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7张CAD图纸、说明书全套 YC系列 液压 驱动 圆柱 坐标 机械 手臂 设计 CAD 图纸 说明书 全套 YC 系列

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内容简介：

上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 _液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 学 院 机械学院 专 业 机械设计制造及其自动 班 级 BJ1004 学 号 101002050425 姓 名 沈文豪 指导教师 蔡菲菲 定稿日期： 2014年 03月07 日14液压驱动圆柱坐标机械手臂设计摘要：机器人不仅是一种自动化的机器。机器人是一种可重新编程的、多功能的、机械手,为实现各种任务设计成通过可改变的程序动作来移动材料、零部件、工具或是其他专用装置。 本设计设计的是一种圆柱坐标式机械手,该装置具有三个独立运动(两个直线运动、一个旋转运动)，也就是所说的三个自由度。该机构中立柱可相对于机座旋转210度，回转速度70度/秒，可水平伸缩距离800，移动速度约0.25/s，机械手可上下垂直运动，其垂直升降量330，移动速度约0.6/s，机械手最大夹持重量15。根据课题要求，本设计的旋转运动采用摆动液压马达（旋转液压缸）驱动，水平伸缩运动采用液压缸驱动，垂直升降运动仍采用液压缸驱动。1 文献综述机器人技术的发展，可以说是科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，也是为社会经济发展产生了重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,需求能够解放人的一种工具。那么这种工具就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。另一方面，人们有各种各样的好的想法，它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。2 选题背景及其意义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。我国的工业机械手是从80年代七五科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过七五,八五科技攻关,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有130多台喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。国内外实际使用的多是定位控制的机械手，没有“视觉”和“触觉”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手，使它能够对所抓取的工件进行分辨，能选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确地在机器上定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零部件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法：一是检测把握物体手臂的变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物件的滑动位移，来修正握力。因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能：(1）能准确地抓住方位变化的物体；(2）能判断对象的重量；(3)能自动避开障碍物；(4)抓空或抓力不足时能检测出来。这种具有感知能力并对感知的信息做出反映的工业机械手称之为“智能机械手”，它是有发展前途的。目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能在不断提高。由于发展实践较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机械手在技术上还有一个逐步完善的过程，其目前的发展趋势是:(一) 扩大机械手在热加工行业上的应用目前国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多，而在铸、锻、焊、热处理等热加工以及装配作业等方面的应用较少。因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来不少困难，这就需要解决技术上的难点，是机械手更好地为热加工作业服务。同时，在其它行业和工业部门，也将随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机械手的使用。(二) 提高机械手的工作性能机械手工作性能的优劣，决定着着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键因素。因此要解决好机械手的工作平稳性和快速性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手，还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手上。(三) 发展组合式机械手从机械手本身的特点来说，可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新、多品种小批量的要求，但是它的成本高，专用机械手价廉，但适用范围又受到限制。因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计、专门加工，这样就提高了产品成本。为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的结构设计成可以组合的型式。组合式机械手是将一些通用部件(如手臂伸缩部件、升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部件等)根据作业的要求，选择必要的能完成预定技能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。它可以简化结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化、系统化设计和组织专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价，是一种有发展前途的机械手。3 研究内容一、 机械手的分类现在对机械手的分类尚无明确标准，一般都从规格和性能两方面来分类。1）按规格（所搬运工件的重量）分类：（1）微型的搬运重量在1公斤以下：（2）小型的搬运重量在10公斤以下：（3）中型的搬运重量在50公斤以下：（4）大型的搬运重量在50公斤以上。目前大多数机械手能搬运的重量为130公斤。最小的为0.5公斤，最大的已达到800公斤。2）按功能分类：（1）简易型机械手有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓和挡块转鼓控制：可变程序可插销板或顺序转动控制来给定程序。这种机械手多为气动或液动，结构简单，改变程序比较容易。只使用在程序较简单的点位控制，但作为一般单机服务的搬运作业已足够。所以，目前这种工业机械手数量最多。（2）记忆再现型机械手这种工业机械手由人工通过实验装置传动一遍，由磁带（或磁鼓）把程序记录下来，此机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这也是采用较多的一种，多为电液伺服驱动。与前者比较有较多的自由度，能进行程序较复杂的作业，通用性较广。（3）计算机数字控制的机械手可通过更换穿孔带或其他记忆介质来改变工业机械手的动作，还可以进行多种控制（DNC）。技术还可以是可编程序控制或普通的微机计算机。（4）智能机械手（机器人）由电子计算机控制，通过各种传感元件等具有视觉、热感、触觉、行走机构等。3）按用途分：（1）专用机械手附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，这种工业机械工作对象不变，手动比较简单，结构简单，使用可靠，施用于大批量生产自动线或专机作为自动上、下料用。（2）通用机械手具有独立控制系统，程序可变、动作灵敏、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。二、机械手的组成工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹、和要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。在 工业生产中应用的工业机械手简称为“机械手”。 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成，各部分之间的相互关系如1-1所示。 工件执行机构驱动系统控制系统 位置检测装置图1-1机构相互关系图1、执行机构执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1)、手部（或称抓取机构）是与物体接触的部件，主要是抓取和放置物件的作用。 2)、手腕 是连接手部和手臂的部件，可以调整和改变工件方位。 3)、手臂 是支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。该设计的手臂有三个自由度，采用关节式坐标（绕横轴旋转，上下摆动和左右摆动）关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性，机械臂的结构性容易进行优化，便于提高机械手的动态操作性能。 4)、立柱 是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分。手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。 5)、机座 是机械手的基础部分。执行机构的各个部件和驱动系统均安装于机座上，起支承和连接的作用。有时为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。 2、驱动系统机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的动力装置，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式。3、控制系统控制系统是机械手动作的指挥系统，用来控制动作的顺序（程序）、位置和时间、速度和加速度等，有点位控制和连续控制两种方式。4、位置检测装置位置检测装置控制执行机构的运动位置，可随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行机构以一定的精度达到设定位置。本液压机械手无位置检测装置。三、 机械手的运动与分类1、机械手的运动机械手以及及其手部所夹持的工件（或工具）在空间的位置，有臂部、腕部等部件以及整机的各自独立运动的合成来确定。机械手的每一个动作，必须要配有一个原动件，当各个原动件按一定的规律运动时，机械手各运动部件随之作确定的运动，从而使机械手具有运动和位置的确定性。2、机械手的分类机械手按不同的标准可有不同的分类方法，如按用途可分为通用机械手和专用机械手；按驱动方式可分为液压驱动机械手、气动驱动机械手、电力驱动机械手和机械驱动机械手；按控制方式可分为点位控制机械手和连续轨迹控制机械手两种。在实际应用中，大多按运动坐标形式将机械手分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节坐标式四种。此设计选用的是圆柱坐标。四 、机械手的主要参数机械手的主要参数是说明机械手的规格和具体指标，一般包括以下几项：1、抓取重量抓取重量（又称臂力）是机械手所能抓取或搬运物件的最大重量，它对其他参数如行程范围、运动速度、坐标形式和缓冲装置的设计均有影响，是机械手最基本的参数。本机械手的抓重根据夹持力来确定。2、自由度数目和坐标形式所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手的执行系统需要的独立运动参数的数目，它表示机械手动作灵活程度的参数。本设计需要考虑整机，手臂和手腕等运动共有几个自由度，并说明坐标形式，本机械手有三个自由度，分别为手腕回转、手臂回转、手臂升降。3、定位方式：固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其他各种位置设定和检测装置，这里用到固定机械挡块和行程开关；4、驱动方式：气动，液动，电动和机械式四种形式，这里用液压驱动；5、手臂运动参数：回转范围210；回转速度： 70/s；升降行程330mm，升降速度：60mm/s；6、手指夹持范围和握力，这里要求抓起15kg的重物；7、定位精度：定位精度是衡量机械手工作质量的又一指标，是机械手是运动部件从某一起始位置运动到预期的另一位置时所达到的实际位置的准确程度。定位精度的高低取决于位置控制方式以及机械手运动部件本身的精度和刚度，并和抓取重量、运动速度等因素也有密切关系。这里指的是位置设定精度和重复定位精度；8、轮廓尺寸：长宽高（毫米）；这里由于是圆柱坐标机械手，并且需满足手臂的回转，手臂的伸缩，以及手臂的升降三个动作。因此适合采取图3.1的设计。 图3.1五 、液压原理图总体设计1、确定供油方式：考虑到该机械手在各缸工作时的流量都相差不大，选择YB型叶片泵，其优点在于结构简单，性能稳定，排量范围大，压力流量脉动小，噪声低、寿命长等。2、调速方式的选择：在一般液压机械手的液压系统中，速度的控制一般采用节流阀或调速阀。手臂升降、回转及手腕的回转，采用单项调速阀回程节流调速。3、系统的安全可靠性的选择：为防止伸缩缸在仰起一定角度后的自由下滑，都采用单向顺序阀来平衡。为保证夹紧缸夹持工件的可靠性选用液控单向阀保压和锁紧。4、确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格：由于在机械手的液压系统设计时，采用一个油泵向四个油缸（夹紧缸，手臂伸缩缸，回转缸和升降缸）供油，但因机械手的动作顺序是依次进行，无重叠动作，就上述四个油缸的负荷而言，加紧缸的的负荷最大，而就流量而言，手臂回转缸的流量最大。六 、液压原件选择这里需要选择方向阀、压力阀、流量阀以及各类辅助装置。4工作特色及其难点，拟采取的解决措施一、整体结构 由于本设计要求完成手臂的升降，旋转以及伸缩三个动作。则可以考虑升降在下或回转缸在下两种方式。通过综合考虑，本次试验决定采用升降缸在下的形式。结构示意图如图4.1和图4.2所示回转缸花键轴空心活塞升降缸花键轴套图4.1图4.2手爪部分夹紧缸活塞活塞伸缩缸 如图4.1所示，花键轴套与机座相连，当中装有花键轴以此来对升降缸的活塞进行导向。同时回转缸的转轴与升降缸的活塞是一体的。回转缸的动叶片与缸体相连，而缸体的上端盖连接手臂，以此来带动整个手臂的回转。手臂部分如图4.2所示，在伸缩缸的活塞顶部安装夹紧缸。两者分别负责手抓的伸出和夹紧动作。二、手部计算与分析手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件，一般情况下多采用两个手指。1、滑槽杠杆式手部设计的基本要求这里的基本要求为：(1)应具有适当的夹紧力和驱动力。(2)手指应具有一定的开闭范围。(3)应保证工件在手指内的夹持精度。(4)要求结构紧凑，重量轻，效率高。(5)应考虑通用性和特殊要求。本设计考虑到设计的简便，采用了滑槽式杠杆回转型的手部结构。简图如下。驱动杆可以连接液压缸，由液压缸带动其往复运动从而让手指夹紧或放松。图4.3 1-手指 2-轴销 3-驱动杆三、腕部计算与分析1、 腕部设计的基本要求这里的基本要求为：（1）腕部处于臂部的前端，它连同手部的动静载荷均由臂部承受。腕部的结构、重量和动力载荷直接影响着臂部的结构、重量和运动性能。因此在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支承作用，除了保证力和运动的要求以及具有足够的强度和刚度外还应综合考虑合理布局腕部和手部的连接、腕部自由度的检测和位置检测、管线布置以及润滑、维修调整等问题。（3）腕部设计应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀，压力油的粘度和燃点，有关材料及电控电测元件的耐热性等问题）。四、 臂部计算与分析1、臂部设计的基本要求手臂部件是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并带动它们作空间转动。臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。因此，臂部具有两个自由度才能满足基本要求：即手臂，左右回转和升降运动。手臂的各种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现，从背部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因而，它的结构，工作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。臂部要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求：1）机械手臂式机身的承载机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。显然，伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度逾差，而且其刚度随支臂杆的伸缩不断变化，对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。为可提高刚度，尽量缩短臂杆的悬伸长度，还应注意：(1)根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸臂部和机身既受弯曲（而且不仅是一个方向的弯曲）也受扭转，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。所以机械手常用工字钢或槽钢作为支撑板，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置，传动机构以及管道，有利于结构的紧凑，外形整齐。(2)高支承刚度和选择支承间的距离臂部和机身的变形量不仅与本身刚度有关，而且同支撑的刚度和支撑件间距离有很大关系，要提高刚度，除从支座的结构形状，底板的刚度以及支座与底版的连接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。(3)合理布置作用力的位置和方向在结构设计时，应结合具体受力情况，设法使各作用力的变形相互抵消，如：(a)设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理，确定调整补偿环节，以及减少重要不见的间隙，从而提高刚度。(b)水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精度，使导向杆承受部分或者大部分自重。(c)提高活塞和刚体内径配合精度，以提高手臂的刚度。2）臂部运动速度要高，惯性要小机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般时根据生产节拍的要求来决定。在一般情况，手臂回转要求均速运动，（V和w为常数），但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前的加速度不能太大，否则引起冲击和振动。对于高速运动的机械手，其最大移动速度设计在10001500mm/s，最大回转角速度设计在内，在大部分行程距离上平均移动速度为1000mm/s内，平均回转角速度为内。为减少转动惯量的措施：(1)减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料。(2)减少手臂运动件的尺寸轮廓。(3)减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸），尽可能在前伸位置下进行回转动作，并且驱动系统中设有缓冲装置。3）手臂动作应灵活为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滑动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件，导向件和定位件布置应合理，使手臂运动过程尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生“卡死”的现象（自锁现象）。4）位置精度要高一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度教高；关节式机械手的位置最难控制，精度差；在手册上加设定位装置和自检测机构，能较好的控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动，啮合件的间隙。除此之外，要求机械手同用性要好，能适合做种作业的要求；工艺性要好，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热，冷却；用于作业区粉尘大的机械手，还要设置防尘装置等。五、液压元件的安装1、安装前元件应以煤油进行清洗，并要进行压力和密封性实验，合格后可安装。2、泵及其传动要求较高的同心度。3、油泵的入口，出口和旋转方向一般在泵上均有标明，不得接反。4、安装各种阀时，应注意进油口与回油口的方向。5、为了避免空气渗入阀内，连接处应保持密封良好。6、用法兰安装的阀件，螺钉不能拧的过紧，因为有时拧的过紧反而密封不良。5 论文工作量及预期进度2013年12月-2014年01月：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。2014年01月-2014年03月： 绘制总装图2014年03月-2014年04月： 绘制部件图2014年04月-2014年05月： 绘制零件图2014年05月：撰写涉及计算说明书，答辩参考文献：1 郭洪红 工业机器人技术（第二版）西安电子科技大学出版社20132 孙志礼，冷兴聚，魏延刚等. 机械设计M. 东北大学出版社， 2003 3 徐灏. 机械设计手册M第5卷. 机械工业出版社， 1992 4 吴宗泽. 机械设计师手册M. 机械工业出版社， 2002 5 成大先. 机械设计图册M. 化学工业出版社， 2002 6 罗洪量. 机械原理课程设计指导书M（第二版）. 高等教育出版社，1986 7 JJ.杰克（美）. 机械与机构的设计原理M（第一版）. 机械工业出版社，1985 8 王玉新. 机构创新设计方法学M（第一版）. 天津大学出版社， 1996 9 张建民. 工业机器人BM. 北京理工大学出版社，1992 10 马香峰. 机器人结构学B M . 机械工业出版社，1991 11 俄IO.M.索罗门采夫. 工业机器人图册B M. 机械工业出版社，1993 12 黄继昌,徐巧鱼,张海贵等. 实用机械机构图册B M. 人民邮电出版社，1996 13 天津大学工业机械手设计基础编写组. 工业机械手设计基础B M. 天津科学技术出版社，1981 14 金茂菁. 我国工业机器人发展现状J. 机器人技术与应用， 2001， 01（4）15 乔东凯，黄崇林. 移动式工业机器人设计的动力学分析J .茂名学院学报，2003， 13（3） 16 张广鹏,方英武,田忠强. 工业机器人整机结构方案的动态性能评价J. 西安理工大学学报， 2004，20（1）17 王田苗. 工业机器人发展思考J. 机器人技术与应用，2004年，（2）期18 李瑞峰. 21世纪中国工业机器人的快速发展时代J.中国科技成果， 2001，（18）期19曲忠萍. 国外工业机器人发展态势分析J. 机器人技术与应用， 2001，（02）20 徐学林. 互换行与测量技术基础M. 湖南大学出版社， 200521 机械设计手册联合编写组. 机械设计手册M 下册. 石油化学工业出版社，197822 赵松年、张奇鹏. 机电一体化机械系统设计M. 机械工业出版社，199623 大连理工大学工程画教研室. 机械制图M. 高等教育出版社，200324 邓星钟. 机电传动控制M. 华中科技大学出版社， 2002指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日评议小组意见1、论文选题：有理论意义；有工程背景；有实用价值；意义不大。2、论文的难度：偏高；适当；偏低。3、论文的工作量：偏大；适当；偏小。4、设计或研究方案的可行性：好；较好；一般；不可行。5、学生对文献资料及课题的了解程度：好；较好；一般；较差。6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力：好；较好；一般；较差。7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力：好；较好；一般；较差。8、对论文选题报告的总体评价：好；较好；一般；较差（在相应的方块内作记号“”）二级学院所确定评议小组名单（3-5人）组长： 、组员： 、 、 、 单位盖章 主管领导签名： 年 月 日评议结论评议小组组长签名：评议小组组员签名： 年 月 日液压驱动圆柱坐标机械手臂设计要求设计的机械手能在几台机械设备之间搬运和装卸工件。由手部握紧工件，往上抬起离开定位装置，手臂缩回，水平回转90度，手部放下工件。设计要求： 伸缩行程：800mm，伸缩速度，250mm/s 升降行程：330mm，升降速度，60mm/s 回转范围：210，回转速度，70/s 参考抓取重量：15kg工作量要求完成包括总装配图、部件图、主要零件图在内的图纸不少于2张A0，主要零件图总图幅不少于一张A1；设计计算说明书不少于1.5万字。液压驱动圆柱坐标机械手臂设计摘 要机器人不仅是一种自动化的机器。机器人是一种可重新编程的、多功能的、机械手,为实现各种任务设计成通过可改变的程序动作来移动材料、零部件、工具或是其他专用装置。 本设计的是一种圆柱坐标式机械手,该装置具有三个独立运动(两个直线运动、一个旋转运动)，也就是所说的三个自由度。该机构中立柱可相对于机座旋转210度，回转速度70度/秒，可水平伸缩距离800mm，移动速度约0.25m/s，机械手可上下垂直运动，其垂直升降量330mm，移动速度约0.6m/s，机械手最大夹持重量15Kg。旋转运动采用摆动液压马达（旋转液压缸）驱动，水平伸缩运动采用液压缸驱动，垂直升降运动仍采用液压缸驱动。本文首先向分析了液压驱动圆柱坐标式机械手臂的研究现况提出符合本次设计要求的方案，接着针对机械手臂各个部分进行详细的设计与校核并且对液压机控制系统进行了详细分析与设计拟定了液压系统原理图，最后用CAD软件绘制了液压驱动圆柱坐标式机械手臂的装配图和主要零件图。关键字：液压驱动，圆柱坐标，机械手，液压缸AbstractNot only is an automated robotic machinery . Robot is a reprogrammable , multifunctional manipulator designed to achieve a variety of tasks that can be changed by the program action to move material , parts , tools or other specialized devices.This design is a cylindrical coordinate manipulator , the device has three independent movement ( two linear motion, a rotary motion ) , also known as the three degrees of freedom. The agency in the column can rotate relative to the base 210 degrees , rotation speed 70 /s , horizontally scalable distance 800mm, moving speed of about 0.25m/s, the robot up and down vertical movement , the vertical movements 330mm, moving speed of about 0.6 m/s, the maximum clamping manipulator weight 15Kg. Oscillating rotary motion using a hydraulic motor ( rotating cylinder ) driven , horizontal telescopic hydraulic cylinder driven movement , vertical movement is still driven by hydraulic cylinders .Firstly, the analysis of the hydraulic drive cylinder coordinate Robot status of proposed research meets the design requirements of this program , followed by a detailed design and check for each part of the robot arm and hydraulic control system analysis and design to develop a detailed hydraulic system schematics, and finally with CAD software to draw a hydraulically driven cylindrical coordinate mechanical arm assembly drawings and major parts diagram .Keywords: Hydraulic drive, Cylindrical coordinates , Robots, Hydraulic cylinders目 录摘 要1Abstract2第一章 绪论41.1背景及意义41.2机械手概述51.2.1机械手的组成51.2.2机械手的分类51.3 国内外发展状况6第二章 总体方案设计72.1 设计要求72.1.1 动作要求72.1.2参数要求72.2方案拟定82.2.1初步分析82.2.2 拟定方案8第三章 机械手手部设计93.1手部分析93.2夹紧力及驱动力的计算113.3 夹紧油缸的设计123.4手抓的设计12第四章 机械手臂部设计144.1臂部整体设计154.2手臂伸缩驱动力计算164.2.1 手臂摩擦力的分析与计算164.2.2手臂密封处的摩擦阻力的计算174.2.3手臂惯性力的计算174.3手臂伸缩油缸的设计184.3.1确定液压缸的结构尺寸184.3.2液压缸外径的设计194.3.3活塞杆的计算校核194.3.4 油缸端盖的设计20第五章 机械手机身设计225.1 机身的整体设计235.2回转机构的设计245.2.1回转缸驱动力矩的计算245.2.2 回转缸尺寸参数的确定255.3机身升降机构的设计275.3.1手臂片重力矩的计算275.3.2升降导向立柱不自锁条件285.3.3升降油缸驱动力的计算285.3.4升降缸尺寸参数的确定29第六章 机械手液压及控制系统设计316.1系统工况图分析316.1.1手部夹紧缸316.1.2 臂部回转缸316.1.3 臂部伸缩缸326.1.4臂部升降缸336.2液压系统方案拟定346.2.1调速回路方案分析346.2.2 快进回路方案分析366.2.3夹紧回路的选择376.3液压元件的计算和选择386.3.1液压泵386.3.2确定油箱容量396.3.3液压元件的选择396.4液压系统性能验算406.4.1验算回路中的压力损失406.4.2液压系统发热温升计算41总 结43参考文献44致 谢45第一章 绪论1.1背景及意义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。我国的工业机械手是从80年代七五科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过七五,八五科技攻关,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有130多台喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中液压机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的液压机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。 随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。机械手能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。1.2机械手概述机械手也被称为自动手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。它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。随着工业机械化和自动化的发展以及液压技术自身的一些优点，液压机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 1.2.1机械手的组成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）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，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、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。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。1.2.2机械手的分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、液压式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。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，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，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讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。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；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人1.3 国内外发展状况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长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。一般概况国内机械行业应用的机械手绝大部分为专用机械手,附属于某一设备,其工作程序是固定的。通用机械手也有发展,目前应用的都是开关式点位控制型,伺服型已试制出数台在调试中,连续轨迹控制型还没有。 控制方式有触点固定程序控制占绝大多数,专用机械手多采用这种控制。第二章 总体方案设计2.1 设计要求2.1.1 动作要求要求设计的机械手能在几台机械设备之间搬运和装卸工件。由手部握紧工件，往上抬起离开定位装置，手臂缩回，水平回转90度，手部放下工件。2.1.2参数要求伸缩行程：800mm，伸缩速度，250mm/s 升降行程：330mm，升降速度，60mm/s 回转范围：210，回转速度，70/s 参考抓取重量：15kg2.2方案拟定2.2.1初步分析机械手抓重为15kg，按工业机械手的分类，属于中型，按用途分为通用机械手，其特点是具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样，通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适合于不断变换生产品种的中小批量自动化生产。圆柱坐标式机械手与直角坐标式械手相比，占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到很高的定位精度，因此应用广泛。但由于机械手的结构关系，沿Z轴方向移动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的对象。2.2.2 拟定方案 (1)由初始参数拟定整体设计方案通用机械手是36个自由度，而本次设计为3由度圆柱坐标机械手，其结构简图如图2-1： 图2-1 结构简图(2)整体结构由于本设计要求完成手臂的升降，旋转以及伸缩三个动作。则可以考虑升降在下或回转缸在下两种方式。通过综合考虑，本次试验决定采用升降缸在下的形式。结构示意图如图2-1和图2-2所示图2-2 构示意图图2-3 手臂部分构示意图如图2-1所示，花键轴套与机座相连，当中装有花键轴以此来对升降缸的活塞进行导向。同时回转缸的转轴与升降缸的活塞是一体的。回转缸的动叶片与缸体相连，而缸体的上端盖连接手臂，以此来带动整个手臂的回转。手臂部分如图4.2所示，在伸缩缸的活塞顶部安装夹紧缸。两者分别负责手抓的伸出和夹紧动作。第三章 机械手手部设计3.1手部分析手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件，一般情况下多采用两个手指。滑槽杠杆式手部设计的基本要求为：(1)应具有适当的夹紧力和驱动力。(2)手指应具有一定的开闭范围。(3)应保证工件在手指内的夹持精度。(4)要求结构紧凑，重量轻，效率高。(5)应考虑通用性和特殊要求。本设计考虑到设计的简便，采用了滑槽式杠杆回转型的手部结构。简图如下。驱动杆可以连接液压缸，由液压缸带动其往复运动从而让手指夹紧或放松。通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，用了滑槽式杠杆回转型的手部结构。简图如下。驱动杆可以连接液压缸，由液压缸带动其往复运动从而让手指夹紧或放松。下面对其基本结构进行力学分析：(a) (b)图3-1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析1-手指 2-销轴 3-杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交和的延长线于A及B。由 =0 得 =由 =0 得 =由=0 得=hF=式中 a-手指的回转支点到对称中心的距离(mm)。 -工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力F一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=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。 手指对工件的夹紧力可按公式计算： 式中 安全系数，通常1.22.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a是重力方向的最大上升加速度 ，g=9.8 m/s ；运载时工件最大上升速度；系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s；方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择；G被抓取工件所受重力（N）。计算：设a=40mm,b=120mm,=35；机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力和驱动力和 驱动液压缸的尺寸。(1) 设=1.6 =60 mm/s =0.5s =1.01 =0.5 根据公式，将已知条件带入： =1.61.010.515kg9.8=119N根据驱动力公式得：(2) =119=479N 取(3) =599N3.3 夹紧油缸的设计 确定液压缸的直径D 选取活塞杆直径d=0.5D，选择液压缸压力油工作压力P=3MPa则 D=18.42mm根据液压缸内径系列表（JB826-66），选取液压缸内径为：D=25mm，根据装配关系，外径为36mm。则活塞杆直径为：d=250.5=12.5mm，根据活塞杆标准系列选取d=12mm。3.4手抓的设计机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。图3-3 手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为3060mm。夹持误差不超过3mm，分析如下：工件的平均半径： =45mm手指长L=120mm，取V型夹角偏转角： =64.34按最佳偏转角确定： =64.34计算理论平均半径 120sin60cos64.34=45mm因为 1.4840.166所以=1.4843夹持误差满足设计要求。第四章 机械手臂部设计4.1臂部整体设计手臂部件是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并带动它们作空间转动。臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。因此，臂部具有两个自由度才能满足基本要求：即手臂，左右回转和升降运动。手臂的各种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现，从背部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因而，它的结构，工作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。臂部要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求：1）机械手臂式机身的承载机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。显然，伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度逾差，而且其刚度随支臂杆的伸缩不断变化，对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。2）臂部运动速度要高，惯性要小机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般时根据生产节拍的要求来决定。在一般情况，手臂回转要求均速运动，（V和w为常数），但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前的加速度不能太大，否则引起冲击和振动。对于高速运动的机械手，其最大移动速度设计在10001500mm/s，最大回转角速度设计在180/s内，在大部分行程距离上平均移动速度为1000mm/s内，平均回转角速度为90/s内。3）手臂动作应灵活为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滑动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件，导向件和定位件布置应合理，使手臂运动过程尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生“卡死”的现象（自锁现象）。4）位置精度要高一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高；除此之外，要求机械手同用性要好，能适合做种作业的要求；工艺性要好，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热，冷却；用于作业区粉尘大的机械手，还要设置防尘装置等。考虑到本次设计的机械手最大夹持重量15Kg，抓取重量较小，因此本设计选择油缸杆伸缩机构，其手臂的伸缩油缸活塞杆安装在导向套内，减小油缸杆的弯曲应力。活塞杆受拉压和弯曲载荷共同作用，受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。使用液压驱动，液压缸选取双作用液压缸。其详细结构如下图示：图4-1 臂部结构4.2手臂伸缩驱动力计算先进行粗略的估算，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。做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算为4.2.1 手臂摩擦力的分析与计算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 式中 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）,参考上一节的计算; 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。对于圆柱面：摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取钢对铸铁：取计算：油缸杆的材料选择钢，导向套支撑选择钢， 预估，已知L=800mm，导向支撑a设计为200mm将有关数据代入进行计算600=1260N4.2.2手臂密封处的摩擦阻力的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封圈，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： =0.03F。4.2.3手臂惯性力的计算=0.1式中 参与运动的零件的总重力（包括工件）(N)；从静止加速到工作速度的变化量(m/s)；启动时间(s)，一般取0.010.5；设启动时间为0.2s，最大为0.233m/s。 则：=0.1=69.9N由于背压阻力较小，可取=0.05所以 =+=1260+69.9+0.03F+0.05F求得 =1446N所以手臂伸缩驱动力为=1446N。4.3手臂伸缩油缸的设计表5-1 液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于50000.8120000300002.04.05000100001.52.030000500004.05.010000200002.53.050000以上5.08.0经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=4378N，根据表5-1选择液压缸的工作压力P=1MPa；4.3.1确定液压缸的结构尺寸液压缸内径的计算，如图5-2所示图4-2 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔： 当油进入有杆腔： 液压缸的有效面积： (mm)所以 （无杆腔） （有杆腔）式中活塞驱动力(P)；油缸的工作压力(MPa)；活塞杆直径；油缸机械效率，工程机械中用耐油橡胶可取=0.96；由上节求得驱动力F=1446N，=1MPa，机械效率=0.96将数据代入得：=43.8mm根据表4-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=50mm.4.3.2液压缸外径的设计外径按中等壁厚设计，根据（JB1068-67）取油缸外径外径选择76mm.4.3.3活塞杆的计算校核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：(mm)设计中取活塞杆材料为碳钢，碳钢许用应力的=100120Mpa。本次取=110则： =4.1mm考虑到手部夹紧油缸需内置于该活塞杆，而前述已算得手部夹紧油缸外径为36mm，所以活塞直径按下表取d=36mm，满足强度和装配要求。表5-2 活塞杆直径系列（GB/T2348-93）1012141618202225283232364045505663708090100110125140160180现在进行稳定性校核，其稳定性条件为式中 临界力(N)； 安全系数，=24。按中长杆进行稳定性校核，其临界力=F()式中 F活塞杆截面面积(mm)； a，b常数，与材料性质有关，碳钢a=461，b=2.47； 柔度系数，经计算为70。代入数据，临界力 =F()=3.14=90463.4MPa取=3 =30154.47 MPa所以活塞杆满足稳定性要求。4.3.4 油缸端盖的设计(1) 缸体材料选择无缝钢管，此时端盖的连接方式多采用半环链接优点是加工和装拆方便，缺点是缸体开环槽削弱了强度(2) 缸盖螺钉的计算为保证连接的紧密性，螺钉间距t应适当（如图4-2），在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷和剩余预紧力之和=+式中 工作载荷，=；螺钉中心所在圆的直径；P驱动力。 Z螺钉数目，Z=； 剩余预紧力，=KQ，K=1.51.8；计算： D=76mm，取=90mm，P=1MPa，间距与工作压强有关，见表4.3，间距应小于150mm，试选螺钉数为6个：表4-3 螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（Mpa）螺钉的间距t (mm)0.51.5小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.010.0小于80则 Z=，代入数据=46150，满足要求；=838N；选择K=1.5，=1.5=1255N;=+=837+1257=2095N螺钉直径按强度条件计算式中 计算载荷，=1.3； 许用抗拉应力，=； 螺钉材料的屈服点，材料选择45钢，则屈服强度为352MPa； n安全系数，n=1.2-2.5，此处取n=2； 螺纹内径，=d-1.224S，d为螺钉公称直径，S为螺距。计算：=1.3=1.32095=2723.5N代入数据： =0.0045m第五章 机械手机身设计机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。5.1 机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂210的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：（1） 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。（2） 回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。（3） 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如图6所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。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，下短盖与连接地面的的底座固定。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。具体结构见下图。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转210。图5-1机身结构示意图5.2回转机构的设计5.2.1回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸驱动力矩的计算公式为： =+ (Nm)惯性力矩 =式中 臂部回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量（kgm）； 回转缸动片角速度变化量，在启动过程=(rad/s)； 启动过程的时间(s)；若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为(前面计算得=800mm)，则式中 回转零件的重心的转动惯量。 =回转部件可以等效为一个长600mm，直径为1000mm的圆柱体，质量为100Kg.设置起动角速度=70/s，则起动角速度=1.22，起动时间设计为0.5s。= 28 kgm=28+=93.3kgm=93.3=227.6 为了简便计算，密封处的摩擦阻力矩，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计，=0所以 =227.6+0+0.03=234.65.2.2 回转缸尺寸参数的确定 （1）回转缸油腔内径D计算公式为：式中 P回转油缸的工作压力； d输出轴与动片连接处的直径，初步设计按D/d=1.52.5； b动片宽度，可按2b/(D-d)2选取。选定回转缸的动片宽b=50mm，工作压力为5MPa，d=50mm=94.9mm按标准油缸内径选取内径为100mm。（2）油缸缸盖螺钉的计算回转缸的工作压力为5Mpa,所以螺钉间距t应小于80mm。螺钉数目Z=3.14=3.93所以缸盖螺钉的数目选择6个。危险截面 =0.00589所以 =4906.3N =4906.31.5=7359.4N (K=1.5)所以 7359.4+4906.3=12265.7N螺钉材料选择Q235，则（n=1.22.5）螺钉的直径 d=10mm螺钉的直径选择d=10mm.选择M10的内六角圆头螺钉。经过以上的计算，最终确定的液压缸的尺寸，内径为100mm，外径按中等壁厚设计，根据表4-2（JB1068-67）取外径选择168mm，输出轴径为50mm。图5-2 回转缸的截面图（3）动片联接螺钉的计算动片和输出轴之间的联接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用是使动片和输出轴之间的配合面紧密接触不留间隙。根据动片所受力矩的平衡条件有=即 式中 每个螺钉预紧力；D动片的外径；f被连接件配合面间的摩擦系数，钢对钢取f=0.15螺钉的强度条件为或 带入有关数据，得=10416.7N螺钉材料选择Q235，则（n=1.22.5）螺钉的直径d=9.3mm螺钉的直径选择d=10mm.选择M10的内六角圆头螺钉。5.3机身升降机构的设计5.3.1手臂片重力矩的计算图 5-3 手臂各部件重心位置图(1) 估算重量：=150N，=150N，=500N(2) 计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离:=800mm，=760mm， =400mm。由于 = 所以 =0.5425m(3) 计算偏重力矩=4345.3.2升降导向立柱不自锁条件手臂在的作用下有向下的趋势，而里立柱导套却阻止这种趋势。所谓不自锁条件就是升降立柱能在导套内自由下滑，即=所以 若取摩擦系数 f=0.16，则导套长度h0.32即 h0.320.5425=0.1736m5.3.3升降油缸驱动力的计算式中 摩擦阻力，取f=0.16。G零件及工件所受的总重。(1) 的计算设定速度为V=0.6m/s；起动或制动的时间差t=0.1s、为800N。将数据带入上面公式有：489.8N(2) 的计算=2500N所以 =225000.16=800N(3) 液压缸在这里选择O型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算 (4) 由于背压阻力较小，为简便计算，可将其忽略，=0所以 F=489.8+800+0.03F当液压缸向上驱动时，F=2105N当液压缸向下驱动时，F=505N5.3.4升降缸尺寸参数的确定(1) 液压缸内径的计算 液压缸驱动力按上升时计算，F=2105N，由表(5-1)选择油缸工作压力为1.0MPa，计算如5.4节公式，代入数据：=0.1029根据表(4-1)可选取液压缸内径D=125mm。(2) 液压缸外径的计算 按厚壁计算(3.2)：式中 缸体材料的许用应力，无缝钢管时=100110MPa根据表4-2（JB1068-67）取外径选择180mm.(3) 活塞杆的计算设计中取活塞杆材料为碳钢，碳钢许用应力的=100120Mpa。本次取=110则： =4.94mm活塞杆直径应大于8.5mm。(4) 缸盖螺钉的计算D=120mm，取=180mm，P=1.0MPa，间距与工作压强有关，见表4-3，间距应小于120mm，试选螺钉数为6个：则 Z=，代入数据=84120，满足要求； =1962.5N；选择K=1.5，=1.5=2943.75N;=+=1962.5+2943.75=4907N螺钉直径按强度条件计算：式中 计算载荷，=1.3； 许用抗拉应力，=； 螺钉材料的屈服点，材料选择45钢，则屈服强度为352MPa； n安全系数，n=1.2-2.5，此处取n=2； 螺纹内径，=d-1.224S，d为螺钉公称直径，S为螺距。计算： =1.3=1.34907=6379.1N代入数据： =0.0068m第六章 机械手液压及控制系统设计6.1系统工况图分析根据前面几部分设计好的各液压执行元件的参数，以及设计要求等对液压系统作进一步的工况分析，确定每个执行元件在工作循环各阶段中的速度、载荷变化规律，绘制出液压系统有关工况图即液压缸的P-t图、Q-t图、N-t图。6.1.1手部夹紧缸已知参数： D=25mm，d=12mm， ，计算工况图：图6-16.1.2 臂部回转缸已知参数： D=100，d=50mm，b=50mm，M=，1.22rad/s计算工况图：图6-26.1.3 臂部伸缩缸已知参数： D=50mm，d=36mm， ，计算工况图： 无杆腔进油情况下 图6-3有杆腔进油情况下：图6-46.1.4臂部升降缸已知参数： D=125mm，d=90mm， ，计算工况图：图6-56.2液压系统方案拟定（a）安装前元件应以煤油进行清洗，并要进行压力和密封性实验，合格后可安装。(b)泵及其传动要求较高的同心度。(c)油泵的入口，出口和旋转方向一般在泵上均有标明，不得接反。(d)安装各种阀时，应注意进油口与回油口的方向。(e)为了避免空气渗入阀内，连接处应保持密封良好。(f)用法兰安装的阀件，螺钉不能拧的过紧，因为有时拧的过紧反而密封不良。6.2.1调速回路方案分析（1）方案一：节流调速 节流调速，采用定量泵供油，由流量控制阀改变流入和流出执行元件的流量以调节速度，这种系统称阀控系统。如图（7）图（7）为节流调速原理图其优点是：能量损失较小，结构简单，控制简单，使用维护方便。而缺点是：效率较低，发热大。（2）方案二：容积调速容积调速，采用变量泵或变量马达，以改变泵或马达的排量调节速度。这种系统称泵控系统。如图（8）图（8）为容积调速原理图其优点是：效率高，发热小，使用维护方便。缺点是：结构相对复杂（3）方案三：容积节流调速容积节流调速，采用压力反馈式变量泵供油，由流量控制阀改变流入或流出执行元件的流量，进而调节速度，同时又使变量泵的流量与通过流量控制阀的流量相适应。如图（9）图（9）为容积节流调速原理图其优点是：没有溢流损失，效率较高，速度稳定性相对好。缺点是：会有节流损失。以上方案，每个都有它们的优缺点。在中小型专用机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或者调速阀。根据铣削类专用机床工作时对低速性能和速度负载特性都有一定要求的特点，因此本次设计采用限压式变量叶片泵和调速阀组成的容积节流调速。这种调速回路具有效率高、发热小和速度刚性好的特点，并且调速阀安装在回油路上，这样具有承受负切削力的能力。6.2.2 快进回路方案分析（1）方案一：液压缸差动连接快速调速差动连接是，活塞无杆端面比有杆端面的受压面积大（大杆的面积），（这面积差 是差动的根本原因。）在两端面受 压力（压强）相同时，无杆端面的总压力大，会将活塞推着向有杆端移动，这就是差动。这时，将有杆腔排出的油导入无杆腔，就在泵油的基础上增加了流量，能使活塞更快移动，形成差的快速。这种油路的连接方法如图（10）。图（10）为液压缸差动连接原理图其优点是：活塞杆伸出时能获得较快的速度,即使泵的流量较小.但这时油缸的出力较小,不适合重载.油缸设计合理时,不需要调节,就可以使活塞杆伸出和回缩时速度相等。缺点：噪声大。（2）方案二：采用蓄能器的快速调速蓄能器是，液压或液压系统中的一种能量储蓄装置。它在适当的时机将系统中的能量转变为压缩能或位能储存起来，当系统需要的时，又将压缩能或位能转变为液压或气压等能而释放出来，重新补供给系统。当系统瞬间压力增大时，它可以吸收这部分的能量，以保证整个系统压力正常。如图（11） 图（11）为蓄能器快速调速原理图其优点是：反应灵敏，工作可靠。缺点是：制造困难，密封性要求高。 （3）方案三：双泵供油快速调速双泵供油是，用两个泵来提供动力，其中一个为大流量泵，用以实现快速运动；另外一个是小流量泵，则用以实现工作进给，如图（12）图（12）为双泵供油快速调速其优点是：功率损耗小，系统效率高，应用较为普遍。而缺点是：系统结构复杂。经过综合对比快速调速方法选用液压缸差动连接快速调速。因为其工作效率高而且油的循环利用，速度的调节也比较好，而且结构相对双泵供油，容积调速等方式简单，制造难度比蓄能器低，而且反应灵敏。很符合现在社会的发展需要和工业生产需要。6.2.3夹紧回路的选择用二位四通电磁阀来控制夹紧，松开换向动作时，为了避免工作时因为突然断电而松开，应该采用失电夹紧方式。考虑到夹紧时间可以调节和当油路压力瞬时下降时还能保持夹紧力，所以要接入节流阀调速和单向阀保压。在该回路中还装有减压器，用来调节夹紧力的大小和保持夹紧力的稳定。如下图示图（16） 夹紧回路原理图最后把所选的液压回路组合起来，即可以组成图3-3所示液压系统原理图。图3-3 铣床液压系统原理图6.3液压元件的计算和选择6.3.1液压泵 工作压力：P=P=5 MPa，估算=0.5MPa所以 P5 +0.5=5.5MPa 流量：=29.44L/min，取K=1.1所以QK20.24=32.4L/min 规格：根据液压设计手册单行本P152，表20-5-6，选择齿轮泵CB40，n=1460r/min，Q=40L/min，P=6MPa 电机选用：取泵的总效率=0.85，则N=4.7kw选电机：Y132M-4，N=5.5kw，n=1460r/min。6.3.2确定油箱容量V=100L6.3.3液压元件的选择表7 液压元件一览表序号元件名称规格数量1线隙式过滤器2.5MPa，100L/min12电动机5.5kw，1460r/min13齿轮泵5MPa，1450r/min14溢流阀2.5MPa，1215电磁换向阀6.3MPa，1216单向阀6.3MPa，1217压力表(08)MPa18，14节流阀6.3MPa，1229，15，20，2125，26，30节流阀6.3MPa，8710，16电磁换向阀6.3MPa，12211,17电磁换向阀6.3MPa，12212,18单向顺序阀2.5MPa，12222，27电磁换向阀6.3MPa，8223，28电磁换向阀6.3MPa，8231电磁换向阀6.3MPa，8133压力继电器(16.3)MPa134减压阀6.3MPa，8135压力表开关6.3MPa，41注：表中元件的序号与液压系统原理图中的序号相对应。6.4液压系统性能验算6.4.1验算回路中的压力损失本系统较为复杂，有多个液压执行元件动作回路，其中环节较多，管路损失较大的要算注射缸动作回路，故主要验算由泵到注射缸这段管路的损失。沿程压力损失沿程压力损失，主要是注射缸快速注射时进油管路的压力损失。此管路长 5m，管内径0.032m，快速时通过流量2.7L/s；选用20号机械系统损耗油，正常运转后油的运动粘度27mm2/s，油的密度918kg/m3。油在管路中的实际流速为油在管路中呈紊流流动状态，其沿程阻力系数为：求得沿程压力损失为：局部压力损失 局部压力损失包括通过管路中折管和管接头等处的管路局部压