搬运机械手机构与控制电路设计【含13张CAD图纸+PDF图】
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搬运机械手机构设计与控制电路设计毕 业 设 计（论 文）题 目： 搬运机械手机构与控制电路设计 （英文）： Design of Manipulator Mechanism and Control Circuit 院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 搬运机械手机构设计与控制电路设计摘要机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用于按固定程序抓取、搬运物体或操作工具的自动操作装置。它可以代替人的繁重劳动以实现生产自动化和机械化，能在有害环境下操作以保证人的安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。在工业部门中应用的机械手称为工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。设计包含了机械手的结构设计及控制电路设计，其中在结构设计这方面包含了机械手的手部结构、腕部结构、臂部结构设计及机身的整体结构设计。在控制电路设计这方面包含了液压驱动控制设计、器件的选择设计、PLC可编程自动控制电路设计。本毕业设计搬运机械手机构与控制电路设计非常适合作为机械电子工程这门专业大学四年的一个总结。因为其中包含了机械设计与电路设计，是机械与电子的结合体，能充分体现这门专业的内涵。关键词：机械手；手部；腕部；臂部；机身；液压；电路Design of Manipulator Mechanism and Control Circuit ABSTRACTManipulator is a kind of automatic control and from the new process to change the multi-function machine, he has multiple degrees of freedom, can carry objects to complete the work in different environments. Mechanical hand can imitate hand and arm function for some action, according to a fixed program to crawl, moving objects or to operate the automatic tool operation device. It can replace people arduous labor to realize production automation and mechanization, can operate under the hostile environment to guarantee the security of the person, and so it is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electron, light industry and atomic energy industries. In the industrial sector in the application of the mechanical hand is called the industrial manipulator. Industrial machinery hand is the modern automatic control in the field of a new technology developed in recent years, is a high-tech automated production equipment. Involves mechanics, mechanical, electrical and hydraulic technology, the automatic control technology, sensor technology and computer technology and other fields of science, is an interdisciplinary comprehensive technology. It is characterized by a variety of programming to complete the expected operation, in the structure and performance of both people and machines to their respective advantages, especially in human intelligence and adaptability. Mechanical hand operating accuracy and environment to complete operations capability, in the national economy has a broad development space. This design includes the structure of the manipulator design and the control circuit, wherein the structure design that incorporates a mechanical hand, wrist, arm structure structure structure design and the overall structure of the design. Early control circuit design which contains a hydraulic drive control design, choice of sensors design, PLC programmable automatic control circuit design. This graduation design handling manipulator mechanism and control circuit design is suitable for the mechanical electronic engineering this specialized university four years in a summary. Because of which includes the mechanical design and circuit design, mechanical and electronic integration, can fully reflect the professional connotation. Key words: mechanical hand; hand; wrist; arm; the fuselage; hydraulic circuit目录第一章 绪论11.1机械手的研究概况11.2机械手发展方向11.3工业机械手在生产中的应用21.4本设计中研究的主要内容3第二章 搬运机械手的总体设计方案42.1机械手的组成42.2机械手基本结构的选择42.3机械手的执行机构42.4机械手的驱动机构42.5机械手的控制方式选择52.6机械手的技术参数列表5第三章 搬运机械手手臂各部件的设计63.1机械手手部的设计计算63.1.1手部设计基本要求63.1.2 手部机构的选择63.1.3手抓的设计计算63.2腕部的设计计算173.2.1腕部设计基本要求173.2.2 腕部机构的选择173.2.3腕部的设计计算183.3臂部的设计计算243.3.1臂部设计基本要求243.3.2 臂部机构方案的选择253.3.3臂部的设计计算27第四章 机身的设计计算404.1机身的总体设计404.2机身的升降机构设计计算414.2.1手臂偏重力矩的计算414.2.2升降导向立柱不自锁条件分析计算424.2.3机身升降液压缸驱动力矩的计算434.2.4手臂升降液压缸参数计算444.3机身的回转机构设计计算494.3.1机身回转液压缸驱动力矩计算494.3.2机身回转液压缸主要参数514.3.4机身回转液压缸螺钉的计算524.3.5动片与输出轴间的连接螺钉计算534.3.6机身回转液压缸筒的壁厚校核544.4联接板的设计554.4.1联接板的介绍及作用55第五章 液压驱动系统与控制电路的设计575.1驱动系统设计要求575.2驱动系统设计方案575.3驱动系统设计585.3.1分功能设计分析585.3.2液压泵的确定与所需功率计算595.4控制电路设计66参考文献67致谢68附录A69第一章 绪论 1.1机械手的研究概况机械手是一种模拟人手操作的自动机械。可按人们所设计的固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。在工业生产生活中应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，更能提高生产效率，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部和运动机构组成。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。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、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。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。1.2机械手发展方向现阶段关于机械手的研究发展方向大体主要往重复高精度、模块化、机电一体化等方向上升级。（1）重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高, 它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等。（2）模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置, 使机械手运动自如。模块化机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是机械手的一个重要的发展方向。（3）机电一体化由“可编程序控制器- 传感器- 液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面，发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件, 使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”，省配线的复合集成系统, 不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而PLC的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越可能。1.3工业机械手在生产中的应用国内外机械工业中机械手主要应用于以下几方面： （1）热加工方面的应用。 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作 （2）冷加工方面的应用。 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。 （3）拆修装方面的应用。 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。1.4本设计中研究的主要内容本毕业设计搬运机械手机构设计与电路控制设计主要研究包括机械手机构和传动系统设计：机械手搬运最大物重：30Kg，直径为：以下尺寸的圆形棒料。物品移动范围为半径为1.2m的扇形区域，高度变化范围为：1.5m ，要求设计寿命10年。完成机体和传动机构的总体设计，并完成指定零件的零件图设计。进行必要零部件的受力分析与强度验算；绘制总装图和相关零件图。必要时进行优化设计和应力分析。在以上给定参数条件下，设计出应用标准元件最多，体积最小、机构最为合理、强度足够，基本能交付工程实际的设计资料。第二章 搬运机械手的总体设计方案2.1机械手的组成机械手是由执行机构、驱动机构以及控制机构三大部分组成。2.2机械手基本结构的选择机械手按其基本结构可分为：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、平面坐标式、柔软臂式、冗余自由度式、模块式等多种结构。由于本设计搬运机械手大多用于生产线上物料的上下搬运，所以所要求的自由度不高，只有机身的上下运动，手臂的伸缩及平面转动，腕部的翻转。结合上面多种结构，本设计将采用圆柱坐标式结构。圆柱坐标型机械手结构具有结构简单，定位精度较高，占地面积小等特点。2.3机械手的执行机构机械手的执行机构主要包括以下几部分：（1）末端操作（执行）器：又称手部，是在手腕上配置的操作机构，有时也称手抓。是操作机直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。（2）手腕：是支乘和调整末端执行器姿态的部件，连接手部与臂部的部分。主要用来确定和改变末端执行器的方向；改变产品的空间方向；将作业载荷传递到手臂；扩大手臂的移动范围。（3）手臂：是连接机身与手腕的部分，用于支乘和调整手腕与末端执行器位置的部件，由操作机的动力关节与连接杆件等构成。主要作用是改变手部的空间位置，满足机器手的作业空间，并将各种载荷传递到机座。（4）机身：也称机座，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件，起支乘作用。分为移动式与固定式两类，对固定机器人，直接连接在地面基础上；对移动式机器人，则安装在移动机构上，可以扩大机器人的活动范围。2.4机械手的驱动机构根据机械手驱动的动力源不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气压、电动和机械驱动等四类。四种驱动进行对比，由于液压驱动具有结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便等优点，所以在本设计中将采用液压机构驱动机械手。2.5机械手的控制方式选择机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。控制系统可根据动作的要求，设计采用PLC动作顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。2.6机械手的技术参数列表最大抓去物重：30Kg自由度数：4个自由度（手抓张合、手部回转、手臂伸缩、手臂回转、手臂升降）坐标形式：圆柱坐标式抓取物料最大直径：以下尺寸的圆形棒料物品移动范围：半径为R0.5m的扇形区域高度变化范围：0.5m使用寿命：10年第三章 搬运机械手手臂各部件的设计3.1机械手手部的设计计算3.1.1手部设计基本要求（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。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） 应考虑到手抓抓取物料时是否会损坏物料便面精度或使物料发生变形。（3） 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。（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） 应保证手抓的夹持精度。3.1.2 手部机构的选择手部结构根据手抓开合的动作特点分为回转型和移动型两类。其中回转型又分为一支点回转和多支点回转；根据手抓夹紧是摆动还是平动，又分为摆动回转型和平动回转型。夹钳式手部中较多的是回转型手部，一般有单作用斜楔式回转型手部、滑槽式杠杆回转型手部、双支点连杠杠杆手部、齿条齿轮杠杆式手部等。平移型夹钳式手部大致可分为直线往复移动机构和平面平行移动机构两种类型。但由于平移型夹钳式手部是通过手指的指面作直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作，常用于夹持具有平行平面的工件（如箱体），其结构叫复杂，不如回转型手部应用广泛。综上其述本设计中将采用最结构简单，最常用的滑槽式杠杆会装型手部机构。3.1.3手抓的设计计算3.1.3.1手抓结构的力学分析下面对其基本结构进行受力分析：滑槽杠杆受力图如下图3.1 滑槽杠杆时手部结构简图、受力分析图中在杠杆的作用下，销轴向上的拉力为F，并通过销轴中心点O点，两手指的滑槽对销轴的反作用为和，其力的方向沿滑槽的中心线和并指向O点。则可得：（3.1）得（3.2） （3.3）得 （3.4）（3.5）（3.6）得 （3.7）（3.8）所以手抓的驱动力： （3.9）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=，本设计中将设。这种手部的结构简单，具有动作灵活，手指开闭角度打等特点。3.1.3.2夹紧力与驱动力的计算钳抓式手部夹紧力的计算必须根据手指和工件的形状、手指夹持工件时不同的方位进行具体分析，由工业机械手设计基础中表21所列出的不同形状的手指与工件在不同方位夹持式的夹紧力计算公式：图3.2 夹紧力计算公式由于本设计中时采用手指水平位置移动夹紧，工件水平放置，手指形状为V型指型夹持圆形棒料的形式，常用的V型块角有和两种，本设计中选取V型块角。由上表可知： （3.10） 式中G为所夹持工件的重量 （3.11）即： （3.12）驱动力： （3.13）为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及船里机构效率的影响，其实际的驱动力： （3.14）式中 手部的机械效率，一般取（0.850.95） =0.9 安全系数，一般为（1.22） =1.5 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按以下估计， ，其中为被抓取工件运动时的最大加速度， 为重力加速度（）为运载工件的最大速度，设为系统达到的最高响应时间，一般取（0.03s0.5s），设即 （3.15）由于手指长b与手指宽a尚未确定，无法确定驱动力大小，又由于b与a关系到手指的夹持精度，所以需先进行夹持定位精度分析。3.1.3.3机械手手抓夹持精度的分析计算 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。如下图所示：图3.3 手抓夹持精度图钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O的距离为x,则x=（3.16）当工件直径变化时,x的变化量即为夹持精度（定位误差）,设工件半径R由变化到时,其最大定位误差为=- （3.17）其中本设计中所要求的是夹持以下的圆形棒料，由于夹持精度1mm，所需要夹持的工件最大半径所以假设，代入公式计算得最大定位误差： =79.158-80=0.8421故符合要求。3.1.3.4手抓夹持范围计算及滑槽长度为保证手抓张开角时有足够的宽度加持工件，张开角不宜过大也不宜过小，则选手抓张开角为，由上可知手指长，手指宽，如下图所示，当手抓没有张开角的时候，它所夹持的为最小半径。图3.4 手抓夹持最小半径当手抓张开角为时，手抓将抓取工件的最大半径才符合要求。如下图所示：图3.5 手抓夹持最大半径则最大夹持半径：（3.18）符合要求。滑槽杠杆中的滑槽长度由图中可知从点1运动到点2的距离为：（3.19）即驱动杠与两手指杠杆所连接的圆柱销在长滑槽中的移动距离 所以取3.1.3.5手抓液压缸的确定现已知，可求出驱动杠的驱动力F：（3.20）则实际驱动力为：（3.21）由下表可知：表3.1 液压缸负载与工作压力之间的关系负载F/N50000缸工作压力P/MPa20速比1.331.46 ；22由上表可得本设计中的速比为： 3.3.3.3液压缸缸筒内径D和活塞杆直径d的确定a、液压缸缸筒内径D可按下式计算得：（3.75）式中：，查表3.2可取液压缸缸筒内径为：b、活塞杆直径d可按下式计算得：（3.76）由表3.3可查活塞杆直径为：3.3.3.4最大工作行程和最小导向长度液压缸的最小导向长度是指当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离，若导向长度太小，式液压缸因间隙引起的初始挠度增大，从而影响液压缸的稳定性。对于一般液压缸的最小导向长度H应满足下列要求：（3.77）式中L为最大工作行程 一般导向套滑动面的长度A，在缸筒D80mm时，取缸筒内径D的0.61.0倍，活塞宽度B取缸筒内径D的0.61.0倍，为保证最小导向长度而过分的增大导向套长度和活塞宽度都是不适宜的，最好的办法是在导向套与活塞之间装一隔离套K，其长度C由所需的最小导向长度决定。采用导向套不仅能保证最小导向长度，而且还能扩大导向套及活塞的通用性。如下图所示：图3.8 导向长度导向套滑动面的长度（3.78）活塞宽度 （3.79）隔离套长度 （3.80）3.3.3.5缸筒壁厚和外径计算根据标准液压缸外径系列表选择，为了尽可能满足要求，由下表可选取液压缸外径为 ，即伸缩液压缸的壁厚为 表3.6 标准液压缸外径系列表（JB106867）液压缸内径405063809010011012514015016018020020钢5060769510812113316814618019421924545钢50607695108121133168146180194219245计算缸筒壁厚的合成应力和厚度时必须考虑不同的比值和材质，采用不同的强度计算公式。当时，为薄壁 （3.81）当 时，为厚壁 （3.82）式中D缸筒直径 缸筒试验应力，当缸的额定压力 时取，所以 缸筒材料的许用应力，为材料的抗拉强度，n为安全系数，一般取n=5,缸筒材料选用35号钢，其抗拉强度查表得，。 将数据代入公式得缸筒壁厚： （3.83） （3.84）符合要求。所以取缸筒壁厚，为厚壁。缸筒外径为：（3.85）3.3.3.6缸底参数计算及校核缸底材料选择材料选用35号钢，其抗拉强度查表得（3.86）所以缸底厚度取 3.3.3.7液压缸稳定性和活塞杆强度校核（1） 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力为F，油缸稳定的极限应力为，则油缸稳定性的条件为。按下式得到： （3.87）式中：可先算出和的值从下表查出相对应的值，然后再计算的值。图3.9 时临界力的计算图 （3.88） （3.89）式中：为活塞杆直径 、为缸体外径、为缸体内径。其中 （3.90） （3.91）所以 （3.92） 取（3.93）图3.10 液压缸纵向弯曲 、为长度、上的断面惯性矩。查 时临界力的计算图，可由 且 查上表得 （其中，活塞杆头部至油缸A点处的距离 :缸体尾部至油缸A点处的距离）所以：（3.94） （3.95） 即油缸的稳定性是满足条件。（2）活塞杆强度的验算因为活塞杆长 ，活塞杆直径 ，即为细长杆，其活塞杆强度需同时考虑压缩和弯曲。判别最大挠度点位置之值可由式计算：式中 活塞杆材料的弹性模量，对于钢材 活塞杆截面惯性矩所以 （3.96）短行程液压缸的活塞杆，在工作中主要承受轴向压缩（或拉伸）载荷，故可近似地按中心受压（或受拉）进行强度验算，即（3.97）式中 活塞杆外径 空心活塞杆内径，对于实心活塞杆 F液压缸的最大推力 （） 活塞杆的压（或拉）应力 活塞杆材料的许用应力，其中为材料的屈服极限，n为安全系数，通常取，活塞杆材料选用45号钢，其屈服极限为即 （3.98）所以 （3.99）满足条件要求。3.3.3.8连接零件的强度计算首先确定油缸缸筒与缸盖采用螺纹连接，钢筒与缸底采用焊接方式，此种方式能够使液压缸紧凑牢固。（1）缸筒与缸底焊缝的强度计算对接焊缝的应力及强度条件为：（3.100）式中 F液压缸的最大推力 缸筒外径 焊接内径 焊接效率，取 焊接的许用应力。，为焊条的抗拉强度，当采用T422焊条时，取安全系数所以（3.101） （3.102）其中符合条件。（2）缸筒与缸盖的螺纹连接强度计算缸筒螺纹处的强度计算：螺纹处的拉应力： （3.103）螺纹处的剪应力： （3.104）合成应力及强度条件为：（3.105）式中：F油缸的最大推力 D缸筒内径 螺纹外径 螺纹内径，当采用普通螺纹时（GB196-63）时，可近似按下式计算，t为螺距 K螺纹预紧力系数，取 螺纹内摩擦系数（），一般取； 螺纹的许用应力，其中为缸筒材料的屈服极限，n为安全系数，通常取，缸筒材料选用35号钢，其屈服极限为，则由前面计算可得：，则查机械零件手册，采用普通螺纹基本尺寸（GB/T193-2003）公称直径第一系列 60，可得螺距 ，所以 （3.106）（3.107） （3.108）（3.109）因为 ，所以满足强度条件。3.3.3.9液压油缸其它零部件的确定 （1）活塞与缸筒和活塞杆间的密封装置由于活塞与缸筒内壁间存在相对运动，因此该密封属于动密封，这里采用O型密封圈，具有结构简单，密封性能好，安装空间小，拆装方便等优点。此处选用GB/T3452.3-2005标准O型圈 502.65 。活塞与活塞杆件的密封属于静密封，通常是在活塞与活塞杆连接部位的配合间隙表面之间采用O型圈密封，密封槽通常开在轴上，以便于加工与拆装。但当活塞杆与活塞连接部位的轴径较小时，密封槽开在活塞内孔上。此处选用GB/T3452.3-2005标准O型圈252.65 ，密封槽开在活塞内孔上。（2）活塞杆的导向套和防尘活塞杆导向套在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处。防尘圈选用A型防尘圈，直径范围6-390mm，材料为丁腈橡胶，在外表面上具有梳子型截面的密封表面，保证了它在沟槽中可靠的定位。3.3.3.10导向机构的设计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。导向选择圆柱导轨导向，导轨为伸缩臂基座上得一部分，经加工而成，材料选择为45号钢。圆柱导轨的弯曲强度及挠度的校核：（1） 导轨的弯曲应力： （3.110） （3.111）（3.112）（3.113）由前面可知：，所以 符合要求。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：（3.114） （3.115）式中：EI是截面抗弯刚度，E为弹性模量 E=200GPa （3.116） （3.117） （3.118）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。（3）导轨的表面处理及润滑1、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。2、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。第四章 机身的设计计算4.1机身的总体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。本设计中的机身选择固定式。在本设计中考虑生产应用中常需要使手臂作回转运动，所以设计机械手将实现手臂的回转运动，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。机身承载着手臂作回转和升降运动，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。分析：经过综合考虑，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。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。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。 4.2机身的升降机构设计计算图4.1 手臂各部件重心位置图（试估计）4.2.1手臂偏重力矩的计算初估算各部件的重量： （4.1）（4.2）（4.3）（4.4）即 （4.5）初估算各部件到机身中心距： 即重心到回转轴线的距离为：（4.6）所以手臂偏重力矩为：（4.7）4.2.2升降导向立柱不自锁条件分析计算手臂在的作用下有向下的趋势，而立柱导套则有防止这种趋势的发生。由力的平衡条件得：（4.8）（4.9）即 （4.10）所谓不自锁的条件为： （4.11）（取），即 （4.12） （4.13）其中为升降缸之上零件的总重量：（4.14）试估计：回转缸重 ；活塞杆重 因此 （4.15）所以 （4.16）在设计中必须考虑到立柱导套长度大于式中 摩擦系数 立柱导套的长度4.2.3机身升降液压缸驱动力矩的计算由手臂升降驱动力的公式得：（4.17）（1）的计算：（4.18）（取）由前面可知 ，即 （4.19）（2）的计算：由摩擦力公式 （4.20）式中 由静止加速到常速的变化量（mm/s） 启动过程时间（t），一般取0.01s0.05s。假设机身液压缸启动速度为： 启动时间为： ，代入数据得： （4.21）（3）的计算一般背压阻力较小，为了计算方便，本设计中将其忽略不计。（4）的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在机身设计中，采用O型密封圈，当液压缸工作压力小于10MPa时，液压缸密封处的总的摩擦阻力一般为： （4.22）综上所述分析计算液压驱动力为： （4.23）所以 当液压缸向上驱动时 当液压缸向下驱动时 4.2.4手臂升降液压缸参数计算经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力 ，液压缸的工作压力由驱动力与液压缸工作压力关系表3.1可得 。4.2.4.1液压缸内径的确定当油从无杆腔进入： （4.24）当油从有杆腔进入： （4.25）液压缸的有效面积： （4.26）由上式得： （油从无杆腔进入）（4.27） （油从有杆腔进入）（4.28） 式中 手臂升降液压缸驱动力（） 液压缸内径（） 活塞杆直径（） 液压缸机械效率，在工程机械中可用耐油橡胶查表得=0.90 液压缸的工作压力（）综上所述可知 （4.29）带入数据得： （4.30）根据标准液压缸内径系列（GB/T2348-1993）表3.2，为了更好的满足要求，选取液压缸的内径为： 4.2.4.2活塞杆直径d计算活塞杆直径根据工作压力和液压缸的往复速度比表3.5来选取。由表可得本设计中的速比为： ，则活塞杆的直径为： （4.31） 由表3.3可查活塞杆直径为：4.2.4.3液压缸壁厚与外径的确定根据标准液压缸外径系列表选择，为了尽可能满足要求，由表3.6可选取液压缸外径为 ，即升降液压缸的壁厚为 所以手臂升降液压缸主要参数为：表4.1 手臂升降缸主要参数液压缸内径D液压缸外径D工作压力P活塞杆直径d驱动力F4.2.4.5机身升降液压缸螺钉的计算液压缸端盖上每个螺钉在危险截面上所承受的拉力为：（4.32）即工作拉力与参与预紧力之和。计算如下：液压缸工作压强为,所以由表3.4可查得螺钉间距小于,试选择4个螺钉，（4.33）所以选择螺钉数目合适个 受力截面 （4.34）所以 （4.35），此处连接要求有密封性，故取（1.5-1.8），取。 （4.36）所以 （4.37）螺钉材料选择Q235，则，安全系数n取1.5（1.2-2.5）螺钉的直径由下式得出 （4.38）F为总拉力即 （4.39）螺钉的直径选择取标准。4.2.4.6机身升降液压缸筒的壁厚校核液压缸的壁厚为： （4.40）壁厚按下式进行校核： （4.41）该液压缸壁为薄壁（4.42）式中D缸筒直径 缸筒试验应力，当缸的额定压力 时取，所以 缸筒材料的许用应力，为材料的抗拉强度，n为安全系数，一般取n=5,缸筒材料选用35号钢，其抗拉强度查表得，。将数据代入公式得缸筒壁厚：（4.43）所以该升降液压缸的壁厚满足要求。4.2.4.7机身花键轴的强度校核该花键在机身升降液压缸中属于动连接，所传递的转矩为回转液压缸的转矩。因此在动连接时，其强度条件为：（4.44）式中：传递的转矩， 载荷分布不均匀系数，有齿数多少而定，一般取 花键的齿数 齿的工作长度， 花键齿侧面的工作高度 花键的平均直径，对于矩形花键， 许用压强，。查表得所以代入数据得：（4.45）即选用该花键强度适用。图4.1 机身升降液压缸工作原理：当液压油从下端油口输入时，升降液压缸将做上升运动，液压油从上端油口回油；当液压油从上端油口进油时，液压缸做下降运动，液压油从下端油口回油。4.3机身的回转机构设计计算4.3.1机身回转液压缸驱动力矩计算机身回转液压缸驱动力矩应与手臂运动是所产生的惯性力矩及各密封装置出的摩擦阻力矩相平衡。即 （4.46）（1）的计算（4.47）式中回转液压缸动片角速度变化量（），在启动过程中； 启动过程的时间（s） 手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（）其中手臂回转零件的重心与回转轴的距离为：，则 （4.48）式中回转零件的重心的转动惯量 （4.49）回转部件可以等效为一个高，半径为的圆柱体，圆柱体重量为,设启动角速度,启动时间。所以 （4.50）（4.51）（4.52）（2）和的计算为了方便计算，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，即。所以 （4.53）即 （4.54）4.3.2机身回转液压缸主要参数回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩为：（4.55） （4.56）式中 手腕回转时的总阻力矩 回转液压缸的工作压力 缸体内孔半径 回转轴的半径 ，设计时按 动片宽度 为了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，选择动片宽度时应选用： （4.57）综上考虑：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。，根据前面的计算公式试估计个尺寸可得： 粗取 液压缸工作压力，,则由 （4.58）得 （4.59）根据标准液压缸内径系列，为了尽可能满足要求，取根据标准液压缸外径系列表选择，为了尽可能满足要求，取液压缸外径所以手臂回转液压缸主要参数为：表4.2 手臂回转液压缸主要参数工作压力P液压缸内径D液压缸外径动片宽度b输出轴直径d驱动力矩M4.3.4机身回转液压缸螺钉的计算液压缸端盖上每个螺钉在危险截面上所承受的拉力为：（4.60）即工作拉力与参与预紧力之和。计算如下：液压缸工作压强为,所以由表3.4可查得螺钉间距小于,试选择6个螺钉，（4.61）所以选择螺钉数目合适个 受力截面 （4.62）所以 （4.63），此处连接要求有密封性，故取（1.5-1.8），取。 （4.64）所以 （4.65）螺钉材料选择Q235，则，安全系数n取1.5（1.2-2.5）螺钉的直径由下式得出 （4.66）F为总拉力即 （4.67）螺钉的直径选择取标准。4.3.5动片与输出轴间的连接螺钉计算动片和输出轴之间的连接螺钉一般为偶数，输出轴即为手抓液压驱动缸的缸体。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：（4.68）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，为接合面数，取，Z为螺钉数目，取，D为静片的外径，d为输出轴直径，则可得：（4.69）螺钉的强度条件为： （4.70）带入有关数据，得：（4.71）螺钉材料选择Q235，则（安全系数）螺钉的直径 （4.72）取，螺钉选择M5的开槽盘头螺钉。4.3.6机身回转液压缸筒的壁厚校核液压缸的壁厚为： （4.73）壁厚按下式进行校核： （4.74）即该液压缸壁为厚壁 （4.75）式中D缸筒直径 缸筒试验应力，当缸的额定压力 时取，所以 缸筒材料的许用应力，为材料的抗拉强度，n为安全系数，一般取n=5,缸筒材料选用35号钢，其抗拉强度查表得，。 将数据代入公式得缸筒壁厚：（4.76）所以该升降液压缸的壁厚满足要求。图4.2 回转液压缸回转液压缸的工作原理：改回转液压缸为，轴不转动，缸桶转动。轴当液压油从B侧进入时，回转液压缸缸桶逆时针转动；当液压油从A侧进入时，回转液压缸缸桶顺时针转动。4.4联接板的设计 4.4.1联接板的介绍及作用联接板采用铸铁制作而成，主要是联接、支撑的作用，不仅对手臂与机身起联接作用，同时对两条导向杆起支撑和固定作用。联接板要求铸件的组织均匀，不得有沙眼、缩松、缩孔、疏松等缺陷，表面的粗糙度要低，防止接触面粗糙联接不紧密。尺寸长度是依据联接手臂的长度、重量，形状所确定的。图4.3 上连接板图4.4 下连接板 第五章 液压驱动系统与控制电路的设计5.1驱动系统设计要求本次设计的工业机械手属圆柱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各部分功能设计分析（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，锁紧回路由两个液控单向阀组成。（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5.3.2.1确定各部件的流量计算（1）手抓夹紧液压缸的流量计算手抓夹紧时：（5.1）手抓放松时：（5.2）（2） 手腕回转缸的流量计算 （5.3）（5.4）（3）手臂伸缩缸的流量计算手臂伸出时：（5.5）手臂收缩时：（5.6）（4） 机身回转缸的流量计算（5.7）（5.8）（5）机身升降缸的流量计算机身上升时：（5.9）机身下降时：（5.10）5.3.2.2确定液压泵的额定流量（5.11）式中 泵的输出流量 系统的泄漏系数，一般取 执行元件实际需要的最大流量即 （5.12）5.3.2.3确定泵的额定工作压力（5.13）式中 泵的工作压力 执行元件的最高工作压力 压力损失系数，考虑液压泵至执行元件管路中的压力损失，取即 （5.14）5.3.2.4液压泵型号的选择综上所述，可选择叶片泵，叶片泵具有结构紧凑，外形尺寸小，运动平稳，流量均匀，噪声小，寿命长，但与齿轮泵相比对有野污染较敏感，结构较复杂。叶片泵型号为：表5.1 叶片泵型号表型号理论排量额定压力输出流量驱动功率转速重量油口尺寸额定最低最高脚架安装法兰安装进口出口YB-B48B48.3742.76.91000600150025255.3.2.5确定泵的电机功率（5.15）式中 泵的工作压力 泵的流量 泵的总效率，叶片泵取即 （5.16）考虑到压力损失，故按标准选用Y系列三相异步电机。如下表：表5.2 三相异步电动机电动机型号额定功率满载转矩堵转转矩最大转矩额定转矩额定转矩Y160L-6119702.02.05.3.2.6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：（5.17）式中 油箱有效容积（L） 为系数，低压系统为2-4 ，中压系统为5-7，中高压系统和大功率系统为6-12。本设计中选择5-7。 液压泵的流量（L/min） 即 （5.18）5.3.2.7液压系统性能验算（1）压力损失系统的总压力损失包括沿程损失和局部损失。（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3050，最高允许5570，油及油箱 温升。（4）液压冲击1、 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，会造成发热、烧伤。2、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25的节流锥面。3、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。5.3.2.8液压系统图图5.1 液压控制系统图5.3.2.9液压系统电磁铁控制顺序原理1升降臂下降：当传送带上有工件传送过来
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