人人文库网 > 图纸下载 > 毕业设计 > 球坐标机械手设计【四自由度】【5张CAD图纸+毕业论文】

翻译-机械手.doc

球坐标机械手设计【四自由度】【5张CAD图纸+毕业论文】

资源目录

球坐标机械手设计【四自由度】【5张CAD图纸+毕业论文】.rar

翻译-机械手.doc---(点击预览)

球坐标机械手设计论文.doc---(点击预览)

球坐标机械手设计开题报告.doc---(点击预览)

压缩包内文档预览：

编号：426315 类型：共享资源大小：585.73KB 格式：RAR 上传时间：2015-04-20 上传人：上*** IP属地：江苏

40
积分

版权申诉 word格式文档无特别注明外均可编辑修改；预览文档经过压缩，下载后原文更清晰！ 立即下载

关键词：: 球坐标机械手设计四自由度 cad图纸毕业论文球坐标机械手

资源描述：

球坐标机械手设计

37页 16000字数+说明书+任务书+开题报告+5张CAD图纸【详情如下】

A0机械手装配.dwg

A1机身外观.dwg

A1液压.dwg

A3动片.dwg

A3定片.dwg

任务书.doc

球坐标机械手设计开题报告.doc

球坐标机械手设计论文.doc

翻译-机械手.doc

A0机械手装配.gif

A1机身外观.gif

A1液压.gif

A3定片.gif

A3动片.gif

QQ截图20150419221134.gif

全部文件.gif

摘要

机械手与机械人是二十世纪五十年代以后,伴随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用,而迅速发展起来的一门新兴技术。它综合应用了机械、电子、自动控制等先进技术以及物理，生物等学科的基础知识实现机械化与自动化的有机结合。它不仅在工业生产上，而且对宇宙开发，海洋开发，军事工程和生物医学等方面都起着推动的作用，因而日益受到世界许多国家政府，学术团队和科学技术人员的重视，毫无疑问，这门技术将具有广阔的发展前景。

在生产现代化领域里，材料的搬运，机床的上下料，整机的装配等是个薄弱环节。在机械工业部门，这些工序的费用占全部加工费用三分之二以上，而且绝大多数的事故发生在这些工序，自动上下料装置和工业机械手就是为实现这些工序的自动化而采用的。

通用机械手在工业生产中的应用只有二十来年的历史，这种装置在国外得到相当重视，到七十年代，其品种和数量都有很大的发展，并且研制了具有各种感觉器官的机器人。

关键字：机械手液压缸 PLC 自由度控制阀

Abstract

Machinery and mechanical hand is the 20th century after the 1950s, accompanied by electronic technology, especially the extensive application of computers and the rapid development of a new and emerging technologies. It comprehensive application of the machinery, electronics, automatic control, and other advanced technology, and physics, biology and other disciplines of basic knowledge of mechanization and automation to achieve the organic integration. It is not only in industrial production, but also the development of the universe, ocean development, military engineering and biomedical and other aspects of the role of promoting the play, thus increasing by many countries in the world government, academic team and the importance of science and technology, there is no doubt that This portal technology will have broad prospects for development.

In the field of modern production, material handling, machine tools expected from top to bottom with two of the assembly is a weak link. In the industrial machinery sector, these processes of the total cost of processing more than two thirds of the cost, but the majority of the accidents occurred in these processes, automatic device from top to bottom and industrial machinery is in hand to achieve the automation of these processes used.

Universal Manipulator in the industrial production of only 20 coming year history of such devices in foreign countries have attached considerable importance to the 1970s, has great variety and quantity of development and has developed a variety of sensory organ of the so-called machine People.

Keyword: manipulator hydraulic cylinder PLC freedom control valve

摘要I

AbstractII

目录III

1 绪论1

1.1 机械手的概述1

1.2 机械手的组成与分类1

1.2.1 机械手的组成1

1.2.2 机械手的分类2

1.3 机械手的应用简况、应用意义及发展趋势3

1.3.1 机械手发展概况3

1.3.2 机械手的组成4

1.3.3 上下料机械手的使用必要性5

1.4 机械手在生产中的作用5

2 总体方案分析7

2.1 总体方案分析7

2.2 方案的确定7

2.3 动作原理7

2.4 工业机械手的传动方案设计8

2.4.1 传动方案设计8

2.4.2 工业机械手主要技术参数8

3 手部的设计9

3.1 手部结构9

3.2 手爪的计算与分析10

3.2.1 手爪执行液压缸工作压力计算10

3.2.2 手爪的夹持误差分析与计算11

4 腕部的设计11

4.1 腕部结构11

4.2 腕部回转力矩的计算11

5 手臂的设计14

5.1 手臂伸缩液压缸的设计计算14

5.1.1 手臂作水平伸缩直线运动驱动力的计算14

5.1.2 手臂垂直升降运动驱动力的计算14

5.1.3 确定液压缸的结构尺寸15

5.1.4 活塞杆的计算16

5.1.5 液压缸端盖的联接方式与强度计算17

5.2 手臂俯仰运动的设计计算19

5.2.1 手臂俯仰时所需的驱动力矩19

5.2.2 缸盖联接螺钉计算和动片联接螺钉计算20

机身设计21

6.1 机身结构的计算21

6.2 机身设计时应注意的事项23

7 机械手液压系统工作原理23

7.1 能量转化简图23

7.2 液压系统的组成24

7.3 液压传动系统机械手的特点24

7.4 油缸泄漏问题与密封装置25

7.4.1 活塞式油缸的泄漏与密封25

7.4.2 回转油缸的泄漏与密封25

7.5 液压系统传动方案的确定26

7.5.1 各液压缸的换向回路26

7.5.2 调速方案26

7.5.3 减速缓冲回路27

7.5.4 系统安全可靠性27

结论30

致谢31

参考文献32

指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动

生成传送物件或操作某些工具的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。这种机械手由于手指可更换(或可调节)，程序可变，故适用于中、小批生产。但因其运动较多，结构较复杂，技术条件要求较高，故制造成本一般也较高。

(2) 按机械手臂部的运动坐标型式分类：

①直角坐标式机械手

臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X 方向的移动)、左右移动(定为沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)；

②圆柱坐标式机械手

手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；

③球坐标式机械手

臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)；

④多关节式机械手

这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。

(3) 按机械手的驱动方式分类：

①液压驱动机械手以压力油进行驱动；

②气压驱动机械手以压缩空气进行驱动；

③电力驱动机械手直接用电动机进行驱动；

④机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。

(4) 按机械手的臂力大小分类：

①微型机械手臂力小于1kg；

②小型机械手臂力为1—10kg；

③中型机械手臂力为10—30kg；

④大型机械手臂力大于30kg。

1.3 机械手的应用简况、应用意义及发展趋势

1.3.1 机械手发展概况

机械手是在自动化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术，特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与自动化的有机结合。

机械手是一种模仿人手部的动作，按照预先设定的程序、轨迹和其他要求，实现抓取、搬运工件和操纵工具的自动化装置。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量臂人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛的得到应用。

1.3.2 机械手的组成

机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的。一般机械手由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。

机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支座组成。手是抓取机构，用来夹紧或是松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指和手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕，而只有手臂，手臂的动作和手腕相类似，只是动作范围更大，可以前后伸缩，上下升降和左右摆动等。支柱用来支撑手臂，它是固定的，也可以根据需要做成移动的

执行机构的动作要有传动系统来实现。常用的机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。

控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作。简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现对传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作。动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。

简单的组成和分类以及适用范围如下：

(1) 工业机械手的组成：

执行系统的组成：手部、腕部、机身、行走机构。

驱动系统的组成：各种电气、液压元件。

控制系统的组成：位置检测器、记忆存储器。

(2) 工业机械手的分类：

液压式：操作力大，动作平稳，其缺点是泄油会影响系统的工作性能，油的粘度对温度的变化敏感。

气动式：气源方便，维护简单，易于获得高速度，其缺点是操作力有限，体积大。空气压缩性大,速度控制困难,动作不平稳,控制有滞后现象。

电动式：动力源方便，操作力度大。其缺点是需要设置减速机构，结构较复杂，或用特殊电机驱动。

机械式：一般借助主机动力源，通过凸轮，连杆机构来实现规定的动作，变换程序较困难，结构庞大。

(3) 工业机械手按适用范围分：

专业机械手：一般指附属于某一设备的，动作程序固定的，没有独立的控制系本设计通过对机电一体化专业大学所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的四自由度球坐标机械手的设计，比较好地体现机电一体化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。

本设计摒弃了照搬照抄国外设计，不具体问题具体分析，不顾具体工作要求，一味仿照国外原型，盲目选择高精度、高性能、高价格的先进元件和设备，从而导致很多功能根本用不着，“大材小用”，无谓的提高了成本，造成资源浪费的老设计“套路”和老方法。在满足系统工艺要求的前提下，将机械手系统中相对独立的环节采用高性价比且相对简洁的结构形式和控制系统，采用模块化设计，大量采用标准化、模块化的通用元配件，从而使成本大为降低，具有显著的技术经济性。本机械手能够实现与数控机床相配合，实现加工过程中上下料的自动化、无人化。而且，只要把手爪的结构稍作改变,就可实现多种工件的自动上料。它在实际生产中的应用推广必将提高产品的质量，并且节约能源，减轻工人的劳动强度，促进生产技术的进步。具有很好的经济效益。

参考文献

[1] 李允文.工业机械手设计.北京.机械工业出版社,1994.

[2] 徐灏.机械设计手册第五卷. 北京.机械工业出版社,1992.

[3] 沈鸿.机械设计手册第十卷.北京.机械工业出版社,1982.

[4] 孟宪源. 现代机构手册下册.北京.机械工业出版社,1994.

[5] 吴振彪.工业机器人.武汉.华中科技大学出版社,2000.

[6] 左健民.液压与气压传动.武汉.华中科技大学出版社,1992.

[7] 陈启松.液压传动与控制手册.上海.上海科学技术出版社,2006.

[8] 刘军营.液压与气压传动.西安.西安电子科技大学出版社,2007.

[9] 吴卫荣.液压技术.北京.中国轻工业出版社,2006.

[10] 张世亮.液压与气压传动.北京.机械工业出版社,2006.

[11] 刘春荣.液压传动.山东.冶金工业出版社,1999.

[12] 周恩涛.液压系统设计元器件选型手册.北京.机械工业出版社,2007.

[13] 雷天觉.液压工程手册.北京.机械工业出版社,1990.

[14] 廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用.重庆大学出版，2000.

[15] 王守城,段俊勇.液压元件及选用.北京.化学工业出版社,2007.

[16] 黄继昌,徐巧鱼.现代机构图册.北京.机械工业出版社,2008.

[17] 李天元.简明机械工程手册.云南.云南科技出版社,1998.

[18] 何国金.机械电气自动控制.重庆.重庆大学出版社,2002.

[19] 谢忠安.自动控制系统.重庆.重庆大学出版社,2003.

[20] 纪名刚.机械设计.北京.高等教育出版社,2000.

[21] 袁子荣.液压与气压控制技术基础.重庆.重庆大学出版社,2005.

[22] 唐仲文.机电一体化技术应用实例.北京.机械工业出版社,1994.

[23] 廖念钊.互换性与技术测量.北京.中国计量出版社,2003.

内容简介：: 题目名称球坐标机械手题目类别设计类题目性质结合实际专业参加本题目学生人数1人论文类虚拟题目题目来源、教师准备情况、主要培养学生哪些能力1本题目来源于指导教师的命题。2指导教师对此课题有较深的理论基础及经验，在师生共同努力下定能顺利、按期完成该课题设计。3本课题主要培养学生对已有知识的运用能力、查找资料和阅读能力、英译汉的能力、工程机械的设计、制造能力。题目内容及要求题目内容：球坐标机械手 1. 要求：臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)，具体要求如下：总体方案设计、传动系统设计与计算；机械手的手部和腕部的结构设计和计算，完成相应的部装图；机械手的手臂和机身的结构设计和计算，完成相应的部装图；机械手的液压系统的机构设计和计算，完成相应的部装图；核算和校正数据，完成总装图；2.将一篇与本课题有关的英文资料，翻译成中文（约5000字）。实践环节安排实习6周实验计算机应用计算机绘图4周参考资料：1 李允文.工业机械手设计 M 北京机械工业出版社 1994年2 徐灏.机械设计手册第五卷 M 北京机械工业出版社 1992年3 左健民.液压与气压传动 M 武汉华中科技大学出版社 1992年4 廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用 M 重庆重庆大学出版社 2000年5 何国金.机械电气自动控制 M 重庆大学出版社 2002年 6 袁子荣.液压与气压控制技术基础 M 北京清华大学出版社 2005年教研室主任审批签字分院院长审批签字注：题目类别和题目性质请用符号填在相应栏内。长春理工大学光电信息学院学生毕业设计分院机电工程分院专业机械设计制造及其自动化班级学生姓名指导教师设计（论文）起止日期2011年 2月28日-6月17日教研室主任题目名称（包括主要技术参数）及要求1. 题目名称：球坐标机械手2. 要求：臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)，具体要求如下：总体方案设计、传动系统设计与计算；机械手的手部和腕部的结构设计和计算，完成相应的部装图；机械手的手臂和机身的结构设计和计算，完成相应的部装图；机械手的液压系统的机构设计和计算，完成相应的部装图；核算和校正数据，完成总装图；论文开题报告（设计方案论证）应包括以下几方面的内容：1、本课题研究的意义；2、调研（社会调查）情况总结；3、查阅文献资料情况（列出主要文献清单）；4、拟采取的研究路线；5、进度安排。1.本课题研究的意义：在现代的机械加工中，消耗于上下料的时间损失是组成零件单件加工时间的一部分，它属于辅助时间，我们知道要想提高生产率，减少生产中的辅助时间，将是非常重要的一个环节。使用自动上下料的机械手可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率，还具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量臂人手大等特点。因此，自动上下料机械手已得到越来越广泛的得到应用。2.调研情况总结：为了更好的完成本设计，我参观了长春精诚机械制造厂，然后在江苏金源锻造股份有限公司实习5个月，并在网上查阅了大量有关资料，对自动上下料的功能、原理及结构有了直观的了解，对顺利完成本设计起到了至关重要的作用。3.参考文献：1 李允文.工业机械手设计 M 北京机械工业出版社 1994年2 徐灏.机械设计手册第五卷 M 北京机械工业出版社 1992年3 左健民.液压与气压传动 M 武汉华中科技大学出版社 1992年4 廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用 M 重庆重庆大学出版社 2000年5 何国金.机械电气自动控制 M 重庆大学出版社 2002年6 袁子荣.液压与气压控制技术基础 M 北京清华大学出版社 2005年4.拟采取的研究路线：指导老师下达任务充分理解本课题要解决的问题查阅文件和素材（图书馆、上网）翻译英文资料（吉林省图书馆，长春市图书馆，达新校区图书馆）到长春精诚机械参观到江苏金源锻造股份有限公司实习撰写论文（吉林省图书馆，长春市图书馆，达新校区图书馆）CAD绘图指导教师审查修改、完善、定稿准备答辩。5进度安排：2月 28日 3月 15日查阅文件，书籍材料。3月16日3月 29日翻译英文材料。3月30日4月 26日写课题论文，写初稿。4月 27日5月 17日完善论文，定稿。5月 18日6月7日绘制设计草图、打印。6月8日6月 17日整理，熟悉文件,准备答辩指导教师审阅意见：年月日记事：2 月 29日到吉林省图书馆查阅资料3 月 5日在长春精诚公司观察机械手工作原理3 月 2日到老师办公室，老师给我们答疑3 月 9日到老师办公室，老师给我们答疑3 月16日到老师办公室，老师给我们布置写毕业论文期间还要准备些什么（小论文，开题报告等等）3月 19日到吉林省图书馆查阅并翻译英文材料3月 23日到老师办公室，老师给我们答疑并检查准备材料的查找工作3月 27日到市图书馆查阅资料3月 30日向老师汇报确定设计方案，计算3月31 日写课题论文，写初稿4月 6日到老师办公室，咨询写论文时遇到的问题4月 13日到老师办公室，咨询写论文时遇到的问题4月 20日到老师办公室，咨询写论文时遇到的问题4月 27日到老师办公室，老师检查论文编写情况并提出修改意见4月 28日开始修改论文5月 4日到老师办公室，老师检查论文修改情况，再次提出修改意见5月 11日到老师办公室，老师检查论文修改情况，再次提出修改意见5月 18日到老师办公室，老师检查论文修改情况，定稿5月 19日开始绘制图纸5月25 日到老师办公室，老师检查图纸绘制情况，提出修改意见5月27 日草图打印，到老师办公室检查5月28 日修改图纸6月 1日到老师办公室，老师检查图纸绘制情况，提出修改意见6月 8日到老师办公室，老师检查图纸绘制情况，图纸定稿6月 9日开始整理完善毕业论文，熟悉论文准备答辩指导教师审阅意见：年月日3 长春理工大学光电信息学院毕业设计本科生毕业设计球坐标机械手 Spherical Coordinates Manipulator学生姓名专业机械设计制造及其自动化学号指导教师分院机电工程分院2012年6月32摘要机械手与机械人是二十世纪五十年代以后,伴随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用,而迅速发展起来的一门新兴技术。它综合应用了机械、电子、自动控制等先进技术以及物理，生物等学科的基础知识实现机械化与自动化的有机结合。它不仅在工业生产上，而且对宇宙开发，海洋开发，军事工程和生物医学等方面都起着推动的作用，因而日益受到世界许多国家政府，学术团队和科学技术人员的重视，毫无疑问，这门技术将具有广阔的发展前景。在生产现代化领域里，材料的搬运，机床的上下料，整机的装配等是个薄弱环节。在机械工业部门，这些工序的费用占全部加工费用三分之二以上，而且绝大多数的事故发生在这些工序，自动上下料装置和工业机械手就是为实现这些工序的自动化而采用的。通用机械手在工业生产中的应用只有二十来年的历史，这种装置在国外得到相当重视，到七十年代，其品种和数量都有很大的发展，并且研制了具有各种感觉器官的机器人。关键字：机械手液压缸 PLC 自由度控制阀AbstractMachinery and mechanical hand is the 20th century after the 1950s, accompanied by electronic technology, especially the extensive application of computers and the rapid development of a new and emerging technologies. It comprehensive application of the machinery, electronics, automatic control, and other advanced technology, and physics, biology and other disciplines of basic knowledge of mechanization and automation to achieve the organic integration. It is not only in industrial production, but also the development of the universe, ocean development, military engineering and biomedical and other aspects of the role of promoting the play, thus increasing by many countries in the world government, academic team and the importance of science and technology, there is no doubt that This portal technology will have broad prospects for development. In the field of modern production, material handling, machine tools expected from top to bottom with two of the assembly is a weak link. In the industrial machinery sector, these processes of the total cost of processing more than two thirds of the cost, but the majority of the accidents occurred in these processes, automatic device from top to bottom and industrial machinery is in hand to achieve the automation of these processes used. Universal Manipulator in the industrial production of only 20 coming year history of such devices in foreign countries have attached considerable importance to the 1970s, has great variety and quantity of development and has developed a variety of sensory organ of the so-called machine People.Keyword: manipulator hydraulic cylinder PLC freedom control valve目录摘要IAbstractII目录III1 绪论11.1 机械手的概述11.2 机械手的组成与分类11.2.1 机械手的组成11.2.2 机械手的分类21.3 机械手的应用简况、应用意义及发展趋势31.3.1 机械手发展概况31.3.2 机械手的组成41.3.3 上下料机械手的使用必要性51.4 机械手在生产中的作用52 总体方案分析72.1 总体方案分析72.2 方案的确定72.3 动作原理72.4 工业机械手的传动方案设计82.4.1 传动方案设计82.4.2 工业机械手主要技术参数83 手部的设计93.1 手部结构93.2 手爪的计算与分析103.2.1 手爪执行液压缸工作压力计算103.2.2 手爪的夹持误差分析与计算114 腕部的设计114.1 腕部结构114.2 腕部回转力矩的计算115 手臂的设计145.1 手臂伸缩液压缸的设计计算145.1.1 手臂作水平伸缩直线运动驱动力的计算145.1.2 手臂垂直升降运动驱动力的计算145.1.3 确定液压缸的结构尺寸155.1.4 活塞杆的计算165.1.5 液压缸端盖的联接方式与强度计算175.2 手臂俯仰运动的设计计算195.2.1 手臂俯仰时所需的驱动力矩195.2.2 缸盖联接螺钉计算和动片联接螺钉计算20机身设计216.1 机身结构的计算216.2 机身设计时应注意的事项237 机械手液压系统工作原理237.1 能量转化简图237.2 液压系统的组成247.3 液压传动系统机械手的特点247.4 油缸泄漏问题与密封装置257.4.1 活塞式油缸的泄漏与密封257.4.2 回转油缸的泄漏与密封257.5 液压系统传动方案的确定267.5.1 各液压缸的换向回路267.5.2 调速方案267.5.3 减速缓冲回路277.5.4 系统安全可靠性27结论30致谢31参考文献321 绪论1.1 机械手的概述工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，作为多学科融合的边沿学科，它是当今高技术发展最快的领域之一，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。所谓工业机械手就是一种能按给定的程序或要求自动完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人的手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。由于机械手科学的发展十分迅速，世界上对机械手还没有一个明晰，统一的定义。国际标准化组织（ISO）对机械手做了如下定义：机械手是一种可以反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作机或是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 forthe transports of masteries, parts, tools or specialized Systems, with varied and programmed movements, with the aim of carrying out varied tasks）。随着我国工业机械手技术的不断发展，很多专家也建议建立自己的机械手定义，我国国家标准GB/T12643-90 也将工业机械手定义为“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。它能搬运材料、零件或操持工具，用于完成各种任务作业”。1.2 机械手的组成与分类1.2.1 机械手的组成工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成，各部关系如图1所示：图1工业机械手组成框图机械手大致可分为手部、传送机构、驱动部分、控制部分以及其它部分。(1) 手部（或称抓取机构）包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用； (2) 传送机构（或称臂部）包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用； (3) 驱动部分它是驱动前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式；(4) 控制部分它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序(程序)、位置和时间(甚至速度与加速度)等；(5) 其它部分如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。1.2.2 机械手的分类机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：(1) 按机械手的使用范围分类：专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。通用机械手（也称工业机器人）指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动生成传送物件或操作某些工具的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。这种机械手由于手指可更换(或可调节)，程序可变，故适用于中、小批生产。但因其运动较多，结构较复杂，技术条件要求较高，故制造成本一般也较高。(2) 按机械手臂部的运动坐标型式分类：直角坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X 方向的移动)、左右移动(定为沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)；圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；球坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)；多关节式机械手这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。(3) 按机械手的驱动方式分类：液压驱动机械手以压力油进行驱动；气压驱动机械手以压缩空气进行驱动；电力驱动机械手直接用电动机进行驱动；机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。(4) 按机械手的臂力大小分类：微型机械手臂力小于1kg；小型机械手臂力为110kg；中型机械手臂力为1030kg；大型机械手臂力大于30kg。1.3 机械手的应用简况、应用意义及发展趋势1.3.1 机械手发展概况机械手是在自动化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术，特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与自动化的有机结合。机械手是一种模仿人手部的动作，按照预先设定的程序、轨迹和其他要求，实现抓取、搬运工件和操纵工具的自动化装置。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量臂人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛的得到应用。1.3.2 机械手的组成机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的。一般机械手由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支座组成。手是抓取机构，用来夹紧或是松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指和手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕，而只有手臂，手臂的动作和手腕相类似，只是动作范围更大，可以前后伸缩，上下升降和左右摆动等。支柱用来支撑手臂，它是固定的，也可以根据需要做成移动的。执行机构的动作要有传动系统来实现。常用的机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作。简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现对传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作。动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。简单的组成和分类以及适用范围如下：(1) 工业机械手的组成：执行系统的组成：手部、腕部、机身、行走机构。驱动系统的组成：各种电气、液压元件。控制系统的组成：位置检测器、记忆存储器。(2) 工业机械手的分类：液压式：操作力大，动作平稳，其缺点是泄油会影响系统的工作性能，油的粘度对温度的变化敏感。气动式：气源方便，维护简单，易于获得高速度，其缺点是操作力有限，体积大。空气压缩性大,速度控制困难,动作不平稳,控制有滞后现象。电动式：动力源方便，操作力度大。其缺点是需要设置减速机构，结构较复杂，或用特殊电机驱动。机械式：一般借助主机动力源，通过凸轮，连杆机构来实现规定的动作，变换程序较困难，结构庞大。(3) 工业机械手按适用范围分：专业机械手：一般指附属于某一设备的，动作程序固定的，没有独立的控制系统的搬运装置。通用机械手：一般指动作程序可变的，具有独立控制系统的自动化装置。(4) 工业机械手按运动轨迹控制方式分：点位控制：机械手的运动轨迹是空间两点间的联线，只要求准确控制部件的移动起始位置或有限的设定点位置，不要求控制其运动轨迹。连续轨迹控制：机械手的运动轨迹是空间连续曲线，其设定点是无限的能在三维空间中作任意复杂的动作。1.3.3 上下料机械手的使用必要性在现代的机械加工中，消耗于上下料的时间损失是组成零件单件加工时间的一部分，它属于辅助时间，我们知道要想提高生产率，减少生产中的辅助时间，将是非常重要的一个环节。而要想减少辅助时间必须实现生产自动化，自动上下料机构就是为实现生产中上下料工序而设计的一种专用机构。自动上下料机构中供散乱的中、小型工件毛坯，经过定向机构，实现定向排列，然后顺序的由上下料机构送到机床或工作地点去。这在自动化成批大量的生产中显然是实用的，它不但可把操作人员从复杂而繁重的劳动中解脱出来，而且对保证安全生产也是一种行之有效的方法。工业机械手在二十世纪五十年代就已用于生产。它是在自动上下料的基础上发展起来的一种机械装置。开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化。随着应用范围的不断扩大，现已用来操持工具和完成一定的作业。实践证明：使用自动上下料的机械手可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率，还具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量臂人手大等特点。因此，自动上下料机械手已得到越来越广泛的得到应用。1.4 机械手在生产中的作用机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下一些方面。(1) 旋转休零件（轴类、盘类、环类）自动线一般都采用机械手在机床之间传送工件。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的。(2) 在实现单机自动化方面各类半自动车床，有自动夹进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动生产，一人看管多台机。注塑机有加料、合成、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现全自动生产。冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。(3) 铸、锻、焊、热处理热加工方面工业机械手满足了社会生产的需要，其主要特点是：对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境时行合理设计，扶把适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。为了谋求操作安全和彻底防止公害，在工作事故多的工程，如冲压、压铸、热处理、锻造、喷漆以及有有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中，推广工业机械手工机器人。机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。人在连续工作几个小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护、检修，即能用途长时间的单调重复劳动。由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好，能较好地适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置（或轨迹）能够十分灵活快速地予以改变，而其众多的自由度，又提供了迅速改变作业内容的可能，在中、小批量的自动化生产中，最能发挥其作用。采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。2 总体方案分析2.1 总体方案分析由设计内容可知，本次设计所确定的机械手的整体结构为球坐标式机械手，此机械手要实现从传送带到设备的上下料过程。传送带移动方向与设备上所夹持的工件方向垂直。因此手臂动作为摆动或者转动，手爪的动作为伸缩和松夹。由于此机械手的动作要求放置不同的工件，所以实现上下料过程也要求手腕能旋转动作。多种方案分析通过以上分析，这里初选三个方案，各方案如下：方案一：机身的旋转，采用电动机驱动实现，大手臂的俯仰也采用电动机驱动实现，小手臂的伸缩用伸缩缸实现，手腕的回转用电动机实现。方案二：机身的旋转，采用电动机驱动实现，大手臂的俯仰也采用电动机驱动实现，小手臂的伸缩用齿轮齿条实现，手腕的回转用电动机实现。方案三：机身的旋转，采用摆动液压缸驱动实现，大手臂的俯仰采用摆动液压缸驱动实现，小手臂的伸缩用伸缩缸实现，手腕的回转用摆动液压缸。2.2 方案的确定通过方案一，方案二和方案三的比较分析可知，方案一从功能上讲可以满足条件，但电动机的造价太高，不太经济。方案二中也存在上述的问题。同时齿轮齿条的驱动精度太低，在抓取工件时定位精度不够准确，且结构大而复杂。方案三中，由液压缸来完成的部分，不仅驱动力大且结构也相对简单，虽然摆动缸结构尺寸大但输出转矩大，进行优化设计，从而得出方案三最佳，并最终确定此次的设计方案方案三，方案如下：机身旋转、手腕转动，均采用摆动缸来控制，手臂的伸缩用伸缩缸控制，手爪的松夹用夹紧缸来控制。2.3 动作原理本次设计是液压驱动，电气控制。机械手的各个动作是由液压缸来驱动的，其动作过程是由液压缸的各个动作运动至终点时压合行程开关，将行程开关的机械运动通过PLC转化为电磁阀得电和失电，后由电磁阀控制各油路的通断，以实现各液压缸的相应运动，从而控制机械手的各个动作。2.4 工业机械手的传动方案设计2.4.1 传动方案设计按工业机械手的不同形式及其组合情况，其活动范围的图形也是不同的，基本上可分为四种运动形式；直角坐标式机械手、圆柱坐标式机械手、球坐标式机械手、关节式机械手。根据设计要求，选用球坐标型式。由于液压传动具有以下几个优点：(1) 压力高，可实现较大的驱动力，机构可做的较小，紧凑。(2) 无级变速，定位精度高，可实现任意中间位置的停止。系统固有震动频率小，压力、容量调节容易。(3) 重量小，惯性小，可做到经常快速且无冲击的变速和换向，容易控制，动作平稳，迟滞小。2.4.2 工业机械手主要技术参数机械手的主要技术参数有抓重、自由度、坐标形式、工作行程（或转角）、工作速度和定位精度、手指夹持范围、驱动源等。(1) 抓重（又称臂力）额定抓取重量或额定负载，单位。抓重是指机械手在正常运行时所能抓取或搬运工件的最大重量，本设计要求抓取工件的重量为30kg,考虑到手臂结构强度等因素，通常安全系数k在23范围内选用。(2) 自由度和坐标形式整机、手臂和手腕等运动共有四个自由度，坐标型式为球坐标。机械手的四个自由度分别为机身回转，手臂俯仰，伸缩及手腕回转四个自由度，以满足上下料动作的要求。(3) 工作行程范围工作行程范围是指臂部，腕部，整个机械手直线移动距离或回转角度的范围。对于通用机械手，为保证一定的通用性，一般手臂回转行程范围应尽可能大一些，选择0200（实际使用为180），俯仰范围60。手臂伸缩行程及工件半径要适当，若伸缩行程大，工件半径也较大，手臂伸缩也较长，偏重力矩，转动惯性了较大，刚性降低，易振动，定位精度验难于保证，手臂伸缩行程在5001000毫米范围内选取，据设计要求选取上料机械手伸缩范围0600毫米，手臂升降范围为0600毫米。(4) 工作速度工作速度是指机械手最大的运动速度，运动的大小与机械手的驱动方式、定位方式、抓重大小和行程距离有关。因此，手臂的运动速度应根据生产节拍时间的长短，生产过程的平稳性，定位精度的要求来确定。影响机械手动作快慢的两个主要运动是：手臂的伸缩和回转运动一般应用的机械手移动速度通常在200300毫米/秒，回转角度在一圈5S左右。(5) 定位精度定位精度即位置精度，位置精度的高低与位置控制方式，机械手运动部件的精度和刚度、抓重、运动速度等有关。目前机械手大多采用点位控制，采用固定挡块控制时，可达到较高的位置精度（0.5mm或更高）。(6) 工件为截面200mm200mm的方形工件。3 手部的设计3.1 手部结构手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等不同，所以工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可以分成夹持和吸附两大类。夹持手部按其手指夹持工件时的运动方式，可分为手指回转型和手指平移型两种。平移型手指的张开和闭合靠手指的平行移动，适用于夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。所以选择平移型手指。由于工件为方料，而平移型手指适于夹持平板和方料，故本设计选用平移型手指。移动型即两手指相对支座作往复移动。其驱动力为：F=2FN3.2 手爪的计算与分析3.2.1 手爪执行液压缸工作压力计算一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。手爪对工件的夹紧力： FNK1K2K3G 式中 K1安全系数，通常取1.22.0；K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下式估算K2=1+a运载工件时重力方向的最大上升加速度；g重力加速度，g9.8m/s2a=运载工件时重力方向的最大上升速度；系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取。一般取0.030.5s。K3方向系数，由于手爪是水平放置夹持水平放置工件，平直指端夹方形件，由表取K3=0.5。G被抓持工件的重量，G= 309.8N=294N带入数据，计算得： FN =K1K2K3G =1.51.020.5294N=224.91N225N查表2-1得：驱动力：F计算=2 FN =450N取=0.85F实际=450/0.85N=530N3.2.2 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，而且也与手指的夹持误差大小有关。为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，从而使夹持误差控制在较小的范围。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过1mm就可以了。4 腕部的设计4.1 腕部结构手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改善或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的运动范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度。手腕运动有：绕X轴转动称为回转运动；绕Y轴转动称为上下摆动（或俯仰）；绕Z轴转动称为左右摆动；有的甚至沿着Y轴（或Z轴）的横向移动。采用一个自由度的回转缸驱动的腕部结构，具有结构紧凑、灵活等优点而背广泛采用。4.2 腕部回转力矩的计算腕部回转时，驱动力矩用来克服腕部摩擦力矩、工件重心偏移力矩和惯性力矩。受力分析如图所示。图4-1 腕部回转受力分析图手腕回转所需的驱动力矩大小可按下式计算：M驱 =kf （M摩 +M偏+ M惯）kf 考虑驱动缸密封摩擦损失的系数，通常kf 取1.11.2;M偏工件重心偏执引起的偏置力矩（Nm）；M摩腕部转动支撑处的摩擦阻力距（Nm）；M惯克服启动惯性所需的力矩（Nm）；(1) 腕部转动支撑处的摩擦阻力距: M摩=（N1D1+ N2D2）f轴承的摩擦系数，滚动轴承f=0.02，滑动轴承f=0.1；N1,N2轴承处支承反力（N）;D1,D2轴承直径（m）；(2) 工件重心偏执引起的偏置力矩：M偏=G1 eG1工件重量；e偏心距（m）（即工件重心到腕部回转中心线垂直距离）；由于工件重心与手腕回转中心重合，故M偏=0。(3) 克服启动惯性所需的力矩：M惯=(J+J工件)J手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量（kgm2）；J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量（kgm2）；腕部回转角速度（rad/s）；t启动过程所需的时间（s），此处假定启动过程为匀加速运动，一般取0.050.3s。查表3-1有：J=m（a2+b2）/12=/12取G=309.8=294NJ=30(0.22+0.22)/12 kgm2=0.2 kgm2根据经验取J工件=0.5J=0.1 kgm2M惯=（J+J工件）=0.3Nm=1.9 Nm M偏=0取M摩=0.1M驱又M驱 =kf （M摩 +M偏+ M惯）=1.2（0.1 M驱+0+1.9） M总=2.61Nm图4-2 回转缸简图 1-定片 2-缸体 3-动片 4-密封圈 5-转轴5 手臂的设计5.1 手臂伸缩液压缸的设计计算5.1.1 手臂作水平伸缩直线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F驱可按下式计算：F驱 = F摩 + F惯 (N) 式中 F摩各支承处的摩擦阻力； F惯启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算：F惯= a (N) 式中 W 手臂伸缩部件的总重量（N）； g 重力加速度（g =9.8m/s）; a 启动过程中的平均加速度（m/s），而 a = (m/s) v 速度变化量。手臂从静止状态加速到工作速度V时，则这个过程的速度变化量就等于手臂的工作速度； t 启动过程中所用的时间，一般为0.010.5s。当F摩=100N,W=1300N，V = 500mm/s时，F驱= 100+ =100+133=233 (N)5.1.2 手臂垂直升降运动驱动力的计算手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力F摩和惯性力F惯之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力F驱可按下式计算：F驱 = F摩 + F惯 W (N) 式中 F摩各支承处的摩擦力（N）； F惯启动时惯性力（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F摩=100N，F惯=133N，W =1300N时 F驱=100+1300=1533（N）5.1.3 确定液压缸的结构尺寸(1) 液压缸的内径的计算，当油进入无杆腔，活塞推力F= F1=P 当油进入有杆腔，活塞推力 F= F2= P 液压缸有效面积 D= (无杆腔)式中 F驱动力（N）P1液压缸的工作压力（pa）d活塞杆的直径（m）D液压缸的内径（m）液压缸的机械效率，在工程机械中可用耐油橡胶可取=0.95D=0.059m查表4-3，4-4圆整取D=80mm,d=45mm查表4-2和查表4-3得液压缸工作压力的选取一般取28Mpa液压缸的工作压力是1533N 液压缸的内径80mm(2) 液压缸壁厚计算三种壁厚的公式选取中等壁厚：=+C式中 P1液压缸内工作压力（pa）C入管壁公差及侵蚀的附加厚度值D液压缸内径（m）缸筒材料的许用应力，应按壁厚圆筒公式验算壁厚取=100Mpa；=0.710-3m查表4-4得液压缸外径为95mm5.1.4 活塞杆的计算活塞杆的尺寸要满足活塞运动的要求和强度的要求。对于杆长l大于直径d的15倍（即l15d ）的活塞杆必须具有足够的稳定性。按强度条件计算决定活塞杆直径d d P=100120MPa d=0.004m (d=45mm) 满足强度要求又已知手臂伸缩行程600mm，即l=600mml15d=675 活塞杆的稳定性校核无需进行5.1.5 液压缸端盖的联接方式与强度计算当液压缸缸体的材料选用无缝钢管时，它的端盖连接方式多采用半环联接，优点是加工和装卸方便，缺点时缸体开环槽削弱了强度。 (1) 缸盖螺钉计算表41 工作压力为P=2Mpa螺间距t1120mm 取t1=100mm又 FQ0=FQ+ FQSFQ=FQ0螺栓所受的总拉力FQ工作载荷F驱动力（N）FQS加载后被连接件结合面之间的剩余预紧力FQS=KFQ K=1.51.8Z螺钉数目p工作压力（Pa）D危险剖面直径（m）取Z=4 又Z= D0=0.13m取D0= 0.14mFQ=7693NFQS= KFQ =1.67693=12308N FQ=7693+12308=20001N(2) 螺钉的强度条件 = = 抗拉许用应力（单位Mpa） n=1.21.25 取n=2 取45钢为360Mpa =180 Mpa d1=8.11cm取d1=100mm(3) 缸体螺纹计算：d1取k1=1.3 D=80mm d1=100mmd10.08m(4) 联接半环的计算半环的剪切强度条件：=D1=D+2=80+20=100mm=0.75=0.75180106=135 MpaPD1/4=21060.1/4135106=0.37mm取=10mm 半环的挤压强度条件：=（1.72.0）=h= 材料的许用挤压应力（pa）；h半环的径向高度（m）；满足条件5.2 手臂俯仰运动的设计计算5.2.1 手臂俯仰时所需的驱动力矩驱动手臂回转的力矩M驱，应该与手臂起动时所产生的惯性力矩M惯及各密封装置处的摩擦阻力矩M封相平衡。M驱=M封+M惯式中 M封密封装置处的摩擦力矩（NM）需要输入回转油缸的流量Q：Q=L/min Z叶片数， Z=1 D回转油缸的内径， D=15cm d输出轴与动片连接处的直径，d=6cm b动片宽度， b=12cm输出轴的角速度， =0.187rad/s Q=3.18 L/min 驱动力矩M驱 M驱=567Nm d1=8.11cm5.2.2 缸盖联接螺钉计算和动片联接螺钉计算螺钉的间距取60mmZ=9.42 取Z=10 工作载荷：F=3532.5N(1) 缸盖联接螺钉直径d1： d1=0.57 取d1=8(2) 动片联接螺钉的计算FQ=12600N螺钉的强度条件为=又FQj=1.3FQ=1.312600=16380N=1800/2 d1=3.4 取d1=16式中 FQ每个螺钉的预紧力（N） b动片的宽度（m）p回转液压缸的工作压力（Pa）D动片外径（m）d动片与输出轴配合处直径（m）z螺钉数目d1螺钉的底径（m）螺钉材料的许用应力（Pa）机身设计机身是直接支承和驱动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等驱动装置或传动件都安装在机身上，或者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。机身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空轨道运动。机身具有独立的自由度。采用一个自由度的回转缸驱动的机身结构，具有结构紧凑、灵活等优点而背广泛采用。6.1 机身结构的计算机座回转时，驱动力矩用来克服机身摩擦力矩、机身重心偏移力矩和惯性力矩。机座回转所需的驱动力矩大小可按下式计算：M驱 =kf （M摩 +M偏+ M惯）kf 考虑驱动缸密封摩擦损失的系数，通常kf 取1.11.2;M偏机身重心偏执引起的偏置力矩（Nm）；M摩机座转动支撑处的摩擦阻力距（Nm）；M惯克服启动惯性所需的力矩（Nm）；(1) 机座转动支撑处的摩擦阻力距: M摩=（N1D1+ N2D2）f轴承的摩擦系数，滚动轴承f=0.02，滑动轴承f=0.1；N1,N2轴承处支承反力（N）;D1,D2轴承直径（m）；(2) 机身重心偏执引起的偏置力矩：M偏=G1 eG1机身重量；e偏心距（m）（即机身重心到机身回转中心线垂直距离）；由于机身重心与机身回转中心重合，故M偏=0。(3) 克服启动惯性所需的力矩：M惯=(J+J工件)J机座回转部分对机身回转轴线的转动惯量（kgm2）；J工件机身对机身回转轴线的转动惯量（kgm2）；机座回转角速度（rad/s）；t启动过程所需的时间（s），此处假定启动过程为匀加速运动，一般取0.050.3s。查表3-1有：J=m（a2+b2）/12=/12取G=2500NJ=2500/9.8(1.62+0.62)/12 kgm2=62kgm2根据经验取J工件=0.5J=31 kgm2M惯=（J+J工件）=93Nm=586Nm M偏=0取M摩=0.1M驱又M驱 =kf （M摩 +M偏+ M惯）=1.2（0.1 M驱+0+586） M总=800Nm6.2 机身设计时应注意的事项(1) 应使机身具有足够的刚度和稳定性；(2) 应使机身运动的位置精度高，动作灵活；(3) 应使机身结构布置合理，结构紧凑，便于维修； (4) 要求缸体刚度和强度要大。7 机械手液压系统工作原理7.1 能量转化简图机械手的液压传动力是以有压力油作为传递动力的工作介质，电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换为油液的压力能，压力油经过管道及一些控制调节装置导进入油缸，推动活塞杆运动，从而手臂作伸缩，升降运动，将油液的压力能又转换成机械能。其液压传动能或概括如下：电动机油泵控制调节装置（各种阀类）控制系统压力运动方向、运动速度直线运动油缸执行机构（手臂、手部等）回转运动油缸机械能输出驱动力、速度机械能输出驱动力矩压力能输入压力油机械能输出图7-1 能量转化简图7.2 液压系统的组成液压传动系统由以下几个主要部分组成：油泵、液压机、控制调节装置、（如单向阀、溢流阀、换向阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等）辅助装置。7.3 液压传动系统机械手的特点液压驱动系统的特点，由于液压技术是一个比较成熟的技术，它具有动力大（或力矩）惯性比大，快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯性大以及在防爆环境中工作的机械手。机械手采用液压传动比采用气压传动有如下优点：(1) 能得到较大的输出力和力矩(2) 液压传动滞后现象下，反应较灵活，传动平稳(3) 输出力和运动速度控制较容易(4) 可达到较高的定位精度但液压传动也有缺点：(1) 系统的泄漏难以避免，影响工作效率和系统的工作性能(2) 油液的粘度对温度的变化很敏感，当温度升高时，油的粘度即显著降低，油液粘度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量。7.4 油缸泄漏问题与密封装置机械手由于油缸泄漏严重，压力不能提高，工作性能不稳定，以致影响机械手的正常使用。因此，为了保证机械手液压系统的工作性能，在各油缸的相对运动表面和固定连接断面的进行密封。以防止压力油从高压油腔泄漏到低压油或泄漏到缸体处面。目前，机械手液压系统使用的密封件大多采用耐油橡胶制成的各种形式密封圈，作为动密封和静密封，以保证两结合面的密封性。密封圈在配合面间的密封作用，主要是借安装时的预压和工作时由于油液压力的作用，使密封圈变形并压紧密封表面达到目的。7.4.1 活塞式油缸的泄漏与密封对于实现往复运动的活塞油缸来说，其泄漏主要是活塞与缸臂处的内泄漏及往复活塞杆与缸盖处的处泄漏。引起泄漏的原因是加工精度和滑动面光洁度不高，以及控制装置不良所致。对于活塞油缸的静密封，主要采用O型密封圈，它既可以用外径或内径密封，也可以用端面密封。O型密封圈装在沟槽中，因受油压作用而变形，并张紧沟槽和间隙，从而起到密封的作用，因此它的密封性能随压力的增加而提高。但是，当压力过高或沟槽尺寸选择不当时，密封圈很容易被挤出沟槽而造成剧烈磨损。为克服这个缺点，当油缸油液的压力大于100/2时，要在O型密封圈侧面放置挡圈，在压力低于100/2时，一般不加挡圈。在手臂伸缩油缸和手臂俯仰油缸中都用了Y型密封圈，Y型密封圈在工作时压力油液把Y型密封圈的唇边紧紧压在相对运动的两配合面上，并随着油液压力的增高而提高密封性能，并能补偿磨损的影响，所以装配时唇边要对压力油腔。在一般情况下，Y型密封圈可直接装入沟槽内即可引起密封作用，但在压力变动较大，滑动速度较高的地方，要使用支承环以固定密封圈。7.4.2 回转油缸的泄漏与密封手臂回转油缸中，由于动片与缸体，动片与输出轴，动片端面和缸盖之间的间隙不易保证，易引起较大的泄露，使油液的压力降低，减少了输出扭矩，达不到设计要求，影响机械手的正常运行。为减少泄漏，除严格控制相对运动表面的配合间隙外，主要的是采用密封装置进行密封。经反复考虑，选择矩形橡胶密封圈组成回转油缸的密封结构，其中挡圈的作用是防止高压油液将橡胶密封圈挤入配合间隙，以保证密封性并延长密封圈的使用寿命。7.5 液压系统传动方案的确定7.5.1 各液压缸的换向回路为便于机械手的自动化控制，如采用可编程器或微机进行控制，从工况图中可知系统的压力和流量都不高，因此一般选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效益。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，换向阀需要采用中位“O”型换向阀。7.5.2 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工作，但也需要进行节流调速，用以保证液压缸运行的平稳性。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。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。若只用一节流速调速时，则进行油达到最大允许调速来实现调节。当无杆腔进油时，其速度就少于最大允许速度，但仍然符合设计需要。在一般情况下，机械手的各个部位是分别动作，手腕回转和手臂回转缸（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，这样不但可以选择单泵供油系统，也可以选择双泵系统。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动作时，系统的溢流损失较大，能源利用率较低。对于系统功率较小的场合是可取的。本设计选用单泵供油。7.5.3 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。7.5.4 系统安全可靠性手臂俯仰缸（或手臂升降缸）在系统失压情况下会自由下落或超速下行，所以应在回路中增加平衡回路，方法可用单向顺序阀做平衡阀，手臂伸缩缸有俯仰状态时，亦应同样考虑。为防止夹紧缸压力系统压力波动的影响或过高，导致夹紧力过大损坏工件，或过低无法夹紧工件，造成意外的安全事故，需在油路上增加减压阀保证夹紧缸的压力恒定不变。7.5.5 机械手的动作分析序号元件名称型号规格数量1 线隙式滤油器 XU-132X100 250N 32l/min 12 电动机 Y100L1-4 N=2.2KW n=1430r/min 13 齿轮泵 CE-B25 2.5MPa 25l/min 14 溢流阀 P-B25B 2.5MPa 12mm 15 电磁换向阀 22D-25B 2.5MPa 12mm 16 单向阀 I-25B 6.3MPa 12mm 17 压力表 Y-60 04.0MPa 18，14 节流阀 L-25B 6.3MPa 12mm 29，15，20， 21，25，26，30 节流阀 L-25B 6.3MPa 12mm 710，16 电磁换向阀 22D-25BH 6.3MPa 12mm 222，27 电磁换向阀 22D-10BH 6.3MPa 12mm 211，17 电磁换向阀 34D-25B 6.3MPa 12mm 223，28 电磁换向阀 34D-10B 6.3MPa 12mm 231 电磁换向阀 23D-10B 6.3MPa 12mm 112，18 单向顺序阀 XI-B25B 2.5MPa 12mm 232 液控单向阀 IY-25B 6.3MPa 12mm 134 压力继电器 DP1-63B 1.06.3MPa 135 减压阀 J-10B 6.3MPa 136 压力表开关 B-6B 6.3MPa 1图7-5 工业机械手所用液压元件一览对机械手的各个动作分析如下：(1) 手臂伸缩伸出：电磁铁6YA通电而7YA断电，换向阀11的左位接入系统，手臂在液压缸13的作用下可快速伸出。其油路分述如下：进油路：过滤器1泵3单向阀6节流阀8单向顺序阀12液压缸13的左腔。回油路：液压缸13的右腔电磁换向阀11电磁铁2YA断电油箱。缩回：电磁铁7YA通电而6YA断电，换向阀11的右位接入系统，手臂在液压缸13的驱动下可快速缩回。(2) 手指夹紧与松开夹紧：电磁铁14YA通电，换向阀31的右位接入系统，手指在液压缸33的作用下夹紧。其油路分述如下：进油路：过滤器1泵3单向阀6减压阀35节流阀30换向阀31液控单向阀32液压缸33的左腔。松开：电磁铁14YA断电，换向阀31的左位接入系统，手指在液压缸33的作用下松开。(3) 手臂上下摆动电磁铁8YA通电时，换向阀17左位接入系统，手臂在液压缸19的驱动下可快速向上摆动，电磁铁8YA、9YA的通断电可控制手臂的上下运动方向。电磁铁9YA通电，3YA断电，手臂可实现快速向下摆动。上摆其油路分述如下：进油路：过滤器1 泵3单向阀6节流阀14换向阀17单向顺序阀18液压缸19的下腔。回油路：液压缸19 的上腔换向阀17阀16油箱。电磁铁3YA、5YA通电，4YA断电，手臂可实现慢速向上摆动(4) 手臂回转摆动电磁铁10YA通电时，换向阀23的左位工作，手臂在摆动缸24的驱动下可快速回转，电磁铁10YA和11YA的通、断电可控制手臂的回转方向。若10YA通电，11YA断电，换向阀23的左位接入系统，手臂顺时针快速转动。其油路分述如下：进油路：过滤器1泵3单向阀6节流阀20阀23左位液压缸24的左进油右出油。回油路：液压缸24右进左出阀23电磁换向阀22左位油箱。(5) 手腕回转摆动电磁铁12YA通电时，换向阀28的左位工作，手臂在摆动缸29的驱动下可快速回转，电磁铁12YA和13YA的通、断电可控制手臂的回转方向。若12YA通电，13YA断电，换向阀28的左位接入系统，手臂顺时针快速转动。其油路分述如下：进油路：过滤器1泵3单向阀6节流阀25阀28左位液压缸29的左进油右出油。回油路：

温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。