基于液压控制的翻转机械手的设计说明书

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计 液压控制的翻转机械手的设计THE DESIGN OF All-PURPOSE TURN-OVER MANIPULATOR BASED ON HYDRAULIC CONTROL学生姓名： 余杰学 号： 200841914115年级专业及班级： 2008级机制(1)班指导老师及职称： 周光永 副教授湖南长沙提交日期：2010 年 5 月湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名： 2012年 月 日目 录1 绪论11.1 前言11.2 工业机械手在生产中的应用31.3 机械手的组成41.3.1执行机构41.3.2驱动机构51.3.3控制系统分类52 总体布局设计方案52.1 机械手的确定52.2驱动机构的选择62.3 机械手的技术参数列表73 机械手手部的设计计算73.1 手部设计时应注意的问题73.2 典型的手部结构73.3 机械手手部结构及驱动的设计计算83.3.1选择手部的类型及夹紧装置83.3.2手指夹紧力及液压缸驱动力的计算液压缸的选用83.4 机械手手指部的设计计算103.4.1齿轮齿条传动机构的设计计算103.4.2手指指部的设计计算143.4.3手指指部齿轮安装销的设计计算144 机械手腕部的设计计算144.1 机械手腕部结构及运动分析144.2 机械手腕部驱动装置的设计计算及选用145 机械手臂部的设计及有关计算165.1 臂部设计时应注意的问题165.2 手臂的典型结构以及结构的选择165.3 手臂Z方向升降运动的受力分析及其计算175.4手臂Z方向升降运动液压缸结构尺寸的设计计算及选用196 机身的设计206.1 机身的概述206.2 机身设计时应注意的问题217 液压元件及动力机的设计选择217.1 液压泵的选择227.2动力机选择227.3 油管的设计227.4 油箱的设计227.5 液压元件的选择227.6 液压油的选用248 液压系统的验算258.1 压力损失的验算258.1.1回路压力损失的验算258.1.2局部压力损失验算268.2 计算液压系统的发热温升269 液压系统工作过程简述27结束语28参考文献 28致谢 29附件 3030液压控制的翻转机械手的设计学 生：余 杰指导老师：周光永（湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128）摘要：当今世界许多发达国家高度重视机器人技术的研究，各种用途的机器人越来越多的用于科学研究、现代化工业生产和工业作业当中。机械手是机器人的操作机，是机器人完成各种任务的执行机构。本文主要针对生产线上的自动化设计了一个两自由度的专用翻转机械手，以实现工厂的自动化，减轻了工人劳动强度，提高了劳动生产率。该机械手采用液压驱动，实现了夹紧、垂直移动和展开等动作。为了实现这些动作，采用了部件设计以分别实现动作要求。关键词：液压驱动；翻转；机械手 The Design Of Turning Manipulator Based On Hydrautic Control Student:Yu Jie Tutor:Zhou Guangyong(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: In todays world, many developed countries have been attaching great importance to the study of robotics, meanwhile, more and more robots of various uses have been used in scientific study, modernized industrial production and industrial operations. Robot manipulator is the operator who directs the robot in completing various tasks. This paper, according to the automation of production lines, it aim to develop the design of a dedicated flip with two degrees of freedom manipulator to achieve the goals of factory automation, reducing the labor intensity of workers and improved labor productivity. The use of hydraulic-driven robot has done successfully in clamping, such as vertical movement and action to start. In order to achieve these movements, the author adapts the design of the components to achieve the action requested.Key words: hydraulic drive; flip; Manipulator1 绪论1.1 前言在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。20世纪50年代以后机械手逐步推广到工业生产部门用于在高温污染严重的地方取放工件和装卸材料也作为机床的辅助装置在自动机床自动生产线和加工中心中应用完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和作对象而不同常见的有夹持托持和吸附等类型。运动机构一般由液压气动电气装置驱动。机械手可独立地实现伸缩旋转和升降等运动一般有23个自由度。机械手广泛用于机械制造冶金轻工和原子能等部门。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运对象或作工具的自动作装置。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。针对这一问题，本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于移置轴类零件。首先，本文将设计机器人的伸缩臂、机身、横移液压缸和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文还将设计该机器人的液压控制系统。机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国高科技跟踪国际发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技发展和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，机器人的定义，世界各位尚未统一，分类也不近相同。最近联合国组织标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序来完成各种工作，主要应用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，综合我国的习惯用语，对工业机器人做如下定义：工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主题，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高。它可以根据外补来的信号自动进行操作。工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展阶段可分为三代：第一代机器人就是现在工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存储信息，工作是读取这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、嗅觉、视觉等进行反馈能力。其控制方式较第一代要复杂的多，这种机器人从1980年开始进入实验阶段，不久将普及应用。第三代机器人即智能机器人。这种机器人除了嗅觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身或周围的环境，识别状态的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务，并且能跟踪工作对象的变化具有使用工作环境的功能。这种机器人还处于试验阶段，尚未大量投入实用。基于液压控制的移置机械手的设计有以下几个主要内容： 1)设计计算各非标准零部件及选用标准件 2)测绘各零部件图 3)设计并绘制液压系统控制图 4)编写机械手的设计计算说明书1.2 工业机械手在生产中的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬运、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1.3 机械手的组成要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机械手的性能。一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如下图1：图1 机械手的组成Figure 1: The picture of Manipulators composition1.3.1 执行机构（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。1.3.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.3.3 控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。2 总体布局设计方案2.1 机械手座标形式的确定常用工业机械手按驱动方式分:直角座标式、圆柱座标式、球座标式、多关节式几种类型，如图2.1所示。其中直角座标式手臂可沿X、Y、Z座标轴作直线移动，即伸缩、升降和横移。其特点是直观性好，所占空间位置大。根据设计任务所需，特选定为直角座标式。图2 机械手座标型式Figure 2: The picture of Manipulators Coordinates type该机械手具有3个自由度，即：手指张合；手腕回转；手臂升降3个主要运动。该机械手各运动可由3个液压缸实现。（1)手部 采用一个直线液压缸，预计通过齿轮齿条机构实现手指的张合。（2腕部 采用一个摆动液压缸来实现手部及工件的回转。（3)臂部 采用直线液压缸来实现手臂的升降。 根据以上参数，图2.2 是机械手整体结构示意图。图3机械手整体结构示意图Figure 3:The picture of the Manipulators whole design2.2 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据驱动方式的不同, 工业机械手大致可分为液压式、气动式、电动式和机械式驱动。采用液压机构驱动机械手,操作力大，体积小，动作平稳等优点。因此，此机械手的驱动方式选择液压驱动。2.3 机械手的技术参数列表表一 机械手主要技术参数Table1 The main technical parameters of Manipulator 项目 主要数据参数手臂运动型式 直角座标式抓取重量 自由度数 3个手臂升降行程 手臂升降时间 5秒手腕回转行程 120度手腕回转时间 3秒手指张合角度 30度手指张合时间 2秒定位方式和定位精度 机械挡块，控制方式 点位控制，开关板预设驱动方式 液压驱动3 机械手手部的设计计算3.1 手部设计时应注意的问题1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。4）应保证手抓的夹持精度。3.2 典型的手部结构手部主要有以下几类：手指式、吸盘式、磁吸式及其他形式。本设计抓取的零件为盘类零件，故选择二指式来实现对工件的抓放。手指式又可分为：1）平移式手指 当手指夹持的工件直径变化时并不影响工件中心位置的改变，即定位误差为零。但平移式手指结构较复杂，体积大，要求加工精度高。显然本设计机械手不适合使用此方案。2）回转式手指 当手指夹持不同直径的工件时则产生定位偏差。但回转式手指结构简单。综上，本机械手选择二指回转式手指。3.3 机械手手部结构及驱动的设计计算3.3.1选择手部的类型及夹紧装置本设计选择二指式回转型手部，在液压缸的液压推力作用下通过采用齿轮齿条传动来实现机械手手指张合，从而实现机械手对工件的抓放。3.3.2手指夹紧力及液压缸驱动力的计算液压缸的选用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。(1)手指对工件的夹紧力可按下式计算：式中安全系数，通常取1.2-2，这里取1.5 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按估算。为机械手在搬运工件过程中的加速度。取 方位系数，经查机械手册选取 G被抓取工件的重量，这里为50kg代入数据可解得 (1)（2）液压缸驱动力的计算手指张合采用齿轮齿条传动，结构简图如图4所示.图4 机械手手部结构Figure 4: The structure of the Manipulators hand取R=140mm,b=200mm,由手部的传动结构形式，查机械设计手册知其驱动力计算公式为 (2)取机械效率 (3) （3）确定手指张合驱动液压缸直径D及活塞杆直径d，液压缸受力分析如图3.2所示.图5 液压缸示意图Figure 5 Schematic diagram of hydraulic cylinder由以上计算知夹紧液压缸最大工作负载约为1885.33N，由参考文献1中表91选取液压缸工作压力p1Mpa。液压缸选用单杆式，并在机械手手指张开过程中采用差动连接，此时无杆腔工作面积为有杆腔工作面积的两倍，即活塞杆直径d与缸筒直径的关系为d0.707D。液压缸工作过程中必须具有一定背压，参考参考文献中表93取p20.2Mpa。 由夹紧时所需推力计算液压缸直径 (4)即解得D94.314mm，则d0.70794.31466.680mm根据液压缸的内径系列查参考文献3中表3.50选取液压缸内径为：D100mm; 查参考文献3中表3.51选活塞杆直径为:d70mm。（4）确定液压缸行程L由预计设计参数手指张合30度及齿轮齿条传动中确定的齿轮分度圆直径d140mm可计算 (5) 查参考文献3中表3.52选取液压缸行程L40mm。因采用差动连接，手指张合速度相等，预设手指张合所需时间为2s且为匀速，则 (6)手指张开所需流量手指闭合所需流量 （5）活塞杆的强度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，按拉、压强度计算：设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径d=70mm,代入数据进行校核：由此可见活塞杆的强度足够。（6）液压缸的选用由以上计算结果查参考文献3选用HSGK100dE型液压缸。3.4 机械手手指部的设计计算3.4.1 齿轮齿条传动机构的设计计算此齿轮齿条传动按工作寿命为10年（设每年工作300天），两班制，工况平稳来设计计算。（1）选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数根据设计任务要求选用圆柱齿轮齿条传动。运输机工作载荷平稳，速度不高，选用7级精度。选择小齿轮材料为45钢，调质处理，硬度为240HBS。选齿轮齿数Z100。（2）按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即 (7)确定公式内的各计算数值 1）、试选载荷系数Kt=1.3。 2）、计算齿轮传递的转矩。 3）、查参考文献2中表107选取齿宽系数d=0.5. 4)、查参考文献2中表106得知材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa. 5)、查手册知齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2550MPa. 6)、计算应力循环次数。 7）、查参考文献2中图1019取接触疲劳寿命系数KHN11.23。 8）、计算接触许用应力。 取失效概率为1，安全系数S1.4，由参考文献2中得 (8) 9）代入数据计算齿轮分度圆直径，代入H中的较小值。 (9) 10）、计算圆周速度。 (10) 11）计算齿宽b及模数mnt.b=dd1t=69.14mm12）计算齿宽与齿高之比齿高 h=2.25m=3.1113mm 齿宽与齿高之比 b/h=69.14/3.113=22.2101 13）计算载荷系数K。 查参考文献2得使用系数KA1，动载荷系数Kv1，KH=1.313，KF=1.35,KH=KF =1。 K=KAKvKHKH1111.3131.313 14）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，即 (11) 15）计算模数mn.(3)按齿根弯曲强度设计 (12)确定计算参数 1）、由设计手册查得齿轮的弯曲疲劳强度极限FE=380MPa。 2）、由设计手册查得齿轮的弯曲疲劳寿命系数KFN1。 3）、计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S1.4，则 4）、计算载荷系数。 5）查取齿形系数，应力校正系数。查参考文献2中表105得YFa=2.18;YSa=1.1.79 6)计算大、小齿轮的并加以比较。7)设计计算对比计算结果，由齿面接触强度计算的模数小于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，取m=2,已同时满足接触疲劳强度及齿根弯曲疲劳强度。按接触疲劳强度算得的分度圆直径d138.7394mm来计算应有的齿数。于是有 取z70。（4）齿轮齿条其它尺寸参数的计算 1)齿轮宽度2）取齿条宽度b60mm。 3）齿距 4）齿顶高系数 5）顶隙系数 6）齿轮基圆直径 7）变位系数 8）齿厚 9）齿顶高 10）齿根高 11）齿顶圆直径 12）齿根圆直径 (5)、齿轮结构设计 由以上计算知大齿轮的齿顶圆直径小于160mm，故做成实心结构的齿轮。3.4.2 手指指部的设计计算手指选用45钢，查机械设计手册知其弯曲许用应力，手指指腹采用长方形横截面，宽度为齿轮宽度b70mm，取安全系数为1.5， 则手指的弯曲强度条件为式中最大弯曲力矩，其值为 抗弯截面系数代入数据解得 为保证一定的工作强度和使用寿命，取h15mm。为保证对工作的定位夹紧，手指采用120度的V形指尖。具体尺寸数值详见图纸。3.4.3手指指部齿轮安装销的设计计算传动齿轮采用销轴安装定位，选用45钢，查机械设计手册知其弯曲许用应力，选取销轴直径d30mm，取安全系数1.5，其销轴强度计算校核如下： 故销轴强度足够。4 机械手腕部的设计计算4.1 机械手腕部结构及运动分析腕部是连接手部和臂部的部件，腕部运动主要用于改变被夹工件的方位，它动作灵活，转动惯量小。本课题要求具有腕部回转这一自由度，可用具有一个回转自由度的摆动回转液压缸来实现所要求动作。动作参数要求如下：手腕回转：120度 回转时间：3秒4.2 机械手腕部驱动装置的设计计算及选用 （1）驱动腕部回转的驱动力矩的计算 查机械设计手册知驱动腕部回转的驱动力矩可由下式计算出 (13)式中1.11.2液压缸密封摩擦损失系数Mm腕部转动支承处摩擦阻力矩 (14)f轴承摩擦系数，滚动轴承取f0.02，滑动轴承取f0.1、轴承直径、轴承处支反力代入数据解得 (15)式中Mp克服工件重心偏置的力矩 G手部重量e偏心矩代入数据解得 (16)式中Mg腕部起动的惯性力矩J手部转动惯量，将机械手手部及工件近似看作圆柱体，其半径R120mm，保守估取手部及工件总质量m30kg，则该部分转动惯量 腕部回转角速度，2.22rad/st启动所需时间，t0.2s代入数据解得 代入数据解得驱动腕部回转的驱动力矩 （2）摆动液压缸的选择查参考文献2中表387选用UBFZD40P03型摆动液压缸，其每度转角用油0.00097L，摆动速度为48度每秒，由此可估算出所需流量以上数据留备后用。5 机械手臂部的设计及有关计算臂部是支承手部和腕部的结构，主要用来改变工件位置的部件。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。5.1 臂部设计时应注意的问题臂部的运动和结构形式对机械手的工作性能有着较大的影响。设计时应注意下列几点：(1)刚度要好 手臂的截面形状选择要合理，常用钢管作手臂和导向杆，用工字钢和槽钢作支承板，以保证有足够的刚度。(2)偏重力矩要小 所谓偏重力矩是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的力矩。(3)重量要轻，惯量要小 由于机械手在高速情况下经常起停和换向，为了减少冲击，必须有缓冲装置。(4)导向性要好 为了防止手臂在直线移运动中沿运动轴线不发生相对转动，以保证手部的正确方向，必须有导向装置。其结构应根据手臂的安装形式、抓取重量和运动行程等因素来确定。5.2 手臂的典型结构以及结构的选择（1）手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：1) 双导杆手臂伸缩机构。2) 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。3) 双活塞杆液压岗结构。4) 活塞杆和齿轮齿条机构。(2) 手臂运动机构的选择综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取单作用液压缸。5.3 手臂Z方向升降运动的受力分析及其计算（1）手臂Z方向升降运动受力分析先进行粗略的估算，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。手臂垂直伸缩直线运动时需要克服摩擦力和惯性力及机械手手部总重力，其驱动力可按下式计算： (17)式中机械手手部总重量摩擦阻力包括导轨间的摩擦阻力；活塞与缸壁及密封处的摩擦阻力起动过程的惯性力；其大小按下式估算 (18)式中 机械手升降运动部分总重量 重力加速度 手臂运动速度 起动时所需的时间 ， 一般可取（2）手臂Z方向升降运动摩擦力的分析计算1）手臂摩擦力受力分析摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。图5.1是机械手的手臂受力示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩杆两侧。图6 手臂受力示意图Figure 6 Schematic diagram of the arm forces2）手臂所受摩擦力的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）（Kg）； 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） 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。对于活塞与缸壁及密封处的摩擦阻力：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，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：（3）手臂Z方向升降运动惯性力的计算本设计要求手臂平动时,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度,则 (20)（4）手臂Z方向升降运动所受合力计算1）代入数据解得手臂作上升运动时驱动合力为解得 F=2987.63N2）代入数据解得手臂作下降运动时驱动合力为解得 F1750.62N5.4 手臂Z方向升降运动液压缸结构尺寸的设计计算及选用（1）液压缸结构尺寸的设计计算及选择经过上面的计算，确定了液压缸的最大驱动力为F=2987.63N，根据参考文献1中表91选择液压缸的工作压力，液压缸内径及活塞杆的设计计算，如图5.2所示图5.2 液压缸示意图 Picture5.2 Schematic diagram of hydraulic cylinder液压缸选用单杆式，并在机械手手指张开过程中采用差动连接，此时无杆腔工作面积为有杆腔工作面积的两倍，即活塞杆直径d与缸筒直径的关系为d0.707D。液压缸工作过程中必须具有一定背压，参考参考文献中表93取p20.2Mpa。 由夹紧时所需推力计算液压缸直径 (21)即解得D68.547mm，则d0.70768.54748.462mm。根据以上所计算的液压缸的内径参数查参考文献3中表3.50选取液压缸内径为：D90mm；查参考文献3中表3.51选活塞杆直径为:d50mm。因采用差动连接，手指张合速度相等，预设手指张合所需时间为5s且为匀速，则：手臂下降所需流量手臂上升所需流量（2）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。按拉、压强度计算如下： (22)设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径d=50mm,L=500mm,代入数据进行校核： (23)由此可见活塞杆的强度足够。 （3）手臂Z方向升降运动液压缸的选用由以上计算结果查参考文献3选用HSGK90dE型液压缸。6 机身的设计6.1 机身的概述机身是机械手的主体，它是支承手部、腕部（本设计中没有腕部）和臂部的部分，并实现升降和回转或俯仰和回转的部件（本设计即为机架）。6.2 机身设计时应注意的问题（1）要有足够的刚度和稳定度。（2）有运动部件的情况下，需保证动作灵活，升降立柱的导套长度不宜过短，否则可能产生卡死现象；一般要有导向装置。（3）结构布置要合理，便于装配修理。 本设计因无对所夹持工作的水平位移要求，故不作设计，只简略选用一个支座底架并用螺栓连接固定即可。7 液压元件及动力机的设计选择7.1 液压泵的选择（1）系统压力计算 式中液压缸或液压马达的最大工作压力 液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失 压力继电器调整压力高出系统最大压力之值，取的标准计算要待元件选定，并绘出管路时才能进行，初算时可以按经验数据选取，管路简单的可选，管路复杂的，进油口有调速阀的，取。（2）系统流量计算 (24)式中系统泄露系数，取K1.1 同时动作的液压缸或液压马达的最大流量。对于在工作过程中用节流调速阀的系统还必须加上溢流阀的最小流量，一般取。机械手在工作过程中，各液压缸动作均为分步进行，由之前计算知手臂下降时所需流时最大，此即为系所需最大流量查机械设计手册，选取HY0135 25型齿轮泵，其基本参如下：压力：P2.5Mpa；流量：；转速：；驱动功率：W1.65kw。7.2动力机选择 因该机械手在室内使用，固选用电动机较为方便且电机结构简单，价格便宜。结合上述计算结果，查参考文献4中表121选取Y100L14型三相异步电机，其参数为：额定功率：2.2kw 转速：1430r/min 质量：34kg7.3 油管的设计各元件间管道的规格由元件接口处尺寸决定，液压缸进出油管则按输入、排出的最大流量计算。油管的内径按公式计算。根据表3数值当油液在油管中流速取，算得液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为：夹紧缸： 查机械设计手册表2082选用油管公称通径为，外径为的无缝钢管。回转缸： 查机械设计手册表2082选用油管公称通径为，外径为的无缝钢管。升降缸： 查机械设计手册表2082选用油管公称通径为，外径为的无缝钢管。7.4 油箱的设计油箱的功用主要是储存油液，此外还起着散发油液中热量（在周围环境温度较低的情况下则是保持油液中热量）、释放处混在油液中的气体、沉淀在油液中污染物等作用。油箱的有效面积（油面高度80%时的容积）应根据液压系统发热、散热平衡的原则来计算，这项计算在系统负载较大、长期连续工作时时必不可少的。但对于一般情况而言，油箱的有效容积可按液压泵的额定流量估计出来。可按下式计算： (25)式中油箱的有效容积 与系统有关的经验数字；低压系统，中压系统，高压系统。此液压系统为低压系统，取，又已知，则：根据国际标准JB-T7938-1995选用200L的油箱。7.5 液压元件的选择阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过阀的流量，选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵最大流量选取，选择调速阀时，必须保证最小稳定流量能满足执行机构最低稳定速度的要求。控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有以内的短时间过流量。选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量来确定，本系统工作压力较小，流量也较小，所以选择低压低流量的阀。本液压系统中，三个液压缸选取三个三位四通电磁换向阀，使得机械手能顺利完成所规定的动作，换向阀的开启与关闭通过电气开关或压力继电器来控制，运动速度由调速阀通过调节进油路的流量来控制。部分油路采用单向阀来保持压力，用溢流阀来保护液压缸。通过上面的计算和校核，初步决定使用以下液压元件，在经济性和安全性方面都能满足要求。选择的液压元件型号及规格如下表7.1：表二 液压元件型号及规格Table2 The type and spec