和后退工作。当电磁体2DT得电时，机械手向前运动；当电磁铁3DT得电时，机械手向后运动；当电磁铁4DT得电时，机械手的运动由快速变为可调速运动速度。5.4.1.3升降移动系统回路由于所设计的生产线上有三支机械手同步运动，这里就要考虑到三个液压升降油缸的同步运动问题。采用同步作用回路，克服各执行元件所受到的负载、摩擦阻力、制造精度、泄漏及结构弹性变形等不同因素的影响，来保证三个机械手升降油缸在运动中保持相同的运动速度。该机械手升降移动系统回路如图58所示。图58 升降移动系统回路升降液压缸的同步运动采用流量阀来控制，通过严格调整三个调速阀的开口量大小，来实现液压缸的同步升降运动。当电磁铁5DT得电时，机械手以稳定的速度下降，以免速度过快，惯性力对零件的损坏；当电磁铁6DT得电时，液压油通过单向阀实现快速上升。这种流量阀控制的同步回路虽然调整较难，但对于精度不太高的系统，因其结构简单，易于实现，成本低等特点，仍有广泛的运用。5.4.1.4机械手夹紧系统回路 机械手夹紧动作也要求三个夹紧油缸同时动作，但由于油缸行程短，夹紧时间在1S内完成，故可不用调速阀进行同步控制。由于机械手把零件夹起后，需要在空中运输，保持夹紧状态一段时间后再放开，则需要锁紧回路来实现，防止机械手夹紧后因外力作用而发生位移或窜动。用液压单向阀构成的双向液压锁紧回路，因为液控单向阀的密封性好，液压缸锁紧相当可靠。机械手的夹紧系统回路如图59所示。图59 夹紧系统回路5.4.2拟定液压系统原理图在拟定液压系统原理图时，要防止回路间可能存在的相互干扰，确保系统安全可靠。将各个回路图合成，整个机械手的液压系统原理图就初步绘制了，再检查并加以补充完善，便可以绘制出正式的液压系统原理图。如图510所示。图510 机械手液压系统原理图5.4.3选择液压元件液压阀的选择依据是系统的最高压力和通过阀的实际流量以及阀的操纵、安装方式等，需要注意的问题是：（1）确定通过阀的实际流量，此时注意通过管路的流量与油路串、并联的关系：油路串联时系统的流量即为油路中各处所通过的流量；油路并联中各油路同时工作时系统的流量等于各条油路通过流量的和。（2）单活塞杆液压缸两腔回油的差异。活塞外伸和内缩时的回油流量是不同的，内缩时无杆腔回油流量与外伸时有杆腔的回油流量之比，等于两腔活塞面积之比。（3）控制阀的使用压力、流量不要超过其额定值，如控制阀的使用压力、流量超过了其额定值，就易引起液压卡紧和液动力，对控制阀工作品质产生的不良影响。根据系统的要求，并结合注意事项，选择液压元件列表如图511所示。序号元件名称通过流量L/min型号1溢流阀60Y-63B2三位四通电磁换向阀6034E-63B3二位二通电磁换向阀6022E10B4液控单向阀602AY-F10D5单向阀60D-10B6调速阀60L-63B图511 液压元件列表5.4.4液压系统的验算5.4.4.1系统压力损失计算当系统元、辅件规格和管道尺寸确定后,并绘出管路装配草图，即可进行系统压力损失计算。它包括管路的行程程压力损失、局部压力损失及阀类元件的局部压力损失P3，有公式如下： （5.8） （5.9） （5.10） （5.11）管道长度；管道内径；液流平均速度；液压油密度； ，局部阻力和沿程阻力系数；阀的额定流量；通过阀的实际流量；阀的额定压力损失；查液压设计手册中，根据系统的要求，系统中最长的管路内径d=0.01m，长=2.5m，通过流量Q=4.9710-2m3/s，工作介质为20号机油，工作压力下的粘度=2010-6m2/s， 密度=900Kg/m3。根据液压管内流速公式：得，6.33m/s； 根据雷诺数公式：Re得，Re3164； 因为3000Re100000，故沿程阻力系数0.0422； 将=0.0422代入公式（5.9），计算得沿程阻力损失：0.04220.19 MPa 根据液压设计手册，P20.025 MPa。再计算阀类元件的局部损失P3，单向阀的压力损失为0.2 MPa，代入公式（5.11），得：0.18MPa 由于管接头、弯头、相贯孔的局部压力损失很小，可不计，所以，液压系统的压力损失P为：=0.190.0250.18=0.395MPa由于在初始计算时，选取压力损失P0.4 MPa，计算出的液压系统的压力损失与初选系统工作压力时选定的压力损失很接近，故无须更正系统参数。5.4.4.2系统效率计算液压系统效率是系统的输出功率(即执行元件的输出功率)N0与其输入功率(即液压泵的输入功率)NP之比，查液压设计手册，得系统效率计算公式： （5.12） （5.13） 液压泵的总效率； 执行元件的效率； 回路效率， 系统输给同时动作的执行元件的功率，KW； 同时运转的各液压泵的输出功率，KW。查找液压设计手册，得0.90.95，现取0.91；液压泵的总效率0.8；回路效率0.961，则系统的总效率：0.80.910.9610.70705.5本章小结本章详细介绍了液压系统的设计，按照液压设计的步骤，进行了零件工况分析、液压系统主要参数计算、液压方案的确定及液压原理图的完成。最后，在此计算基础上进行液压元件的选型，并对整个液压系统进行验算。整个液压系统的设计，为机械手的运动及控制起到了关键性的作用。 6 液压缸的设计6.1引言 液压缸是将液体的压力能转换成机械能，以实现往复直线运动或往复摆动的液压执行元件。其结构简单，工作可靠，在各种液压机械设备中特到了广泛的应用。本机械手所用的液压缸，均为双作用液压缸，有两个油口，在压力油的作用下活塞往复运动实现机械手的一对运动。对于机械手上下移动和夹紧动作，用活塞式液压缸；而由于机械手前后运动行程较大，故采用伸缩套筒式液压缸。6.2液压缸主要尺寸的确定6.2.1液压缸内径和活塞杆直径的确定 在上一章的论述中，首先确定了液压缸的工作压力，并用公式（5.1）对液压缸的内径D和活塞杆的直径d做了详细的计算，得出三个液压缸的数据如图61所示。液压缸类型液压缸内径D（mm）活塞杆外径d（mm）前后移动液压缸10032升降移动液压缸4022机械手夹紧液压缸188图61 液压缸的内径D和活塞杆的直径d6.2.2液压缸壁厚的计算液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚的比值D/10的圆筒称为薄壁圆筒，一般用无缝钢管材料；对于液压缸的内径D与其壁厚的比值D/10的圆筒，应按材料力学中的厚壁圆筒公式进行计算。机械手液压缸，属于厚壁圆筒结构，查找液压设计手册，其壁厚按薄壁圆筒公式有： （6.1）液压缸壁厚，m； D 液压缸内径，m； Pv试验压力，一般取最大工作压力的(12515)倍； 缸筒材料的许用应力；缸筒材料的许用应力取值为：锻钢：110120 MPa，铸钢：100110 MPa，高强度铸铁：60 MPa。这里采用铸钢，取110 MPa，Pv=1.2510=12.5 MPa，升降移动液压缸D0.04m。代入公式（6.1）得： 0.0022m2.2mm6.2.3液压缸工作行程的确定液压缸的工作行程长度，可根据执行机构的实际工作的最大行程来确定，并参照液压设计手册的液压缸活塞行程系列尺寸的优先等级来选取标准值。各液压缸的活塞行程如图62所示。液压缸类型行程要求行程取值前后移动液压缸要求能移动1500mm 套筒行程取值为925mm，活塞行程取值为900mm升降移动液压缸要求能移动300mm活塞行程取值为360mm机械手夹紧液压缸要求夹紧时间小于1s活塞行程取值为40mm图62 液压缸的工作行程6.2.4缸盖厚度计算该机械手液压缸为平底缸盖，其有效厚度t可以按照缸盖强度要求近似计算。查液压设计手册，由公式： （6.2）缸盖厚度（m）；缸盖止口内径（m）；液压缸的额定压力 (MPa)；缸盖材料的许用应力 (MPa)，根据公式，取n=2，210 MPa，算得105 MPa；将0.036m,10 MPa代入公式4.7得：0.4330.0360.00582m5.8mm6.2.5最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度，如果导向长度过小，将使液压缸的初始绕度（间隙引起的绕度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的导向长度。对于一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下公式要求： （6.3）L液压缸的最大行程；D液压缸的内径；对于机械手升降液压缸，L360mm，D40mm，将其带入公式（6.3），得38mm6.2.6缸体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。刚体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。机械手前后移动、升降移动、夹紧动作液压缸的长度分别为：950mm、450mm、50mm。6.2.7活塞杆强度的验算 活塞杆在稳定工况下，只受轴向推力的作用，则可以近似地用直杆承受的简单强度计算公式进行计算： （6.4）F活塞杆的作用力，N； d活塞杆直径，m； p材料的许用应力；机械手升降液压缸受轴向推力的作用，F=5.6KN，d=22mm，材料的许用应力p175MPa，带入公式4.8，计算得：= 147 MPa7MPa的中高压系统时，过滤精度为1015m，经过查表，选择纸芯式滤油器，其型号为：ZU-H4010S。7.6.2 空气滤清器空气滤清器是对空气进行净化的装置，它由壳体和滤芯组成，滤芯布置在壳体内。大气中有各种异物，例如灰尘、砂粒等，会对液压系统的油液造成污染，它们将加速系统的磨损，从而降低系统的使用寿命。空气滤清器能防止出现这种情况。经过查表，选择QUQ2型空气滤清器。7.6.3液压油液压设备出现的故障，有些是由于液压油选择不当所引起的。选择液压油时需要考虑的因素很多，其中最主要的是根据使用条件选用粘度合适的液压油。在确定液压油粘度时，应着重考虑下列因素；工作压力的高低、工作环境温度的高低、工作部件运动速度的大小和液压泵对液压油钻度的要求。考虑的具体原则是：（1）系统压力较高时，为了减少容积损失，宜选用粘度较高的液压油；压力较低时，可选用粘度较低的液压油；高压系统宜选用加有抗磨损添加剂的抗磨液压油。（2）环境温度高，宜选用高粘度液压油；环境温度低，宜选用低粘度液压油。（3）工作部件运动速度较低的往复运动液压系统低粘度的液压油，工作部件作旋转运动的液压系统，可选用粘度较高的液压油。根据以上液压油选用原则，通过查表，选用20号机油合适本液压系统。7.7液压系统清洗、使用与维护7.7.1 液压系统的清洗液压系统在制造、试验、使用和储存中都会受到污染，而清洗是清除污染，使液压油、液压元件和管道等保持清洁的重要手段。生产中，液压系统的清洗通常有主系统清洗和全系统清洗。全系统清洗是指对液压装置的整个回路进行清洗，在清洗前应将系统恢复到实际运转状态。清洗介质可用液压油，清洗时间一般为2-4小时，清洗效果以回路滤网上无杂质为标准。机械手液压系统清洗时注意事项：（1）对机械手液压系统清洗时，采用工作用的液压油进行清洗。不能用煤油、汽油、酒精、蒸气或其它液体，防止液压元件、管路、油箱和密封件等受腐蚀；（2）清洗过程中，液压泵运转和清洗介质加热同时进行，温度为50-80时，此时系统内的橡胶渣容易除掉；（3）清洗过程中，用非金属锤棒敲击油管，可连续地敲击，也可不连续地敲击，以利清除管路内的附着物；（4）液压泵间歇运转有利于提高清洗效果，间歇时间一般为1030min；（5）在清洗油路的回路上，装过滤器或滤网。刚开始清洗时，因杂质较多，可先采用80目滤网，清洗后期改用150目以上的滤网；（6）清洗时间一般为2-4小时；（7）为了防止外界湿气引起锈蚀，清洗结束时，液压泵还要连续运转，直到温度恢复正常为止；（8）清洗后要将回路内的清洗油排除干净。7.7.2系统的使用和维护 整个机械手液压系统要能正确的运行，不出现任何问题，提高系统的寿命，就要对系统定期的检查，及时发现并更正错误，
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