毕业设计（论文）-托辊自动化生产线控制部分设计.pdf

诚信声明 本人郑重声明：本设计及其研究工作是本人在指导教师的指导 下独立完成的，在完成设计时所利用的一切资料均已在参考文献中 列出。 本人签名：年月日 毕业设计任务书毕业设计任务书 设计题目：托辊自动化生产线控制部分设计 系部：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化学号： 112011103 学生：胡立业指导教师（含职称） ：郭永生（工程师） 1课题意义及目标 学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识。深入了解机械 设计的各个过程。及设计规范、计算方法、设计思想等内容。为学生在毕业后从事产 品设计、制造等技术工作打好基础。 2主要任务 （1）根据题目要求，查阅相关资料。 （2）进行详细的结构设计、计算、控制内容设计。 （3）按照毕业设计说明书撰写要求，完成毕业设计的撰写。 （4）绘制结构设计相关的零件图及工艺设计卡片或控制部分设计。 （5）设计过程要按标准要求执行。 3主要参考资料 1 张世昌.机械制造技术基础M.高等教育出版社,2006 年. 2潘新民.王燕芳.微型计算机控制技术M.人民邮电出版社. 3李炳文.万丽荣.柴光远.矿山机械M.中国矿业大学出版社.2009 4濮良贵.机械设计(第八版)M.高等教育出版社.2010.6 4进度安排 设计各阶段名称起止日期 根据题目要求，确定设计方案。3 月 3 日 3 月 23 日 结构设计，计算。3 月 24 日4 月 13 日 完成 50%以上的工作任务，准备中期检 查。 4 月 14 日- 5 月 4 日 完成图纸的绘制，程序调整。5 月 5 日 6 月 1 日 撰写毕业设计，准备答辨。6 月 2 日 6 月 22 日 审核人审核人：田静2014 年 12 月 30 日 太原工业学院毕业设计 I 托辊自动化生产线控制部分设计 摘要：摘要：在托辊自动化生产线控制部分设计中，设计的主要内容是机械手抓取托辊 这一过程的控制部分。主要的设计内容有机械手的结构设计以及机械手的液压控制系 统设计。 根据已知的有关机械手的各种参数，要抓取零件的质量及大小以及零件位移的大 小和方向来选择合适的液压回路和液压执行件。对机械手的各个部位进行受力分析， 计算其所受力矩的大小，最终完成毕业设计。 关键字：机械手；液压缸 ；控制 Design of control part of roller automation production line Abstract：In the designofthecontrolsection oftheautomaticproduction lineofthe supportingroller,themain contentofthe designisthecontrol partoftheprocess of mechanical handgripping roller, Mainof designcontent isthestructuredesignofthemanipulatorand designthehydrauliccontrolsystem ofthemanipulator. According to the known of concerned manipulators each kind of parameter, must capture the components the quality and the size as well as the components displacement size and the direction chooses the appropriate hydraulic pressure return route and the hydraulic pressure execution. In ordertocompletethegraduation design, weneed force analysisofthevarious parts ofthemanipulator, and calculateitthesizefromthemoment. Keywords:manipulator;hydrauliccylinder;control 太原工业学院毕业设计 II 目录目录 1 前言1 1.1 工业机械手臂简介.1 1.2 世界机械手臂的发展.1 1.3 我国工业机械手臂的发展.1 1.4 本设计的内容和目的.2 1.4.1 臂力的确定.2 1.4.2 工作范围的确定.2 1.4.3 确定运动速度.2 1.4.5 位置检测装置的选择.3 1.4.6 驱动与控制方式的选择.3 2 手部结构.4 2.1 概述4 2.2 设计时应考虑的几个问题.4 2.3 驱动力的计算.4 2.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析.6 3 腕部的结构.8 3.1 概述.8 3.2 腕部的结构形式.8 3.3 手腕驱动力矩的计算.9 4 臂部的结构.12 4.1 概述.12 4.2 手臂直线运动机构.12 4.2.1 手臂伸缩运动.12 4.2.2 导向装置.13 4.2.3 手臂的升降运动.14 4.5 臂部运动驱动力计算.14 4.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算.15 4.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算.16 太原工业学院毕业设计 III 4.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算.16 5 液压系统的设计.18 5.1 液压系统简介.18 5.2 液压系统的组成.18 5.3 机械手液压系统的控制回路.18 5.3.1 压力控制回路.18 5.3.2 速度控制回路.19 5.3.3 方向控制回路.19 5.4 机械手的液压传动系统.20 5.4.1 上料机械手的动作顺序.20 5.4.2 自动上料机械手液压系统原理介绍.20 5.5 机械手液压系统的简单计算.21 5.5.1 双作用单杆活塞油缸.22 5.5.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）.24 5.5.3 单叶片回转油缸.26 5.5.4 油泵的选择.27 5.5.5 确定油泵电动机功率 N27 6 结论.29 参考文献.30 致 谢.31 太原工业学院毕业设计 1 1 前言 1.1 工业机械手臂简介 1 前言 1.1 工业机械手臂简介 工业机械手臂就是为了在生产中代替人的手臂来发挥作用，在生产线上，机械手 有很重要的作用。机械手臂应用很广，在工业、医疗、军事、以及太空探索等领域都 发挥很重要的作用。 机械臂是由机械组成，所以它不知疲倦，始终以匀速工作，在生产中比人的生产 效率更高，操作稳定比工人的速度快。机械手臂可以自动控制，它只需要输入控制指 令， 就可以不停的工作， 不仅可以帮助工人工作， 有些情况甚至可以代替工人的工作， 在现代化生产中有很大的作用。 1.2 世界机械手臂的发展1.2 世界机械手臂的发展 机械手首先是从美国开始研制的，1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械 手，它的结构是；机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系 统是示教形的，随着计算机和自动控制技术的迅速发展,农业机械将进入高度自动化 和智能化时期，机械手机器人的应用可以提高工人的工作效率，所以应用很广。 现在机械臂的发展很快，机械臂的发展似乎走向了两个极端。有的机械臂可以进 行很精密的操作，有的可以进行大重量物体的移动，我相信在未来这样的操作可以同 时进行。 1.3 我国工业机械手臂的发展1.3 我国工业机械手臂的发展 我国机械手臂的发展很快，更新换代的速度就像电脑的速度一样。国内机械臂早 就应用与生产中的各个领域。 70 年代时，在工业生产中应用机械臂的企业很少， 而且机械臂的体积一般都比较 大，比较笨重，只能做一些比较粗糙的工作，在精密度要求高的产业里，机械臂的应 用就比较少了。 太原工业学院毕业设计 2 现在我国的机械臂发展很快，在各个领域里几乎都起到了重要的作用。例如在医 学领域里，纳米机器人早就应用与进入人体内部来切割肿瘤，还可以用它来完成一些 比较困难的手术；在生产制造领域机械臂应用的更是广泛，几乎所有的生产线都有机 械臂的身影，它不仅可以帮助工人移动重量比较大的物体，还可以代替工人在工作台 上不停的工作，大大的提高了生产效率。我国的机械臂有了许多种类，基本上是向精 确度高、价格低还有维修方便这几个方面发展的。有些机械臂适用性高，可以应用到 各种生产环境下，发展到现在，机械手臂已经是目前应用极为广泛的自动化装置了。 1.4 本设计的内容和目的1.4 本设计的内容和目的 主要设计的是在托辊自动化生产线抓取托辊零件的液压机械手臂，通过本次设计 来熟悉本专业的知识，提高自己的自主学习能力。 1.4.1 臂力的确定1.4.1 臂力的确定 设计题目中的机械手臂是有液压控制的机械臂，液压机械手它的臂力为 1650 牛， 安全系数 K 一般可在 1.53 之间，本机械手臂取安全系数 K=2，定位精度为1mm。 1.4.2 工作范围的确定1.4.2 工作范围的确定 本机械手的动作范围确定如下： 手腕回转角度115 手臂伸长量 150mm 手臂回转角度115 手臂升降行程 170mm 手臂水平运动行程 100mm 1.4.3 确定运动速度1.4.3 确定运动速度 确定机械手的运行速度与它的手臂的长度有关，在生产过程中是有节奏的，随着 节拍来完成规定的动作，每个节拍花费的时间就是完成动作所用的时间，由此得出完 成动作的速度。总速度就是几个分速度的合成。机械手臂完成整个动作，要先用机械 手臂的手部抓住工件，手臂上升，向回收缩，手臂下降这几个动作，这几个动作要在 太原工业学院毕业设计 3 规定的时间内完成， 以免打乱工作的节奏， 根据实际生产的情况， 来进行时间的分配。 机械手的总动作速度一般应比工作的拍节的速度低，若两个动作同时进行，要按 速度低的来进行计算，对运动速度的分配包括以下几个原因： 给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间； 机械臂在做收缩运动时，它的速度较快，在这一过程中消耗的时间较少。 在某些特殊的情况下，有时会使几个部件同时移动，所以要进行某些预防措 施。 本机械手的各运动速度如下： 手腕回转速度V腕回= 40/s 手臂伸缩速度V臂伸= 50 mm/s 手臂回转速度V臂回= 40/s 手臂升降速度V 臂升 = 50 mm/s 立柱水平运动速度V柱移= 50 mm/s 1.4.4 手臂的配置形式1.4.4 手臂的配置形式 机械手臂配置方式基本上取决于它的总体的布局。运动速度、操作情况、工作坏 境的不同，手臂的配置形式也不同。本机械手采用机座式。手臂移动的方向只能是伸 缩的往复运动，升降是靠立柱来完成的，手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐 标型，它是沿着立柱在垂直方向上移动，也可以做回转运动，这种配置形式应用范围 很广。 1.4.5 位置检测装置的选择1.4.5 位置检测装置的选择 在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位方便实用精确度又高，这种应用方 式的应用也是很广的。 1.4.6 驱动与控制方式的选择1.4.6 驱动与控制方式的选择 机械手的驱动是由液压控制的，最佳的方式应该是体积要小价格要低，控制方式 最好要简单方便。 控制系统有多种方式。一般机械手要进行专门的控制系统的设计。 根据驱动介质的不同， 驱动方式也不同， 驱动方式一般有四种。 本次用液压驱动。 太原工业学院毕业设计 4 2 手部结构 2.1 概述 2 手部结构 2.1 概述 手部是机械手抓取工件的部位，它和人手的功能基本相同，安装在机械手手臂前 端的位置。手部结构及型式根据工作的环境的不同，以及所夹持的零件的不同应用不 同的结构形式，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构 的手指同钳子的夹持部位相似，都是用来夹持零件的，它的传力形式有许多种，这里 使用滑槽杠杆式来进行传力。 2.2 设计时应考虑的几个问题2.2 设计时应考虑的几个问题 应具有足够的握力（即夹紧力） 手指间应有一定的开闭角 应保证工件的准确定位 应具有足够的强度和刚度 应考虑被抓取对象的要求 2.3 驱动力的计算2.3 驱动力的计算 如图 1 是滑槽式手部结构的受力分析图，拉杆 3 向上移动，与销轴 2 相接处的点 也向上移动，俩钳子开始合拢，拉杆 3 向下移动时，俩钳子开始打开，手指对 2 的正 作用力是 P1，反作用力为 P2，如图O1OA 和O2OA 是直角三角形，所以AOC= BOC=。根据销轴的力平衡条件，即 Fx=0,P1=P2;Fy=0 P=2P1cos P1=P/2cos 销轴对手指的作用力为 p1。手指夹紧工件时需要用力，这个力称为握力也可以 叫做夹紧力，假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相 等，方向相反，以 N 表示。由手指的力矩平衡条件，即m01(F)=0 得 P1h=Nb 因h=a/cos 太原工业学院毕业设计 5 所以P=2b(cos) 2 N/a 式中a手指的受到支撑力的点与中心线的垂直距离，用毫米做单位。 手指合拢时的滑槽方向与两个回转部分相支撑的点的连线之间 的夹角。 1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座 图 2-1 滑槽杠杆式手部受力分析 由上式可知，当驱动力 P 一定时，角增大则握力 N 也随之增加，但角过大会 导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此， 一般取=3040。这里取角=30 度。 这种机械手手部的结构简单，手指开角大抓取零件时动作简单。查工业机械手 设计基础中表 2-1 可知，V 形手指抓取圆柱形工件时，握力的计算公式 N=0.5G，由 此可以计算得出驱动力的具体数值。工件在传送过程中会产生一些力不易计算，如摩 擦力以及惯性力等，所以在实际计算时应用的公式是： P实际=PK1K2/ 太原工业学院毕业设计 6 式中手部的机械效率，一般取 0.850.95； K1安全系数，一般取 1.22 K2工作情况系数，有摩擦的因素，还要考虑它所受惯性力的影响，K2 可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中 a 是工件的加速度，取值是它自身运动时的最大 值，g 为重力加速度。 本机械手要抓取的工件只做前后和上下的运动，当它的运动速度为 500 毫米/秒， 移动加速度为 1000 毫米/秒 2 ，工件重量 G 约为 98 牛顿，V 型钳口的夹角为 120,=30时，拉紧油缸的驱动力 P 和 P 实际计算如下： N=0.5G 把已知条件代入得当量夹紧力为 N=49（N） 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2b(cos) 2 N/a 得 P=P计算=2*45/27(cos30) 2 *49=122.5(N) P 实际=P计算K1K2/ 取=0.85,K1=1.5,K2=1+1000/98101.1 则P实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N) 2.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析2.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析 钳口与钳爪在点 E 处联结，这种联接是铰链联接,如图 2 所示,根据图中所表示的 情况，如果钳爪的对称中心点 O 到工件中心点 O的距离是 x,则 x= 22 )sin/(abRl 工件变化时手指所张开的角度也不同， 主要与工件的横截面有关,x 的变化量即为 定位误差,设工件半径 R 由 Rmax变化到 Rmin时,其最大定位误差为 = 22 )sinmax/(abRl- 22 )sinmin/(abRl 其中 l=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120 ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm 代入公式计算得 太原工业学院毕业设计 7 最大定位误差=44.2-44.7=0.50.8故符合要求. 图 2-2带浮动钳口的钳爪 太原工业学院毕业设计 8 3 腕部的结构 3.1 概述 3 腕部的结构 3.1 概述 腕部是连接手部与臂部的部件，主要是为了把手支起来。设计腕部时要注意以下 几点： 1结构紧凑，重量尽量轻。 2转动灵活，密封性要好。 3手部与臂部的连接要紧固，维修时要方便。 4要适应工作环境的需要。 图 3-1 机械手的腕部结构 3.2 腕部的结构形式3.2 腕部的结构形式 太原工业学院毕业设计 9 机械手腕部主要做回转运动，设计时要尽量注意摩擦的问题，尽量减少摩擦力等 阻碍回转的力。机械手腕部会转角为 115 度。 如上图就是腕部设计的结构，有上图可知，当机械手腕部旋转时，它的臂部也跟 着旋转，腕部的零部件的连接方式有键连接和销连接，降低了整体自由度。夹紧缸体 时就把腕部与机械手的其他部位连接到了一块。当回转油缸的两腔分别通入压力油 时，整体开始旋转，这就是机械手腕部开始做回转运动了。 3.3 手腕驱动力矩的计算3.3 手腕驱动力矩的计算 驱动手腕回转时的驱动力矩要大于总的阻力矩，总的阻力大部分是各个部件运动 产生的摩擦力，也包括一些其他的力。由书上的计算公式可知，手腕转动时所需要的 驱动力矩为： M驱=M惯+M偏+M摩（N.m） 式中 M驱驱动手腕转动的驱动力矩 M惯惯性力矩（N.m） M偏转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的 动片）对转动轴线有一定的偏差，做其重心与转动轴线的垂线可以计算得出所产生的 偏重力矩的大小（N.m） M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩（N.m） 摩擦阻力矩 M 摩 M摩= 2 f （N1D1+N2D2）（N.m） N1 、N2 轴承支承反力 （N） ； D1 、D2 轴承直径（m） 由设计知 D1=0.035mD2=0.054mN1=800NN2=200NG1=98Ne=0.020 时 M摩=0.1*（200*0.035+800*0.054）/2 得M摩=2.50（N.m） 太原工业学院毕业设计 10 图 3-2腕部回转力矩计算图 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M偏 M偏=G1e （N.m） 式中G1工件重量（N） e偏心距也就是物体绕一条线做旋转运动时，它的重心与这 条线的距离就是偏心距 当 e=0.020，G1=98N 时 M偏=1.96 （Nm） 腕部启动时的惯性阻力矩 M 惯 当知道手腕回转角速度时，可用下式计算 M惯 M惯=（J+J 工件） t （Nm） 式中手腕回转角速度 （1/s） T手腕启动过程中所用时间（s） ， （假定启动过程中近为加速 运动） J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kgm 2 ） J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量 （kgm 2 ） 按已知计算得 J=2.5，J工件=6.25，=0.3m/ m 2 ,t=2 太原工业学院毕业设计 11 故M惯= 1.3（Nm） 当腕部开始旋转时，已经转过的角度已经知道后，也可以用下面的公式 计算 M 惯： M惯=（J+J 工件） 2 2 （Nm） 式中启动过程所转过的角度（rad）; 手腕回转角速度（1/s） 。 考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将 M 取大一些，可取 M =1.11.2 （M惯+M偏+M摩） （N.m） M = 1.2*（2.5+1.96+1.3）=6.9（N.m） 太原工业学院毕业设计 12 4 臂部的结构 4.1 概述 4 臂部的结构 4.1 概述 臂部是机械手的一个重要部件，同人的手臂的臂部一样，它把手部与腕部连接到 一块，可以控制手部的移动，支承手部和腕部，可以将被抓取的工件传送到指定的位 置上， 所以一般的机械手的手臂有三个自由度， 主要的运动有前后、 左右和上下运动。 手臂的左右和上下运动是通过立柱来控制的，立柱向左手臂向左移动，立柱向右手臂 就向有移动。手臂的各种运动通常由各种传动机构来实现，因此，它不仅仅需要承受 被抓取工件的重量，还要承受自身的重量以及运动时所产生的摩擦和其他阻力。因此 设计臂部时一般要注意下述要求： 刚度大臂部在运动时的阻力很大有时会产生变形，为了防止这种变形， 手臂的材料的硬度要大，直径不能太小。常用钢管作为臂杆及导向杆，用工字钢和槽 钢作支承板。 导向性好为了防止手臂不沿着直线运动，以及摩擦所产生的问题，应选 择合适的臂杆。 4.2 手臂直线运动机构4.2 手臂直线运动机构 机械手手臂的前后、上下及左右移动都是做直线运动，手臂做往复直线运动的机 构形式有许多种，如活塞运动所应用的机构，以及其他的一些连杆机构。 4.2.1 手臂伸缩运动4.2.1 手臂伸缩运动 手臂做前后往复运动所用的机构是活塞油缸这种机构结构简单，并且体积比较 小，在整个机械手中占得位置小，应用的很广。如图 5 所示为双导向杆手臂的伸缩结 构。手臂和腕部是由键连接，当双作用油缸 1 的两腔分别通入传动介质时，则推动活 塞杆 2（即手臂）作水平方向上的来回运动。导向杆 3 在导向套 4 内移动，两者连接 较为紧密，在水平移动时，俩杆之间不会发生相互旋转。 （并兼做手腕回转缸 6 及手 部 7 的夹紧油缸用的输油管道） 。由于手臂的位置等因素，手臂的臂杆只受水平方向 的力，在水平方向上运动的速度较为平稳，外观较为美观。 太原工业学院毕业设计 13 图 4-1双导向杆手臂的伸缩结构 4.2.2 导向装置4.2.2 导向装置 导向装置在整个液压系统中有很重要的作用，它可以减少传动时的阻力，还可以 确保运动方向的正确性。但导向装置它的体积最好要小，要光滑，以减少摩擦。它根 据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局 上应尽简单方便，容易维修并且重量要轻。现在的导向装置有很多种，一般的包括单 导向杆、多导向杆和其他的导向装置，本机械手采用的是双导向杆导向机构。 图 4-2双导向杆手臂结构 太原工业学院毕业设计 14 双导向杆就是两个方向都可以导向的装置，有些导向杆较长，应该使杆的横截面 大，这样就不易使导向杆变形。 如图 6 所示，手臂比一般的要长，会导致导向杆悬伸部分的发生形变，在导向杆 后面加一个支撑架就可以防止导向杆的变形。如图 6 所示，在导向杆 1 的后半部用支 承架 4 将俩杆连起来，架子的两侧放两个滚动轴承 2，当杆随同伸缩缸的活塞杆一起 移动时，支承架上的滚动轴承就在支承板 3 的支承面上滚动。 4.2.3 手臂的升降运动4.2.3 手臂的升降运动 如图 7 所示为手臂的上下升降运动机构。向里面注入油液，4 就开始做上下方向 的垂直运动，缸体 2 是静止不动的，在活塞杆的推动下，活塞开始在沿着导向杆做垂 直方向上的往复运动。 图 4-3手臂升降和回转机构图 4.5 臂部运动驱动力计算4.5 臂部运动驱动力计算 太原工业学院毕业设计 15 计算它的驱动力，不仅要计算重力，还包括摩擦力以及其他阻力，主要是重力和 摩擦力。 4.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算4.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算 手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力 及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。其驱动力 Pq 可按下式计算： Pq = Fm + Fg (N) 式中Fm各支承处的摩擦阻力； Fg启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算： Fg = g W a(N) 式中W 手臂伸缩部件的总重量 （N） ； 太原工业学院毕业设计 16 图 4-4手臂横向移动机构 g 重力加速度（9.8m/s 2 ）; a 启动过程中的平均加速度（m/s 2 ） ， 而a = t v (m/s 2 ) v 速度变化量。在一定时间里，速度变化在数值上的大 小； t 启动过程中所用的时间，一般为 0.010.5s。 当 Fm=80N,W=1098（N） ，V = 500mm/s 时， Pq = 80+ 8 . 9 1098 * 5 . 0 5 . 0 =80+112=192 (N) 4.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算4.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算 手臂在做上下方向上的运动时，所受的阻力有摩擦力和自身的重力，所以： Pq = Fm + Fg W(N) 式中Fm各支承处的摩擦力（N） ； Fg启动时惯性力（N）可按臂伸缩运动时的情况计算； W臂部运动部件的总重量（N） ； 上升时为正，下降时为负。 当 Fm=40N，Fg=100N，W =1098N 时 Pq=40+100+1098=1238（N） 4.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算4.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算 臂部回转运动驱动力矩主要是根据启动时产生的惯性力矩机械臂中的摩擦力矩 来计算。由于启动时是加速度不停的变化的运动，故最大的驱动力矩要比理论上平均 值要大，一般是平均值的 1.3 倍左右。故驱动力矩 Mq 可按下式计算： Mq = 1.3(Mm + Mg )(Nm) 式中Mm各支承处的总摩擦力矩； Mg启动时惯性力矩，一般按下式计算： 太原工业学院毕业设计 17 Mg = J t (Nm) 式中J手臂部件对其回转轴线的转动惯量（kgm 2 ）; 回转手臂的工作角速度（rad/s）; t回转臂启动时间（s） 当 Mm=84(Nm)，Mg=8 2 . 0 8 . 0 =32(Nm) Mq = 1.3*116=150.8(Nm) 对于活塞、导向套筒和油缸等的转动惯量都要做详细的计算，计算结果要保存， 因为这些零件的重量较大或回转半径较大，对总的计算结果影响也较大，对于小零件 则可作为质点计算其转动惯量，对其质心转动惯量忽略不计。对于形状复杂的零件， 可划分为几个简单的零件分别进行计算， 其中有的部分可当作质点计算， 可以参考 工 业机器人表 4-1。 太原工业学院毕业设计 18 5 液压系统的设计 5.1 液压系统简介 5 液压系统的设计 5.1 液压系统简介 机械手的传动主要有气压传动和液压传动俩中方式。因为液压传功比较稳定，所 以机械手一般用液压方式来进行传动，液压传动是由电动机带动油泵输出压力油，由 液压缸开始通过管道以及各种液压阀来将动力传走。手臂在运动时所能克服的摩擦阻 力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的 有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少， 流入其中的快慢与机械手臂的移动速度息息相关。像这种借助于运动着的压力油的容 积变化来传递动力的液压传动叫做容积式液压传动，机械手的液压传动系统就是这种 容积式液压传动。 5.2 液压系统的组成5.2 液压系统的组成 液压传动系统主要由以下几个部分组成： 油泵是在液压系统中有很大的作用，就如同汽车里的发动机一般，是液 压系统的动力源。 液动机是液压系统的执行元件，油泵提供动力，对外做功的就是液动机， 也叫做液动马达。 控制调节装置 各种阀类这是液压系统的控制部分，包括液压系统的方方 面面，如油液的流速方向以及油液的压力等，通过这些控制装置来控制机械臂移动的 方向，以及抓取力度的大小。 5.3 机械手液压系统的控制回路5.3 机械手液压系统的控制回路 机械手的液压系统是由一些基本控制回路组成，与它的自由度也有些关系。它们 都有各自的功能，如调压回路就是调节回路中的压力，降压回路就是降低回路中油液 的压力。 5.3.1 压力控制回路5.3.1 压力控制回路 太原工业学院毕业设计 19 调压回路通过溢流阀来调节液压系统中的压力，当系统中压力大时，溢流 阀开启，使油液流入液压缸中。 卸荷回路当系统不工作时，卸荷就是让油液的压力为零，让油液流回到液 压缸中，使油泵在低负荷的情况下工作。此机械手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥 控口卸荷回路。 减压回路通过减压阀来降低系统中的压力，从而保持系统的稳定。 平衡与锁紧回路在机械液压系统里，为防止垂直机构自重而任意下降，可 采用平衡回路将垂直机构的自重给以平衡，这种回路应用的不是很多。 本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路。 油泵出口处接单向阀在油泵出口处接上单向阀是很重要的。其作用主要有 两个方面：第一是可以保护油泵。液压系统开始工作时，油泵向系统提供高压油液， 使驱动油缸开始运动对外做功。当一旦电机不在转动时，油泵不再向外供油，系统中 原有的高压油液具有一定能量，将迫使油泵反方向转动，结果产生噪音，加速油泵的 磨损。在油泵出油口处加设单向阀后，隔断系统中高压油液和油泵时间的联系，从而 起到保护油缸的作用。第二是防止空气混入系统。 5.3.2 速度控制回路5.3.2 速度控制回路 在速度控制方面有多重控制方法，都是靠改变油液的流量来控制油液的速度，应 用最广的是这两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油 缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。本机械手采用定量油 泵节流调速回路。 节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是：有压力 和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。 采用节流阀进行节流调速时，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性 差。 调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量，使油缸的运动速度不 受负荷变化的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调速阀实现节流调速。 5.3.3 方向控制回路5.3.3 方向控制回路 太原工业学院毕业设计 20 在机械手液压系统中，主要控制液压油流向的是各种阀，单向阀就是只让油液单 向流过，换向阀是为了改变油液的流向。 目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（D 型） 和直流电磁阀（E 型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为 220V（也有 380V 或 36V） ， 直流电磁阀的使用电压一般为 24V（或 110V） 。这里采用交流电磁阀。交流电磁阀比 一般的阀要好得多，主要是价格便宜，换向方便，不好的就是容易损坏。 5.4 机械手的液压传动系统5.4 机械手的液压传动系统 液压系统图的绘制在整个设计中占很重要的地位，它把整个机械手臂的零部件都 联系了起来，对机械手的控制是重要的。它主要由控制回路组成，包括一些特殊的液 压阀 。绘制液压系统图的一般顺序是：先确定油缸和油泵的位置，再画出中 间的控制调节回路和相应元件，以及其他辅助装置，有些特殊的零部件，对整体进行 规划，从而组成整个液压系统，并用液压系统中的图形符号，画出液压原理图。 5.4.1 上料机械手的动作顺序5.4.1 上料机械手的动作顺序 本液压传动上料机械手主要是从把零件从一个地方抓住摆放到待加工的位置。它 的动作顺序是：即起始位置插定位销手臂前伸手指张开手指夹料手臂上升 手臂缩回立柱横移拔定位销 插定位销手臂前伸手臂中停手指松开 手指闭合手臂缩回手臂下降手腕反转 （手腕复位） 拔定位销手臂反转 （机 械手臂复位）立柱回移（回到起始位置）待料（一个循环结束）卸荷。 5.4.2 自动上料机械手液压系统原理介绍5.4.2 自动上料机械手液压系统原理介绍 液压系统原理如图 9 所示。该系统选用功率 N =7.5 千瓦的电动机，带动双联叶 片泵 YB-35/18 ，其公称压力为 60*10 5帕，流量为 35 升/分+18 升/分=53 升/分，系 统压力调节为 30*10 5帕， 油箱容积选为 250 升。 手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时两 个油泵同时供油；手臂及手腕的回转和手指夹紧用的拉紧油缸以及手臂回转的定位油 缸工作时只有小油泵供油，大泵自动卸荷。 手臂伸缩、手臂升降、手臂回转、手臂横向移动和手腕回转油路采用单向调 太原工业学院毕业设计 21 速阀（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程节流，因而速度可调，工作平稳。 图 5-1机械手液压系统图 手臂升降油缸支路设置有单向顺序阀（XI-63B） ，可以调整顺序阀的弹簧力使之 在活塞、活塞杆及其所支承的手臂等自重所引起的油液压力作用下仍保持断路。工作 时油泵输出的压力油进入升降油缸上腔，作用在顺序阀的压力增加使之接通，活塞便 向下运动。 手指夹紧油缸支路装有液控单向阀（IY-25B） ，使手指夹紧工件时不受系统压力 波动的影响，保证保证手指夹持工件牢靠。 在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低，为此在定位油缸支 路前串有减压阀（J-10） ，使定位油缸获得适应压力为 1518*10 5帕 ，同时还给电液 动滑阀（或称电液换向阀，34DY-63B）来实现，空载卸荷不致使油温升高。系统的压 力由溢流阀来调节。 5.5 机械手液压系统的简单计算5.5 机械手液压系统的简单计算 太原工业学院毕业设计 22 在液压系统中，主要计算各个位置的压力，以及在某些位置是油液的流量。根据 泵功率的大小可以计算出系统中油液的流量，以及在溢流阀的控制下系统中的压力。 在本机械手中，主要用到的用三种油缸是活塞式油缸（往复直线运动）和回转式 油缸（可以使输出轴得到小于 360的往复回转运动）及无杆活塞油缸（亦称齿条活 塞油缸） 。 5.5.1 双作用单杆活塞油缸5.5.1 双作用单杆活塞油缸 图 5-2双作用单杆活塞杆油缸计算简图 流量、驱动力的计算 当压力油输入无杆腔，使活塞以速度 V1运动时所需输入油缸的流量 Q1为 Q1= 40 D 2 V1 手臂伸缩部位的油缸的流量：Q1=0.98cm 3/s， 对于手指夹紧时提供动力的 油缸的流量： Q1=1.02 cm 3/s ,对于手臂在垂直运动时提供动力油缸： Q1=0.83 cm 3/s 油缸内部直接由液压油作用在活塞上时，有压力产生，这个压力也就是油 缸对外做功的动力，即油缸的驱动力 P1为： P1= 4 D 2 p1 太原工业学院毕业设计 23 对于手臂伸缩油缸：p1=196N， 对于手指夹紧油缸：p1=126N ，对于手臂升 降油缸：p1=320N 当压力油输入有杆腔，使活塞以速度 V2 运动时所需输入油缸的流量 Q2为： Q2= 40 （D 2 -d 2 ）V2 对于手臂伸缩油缸：Q1=0.87cm 3/s， 对于手指夹紧油缸：Q 1=0.96 cm 3/s , 对于手臂升降油缸：Q1=0.72 cm 3/s 油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力 P2即油缸的驱动力 为： P2= 4 （D 2 -d 2 ）p1 对于手臂伸缩油缸：p1=172N， 对于手指夹紧油缸：p1=108N ，对于手臂升 降油缸：p1=305N 计算作用在活塞上的总机械载荷 机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷 P 为 P = P工+ P导+ P封+ P惯+ P回 其中P工为工作阻力 P 导 导向装置处的摩擦阻力 P封密封装置处的摩擦阻力 P惯惯性阻力 P回背压阻力 P = 83+125+66+80+208=562(N) 确定油缸的结构尺寸 油缸内径的计算 油缸工作时，作用在活塞上的合成液压力即驱动力与 活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即 P = P1（无杆腔） = P2（有杆腔） 油缸（即活塞）的直径可由下式计算 D = 1 4 P P = 1.13 1P p 厘米 （无杆腔） 太原工业学院毕业设计 24 对于手臂伸缩油缸：D=50mm， 对于手指夹紧油缸：D=30mm ，对于手臂升降油缸： D=80mm ，对于立柱横移油缸：D = 40mm 或 D = 1 14 2 P dPP 厘米（有杆腔） 油缸壁厚的计算： 依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： = 2 Dp计 厘米 P 计 为计算压力 油缸材料的许用应力。 对于手臂伸缩油缸：=6mm， 对于手指夹紧油缸：=17mm ，对于手臂升 降油缸：=16mm , 对于立柱横移油缸:=17mm 活塞杆的计算 可按强度条件决定活塞直径 d 。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活 塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，即 = 4 2 d P 即 d P4 厘米 对于手臂伸缩油缸：d =30mm， 对于手指夹紧油缸：d =15mm ，对于手臂升 降油缸：d=50mm , 对于立柱横移油缸:d=16mm 5.5.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）5.5.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸） 太原工业学院毕业设计 25 图 5-3齿条活塞缸计算简图 流量、驱动力的计算 Q = 133 2 dD 当 D=103mm,d=40mm,=0.95 rad/s 时 Q = 952N 作用在活塞上的总机械载荷 P P = P工+ P封+ P惯+ P回 其中P工为工作阻力 P封密封装置处的摩擦阻力 P惯惯性阻力 P回背压阻力 P = 66+108+208=382（N） 油缸内径的计算 根据作用在齿条活塞上的合成液压力即驱动力与总机械载荷的平衡条件，求得 D = p P 4 （厘米） 太原工业学院毕业设计 26 = 45mm 5.5.3 单叶片回转油缸5.5.3 单叶片回转油缸 在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸， 简称回转油缸，其计算简图如图 12： 流量、驱动力矩的计算 当压力油输入回转油缸， 使动片以角速度运动时， 需要输入回转油缸的流量 Q 为： Q = 400 )(3 22 dDb 当 D=100mm,d=35mm,b=35mm,=0.95 rad/s 时 Q=0.02m 3/s 回转油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 M： M = 8 )( 22 dDpb 得 M = 0.8 (Nm) 太原工业学院毕业设计 27 图 5-4回转油缸计算简图 作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩 M M = M工+M封+ M惯+ M回 其中M工为工作阻力矩 M封密封装置处的摩擦阻力矩 M惯参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩 M回回转油缸回油腔的背反力矩 M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (Nm) 回转油缸内径的计算 回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得： D = 2 8 d bp M （厘米） = 30mm 5.5.4 油泵的选择5.5.4 油泵的选择 油泵的选择主要与油泵的工作压力 p 泵 和最大流量 Q 泵有关，与油泵的工作环 境也有一定的关系，在机械手臂中一般选用定量泵，但在某些环境下选择特殊的泵。 确定油泵的工作压力 p 泵 p泵 p +p 式中p 油缸的最大工作油压 p压力油路（进油路）各部分压力损失之和，在整个系统中 所有的压力损失相加 p泵= 60*10 5帕 确定油泵的 Q泵 油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量 Q 最大，并考虑系统的总泄漏来确定 Q泵= K Q最大 其中 K 一般取 1.101.25 Q泵=53 升/