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机械毕业设计 论文
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LW01-074@机械手自动送料,机械毕业设计 论文
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1 总体方案设计 根据课题设计任务书的要求，确定总体方案： 1. 抓重： 10kg 2. 坐标形式：圆柱坐标 3. 自由度： 3 4. 手臂运动参数： 运动名称 符号 行程范围 速度 伸缩 X 300mm 小于 200mm/s 升降 Z 200mm 小于 100mm/s 回转 180 小于 90（） /s 手指夹持范围：棒料，半径 40mm 60mm。 定为方式：机械挡块（行程开关）。 驱动方式：液压驱动。 控制方式： PLC（可编程序控制） 定位精度： 2mm。 机械手的工作原理图如图 1-1 所示 手部 1采用夹钳式，具体为单支点回转型 夹紧机构。动力采用单作用液压缸 2驱动夹紧，反向则由弹簧复位而松开手指。 手臂的伸缩采用双作用液压缸驱动，伸缩过程采用双导管导向，在导向的同时，亦起到了一定的支撑作用，大大减少活塞杆的受力。夹紧缸的压力油经其中一导管进入缸内，此结构能使油管布置更加紧凑。 手臂的回转采用摆动液压缸驱动，此摆动缸设计成输出轴固定不动，而使缸体转动从而带动 整个手臂回转运动。 双作用液压缸 5驱动手臂做升降运动 图 1-1 机械手工作原理图 nts 2 手部设计 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、表面处理等的不同，则机械手的手部机构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的 （ 林建龙，王小北， 2003） 。常用的手部，按其握持工件的原理， 大致可分成夹持式和吸附式两大类。本设计采用常用的夹钳式手部结构，它是最常见的夹持式结构。 夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘和套类零件 （殷际英，何广平， 2003） 。一般情况下多采用两个手指，少数采用三指或多指。本设计中的工件是棒料，所以选择较简单的两指结构。 夹钳式 手部设计的基本要求： 1、应具有适当的夹紧力和驱动力 手指握力（夹紧力）大小要合适，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件总量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，亦保证工件夹持安全可靠 （杨永清等， 2008） 。对于手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传动力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。 2、手指应具有一定的开闭范围 手指应具有足够的开闭角度或开闭距离， 以便于抓取或退出工件。 3、应保证工件在手指内的夹持精度 应保证每个被夹持的工件，在手指内都有准确地相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。 4、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。 5、应考虑通用性和特殊要求 一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的适用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要 ，通常采取手指可调整的办法，如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。 (李允文， 1994) 2.1 确定手部结构 根据设计要求设计出的手部结构如图 2-1 所示： nts 3 图 2-1 手部结 构图 图中NF为手指对工件的夹紧力， F 为夹紧缸活塞杆的推力。 2.2 手部受力分析 经分析，手部受力图如图 2-2所示 图 2-2 机械手手部受力分析图 由图可知，手部结构对称，则 12FF由 0yF 得 1F cos2 F 且 1F 1F nts 4 由 0)(1 FM o得 1Fh= NFb 且 NFNF由几何关系有 hcosc由上述等式可得： FN Fbc 2)cos1(2 即 F= 22 cosNb Fc 式中 b 手指回转中心到夹紧力作用点之间的距离 ； C 手指回转中心到滑槽支点之间的距离 ； 工件被夹紧时手指滑槽方向与回转中心在水平方向的夹角 。 2.3 手部夹紧力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、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 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。 手指对工件的夹紧力可按下式计算 （李允文， 1994） ： 1 2 3NF K K K G 1.5 1.02 4 98=593N 取 FN =600N 式中： K1 安全系数，取 K1 1.5； K2 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。 取 K2 1.02； K3 方位系数，根据工件形状以及手指与工件位置不同进行选定 ， K3 4 G 被抓工件所受重力（ N）， G mg 10 9.8 98N。 则： 222 c o s c o s 3 0 6 0 0 2 2 5 0NbFFc 理 论 2 1 0 0 40N 2647FF 理 论实 际 2250 0.85N 式中 手指传 力效率， 取 0.85。 2.4 手抓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，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且还与手指的夹持误差大小有关。在机械加工中，通常情况要求手抓的夹持误差不超过 1mm 就可以了。 根据设计要求知棒料半径为40mm 60mm。 则： 工件平均半径： m i n m a x 4 0 6 0 5022cp RRR mm 取 手指 LAB为工件平均半径的 2 倍： LAB 2 50 100mm 取 V型钳的夹角 2 120 偏转角按最佳偏转角确定： nts 5 11 50c o s c o s 5 4 4 4s i n 1 0 0 s i n 6 0cp ooABRL =计算0 s i n c o s 0 s i n 6 0 c o s 5 4 4 4 5 0ABRL Mmm m a x 0 m inR R R则定位误差为1和2中的较大者。 22 m a x m a x1 ( ) 2 c o s s i n 8 2 . 4 6 2 8 1 . 6 4 4 0 . 8 1 8s i n s i nA B A B A BRRL L L m m 22 m i n m i n( ) 2 c o s s i n 8 2 . 4 6 5 8 1 . 6 4 4 0 . 8 2 1s i n s i nA B A B A BRRL L L m m 2 2 0.821mm1mm 夹持误差满足设计要求。 2.5 手部 夹紧缸的设计计算 2.5.1 夹紧缸主要尺寸的计算 由前知，夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸， 假设夹紧工件时的行程为 25mm，时间为0.5s，则所需夹紧力为： 2647F F P P 弹 弹实 际 式中： F 活塞杆实际输出力； P 弹 弹簧压缩时的作用力。 其中 ： 43) 4 6 28 ZGdP L S NDZ弹 （式中 ： G 弹簧材料的剪切模量，对于 钢材， 528 . 1 1 0 ( / )G k g c m ； D 弹簧的钢丝直径（ 3mm） ； DZ 弹簧中径 （ 30mm） ； Z 弹簧的有效圈数（ 18 圈） ； L 及 S 活塞的行程及弹簧的与预缩量， L=25mm, S=20mm。 F=2647+462=3109N5000N 查表 工作压力取 1aMP，考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑，取工作压力为2aMP。 由公式 24F D P 得： nts 6 64 4 3 1 0 9 4 5 . 73 . 1 4 2 1 0 0 . 9 5FD m mP 式中 : D 液压缸内径； P 液压缸工作压力； 液压缸工作效率， 0.95。 由 JB826 66 标准系列将缸内径圆整为 D 50mm，同理查得活塞杆直径 d 32m， 2.5.2 缸体结构 及验算 缸体采用 45 号 钢 无缝钢管， 由 JB1068 67 查得可取缸筒外径为 60m，则壁厚 5mm。 （ 1） 液压缸 额定工作压力 ()NP MPa应低于一定极限值，以保证工作安全（李壮云， 2008）。 22 6 2 21221() 0 . 3 5 3 4 0 1 0 ( 0 . 0 6 0 . 0 5 )0 . 3 5 3 6 . 3 60 . 0 6sNDDP M P aD 式中： D 缸筒内径（ m）； D1 缸筒外径（ m） ； s 缸筒材料的屈服点，（ 45 号钢为 340MPa ）。 已知工作压力 PN 2MPa 36.36MPa ，故安全。 （ 2） 为避免缸筒在工作时发生塑形变形，液压缸的额定压力 PN值应与塑性变形压力有一定的比例范围。 PN（ 0.35 0.42） PPl 式中： PPl缸筒发生完全塑性变形时的压力（ MPa ） ， 12 .3 lgpl s DP D。 计算可得： 61.92plP aMP0 . 3 5 6 1 . 9 2 2 1 . 6 7NaP M P 已知实际工作压力 PN 2MPa 21.67MPa ,故安全。 （ 3） 缸筒爆裂压力 ()EaP MP应远远大于耐压试验压力 PT。 12 .3 lgEbDP D 查表知 45号钢 600baMP ，则： 62 . 3 6 0 0 1 0 l g 1 . 2 1 0 9 . 2 7EaP M P TP取 1.5NP 3MPa ，可知EP远远大于耐压实验压力TP。 2.5.3 缸筒 两 端部 的计算 （ 1）缸筒底部厚度的计算 此夹紧缸采用了平行缸底，且底部设有油孔，则底部厚度为 （李壮 云， 2008） ： nts 7 m a x 60 4 0 . 0 50 . 4 3 3 0 . 4 3 3 0 . 0 5 6 . 8( ) 1 2 0 1 0 0 . 0 3 8pDh D m mDd 考虑结构要求，取 h 10mm 式中： D 缸筒内径 ； Pmax 液压缸最大工作压力，取 Pmax 2PN 4MPa 。 缸底材料的许用应力（ MPa ），材料为 45 号钢，b 600MPa 。则 600 1205bn MPa ， n 为安全系数，取 n 5。 （ 2）缸筒底部联接强度计算 缸筒底部采用外卡环联接，材料为 35 号钢，联接图如下： 图 2-3 外卡环联接图 卡环尺寸一般取： 5h l m m ; 12 2 . 52hh h m m 外卡环 ab 侧面上的挤压应力c（ MPa ）为 : 2 62m a x 114 1 0 ( 0 . 0 6 ) 2 5 . 0 4 3 1 0( 2 ) 0 . 0 5 ( 2 0 . 0 6 0 . 0 5 )cpD M P a M P ah D h 缸筒危险截面 AA 上的拉应力 （ MPa ）为 : 2 62m a x 12 2 2 214 1 0 ( 0 . 0 6 ) 2 7 . 4 3 5 2 0( ) ( 0 . 0 6 0 . 0 5 ) ( 0 . 0 5 )pD M P a M P aD h D 故知缸筒底部联接安全。 （ 3）缸 筒端部联接强度计算 缸筒端部与手指是用螺钉联接，联接图如下： nts 8 图 2-4 螺钉联接图 螺纹处的拉应力： 662213 4 7 01 0 1 0 2 6 . 2 6( 0 . 0 0 4 1 3 4 ) 444KF M P adZ 螺纹处的剪应力 ： 6610 3310 . 1 2 3 4 7 0 0 . 0 0 51 0 1 0 1 5 . 3 80 . 2 0 . 2 ( 0 . 0 0 4 1 3 4 ) 4K K F d M P adZ 则合成应力： 223 3 7 . 4 1 2 0n M P a M P a 则知螺纹连接处安全可靠。 式中： K 拧紧螺纹的系数，取 K 3； K1 螺纹连接处的摩擦系数 K1 0.12； d0 螺纹外径（ m）， d0 0.005m； d1 螺纹底径（ m）， d1 0.004134m； Z 螺钉数量 Z 4。 2.5.4 缸筒加工工艺要求 (1）缸筒内径采用 H8 配合。表面粗糙度：活塞采用橡胶密封圈密封，aR取0.1 0.4 m ， 需研磨加工处理。 （ 2）缸筒内径 D 的圆度公差值可按 9、 10 或 11级精度选取，圆柱度公差值可按 8级精度选取 (下为缸筒机加工图 ) nts 9 图 2-5 缸筒机加工图 （ 3）缸筒端面 T 的垂直度公差值按 7级精度选取 （ 4）为了防止腐蚀和提高寿命，缸筒内表面应镀以厚度为 30 40 m 的铬层，镀后进行抛光 （李柱， 2004） 。 2.5.5 活塞与活塞杆 的设计计算 （ 1）活塞设计 活塞的外径与缸筒内径一致为 D=50mm， 活塞宽度 B一般为活塞外径的 0.6 1.0倍 ， 这里取为 0.8倍，则 B 0.8 50 40mm。因是单作用弹簧缸，活塞与活塞杆采用较简单的螺纹连接。活塞与缸筒内壁采用 O型密封圈密 封 （ 王懋瑶 ， 2004） 。活塞结构如下： 图 2-6 活塞结构图 对于无导向环活塞的材料，一般选用高强度铸铁 HT200或球墨铸铁 (陈大先， 2004)，这里我们选用 HT200。 加工上，活塞外径 D 对孔轴线的径向圆跳动公差值，可按 7、 8 级精度加工，同时其圆柱度公差值，按 9、 10级选取；端面 T对 轴线的垂直度公差值按 8 级精度加工； 外表面粗糙度控制在 0 .4 0 .8mm之间。 （ 2）活塞杆设计 由前知活塞杆的直径 d 32mm，活塞一端用螺纹与活塞相连接，另一端也采用外螺纹与手指连接 （如图） nts 10 图 2-7 活塞杆外端部结构图 活塞杆直径 d 32mm，故取 3 0 2K K P M ， A 40mm （螺纹长短型） 活塞杆结构（如图）采用实心杆 图 2-8 活塞杆结构图 杆体材料采用 35号钢，加工后 调质到硬度为 229 285HBS，必要时，再经高频淬火，硬度达 45 55HRC。 活塞杆直径 d的圆柱度公差值，应按 8级精度加工，其圆度 公差值，应按 9、 10级精度加工；端面 T的垂直度公差值应加工成 7级精度；外圆表面粗糙度应处于 0.4 0.8 m 之间 （郑修本， 1999） 。 验算活塞杆的强度 取活塞杆的计算长度为 150mm，活塞杆已知 32mm 则 150 1032ld ， 属于短行程活塞杆，主要验算抗拉强度。 64 6 6 3 . 5 32 2 7 . 53 1 0 1 0ssFnd m m 已知 d 32mm，故安全。 式中： F 液压缸最大推力， F取 1.5 3109 4663.5； D 活塞杆直径， ns 安全系数，一般取 ns 3； s 活塞杆材料屈服 极限（ MPa ），查资料知 35 号钢为 310 MPa nts 11 臂部设计 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。 臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内的任意一点。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、左右回转和升降（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，它在工作中既承受 手部和工件的静、动载荷，而且自身运动有较多，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直接影响机械手的工作性能。 （李允文， 1994） 3.1 臂部设计基本要求 臂部设计首先要实现所旭要求的运动，为此， 要满足下列几项要求： （ 1） 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻； （ 2） 臂部运动速度要高，惯性要小； （ 3） 手臂动作应灵活； （ 4） 位置精度要高。 除此之外，要求机械手的通用性好，能适应多种作业的要求；工艺性好，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。 3.2 臂部结构的确定 （ 1）由前知， 手臂的伸缩采用双导向杆状作用液压缸手臂结构 ， 导向管在导向套内移动， 且导向管内设有通向夹紧缸的油管。 活塞杆只受拉压作用，受力简单，传动平衡，外形整齐美观，结构紧凑。 （ 2） 手臂的水平回转采用液压摆动缸驱动。 （ 3） .手臂的升降采用双作用液压缸 驱动。 3.3 臂部设计计算 3.3.1 水平伸缩缸的设计计算 （ 1）驱动力计算 根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回油背压及惯性等几方面的阻力，来确定液压缸所需的驱动力。 理论驱动力： F F F F F 理 回摩 密 惯估算参与手臂运动部件总重量 2 5 9 . 8 2 4 5GN ，且重心位置距导向套前端面距离为 200mm。 F摩 的计算： 由于导向杆对称布置，导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算 。 由 0AM 知 bGL aFnts 12 则： 2 4 5 2 0 0 81660b GLFNa 又 0Y 则 8 1 6 2 4 5 5 7 1abF F G N ab 0 . 1 5 1 3 8 7 2 0 8baF F F F F N 摩 摩 摩 式中： L 重心距导向套前端距离（ 200mm）； a 导向套长度（ 60mm）； 当量摩擦系数，取 0.15。 F 摩 的计算： 当液压缸的工作压力小于 10MPa 。活 塞杆直径为液压缸直径的一半， 则活塞和活塞杆都采用 O 型密封圈，此时液压缸的密封阻力为： 0 . 0 3F F F F 驱密 杆 活 塞 F 回 的计算：一般背压阻力较小 ， F 回 取 0.05F 驱 F 惯 的计算 ： 2 4 5 0 . 1 5 1889 . 8 0 . 0 2GvFNgt惯 式中； v 由静止加速到常速的变化量（ m/s） ； t 起动过程时间（ s），一 般取 0.01 0.5s，这里取 t 0.2s。 则： 2 0 8 0 . 0 5 0 . 0 3 1 8 8F F F 理 理 理得出 F 理 408N 实际驱动力 24 0 8 1 0 2 00 . 8kF F N 理实 ； 式中： k 安全系数 k 2； 传力机构机械效率 0.8。 （ 2） 结构尺寸的确定 缸内径计算： 取工作压力 P 2MPa ，则： 64 4 1 0 2 0 263 . 1 4 2 1 0 0 . 9 5FD m mp ，圆整为 D 32mm。 根据强度要求，计算活塞杆直径 d： 64 4 1 0 2 0 3 . 63 . 1 4 1 0 0 1 0Fd m m ， 材料许用应力，碳钢取 100MPa 。 考虑结构要求，取 11 3 2 1 622d D m m 壁厚计算： 此 缸工作压力为 2MPa ，属低压，则缸筒壁厚采用薄壁计算公式 （成大先， 2004） ： nts 13 m a x 4 3 2 0 . 6 42 2 1 0 0pD mm ，取 4mm。 联接螺钉强度计算： 取螺钉数目 Z 4，工作载荷： 1020 2554Q FFNZ 预紧力 1 . 3 1 . 8 2 5 5 5 9 6 . 7QjF 。 则 1 64 4 5 9 6 . 7 2 . 23 . 1 4 1 6 0 1 0QjFd m m ，查手册取螺纹直径 d1 6mm，螺距 p0.75，材料为 35 号钢的内六角螺钉。 3.3.2 升降缸的设计计算 （ 1）驱动力计算 经分析易知，升降缸在上升阶段所需驱动力为最大，则以此为设计依据，此时相比伸缩缸，其驱动力还应加上手部上面各运动部件以及工件的重力。 理论驱动力； F F F F F G 理 回 总摩 密 惯， 估算 G 总 450N F 摩 的计算： 0.16FF理摩 ； F 密 的计算：同理 0 . 0 3F F F F驱密 杆 活 塞 ； F 回 的计算：回油背压小，取 F 回 0.05F 驱 ； F 惯 的计算： 4 5 0 0 . 1 2309 . 8 0 . 0 2GvFNgt 总惯 。 则： 0 . 1 6 0 . 0 5 0 . 0 3 2 3 0 4 5 0F F F F 理 理 理 理得出 F 理 810N 实际驱动力 28 1 0 2 0 2 50 . 8kF F N 理实 （ 2）结构尺寸的确定 缸内径计算： 取工作压力 P 2MPa ，则： 64 4 2 0 2 5 373 . 1 4 2 1 0 0 . 9 5FD m mp ，圆整到 D 40mm 根据强 度要求，计算活塞杆直径 d： 64 4 2 0 2 5 5 . 13 . 1 4 1 0 0 1 0Fd m m ， 同理 取 11 4 0 2 022d D m m 。 结构上，活塞杆内部装有花键及花键套，能实现导向作用，同时 可使 活塞 杆在升降运动中传动平稳，且获得较大刚度。 nts 14 壁厚同伸缩缸一样，取 4mm。 联接螺钉强度计算： 取螺钉数目 Z 4，工作载荷 2025 5064Q FFNZ 预紧力 1 . 3 1 . 8 5 0 6 1 1 8 4QjFN 。 则 1 64 4 1 1 8 4 3 . 73 . 1 4 1 6 0 1 0QjFd m m ，查手册取螺纹直径 d1 6mm， 螺距 p0.75，材料为 35 号钢的内六角螺钉。 3.3.3 手臂回转液压缸的设计计算 （ 1）驱动力矩的计算 驱动手臂水平回转所需要的驱动力矩 M 驱 应该与手臂启动时所产生的惯性力矩 M 惯及各密封装置处的摩擦力矩 M 封 相平衡，若轴承处的摩擦力忽略不计：则M M M驱 惯 封，在设计计算时，为简化计算，可不计 M 封 。直接计入回转缸效率中，则 MM惯驱 ， 取 0.9。 wM t0惯 J式中 ： w 角速度变化量（ rad/s），在起动过程中 w w ； t 起动过程时间， 0.05 0.5s，取 t 0.1s； J0 手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量 （ 2N m s ）。 经分析知，当手臂完全伸出时，此时0J达到最大值，估算此时回转零件的重心到 转轴线的距离为 150mm，则： 20 cJ J m 10.68 2N m s 式中： Jc 回转零件对重心轴线的转动惯量 ； m 回转零件的总质量。 则 1 0 . 6 8 7 0 3 . 1 41451 8 0 0 . 9 0 . 1M N m 驱（ 2）回转缸参数的计算 摆动缸驱动力 22() 1458p b D dM N m 驱 式中： D 回转缸内径（ m）； d 转轴直径（ m）； P 回转缸工作压力，取 p 2MPa 。 B 动片宽度 （ m）。 nts 15 为了减少动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度（即液压缸宽度）时，可选用 2 2bDd ， 这里取 2 3bDd ，且 D=2d。 经计算得： d 47mm，取 d 50mm，则 D 100mm， b 75mm。 （ 3）缸盖联接螺栓 和动片联接螺钉强度计算 缸盖联接螺栓计算： 取螺栓数目 Z 8 工作载荷 2 2 6( 0 . 1 0 . 0 5 ) 3 . 1 4 2 1 0 147232Q FFNZ 计算载荷 1 . 3 2 . 6 1 4 7 2 4 9 7 5Qj 螺栓内径应满足 ： 1 64 4 4 9 7 5 6 . 33 . 1 4 1 6 0 1 0QjFd m m 。 查手册取 d1 10mm，公称长度 L 100mm 的六角头螺栓。 动片联接螺钉的计算： 螺钉数一般取双数，对称安装，并用两个销钉定位。取 Z=6，则： 2 2 6 2 2( ) 0 . 0 7 5 2 1 0 ( 0 . 1 0 . 0 5 ) 75004 4 6 0 . 1 5 0 . 0 5Qb p D dFNZ f d 式中： FQ 每 个螺钉的预紧力； f 被联接件配合面件的摩擦系数，钢对钢取 f 0.15。 螺钉内径 1 64 4 7 5 0 0 7 . 73 . 1 4 1 6 0 1 0QjFd m m ，查手册取 d1 10mm，螺距 p1.5mm 的内六角螺钉 。 （ 4）轴承的选择 轴承主要承受向心力，且转速较低，故选用深沟球轴承，型号为： 6005 d D B： 25 47 12 （注：除夹紧缸外的 另外三个 缸的 其它参数计算和校核，可参考夹紧缸部分。） nts 16 液压系 统设计 4.1 系统参数的计算 4.1.1 确定系统工作压力 由前计算知，各缸的设计工作压力均为 2MPa ， 则系统工作压力还应加上回路上油管及各管接头的压力损失，sp p p 。因此液压系统较为简单，估算 p 0.5MPa 。则 Ps=2+0.5=2.5MPa 。 4.1.2 各 个液压 缸流量的计算 液压系统所需流量为各液压缸的最大流量 （张利平， 2005） 。当各缸为无杆腔进油时，此时即为各缸的最大流量，因此，在此只计算无杆腔的流量 。 （ 1）夹紧缸流量 计算 假设夹紧缸在夹紧过程中的行程为 l 25mm，所需时间 t 0.5s，则平均速度为 : 25 5/0 . 5lv c m st 已知 缸内径 D=50mm 5cm，则所需流量： 223 . 1 4 5 5 6 0 5 . 8 9 / m i n4 4 1 0 0 0DQ v l （ 2） 手臂伸缩缸流量计算 由前知，伸缩缸 行程为 l 300mm， 假设运动时间 t 2s，则平均速度为 ： 300 1 5 /2lv c m st 已知缸内径 D 32mm 3.2cm，则所需流量： 223 . 1 4 3 . 2 1 5 6 0 7 . 2 3 / m i n4 4 1 0 0 0DQ v l （ 3） 手臂升降缸流量计算 由前知， 升降缸行程 l 200mm，假设运动时间为 t 2s，则平均速度为： 200 1 0 /2lv c m st 已知缸内径 D 40mm 4cm，则所需流量： 223 . 1 4 4 1 0 6 0 7 . 5 4 / m i n4 4 1 0 0 0DQ v l （ 4） 手臂回转缸流量的计算 假设回转角度为 180 ，时间为 2.5s，又已知 D 100mm， d 50mm， b 75mm。 则所需流 量： 2 2 2 2( ) / 2 . 5 0 . 0 7 5 ( 0 . 1 0 . 0 5 ) 2 1 . 1 8 / m i n22w b D dQl 由 以上计算可知，各缸的最大流量为maxQ 21.18 /minl ，则系统流量应以此为设计nts 17 依据 ，此时液压泵的流量为： m a x 1 . 1 2 1 . 1 8 2 3 . 2 8 / m i nQ K Q l泵 式中： K 泄漏系数，一般取 K 1.1 1.3，这里取 K 1.1。 4.2 设计液压系统图 （ 1） 换向回路 夹紧缸换向选用二 位三通电磁换向阀，其它缸全部选用 O 型三位四通电磁换向阀。选电磁阀易于实现机械手的自动控制，选中位为 O型可使定位准确，如图 4-1。 图 4-1 换向回路 （ 2） 调速回路 本系统较为简单，故选用简单的进油路节流阀调速。同 时选用单泵供油，力求获得较好的经济性，如图 4-2。 图 4-2 调速回路 （ 3） 系统的安全可靠性 为防止夹紧缸压力受系统压力波动的影响 ，导致夹紧力过大而损坏工件，或因压力过低无法夹紧工件，则需在油路上加减压阀保证夹紧缸的压力恒定不变。同时 ，为防止手臂升降缸在工作中因自重而下滑，可采用单向顺序阀来平衡（杨春杰， 2004）， 如图 4-3。 nts 18 图 4-3 升降缸防滑保护回路 （ 4） 合成并完善液压系统图 将上述各回路进行组合并加上卸荷 及测压油路完善 整个液压系统图，如图 4-4。 图 4-4 机械手液压系统图 4.3 选择液压元件 4.3.1 泵和电机的选择 由前计算知， 2.5sp MPa， 2 3 .2 8 / m i nQl泵。根据液压传动手册选 ： nts 19 CB-B20， n 1450r/min， 2 9 / m invql额， 2 .5p MPa额电动机的选用 ：取泵的总效率 0.65，则 632 . 5 1 0 2 9 1 0 1 . 8 66 0 0 . 6 5pqN k W 额 额电选电动机： YZC100L1-4， N 2.2kW， n 1430r/min。 4.3.2 选择液压控制阀和辅助元件 根据控制阀的额定压力和额定流量大于系统最高压力和流量的原则，选择控制阀及辅助元件 （ 黎启柏 ， 1999）， 如表 4-1 所示： 表 4-1 液压元件表 序号 元件名称 型 号 规 格 数 量 1 线隙式滤油器 XU-25 200 25L/min 1 3 溢流阀 P-B25B 2.5MPa 10mm 1 4 电磁换向阀 22D-25B 2.5MPa 10mm 1 5,15， 25 单向阀 L-25B 6.3MPa 10mm 2 6 压力表 Y 60 0 4MPa 1 7， 8， 9 电磁换向阀 34D 10B 6.3MPa 10mm 3 10 电磁换向阀 23D 10B 6.3MPa 10mm 1 11， 12， 13，14 节流阀 L 10B 6.3MPa 10mm 4 16 单向顺序阀 XL B25B 2.5MPa 10mm 1 21， 22 压力继电器 DP1 63B 1.0 6.3MPa 2 23 减压阀 J 10B 6.3MPa 1 24 压力表开关 E-6B 6.3MPa 1 4.4 根据动作要求编制电磁铁动作顺序表 （ 1） 机械手动作要求： 图 4-5 机械手动作顺序图 （ 2）绘制电磁铁动作顺序表： 表 4-2 电磁铁动作顺序表 动作循环 电 磁 铁 回转工位 1 升降工位 1 伸缩工位 1 夹紧工件 伸缩工位 2 升降工位 2 放松工件 回转工位 2 nts 20 1 2 3 4 5 6 7 8 手臂伸缩 手臂伸出 + 手臂缩回 + 手臂升降 手臂上升 + 手臂下降 + 手臂回转 正转 + 反转 + 手指夹紧 夹紧 + 松开 原位卸荷 + nts 21 控制系统设计 本机械手采用 PLC(可编程序控制器 )进行控制，通过控制各电磁换向阀，从而控制油液方向，实现机械手的顺序动作。 使用 PLC进行控制 ，可轻易的更改用户程序以适应机械手工艺流程变更的要求 （张雅琴， 2006） 。 5.1 确定输入、输出点数，画出接口端子分配图 经分析知，该机械手控制系统需 12 个输入端口， 9 个输出端口。选用三菱 F1-40M型主 机 ，该微机有 24个输入端口， 16个输出端口。接口分配图如下： 输入
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