JX01-227@蜡模制壳机械手---升降部分机械结构设计
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机械毕业设计全套
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JX01-227@蜡模制壳机械手---升降部分机械结构设计,机械毕业设计全套
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哈尔滨理工大学荣成学院 本科生毕业设计（论文）任务书 学生姓名：牛余鹏 学号： 0930060102 学 院： 荣成学院 专业：机械 设计 制造及 其 自动化 任务起止时间： 2013年 02月 25日至 2013年 06月 21日 毕业设计（论文）题目： 蜡模制壳机械手 -升降部分机械结构设计 毕业设计工作内容： 1、实际调研，收集相关资料，完成开题报告； 1 3周。 2、结合生产实际，设计机械手的总图， 4 7周。 3、设计机械手的升降缸，迴转缸，定位缸结构 图； 8 11 周。 4设计所有零件的工作图； 12 13周。 5、撰写毕业设计论文 ，准备答辩； 14 16周。 注：要求全部用计算机绘图和打印文稿（交打印件和电子稿） 资料： 1、工业机器人设计手册； 2、非标设计手册； 3、液压与气压传动； 4、相关的技术资料。 指导教师意见： 签名： 2013年 2 月 24 日 系主任意见： 签名： 2013年 2月 25日 nts哈尔滨理工大学毕业设计（论文） 评语 学生姓名： 牛余鹏 学号： 0930060102 学 院： 荣成学院 专业： 机械设计制造 及自动化 任务起止时间： 2013 年 2月 25 日至 2013年 6 月 21日 毕业设计（论文）题目 ： 蜡模制壳机械手 -升降部分机械结构设计 指导教师对毕业设计（论文）的评语 ： 该课题源于生产实践，该同学在毕业设计中，态度端正，能 把所 学习相关知识 运用设计中 ，设计结构 基本 合理，设计论文论述 较 正确 、 格式 较 规范， 基本 能正确运用所学基本知识，完成任务要求，可以 参加 答辩。 指导教师签名： 指导教师职称： 评阅教师对毕业设计（论文）的评语： 该同学论文格式 较 规范， 对 机械 设计 有了一定了解，设 计符合任务书要求，所做画 纸 符合 基本 要求，但在图纸的绘制和尺寸的标注需要改进，修改后建议参加答辩。 评阅教师签名： 评阅教师职称： 答辩委员会对毕业设计（论文）的评语： 该同学的设计符合“毕业设计任务书”的要求，任务量适中，答辩表述基本清晰，尚能回答大多数提问，概念较清楚，设计的内容基本合理，无原则性错误，掌握了一定的基础知识和基本技能。符合学院 本科毕业设计的要求。 答辩委员会评定， 该生毕业设计（论文）成绩为： 答辩委员会主席签名： 职称： 年 月 日 教务处制表 nts I 蜡模制壳机械手机械部分设计 摘 要 最近，全球内带有夹子夹子或手的机械手系统已经发展起来了，多种方法应用其上，有拟人化和非拟人化的，不仅调查了这些系统的机械结构，而且还包括其必要的控制系统，如同人手一样，这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体，而且不用改换夹子，这些机械手具备特殊的运动能力比如小质量和小惯量，这使被抓物体在机械手的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能。这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。 本论文介绍了用于夹持蜡模机械手的设计。它采用液压驱动，点位程序控制，动作平稳，控制方便。 本论文主要阐述该机械手的夹紧、伸缩、升降和回转的设计和计算。首先从机械手的基础知识介绍有关机械手的组成、分类、臂部设计、液压控制的多种方案，再从本次设计所要求的功能原理设计开始，对于不同的方案加以比较和论证，从中可确定出最优方案，并采用其方案，在对其的结构设计的基础上，对其驱动力和驱动力力矩进行计算。着重阐述了机身的设计，具体阐述了机械手的设计原则和步骤，分析了设计时应注意的问题，并对机械手的平稳性及定位精度给予详细的论述。设计并分析了该机械手所用的液压控制的方法和过程。由于经验不足，知识有限，难免有误，有 待改进。 关键词 液压；机械手；液压缸 nts II Wax molded shell robot mechanical part design Abstract Recently, the world inside with clamps clips or hand robotic systems have been developed, a variety of methods applied on it, there are anthropomorphic and non-anthropomorphic, not only the investigation of these systems mechanical structure, but also its necessary control system, as manpower, these robotic systems can use their hands to grab different objects, and do not change the clip, these robots possess exceptional athletic ability such as small mass and small inertia, which makes the grasped object in the robots operating range done within a more complex, more precise operation becomes possible. These complex operations are grasping objects around any angle and axes. This thesis introduces to used for clipping to hold the outside circle a design for and down anticipating machine hand. It adopts the liquid presses to drive, ordering a procedure control, acting steady, control convenience. This thesis expatiates the rise and fall of the machines hand primarily with the design of the turn-over with compute. Constitute, divide into section form the relevant machine in introduction in knowledge in foundation of the machine hand first, wrist a various projects for and arm department designing, liquid pressing control, start from this design a function for requesting principle, take into the comparison to the different project with the argument, can make sure the superior project from the inside, combine to adopt its project, in as to its of the foundation of the construction design, as to its driver force and moment proceed the calculation. Emphasize the design that expatiated the fuselage, expatiated the design principle of the machine hand in a specific way with the step, analyzed the problem of design should notice, and give to the steady and fixed position accuracy of the machine hand detailed treatise. Because of experience shortage, the knowledge is limited, difficult do not need nts III the mistake, treat to improve. Keywords manipulator； liquid presses； driving force； fixed position accuracy nts IV 目录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 机械手在生产中的作用 . 1 1.2 机械手国内现状和发展趋势 . 1 1.3 论文研究的内容 . 2 第 2 章 蜡模机械手的总功能原及方案的选择与确定 . 4 2.1 功能原理设计 . 4 2.2 初选方案 . 5 2.2.1 方案一 . 5 2.2.2 方案二 . 5 2.3 方案选取 . 6 第 3 章 机械手总体方案总结 . 7 3.1 传动方案的确定 . 7 3.2 规格参数 . 7 3.3 结构特点 . 7 3.3.1 抓取机构 . 7 3.3.2 手臂的回转运动结构 . 8 3.3.3 手臂的升降运动机构 . 8 3.3.4 其它装置 . 8 3.4 机械手的液压传动系统 . 9 第 4 章 机械手的各部分设计 . 10 4.1 手臂部分设计 . 10 4.1.1 手臂部分设计要求 . 10 4.2 手臂回转运动 . 12 4.2.1 回转缸的选取 . 12 4.2.2 回转缸主要参数计算 . 13 4.3 手臂升降运动 . 15 4.3.1 升降运动机构配置形式 . 15 4.3.2 液压缸主要参数的确定 . 16 第 5 章 机械手的其它部分装置 . 18 5.1 行程位置检测装置 . 18 5.2 定位缸 . 18 结论 . 20 参考文献 . 21 nts V 致 谢 . 22 附录 . 错误 !未定义书签。 nts 1 第 1章 绪论 1.1 机械手在生产中的作用 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战 略重点之一。新世纪，生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故。 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。 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。 1.2 机械手国内现状和发展趋势 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，nts 2 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。国外机械数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，量产产品达到 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、柔性制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。 目前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。同时，国家应加大对机械手及机器人的研发投入，积极开发出拥有自主知识产权的产品，从根本上解决对国外产品的进口需求。 1.3 论文研究的内容 在现代工业自动化生产领域里，蜡模制壳是十分重要的工作环节，而实现 这个环节的自动化将大大提高生产效率，减少成本并且避免造成对人体的危害。工业机械手就是为了实现这些环节的自动化而设计的。 自动化蜡模制壳装置是蜡模件经过定向机构实现定向排列，然后顺次地由机械手把它夹取送去沾水玻璃、喷砂，并把工件取走放置下一个工位。如工件易损坏，形状复杂，很难实现自动定向，则往往通过人工定位后，再有机械手进行制壳工作。 目前我国研制使用的工业机械手大多数是属于专用机械手，仅有少量的通用机械手。由于通用机械手改变工作程序比较方便，特别适用于多品种、小批量的生产。 通用机械手在工业生产中的应用只有 二十来年的历史。这些装置在国nts 3 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，并且研制出了各种具有感觉器官的工业机器人。 我所设计的是蜡模制壳机械手。属于圆柱坐标式，全液压驱动机械手，具有手臂升降，收缩，回转 3 个自由度，执行机构由手部，手臂伸缩机构，手臂升降机构，手臂回转机构组成。它的工作过程是手臂伸出夹紧蜡模并收回，沾取水玻璃，喷砂，重复沾取喷砂 3 次，送到下一工位并复位。 1.送料装置 2.机械手爪 3.机械手臂 4.水玻璃箱 5.沙箱 6.工位三 7.出料装置 8.回转及升降部分 图 1-1 蜡模制壳置示意图 nts 4 第 2章 蜡模机械手的总功能原及方案的选择与确定 2.1 功能原理设计 功能原理设计是针对某一确定的功能要求，寻求一些物理效应并且借助某些作用原理来求得一些实现该原理的解法原理。其特点是对于某一产品的特定的工作能力进行抽象化描述，是指某一 机器所有的转化能量特性和其他物理特性。其描述方法较像工程学中常用的“黑箱”法来描述。 任何一个技术系统中都有输入和输出，把技术系统抽象成黑箱。起输入用物料流 M、信息流 S、和能量流 E、来描述其输出用相应的 M、 S和E来描述。 操作指令 S S 显 示 物 料 M M蜡模制壳 电 气 能 E 功能原理设计是一种综合。综合是不能有任何方法可循的。它能要求解决的问题是有很多 解的问题。它既不是只有唯一解，又不是绝对无解，而且也很难得到绝对理想的解。一般来说，在构思阶段，应尽可能收集各种可能的解法，以便在众多的解法中选出较多满意的解决方法来。 总功能分解成若干个功能元素为： 夹持 松开 伸 缩 上升 下降 转位 复位 根据仿生学的原理，机械手的功能单元可以分为： A：手指 夹紧、松开工件； B：手臂 伸缩使工件沿直线运动； C：升降缸机体 升降手臂，回转手臂； D：回转马达 回转、定位； E：控制部分 控制各部分协调动作； nts 5 2.2 初选方案 根据工作要求设想方案如下 2.2.1 方案一 底座连接回转缸实现回转运动，回转缸连接伸缩缸实现升降运动，用滑轨和伸缩缸固定夹紧缸实现水平伸缩作用，夹紧缸连接手抓抓取被加工件。如图所示 2-1： 图 1-1 方案一 2.2.2 方案二 升降缸固定固定在地面实现升降运动，升降缸上连接回转液压马达实现手臂回转运动，回转缸上连接伸缩缸实现手臂水平伸缩，伸缩缸连接夹紧缸夹取零件。如图 2-2 所示： nts 6 图 1-2 方案 2.3 方案选取 方案一重心不好确定，且连接件复杂。 方案二采用圆柱坐标系，工作原理简单，工作效率高，便于加工。所以选 择方案二。 nts 7 第 3章 机械手总体方案总结 3.1 传动方案的确定 考虑到圆柱坐标式的占地面积小而动作范围大的特点，决定采用圆柱坐标式。该机械手的抓取工件为外圆形木杆，此机械手就由手臂升降，伸缩，回转三个自由度，才能满足蜡模制壳的动作要求。 3.2 规格参数 表 2-1 参数表 自由度 范围 速度 停止位置数 手臂伸缩 500mm 250mm/s 2 手臂升降 600mm 300mm/s 2 手回转 180 120 /s 2 臂力 2.5 千克 定位精度 3 毫米 坐标形式 圆柱坐标 驱动源 液压驱动 控制方式 程序控制 3.3 结构特点 3.3.1 抓取机构 因夹持工件不大，故选用 二指回转型手 爪 ，其驱动手爪夹紧松开的拉紧装置，采用双作用式单杆活塞液压缸。手爪设计为固定。当液压缸收缩时为夹紧工件。 机械手伸缩运动结构 : 此机械手手臂伸缩采用双作用式单杠活塞油缸，伸缩动作是由活塞杆运动实现的，缸体固定不动，其伸缩行程为 500 毫米，缸体直接安装在回转连接件上，因为承受作用力小，手臂的刚度大，工作时运动平稳。油缸的输油管路固定油管形式，避免外露且安装方便。在手臂伸出端安装可调nts 8 的定位螺钉，确保送料精度。 3.3.2 手臂的回转运动结 构 手臂的回转采用单片式液压摆动马达，油缸摆角为 180 度，使用在180 度以内，回转油缸的动片与输出轴固联，输出轴通过键与回转连接件连接，回转油缸的壳体与手臂坐固联，当回转油缸的动片回转时，带动输出轴自转。从而带动手臂坐也绕 O O 轴线回转，即为手臂的水平回转运动。 3.3.3 手臂的升降运动机构 手臂的升降采用了双作用式单杆活塞油缸。其升降行程为 300 毫米，为了增加升降部分结构的刚性，导向性能好，采用了直径为四柱式导向杆结构，工作时能平稳升降。由于导向杆的存在使活塞杆免受因偏重力矩所造成的弯曲，在此处活塞杆只受到压力 作用。 3.3.4 其它装置 为使机械手的臂部作回转运动时能够精确定位，在回转部位装有定位油缸，它是单作用式活塞油缸，在活塞杆的端部作成斜楔式。当臂部每转过 60 度后的终止位置，通过电信号控制二位三通电磁阀接通工作油路，使起定位销作用的活塞杆动作，插入到装在中心齿轮上的带有斜楔槽的定位挡块中，使手臂精确定位。此结构简单，动作灵活。 nts 9 3.4 机械手的液压传动系统 图 2-1 液压传动系统图 机械手的动作顺序：液压系统工况分析伸缩缸伸长至工件处 加紧缸取件 伸缩缸收缩至原位处 定位缸电磁阀通电收缩 回转缸回转 60度 定位刚电磁阀断电复位，回转缸被定位 电磁阀 3 通电伸缩缸伸长 电磁阀 6 通电，升降缸下降 下降到位后， 5 通电升降缸上升 电磁阀 4 通电伸缩缸收缩到位 电磁阀 9 通电，定位缸得电松开 电磁阀 1通电转动 60 度 定位刚电磁阀断电复位，回转缸被定位 电磁阀 3 通电伸缩缸伸长 电磁阀 6 通电，升降缸下降 下降到位后， 5 通电升降缸上升 电磁阀 4 通电伸缩缸收缩到位 电磁阀 9 通电，定位缸得电松开 电磁阀 2 通电转动 60 度 如此循环 3 次后完成工艺过程 回转缸转动 120度放置工件工作循环完毕。 上述动作均由电磁换向阀实现，用行程开关和时间继电器、步进选线器等电器控制电磁铁线圈通断电，使电磁铁按程序动作，实现液压系统的自动控制。 nts 10 第 4章 机械手的各部分设计 4.1 手 臂部 分 设计 手臂 是机械手完成各项动作的执行机构，也是其运动部分的主体。 在上面分析了机械手的四种坐标形式，综合这四种坐标形式运动的目的，是想达到人的手臂的功能，但是目前技术还是做不到的，因而把运动方式转化为直线移动和旋转运动，这样臂部的结构也就比较简单了。臂部和机座相连，可固定在地面上、机器上或悬挂在横梁滑道上以及可行走的机架上。臂部前端连接腕部或直接连接手部。 手臂 的作用在于将手爪移动到所需的位置和承受工件、手部和腕部的重量。所以，臂部的结构性能、工作范围、承载能力和 动作位置精度直接影响机械手的工作性能。 手臂 一般有以下几部分组成： 1. 动作元件：如直线缸、回转缸、齿轮齿条、连杆凸轮 等，它是驱动手臂运动的元件。动作元件与驱动源相配合，就能实现手臂的各种运动。 2. 导向装置：手臂在静止状态，要承受由夹持工件重量所产生的弯曲力 F弯 曲，以及由于载荷不平衡而产生的扭转力矩 M。在运动时又有一个惯性力，为保证手爪的正确位置和动作元件不受较大的弯曲力，手臂必须设置导向装置。 3. 手臂 ：手臂上的动作元件、导向装置和其他装置都要安装在臂上， 起支承、连接和承受外力的作用。所以需要臂具有足够的刚性，以免承重后发生形变产生颤动。 4. 其他装置：如管路、冷却装置、位置检测机构 等。 4.1.1 手臂部分设计要求 手臂部分 设计首先要求实现所要求的运动，为了实现这些运动，需要满足下列几项要求。 1 手臂部分 应承载能力大、刚性好、自重轻 根据上述要求，在设计手臂时，要对其进行挠度计算，其变形量应小于许可变形量。我们知道悬臂梁（应当指出机械手的手臂结构不是悬臂梁）的挠度计算公式 4为： 33QLY EJ nts 11 式中： Y 挠度； E 弹性模数； Q 载荷； J 惯性矩； L 悬臂长。 从上式可知，挠度与载荷、悬臂长成正比，而与弹性模数、惯性矩成反比。在 Q 与 L 值已确定的情况下，只有增大 E J 值，才能减少梁的弯曲变形，而碳钢和合金钢的 E 值差别不大，在 66 101.2100.2 之间。所以，为了提高刚度，从材质上考虑意义不大，主要应选用惯性矩 J 大的梁。现把几种常用梁的惯性矩列表比较如下（见表 2-1）。 从表 2-1 可知，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多，所以，机械手中常用无缝钢管 作导向杆，用工字钢或槽钢作支撑板。这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重。但由于本课题中腊模制壳机械手各处受力均不大，可直接采用夜压缸自体承受应力。 设计时还应该采取以下措施： （ 1）在设计 手臂部分 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补偿环，以减少重要部位的间隙，从而提高刚性。 （ 2）全面分析手臂的受力情况，合理分配给手臂的各个部件，避免不利的受力情况出现； （ 3）水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合和相对位置精度，使导向 杆承受部分或大部分自重和抓取重量； （ 4）提高活塞和刚体内部配合精度，可以提高手臂在前伸缩时的刚性。 2 手臂 运动速度要高，惯性要小机械手的运动速度一般是根据生产节拍的要求来决定的。确定了生产节拍和行程范围，就确定了手臂的运动速度（或角速度）。在一般情况下，手臂的移动和回转均要求匀速运动（ V和 为常数），但在手臂的起动和终止的瞬间，运动是变化的。为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前的减速度不能太大，否则引起冲击和振动。手臂的运动过程曲线如图 2-15 所示。 手臂回转时产生的惯性力矩为： ()cM J J J Jtt o惯式中： 角加速度； 起动或制动前后的角速度差； nts 12 J 臂部回转对回转中心的转动惯量； CJ 臂部零件对其重心的转动惯量； J 臂部零件作为其重心位置的质点对臂部回转中心的转动惯量。 2gGJ 回转半径。 计算CJ时，可以把形状复杂的零件划分为几个简单的几何形状来计算。在有关书中可分别查出其CJ的计算公式。 从上述公式可知，减少惯性力矩，可采用下列措施： （ 1） 减少手臂运动部件的重量，如采用铝合金等轻质材料； （ 2） 减少手臂运动件的轮廓的尺寸，使手臂结构紧凑小巧； （ 3） 减少回转半径，在按排动作顺序时，一般是先缩会再回转或尽可能在较小前伸位置下进行回转动作。 （ 4） 驱动系统中加缓冲 装置。 3 手臂部分 动作要灵活 要使手臂运动轻快灵活，手臂的结构必须紧凑小巧，或在运动臂上加滚动轴承或采用滚珠导轨。对于悬臂式机械手手臂上零件的布置要合理，以减少回转升降支撑中心的偏重力矩。不然，会引起手臂振动，严重时会使手臂与立柱卡住别坏。对于双臂同时操作的机械手，应使两臂布置尽量对称以达到平衡。 4位置精度要高 手臂的刚性好，偏重小，惯性力小，则位置精度就容易控制，所以设计手臂时要周密考虑和计算，还要合理的选择机械手的坐标形式。一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高；关节式机械手的位置最难控制， 精度差；在手臂上加设定位装置和自动检测机构，来控制手臂运动的位置精度；还要减少或消除各传动、啮合件的间隙。 4.2 手臂回转运动 手臂的运动，除了手臂的前后伸缩运动外还有回转运动。本次设计的机械手，它的臂部的回转运动是一种单回转运动。有的机械手不是单回转运动而是复合式的运动，在此不考虑复合运动。实现单回转运动可以有以下几种方案。 4.2.1 回转缸的选取 1. 回转缸 nts 13 回转缸又称摆动缸。应用回转油缸要比齿轮齿条带动机械手回转结构简单，轻巧美观。但是，由于回转缸的动片与缸体之间配合精度要求较高，加工比较困难，如果精度达不到要 求，就会造成严重泄漏，影响正常运转，必须严加密封。 2. 齿轮齿条直线缸回转结构齿轮齿条结构是通过齿条的往复运动，带动齿轮回转，其驱动源可以是液压或气压驱动。 3. 回转油缸行星齿轮结构 它是由回转油缸（摆角 230 ），动片与转轴固接在一起，转轴用键与行星齿轮联结，中心轮套在基座上，中心轮是固定不动的。回转油缸与手臂固结在一起。驱动回转油缸回转又带动手臂绕 O-O 轴回转，形成转臂，故行星轮，中心轮和手臂组成一个行星轮系。 4.2.2 回转缸主要参数计算 通过对以上几种方案的了解和论 证，单片式液压摆动马达的方案最优。其结构如图 3-7 所示 ： nts 14 图 3-7 该机械手的臂部回转结构采用直接通过轴输出结构。 M M + M驱 动 惯 封 00 wM = J = J t 惯所以按照分块计算惯性力矩有以下结果： 22m 1 . 2 1 . 2 1 . 2J 0 . 4 4 0 . 3 5 0 . 0 5 3 9mr 22m 3 3 3J 0 . 3 4 0 . 2 8 5 0 . 0 2 7 6mr 22m 4 4 4J 0 . 2 8 0 . 2 4 0 . 0 1 6 1mr 22mJ 2 . 5 0 . 3 7 0 . 3 4 3mr 物 物 物 22m 1 . 2 1 . 2 1 . 2J 0 . 4 4 0 . 3 5 0 . 0 5 3 9mr 导向杆按照对称长杆惯性矩计算公式计算 2有： 中心点右侧 211 1 1 0 . 2 1J 2 a 2 0 . 3 4 0 . 2 1 0 . 0 3 5 =33m rm gg 2导导 导 导（ + ） （ ） 0.0166 nts 15 中心点左侧 21 1 0 . 2 1J 2 a 2 0 . 3 5 0 . 2 1 0 . 0 3 5 =33m rm gg 2导导 2 导 导 2（ + ） （ ） 0.0167 由于液压缸长径比大于 5所以按照细长杆惯性矩计算公式计算有： 中心点右侧 211J r 1 . 8 0 . 2 = 0 . 0 2 433m 2缸 1 缸 1 缸 1 ）中心点左侧 211J r 3 . 6 0 . 2 = 0 . 0 4 833m 2缸 2 缸 2 缸 2 ）所以经过以上计算有： m 1 . 2J J . . . . . . . J = 0 . 7 2 总 缸 2 （ 取 计 算 值 上 限 ）系统给定动作时间为 2s，转动角度为6，设定加速时间为 0.2s所以有： 15= = = = = 5 = / st 6 2 1 2 t 1 2 1 2 所以查阅液压设计手册可以选择 YMD30单页片摆动液压马达。 又有液压马达的工作效率为设为 =0.9 有需要实际输出 M=0.943/0.9=10.5 22Kg m /sg 通过验算有该马达当输入压力eaP = 0.795M P因为涉及液压系统设计该处给定压力aP =1MP额即可。 4.3 手臂升降运动 一般圆柱坐标式，直角坐标式有升降运动，球坐 标式有时为了增加提高高度，也有升降运动。由于本次设计的机械手采用的圆柱坐标式，所以，手臂的升降运动是必不可少的。 4.3.1 升降运动机构配置形式 1升降机构设在机座内 对于中小型规格机械手，多采用这种结构，手臂靠自重下降。 2升降机构设在机座上方 一些机械手的升降行程比较大，需设计立柱式结构，支撑升降运动机构，其轮廓尺寸相对比较大。但是在升降行程较大的情况下，手臂悬伸在最大位置时，使手臂对驱动点的偏重力矩很大，不利于升降运动。 3升降机构放在可缩放的机构的平台 上 nts 16 这种结构的优点是整个机形高度可以较低，手臂的高度大致就是机械手的高度，手臂回转的转动惯量可以较小，不需升降导向支撑，结构比较紧凑，提升行程大。 4升降机 构采用单作用单出杆液压缸 本次设计的机械手手臂升降机构也采用直线缸，它的结构如图 2-21，它设有导向柱，其导向性能好，刚性大，工作平稳，活塞杆顶部为球铰。 通过对以上几种方案的了解和论证，带有导向杆的立柱式伸缩缸方案最优。该机械手的臂部升降采用四导向杆立柱式伸缩缸结构。 4.3.2 液压缸主要参数的确定 + + + +F F F F F F 工 回导总 封 惯 F工 为升降缸的工作力 F导为导向杆所受摩擦力 F封 为密封处的摩擦力 F回为回油路产生的阻力 = F F = 0 . 0 3 FF 12封 总 此处有系统设计工作时间为 2s，行程 300mm，启动时间 0.2s 2s 0 . 3 v 0 . 1 5v = = = 0 . 1 5 m / s a = = = 0 . 7 5 m / st 2 t 0 . 2 = G a = 1 8 0 . 3 0 . 7 5 = 1 3 6 NF 惯 上 部 1= P S - S = - = N44F 22回 背 杆（ ） 0.2 （ 4 0 2 0 ） 188.5(4-11) 将公式（ 4-8） -（ 4-11）代入公式（ 4-7）有结果 ： F =520N 总 因为有压力损失机械损失未计入在内取工作效率为 =0.9升所以有 F=520/0.9=578N 由于系统设计的统一性所以选区升降缸也有 D=40mm d=20mm 所以有所需液压压力为：aP = 5 7 8 / = M P4 2升 （ 40 ） 0.46则 往返速比 222 1.33DDd 1. 缸筒壁厚计算 4 一般按薄壁缸筒计算，壁厚 )(m 按下式确定 1 nts 17 2pD式中 D 液压缸内径（ m）； p 液压缸最高工作压力（ MPa）； 缸 筒材 料 的许 用 应力 （ MPa ），钢 管 的 =100（ MPa）； b 材 料的抗拉强度极限（ MPa）； n 安全系数，一般可取 5。 1 . 5 1 4 0 0 . 32 2 1 0 0pD mm 设计壁厚为 5mm ，足以满足要求。 2. 活塞杆直径计算 2 1 20d D m m 取 d=20mm 按强度条件校核 4 4 4 5 7 8 7 . 3 6100Fd m m 现 d=20mm 7.36 所以强度满足要求。 3. 液压缸的流量计算 2 流量 AVQ 有杆腔 2 2 2 2 2( ) ( 4 0 2 0 )9 4 2 . 4 844DdA m m 1 5 0 /V m m s升 1 5 0 /V m m s降 则 241 5 0 1 0 1 2 5 6 . 6 4 1 0 0 . 1 8 8 / 1 1 . 3 / m i nQ V A L s L 升 升1 5 0 1 0 9 4 2 . 4 8 1 0 0 . 1 4 1 / 8 . 4 6 m i nQ V A L s L 降 降 nts 18 第 5章 机械手的其它部分装置 5.1 行程位置检测装置 行程位置检测装置的作用，是控制机械手的运动位置，或是利用检测装置，通过控制系统对机械手的运动位置进行控制。如把 运动系统的位置反馈个控制系统，再由控制系统进行调节，使其运动停止在规定的位置上，以保证对机械手运动的定位精度。现举一个应用电液比例阀（或电液伺服阀）的反馈控制为例，用方框图表示： 图 4-1 检测反馈图 检测装置把实际位置信号反馈给控制系统进行比较，差值送入放大器，控制电液比例阀的流量或压力，使机械手平稳准确停在预定位置上。检测装置应用有电位器、编码器和刚性机构等。 机械手的定位精度指的是频繁的往复运动中的重复定位精度。影响保持一定的定位精度的误差是很多的：如手臂的刚性、油液的温度变化、位置检测元件的类 型及执行环节的误差等，都对重复定位的精度有严重影响。 由于机械手应用在不同的环境，而且大多数是应用在周围环境比较恶劣的现场中，因此，对行程位置检测装置有以下几点要求： 在机械性能方面：要结构简单、刚性好、体积小、寿命长和维修方便； 在使用环境方面：要能在振动、油污等条件下稳定和可靠地工作； 在电气
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