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三维PROE 8张CAD高清图纸 说明书 YC系列 上下料机械手结构设计及运动学分析-含动画仿真【三维PROE】【8张CAD高清图纸 说明书】【YC系列】 上下 机械手 结构设计 运动学 分析 动画 仿真

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内容简介：

上下料机械手结构设计及运动学分析摘 要机械手又称一些手部动作的自动功能可以模仿的手和手臂，为了掌握按固定程序，自动执行装置的处理或操作的工具。本文设计的设计和结构分析的机械手运动学。首先，研究现状进行全方位的手机，在此基础上提出了操作程序；然后，计算各构件尺寸结构的主要组成部分；然后，液压系统的设计；最后，通过对AutoCAD软件绘制机械装配图、主要零件图。通过这次设计，建设大学的专业知识，例如：、机械设计、材料力学、宽容和互换性和机械制图，掌握产品设计方法和经验的起重机使用AutoCAD软件，对今后的工作生活是非常重要的。关键字：上下料，机械手，液压缸，运动学AbstractManipulator is also known as the automatic hand to imitate the human hand and arm of some action functions, with a fixed program to grab, handling objects or operating tools for automatic operation of the device.In this paper, the structure design and kinematics analysis of the upper and lower materials are described. First, through the full range of research status of mechanical hand, based on the proposed scheme of mechanical hands; then, design and calculation of the size of the structure of the major components; then, the hydraulic system design. Finally, through the AutoCAD software to draw the upper and lower material manipulator assembly drawing and the main parts of the map.Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of hoisting machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance.Key words: Up and down material, Manipulator, Hydraulic cylinder, Kinematics目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1背景及意义11.2机械手概述21.2.1机械手的组成21.2.2机械手的分类21.3 国内外发展状况2第2章 总体方案设计42.1 设计要求42.1.1 动作要求42.1.2参数要求42.2方案拟定42.2.1初步分析42.2.2 拟定方案4第3章 机械手手部设计63.1手部分析63.2夹紧力及驱动力的计算73.3 夹紧油缸的设计83.4手抓的设计8第4章 机械手臂部设计114.1臂部整体设计114.2手臂伸缩驱动力计算124.2.1 手臂摩擦力的分析与计算124.2.2手臂密封处的摩擦阻力的计算134.2.3手臂惯性力的计算134.3手臂伸缩油缸的设计144.3.1确定液压缸的结构尺寸144.3.2液压缸外径的设计154.3.3活塞杆的计算校核154.3.4 油缸端盖的设计16第5章 机械手机身设计185.1 机身的整体设计185.2回转机构的设计185.2.1回转缸驱动力矩的计算185.2.2 回转缸尺寸参数的确定195.3机身升降机构的设计215.3.1手臂片重力矩的计算215.3.2升降导向立柱不自锁条件225.3.3升降油缸驱动力的计算225.3.4升降缸尺寸参数的确定23第6章 机械手液压及控制系统设计256.1机械手运动学分析256.1.1手部夹紧机构256.1.2 臂部回转机构256.1.3 臂部伸缩机构266.1.4臂部升降机构276.2液压系统方案拟定286.2.1调速回路方案分析286.2.2 快进回路方案分析306.2.3夹紧回路的选择316.3液压元件的计算和选择326.3.1液压泵326.3.2确定油箱容量336.3.3液压元件的选择336.4液压系统性能验算336.4.1验算回路中的压力损失336.4.2液压系统发热温升计算35总 结37参考文献38致 谢3941第1章 绪论1.1背景及意义目前，由于成本问题和劳动力技能、牵引机、卸料都用手动，不仅效率低，精度低，工作强度，存在安全风险操作员生产机生产牵引，以避免安全事故操作者牵引机，增加保护措施，例如增加光电保护装置等；但这并不能从根本上防止安全，而设计的机械手的替代材料曼联EL操作变得非常重要。这个设计是必要的，根据应用本工程结构设计的机械手，运动学分析。机械手是近几十年发展起来的一种自动高科技生产。工业机械手在我国是80年代以来“七五”科技开始，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科学和技术，掌握了机械手操作机制造技术，控制系统硬件和软件设计技术，运动学和轨迹规划，机器人的部分关键元器件生产、开发、涂装、焊接电弧焊接、组装、运输等，机器人，其中130多个机器人绘画在20多个企业近30条自动喷涂生产线（站）的访问规则的弧焊机器人已经应用于模具、焊接线的汽车厂。但总的来说，应用机械手工业的发展和我国工程外，水平和一定的距离。一些机械工业世界的手，如果每年都在增加，但市场是一个发展的浪潮。在新世纪的曙光的人寻求更舒适的工作条件，工作环境的危险，需要机器人代替人工机器人应用的深化。工业机械手和渗透性，在汽车工业中的应用不断开辟新的机械手。也是第一液压控制，改变了人工智能，随着科学技术和电子技术的发展，它将PL美国更完美。节奏不断加快生产和人们的生活，人们对生产效率的不断提出新的要求。由于微电子技术和计算，快速发展和现代控制理论的软硬件技术的不断提高，使快速发展技术的液压机械手，机械手系统由于其介质源是简单，无环境污染，部件成本低、维护方便和安全系统等，已渗透到各个行业，在行业中发挥着重要的作用在保证液压机械手的发展。本文介绍了一种气动机械手，一个旋转轴螺旋机构、XY集团的一部分，旋转机械基础等。主要作用是完成运输机械部件，可以放置在不同的生产线或物流管道，使工件的运输，货物运输更快捷方便。随着工业自动化水平的提高，机械手的应用领域越来越广泛。部分运动的机械臂可以模拟，根据预定的计划，路径和其他要求，实现实施握和运输工具或操作机械手。体力劳动可以取代许多重复性，从而降低了工人的劳动强度，提高生产效率。1.2机械手概述机械手又称一些手部动作的自动功能可以模仿的手和手臂，为了掌握按固定程序，自动执行装置的处理或操作可以代替繁重的工作，以实现自动化生产机械，可在危险的环境下工作，安全保护一个人，可广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等发展的优势产业，机械化和自动化液压技术本身，液压机械手已被广泛应用于各行业的自动化生产。1.2.1机械手的组成机械手主要由手，一个机构系统和运动控制三部分。用手抓住一块（或工具）的部件，根据对象的手柄形状、大小、重量、形状和多个结构材料和劳动力的需求，例如，钳型、型和吸附载体等。运动机构，使旋转手（摆动），以实现各种移动或复合运动实现定义的运动，改变位置和姿势捕获的对象的维护。伸缩升降机构、运动、旋转运动独立的方式，称为机械手度的对象的位置和方向在空间任意掌握，需要六度自由度是关键的设计参数对机械手的自由度的机器人更灵活，通用性越来越大，更广泛的，其结构更为复杂。一般的机械手具有特殊的2到3个自由度。1.2.2机械手的分类类型的机械手驱动方式可分为液压式，液压式机械，电气，机械手；根据应用范围可分为机械手的通用机械手和两种；按轨迹运动控制可以分为一个控制点，连续轨迹跟踪控制机器人。机器人一般分为三类：第一类是通用机械手不需要操作是一个独立的装置非附属可以根据需要完成的任务调度操作的规定。这是力学性能与普通，而且一般机械能力，智能机械记忆的三个成分。第二类是手工做的机器前，被称为起源于原子，军事工业，先用机器操作完成具体的开发工作，然后使用无线电信号操作机的探针，以及锻造操作机中使用的，也属于这一三类是专用机械手，主要是固定在自动机床或自动线，供电问题的机床和工件的机械手。它在国外称为“机械手”，这是为主机服务的，通过控制主机，除了一些其他的工作计划通常是固定的，它是其他国家，目前主要是使通用机械手，第一类外，作为一个机器人。1.3 国内外发展状况机械手首先是从美国1958年美国研制了第一手的共同控制。其结构体上安装一个旋转臂顶部安装工件，电磁块夹持和释放机制控制系统的教学形式。1962年，美国社会的基础上共同控制方案和试验在数控机床中的阅读教学型机械手的名称（即德尔通用自动建模系统）。在炮塔和臂可伸缩，旋转，俯仰，用液压驱动；控制系统与鼓作为存储设备。很多球坐标机械手的总体发展是同年，社会融合和普鲁伯曼万能自动有限公司，专业生产工业机械手。1962年，美国机械制造有限公司的成功经验机械手的中心支柱。该机械手可以旋转，通过控制系统驱动液压提升教学，这两种类型的机器人出现在60年代初，但是发展的基础工业机器人在国外。美国斯坦福大学德尔，1978年，麻省理工大学合作开发工业机械手式德尔配备了微型计算机控制的装配操作，定位误差小于1mm。联邦德国机械制造业自1970年以来应用机械手，主要用于起重运输设备，焊接电源等操作。德意志联邦共和国也产生点焊机器人的控制结构和程序日本是工业机械手的最快速、大量的国家1969年，从美国引进两个机械手大力从事前苏联在20世纪60年代以来，应用和发展的机械手，在1977年年底，其中一半是国产、进口额的一半。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要取决于工人的控制；改进的方向主要是降低成本、提高二代机械手是加强配备了微型电子计算机控制系统，具有视觉和触觉的能力；虽然听的能力，。安装各种传感器，方向信息反馈，机器人具有感觉功能。第三代机械手指能够完成任务的过程中。电子装置及其你的电视和保持联系，并逐步发展的一个重要组成部分，FMC单元柔性和柔性制造系统。机械手一般应用大多数国家机械工业机械手，固定装置，其工作程序是fix.un通用机械手也开发，应用电流开关型位置控制，伺服生产单位的数量在调试控制轨迹的连续型，没有固定触点控制方式的控制程序的大多数，专用机械手的控制。第2章 总体方案设计2.1 设计要求2.1.1 动作要求机械设计要求手能够处理工件之间的多台机器和设备的加载和工件抓起，手臂抬起离开定位装置缩回，水平旋转90度，手把工件。2.1.2参数要求本次设计选定参数如下：（1）伸缩行程：800mm，伸缩速度，250mm/s；（2）升降行程：330mm，升降速度，60mm/s；（3）回转范围：210，回转速度，70/s；（4）参考抓取重量：15kg。2.2方案拟定2.2.1初步分析掌握体重15kg，根据分类，工业机械手的平均分，利用通用机械手，其特征是可变的和独立的程序控制系统，运动灵活，经营范围主要通用机械手，定位精度高，通用性强；生产少量适当的自动化连续生产加工圆柱坐标型比较的直角坐标机械手，机械手，占地面积小，活动面积大，结构相对简单，可近红外高精度的位置，因此得到了广泛的应用。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)整体结构通过本设计要求完成吊臂的伸缩、旋转和三个运动。你可以考虑下升降旋转筒或在两个体验决定采用千斤顶的形式。第3章 机械手手部设计3.1手部分析手在夹紧工件的原则，可分为控制部分和吸附是两大最常见的夹式，本设计主要是针对设计型夹手。这是通过手指夹式、机械部分和驱动装置，工件夹持在各种形式的适应性强的树，能抓住，盘，套类零件，在正常情况下，用两个手指。滑槽杠杆式手设计的基本要求：（1）是一个合适的夹紧力和驱动力。（2）指一定范围的开启和关闭。（3）应保证工件在手指内夹持精度。（4）的要求，结构紧凑，重量轻，效率高。（5）应考虑通用性和特殊的要求。本设计考虑设计简单，使用滑槽式反馈杆结构转型的手。下面的图表。控制杆可连接到液压缸，包括一个液压缸驱动的往复运动使手指夹紧或放松。考虑到第二夹紧装置的选择、双支点回转型，槽型反馈杆结构转型的手。下面的图表。控制杆可连接到液压缸，包括一个液压缸驱动的往复运动使手指夹紧或放松。下面的基本结构的力学分析。(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3.2夹紧力及驱动力的计算手指夹持力的工作，这是设计的手。他必须大小、方向和位置都calcules.de一般需要克服的部分电荷产生静载荷和惯性力的房间来生产运动状态的变化，以保持工件装夹可靠。 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 ；(1) =119=479N 取(2) =599N3.3 夹紧油缸的设计3.4手抓的设计精密机械零件设计要求准确定位，把握，精度高，重复定位精度和运动稳定性，并有足够的把握。机械手可以准确、夹紧工件，使工件在指定的位置，定位精度不仅取决于机械手的运动臂和手腕），而且夹机大小的，尤其是在多品种在小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，需要的机械夹具的误差分析。图3-3 手抓夹持误差分析示意图 1.4840.166所以=1.4843夹持误差满足设计要求。第4章 机械手臂部设计4.1臂部整体设计臂构件的主要成分是实现的作用是支撑部分，手腕和手（包括工作），使他们的空间旋转。运动的目的：臂部的手柄部分在空间任意一点。因此，臂部具有两个自由度，以满足基本要求，即手臂转动和手臂动作的升降由油缸驱动和传动机构，以实现各种分析，从应力状态在后面，这不仅是直接在腕部和手，房间静、动载运动本身，更重要的是，复杂的压力。因此使用范围，其结构、灵活性和把握，资本和定位精度直接影响机械性能。机身连接，传动部件和支撑臂，以实现运动部件的旋转臂，臂部，以实现所需的运动满足基本要求如下：1）机械臂支撑体机械臂体的承载能力，根据于其刚，采用悬臂梁结构的水平。显然，伸缩臂伸长度越大，刚度差别较大，其刚度与支撑臂的伸缩杆改变手的运动、力学性能、定位精度和承载能力，有很大的影响。（2）运动速度的臂部分必须是高，低惯性臂的运动速度的机器人是一个主要的参数反映了生产水平一般的机械手，根据生产需求的步伐，一般，旋转臂的快速运动的要求，（V，W是恒定的），但在发射臂和立即停止运动，是可变的，以减少冲击加速度，要求结束前启动时间和加速度不能太大，否则会造成的冲击和振动。高速运动的机械手，最大移动速度1000到1500毫米/ S在设计，旋转角度最大设计速度在一段180s，在大部分的移动距离的移动平均速度为1000毫米/秒，平均速度旋转90度角。（3）手臂动作应灵活为了减少摩擦阻力臂的运动，可以使用滑动摩擦代替滑动摩擦。机械手悬臂梁式，其驱动元件，导向元件和定位元件设置应合理，使手臂的运动平衡过程尽可能的减少起重力矩偏心支承轴上，特别是为了防止这种现象“封锁”（堵塞现象）。（4）位置精度要高一般来说，直角坐标和圆柱机器人位置精度较高；另外，要求机器人具有相同的更好，做的工作要求；技术、易加工、安装；机械热处理，还考虑隔离，冷却、手机加工区的大，但也有防尘装置的设置等。鉴于这种设计机械手夹持固定的最大重量的15公斤，重量轻，因此设计选择活塞杆伸缩机构，伸缩臂油缸活塞杆安装在活塞杆的导向套，减少应力活塞杆弯曲，拉伸共同作用的压力和弯曲载荷、应力简单、稳定、运输、外形美观、结构采用液压驱动，液压缸双作用液压缸的选择。4.2手臂伸缩驱动力计算首先进行估计的相同的结构，或类似的运动参数，根据初步确定主要尺寸有关机构，然后进行校核计算，设计变更。重复绘制最终的结构。这一水平直线运动的摩擦伸缩液压缸驱动力，根据液压缸运动几个方面克服阻力，惯性，以确定液压缸需要确定力驱动力的计算液压缸的活塞。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 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=0.14.3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所以 （无杆腔） （有杆腔）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=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=1.3=1.32095=2723.5N代入数据： =0.0045m第5章 机械手机身设计支撑体和直接驱动臂的运动旋转和升降臂，这些运动的传动机构都安在飞机的机身，机身的树干或直接连接的基础。因此，该运动臂部，机身约束机制更为复杂。机身可以固定，也可以工作，我们可以沿地面或高架轨道运动。5.1 机身的整体设计根据设计要求，机械臂的旋转运动，以达到210，实现旋转机械臂的运动一般设计在机身。为了设计一个合理的运动机理，考虑分析。机身带有旋转臂、升降运动的重要组成部分，是机械手使用。机身结构如下：（1）转筒安装在升降结构。这种结构可以承受更大的应力缺点是传输路径的长度变形的旋转运动的花键轴，一个大的旋转精度的影响。（2）旋转筒的上方设置有升降结构。该结构内部导向活塞杆，结构紧凑。但旋转圆筒部分和吊臂运动，总的顶部。（3）活塞缸和传动机构臂的旋转运动通过齿轮齿条传动机构的往复运动带动齿轮齿条连接臂的旋转和往复运动，使摆臂。鉴于这种设计，旋转筒上设有升降油缸结构。这种机身设计包括两个旋转和升降运动，机身。如图6所示，机身结构的旋转机构筒上端的臂部件和旋转气缸与气缸盖旋转移动件连接到气缸体，包括筒体旋转的臂。转筒的转动轴与升降气缸的活塞杆，活塞杆是设置在中空的，一个扳手套筒和花键轴与柱塞举升的花键轴，花键轴与下端盖键升降油缸固定，上盖和底座固定连接短地面固定。这也通过花键轴、花键轴固定在活塞杆上。这种结构的导杆内，结构紧凑。具体结构如下图所示。驱动机构的液压控制，转筒通过两个油孔，进油口、出油口，两侧的叶片旋转叶片的旋转角度通常由一个机械停止来决定，这是设计的角度考虑叶片间可满足设计要求的动态设计与定子可旋转210之间。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 =所以 =227.6+0+0.03=234.65.2.2 回转缸尺寸参数的确定 =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（3）动片联接螺钉的计算螺纹连接的输出轴之间，叶通常，对称安装，使用两个定位销的作用。连接螺钉，使相应的移动板和输出轴之间的密切接触面不留下的移动部件的稳态转矩=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即 h0.320.5425=0.1736m5.3.3升降油缸驱动力的计算489.8N(2) 的计算=2500N5.3.4升降缸尺寸参数的确定=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 =1.3=1.34907=6379.1N代入数据： =0.0068m第6章 机械手液压及控制系统设计6.1机械手运动学分析根据前面几部分的每个参数的液压执行元件，液压系统的设计要求，为后续的分析工作状态被确定为每个执行元件在工作循环载荷的变化速度在每一个阶段，液压系统的工况分析，即液压缸的P-t图、Q-t图、N-t图。6.1.1手部夹紧机构已知参数：D=25mm，d=12mm， ，计算工况图：图6-16.1.2 臂部回转机构已知参数： D=100，d=50mm，b=50mm，M=，1.22rad/s计算工况图：图6-26.1.3 臂部伸缩机构已知参数： 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臂部升降机构已知参数： D=125mm，d=90mm， ，计算工况图：图6-56.2液压系统方案拟定（a）安装在清洁元件和煤油，压力和密封试验合格，可以安装。（b）同心度泵及其驱动要求。（C）的输入，输出和泵的旋转方向，给出了一般，不能逆转。（d）安装阀门，应注意方向的入口和一个回油。（e）以防止空气阀必须保持良好的密封性能。（f）使用安装法兰阀件、螺丝不能拧拧紧，因为有时，但密封失效。6.2.1调速回路方案分析（1）方案一：节流调速 节流调速泵供油量，通过流量控制阀的输入和输出执行元件的流量变化对调速系统，称为阀控系统。如图（7）图（7）为节流调速原理图它的优点是：结构简单，能量损失小，控制简单，维修方便。而缺点是效率低，发热。（2）方案二：容积调速控制容积调速，用泵或变量马达，改变泵的转速控制或发动机。该系统被称为水泵控制系统图。（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，通过施加压力式变量泵供油的反馈，通过流量控制阀进入或离开操作元件的变化率，从而控制速度和流量变量泵和流量流量控制阀的调整。如图（9）图（9）为容积节流调速原理图其优点是：无溢流损失，效率高，速度稳定性的缺点是：有节流损失。以上方案，有优点和缺点每个液压系统中。在一个小型机床、节流阀或调速阀通过控制进给速度的基础工作型专用机的低速性能在速度和负荷特性具有一定的要求，因此，设计容积调速节流的限压阀和泵变速调节刀片。这种调速回路具有效率高，加热速度低，刚度，和调速阀安装在回油管，使切削力具有负电容。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端面活塞杆，而表面面积端压杆的大（大区（杆），这是因为不同的表面。不差）的两端面承受压力（压力）在相同的时间，总压杆端面不大，去顶杆端的活塞移动，这是目前油插杆室排出的无杆腔的基础上，对泵油流量增加，使活塞移动得更快，形成差迅速。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电池的能量，能量存储装置或液压的液压系统中。它在适当的时间在一个能量转换系统的能量压缩或存储的能量，当系统是必要的，压缩的能量或能量转换的液压或气动的潜在可能可实现系统的系统瞬时压力的增加，可吸收能量的一部分，以确保系统的正常压力。如图（11） 图（11）为蓄能器快速调速原理图其优点是：敏感、可靠。缺点是制造困难，高密封性。 （3）方案三：双泵供油快速调速双泵供油，用两个泵提供动力，其中一个高流量的泵，以实现快速运动；另一种是小流量泵，用于实现工作进给，如图（12）图（12）为双泵供油快速调速优点：功率损耗小，效率高，系统的应用更缺点是复杂结构系统。调速方法的综合比较快速选择差动缸速度快。因为循环工作效率高，使用油、调速是比较好的，结构相对双泵供油调速方法简单卷制造更困难，因为电池低敏感。符合发展的需要，现在工业生产的需要。6.2.3夹紧回路的选择两位四通电磁阀控制，夹在释放开关动作，以避免工作，因为突然断电而松动，应采取损失夹紧装置夹紧的时间可调节，当秋天过渡油压力时能保持夹紧力，使节流阀控制的访问速度和压力的维持。在这个循环中还装有一个减压器，用来调节夹紧力的大小与队伍稳定夹紧。最后把所选的液压回路组合起来，即可以组成图6-3所示液压系统原理图。图6-3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6.4.2液压系统发热温升计算Phr(15.33)kW12.3kW计算散热功率冷却器所需冷却面积的计算A1.32.8m23.6m2总 结设计即将结束，紧张的学习阶段，大大提高了我的综合能力。本毕业几乎用我们专业的所有课程的大学，这是我们大学所学专业知识的一次综合研究和这个毕业设计毕业前，使我们对知识有一个全面的了解和的例子，我们需要材料力学的设计过程中，工程制图，设计，材料力学，工程力学，宽容的基础和计算机辅助制图与CAD专业知识范围内的协调。在设计的过程中，我们不仅了解一点旧知识，使我们发现了许多以前没有注意到的细节，但正是这些细节问题是如果我们可以确定关键设备技术人员合格。另外，我觉得毕业两个月的设计极大地丰富我们的知识，我学到了很多知识，不仅可以学到很多知识设计过程中，由于需要运用知识，这要求我们在互联网或图书馆访问，在设计方案，需要我们对工作环境的分析，设计和结构的机械手的运动学和工作能力的有了一定的了解来选择合适的方案。没有问题，由于到这方面我们必须认识到，通过实践和查阅资料，可以做的更好。生命的意义，工作认真，在这个原则指导下，使我的设计可以顺利进行，学习和工作的未来，我会坚持这个原则，我相信：只有在地球上，不能成功！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）致 谢大学生活即将结束，在未来的几年，我遇到了很多朋友热心帮助教授工作设计成功的完成不是他们的热情帮助和顾问的指导，教师和学生在这里都给予指导和帮助我毕业这表示最诚挚的谢意。首先，设计指导，感谢你紧张的工作，试图引导时间，我们总是关心我们的进展状况，要求我们掌握帮助教师管理在整个设计过程中，从实际操作数据准备阶段，它提供了指导，我不仅学到了书本上的知识，更学会操作方法。并了解如何把握设计的一个关键，如何准备一个合理的时间和纸张，在设计过程中毕业设计她与我们一起解决设计中出现的问题。其次，给予帮助教师设计的毕业生，与我的同学以诚挚的感谢，在设计的过程中，他们给了我很多的帮助和无私的关怀，更重要的是提供多方面的技术，我们感谢他们，他没有这些数据不完整的文件。此外，也给所有的学生我的帮助表示感谢。总之，本设计的结果是教师和学生，在一个月内，我们合作的非常愉快，教会我很多伟大的真理，是一种资产，我的生活，我在新教师和学生对我的帮助表示感谢！上下料机械手结构设计及运动学分析摘 要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。本文讲述了上下料机械手结构设计及运动学分析设计。首先，通过对机械手现状进行全方位调研，在此基础上提出了机械手方案；接着，设计计算了各主要构成件的结构尺寸；然后，对液压系统进行了设计；最后，通过AutoCAD制图软件绘制了上下料机械手装配图、主要零件图。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了起重机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD制图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键字：上下料，机械手，液压缸，运动学AbstractManipulator is also known as the automatic hand to imitate the human hand and arm of some action functions, with a fixed program to grab, handling objects or operating tools for automatic operation of the device.In this paper, the structure design and kinematics analysis of the upper and lower materials are described. First, through the full range of research status of mechanical hand, based on the proposed scheme of mechanical hands; then, design and calculation of the size of the structure of the major components; then, the hydraulic system design. Finally, through the AutoCAD software to draw the upper and lower material manipulator assembly drawing and the main parts of the map.Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of hoisting machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance.Key words: Up and down material, Manipulator, Hydraulic cylinder, Kinematics目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1背景及意义11.2机械手概述21.2.1机械手的组成21.2.2机械手的分类21.3 国内外发展状况2第2章 总体方案设计42.1 设计要求42.1.1 动作要求42.1.2参数要求42.2方案拟定42.2.1初步分析42.2.2 拟定方案4第3章 机械手手部设计63.1手部分析63.2夹紧力及驱动力的计算73.3 夹紧油缸的设计83.4手抓的设计8第4章 机械手臂部设计114.1臂部整体设计114.2手臂伸缩驱动力计算124.2.1 手臂摩擦力的分析与计算124.2.2手臂密封处的摩擦阻力的计算134.2.3手臂惯性力的计算134.3手臂伸缩油缸的设计144.3.1确定液压缸的结构尺寸144.3.2液压缸外径的设计154.3.3活塞杆的计算校核154.3.4 油缸端盖的设计16第5章 机械手机身设计185.1 机身的整体设计185.2回转机构的设计185.2.1回转缸驱动力矩的计算185.2.2 回转缸尺寸参数的确定195.3机身升降机构的设计215.3.1手臂片重力矩的计算215.3.2升降导向立柱不自锁条件225.3.3升降油缸驱动力的计算225.3.4升降缸尺寸参数的确定23第6章 机械手液压及控制系统设计256.1机械手运动学分析256.1.1手部夹紧机构256.1.2 臂部回转机构256.1.3 臂部伸缩机构266.1.4臂部升降机构276.2液压系统方案拟定286.2.1调速回路方案分析286.2.2 快进回路方案分析306.2.3夹紧回路的选择316.3液压元件的计算和选择326.3.1液压泵326.3.2确定油箱容量336.3.3液压元件的选择336.4液压系统性能验算336.4.1验算回路中的压力损失336.4.2液压系统发热温升计算35总 结37参考文献38致 谢3940第1章 绪论1.1背景及意义目前，由于劳动力成本和技术问题，国内拉伸机的上下料仍然采用人工上下料，不仅效率低、精度低，而且工人的劳动强度大，存在操作者发生安全事故的隐患。有些拉伸机生产厂商为了防止操作者发生安全事故，在拉伸机上加入了一些防护措施，如加入光电保护器等；但这不能从根本上防止操作者的安全。因此，设计机械手以代替人工进行上下料的操作就变得十分重要。本设计就是根据这一工程应用需要，设计上下料机械手结构，并对其进行运动学分析。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2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。2.1.2参数要求本次设计选定参数如下：（1）伸缩行程：800mm，伸缩速度，250mm/s；（2）升降行程：330mm，升降速度，60mm/s；（3）回转范围：210，回转速度，70/s；（4）参考抓取重量：15kg。2.2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。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。第3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4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。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5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。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。（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6章 机械手液压及控制系统设计6.1机械手运动学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手部夹紧机构已知参数： D=25mm，d=12mm， ，计算工况图：图6-16.1.2 臂部回转机构已知参数： D=100，d=50mm，b=50mm，M=，1.22rad/s计算工况图：图6-26.1.3 臂部伸缩机构已知参数： 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臂部升降机构已知参数： 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。最后把所选的液压回路组合起来，即可以组成图6-3所示液压系统原理图。图6-3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，871