通用液压机械手设计--液压

2011 届 届 本科毕业设计 论文 资料本科毕业设计 论文 资料 题题 目目 名名 称 称 通用液压机械手通用液压机械手 学学 院 部 院 部 机械工程学院机械工程学院 专专 业 业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 学学 生生 姓姓 名 名 郝晓莲郝晓莲 班班 级 级 机设机设 074 班班学号学号 07405100334 指导教师姓名 指导教师姓名 唐川林唐川林 职称职称 教授教授 职称职称 最终评定成绩 最终评定成绩 2 湖南工业大学教务处湖南工业大学教务处 3 2011 届届 本科毕业设计 论文 资料本科毕业设计 论文 资料 第一部分第一部分 毕业论文毕业论文 4 Abstract Manipulator is a sort of automation device which has the function of grasp and transfer workpieces during the automated production Today hydraulic mqanipulator is widely uade in industry fidld It can maek the produce process automated and liberate the people from heavy physical labor It can promote the quality of production and decrease the cost of production In this design we should use the knowledge of hydraulic mechanism and electric control comprehensively to complete the design of hydraulic manipulator including machine system hydraulic and comtrol system The mechanical part is designed on the basis of mechanics computation foundation after the structure analysis including hand arm and fuselage Generally the manipulator s hand should have four merits compact structure light weight good universal property and high catch precision Well the arm should have merits that are good rigidity light weight high movement velocity small inertia and flexible motion The hydraulic system design including the hydraulic system computation and the selection of hydraulic components The control system design including plotting the ladder diagram and selecting the control component Key words Hydraulic manipulator hydraulic system design plc 5 目 录 前言 6 一 工业机器人简介 6 二 世界机器人的发展 6 三 我国工业机器人的发展 7 四 本设计中的机械手 7 1 臂力的确定 7 2 工作范围的确定 7 3 运动速度的确定 8 4 手臂的配置形式 8 5 位置检测装置的选择 8 5 驱动与控制方式的选择 9 一手部结构 10 一 概述 10 二 设计时应考虑的几个问题 10 三 驱动力的计算 10 四 夹紧缸的设计计算 13 1 夹紧缸主要尺寸的计算 13 2 缸体结构及验算 13 3 缸筒两端部的计算 14 二腕部的结构 17 一 概述 17 二 腕部的结构形式 18 三 手腕驱动力矩的计算 16 1 摩擦阻力矩 19 2 工件重心引起的偏置力矩 19 3 腕部启动时的惯性阻力矩 20 4 回转液压缸所产生的驱动力矩计算 21 三 臂部的结构 22 6 一 概述 22 二 手臂直线运动机构 25 三 手臂回转运动 25 四 臂部驱动力矩的计算 25 1 手臂水平伸缩运动驱动力矩的计算 26 2 手臂垂直升降运动驱动力矩的计算 28 3 手臂回转运动驱动力矩的计算 30 四 液压系统的设计 32 一 液压系统简介 32 二 液压系统的组成 32 三 液压系统控制回路 33 四 机械手液压传动系统 33 五 机械手液压系统的简单计算 33 结束语 44 参考文献 45 致谢 46 7 一 我要设计的机械手 1 臂力的确定 目前使用的机械手的臂力范围较大 国内现有的机械手的臂力最小为 0 15N 最大为 8000N 本 液压机械手的臂力为 N 臂 1650 N 安全系数 K 一般可在 1 5 3 本机械手取安全系数 K 2 定 位精度为 1mm 2 工作范围的确定 机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定 一个操作运动的轨迹是几个动作的 合成 在确定的工作范围时 可将轨迹分解成单个的动作 由单个动作的行程确定机械手的最大行 程 本机械手的动作范围确定如下 手腕回转角度 110 手臂伸长量 500mm 手臂回转角度 110 手臂升降行程 100mm 3 确定运动速度 机械手各动作的最大行程确定之后 可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间 进而确 定各动作的运动速度 液压上料机械手要完成整个上料过程 需完成夹紧工件 手臂升降 伸缩 回转 平移等一系列的动作 这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成 具体时间的分配取决 于很多因素 根据各种因素反复考虑 对分配的方案进行比较 才能确定 机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节 如果两个动作同时进行 要按时间长的计算 分 配各动作时间应考虑以下要求 给定的运动时间应大于电气 液压元件的执行时间 伸缩运动的速度要大于回转运动的速度 因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性 在满足工作拍节要求的条件下 应尽量选取较低的运动速度 机械手的运动速度与臂力 行程 驱 动方式 缓冲方式 定位方式都有很大关系 应根据具体情况加以确定 在工作拍节短 动作多的情况下 常使几个动作同时进行 为此驱动系统要采取相应的措 施 以保证动作的同步 液压上料机械手的各运动速度如下 手腕回转速度 V腕回 45 s 手臂伸缩速度 V臂伸 750 mm s 手臂回转速度 V臂回 110 s 手臂升降速度 V臂升 250 mm s 手指夹紧油缸的运动速度 V夹 50 mm s 8 4 手臂的配置形式 机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局 运动要求 操作环境 工作对象的不同 手臂的配置形式也不尽相同 本机械手采用机座式 机座式结构多为工业机器人所采用 机座上可 以装上独立的控制装置 便于搬运与安放 机座底部也可以安装行走机构 已扩大其活动范围 它 分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式 本机械手采用手臂配置在机座立柱上 的形式 手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型 它有升降 伸缩与回转运动 工作范围 较大 5 位置检测装置的选择 机械手常用的位置检测方式有三种 行程开关式 模拟式和数字式 本机械手采用行程开关式 利用行程开关检测位置 精度低 故一般与机械挡块联合应用 在机械手中 用行程开关与机械挡 块检测定位既精度高又简单实用可靠 故应用也是最多的 6 驱动与控制方式的选择 机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的 要尽量选择控制性 能好 体积小 维修方便 成本底的方式 控制系统也有不同的类型 除一些专用机械手外 大多数机械手均需进行专门的控制系统的设 计 驱动方式一般有四种 气压驱动 液压驱动 电气驱动和机械驱动 参考 工业机器人 表 9 6 和表 9 7 按照设计要求 本机械手采用的驱动方式为液压驱动 控 制方式为继电 接触器控制 9 一 一 手部结构手部结构 一 概述 手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件 它具有模仿人手的功 能 并安装于机械手手臂的前端 机械手结构型式不象人手 它的手指形状也不象人的手指 它没 有手掌 只有自身的运动将物体包住 因此 手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形 状 尺寸 重量 材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构 它一般可分为钳爪式 气吸式 电磁式和其他型式 钳爪式手部结构由手指和传力机构组成 其传力机构形式比较多 如 滑槽杠杆式 连杆杠杆式 斜楔杠杆式 齿轮齿条式 弹簧杠杆式 等 这里采用滑槽杠杆式 二 设计时应考虑的几个问题 1 应具有足够的握力 即夹紧力 在确定手指的握力时 除考虑工件重量外 还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振 动 以保证工件不致产生松动或脱落 2 手指间应有一定的开闭角 两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角 手指的开闭角保证工件 能顺利进入或脱开 若夹持不同直径的工件 应按最大直径的工件考虑 3 应保证工件的准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置 必须根据被抓取工件的形状 选择相应的手指 形状 例如圆柱形工件采用带 V 形面的手指 以便自动定心 4 应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外 还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的 影响 要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形 但应尽量使结构简单紧凑 自重轻 5 应考虑被抓取对象的要求 应根据抓取工件的形状 抓取部位和抓取数量的不同 来设计和确定手指的形状 3 三 驱动力的计算 10 1 手指 2 销轴 3 拉杆 4 指座 图 1 滑槽杠杆式手部受力分析 如图所示为滑槽式手部结构 在拉杆 3 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 其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向 1 F 2 F O点 和的延长线交O1O2于A及B AOC BOC 根据销轴的力平衡条件 1 F 2 F 即 Fx 0 得 12 FF Fy 0 得 1 2cos F F 11 FF 销轴对手指的作用力为 手指握紧工件时所需的力称为握力 即夹紧力 假想握力作用 1 F 在过手指与工件接触面的对称平面内 并设两力的大小相等 方向相反 以表示 由手指的力矩 N F 平衡条件 即得 1 0M F 1N F hF b h a cos 11 F 2 2 cos N bFa 式中 a 手指的回转支点到对称中心线的距离 mm 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角 由上式可知 当驱动力 F 一定时 角增大则握力也随之增加 但 角过大会导致拉杆 N F 即活塞 的行程过大 以及手指滑槽尺寸长度增大 使之结构加大 因此 一般取 30 40 这 里取角 30 这种手部结构简单 具有动作灵活 手指开闭角大等特点 综合前面驱动力的计算方法 可 求出驱动力的大小 为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力 振动以及传力机构效率的影响 其 实际的驱动力 F 实际应按以下公式计算 即 F F 计件 实际 本机械手的工件只做水平和垂直平移 当它的移动速度为 250mm s 系统达到最高速度的时间 根据设计参数选取 一般取 0 03 0 5s 移动加速度为 工件重量 G 为 294N V 型钳口 2 150 mm s 的夹角为 120 30 时 拉紧油缸的驱动力 F 和计算如下 F实际 1 手指对工件的夹紧力计算公式 123 FKG N KK 式中 安全系数 通常取 1 2 2 0 1 K 工作情况系数 主要考虑惯性力的影响 可近似按下式估算 2 K 1 05 其中 2 1 a K g 2 0 25 0 5 0 5 v am s t 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按 工业机械手设 3 K 计 表 2 2 选取 3 4K 1 2 1 05 4 2941481 76 N FNN 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 2 得 b 80 2 F 2 cosFNFba 计件 2 F 2 80 cos 301492 50 3556N 计件 12 3 取手指传力效率 0 85 则 F 3556 0 85 4183 5N 5000NF 实际计件 四 夹紧缸的设计计算 1 夹紧缸主要尺寸的计算 由前知 液压缸 设夹紧工件时的行程为 25mm 时间为 0 5s 则所需夹紧力为 工作压力取 1MP 考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑 取工作压力为 2 5MP 选取 d 0 5D 得 6 44 4183 5 47 5 p2 5 100 95 F Dmm 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 根据液压缸内径系列 JB826 66 选取液压缸内径 D 50mm 同理查得活塞杆直径 d 22mm 2 缸体结构及验算 缸体采用 45 号无缝钢管 由 JB1068 67 查得可取缸筒外径 75mm 则12 5mm 则 163 2 D 6 66 2 5 1050 5 48 2 3 2 3 110 102 5 10 1 pD mm p 件 13 12 5mm 件 3 液压缸额定工作压力 MP 应低于一定极限值 以保证工作安全 N P 22 1 2 1 0 3536 36 s Na DD PMP D 式中 D 缸筒内径 缸筒外径 1 D 缸筒材料的屈服点 45 号钢为 340MPa s 已知工作压力 故安全 2 536 36 Naa PMPMP 4 缸筒两端部的计算 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 max 0 p 0 4336 8 d D hDmm D 考虑结构要求 取 h 10mm 式中 D 缸筒内径 液压缸最大工作压力 取 max P max 25 N PPMP 缸底材料的许用应力 材料为 45 号钢 n 600 120 5 b MP n 为安全系数 取 n 5 缸筒底部联接强度计算 缸筒底部采用螺钉联接法兰式缸头 材料为 35 号钢 联接图如下 14 图 2 外卡环联接图 卡环尺寸一般取 12 5 2 5 2 hlmm h hhmm 外卡环 a b 侧面的挤压应力为 c 262 max1 1 4 10 0 06 25 04310 2D 0 05 2 0 060 05 c pD MPMP hh 缸筒危险截面 A A 上的拉应力 262 max1 2222 1 4 10 0 06 27 43520 D 0 060 05 0 05 pD MPMP hD 故知缸筒底部联接安全 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 图 3 螺钉联接图 15 螺纹处的拉应力 66 2 1 3 470 101026 26 0 0041344 44 KF MP d Z 螺纹处的剪应力 66 10 33 1 0 12 3 470 0 005 101015 38 0 20 2 0 0041344 K KFd MP d Z 则合成应力 22 337 4MP 120 n aMPa 则知螺纹连接处安全可靠 其中 K 拧紧螺纹的系数 取 K 3 螺纹连接处的摩擦系数 1 K 1 0 12K 螺纹外径 0 d 0 0 006dm 螺纹底径 1 d 1 0 004134dm Z 螺钉数量 Z 4 16 二 二 腕部的结构腕部的结构 一 概述 腕部是连接手部与臂部的部件 起支承手部的作用 设计腕部时要注意以下几点 结构紧凑 重量尽量轻 转动灵活 密封性要好 注意解决好腕部也手部 臂部的连接 以及各个自由度的位置检测 管线的布置以及润 滑 维修 调整等问题 要适应工作环境的需要 另外 通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过 以便手腕转动时管路不扭转和不外露 使外 形整齐 二二 腕部的结构形式腕部的结构形式 本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动 结构紧凑 体积小 但密封性差 回转角度为 115 如下图所示为腕部的结构 定片与后盖 回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位 动 片与手部的夹紧油缸缸体用键连接 夹紧缸体也指座固连成一体 当回转油缸的两腔分别通入压力 油时 驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动 即为手腕的回转运动 17 图 3 机械手的腕部结构 三三 手腕驱动力矩的计算手腕驱动力矩的计算 驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩 手腕的转动轴与支承孔处 的摩擦阻力矩 动片与缸径 定片 端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不 重合所产生的偏重力矩 手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算 M M MM驱 惯件件 式中 驱动手腕转动的驱动力矩M驱 惯性力矩 M惯 参与转动的零部件的重量 包括工件 手部 手腕回转缸体的动片 对转动轴M件 线所产生的偏重力矩 手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 M件 18 腕部回转力矩计算图 1 摩擦阻力矩M摩 1122 M 2 f 件 件ND ND件 式中 f 轴承的摩擦系数 滚动轴承取 f 0 01 0 02 滑动轴承取 f 0 1 N1 N2 轴承支承反力 N D1 D2 轴承直径 m 由设计知D1 0 035m D2 0 075m N1 800N N2 200N G1 294N e 0 020 时 0 1 M 800 0 035 200 0 075 2 件 件 件 得 M摩 2 15 N m 2 工件重心引起的偏置力矩M件 1 MeG 件 19 式中 G1 工件重量 N e 偏心距 即工件重心到碗回转中心线的垂直距离 当工件重心与手腕回转中心线重 合时 为零M件 当 e 0 020 G1 294N 时 5 88 N m M件 3 腕部启动时的惯性阻力矩M惯 当知道手腕回转角速度时 可用下式计算 M惯 M t JJ 惯件件 式中 手腕回转角速度 1 s t 手腕启动过程中所用时间 s 假定启动过程中近为加速运动 一般取 0 05 0 3s J 手腕回转部件对回转轴线的转动惯量 kg m 2 工件对手腕回转轴线的转动惯量 kg m J件件 2 按已知计算 222 22222 11 m60 0 050 075 22 11 m l 3R 30 0 1 3 0 04 0 037 1212 0 78 1 st JRkg m Jkg m 件件 件件件 0 3s 故 0 29 N m M惯 考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素 一般将 M 取大一些 可取 MM M M 驱惯件件 1 1 1 2 因此 得M 1 2 2 15 5 88 0 29 10 N m 驱 20 4 回转液压缸所产生的驱动力矩计算 回转液压缸所产生的驱动力矩必须大干总的阻力矩 M总 下图为机械手的手腕回转液压缸 定片 1 与缸体 2 固定连接 动片 3 与转轴 5 固定连接 当 a b 口分别进出油时 动片带动转轴回转 达到手腕回转目的 回转缸简图 1 定片 2 缸体 3 动片 4 密封圈 5 转轴 式中 手腕回转时的总的阻力矩M总 p 回转液压缸的工作压力 R 缸体内孔半径 r 输出轴半径 b 动片宽度 22 M 2 pb Rr M 总 21 三 三 臂部的结构臂部的结构 一 概述 臂部是机械手的主要执行部件 其作用是支承手部和腕部 并将被抓取的工件传送到给定位置 和方位上 因而一般机械手的手臂有三个自由度 即手臂的伸缩 左右回转和升降运动 手臂的回 转和升降运动是通过立柱来实现的 立柱的横向移动即为手臂的横向移动 手臂的各种运动通常由 驱动机构和各种传动机构来实现 因此 它不仅仅承受被抓取工件的重量 而且承受手部 手腕 和手臂自身的重量 手臂的结构 工作范围 灵活性以及抓重大小 即臂力 和定位精度等都直接 影响机械手的工作性能 所以必须根据机械手的抓取重量 运动形式 自由度数 运动速度及其定 位精度的要求来设计手臂的结构型式 同时 设计时必须考虑到手臂的受力情况 油缸及导向装置 的布置 内部管路与手腕的连接形式等因素 因此设计臂部时一般要注意下述要求 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形 手臂的截面形状的选择要合理 弓 字形截面弯曲刚度一般比圆截面大 空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多 所以常用钢 管作臂杆及导向杆 用工字钢和槽钢作支承板 导向性要好 为防止手臂在直线移动中 沿运动轴线发生相对运动 或设置导向装置 或 设计方形 花键等形式的臂杆 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩 为提高 机器人的运动速度 要尽量减少臂部运动部分的重量 以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动 惯量 运动要平稳 定位精度要高 由于臂部运动速度越高 重量越大 惯性力引起的定位前 的冲击也就越大 运动即不平稳 定位精度也不会高 故应尽量减少小臂部运动部分的重量 使结 构紧凑 重量轻 同时要采取一定的缓冲措施 二 手臂直线运动机构 机械手手臂的伸缩 升降均属于直线运动 而实现手臂往复直线运动的机构形式比较多 常用 的有活塞油 气 缸 活塞缸和齿轮齿条机构 丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构 4 2 1 手臂伸缩运动 这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸 由于活塞油缸的体积小 重量轻 因而在 机械手的手臂机构中应用比较多 如下图所示为双导向杆手臂的伸缩结构 手臂和手腕是通过连接 板安装在升降油缸的上端 当双作用油缸 1 的两腔分别通入压力油时 则推动活塞杆 2 即手臂 作往复直线运动 导向杆 3 在导向套 4 内移动 以防止手臂伸缩时的转动 并兼做手腕回转缸 6 及 手部 7 的夹紧油缸用的输油管道 由于手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间 由导向杆承受弯曲作 用 活塞杆只受拉压作用 故受力简单 传动平稳 外形整齐美观 结构紧凑 可用于抓重大 行 程较长的场合 22 图 5 双导向杆手臂的伸缩结构 4 2 2 导向装置 液压驱动的机械手手臂在进行伸缩 或升降 运动时 为了防止手臂绕轴线发生转动 以保证手 指的正确方向 并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用 以增加手臂的刚性 在设计手臂的结构时 必须采用适当的导向装置 它根据手臂的安装形式 具体的结构和抓取重量等因素加以确定 同时 在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量 目前采用的导 向装置有单导向杆 双导向杆 四导向杆和其他的导向装置 本机械手采用的是双导向杆导向机构 双导向杆配置在手臂伸缩油缸两侧 并兼做手部和手腕油路的管道 对于伸缩行程大的手臂 为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形 可在导向杆尾部增设辅助支承架 以提高导向杆的刚性 如图 5 所示 对于伸缩行程大的手臂 为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形 可在导向杆尾 部增设辅助支承架 以提高导向杆的刚性 如下图所示 在导向杆 1 的尾端用支承架 4 将两个导向 杆连接起来 支承架的两侧安装两个滚动轴承 2 当导向杆随同伸缩缸的活塞杆一起移动时 支承 架上的滚动轴承就在支承板 3 的支承面上滚动 双导向杆手臂结构 4 2 3 手臂的升降运动 如图 6 所示为手臂的升降运动机构 当升降缸上下两腔通压力油时 活塞杠 4 做上下运动 活塞 缸体 2 固定在旋转轴上 由活塞杆带动套筒 3 做升降运动 其导向作用靠立柱的平键 9 实现 图中 6 为位置检测装置 23 图 6 手臂升降和回转机构图 三 手臂回转运动 实现手臂回转运动的机构形式是多种多样的 常用的有回转缸 齿轮传动机构 链轮传动机构 连杆机构等 本机械手采用齿条缸式臂回转机构 如图 6 所示 回转运动由齿条活塞杆 8 驱动齿轮 带动配油轴和缸体一起转动 再通过缸体上的平键 9 带动外套一起转动实现手臂的回转 四 手臂的设计计算 为便于进行液压机械手的设计计算 我们分别叙述伸缩液压缸 升降液压缸 回转液压缸的设 计计算 解决臂部运动驱动力的计算问题 结合前面有关臂部和机身的结构设计 最终定出臂部和 机身的结构 计算臂部运动驱动力 包括力矩 时 要把臂部所受的全部负荷考虑进去 机械手工 作时 臂部所受的负荷主要有惯性力 摩擦力和重力等 1 手臂水平伸缩缸的设计计算 24 1 作水平伸缩在线运动液压缸的驱动力 手臂做水平伸缩运动时 首先要克服摩擦阻力 包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支 承滑套之间的摩擦阻力等 还要克服启动过程中的惯性力及加油背压等几方面的阻力 其理论驱动力可按下式计算 FFFFF 件件惯件件 估计参与手臂伸缩运动部件总重量 且重心位置距导向套前端面距离G 1030 9 8392N 为 200mm 的计算 F件 由于导向杆对称分布 导向杆受力均衡 可按一个导向杆计算 由 知 0 A M b GLF a b GL F a 又 则 0Y ab FFG a a a L FG 总 aab 2L 2 184 5300 0 15 392131 1N 300 b a FFFFFG a 件件件总 其中 L 重心距导向套前端距离 184 5mm a 导向套长度 300mm 当量摩擦系数 取 0 15 的计算 F件 当液压缸的工作压力小于 活塞杆直径为液压缸直径的一半 则活塞和活塞杆都 a 10MP 采用 O 型密封圈 此时液压缸的密封阻力为 0 03FFFF驱 件件件件 25 计算 一般背压阻力较小 取 0 05F件F件F驱 的计算 F惯 v392 0 075 150 9 8 0 02 G FN g t 惯 式中 v 由静止加速到常速的变化量 t 起动过程时间 一般取 0 01 0 5s 取 t 0 02s 则 131 1 0 030 05150FFFFFFF 件件件件惯件件 得 305 5NF件 实际驱动力 k2 305 5764 0 8 FFN 件实 式中 k 安全系数 k 2 传力机构机械效率 0 8 2 确定液压缸的结构尺寸 液压缸内径的结构尺寸 如图 当进入无杆腔 2 1 4 D F Fp 当油进入有杆腔 22 2 4 Dd F Fp 液压缸的有效面积 1 F S p 26 因此 取 D 63mm 6 44 764 22 8 2 100 95 F Dmm p 式中 F 驱动力 液压缸的工作压力 1 p d 活塞杆直径 D 液压缸内径 液压缸机械效率 在工程机械中用耐油橡胶可取 0 95 3 液压缸臂厚计算 此缸工作压力为 属低压 则缸筒臂厚采用薄壁计算公式2 a MP 6 1 66 1 2 100 032 C 0 286 2 3 2 3 100 102 10 1 p D mmCmm p 式中 液压缸内工作压力 1 p d 强度系数 无缝钢管 1 C 计入管壁公差及侵蚀的附加厚度 一般圆整到标准臂厚值 D 液压缸内径 4 联接螺钉强度计算 取螺钉数目 Z 4 工作载荷 984 75 246 4 Q F FN Z 预紧力1 3 1 8 392917 28 Q FN 则 查手册取螺纹直径 p 0 75 材料为 35 1 6 4 4 575 64 2 7 162 10 Q F dmm 1 6dmm 号钢的内六角螺钉 6 320 10 1 2 2 5 s n 2 升降缸的设计计算 臂垂直升降运动驱动力的计算 手臂作垂直运动时 除克服摩擦阻力和惯性力之外 还要克服臂部运动部件的重力 故其驱动 力可按下式计算 F FFFFG 件惯件件 27 其中 各支承处的摩擦力 N f 0 16 F件FF f 件件 同上 F件 0 03FFFF件 件件件件 同上 F件 0 05FF 件件 F惯 490 0 025 62 5 9 8 0 02 Gv FN g t 总 惯 G 臂部运动部件及工件的总重量 N 490N 上升时为正 下降时为负 则 0 160 030 0562 5490F FFFFGFFF 件惯件件 得出 F 727N k2 F7271817 5 0 8 FN 实 结构尺寸的确定 缸内径计算 取 D 160mm 6 44 1817 5 34 9 2 100 95 F Dmm p 根据强度要求 计算活塞杆直径 d 6 44 1817 5 4 8 100 10 F dmm 1 80 2 dDmm 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 臂厚同伸缩缸一样 取17mm 联接螺钉强度计算 取螺钉数目 Z 4 工作载荷 1817 5 454 4 4 Q F FN Z 1 3 1 8 454 41063 Q FN 则 查手册取 螺距 P 0 75 材料为 35 1 6 4 4 1063 2 9 162 10 Q F dmm 1 6dmm 28 号钢的内六角螺钉 6 320 10 1 2 2 5 s n 3 手臂回转液压缸的设计计算 臂部回转运动驱动力矩的计算 臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算 若 轴承处的摩擦力忽略不计 则 在设计计算时 为简化计算可不计 直接计入 M MM驱 惯件 M件 回转缸效率中 则 取 0 9 M M 惯 驱 0 M J w t 惯 式中 角速度变化量 rad s w 启动过程时间 0 05 0 5s 取t 0 1ts 手臂回转部件 包括工件 对回转轴线的转动惯量 经分析知 当手臂完全伸 0 J 出时 此时达到最大值 估算此时回转零件的重心到转轴线的距离为 150mm 则 0 J 0c JJJ 件件 22 c 3232 12 50 0 151 125 11 m R R 10 0 16 0 24 0 208 44 Jm J 件件 0 1 92 M J 1 1250 208 25 6 0 1 c ww JJ tt 惯件件 件件 M 25 6 28 4 0 9 M 惯 驱 回转缸参数的计算 22 27 3 8 pd Dd M 驱 2 8 bp M Dd 驱 式中 D 回转缸内径 29 d 转轴直径 p 回转缸工作压力 b 动片宽度 为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 这里取 且 D 2d 2 2 b Dd 2 3 b Dd 对于活塞 导向套筒和油缸等的转动惯量都要做详细计算 因为这些零件的重量较大或回转 半径较大 对总的计算结果影响也较大 对于小零件则可作为质点计算其转动惯量 对其质心转动 惯量忽略不计 对于形状复杂的零件 可划分为几个简单的零件分别进行计算 其中有的部分可当 作质点计算 可以参考 工业机器人 表 4 1 30 四 四 液压系统的设计液压系统的设计 一 液压系统简介 机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质 电动机带动油泵输出压力油 是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能 压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸 推动活塞杆运动 从而使手臂作伸缩 升降等运动 将油液的压力能又转换成机械能 手臂在运动 时所能克服的摩擦阻力大小 以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小 均与油液的压力和 活塞的有效工作面积有关 手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少 这种借 助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动 机械手的液压传动系 统都属于容积式液压传动 二 液压系统的组成 液压传动系统主要由以下几个部分组成 油泵 它供给液压系统压力油 将电动机输出的机械能转换为油液的压力能 用这压力油 驱动整个液压系统工作 液动机 压力油驱动运动部件对外工作部分 手臂做直线运动 液动机就是手臂伸缩油缸 也有回转运动的液动机一般叫作油马达 回转角小于 360 的液动机 一般叫作回转油缸 或称摆动 油缸 控制调节装置 各种阀类 如单向阀 溢流阀 节流阀 调速阀 减压阀 顺序阀等 各起 一定作用 使机械手的手臂 手腕 手指等能够完成所要求的运动 三 机械手液压系统的控制回路 机械手的液压系统 根据机械手自由度的多少 液压系统可繁可简 但是总不外乎由一些基本 控制回路组成 这些基本控制回路具有各种功能 如工作压力的调整 油泵的卸荷 运动的换向 工作速度的调节以及同步运动等 1 压力控制回路 调压回路 在采用定量泵的液压系统中 为控制系统的最大工作压力 一般都在油 泵的出口附近设置溢流阀 用它来调节系统压力 并将多余的油液溢流回油箱 卸荷回路 在机械手各油缸不工作时 油泵电机又不停止工作的情况下 为减少油 泵的功率损耗 节省动力 降低系统的发热 使油泵在低负荷下工作 所以采用卸荷回路 此机械 手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路 减压回路 为了是机械手的液压系统局部压力降低或稳定 在要求减压的支路前串 联一个减压阀 以获得比系统压力更低的压力 平衡与锁紧回路 在机械液压系统中 为防止垂直机构因自重而任意下降 可采用 平衡回路将垂直机构的自重给以平衡 31 为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上 并防止因外力作用而发生位移 可采用锁紧回路 即将油缸的回油路关闭 使活塞停止运动并锁紧 本机械手采用单向顺序阀做平 衡阀实现任意位置锁紧的回路 油泵出口处接单向阀 在油泵出口处接单向阀 其作用有二 第一是保护油泵 液 压系统工作时 油泵向系统供应高压油液 以驱动油缸运动而做功 当一旦电机停止转动 油泵不 再向外供油 系统中原有的高压油液具有一定能量 将迫使油泵反方向转动 结果产生噪音 加速 油泵的磨损 在油泵出油口处加设单向阀后 隔断系统中高压油液和油泵时间的联系 从而起到保 护油缸的作用 第二是防止空气混入系统 在停机时 单向阀把系统能够和油泵隔断 防止系统的 油液通过油泵流回油箱 避免空气混入 以保证启动时的平稳性 2 速度控制回路 液压机械手各种运动速度的控制 主要是改变进入油缸的流量 Q 其控制方法有两类 一类是采 用定量泵 即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量 另一类是采用变量泵 改变油泵的供油量 本机械手采用定量油泵节流调速回路 根据各油泵的运动速度要求 可分别采用 LI 型单向节流阀 LCI 型单向节流阀或 QI 型单向 调速阀等进行调节 节流调速阀的优点是 简单可靠 调速范围较大 价格便宜 其缺点是 有压力和流量损耗 在低速负荷传动时效率低 发热大 采用节流阀进行节流调速时 负荷的变化会引起油缸速度的变化 使速度稳定性差 其原因 是负荷变化会引起油缸速度的变化 使速度稳定性差 其原因是负荷变化会引起节流阀进出油口的 压差变化 因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化 调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量 使油缸的运动速度不受负荷变 化的影响 对速度的平稳性要求高的场合 宜用调速阀实现节流调速 3 方向控制回路 在机械手液压系统中 为控制各油缸 马达的运动方向和接通或关闭油路 通常采用二位二通 二位三通 二位四通电磁阀和电液动滑阀 由电控系统发出电信号 控制电磁铁操纵阀芯换向 使 油缸及油马达的油路换向 实现直线往复运动和正反向转动 目前在液压系统中使用的电磁阀 按其电源的不同 可分为交流电磁阀 D 型 和直流电 磁阀 E 型 两种 交流电磁阀的使用电压一般为 220V 也有 380V 或 36V 直流电磁阀的使用电 压一般为 24V 或 110V 这里采用交流电磁阀 交流电磁阀起动性能好 换向时间短 接线简单 价廉 但是如吸不上时容易烧坏 可靠性差 换向时有冲击 允许换向频率底 寿命较短 5 4 机械手的液压传动系统 液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要内容之一 液压系统图是各种液压元件为满足机械手 动作要求的有机联系图 它通常由一些典型的压力控制 流量控制 方向控制回路加上一些专用回 32 路所组成 绘制液压系统图的一般顺序是 先确定油缸和油泵 再布置中间的控制调节回路和相应元件 以及其他辅助装置 从而组成整个液压系统 并用液压系统图形符号 画出液压原理图 5 4 1 上料机械手的动作顺序 本液压传动上料机械手主要是从一个地方拿到工件后 横移一定的距离后把工件给立式精锻机进 行加工 它的动作顺序是 待料 即起始位置 手指闭合 待夹料立放 插定位销 手臂前 伸 手指张开 手指夹料 手臂上升 手臂缩回 立柱横移 手腕回转 115 拔定 位销 手臂回转 115 插定位销 手臂前伸 手臂中停 此时立式精锻机的卡头下降 卡头夹料 大泵卸荷 手指松开 此时精锻机的卡头夹着料上升 手指闭合 手臂缩回 手臂下降 手腕反转 手腕复位 拔定位销 手臂反转 上料机械手复位 立柱回 移 回到起始位置 待料 一个循环结束 卸荷 上述动作均由电控系统发信控制相应的电磁换向阀 按程序依次步进动作而实现的 该电 控系统的步进控制环节采用步进选线器 其步进动作是在每一步动作完成后 使行程开关的触点闭 合或依据每一步动作的预设停留时间 使时间继电器动作而发信 使步进器顺序 跳步 控制电磁阀 的电磁铁线圈通断电 使电磁铁按程序动作 见电磁铁动作程序表 实现液压系统的自动控制 5 4 2 自动上料机械手液压系统原理介绍 图 9 机械手液压系统图 33 液压系统原理如图 8 所示 该系统选用功率 N 7 5 千瓦的电动机 带动双联叶片泵 YB 35 18 其公称压力为 60 10 帕 流量为 35 升 分 18 升 分 53 升 分 系统压力调节为 30 10 帕 油箱容 55 积选为 250 升 手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时两个油泵同时供油 手臂及手腕的回转和手指夹 紧用的拉紧油缸以及手臂回转的定位油缸工作时只有小油泵供油 大泵自动卸荷 手臂伸缩 手臂升降 手臂回转 手臂横向移动和手腕回转油路采用单向调速阀 QI 63B QI 25B QI 10B 回程节流 因而速度可调 工作平稳 手臂升降油缸支路设置有单向顺序阀 XI 63B 可以调整顺序阀的弹簧力使之在活塞 活塞 杆及其所支承的手臂等自重所引起的油液压力作用下仍保持断路 工作时油泵输出的压力油进入升 降油缸上腔 作用在顺序阀的压力增加使之接通 活塞便向下运动 当活塞要上升时 压力油液经 单向阀进入升降油缸下腔而不会被顺序阀所阻 这样采用单向顺序阀克服手臂等自重 以防下滑 性能稳定可靠 手指夹紧油缸支路装有液控单向阀 IY 25B 使手指夹紧工件时不受系统压力波动的影响 保证保证手指夹持工件牢靠 当反向进油时 油箱通过控制油路将单向阀芯顶开 使回油路接通 油液流回油箱 在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低 为此在定位油缸支路前串有减压 阀 J 10 使定位油缸获得适应压力为 15 18 10 帕 同时还给电液动滑阀 或称电液换向阀 5 34DY 63B 来实现 空载卸荷不致使油温升高 系统的压力由溢流阀来调节 此系统四个主压力油路的压力测量 是通过转换压力表开关 K 3B 的位置来实现的 被测 量的四个主油路的压力值 分别从压力表 Y 60 上表示出来 下面以上料机械手的一个典型动作程序为例 结合图 8 来说明其动作循环 当电动机启动 带动双联叶片泵 3 和 8 回转 油液从油箱 1 中通过网式滤油器 2 和 7 经过 叶片泵被送到工作油路中去 如果机械手还未启动 则油液通过二位二通电磁阀 5 和 10 电磁铁 11DT 和 12DT 通电 进行卸荷 当热棒料到达上料的位置后 由于 1150 的热料使光电继电器发出电信号 或经过人工启动 经过步进选线器跳步 使机械手开始按程序动作 此时卸荷停止 二位二通电磁阀 5 和 10 的电磁 铁断电 电磁铁 3DT 通电 压力油进到定位油缸的无杆腔进行定位动作 定位后此支油路系统压 力升高 压力继电器 40 发出电信号 经过步进选线器跳步使电磁铁 1DT 通电 电液换向阀 25 从 O 型滑滑机能状态变成通路 压力油泵从 3 和 8 经单向阀 6 14 和 13 经过电液换向阀 25 右边通 道进入手臂伸缩油缸的右腔 使活塞杆带动导向杆作前伸运动 因活塞缸固定 手臂前伸到适当位 置 装在手臂上的碰铁碰行程开关发出电信号 经步进选线器和时间继电器延时 是电磁铁 3DT 通 电 手指张开 手臂靠惯性滑行 手指移到待上料的中心位置 在延时结束时 3DT 断电 手指夹 紧料 并同时发信 跳步 使电磁铁 4DT 通电 压力油从工作油路 39 经电液换向阀 33 右边通道 34 单向调速阀 34 的单向阀及单向顺序阀 35 的单向阀进入手臂升降油缸的下腔 推动手臂上升 在手 臂上升到预定位置 碰行程开关 使电磁铁 4DT 断电 电液换向阀 33 复位成 O 型滑阀机能状态 发出电信号经步进选线器跳步 使电磁铁 2DT 通电 电液换向阀 25 左边接通油路 压力油通过电 液换向阀 25 左边通道 经过单向调速阀 26 的单向阀进入受臂伸缩油缸左腔使受臂缩回 同时发信 跳步 使电磁铁 13DT 通电 压力油通过电液换向阀 41 的左腔 推动手臂横向移动 当横向移动机 构上的碰铁碰到行程开关 使 13DT 断电 并发出电信号经步进选线器跳步使 6DT 通电 则换向阀 18 右边接通油路 压力油通过单向调速阀 19 的单向阀进入手腕回转油缸一腔 使手腕回转 115 手腕上的碰铁碰行程开关使 6DT 断电 换向阀 18 复位成 O 型滑阀机能状态 同时亦使 8DT 断电 定位油缸复位 拔销 压力继电器复位 发出电信号 经步进选线器跳步 使电磁铁 9DT 通电 换向阀 28 右边通道接通油路 压力油经 QI 31 的单向阀进入手臂回转油缸一腔使手臂回转 115 当手臂的回转碰铁碰行程开关使 9DT 断电 换向阀 28 复位成 O 型滑阀机能状态 并发出电信号 步进选线器跳步 使 8DT 通电 定位油缸 17 动作 插定位销 压力继电器 40 发出电信号经发出电 信号 经步进选线器跳步 使电磁铁 1DT 通电 手臂前伸 当手臂将棒料送到立式精锻机的夹头轴 线前的适当距离 手臂的碰铁碰行程开关 1DT 断电 手臂靠滑行和定位螺钉使手臂将棒料送到夹 头轴线处 并发出电信号 跳步使 12DT 通电 大泵卸荷 手臂处于 中停 位置 同时发出电信号使 立式精锻机启动 夹头下降 行程开关发信 通过时间继电器使夹头闭合将棒料夹牢 精锻机电控 系统发信 给机械手电控系统 经过选线器跳步 时间继电器延时使 3DT 通电 机械手手指松开 同时 精锻机的电控系统发信使夹头提升 延时到 3DT 断电 手指闭合 并发出电信号 步选 器跳步 2DT 通电 手臂缩回 当手笔碰铁碰到行程开关时 2DT 断电 手臂缩回停 并发出电信 号和跳步 使 5DT 通电 电液换向阀 33 的左边通道接通油路 压力油经 QI 36 的单向阀进到升 降缸的上腔 使手臂下降 当升降导套上的碰铁碰行程开关时 5DT 断电 手臂下降停 并发出电 信号和跳步 使 7DT 通电 换向罚 18 的左边通道接通油路 压力油 QI 20 的单向阀进入手腕回 转油缸的另一腔 使手腕反转 115 手腕上的碰铁碰行程开关 使 7DT 断电并发出电信号 跳步 使 8DT 断电 拔定位销 压力继电器复位发出电信