潜水泵试压机械手设计 2

1、课程设计报告(2014-2015年度第一学期)名 称：专业课程设计 题 目：潜水泵试压机械手设计 院 系：机械工程及自动化 班 级： 机械1103班 学生姓名： 任 璐 指导教师：杨晓红、花广如设计周数： 两周 成 绩： 日期：2015年 1月21日目录一、 主要内容1二、机械手总体方案设计 1 1、序言12、形态学矩阵及终方案23、主要技术参数24、机械手动作过程35、机械手原理设计简图36、机械手各部方案设计4三、机械手结构设计 51、手部结构设计52、腕部结构设计73、臂部结构设计104、立柱结构设计175、底部底盘设计21四、机械手整体装配21五、液压回路原理图22六、电气控制原理图2

2、6七、心得体会27八、参考文献27 一、主要内容潜水泵试压机械手设计。本机械手是为潜水泵试压服务的。潜水泵生产过程中，需要进行试压测漏检验，其具体过程是：（参看图1）图1潜水泵水槽150036852021001000160210350运输线图2 潜水泵外形图2、 机械手总体方案设计 2.1 序言工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序，轨迹或其他要求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。它在二十世纪五十年代就已用于生产，是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置，开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化，随着应用范围的不段扩大，现在用来夹持工具

3、和完成一定的作业。实践证明它可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率。本次专业课程设计的任务是设计潜水泵试压机械手。本机械手是为潜水泵试压服务的，潜水泵生产过程中，需要进行试压测漏检验，使用该机械手可以实现自动化检验，可大大减少工人的劳动强度，并且大大提高检验的效率。2.2潜水泵机械手的形态学矩阵分功能可能的解法123456A(动力源)液压泵B(移位传动)齿轮传动液压传动链传动 连杆传动C(手腕回转机构)摆动缸四槽外槽轮机构D(手臂传动机构)活塞油（气）缸活塞缸齿轮齿条叶片式回转缸连杆传动E手部夹钳式取料手滑槽式杠杆回转型手多指灵巧手弹性力手抓摆动式手抓F腕部单

4、自由度二自由度三自由度G臂部直线往复运动手臂回转运动手臂俯仰运动H机身直线升降运动水平往复运动I底座固定式机座滑动式机座J(控制)PCL控制电气控制组合总数：1*4*2*5*5*3*3*2*2*1*1=7200通过分析，确定三个可行方案： 方案一：A1+B2+C1+D2+E1+F2+G1+H1+I2+J1+J2 方案二：A1+B2+C2+D1+E2+F2+G1+H1+I1+J1+J2 方案三：A3+B2+C1+D2+E1+F2+G2+H1+I1+J1+J2 方案四：A1+B2+C2+D1+E1+F2+G2+H1+I2+J1+J2比较可知，方案三为最佳方案。2.3主要技术参数抓取重量70kgf手

5、腕运动参数回转运动，回转角90°，液压驱动 PLC控制手臂运动参数水平移动，最大可移动0.5米，液压驱动 PLC控制机身运动参数上下移动，最大可移动0.5米，液压驱动 PLC控制自由度4个（2个移动，2个回转）定位精度±10mm控制方式电器控制（PLC）驱动方式液压 kgf/cm²2.4 机械手的动作过程机械手将潜水泵拿起，在空中沿运输线方向旋转90º，由人工将高压空气管接头与潜水泵连接好，并通入高压空气，然后机械手将潜水泵按图1所示方向放入水槽中，观察两分钟，确认有无漏气现象后，在将潜水泵拿出水槽，拆去高压空气管接头，并按原位置将潜水泵放回到运输线上。

6、管接头的装拆应在运输线上方进行，装拆过程各需20秒之内完成，运输线每隔5分钟向前运送一个潜水泵。设计动作过程：启动水平左移夹紧水平旋转90臂收缩竖直旋转90下降上升竖直逆转90臂伸出水平逆转90下降松开水平右移2.5、机械手原理设计简图由动作要求和实际生产检验的综合考虑，初步拟定机械手结构示意图如下：系统工作原理图 控制系统（PLC）位置检测装置驱动系统（液压传动）执行机构底座立柱手臂手腕手部2.6 机械手各部方案设计由结构简图可看出，该机械手有4个自由度：腕部的回转运动，实现两旋转；臂部的水平移动；机身的上下移动。（1）、手部 主要功能：夹紧、放松驱动方式：液压驱动为了使机械手的通用性更强，

7、把机械手的手部结构设计成可更换结构，使用夹持式手部。（2）、腕部 主要功能：水平、竖直两个方向各旋转（90°） 驱动方式：液压考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。另外，为使立柱减少高度，竖直方向也旋转。因此，手腕设计成两回转结构，实现手腕回转运动的机构为摆动液压缸。（3）、臂部 主要功能：水平移动（伸长、缩短）、旋转 驱动方式：液压（4）、机身 主要功能：上下移动 驱动方式：液压 （5）、机械手的驱动方案设计由于液压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用液压传动方式。 （6）、机械手的控制

8、方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。三、机械手结构设计1、手部结构设计因为夹取的潜水泵较重，选用齿轮齿条方式传力；手指处考虑到损坏因素，选用V形块夹紧； 2、 尺寸设计及校核 因为钢与铸铁之间的摩擦系数范围是：f=0.050.12；且根据课程设计指导书：V形手指的角度，,这里取摩擦系数为(1) 根据手部结构的传动采用齿条传动， 其驱动力为: (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:N>=K1*K2*K3*G(V型）取K3=0.5得：N=1.2*3*

9、0.5*700=840N所以=4800N(3)实际驱动力: 因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取1.2。若被抓取工件的最大加速度取a=g时，则: 2所以p(实际）=4800*1.2*2/0.94=5106N 所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为5106N。根据液压原件产品样本选择型号为HSG*01-40/d*Ed的液压缸 （4）尺寸校核液压缸内径=40mm,半径d=20mm的液压缸的尺寸满足使用要求即可,压强P=5106/(3.14*D1*D1-3.14*d1*d1)=5.42MPa,设计使用压强P=6MPa, 则驱动力： = =7536N P实际<F 所以液压缸的尺寸符合实际使用驱

10、动力要求。活塞杆直径校核，按公式有:其中，F1=5106N则: =7.36<=20满足实际设计要求。（5）缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空液压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:式中:6- 缸筒壁厚，mm- 液压缸内径，mm- 实验压力，取Pa材料为:45钢,=120MPa代入己知数据，则壁厚为: =1.5mm校核:=3mm，/D=0.075<0.08因此满足要求。取，则缸筒外径为:D1=40+3*2=46mm根据液压缸活塞行程系列参数系列（GB234980）选择液压缸行程L=100mm。最小导向长度H应满足条件：H>

11、L/2+D/2=100/2+40/2=70mm取H=70mm缸盖滑动支承面的长度l1=0.8D=0.8*40=32mm采用端盖直接导向方式2、腕部结构设计（1）腕部旋转采用单叶片式摆动液压缸来实现（2）设计计算及校核要求：回转±90º角速度W=45º/s以最大负荷计算：当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重70kg，长度l=350mm。计算扭矩M1设重力集中于离手指中心100mm处，即扭矩M1为：M1=F×S （3.9）=70×9.8×0.1=68.6（N·m）油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩M2F=4

12、kg S=10cm带入公式3.9得M2=F×S=4×9.8×0.1 =4（N·m） 摆动缸的摩擦力矩M摩 F摩=350（N）（估算值）S=20mm （估算值）M摩= F摩×S=7（N·m）摆动缸的总摩擦力矩MM=M1+M2+ M摩=81（N·m） （3.10）由公式T=P×b（A1²-mm²）×106/8 （3.11）其中： b叶片密度，这里取b=3cm；A1摆动缸内径, 这里取A1=10cm；mm转轴直径, 这里取mm=3cm。所以代入（3.11）公式P=8T/b（A1²-

13、mm ²）×106=8×34.7/0.03×（0.1²-0.03²）×106=1.02Mpa又因为 W=8Q/（A1²-mm ²）b所以 Q=W（A1²-mm²）b/8A1 =（/4）（0.1²-0.03²）×0.03/8 =0.27×10-4m³/s =27ml/s根据M和Q查表21-5-108选择YMD60液压马达 尺寸设计查表可得对应尺寸：ADD1D2D3D4L1L2L390度125*1252020100100364615L4=1

14、16L5=132尺寸校核（1）测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： =0.008（）工件的质量为70,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量： 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为: （2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则： + （3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承，对于滑动轴承=0.1， ，为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈处的支承反力，粗略估计360N,180N, 0.054

15、(Nm)（4）回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计为的3倍， 3 3*0.054 0.162(Nm) 28.07+4+0.054+0.162 32.286(Nm) 设计尺寸符合使用要求，安全。同理选用YMD120液压马达做另一旋转腕3、手臂结构设计（1）材料的选择 1）要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒还要求有良好的抗热性能，取铸钢为材料。 2）缸筒毛坯，普通采用退火的冷拔或热处理。（2）对缸筒的要求 1）有足够的的刚度，能长期承受最高工作压力及短期动态，试验压力不至于导致永久的变形。 2）有足够的的刚

16、度，能承受活塞的侧向力和安装的的反作用力而不致产生弯曲。 3）内表面的一活塞的密封件的摩擦力的作用下，能长期工作而磨损少于公差等级及形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。 4）需焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊接上法兰盘接头后，不致于产生裂纹或过大的变形。 (3) 液压缸的设计计算1）驱动力作的确定 根据公式 式中 各支承处的摩擦力，摩擦阻力包括导轨支承间的摩擦阻力，活塞与缸壁以及密封处的摩擦阻力,360N 启动时惯性力 且 G-手臂移动不见的总重量 g- 重力加速度，10m/ V- 手臂运动速度 t- 启动所需的时间，一般为0.010.5s,这里取t=0.02s 运动部件的总重量，

17、840N 上升为正，下降为负 所以 2）液压缸内径D和活塞杆直径d的确定 因为是单活塞杆，所以由公式 （21） 试中 液压缸工作压力，初算时可取系统的工作压力，2.7MPa 液压缸回油腔的背压力，初算时无法准确酸楚算出，可根据表22估计 活塞表2-2 执行元件背压的估计 系 统 类 型背 压 （MPa）中、低压系统08MPa简单的系统和一般的轻载截流调速系统0.20.5回油路带调速阀的调速系统0.50.8回油路带背压阀0.5-1.5采用带补液压泵的闭式回路0.8-1.5中等压系统大于816MPa同上比中低压系统高50%-80%高压系统大于1632MPa如锻压机械等初算时背压可忽略不计表2-3

18、液压缸内径D与活塞杆直径d的关系按机床类型选取d/D按液压缸工作压力选取d/D机床类别d/D工作压力p/(MPa)d/D磨床.研磨机床0.20.3小于等于20.20.3插床.拉床.刨床0.5大于2-50.50.58钻.镗.车.洗床0.7 大于5-70.620.70 _大于70.7F工作循环中最大的外负载；液压缸密封处摩擦力，它的精确值不易求得，常用液压缸的机械效率进行估算。 一般=0.90.97,将代入公式（21）可求得D 活塞杆直径可由d/D值算出,由计算所得的D与d值分别按表24与表25圆整到，相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。 查表24得，D圆整为200mm，所以d=0.5D=10

19、0 mm 表24 液压缸内径尺寸系列 810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630表25 活塞杆直径系列4568101214161820222528323640455056637080901001101251401601802002202502803203604003）液压缸壁厚和外径的计算 液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。 液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度，从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可氛围薄壁圆筒和臂厚圆筒。 液压缸的内径D

20、与其壁厚的比值的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算 式中：液压缸壁厚（m） D液压缸内径 （m） 试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍(MPa) 工作压力P<=16MPa时，=15p;工作压力>16MPa时，=1.25p. 缸筒材料的许用应力。其值为：锻钢：=110120MPa；铸钢： =100110MPa；无缝钢管：=100110MPa；高强度铸铁：=60MPa；灰铸铁：=25MPa；。因为材料是铸钢，所以取=108MPa；=；-缸体材料的屈服强度； n-安全系数，n为3.55.且，当

21、3.2<<16时；筒属于中等壁厚，此时，把数据代入上式可一得到mm所以圆整壁厚为10mm在低压液压系统中，按上式计算所得液压刚液压缸的壁厚往往很小，使的缸体的刚度往往很不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。对于时，应按材料力学中的壁厚圆筒公式进行壁厚的计算。液压缸的壁厚算出后，即可求出缸体的外径为 所以=200+2*10=220mm。4）液压缸工作行程的确定 液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照表26中的系列尺寸来选取标准值。根据工作要求，选工作行程为500mm。 表

22、26 液压缸活塞行程参数系列 （mm）I2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000II406390110140180220280360450550700900110014001800220028003900III24026030034038042048053060065075085095010501200130015001700190021002400260030003800 5）缸盖厚度的确定 一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面俩式进行近似计算。 无空时 有空时 式中 t缸盖有效厚度（m

23、） 缸盖止口内径（m） 缸盖孔的直径（m） 把数据200mm代入公式，圆整后得t=50mm。6）最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度。如果导向长度过小，将会使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。 对一般的液压缸，最小导向长度H应该满足以下要求： 式中：L液压缸的最大行程； D液压缸的内径。 因为 L=500mm D=160mm代入公式 活塞的宽度B=（0.61.0）D;缸盖滑动支承面的长度,根据液压缸的内径D而定; 当D<80mm时,取 当D>80mm时,取所以取 又因为D

24、>80mm, 所以7) 缸体长度的确定 液压缸缸体的内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外型长度还要考虑到俩端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。 所以缸体的长度=500+180+2*50=780mm8）缸体与缸盖的连接形式 缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关，所以选用拉杆连接。9）活塞杆与活塞的连接结构 查表可得，选用整体式结构。10）活塞杆导向部分的结构机身主要完成上下移动的动作，由于工作行程较长，故选用导向套和花键轴做导向装置。11）活塞及活塞杆处密封圈的选用查表得选用O形密封圈。12）液压缸的缓冲装置查表选用环状间隙式节流缓

25、冲装置。13) 液压缸的安装连接结构 1液压缸的安装形式根据安装位置和工作要求不同可有长螺栓安装、脚架安装、法兰安装、轴销和耳环安装等。根据设计的要求采用LB轴向地角型安装形式。2液压缸进、出油口形式及大小的确定液压缸的进、出油口，可布置在端盖或缸体上。对于活塞杆固定的液压缸，进、出油口可设计在活塞杆端部。如果液压缸无专用的排气装置，进、出油口应设在液压缸的最高处，以便空气能首先从液压缸排出。进、出油口的形式一般选用螺孔或法兰连接。根据表214选取。 表214 单杆液压缸油口安装尺寸 （mm）缸体内径D进、出油口缸体内径进、出油口258032100401255016063200 根据表214选

26、用的进、出油口。14）液压缸的安装形式根据设计的要求采用长螺栓安装形式。15）液压缸进、出油口形式及大小的确定液压缸的进、出油口，可布置在端盖或缸体上。对于活塞杆固定的液压缸，进、出油口可设计在活塞杆端部。如果液压缸无专用的排气装置，进、出油口应设在液压缸的最高处，以便空气能首先从液压缸排出。进、出油口的形式一般选用螺孔或法兰连接。根据表214选取。 4、立柱结构设计（一）缸筒的设计（1）材料的选择 1）要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒还要求有良好的抗热性能，取铸钢为材料。 2）缸筒毛坯，普通采用退火的冷拔或热处理。（2）对缸筒的要求 1）有足够的的刚度，能长期承受最高工作压力及短期动

27、态，试验压力不至于导致永久的变形。 2）有足够的的刚度，能承受活塞的侧向力和安装的的反作用力而不致产生弯曲。 3）内表面的一活塞的密封件的摩擦力的作用下，能长期工作而磨损少于公差等级及形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。 4）需焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊接上法兰盘接头后，不致于产生裂纹或过大的变形。 (3) 液压缸的设计计算1）驱动力作的确定 根据公式 算得 2）液压缸内径D和活塞杆直径d的确定 因为是单活塞杆，所以由公式 （21）式中 液压缸工作压力，初算时可取系统的工作压力3.6MPa 活塞杆直径可由d/D值算出,由计算所得的D与d值分别按表24与表25圆整到，相 近的标

28、准直径，以便采用标准的密封元件。 查表24得，D圆整为200mm，所以d=0.5D=100 mm 3）液压缸壁厚和外径的计算 液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。 液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度，从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可氛围薄壁圆筒和臂厚圆筒。 液压缸的内径D与其壁厚的比值的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算 因为材料是铸钢，所以取=108MPa把数据代入上式可一得到所以圆整壁厚为15mm在低压液压系统中，按上式计算所得液压刚液压缸的壁厚往往

29、很小，使的缸体的刚度往往很不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。对于时，应按材料力学中的壁厚圆筒公式进行壁厚的计算。液压缸的壁厚算出后，即可求出缸体的外径为 所以=200+2*10=220mm。4）液压缸工作行程的确定 液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照表26中的系列尺寸来选取标准值。根据工作要求，选工作行程为500mm。5）缸盖厚度的确定 一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面俩式进行近似计算。 有空时 把数据代入公式，圆整后得t=50mm。6）最小导向长度的

30、确定 对一般的液压缸，最小导向长度H应该满足以下要求： 因为 L=500mm D=200mm代入公式 活塞的宽度B=（0.61.0）D;缸盖滑动支承面的长度；根据液压缸的内径D而定； 当D>80mm时,取所以取 又因为D>80mm, 所以7) 缸体长度的确定 液压缸缸体的内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外型长度还要考虑到俩端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。 所以缸体的长度=500+180+2*50=780mm8）缸体与缸盖的连接形式 缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关，所以选用拉杆连接。9）活塞杆与活塞的连接结构 查表

31、可得，选用整体式结构。10）活塞杆导向部分的结构机身主要完成上下移动的动作，由于工作行程较长，故选用导向套和花键轴做导向装置。11）活塞及活塞杆处密封圈的选用查表得选用O形密封圈。12）液压缸的缓冲装置查表选用环状间隙式节流缓冲装置。13) 液压缸的安装连接结构 14）液压缸的安装形式根据设计的要求采用LB轴向地角型安装形式。15）液压缸进、出油口形式及大小的确定液压缸的进、出油口，可布置在端盖或缸体上。对于活塞杆固定的液压缸，进、出油口可设计在活塞杆端部。如果液压缸无专用的排气装置，进、出油口应设在液压缸的最高处，以便空气能首先从液压缸排出。进、出油口的形式一般选用螺孔或法兰连接。根据表214选取。5、 底座的设计四、机械手整体装配及其零件二维图生成1、 潜水泵试压机械手的整体装配手部装配图：机械手整体装配图如下：整体装配三视图：5、 液压回路原理图行程开关示意图：YA1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA9上升+向左夹紧+转腕1+（正转）+（反转）转腕2+（正转）+（反转）向右+下降+放松+仿真截图：六、电气控制原理图 0.05 0.06 10.05 10.05 0.01 0.02 10.07 10.01 10.01 0.02 0.03 10.02 10.02 TIM001 0.04 10.03