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液压 移置 机械手 毕业设计

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湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文（设计）中 期 检 查 表学 院： 湖南农业大学东方科技学院 学生姓名何文斌学 号200841914510年级专业及班级2008 级 机械设计及其自动化 专业（ 5 ）班指导教师姓名周光永指导教师职称副教授论文（设计）题目基于液压控制的移置机械手的设计毕业论文（设计）工作进度已完成的主要内容尚需解决的主要问题机械手主体的分类及各部件的分工、自由度的确定为4、液压缸的放置及工作原理、油路的大体走势及实现循环的条件；整个机械手的工作设想1、大量的计算、液压元件的选择2、油路的合理设计3、x、y、z方向上的平稳移动4、机械手的夹紧设计5、动力系统的设计和计算指导教师意见 签 名： 年 月 日 检查小组意见 组长签名： 年 月 日 注：1.此表可用黑色签字笔填写，也可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。2.此表可从教务处网站下载中心下载。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何文斌学号200841914510年级专业及班级2008级机械设计制造及其自动化(5)班指导教师及职称周光永 副教授开题时间年 月 日毕业论文（设计）题目液压控制的移置机械手的设计文献综述（选题研究意义、国内外研究现状、主要参考文献等）（宋体五号，行间距单倍行距。）一、在机械工业中，机械手的应用具有以下意义：1 可以提高生产过程的自动化程度： 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2 可以改善劳动条件、避免人身事故： 在高 温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，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地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。同时，在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3 可以减少人力，便于有节奏的生产：应用机械手代替人手进行工作，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地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。二、 国内外研究概况、水平和发展趋势、应用前景： 目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。 目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量新产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。三、参考文献：1杨黎明.机械零件设计手册.第一版.国防工业出版社，1986,122李允文.工业机械设计手册.北京：机械工业出版社，1994,83侯析，刘涛.装卸机械手设计研究.机械，2004,74卢颂峰.机械设计课程设计手册.第一版.机械工业出版社，1998,45机床夹具设计手册 上海科学技术出版社 1988,36电子手册 电子工业出版社 2003,107金属机械加工工艺人员手册 上海科学技术出版社 1995,3研究方案（研究目的、内容、方法、预期成果、条件保障等）（宋体五号，行间距单倍行距）1.研究目的：我国机械手的研发和应用还处在一个发展的阶段, 跟美国日本等发达国家相比还有很大的差距,很多产品还需进口,特别是高灵活,高精度的机械手。要使我国机械工业更进一步在发展壮大,就必须提高其自动化程度和生产效率,将人手操作变为机械手操作。所以研究机械手是为了提高我国的生产自动化程度。2.研究内容： 液压驱动机械手，使其能够抓起工件，并移动到规定的位置上。其中包含液压系统的设计、夹紧力的计算和验算、自由度的选择等等。3.研究方法： 通过搜集相关机械手的设计资料，结合指导老师的细心指导来完成本次设计方案。4.预期成果： 能够实现机械手抓起工件并移动至要求的位置上。5.条件保障： 在设计的过程当中，充足的时间和丰富的设计所需资料以及指导老师的宝贵意见是必不可少的。时间进程安排（各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等）（宋体五号，行间距单倍行距）2月2日至3月15日 收集资料并与指导老师保持联系3月16日至3月31日 总体方案的初步构思和整体结构的初步设计4月1日至4月5日 中期检查4月6日至4月15日 整体结构的设计，绘制装配图4月16日至4月30日 绘制控制原理图5月1日至5月10日 绘制零件图5月11日至5月22日 编写设计计算说明书5月23日开始 审核，修正，答辩准备开题论证小组意见 组长签名： 年 月 日专业委员会意见专业教研室主任签名： 年 月 日注：此表意见栏必须由相应责任人亲笔填写。专业名称必须是全称，例如“会计学专业”，班序号用阿拉伯数字“1”、“2”标注。此表如不够填写，可另加页。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 学生姓名何文斌学 号200841914510年级专业及班级2008级机械设计制造及其自动化专业(5)班指导教师姓名周光永指导教师职称副教授毕业论文（设计）题目液压控制的移置机械手的设计论证小组质疑及指导意见1. 机械手怎样实现x，y，z轴方向的平移？2. 机械手的设计准备采取什么抓取方式？为什么？3. 准备采取哪些方法和步骤来完成你的毕业设计？学生回答简要记录1. 机械手采用x，y，z三个方向上的伸缩液压系统来实现x，y，z轴方向上的移动2. 机械手采用二指机构来抓取工件，因为二指结构相对较简单也比较好控制3. 通过查阅机械手册来确定机械手的设计，先制定整个设计的草案，再根据指导老师的意见逐步完善自己的设计论证小组成员签名记录人签名： 论证时间：2011 年 9 月 25 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）选题审批表学 部： 理工学部 专业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文题目液压控制的移置机械手的设计选题来源（ ）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周光永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（宋体五号，行间距单倍行距）机械手是加工自动线上物料移置的关键设备，移置机械手的设计具有现实的工程意义。完成基于液压控制的移置机械手的设计，需综合运用机、电、液多学科的知识，使设计受到多项工程能力的训练，符合机制专业培养目标的要求，且工作量适当，因此，作为毕业设计课题具有较强的可行性。 内容摘要：1、设计装配图。 2、测绘零件图。 3、设计液压控制系统图。 4、编写设计计算说明书。专业委员会意见专业委员会主任签名： 年 月 日 注：请在选项前的“（ ）”内打“”；意见栏必须由相应责任人亲笔填写，不够填写时可另加页。湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 2012 年 5 月 20 日液压控制的移置机械手的设计学 生：何文斌指导老师：周光永（湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128）摘 要：随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计计算过程 。首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体座标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。关键词：机械手；液压传动；液压缸 The Desing Of Displacement Manipulator Based On Hydraytic ControlStudent: He WenbinTutor: Zhou Guangyong(College of Orient Science & Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)Abstract: The applying of the manipulators are more and more important in the industry, with the development of industrial automation. The paper mainly narrated the design and calculation of light and transfer manipulator.The first，The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.This article system elaboration industry manipulators design theory and method. The comprehensive exhaustive discussion has transported manipulators hand, the wrist, the arm ，the fuselage and so on ,which the major structural design computation. Key words: manipulator; hydraulic power transmission；Hydraulic cylinder液压控制的移置机械手的设计学 生：何文斌指导老师：周光永（湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128）摘 要：本次设计的液压传动机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图。机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的夹紧、伸缩、升降、横移均采用伸缩油缸。文章主要叙述了机械手的设计计算过程，全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。本设计的机械手可在空间抓放物体，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。关键词： 机械手；液压；控制回路The Design Of Displacement Manipulator Based On Hydrolytic ControlStudent: He WenbinTutor: Zhou Guangyong(College of Orient Science & Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract : The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ,use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design of manipulator, and drawing the necessary assembly, hydraulic system map. Manipulator mechanical structure using tanks, screw, guide tubes and other mechanical device component; In the hydraulic drive bodies, manipulator arm stretching using telescopic tank. The paper mainly narrated the design and calculation of light and transfer manipulator, The comprehensive exhaustive discussion has transported manipulators hand, the arm, the fuselage and so on ,which the major structural design computation.The design of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger work pieces .Keywords : Manipulator ; Hydraulic; Control Loop液压控制的移置机械手的设计学 生：何文斌指导老师：周光永（湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128）摘 要：本次设计的液压传动机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图。机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的夹紧、伸缩、升降、横移均采用伸缩油缸。文章主要叙述了机械手的设计计算过程，全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。本设计的机械手可在空间抓放物体，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。关键词： 机械手；液压；控制回路The Design Of Displacement Manipulator Based On Hydrolytic ControlStudent: He WenbinTutor: Zhou Guangyong(College of Orient Science & Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract: The design of hydraulic driving manipulator according to the order of moves, use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design of manipulator, and drawing the necessary assembly, hydraulic system map. Manipulator mechanical structure using tanks, screw, guide tubes and other mechanical device component; In the hydraulic drive bodies, manipulator arm clamping, telescopic, lifting and traverse using telescopic tank. The paper mainly narrated the design and calculation of light and transfer manipulator, The comprehensive exhaustive discussion has transported manipulators hand, the arm, the fuselage and so on ,which the major structural design computation.The design of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger work pieces .Keywords : Manipulator ; Hydraulic; Control Loop1 绪论1.1 前言几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯（Talons)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，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。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备1。 1.2 工业机械手在生产中的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬运、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用2。关于液压控制的移置机械手的设计有以下几个主要内容：1、设计装配图2、测绘零件图3、设计液压控制系统图4、编写设计计算说明书1.3 机械手的组成要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机械手的性能。一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成3。如图1图1 机械手的组成Fig1 The Manipulators composition1.3.1 执行机构（1） 手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。（3） 臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。1.3.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.3.3 控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。2 总体设计方案2.1 机械手的确定常用工业机械手按驱动方式分:直角座标式、圆柱座标式、球座标式、多关节式。如图2所示，其中直角座标式手臂可沿X、Y、Z座标轴作直线移动，即伸缩、升降和横移。其特点是直观性好，所占空间位置大。根据设计任务锁需，特选定为直角座标式4。该机械手具有4个自由度，即：手抓张合；手臂伸缩；手臂横移；手臂升降4个主要运动。该机械手主要由3个大部件和4个液压缸组成：图2 机械手座标型式Fig2 The Mechanical hand Coordinate type（1）手部 采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2）臂部 采用直线缸来实现手臂平动。（3）机身 采用两个直线缸来实现手臂的升降和横移。 根据以上参数，图3 是机械手整体结构示意图。 图3 整体结构示意图Fig3 Overall structural diagram2.2 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据驱动方式的不同, 工业机械手大致可分为液压式、气动式、电动式和机械式驱动。采用液压机构驱动机械手,操作力大，体积小，动作平稳等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动5。2.3 机械手的技术参数列表1、移置零件形状：方形零件：2、零件重量: 3、自由度数:4个自由度4、座标型式:直角座标式5、手臂运动参数伸缩行程：伸缩速度：升降行程：升降速度：横移行程：横移速度：3 机械手手部的计算3.1 手部设计时应注意的问题3（1）应具有足够的握力，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。（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）以便于抓取工件。（3）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。（4）应保证手抓的夹持精度，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。3.2 典型的手部结构手部主要有以下几类：手指式、吸盘式、其他形式。本设计抓取的零件为轴类零件，故选择二指式。而手指式又分为：（1）平移式手指：当手指夹持的工件直径变化时并不影响工件中心位置的改变，即定位误差为零。但平移式手指结构较复杂，体积大，要求加工精度高。显然本设计机械手不适合使用此方案。（2）回转式手指：当手指夹持不同直径的工件时则产生定位偏差。但回转式手指结构简单。综上，本设计机械手选择二指回转式手指。3.3 机械手手部结构的设计计算3.3.1 选择手部的类型及夹紧装置4本设计选择二指回转型手部，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手指张开，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指闭合。3.3.2 夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。(1) 手指对工件的夹紧力可按下式计算： （1） 式中 安全系数，通常取1.22，这里取1.5 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按估算。为机械手在搬运工件过程中的加速度。取 方位系数，经查表选取 G被抓取工件的重量，这里为经计算，得 （2）手部的设计计算过程如下： (a) (b)图4 机械手手部结构Fig4 The structure of the machine hand尺寸计算：取a=200mm,b=300mm,由手部的传动结构形式，其驱动力计算公式为 ： 取（3）确定液压缸的直径D选取活塞杆直径,选择液压缸压力油工作压力P=0.8MPa,根据液压缸的内径系列（JB826-66）6，选取液压缸内径为：则活塞杆内径为: ，选取3.4 弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧7。如图5所示，计算过程如下。图5 圆柱螺旋弹簧的几何参数Fig 5 Column helical springs geometric parameter（1）选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力（2）选择旋绕比C=8，则 （2）（3）根据安装空间选择弹簧中径D=120mm，估算弹簧丝直径（4）试算弹簧丝直径 （3）（5）根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数： （4）弹簧的切变模量G查机械设计表16-2得：G=80000选择标准为，弹簧的总圈数圈（6）最后确定，。（7）对于压缩弹簧稳定性的验算8 对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比，本设计弹簧是2端自由，根据下列选取： 当两端固定时，,当一端固定；一端自由时，；当两端自由转动时，。结论本设计弹簧，因此弹簧稳定性合适。（8）疲劳强度和应力强度的验算对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式： （5）选取1.3-1.7（力学性能精确） （6）结论：经过校核，该弹簧适合。4 机械手腕部为了能使手部处于空间任意方向，要求腕部能分别对空间三个座标轴X、Y、Z实现转动。即腕部应具有回转、上下俯仰和左右摆动三个自由度。腕部实际所具有的自由度多少应根据机械手的工作性能要求来确定。多数情况下腕部应具有两个自由度：回转和山下俯仰或者左右摆动二者之一。在本设计任务中，不需要手部结构的回转和山下俯仰或者左右摆动，因此，本机械手不设计腕部。5 机械手臂部的设计及有关计算臂部是支承手部和腕部，主要用来改变工件位置的部件。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。5.1 臂部设计时应注意的问题臂部的运动和结构形式对机械手的工作性能有着较大的影响。设计时应注意下列几点：（1） 刚度要好: 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。（2） 偏重力矩要小: 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。（3） 重量要轻，惯量要小: 由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位度也不会高,为了减少冲击，必须有缓冲装置。（4） 导向性要好: 为了防止手臂在直线移运动中沿运动轴线不发生相对转动，以保证手部的正确方向，必须有导向装置。其结构应根据手臂的安装形式、抓取重量和运动行程等因素来确定。5.2 手臂的典型结构以及结构的选择5.2.1 手臂的典型运动机构9常见的手臂伸缩机构有以下几种：（1） 双导杆手臂伸缩机构。（2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。（3） 双活塞杆液压岗结构。（4） 活塞杆和齿轮齿条机构。5.2.2 手臂运动机构的选择综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。5.3 X方向先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构11。手臂水平伸缩直线运动时需要克服摩擦力和惯性力，其驱动力可按下式计算： （7）式中 摩擦阻力包括导轨间的摩擦阻力；活塞与缸壁及密封处的摩擦阻力 起动过程的惯性力；其大小按下式估算 式中 手臂移动部件的总重量 重力加速度 手臂运动速度 起动时所需的时间 一般可取5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算分析：摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。图6是机械手的手臂受力示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩杆两侧12。计算如下：由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。得 得 （8）式中 G 参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）； L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m） a导向支撑的长度（m）; 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。图6 手臂受力示意图Fig6 diagram of the arm forces对于活塞与缸壁及密封处的摩擦阻力：不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：5.3.2 手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度, （9）根据公式5.1， 得 5.3.3 液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力，根据表1选择液压缸的工作压力13表1 液压缸的工作压力Table 1 The work pressure of hydraulic cylinder作用在活塞上外力 液压缸工作压力 小于5000 0.8-15000-10000 1.5-2.010000-20000 2.5-3.020000-30000 3.0-4.030000-50000 4.0-5.050000以上 5.0-8.05.3.4 确定液压缸的结构尺寸液压缸内径的计算，如图7所示： 图7 液压缸示意图Fig 7 diagram of hydraulic cylinder当油进入无杆腔，当油进入有杆腔中， 液压缸的有效面积：故有 （无杆腔） （10） （有杆腔） （11），选择机械效率将有关数据代入：根据液压缸的内径系列（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择。（1） 液压缸外径的设计根据装配等因素，该液压缸的外径60mm.（2） 活塞杆的计算校核8活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算： （12）设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径d=25mm,L=800mm,现在进行校核。结论： 活塞杆的强度足够。6 机身的设计计算机身是机械手的主体，它是支承手部、腕部（本设计中没有腕部）和臂部，并实现升降和回转或俯仰和回转的部件（本设计为升降和横移）。6.1 机身设计时应注意的问题（1）要有足够的刚度和稳定度；（2）升降运动要灵活，升降立柱的导套长度不宜过短，否则可能产生卡死现象；一般要有导向装置；（3）结构布置要合理，便于装修。6.2 Y方向机身总重量估算 由 公式 （13） （14）取0.5Mpa，带入上式，得 查机械设计手册，圆整得 查机械设计手册，选择缸的外径为：6.3 Z方向升降运动时，活塞油缸的驱动力可按下式计算： （15）式中 各支承处的摩擦力 起动时惯性力 运动部件的总重量 上升时为正，下降时为负近似估算为将数据带入上面公式有：上升时， 下降时， 负号表示力方向与所选方向相反。取为0.4Mpa，同以上步骤进行计算得： 活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下端盖与连接地面的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑14。经考虑，查机械设计手册，圆整得 查机械设计手册，选择缸的外径为：由于升降运动过程中，液压缸活塞杆受到轴向压缩负载，它所承受的力不能超过使它保持稳工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏了液压缸的正常工作。的值与活塞杆材料性质、截面面积、直径和长度以及液压缸的安装方法等因素有关。活塞杆稳定性的校核按下式进行： （16）式中为安全系数，一般取。当活塞杆的细长比时 （17）当活塞杆的细长比时，且时，则： （18）式中为安装长度，其值与安装方式有关，按液压传动表5-3选取；为活塞杆截面最小回转半径，这里取；为柔性系数，其值按表5-4取85；为由液压缸支承方式决定的末端系数，其值由表5-3取1；J为活塞杆横截面惯性矩；A为活塞横截面积；f为由材料强度决定的实验值，由表5-4取；a为系数取1/5000。代入数据验算得： 前面已经算出升降缸所受最大压力为 故： 所以升降缸满足系统的稳定性要求8。7 液压元件的选择7.1 主要技术参数如下表2表2 机械手主要技术参数Table 2 Manipulators main technical parameters 项目 主要数据参数手臂运动型式 直角座标式抓取重量 自由度 4个水平伸缩 升降 横移 定位方式和定位精度 机械挡块，控制方式 点位程控，开关板预设驱动方式 液压7.2 液压泵的选择压力计算 （19）式中 液压缸或液压马达的最大工作压力 液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失 压力继电器调整压力高出系统最大压力之值，取的标准计算要待元件选定，并绘出管路时才能进行，初算时可以按经验数据选取，管路简单的可选，管路复杂的，进油口有调速阀的15，取。流量计算 （20）式中 系统泄露系数 同时动作的液压缸或液压马达的最大流量。对于在工作过程中用节速调速阀的系统还必须加上溢流阀的最小流量，一般取。查液压设计手册，可选取定量叶片泵。查表选择型，它的主要参数为： 转速为7.3 确定电机功率液压泵最大工作压力，压力损失，则：查液压设计手册，取定量叶片泵的总效率为，则： （21）电机一般允许短时间超载查产品样本，选用Y112M-2型电机，功率为。7.4 液压阀的选择阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过阀的流量，选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵最大流量选取，选择调速阀时，必须保证最小稳定流量能满足执行机构最低稳定速度的要求16。控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有以内的短时间过流量。选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量来确定，本系统工作压力较小，流量也较小，所以选择低压低流量的阀。本液压系统中，三个液压缸选取三位四通O型换向阀换向，使得机械手能顺利完成所规定的动作，主油路上选取一个三位四通O型阀来控制油路。换向阀的开启与关闭通过电气开关或压力继电器来控制，运动速度由调速阀通过调节油路的流量来控制。部分油路采用单向阀来保持压力，用溢流阀来保护液压缸17。通过上面的计算和校核，初步决定使用以下液压元件，在经济性和安全性方面都能满足要求。选择的元件型号及规格如下表3：表3 液压元件型号及规格Table 3 The type and specifications of components序号 元件名称 估计流量 型号 规格1，21 油 箱 2 定量叶片泵 3 溢流阀 10通径 4，20 三位四通O型 8通径 换向阀 5 调速阀 ，16通径 6 三位四通O型 8通径 换向阀8,12,13 行程开关7 调速阀 5通径11,15, 调速阀 10通径 19 调速阀 10通径10,17 三位四通O型 8通径 换向阀14，16,18 压力继电器 调压7.5 油管的设计各元件间间接管道的规格由元件接口处尺寸决定，液压缸进出油管则按输入，排出的最大流量计算。油管的内径按公式计算。根据表3数值当油液在油管中流速取，算得液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为18：伸缩缸： 油管按JB827-6选用内径为，外径为的无缝钢管。升降缸： 油管按JB827-6选用内径为，外径为的无缝钢管。横移缸： 油管按JB827-6选用内径为，外径为的无缝钢管。7.6 油箱的设计油箱的功用主要是储存油液，此外还起着散发油液中热量（在周围环境温度较低的情况下则是保持油液中热量）、释放处混在油液中的气体、沉淀在油液中污染物等作用。油箱的有效面积（油面高度80%时的容积）应根据液压系统发热、散热平衡的原则来计算，这项计算在系统负载较大、长期连续工作时时必不可少的19。但对于一般情况而言，油箱的有效容积可按液压泵的额定流量估计出来。可按下式计算： （22）式中 油箱的有效容积 与系统有关的经验数字；低压系统，中压系统，高压系统。次液压系统为低压系统，取，又已知，则：根据国际标准JB-T7938-1995选用300L的油箱。8 液压系统的验算8.1 压力损失的验算实际油液是有粘性的，所以流动时要损耗一部分热量，这种热量损失表现为压力损失。能量的损耗转变为热量，使液压系统的温度升高。液体在流动时产生的压力损失包括两部分，一部分是沿程压力损失，另一部分是局部压力损失。8.1.1 回路压力损失的验算因为Y轴横移缸的动作回路系统油路较多而管路损失较大，所以主要验算横移缸这段管路损失，管内径为，流量为，即，设管长为，选用机械油，正常运行向右的运动粘度，油的密度。 油在管中实际的流速为： （23）所以在油管中为层流状态，其行程阻力系数为： （24）回路压力损失为：8.1.2 局部压力损失的验算局部压力损失包括通过管路和管接头处的管路局部压力损失，以及通过控制阀的局部压力损失，但由于管路局部压力损失相对控制阀的局部压力损失小得多，所以主要计算控制阀的局部压力损失。从原理图可以看出，从叶片泵出口到伸缩缸进油口要经过电磁换向阀C，调速阀，调速阀和电磁换向阀Y。电磁换向阀C的额定流量为，额定压力损失，调速阀的额定流量，额定压力损失为，调速阀的额定流量为，额定压力损失为，电磁换向阀的额定流量为，额定压力损失为。代入下式，则局部压力损失为：8.2 计算液压系统的发热温升这项验算时用热平衡原理来对油液的温升值进行估计。单位时间内进入液压系统的热量是液压泵输入功率和液压执行元件有效功率之差，假如这些热量全部由油箱散发出去，不考虑系统其他部分的散热效能，则油液温升的估算公式可以根据不同的条件分别从有关的手册中找出来。油液温升的计算式可以用单位时间内输入热量和油箱有效容积近似地表示成： （25）液压系统工作时，除开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。（1）液压泵的功率损失： （26）式中 工作循环周期液压泵的输入功率各台液压泵的总效率 第台泵的工作时间 投入工作的液压泵的台数（2）液压执行元件的功率损失： （27）（3）溢流阀的功率损失20： （28）（4）液压油