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机械手夹持器设计2.1 夹持器设计的基本要求（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。设计参数及要求（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松；（2）所要抓紧的工件直径为 80mm 放松时的两抓的最大距离为 110-120mm/s ， 1s 抓紧 ,夹持速度 20mm/s；（3）工件的材质为 5kg，材质为 45#钢；（4）夹持器有足够的夹持力；（5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由液压缸提供动力。2.2 夹持器结构设计2.2.1 夹紧装置设计.2.2.1.1 夹紧力计算 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、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下列公式计算：2-1123NFKG式中：安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取 1.22.0，取 1.5；1K工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情2况系数 , ，a 为机器人搬运工件过程的加速度或减速度0.2/11.98ag的绝对值（m/s） ；方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，3K手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指与工件形状： 型指端夹持圆柱型工件，V， 为摩擦系数， 为 型手指半角，此处粗略计算 ,如图 2.130.5sinffV34K图 2.1被抓取工件的重量G求得夹紧力 ， ，取整为NF123.5102439.8176.5NKMgN177N。2.2.1.2 驱动力力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式： 2sinNFcba式中：c滚子至销轴之间的距离；b爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角a可得 ，得出 为理论2sin17286sin195.34NFba Nc F计算值，实际采取的液压缸驱动力 要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率 ，F一般取 0.80.9，此处取 0.88，则：，取195.2.7608N50F2.2.1.3 液压缸驱动力计算设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力： 2=4FDp推式中 活塞直径D活塞杆直径d驱动压力，p,已知液压缸驱动力 ，且F推 F501NK由于 ，故选工作压力 P=1MPa 10KN据公式计算可得液压缸内径： 452.313.1FDmp根据液压设计手册,见表 2.1，圆整后取 D=32mm。表 2.1 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm）20 25 32 40 50 55 63 6570 75 80 85 90 95 100 105110125 130 140 160 180 200 250活塞杆直径 d=0.5D=0.540mm=16mm活塞厚 B=(0.61.0)D 取 B=0.8d=0.732mm=22.4mm,取 23mm.缸筒长度 L(20 30)D 取 L 为 123mm活塞行程，当抓取 80mm 工件时，即手爪从张开 120mm 减小到 80mm，楔快向前移动大约 40mm。取液压缸行程 S=40mm。液压缸流量计算：放松时流量 SdDQ)(42612316010.724/minqVAL夹紧时流量2261 3010.95/min4SqVADL2.2.1.4 选用夹持器液压缸温州中冶液压气动有限公司所生产的轻型拉杆液压缸 型号为：MOB-B-32-83-FB，结构简图，外形尺寸及技术参数如下：表 2.2 夹持器液压缸技术参数图 2.2 结构简图受压面积( )2cm工作压力使用温度范围允许最大速度效率传动介质缸径无杆腔 有杆腔速度比1MPa +108300 m/s 90%常规矿物液压油32mm12.5 8.6 1.45图 2.3 外形尺寸2.2.2 手爪的夹持误差及分析机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定） ，而且也与手指的夹持误差大小有关。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，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图 2-4，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过 ，手部的最终误差1m取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。图 2.4工件直径为 80mm，尺寸偏差 ，则 ，5max42.5Rm， 。min37.5R40epR本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图 2.5。图 2.5若把工件轴心位置 C 到手爪两支点连线的垂直距离 CD 以 X 表示，根据几何关系有： 22()cossininABABRXlla简化为： 2221(i)(sin)iABABlla该方程为双曲线方程，如图 2.6：图 2.6 工件半径与夹持误差 关系曲线由上图得，当工件半径为 时，X 取最小值 ，又从上式可以求出：0RminX，通常取sincoABl210mi若工件的半径 变化到 时，X 值的最大变化量，即为夹持误差，用 表示。axRin 在设计中，希望按给定的 和 来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，maxiR一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径 取为 epR时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当 a 值较0R大时） ，偏转角 的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的 和 边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手BE爪抓取工件的平均半径 ，以 为条件确定两支点回转型手爪的偏转角 ，epR90CD 即下式： 1cos()inepABal其中 , , 型钳的夹角290am86ABlV210代入得出： 10cos(45)6.7in8 则 0sin86cs.1.02ABRl m则 ，此时定位误差为 和 中的最大值。minax1222 2maxin1()cossinsiABABABRllla2222minin() isABABABlll分别代入得：，10.256m20.148m所以， ，夹持误差满足设计要求。.由以上各值可得： 2221(sinco)(sin)5.924sinABABXRllam取值为 。56m2.2.3 楔块等尺寸的确定楔块进入杠杆手指时的力分析如下：图 2.7上图 2.7 中斜楔角， 时有增力作用；30滚子与斜楔面间当量摩擦角， ， 为滚子与转轴间的摩擦2 22tan()tandD角， 为转轴直径， 为滚子外径， ， 为滚子与转轴间摩擦系数; dDf支点 至斜面垂线与杠杆的夹角；O杠杆驱动端杆长；l杠杆夹紧端杆长；杠杆传动机械效率2.2.3.1 斜楔的传动效率斜楔的传动效率 可由下式表示：2sin=()22tantdD杠杆传动机械效率 取 0.834， 取 0.1， 取 0.5，则可得 = , 2t 14.036，取整得 = 。290142.2.3.2 动作范围分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即 ，见图 2.8290图 2.8如果 ，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所2以 必须大于 。此外，当 时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点 90在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。2.2.3.3 斜楔驱动行程与手指开闭范围当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为 L，此时对应的杠杆手指由 位置转到 位置，其驱动行程可用下式表示：1212cos(cos)inilllL杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为：12cos()cs()l通常状态下， 在 左右范围内， 则由手指需要的开闭范围来确定。由给290定条件可知最大 为 55-60mm,最小设定为 30mm.即 。已知 ，s 30(560)s14可得 ，有图关系：29076图 2.9可知：楔块下边为 60mm，支点 O 距中心线 30mm，且有 ，解得：30()tgl120l2.2.3.4 与 的确定l斜楔传动比 可由下式表示：isinliL可知 一定时， 愈大， 愈大，且杠杆手指的转角 在 范围内增大时，li 90传动比减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由 分配距离为：12l， 。50l7l2.2.3.5 确定1由前式得：(603)s， ，取 。17cos(4)cos(7614)150.6231502.2.3.6 确定L为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有下图中关系图 2.10，取 ，则楔块上边长为 18.686，取50(cos76)82.50in14L 83L19mm.2.2.4 材料及连接件选择V 型指与夹持器连接选用圆柱销 ，d=8mm, 需使用 2 个/19.GBT杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销 ，d=8mm, 需使用 2 个滚子与手指连接选用圆柱销 ，d=6mm, 需使用 2 个/.以上材料均为钢，无淬火和表面处理楔块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径 12mm，螺距 p=1，旋合长度为10mm。第三章 腕部3.1 腕部设计的基本要求手腕部件设置在手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度，此设计中要求有绕中轴的回转运动。（1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3）必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。3.2 具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构如图 3.1 所示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从 AA 剖视图上可以看到，回转叶片（简称动片）用螺钉，销钉和转轴 10 连接在一起，定片 8 则和缸体9 连接。压力油分别由油孔 5.7 进出油腔，实现手部 12 的旋转。旋转角的极限值由动，静片之间允许回转的角度来决定（一般小于 ） ，图中缸可回转 。腕部旋转位置270 90控制问题，可采用机械挡块定位。当要求任意点定位时，可采用位置检测元件（如本例为电位器，其轴安装在件 1 左端面的小孔）对所需位置进行检测并加以反馈控制。图 3.1图示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个油管。通向手部驱动液压缸的油管是从回转中心通过，腕部回转时，油路认可保证畅通，这种布置可使油管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管（一根供手部油管，两根供腕部回转液压缸）由手臂内通过并经腕架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。本设计要求手腕回转 ，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的018回转驱动腕部结构，采用液压驱动，参考上图典型结构。3.3 腕部结构计算3.3.1 腕部回转力矩的计算腕部回转时，需要克服的阻力有：（1）腕部回转支承处的摩擦力矩 M摩12=()RfMFD摩式中 ， 轴承处支反力（N） ，可由静力平衡方程求得 ;1RF2, 轴承的直径（m） ；D轴承的摩擦系数，对于滚动轴承 =0.01-0.02；对于滑动轴承f f=0.1。f为简化计算，取 ，如图 3.1 所示，其中， 为工件重量， 为手0.1M摩 总 阻 力 矩 1G2部重量， 为手腕转动件重量。3G图 3.1（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 M偏1=Ge偏式中 e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离 ，已知 e=10mm.()m则 1=39.801.294MGN偏（3）克服启动惯性所需的力矩 M惯启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度 及启动过程转过的角度 按启下式计算： =t惯 工 件 启（ J+）式中 工件对手腕回转轴线的转动惯量 ；工 件J 2()Nms手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量 ；手腕回转过程的角速度 ；(1)s启动过程所需的时间 ，一般取 0.05-0.3s,此处取 0.1s.。t启手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为 200mm，直径 90mm，其重力估算：,取 98N.230.45.7809.87.26GKgmNg等效圆柱体的转动惯量：22211.045.198GJMRg工件的转动惯量，已知圆柱体工件 ，ml22=(3)3(.).03711mJl工 件要求工件在 0.5s 内旋转 90 度, 取平均角速度，即 = ，代入得： =(0.1.37)0.435.1MNmt 惯 工 件 启（ J+）=.29.MNm总 阻 力 矩 摩 偏 惯 总 阻 力 矩解可得： =0.8083总 阻 力 矩 3.3.2 回转液压缸所驱动力矩计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩 M总如图 3.3，定片 1 与缸体 2 固连，动片 3 与转轴 5 固连，当 a, b 口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。图 3.3图 3.4图 3.4 为回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩。M或 2()RrpbrdM总 2()pbRr总式中 手腕回转时的总的阻力矩总 ()Nm回转液压缸的工作压力（Pa）p缸体内孔半径（m）R输出轴半径（m） ，设计时按 选取r1.52Dd动片宽度（ m）b上述动力距与压力的关系是设定为低压腔背压力等于零。3.3.3 回转缸内径 D 计算由 ，得：M总 阻 力 矩， 2()pbRr总 2Mrpb为减少动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度时，选用： 2bRr综合考虑，取值计算如下：r=16mm，R=40mm，b=50mm， 取值为 1Mpa，即如下图：P图 3.53.3.4 液压缸盖螺钉的计算图 3.6 缸盖螺钉间距示意表 3.3 螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系上图中表示的连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为：，即工作拉力与残余预紧力之和F总 预计算如下：液压缸工作压强为 P=1Mpa,所以螺钉间距 小于 150mm,试选择 2 个螺钉，t，所以选择螺钉数目合适 Z=2 个 0.8.1256.1504Dmm受力截面222 283.034614SRr m610.167.8PFNZ所 以 ，此处连接要求有密封性，故 k 取（1.5-1.8） ，取 K=1.6。 K预 1.627.84362.5预所以 84=96.38F总 预螺钉材料选择 Q235，安全系数 n 取 1.5（1.5-2.2）24016.5sMPan则螺钉的直径由下式得出 ，F 为总拉力即 4.3dF总工作压力 P（ Mpa） 螺钉的间距 t(mm)0.51:小于 1502小于 120.小于 100501:小于 80641.3.589.37.1410Fd m螺钉的直径选择 d=8mm.3.3.5 静片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数。螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： 20()4PbDdMfFZi摩为预紧力, 为接合面摩擦系数，取（0.10-0.16）范围的 0.15，即钢和铸铁零件，0Ff为接合面数，取 =2，Z 为螺钉数目，取 Z=2，D 为静片的外径，d 为输出轴直径，则ii可得： 204bpFZfi螺钉的强度条件为： 01d带入有关数据，得： 62 2200.40.8.396.5415bpFDd NZfi螺钉材料选择 Q235，则 （安全系数 ）1.sMpan1.25n:螺钉的直径 ，d 值极小，取 。041.3.98Fdm 6dm螺钉选择 M6 的开槽盘头螺钉， ,如图 3.7：/67GBT54图 3.73.3.6 腕部轴承选择腕部材料选择 HT200， ，估计轴承所受径向载荷为 50N,轴向载荷37.9gcm较小，忽略。两处均选用深沟球轴承。现校核较小轴径处轴承。6005 轴承基本数据如下：，当量动载荷 ，载荷系数 取 1， ，则 ，由10rcKNprfFpf50rFN50p公式：6()hcLnpN 为转速，由 0.5s 完成 回转，计算得： ， ，球轴承90 60minrrc3代入得：，远大于轴承额定寿命 。63910()2.415hLh610h选用轴承为深沟球轴承 6005，6008。3.3.7 材料及连接件，密封件选择右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹， ， ,/5783GBT16M需用 4 个。右缸盖与缸体连接选用六角头螺栓，全螺纹， ， ,需用 4 个。/5783T16左缸盖与缸体及法兰盘连接选用六角头螺栓，全螺纹， ， ,需用/4 个。选用垫圈防松， ，公称尺寸为 5。/84GBT右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹， ， ,/5783GBT16M需用 4 个。为定位作用，轴左侧增加一个套筒，材料为 HT200，尺寸如下：图 3.8动片与输出轴连接选用六角头螺栓 全螺纹， ， 需用 2 个。/5783GBT16M密封件选择：全部选用毡圈油环密封，材料为半粗羊毛毡。右端盖 d=40mm, 左右缸盖 d=25mm。第四章 伸缩臂设计4.1 伸缩臂设计基本要求设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装机械手，完成直线伸缩动作。（1）功能性的要求机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（2）适应性的要求为便于调整，适应工件大小不同的要求，起止位置要方便调整，要求设置可调式定位机构。为了控制惯性力，减少运动冲击，动力的大小要能与负载大小相适应，如步进电机通过程序设计改变运动速度，力矩电机通过调整工作电压，改变堵力矩的大小，达到工作平稳、动作快捷、定位准确的要求。（3）可靠性的要求可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。（4）寿命的要求产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施，如：选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损的零件要便于更换。（5）经济的要求机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中。（6）人机工程学的要求人机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。本设计中要充分考虑外形设计，各调整环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。（7）安全保护和自动报警的要求按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须考虑的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警装置。设计参数（1）伸缩长度：300mm；（2）单方向伸缩时间：1.52.5S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于 2mm；（4）前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击；4.2 方案设计液压驱动方案（1）伸缩原理采用单出杆双作用液压油缸，手臂伸出时采用单向调速阀进行回油节流调速，接近终点时，发出信号，进行调速缓冲（也可采用缓冲油缸） ，靠油缸行程极限定位，采用导向杆导向防止转动，采用电液换向阀，控制伸缩方向。 （图 4.1）图 4.1（2）液压系统的设计计算液压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求，具体设计计算参考液压传动与控制等相关教材。由于伸缩臂做间歇式往复运动，有较大的冲击，设计时要考虑缓冲措施，可从液压回路设计上考虑，也可从液压件结构上考虑。设计计算参数及要求： 电磁阀流量：要满足伸缩速度的要求。 油缸直径：推力大小要能克服机构起动惯性并有一定的起动加速度，要满足运动时间要求。 导向杆刚度：按最长伸出时机械手端部的挠度不超过规定要求。 定位方式和元件：自选。（3）结构方案设计及强度和刚度计算伸缩臂运动简图见图 4-1 结构方案说明a：支座 1 安装在机器人床身上，用于安装伸缩臂油缸和导向杆等零部件。b：法兰 4 用于安装机械手，其形式和尺寸要与机械手相协调。c：液压缸伸出杆带动导向杆同时伸出 300mm，伸出长度较大，设计、制造和安装时要考虑液压缸与导向杆的平行度要求。d：导向杆可采用直线导轨或直线导轴。直线导轨可选用外购件，直接从生产厂家的有关资料中获得所需参数（网上查询直线导轨、直线导轴） 。采用直线导轴时可自行设计，并且要考虑导向杆的润滑，润滑方式参考有关手册设计。 强度及刚度计算本机械手夹持工件重量约 3Kg 左右，夹持器重量约 15Kg，夹持器长度最大约250mm。从受力角度分析，载荷不大，可参考其它机器作类比设计即可。伸缩臂的机构力学模型如图 4.2 所示。夹持器夹着工件，伸缩臂全部伸出，是导杆受力最大的状态,也是变形最大的位置。在此情况下，用材料力学的知识计算它的强度和刚度。图 4.24.3 伸缩臂机构结构设计4.3.1 伸缩臂液压缸参数计算4.3.1.1 工作负载 R液压缸的工作负载 R 是指工作机构在满负荷情况下，以一定加速度启动时对液压缸产生的总阻力，即：imgR式中： -工作机构的荷重及自重对液压缸产生的作用力；i-工作机构在满载启动时的静摩擦力；mR-工作机构满载启动时的惯性力。g(1) 的确定i 工件的质量 m=5.9 (kg) 2vrh20.87.85314.5夹持器的质量 15kg(已知)伸缩臂的质量 50kg(估计)其他部件的质量 15kg(估计)工作机构荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N) 取 Ri=860N(2) 的确定 Rm= (N) mR172.086Ri(3) 的确定 Rg= (N) g .tgVG式中： 为启动时间，其加速时间约为 0.10.5st=0.1s , =0.2st总负载 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N) 取实际负载为 =1200 RN4.3.1.2 液压缸缸筒内径 D 的确定D= mMpapR3914.320式中：R=1000 5000 , p 可取 0.8 , =Na取液压缸缸筒内径为 40mm。4.3.1.3 活塞杆设计参数及校核(1)活塞杆材料：选择 45 号调质钢，其抗拉强度 =570baMp(2)活塞杆的直径：查液压传动设计手册得，当压力小于 10Mpa 时，速比=1.33。则可选取活塞杆直径为 20mm 系列，且缸筒的厚度为 5mm。 最小导向长度： mm 304522lDH(3)活塞杆强度及压杆稳定性的计算 采用非等截面计算法 油缸稳定性的计算因为油缸的工作行程较大，则在油缸活塞杆全部伸出时，计算油缸受最大作用力压缩时油缸的稳定性。假设油缸的活塞杆的推理为 P，油缸稳定的极限应力为 Pk，则油缸稳定性的条件为 PPk。Pk 按下式得到： )()(12kgfJpkk式中： 可按液压传动设计手册得到1Jpk； 641d64)(12D式中： 为活塞杆直径为缸体外径。1DD 为缸体内径。所以， 625.194021J 1562.46)05(22J所以 .91、 为长度 、 上的断面惯性矩。2J2l1查 时极限力的计算图，可由 且 查得6.112lml30901Jpk（其中， ：活塞杆头部至油缸 A 点处的距离（cm）l:缸体尾部至油缸 A 点处的距离（cm） ） 。2l所以： 。Nkgfpk6210.65.190所油缸的稳定性是满足条件的。 活塞杆强度的计算（E：材料的弹性模量）刚的弹性模量为 E200Mpa。液压传动与控制查得： 2057.34.160.324SRd所以活塞杆强度是满足条件的。 4.3.1.4 缸筒设计参数及校核(1)缸筒材料：选择 ZG310-570 铸钢,其抗拉强度 =570baMp(2)缸筒壁厚 及校核：取壁厚 =5mm 因此属于普通壁厚3.0125.408. D缸筒壁厚的校核 max.spD式中： -缸筒内最高工作压力； =7maxpaxpaM-材料的许用应力 s57014bs pa-材料的安全系数 =5max7401.62.32.3sPDmp校核 符合要求(3)缸筒外径： 5014214.3.1.5 缸底设计参数及校核(1)缸底材料：选择 Q235 碳素结构钢，其抗拉强度 375460baMp(2)缸底厚度 mm max70.50.544.28603sPD取缸底厚度为 5mm4.3.1.6 油缸零件的连接计算首先确定油缸缸筒与缸盖采用螺纹连接;缸筒与缸底的连接此处选用焊接方式，此种方式能够使液压缸紧凑牢固。（1）缸筒螺纹处的强度计算：螺纹处的拉应力： /)(4/221cmkgfDdp螺纹处的剪应力： /)(.02140fdk合成应力： /322cmkgfn许用应力： /2ckfs式中：P:油缸的最大推力kgf;D:油缸内径cm;：螺纹直径cm；0d：螺纹内径，当采用普通螺纹时（GB196-63）时，可近似按下式1（t 螺距cm ）;24.0K:螺纹预紧力系数，去 K1.251.5；：螺纹那摩擦系数（0.070.2） ，一般取 0.12；1k 1k：缸筒材料的屈服极限。sn: 安全系数，取 n=1.2-2.5,一般取 n=1.75.由前面计算可得：D=40mm=4cm ，则查机械设计课程设计手册 ，采用普通螺纹基本尺寸（GB/T196-2003）公称直径第二系列 4.8，可得螺距 t=0.4cm; =4.8cm .0d所以， 。 cmd31.402.1841K 取 1.5，.01k/23502ckgfMpasn:取 1.75。所以： /138.74)31.4(/05)(4/ 2221 cmkgfDdkp /5.0).(0.)(.0 24140 f /32.765.13.73 2222 cmkgfn /94/5.1 fcmkgfMpa,满足强度条件。n（2）缸筒与缸底的焊接强度计算 /3.1207.)5.4(10)(4 2221 cmkgfdDpP:油缸推力kgf:焊缝效率，可取 0.7：焊条材料得抗拉强度 b2/cmkgfn:安全系数，取 n3.34并查到焊条材料的抗拉强度为 900Mpa1200Mpa(手工焊条)，因此缸体与缸底得焊缝强度是满足要求得。4.3.1.7 液压油缸其他零件结构尺寸得确定由于液压缸的工作负载较小，所以选定液压缸的工作压力为低压。取额定工作压力为 2.0 。aMp液压缸的基本形式如下图所示：图 4.3整个油缸安装在下部伸缩臂基座上。（1）活塞与活塞杆得连接结构：油缸在一般工作条件下，活塞与活塞杆采用螺纹连接。其形式如图所示图 4.4（2）活塞杆导向套：做成一个套筒，压入缸筒，靠缸盖与缸筒得连接压紧固定，材料选用铸铁材料。基本结构为：图 4.5图中：1 为缸盖，2 为橡胶防尘圈，3 为活塞杆，4 为活塞杆导向套。（3）活塞与缸体得密封。采用 O 型密封圈密封。选用 36.5 内径，截面直径为 3.55 mm.10.其基本形式如下：图 4.6图中：1 即为 O 型密封圈，2 则为活塞。活塞与缸体之间靠 O 型密封圈密封。（4）活塞杆端部结构形式及尺寸端部结构形式有：外螺纹的，内螺纹的，光滑的，球形，耳环等等。此处因活塞杆固定，选用外螺纹连接形式。其基本结构如下：图 4.7图中各尺寸可查液压传动设计手册得，当 d20mm 时， 取 .1d56ML=(1.21.5) , 1d)5.12(Ldm2416.4.3.2 导向杆机构设计4.3.2.1 导向机构的作用导向机构的作用是保证液压缸活塞杆伸出时的方向性，提供机构刚度，保证伸缩量的准确性。4.3.2.2 导向机构的外形尺寸及材料导向选择矩形导轨导向，导轨为伸缩臂基座上得一部分，经加工而成；滑台则在其上滑动且滑台得端部靠法兰安装夹持器部分。材料选择为 45 号钢.，如图 4.8 所示：图 4.8图中：1 为滑台，2 为伸缩臂基座，3 为矩形导轨的压板。此处矩形导轨是直接在基座上加工出来的，滑台在导轨面上滑动，靠压板来固定调节。基座臂厚为 10mm.。4.3.2.3 矩形导轨的弯曲强度及挠度的校核(1)导轨的弯曲应力 maxzMWNplM1503.0622 17.46.bhWZ MpaZ9.35107.46max 符合要求。ax因为只计算了一边得矩形导轨，由结构可知还有另外一边得导轨支撑，故满足条件。(2)杆的挠度 此杆为一悬臂梁，根据简单载荷作用下梁的挠度和转角公式：， 2plEI3lfI式中：EI 是截面抗弯刚度 62108.bh03.108.23563Bf本式计算是完全把载荷加在导轨上，实际是载荷由导轨和活塞杆共同承受，所以导向杆的挠度会更小，符合设计要求。转角 = 符合要求。radEIpl 06.108.2532 4.3(3)导轨的表面处理及润滑导轨表面淬火，可以提高表面硬度增加导向杆的耐磨性，也可以保证导向杆的韧性，同时需要精加工以提高导轨的精度要求；导轨的润滑可采用润滑脂润滑，或是采用润滑油润滑。此处采用润滑脂润滑。伸缩臂基座与升降臂相连靠伸缩臂基座底部的法兰。其上有 4 个 M12 的内六角圆柱头螺钉。4.3.2.4 伸缩臂范围控制与调整伸缩臂伸缩范围控制靠行程开关与活动挡块，这里特别解释如下：设备附件活动挡块，它用在当设备安装好后，可以靠它在小范围内调节臂的伸长量，其结构图如图 4.6所示此活动挡块可套装在导向杆上，a 处可以压住行程开关压柱，从而压动行程开关使行程开关实现动作。此外除上述调节外，还可以调节连接件的旋入导向杆和液压活塞杆的长度，实现对伸长度的微调。保证把工件精确地放在加工机床作业台上。行程开关使用 LXW4-11型微型开关。图 4.9河北工程大学毕业设计（论文）第五章 驱动系统5.1 驱动系统设计要求本次设计的工业机械手属坐标式液压驱动机械手。具有手臂伸缩，回转，升降，手腕回转四个自由度。因此，相应地有手腕回转机构、手臂伸缩机构，手臂回转机构，手臂升降机构等构成。各部分均用液压缸或液压马达驱动与控制。设计要求（1）满足工业机械手动作顺序要求。动作顺序的各个动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁，按程序依次步进动作而实现。（2）机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（3）液压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求5.2 驱动系统设计方案采用叶片泵供油，动作顺序：从原位开始升降臂下降夹持器夹紧升降臂上升底座快进回转底座慢进手腕回转伸缩臂伸出夹持器松开伸缩臂缩回；待加工完毕后，伸缩臂伸出夹持器夹紧伸缩臂缩回底座快退( 回转 )底座慢退 手腕回转升降臂下降夹持器松开升降臂上升到原位停止，准备下次循环。上述动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁（电磁换向阀） ，按程序依次步进动作而实现。（1）各液压缸的换向回路为便于机械手的自动控制，采用可编程控制器进行控制，前分析可得系统的压力和流量都不高，选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化成都和经济效益。液压机械手采用单泵供油，手臂伸缩，手腕回转，夹持动作采用并联供油，这样可有效降低系统的供油压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干扰，实现同步或非同步运动，换向阀采用中位“O”型换向阀。（2）调速方案整个液压系统只用单泵工作，各液压缸所需的流量相差较大，各液压缸都用液压泵的全流量是无法满足设计要求的。尽管有的液压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速，用以保证液压缸的平稳运行。各缸可选择进油路或回油路节流调速，选用河北工程大学毕业设计（论文）节流阀调速。单泵供油系统以所有液压缸中需流量最大的来选择泵的流量。系统较为简单，所需元件较少，经济性好，考虑到系统功率较小，其溢流损失也较小。（3）缓冲回路伸缩臂处设置缓冲回路，使用单向节流阀（4）系统安全可靠性夹紧缸在夹紧工件时，为防止失电等意外情况，设置锁紧保压回路。手臂升降缸在系统失压的情况下会自由下落或超速下行，所以在回路中设置平衡回路。5.3 驱动系统设计5.3.1 分功能设计分析（1）夹持器采用单出杆双作用缸，保证运动过程中不使工件下掉，夹持器夹紧工件后，锁紧回路由先导型顺序阀和单向阀组成。顺序阀的设置在夹持器松开回油过程中起到缓冲作用。（2）底座回转采用摆动液压缸，正反方向均采用单向调速阀调速。由于回转部分的重量大，回转长度长，因此手臂回转时具有很大的动能。为此，除采用调速阀的回油节流阀调速阀外，还在回油路上安装双溢流阀，进行减速缓冲。（3）手臂伸缩采用单出杆双作用缸，手臂伸出时，由单向阀和节流阀组成的调速回路进行回油节流调速。手臂缩回时，回油路设置调速阀以完成缓冲作用。（4）手臂升降运动采用单出杆双作用缸，上升和下降均由单向调速阀回油节流。因为升降缸为立式，在其液压缸下腔油路中安装单向顺序阀，避免因整个手臂运动部分的自重而下降，起支撑平衡作用。（5）伸缩臂进油路设置蓄能保压回路，伸出完全后，进油路压力升高，压力继电器发出电信号导致换向阀通电，泵卸荷，单向阀自动关闭，由蓄能器保压。（6）单泵供油，采用先导型溢流阀卸荷，设置二位二通换向阀。5.3.2 液压泵的确定与所需功率计算系统各执行元件最大需用流量夹紧缸：Q 1=1.5 L/min伸缩缸：Q 2=15 L/min升降缸：Q 3=7.536 L/min河北工程大学毕业设计（论文）回转缸：Q 4=17.34 L/minmax1.739.0/in20/mipkLb、泵的排量31.6/pQqlrnc、泵工作时的最高压力夹紧缸： 1pMa伸缩缸： 2.6升降缸： 3回转缸： 40.pa3pP包括油液流经流量阀和其他元件的局部损失，管路沿程损失等为 0.2:0.5MpapP20.4Mpa作为压力储备，可选额定压力为 5Mpa选择 YB-A16B 型号泵，其主要性能参数如表 5.1 所示排量 压力 输入功率额定转速 最低转速最高转速YB-A16B 16.3ml/r 5Mpa 1.69Kw 1000r/min 600r/min 1800r/min5.3.3 确定泵的电机功率 NpQ:p泵的实际最大工作压力 kgf/cm 2Q泵在 p 压力下的实际流量 l/min项 目型 号河北工程大学毕业设计（论文） t-泵的总效率 0.65:0.7532.4170.9256.Nkw考虑到压力损失，故按标准选用 1.5kw 的电机5.3.4 液压元件的选择,如表 5.2 所示表 5.2编号 元件名称 阀最大通过流量 L/min型号 公称流量 L/min1 滤油器（粗）19.074 XU-CJ4550BS 403 溢流阀 19.074 YF3-10L 634 电磁换向阀23DO-B8C 226 滤油器（精）XU-CJ4530BS409 电磁换向阀（夹紧）10、11液控单向阀CPT-03-04-50 4013 压力继电器HE 1DO 20A/3514 电磁换向阀（伸缩）15 34DF30-E10B-D 2515 单向调速阀AQ 3F-10C 3017 电磁换向阀（回转）17.34 34DF30-E10B-D 2518 、19单向调速阀AQ 3F-10d21 电磁换向阀（升降）7.536 DG55-5河北工程大学毕业设计（论文）22 单向顺序阀HCT-03-A-3-22 5023、24单向节流阀SRCT-0.3-50 305.3.5 辅助元件的选择油管内径一般可参照所有管接件的接口尺寸确定，也可按管路元件的流量进行计算，本系统油管选 181.5 无缝钢管。油箱容量的计算V= pmQ: V油箱有效容积（L）m系数 m 值对于中压系统可以为 5:7minp-液泵流量（ L/min）V=(5:7)19.074=95.37 133.518L5.5 液压系统的验算（1）压力损失系统的总压力损失包括沿程损失和局部损失。其中单向调速阀压力损失最大 5 kgf/cm 2。（2）管路压力损失对系统性能的影响管路压力损失通常按快速工况计算。管内流速过高，引起管道振动和压力损失增大。管路压力损失太大，在定量泵系统中，快速时系统压力将超过溢流阀或卸荷阀的调整压力，致使阀有溢流；在变量泵或双泵系统中，快速对系统压力将超过转换压力，使进入缸的流量减少，缸的运动速度达不到预期的效果。因此须根据压力降重新调整元件的工作压力，以保证快速运动的要求。（3）油温的允许值不同机械，因工作条件的不同，允许的高油温应有区别本系统中正常工作温度 30:50，最高允许 55:70，油及油箱 温升 25。（4）液压冲击 保证工作周期的原则下，尽量减慢换向速度。电磁换向阀，可考虑带阻尼器或设计成正开口的滑阀结构。使阀芯移动速度过慢，使电磁铁的线图长期通过大电流，河北工程大学毕业设计（论文）会造成发热、烧伤。在滑阀完全关闭前，减慢液体的流速。可在阀芯的棱边上开长方形或 V 形槽，或作成半锥角为 2:5的节流锥面。适当加大管径，缩短导管长度，避免不必要的弯曲；或采用软管。5.6 液压系统图5.6.1 设计的液压系统图图 5.1工业机械手除腕部采用摆动液压马达之外均采用单出杆双作用直线油缸。5.6.2 液压系统电磁铁动作顺序控制原理降臂下降：使 6DT 通电阀 21 位于左位，压力油经阀 24 单向阀，进入油缸 25上腔，回油经油缸下腔，单向调速阀 23，阀 22 的顺序阀，阀 21 左位回油箱。下降速度由阀 23 调节。单向顺序阀 22 防止自重下滑起支撑平衡作用。升降到一定位置碰到行程开关，使电磁铁 2DT 通电，6DT 断电，压力油经阀 10进入油缸 12 左腔，油缸右腔油液经阀 11，阀 9 左位回油箱。10，11 液控单向阀保持夹持器夹牢工件。河北工程大学毕业设计（论文）降臂上升：夹紧后发出讯号，使 7DT 通电 2DT 断电，压力油经阀 21 右位，阀22，23 中的单向阀进入油缸 25 下腔，上腔油液经阀 24，阀 21 右位回油箱。升降速度由阀 24 调节。座回转：当升到预定位置时，挡块碰撞到行程开关。使的 7DT 断电 8DT 通电，阀 17 处于左位，压力油经阀 17 左位，阀 18 单向阀进入回转缸上腔，下腔油液经阀19，阀 17 左位回油箱。于是底座回转 90 度，回转速度由阀 19 调节。回转缸在其油路上安装有行程节流阀进行减速缓冲。缩臂伸出：底座回转到位碰撞行程开关时，使 8DT 断电，4DT 通电，压力油经阀 14 左位，进入油缸 16 左腔，右腔油液经阀 15，阀 14 左位回油箱。伸缩臂外伸，伸缩速度由阀 15 调节。持器松开：手腕回转 90 度完毕，挡块碰到行程开关，4DT 通电，压力油经阀 9右位，阀 11 到油缸 12 右腔，左腔油液经阀 10，阀 9
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