[机械毕业论文]轴瓦体机械手液压系统设计【专业答辩必备资料】

- 1 - 目录 摘要 . 错误 !未定义书签。 ABSTRACT . 错误 !未定义书签。 1. 绪论 . - 3 - 1.1 课题背景 . - 3 - 1.2 机械手的定义与分类 . - 4 - 1.3 机械手应用及组成结构 . - 5 - 1.4 机械手的发展趋势 . - 6 - 1.5 轴瓦 体 . - 7 - 2.机械手的工作特点及基本动作 . - 8 - 2. 1机械手的工况特点及要求 . - 8 - 2.2 轴瓦体传送机械手的基本动作 . - 8 - 2.3 液压系统分析 . - 11 - 3. 液压系统原理设计 . - 12 - 3.1 手部抓取缸 . - 12 - 3.2 腕部摆动液压回路 . - 13 - 3.3 小臂伸缩缸液 压回路 . - 14 - 3.4 总体系统图 . - 15 - 4. 抓取机构设计 . - 17 - 4.1 手部设计计算 . - 17 - 4.2 腕部设计计算 . - 20 - 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 2 - 4.3 臂伸缩机构设计 . - 21 - 5. 机身机座的结构设计 . - 25 - 5.1 电机的选择 . - 25 - 5.2 减速器的选择 . - 27 - 5.3 螺柱的设计与校核 . - 27 - 6. 机械手的定位与平稳性 . - 30 - 6.1 常用的定位方式 . - 30 - 6.2 影响平稳性和定位精度的因素 . - 30 - 6.3 机械手运动的缓冲装置 . - 31 - 7. 机械手的控制 . - 32 - 参考资料 . - 34 - 致谢 . - 35 - 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 3 - 第 1章 绪论 1.1 课题背景 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。 在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程 序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。 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的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。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越 多的应用，机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。 借助 PLC 强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。 同时，借助组态软件的辅助作用，大大提高了系统的工作效率。 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。 工业机械手是近几十年发展起来的 一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 4 - 作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。 1.2 机械手的定义与分类 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作，如图 1-1。 图 1-1 机械手的迅速发展是由于 它的积极作用正日益为人们所认识。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，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。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置 。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 5 - 作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“ Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本项目要求设计的机械手模型 可归为第一类，即通用机械手。 1.3 机械手应用及组成结构 目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。 在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，专用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件， 即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。 执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端，可以转动、开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。本设计采用二指的构造。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件 ，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。总之，机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。 驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以电哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 6 - 气、气动用得最多，占 90以上，液压、机械驱动用得较少。液压驱动主要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气 阀等。一般采用 4 6 个大气压，个别达到 8 10 个大气压。本设计的手爪部分采用气压驱动。电气驱动时，直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。通用机械手则考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。本设计采用步进电动机驱动手臂运动，直流电动机驱动手爪和机械手的底盘旋转运动。机械驱动只适用于动作固定的场合。 机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占90以上。 控制系统可以根据动作的要求，设计采用数字顺序 控制，它首先要编制程序加以储存，然后再根据规定的程序，控制机械手工作。对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。 本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现，具有编程简单、修改容易、可靠性高等。 1.4 机械手的发展趋势 机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过 40 多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行 事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。 国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC 机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。 国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、 点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 7 - 掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。 1.5 轴瓦体 轴瓦是内燃机滑动轴承中的滑动部件，也叫“轴衬”。安装在发动机的内部，曲轴箱的曲轴上，起到润滑与减 少摩擦作用。 轴瓦形状为瓦状的半圆柱面。轴瓦是滑动轴承和轴接触的部分，非常光滑，一般用青铜、减摩合金等耐磨材料制成，在特殊情况下可以用木材、塑料或橡皮制成。滑动轴承工作时，由于润滑不良，轴瓦与转轴之间存在直接摩擦，温度不断升高，虽然轴瓦是由于特殊的耐高温合金材料制成，但仍然会被烧坏，轴瓦还可能由于负荷过大、温度过高、润滑油存在杂质或黏度异常等因素造成烧瓦使滑动轴承就损坏。 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 8 - 第 2 章 .机械手的工作特点及基本动作 2. 1 机械手的工况特点及要求 轴瓦体传送机械手是轴瓦大修流水线上的 一个工件传递装置，用手抓取从百合金熔退设备送来的弧面向下的高温轴瓦体，把轴瓦体翻转 180，使弧面向上，然后送到涂刷助焊剂的设备上，如图 2-1所示。对机械手的动作要求有手爪夹紧工件，手臂伸缩、手腕回转 180，手臂水平回转 180等。除手爪的抓、放之外，机械手具有三个自由度。要求机械手具有较高的生产能力 图 2-1 手爪必须有足够的夹紧力，以防被抓送的工件松动或脱落。手爪应有自锁性能，以防止在失电或失压使被夹紧的工件脱落，并且 要求防止手臂在传送过程中发生振动和冲击。 由上可知，这个机械手只需要实现固定点的点控制便可完成任务。因此，其液压系统是开关控制系统。利用行程控制原件和压力控制原件便可实现其自动工作循环。 2.2 轴瓦体传送机械手的基本动作 轴瓦体传送机械手液压系统原理如图 2-2 所示，其动作顺序如下所示。该机械手所完成的基本动作如下。 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 9 - 图 2-2 手臂伸出、手爪张开 推瓦缸到位后压下行程开关，使电磁铁 7DT和 9DT，换向阀 17 和换向阀 6 的左位接入系统。此时，手爪夹紧缸 9 的左腔与油箱相通，手爪夹紧缸依靠弹簧力将大腔油推回油箱，手爪张开；与此同时，液压泵 1输出的压力油进入手臂伸缩缸的左腔，手臂伸出，其油路为： 进油路 液压泵 1单向阀 4换向阀 17（左位）手臂伸缩缸左腔； 回油路 手臂伸缩缸右腔换向阀 17（左位）换向阀 15（左位）油箱。 在手臂伸出到位之前压下电气行程开关，使电磁铁 5DT 得电，换向阀 15 右位接入系统，切断油路，迫使伸缩缸 18的回油必须经过节流阀 16 回油箱，同时使延时继电器得电开始计时。此时伸缩杆 18 的活塞减速运行，以缓冲到位冲击。当延时到期后，使电磁铁 5DT、 7DT和 9DT全失电，伸缩缸 18到位停止运动。 手爪夹紧 当电磁铁 9DT失电后，使换向阀 6复位，压力油进入手爪夹紧缸9的左腔，压缩弹簧并夹紧轴瓦体。 手臂缩回 当手爪夹紧轴瓦体后，该油路油压升高，当达到压力继电器 10的调定压力时，压力继电器发出信号，使低矮那次体弱 6DT 得电，换向阀 17 的右位接入系统，液压泵 1 输出的压力油经单向阀 4 和换向阀 17（右位）进入伸缩缸18的右腔，伸缩缸左腔的油液经换向阀 17和换向阀 15（左位）回油箱，实现手臂缩回。当手臂缩回到终点之前，压力电气行程开关，使电磁铁 5DT 得电，换向阀哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 10 - 15右位接入系统，同时延时继电器通电开始计时，伸缩缸 18减速缓冲。延时到期后，使电磁铁 5DT 和 6DT 失电，电磁铁 8DT 得电，换向阀 17 切换至中位，手臂停止动作。 手腕翻转 180（正） 当电磁铁 8DT 得电后，换向阀 11 右位接入系统，压力油经换向阀 11（右位）和单向节流阀 13的单向阀进入手腕翻转缸 13的一腔，另一腔的油液经单向节流阀 12的节流阀和换向阀 11回油箱，手腕实现出口节流调速下的翻转运动，其翻转速度由单向节流阀 12调节。 手 臂回转 180（正） 当手臂翻转到位后，通过行程开关使电磁铁 3DT得电，换向阀 21 右位接入系统，压力油经换向阀 21（右位）进入手臂回转缸 22 的一腔，另一腔的油液经换向阀 21的换向阀 19（左位）回油箱，实现手臂回转 180（正），当回转到终点前压下行程开关使电磁铁 2DT得电，换向阀 19右位接入系统，回转缸回油经节流阀 20回油箱，实现回油节流缓冲。 手臂伸出 手臂回转 180（正）到位后压下行程开关使电磁铁 7DT得电，换向阀 17 左位接入系统，手臂伸出，其动作过程和油路与动作手臂伸出动作相同。 手爪张开 手臂伸出到位后使电磁铁 9DT得电，换向阀 6 左位接入系统，手爪夹紧缸 9的左腔与油箱相通，手爪夹紧缸依靠弹簧力将大腔油箱推回油箱，手爪张开。 手腕翻转 180（反） 手爪张开将工件放下后是电磁铁 8DT 失电，换向阀 11复位，压力油经换向阀 11和单向节流阀 12的单向阀进入手腕翻转缸的一腔，手腕翻转缸另一腔的油液经单向节流阀 13 的节流阀回油箱，手腕翻转，翻转速度由阀 13的节流阀调节。 手臂回转 180（反） 手腕翻转到位后，行程开关使电磁铁 4DT得电，换向阀 21 的左位系统接入系统，压力油经换向阀 21（左 位）进入手臂回转缸 22 的一腔，；另一腔的油液经换向阀 21和换向阀 19回油箱，实现手臂回转 180（反），当回转到终点前压下行程开关使电磁铁 2DT 得电，换向阀 19 右位接入系统，当回转缸回油经节流阀 20回油箱，实现回油节流缓冲。 原位停留 手臂回转到位后使电磁铁 1DT得电，换向阀 2 下位接入系统，溢流阀的控制有口经换向阀 2接通油箱，实现液压泵卸荷。 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 11 - 2.3 液压系统分析 该系统由定量叶片泵 1、溢流阀 3 和换向阀 2、单向阀 4组成供油和卸荷回路。系统共有手爪夹紧回路、手臂伸缩回路、手腕翻转回路及手臂回转回路 四个油路并联连接构成。该系统基本上是多缸顺序动作回路，其特点如下。 手爪夹紧回路采用当作用常开式液压缸，依靠弹簧力使手爪总处手张开状态。当压力油进入夹紧缸时，才依靠液压力使手爪夹紧工件。该回路在电磁铁 9DT失电时，手爪处于夹紧状态，不存在失电工件脱落的问题。回路中加设的单向阀 5，起到夹紧工件后的保压自锁作用，以确保在机构回路失压时工件仍被夹紧而不脱落。这种保压锁紧机构虽然强度不高，当基本能满足要求，可使手爪的夹紧状态不受其他分回路油压动的影响。 手爪分回路中的管路 8是可伸缩的刚性油管，它可以避免高温熔炉旁 边使用软管。但在手臂伸出、手爪夹紧工件后手臂再缩回时，伸缩油管 8 同时缩回，油管的容积减小，又有单向阀 5封闭管内油液倒流，油压升高，因而设置溢流阀 7溢流。 手腕翻转分回路设置单向节流阀 12和 13构成手腕翻转缸的双向出口节流调速，使工件翻转平稳。此外，手腕翻转动作小，时间短。 手臂回转分回路的动作信号用延时继电器是因为前一动作手腕翻转时间很短，又不便安装行程控制元件的缘故。手臂回转和伸缩都具有运动部件质量大、运行路程远的特点，为满足高生产率的要求，运行速度必须高，因此，都设置了双向缓冲回路，系统中换向阀 19、节流阀 20 和换向阀 15、节流阀 16 结合使用即可防止手臂回转和伸缩时发生冲击。 当机械手处于原位停留状态时，各缸都不工作，为减少能量损失，防止系统过热，系统使 1DT得电，换向阀 2下位接入系统使液压泵 1卸荷。 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 12 - 第 3 章 . 液压系统原理设计 3.1 手部抓取缸 图 3-1 手部抓取缸液压原理图 1、手部抓取缸液压原理图如图 3-1所示 2、泵的供油压力 P取 10Mpa，流量 Q 取系统所需最大流量即 Q=1300ml/s。 因此，需装图 3.1中所示的调速阀，流量定为 7.2L/min，工作压力 P=2Mpa。 采用： YF-B10B 溢流阀 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 13 - 2FRM5-20/102 调速阀 23E1-10B 二位三通阀 3.2 腕部摆动液压回路 图 3-2 腕部摆动液压回路 7 1、 腕 部摆动 缸液压原理图如图 3-2所示 2、工作压力 P=1Mpa 流量 Q=35ml/s 采用： 2FRM5-20/102 调速阀 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 14 - 34E1-10B 换向阀 YF-B10B 溢流阀 3.3 小臂伸缩缸液压回路 图 3-3 小臂伸缩缸液压回路 7 1、小臂伸缩缸液压原理图如图 3-3所示 2、工作压力 P=0.25Mpa 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 15 - 流量 Q=1000ml/s 采用： YF-B10B 溢流阀 2FRM5-20/102 调速阀 23E1-10B 二位三通阀 3.4 总体系统图 图 3-4 总体系统图 7 1、总体系统图如图 3-4所示 2、工作过程 小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂回转小臂收缩手部放松 3、电磁铁动作顺序表 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 16 - 图 3-5 总体系统图 元件 动作 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 小臂伸长 + + - - 手部抓紧 + - - - 腕部回转 + - + - 小臂收缩 - - - - 手部放松 - + - - 卸荷 4、确电机规格： 液压泵选取 CB-D 型液压泵，额定压力 P=10Mpa，工作流量在 32 70ml/r 之间。选取 80L/min 为额定流量的泵， 因此：传动功率 N=P Q/ （ 3.1） 式中： =0.8 （经验值） 所以代入公式（ 3.1）得： N=10 80 103 106/60 0.8 =16.7KN 选取电动机 JQZ-61-2型电动机，额定功率 17KW， 转速为 2940r/min。 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 17 - 第 4 章 . 抓取机构设计 4.1 手部设计计算 4.1.1 对手部设计的要求 1、有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。 2、有足够的开闭范围 夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开 闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图 4-1所示。 图 4-1 机械手开闭示例简图 3、力求结构简单，重量轻，体积小 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 18 - 手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。 4、手指应有一定的强度和刚度 5、其它要求 因此送料，夹紧机械手，根据工 件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。 4.1.2 拉紧装置原理 如图 4-2所示 【 4】 ：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。 图 4-2 油缸示意图 1、右腔推力为 FP=（ 4） DP （ 4.1） =（ 4） 0.5 25 10 =4908.7N 2、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为： F1=（ 2b a） （ cos） N （ 4.2） 其中 N =4 98N=392N，带入公式 4.2 得： F1=（ 2b a） （ cos） N =(2 150/50) （ cos30） 392 =1764N 则实际加紧力为 F1实际 =PK1K2/ （ 4.3） 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 19 - =1764 1.5 1.1/0.85=3424N 经圆整 F1=3500N 3、计算手部活塞杆行程长 L,即 L=（ D/2） tg （ 4.4） =25 tg30 =23.1mm 经圆整取 l=25mm 4、确定“ V”型钳爪的 L、。 取 L/Rcp=3 （ 4.5） 式中： Rcp=P/4=200/4=50 （ 4.6） 由公式（ 4.5）（ 4.6）得： L=3 Rcp=150 取“ V”型钳口的夹角 2 =120，则偏转角按最佳偏转角来确定， 查表得： =2239 5、机械运动范围（速度） 【 1】 （ 1）伸缩运动 Vmax=500mm/s Vmin=50mm/s （ 2）上升运动 Vmax=500mm/s Vmin=40mm/s （ 3）下降 Vmax=800mm/s Vmin=80mm/s （ 4）回转 Wmax=90/s Wmin=30/s 所以取手部驱动活塞速度 V=60mm/s 6、手部右腔流量 Q=sv （ 4.7） =60 r =60 3.14 25 =1177.5mm/s 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 20 - 7、手部工作压强 P= F1/S （ 4.8） =3500/1962.5=1.78Mpa 4.2 腕部设计计算 腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。 要求：回转 90 角速度 W=45/s 以最大负荷计算： 当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重 10kg，长度 l=650mm。如图 4-3所示。 1、计算扭矩 M1 4 设重力集中于离手指中心 200mm处，即扭矩 M1为： M1=F S （ 4.9） =10 9.8 0.2=19.6（ N M） F S F 图 4-3 腕部受力简图 2、油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩 M2 4 F=5kg S=10cm 带入公式 2.9得 工件 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 21 - M2=F S=5 9.8 0.1 =4.9（ N M） 3、摆动缸的摩擦力矩 M摩 4 F摩 =300（ N）（估算值） S=20mm （估算值） M摩 =F摩 S=6（ N M） 4、摆动缸的总摩擦力矩 M 4 M=M1+M2+M摩 （ 4.10） =30.5（ N M） 5.由公式 T=P b（ A1- mm） 106/8 （ 4.11） 其中： b 叶片密度，这里取 b=3cm； A1 摆动缸内径 , 这里取 A1=10cm； mm 转轴直径 , 这里取 mm=3cm。 所以代入（ 4.11）公式 P=8T/b（ A1- mm） 106 =8 30.5/0.03（ 0.1-0.03） 106 =0.89Mpa 又因为 W=8Q/（ A1- mm） b 所以 Q=W（ A1- mm） b/8 =（ /4）（ 0.1-0.03） 0.03/8 =0.27 10-4m/s =27ml/s 4.3 臂伸缩机构设计 手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 22 - 臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。 机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。 手臂的伸缩速度为 200m/s 行程 L=500mm 1、手臂右腔流 量，公式（ 4.7）得： 【 4】 Q=sv =200 40 =1004800mm/s =0.1/10m/s =1000ml/s 2、手臂右腔工作压力，公式（ 4.8） 得： 4 P=F/S （ 4.12） 式中： F 取工件重和手臂活动部件总重，估算 F=10+20=30kg， F摩 =1000N。 所以代入公式（ 4.12）得： P=（ F+ F摩） /S =（ 30 9.8+1000） / 40 =0.26Mpa 3、 绘制机构工作参数表如图 4-4所示： 图 4-4 机构工作参数表 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 23 - 机构名称 工作速度 行程 工作压力 流量 手部抓紧 60mm/s 25mm 1.78Mpa 117.8m/s 腕部回转 45du6/s 90 0.89Mpa 27m/s 小臂伸缩 200m/s 500mm 0.26Mpa 1000ml/s 4、由初步计算选液压泵 4 所需液压最高压力 P=1.78Mpa 所需液压最大流量 Q=1000ml/s 选取 CB-D 型液压泵（齿轮泵） 此泵工作压力为 10Mpa，转速为 1800r/min，工作流量 Q在 32 70ml/r之间，可以满足需要。 5、验算腕部摆动缸： T=PD（ A1- mm） m 106/8 （ 4.13） W=8 v/（ A1- mm） b （ 4.14） 式中： m 机械效率取： 0.85 0.9 v 容积效率取： 0.7 0.95 所以代入公式（ 4.13）得： T=0.89 0.03（ 0.1-0.03） 0.85 106/8 =25.8（ N M） TM=30.5（ N M） 代入公式（ 4.14）得： W=（ 8 27 10-6） 0.85/（ 0.1-0.03） 0.03 =0.673rad/s W /4 0.785rad/s 因此，取腕部回转油缸工作压力 P=1Mpa 流量 Q=35ml/s 圆整其他缸的数 值： 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 24 - 手部抓取缸工作压力 P =2Mpa 流量 Q =120ml/s 小臂伸缩缸工作压力 P =0.25Mpa 流量 Q =1000ml/s 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 25 - 第 5 章 . 机身机座的结构设计 机身的直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂，机身既可以是固定式的，也可以是行走式的 ,如图 5-1所示。 图 5-1 机身机座结构图 臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手的总体布局。本课题机械手的机身设计成机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。 5.1 电机的选择 机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动 机身的回转哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 26 - 运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。 1、带动臂部升降的电机： 5 初选上升速度 V=100mm/s P=6KW 所以 n=（ 100/6） 60=1000转 /分 选择 Y90S-4 型电机，属于笼型异步电动机。采用 B 级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为 I（ 014）即全封闭自扇冷却，额定电压为 380V，额定功率为 50HZ。 如图 5-2 Y90S-4电动机技术数据所示： 型号 额定功率 KW 满载时 堵转电流 堵转转矩 最大转矩 电流 A 转速r/min 效率 % 功率因素 额定电流 额定转矩 额定转矩 Y90S-4 1.1 2.7 1400 79 0.78 6.5 2.2 2.2 图 5-2 Y90S-4 电动机技术数据 2、带动机身回转的电机： 5 初选转速 W=60/s n=1/6转 /秒 =10转 /分 由于齿轮 i=3 减速器 i=30 所以 n=10 3 30=900转 /分 选择 Y90L-6型笼型异步电动机 电动机采用 B 级绝缘。外壳防护等级为 IP44，冷却方 式为 I（ 014）即全封闭自扇冷却，额定电压为 380V，额定功率为 50HZ。 如图 5-3 Y90S-6电动机技术数据所示： 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 27 - 图 5-3 Y90L-6 电动机技术 5.2 减速器的选择 减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。用来降低转速和增 转矩，以满足工作需要。 6 初选 WD80 型圆柱蜗杆减速器。 WD为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。 蜗杆的材料为 38siMnMo调质 蜗轮的材料为 ZQA19-4 中心矩 a=80 Ms q=4.0 11 （ 5.1） 传动比 I=30 传动惯量 0.265 10 kg m 5.3 螺柱的设计与校核 螺杆是机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。 螺杆的材料选择： 5 从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。 螺距 P=6mm 梯形螺纹 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 28 - 螺纹的工作高度 h=0.5P （ 5.2） =3mm 螺纹牙底宽度 b=0.65P=0.65 6=3.9mm （ 5.3） 螺杆强度 = s/3 5 （ 5.4） =150/3 5 =30 50Mpa 螺纹牙剪切 =40 弯曲 b=45 55 1、当量应力 5 231221 2.034 dTdF (5.5) 式中 T 传递转矩 N mm 螺杆材料的许用应力 所以代入公式（ 5.5）得： = （ 4 200 9.8/ d1） +3（ 200 9.8 0.6/0.2d1） = （ 2495/ d1） +3（ 61.2/ d1） 30 50 106 =（ 2495/ d1） +3（ 61.2/ d1） 900 2500 1012 =6225025/d14+11236/d16 900 2500 1012 6225025d12+11236 900d16 1012 6225025 0.0292+11236 900 0.0296 1012 即 16471pa 535340pa 合格 2、剪切强度 5 Z=H/P=160/6 （旋合圈数） （ 5.6） =F/ d1bz （ 5.7） =200 9.8/ 0.029 3.9（ 160/6） 10-3 =206.8 103pa =0.206Mpa =40Mpa 3、弯曲强度 5 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 29 - b=3Fh/ d1b2z =3 200 9.8 3/ 2.9 3.92（ 160/6） =0.48Mpa =45Mpa 合格 哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 30 - 第 6 章 . 机械手的定位与平稳性 6.1 常用的定位方式 机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。 若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于 0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。 6.2 影响平稳性和定位精度的因素 机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。影响单个线量 或角量定位误差的因素如下： （ 1、）定位方式 不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。 （ 2、）定位速度 定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。 （ 3、）精度 机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。 （ 4、）刚度 机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。 （ 5、 ）运动件的重量 运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量。 运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度哈尔滨理工大学本科毕业设计 - 31 - 降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。 （ 6、）驱动源 液压、气压的压力波动及电压、油温、气温的波动都会影响机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节油温措施。如用蓄能器稳定油压，用加热器或冷却器控制油温，低速时，用温度、压力补偿流量控制阀控制。 （ 7、）控制系统 开关控制、电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这 不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关。 本课题所采用的定位精度为机械挡块定位 6.3 机械手运动的缓冲装置 缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式。内缓冲形式有油缸端部缓冲装置和缓冲回路等。外缓冲形式有弹性机械元件和液压缓冲器。内缓冲的优点是结构简单，紧凑。但有时安置位置有限；外缓冲的优点是安置位置灵活，简便，缓冲性能好调等，