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工业机械手液压系统设计
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工业机械手液压系统设计,工业机械手液压系统设计,工业,机械手,液压,系统,设计
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毕业论文（设计）任务书班 级： 姓 名： 论文（设计）题目： 工业机械手液压系统设计 专 题： 工程设计 要求完成的内容：1、工业机械手液压系统概述（分类、结构、特性、受力等方面）； 2、工业机械手液压系统的工作原理； 3、工业机械手液压系统的设计； 4、设计总结； 5、撰写论文。 发题日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日实习实训单位： 地点：_ 论文页数： 页； 图纸张数：_ _ 指导教师： _ 教研室主任： _ 院 长： _ 新疆大学毕业论文新疆大学毕业论文(设计设计)题题 目目: : 工业机械手液压系统设计工业机械手液压系统设计 指导老师指导老师: : 学生姓名：学生姓名： 所属院系：所属院系： 专专 业：业： 班班 级级： 完成日期完成日期： 声声 明明本人郑重声明：毕业设计论文工业机械手液压系统设计系本人在相关教师指导下独立完成，没有抄袭、剽窃他人成果，由此造成的一切后果由本人负责。 声明人： 2017 年 5 月 30 日毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）任务书班 级： 姓 名： 论文（设计）题目： 工业机械手液压系统设计 专 题： 工程设计 要求完成的内容： 1、工业机械手液压系统概述（分类、结构、特性、受力等方面）； 2、工业机械手液压系统的工作原理； 3、工业机械手液压系统的设计； 4、设计总结； 5、撰写论文。 发题日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日实习实训单位： 地点：_ 论文页数： 页； 图纸张数：_ _ 指导教师 ： _ 教研室主任： _ 院 长： _ 摘 要 工业机械手是现代机械化的一种新型生产方式，同时也是智能自动化研发出来的新型设备。现今随着科学技术的迅猛发展，机械手的原理及应用技术越来越受到重视，在当代工业工厂的生产制造中，工业机器人已经全面应用于车间的自动化流水线，因而，人们开始日趋迫切的对机器人进行研究改造。其中，液压机械手用途最为广泛，所以本次对机械手的液压系统进行设计。 在液压驱动机构中，所述机械手的手臂伸缩和升降均采用了双作用活塞液压缸并由导向杆导向，以确保机械手的运动精度，手腕的旋转采用摆动式液压缸（回转油缸），机械手的手臂旋转和手爪夹持被采用齿条活塞式液压缸。 本课题通过对机械手和液压传动原理的应用技术设计，对工业机械手的液压系统的分类，结构，特性，受力等方面进行分析，并分析液压系统的工作原理。具有液压系统结构的机械手机器人可以在空间中灵活抓取移动物体，并且操作自由度很高，可以在高温和危险的位置作业，从而减少人力，并大大促进生产节奏。关键字关键字： 机械手；液压系统；自由度ABSTRACTIndustrial manipulator is a new mode of production of modern mechanization, and also a new kind of equipment developed by intelligent automation. Nowadays with the rapid development of science and technology, more attention paid to the principle and application technology of the manipulator, in modern industrial factory production and manufacturing, industrial robots have been comprehensively applied in the workshop of the automated assembly line, as a result, people began to study has become increasingly urgent for robots. The hydraulic system is the most widely used, so the hydraulic system is designed.Described in hydraulic driving mechanism, the manipulator arm scaling and lift adopts the double-acting piston hydraulic cylinder and the guide rod guide, to ensure the movement precision of the manipulator, the rotation of the wrist with oscillating hydraulic cylinders (rotary cylinder), manipulator arm rotation and gripper clamping used rack piston hydraulic cylinder.This topic through the application of the principle of the mechanical and hydraulic transmission technology design, the classification of the hydraulic system of industrial manipulator structure, characteristics, stress analysis, and analyses the working principle of the hydraulic system. With the hydraulic system of the structure of the manipulator robot can flexible scraping of the moving objects in space, and a high degree of freedom to operate, can be in high temperature and position of dangerous operation, reducing manpower, and greatly promote production rhythm.Keywords: manipulator; The hydraulic system; degree of freedom目录1 绪论.11.1 选题背景及其意义 .11.2 国内外研究现状与发展趋势 .11.2.1 国内的研究现状 .11.2.2 国外研究现状 .21.3 液压技术的现状及发展趋势.22 机械手液压系统概述和计算 .32.1 手臂伸缩液压缸的设计计算 .32.1.1 伸缩液压缸驱动力计算 .32.1.2 伸缩液压缸的结构尺寸确定 .42.2 手臂垂直升降液压缸的设计计算.72.2.1 垂直升降液压缸驱动力的计算 .72.2.2 升降液压缸的结构尺寸的确定 .82.3 手臂回转齿条活塞液压缸的设计计算.92.3.1 齿条活塞液压缸驱动力的计算 .92.3.2 齿条活塞液压缸结构尺寸的确定 .102.4 手腕回转液压缸的设计计算.102.5 手爪夹合液压缸的设计计算.113 工业机械手液压系统的工作原理 .133.1 液压原理简图.133.2 确定液压系统的工作要求.143.3 拟定液压系统原理图.153.3.1 液压系统原理图 .153.3.2 电磁铁工作状态表 .153.3.3 液压系统工作原理 .163.3.4 液压系统特点分析： .193.3.5 电气控制系统原理图 .203.3.6 电气控制系统工作原理 .213.3.7 电气系统特点分析： .234 液压系统的设计 .244.1 设计方案.244.1.1 液压回路的选择 .244.2 系统工作压力的选择.254.3 液压元件的选择 .254.3.1 液压泵的选择 .254.3.2 液压泵所需液压马达的确定 .264.3.3 液压阀的选择 .274.3.4 液压辅助元件的选择原则 .284.3.5 管道尺寸的确定 .284.3.6 油箱容量的确定 .295 总结.31致 谢.32参考文献.33新疆大学毕业论文（设计）新疆大学毕业论文（设计）11 绪论1.1 选题背景及其意义现代工业生产的自动化程度不断的提高，同时逐步与智能化和计算机网络化管理相结合，机器人分为工业机器人和特种机器人两种，功能各不相同。排爆机器人可以处理易燃易爆的危险品，而且可以实现各种军警侦查功能，从而大大保护了人类自身的生命安全。另一方面工业机器人不仅可以代替人工进行高强度，作业，而且还能够提高生产效率，降低作业危险。而液压系统成为机械手工作的关键部分。本次所研究的课题，能够让学生在研究设计的过程之中巩固专业课程和专业化知识，同时拓展相关课外知识，提高同学利用专业知识技能去分析和解决工程设备上的问题，灵活的将专业知识和实操相结合，提高解决问题的思维能力。本课题中的工业机械手系统就是采用液压驱动的方式，以此展开研究。1.2 国内外研究现状与发展趋势1.2.1 国内的研究现状液压式机械手起初应用于汽车制造行业，一般在电焊、喷刷涂料、切割材料和安装。液压机械手的多自由度，可在大范围内实现无极变速，操作十分的精准力量强度也远远高于人，从工业机械手的各项功能来看，它实则是人手足的强化和延伸，能够在高温，有毒各种人类无法承受的恶劣环境中工作，并且其机械式工作方式在强度和效率上远超人工，装有液压装置的多自由度机械手在计算机控制下能够实现精准定位操作，从而提升生产质量。而高精度工业机械手大多采用液压传动的方式，机械手目前广泛用于工业工程的生产和制造，尤其是工业机械设备，家用电器、汽车行业、高分子材料、以及有色金属和无色金属的加工等工业。工业液压机械手与 PLC 控制相结合的控制系统，即数控加工车床，再将此类数控设备量化生产，从而满足各类零件和产品的自主化设计和加工，通过计算机系统控制和电气联动的结合，实现智能化和自动化生产。随着制造业发展，液压机械手会向着多功能化和智能化发展，其性能也会得到质的提升，机械手的应用不会局限于工业，也会向着医疗业和服务业发展。其液压系统的研究成为必不可少的一部分。目前，我国的特种机器人公司科沃斯新疆大学毕业论文（设计）2机器人，旨在研发服务类机器人，有扫地机器人，全息交流机器人等，必将向着多元化方向发展。1.2.2 国外研究现状国外机械手的发展趋势是要大力发展机械手的高智能化以及高自动化。它配备各种类型的传感器有像人类一样的感知能力，并且通过传感器搜集外部信息，监测外部环境，反馈到计算机网络，再根据计算机程序执行指令做出改变。除了传感器还配有各中液压传动元件，可以根据需要实现一些特定功能，甚至是自我修复。液压传动具有质量小、体积小、较小的运动惯性、反应速度快等优点，适用于高精度机械手，并且操作简单方便，在较大范围内可以实现无极调速。从而使机器达到较高的自动化，加上电液联合控制后，从而实现更高程度的自动化控制过程，再通过计算机传感器的配合进行遥控。全自动化机器人装配是当前研究的重点，这种机器人就会用到多个液压系统，来保证机器稳定的机械传动。液压系统的诸多优点，使其在工业，机电行业，得到广泛应用。1.3 液压技术的现状及发展趋势我国在工业上首次使用液压技术是 20 世纪 50 年代初，刚开始的初级发展阶段，液压技术尚不成熟，我国所掌握的液压核心技术不够全面，只用于机械制造厂的锻压设备和车床。经过技术的不断改善提高和农业发展机械化的需求，被应用到工程机械和拖拉机制造中。20 世纪 60 年代，从国外引进先进液压元件和技术人才做指导，一方面把液压元件利用到机械设备中，另一方面进行新液压元件研发和外来产品的改进。逐渐我国的液压元件生产不断加快，技术水平也不断提升，并在各种高压机械设备和低压设备上得到了广泛的使用。之后一直到 90 年代更加快了对发达国家高新液压设备和技术的大规模引进，政府扶持，作为五年计划研究内容，大大提升液压技术水平，使液压产品国有化生产，液压技术的研发自主化，拥有自己的核心技术。这样一来我国的液压产品质量进一步提高，应用到我国的工业生产中，液压技术推动了工业生产，带动了经济发展，为研究开发提供了足够的资金支持，形成了相互促进的良性发展，经过多年的经验积累和技术开发我国逐步地赶上世界领先水平。伴随工业迅速发展逐，创造的经济效益不断提高，我国相继建立了专业研发机构和工业工厂，大力进行液压技术开发和液压元件生产。目前，我国不但能生产液压阀等液压元件。还能设计制造动力元件，执行元件和辅助元件等许多新型的元件，电液比例阀，电液伺服阀在大型设备工厂已经屡见不鲜。到目前为止，即使是液压泵也能独立生产。液压元件的生产制造生产，列入了我国液压元件生产的新疆大学毕业论文（设计）3系列产品。液压技术的发展正逐步成熟，与现代计算机 PLC 技术融合，效率和精度不断提高，应用也将更加广泛。 21 世纪是计算机网络的时代，计算机技术的应用，大力地推进了工业液压技术的发展，液压系统中辅助元件的选择越来越多，液压系统的应用从单一化到多元化，可以结合无线传感器技术，PLC 电气控制技术，实现更多功能，还可以利用计算机仿真软件对液压系统进行分析和优化，利用计算机对液压系统实现控制，这也是高度智能化的体现，我国在这些方面都获得得了不错的成就。现今，液压技术已经可以实现高压，高速作业，配备多个液压系统的机器不仅实现大功率，高强度作业，其效率也迅速提升，并且向着环保，耐用，高度智能化等方面发展。液压所应用的领域不单单是工业生产，在医疗器械，服务机器人，交通业，军事上也在不断的开发。不过目前在工业方面的比列高达95%，要想完善液压在各个领域的比例，还需要我们这一代继续开发，同时在液压技术上不断尝试创新。新疆大学毕业论文（设计）42 机械手液压系统概述和计算2.1 手臂伸缩液压缸的设计计算 2.1.1 伸缩液压缸驱动力计算当机器人手臂做水平伸缩运动时，必然会存在摩擦力，摩擦力包含密封管和导向机构摩擦、导杆机构和承重圆杆的摩擦、液压缸和活塞之间的摩擦，不仅要克服以上力，而且还克服启动惯性力和液压油背面压力等其它阻力。伸缩缸驱动力的计算公式如下： (2.1)惯回密摩理FFFFF估算手臂伸缩运动的零件和总工件总重量,使得部NG392=8 . 9)30+10(=件重心处和导向套的端面最大距离为 300mm。（1）的计算：摩F由于伸缩液压缸只有一个导向杆，因此对导向杆设计计算： 图 2-1 机械手臂受力分析图由 知， 得： (2.2)0=AMaFGLb=aGLFb=又 则 (2.3)0=YGFFba+=+aaaLFG总得： aab2L+2 30090=+=0.15 392135N300baFFFFFGa摩摩摩总其中： L导向套前端面和重心之间相距,300mm a 导向套长度，90mm 当量摩擦系数，取 =0.15（2）的计算： F回新疆大学毕业论文（设计）5因为伸缩缸的工作压力首选不大于 ，所以活塞杆和液压活塞a2 8MP都使用 O 型密封方式，此时伸缩缸的密封阻力为： （2.4）=+=0.03FFFF驱回回回回（3） 计算： 一般背压阻力较小，取 0.05F回F回F驱（4） 的计算：F惯 （2.5）v392 0.075=1509.8 0.02GFNg t惯式中：v 速度由静止加速到正常速度的变化量t 工作启动时间，一般取 0.010.5s，取 t=0.02s则: 150+05. 0+03. 0+135=+=驱驱惯回密摩理FFFFFFF得：=310N 理F实际驱动力: （2.6）NkFF775=8 . 02310=理实式中： k安全系数，k=2；传力机构机械效率，=0.8.2.1.2 伸缩液压缸的结构尺寸确定如下图 2-2(a)为液压缸活塞杆工作在受压状态活塞杆受压时D652,77P1200,04dP2A1A2v1Fw图 2-2(a) 活塞杆压力示意图（见上页） （2.7）2211mApApFFW新疆大学毕业论文（设计）6如下图 2-2(b)为液压 缸活塞杆工作在受压状态 活塞杆受拉时DP2dP1A1A2v1Fw图 2-2 (b)活塞杆受拉示意图1221m/ApApFFW式中：无杆活塞杆有效作用面积（）；214/ DA2mm 有杆活塞杆有效作用面积（）；)(4/222dDA2mm 伸缩液压缸工作腔承受压力为 8MPa(机床液压传动通常 2-8MPA)；1P背压力，伸缩缸回液压油腔压力，压力值通过回路的实际情况而2P定，此处选背压0。2p 油缸内径（）；Dmm 活塞杆直径（）。dmm表 2-1 伸缩液压杆系统类型系统类型背压力/MPa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路最短，直接回油箱此处忽略不计对于单活塞杆缸，无杆腔体内进入液体或气体时，无需考虑机械效率，得： （2.8）21212124()Fd pDpppp有杆腔进液体或气体时，不考虑机械效率，可得：22112124()Fd pDpppp这时，上面两式便可简化，即无杆腔进液体时：114FDp有杆腔进油时：新疆大学毕业论文（设计）72214FDdp假设考虑排出液体对活塞产生的压力，液压塞和液压杆处密封及导套产生的静摩擦，和运动部件因质量而产生较大惯性力影响，因此取机械效率0.8 或 0.9。液压塞杆的直径可通过工作压力来选择，cmd表 2-2 按工作压力选择 d/D工作压力/MPa5.05.07.07.0d/D0.50.550.620.700.7表 2-3 按速比要求确定 d/D2/11.151.251.331.461.612d/D0.30.40.50.550.620.71注：1无杆腔进油时活塞运动速度；2有杆腔进油时活塞运动速度。当液压缸的往复速度比有一定要求时，杆径 d 可由下式计算。 d= （2.9）1D伸缩缸的速比太大会产生较大的无杆腔背压，速度比太小会使活塞杆太细，丧失稳定性。建议伸缩液压缸的速度比如表所示。表 2-4 常用液压缸内径 D（mm）4050638090100110125140160180200220250由上式经过计算按照 GB/T2348-1993 标准可得伸缩液压缸的液压缸内径963，Dmm液压活塞杆通过受力来决定直径，受到拉力选取（0.3-0.5）D,受到压力选取（0.5-0.7）D，综上，所以：28dmm伸缩缸的缸筒长度由以下部分确定，包括活活塞长度、导向套长度、活塞杆密封长度和活塞杆最大行程等。为了降低加工难易成度，伸缩缸缸筒壁长度应小于内径的 2030 倍。根据上述要求和联系实际情况选择固定伸缩缸缸筒的长度500。Lmm中压和高压系列的缸通常使用无缝钢管做缸筒，一般金属壁较薄，即10 时，壁厚材料在最薄处使用薄壁圆筒公式计算壁厚，即：4qv （2.10）pDp2max新疆大学毕业论文（设计）8式中：缸筒内最高工作压力；p缸筒材料的许用应力，由下式可计算：p= pbn（2.11） 式中： 材料的抗拉强度为 610MPa；（由机电一体化手册查得）b安全系数，一般10 时，安全系数值 =5；当10 时，此类nDnD是厚壁筒，高压液压缸的缸筒也是厚壁类。通过上述分析得夹紧伸缩缸壁厚约8。mm2.2 手臂垂直升降液压缸的设计计算2.2.1 垂直升降液压缸驱动力的计算手臂作垂直运动时，升降液压缸工作，故只需计算无杆腔上升过程情况。不仅要克服惯性力与摩擦阻力，而且需克服手臂结构的运动零件的重力，因此其驱动力可按下式计算： =+F FFFFG回惯回回 其中： 手臂支承点的摩擦力（N），f=0.16；F回FF f回回 同上，F回=+=0.03FFFF回回回回回 同上，F回=0.05FF回回 （2.12）490 0.02562.59.8 0.02GvFNg t总惯 G手臂工件和运动部件的总重量（N），490N； 则：=+0.160.030.0562.5490F FFFFGFFF回惯回回得出，F=727Nk2=F7271817.50.8FN实新疆大学毕业论文（设计）92.2.2 升降液压缸的结构尺寸的确定手臂作垂直运动时，升降液压缸工作，因此只需要计算无杆腔上升的运动情况。如下图 2-3D652,77P1200,04dP2A1A2v1F图 2-3 升降缸上升状态简图同理缸的内径计算：，取 D=63mm644 1817.534.92 100.95FDmmp 通过上式算出活塞直径，液压升降活塞杆根据受力来决定直径，受力为拉力时（0.3-0.5）D,受力是压力时（0.5-0.7）D，综合考虑所以30dmm升降液压缸活塞杆内安装了花键与花键套，能提供导向的作用，也可让液压升降活塞杆在上升下降中平稳传动，并且获得的刚度较大。升降缸和伸缩缸一样，壁厚取8mm2.3 手臂回转齿条活塞液压缸的设计计算2.3.1 齿条活塞液压缸驱动力的计算齿条活塞式液压缸是活塞缸与齿轮齿条机构联合组成的能量转换和输出装置，本齿条活塞液压缸由齿轮轴与带有齿条杆的双活塞液压缸组成。它将活塞的往复直线运动经齿轮齿条机构转化为齿轮轴的往复回转运动。如图 2-4新疆大学毕业论文（设计）10图 2-4 齿条活塞缸计算简图 流量、驱动力的计算Q = （2.13）1332dD当 D=63mm,d=58mm,=0.95 rad/s 时Q = 952N 作用在活塞上的总机械载荷 P （2.14）回惯封工PPPPP+= 其中 为工作阻力工P 密封装置处的摩擦阻力封P 惯性阻力惯P 背压阻力回P P = 66+108+208=382（N）2.3.2 齿条活塞液压缸结构尺寸的确定通过作用在齿条活塞液压缸上的总液压力即驱动力和总的机械载荷之间的平衡方程，可得:新疆大学毕业论文（设计）114PDp得: D = 63mm由受压时取（0.5-0.7）D，综合考虑活塞杆取： d=58mm2.4 手腕回转液压缸的设计计算在工业液压机械手中实现回转运动，即手腕和手臂的同时回转，需要用到特殊机构即单叶片回转油缸，计算简如图 2-5 所示：图 2-5 单叶片回转油缸计算简图 （1）流量、驱动力矩的计算 在液压油输入到单片回转油缸，同时动片的角速度为时，所需加入回转油缸的流量 Q 为：223 ()400b DdQ当 D=150mm,d=60mm,b=40mm, =0.95 rad/s 时Q=0.02m /s3单片回转油缸内腔的液压油液，传递到动片的总液压力即是驱动力矩 M： （2.15）22()8pb DdM得: M = 0.8 (Nm)新疆大学毕业论文（设计）12（2） 作用输出轴的动片上的额外载荷力矩 M （2.16）回惯封工MMMMM+= 其中 为工作阻力矩工M 密封装置处的摩擦阻力矩封M 参与回转运动的零件在启动时产生的惯性力矩惯M 回转油缸回油腔的背反力矩回MM = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (Nm) （3）回转油缸内径的计算 单片回转液压缸的输出轴上的动片与定片受的合成力矩与输出轴上的外载荷力矩平衡，得： （2.17）28MDdbpD = 60mm2.5 手爪夹合液压缸的设计计算模仿手指施加在工件上的夹合力，是对手部结构设计的依据。夹合力需要克服工件的重力载荷和工件运动时产生的惯性力以及惯性力矩，来保持工件的夹合状态。手指对工件产生的夹合力计算：NF （2.18） NFGKKK321式中： 安全系数，通常取 1.22.0；1K工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可估算：2K= （2.19）2Kga1其中：重力加速度；g运载工件时重力方向的最大上升加速度，可计算：a新疆大学毕业论文（设计）13 （2.20） 响tvamax工件运动时重力方向上上升的最大速度，0.07。maxvmaxvsm/液压系统从启动到的时间，取 0.30.5 。响tmaxvs方位系数，视手指和工件的位置不同或者工件形状而确定。3K0.91.1。3K手抓夹合工件时的重力（）。GN计算：设 a=60mm，b=80mm，=30 度，求加紧力 Fn驱动力 F:nFGKKK3210.07/0.351.511.0 30 9.84509.8N根据图 4-6 受力分析，驱动力公式为：602tan302tan3045039080WNaFFNb取0.85得 390458.80.85WFFNbaFnFnFw图 2-6 手爪受力分析简图手爪夹合由单液压缸的驱动实现，故手指夹合缸的载荷为：F=458.8N新疆大学毕业论文（设计）143 工业机械手液压系统的工作原理工业机械手液压系统的工作原理3.1 液压原理简图每个致动器的液压系统的由电子控制系统的信号的操作控制相应的电磁阀或电动液压阀，根据所遵循的程序步骤的操作，由每个气缸的利弊的阀控制的工作顺序的液压系统电动螺线管工作。执行机构的定位和缓冲平稳可靠机器人的工作重点。提高生产率，希望机器人更快工作，效果越好，但更高的操作速度，启动和停止的转动惯量的时间变大，它不仅会影响机器人的定位精度，将是部件严重损坏。因此，实现了机器人和运动稳定性要求的定位精度，通常前定位采取缓解措施。机器人由压力传感器手指抓握的努力，以确保不会被划伤的片也不会掉落在搬运过程中的控制;伸缩臂和手臂被间距限位开关信号及时，提前切断油垫滑动和定位;手臂摆动手腕转动，以保证定位块的准确性之前到达信号结束切断油。机械手液压系统由 5 个部分组成，包括执行，辅助，控制，动力元件和液压油。其中的控制元件的功能为，控制操作时间，液压系统运动速度。主要想加强机械手臂使的灵活性，不仅要使液压传动合理化，还要加入电气联动控制提高其操控性能，还要设置手动的方式在特殊情况下及时开启或者关闭系统。在电气控制下，该液压系统分为连续，单周期等类型的工作。如下图 3-1 液压原理简图。主油箱液压泵单向阀过滤器压力表ABPT压力表开关电磁换向阀 溢流阀手臂伸缩液压缸ABPT双向调速阀手臂升降液压缸ABPT手臂回转（齿条液压缸）ABPT手腕回转（摆动式液压缸）ABPT手爪夹合（齿条液压缸）过滤器新疆大学毕业论文（设计）15图 3-1 液压原理简图（见上页）3.2 确定液压系统的工作要求根据工作的具体情况，电动执行机构至少应有手臂的升降、伸缩、回转以及手腕回转四个不同的自由度。多自由度组成的执行机构会使整个液压系统控制的器械更加灵活精确。手臂升降液压缸、手臂伸缩液压缸、手臂回转液压缸、手腕回转液压缸、手爪夹合液压缸和回转定位液压缸各个部分相互协作，共同执行液压的传动。液压缸驱动和电气控制共同完成一系列动作并以此循环往复：定位销定位手臂延伸手爪打开手爪夹合（材料）手臂回升手臂回缩手腕翻转撤定位销手臂侧转再次固定定位销手爪打开18095下料手爪闭合手臂回缩手臂降至最低点手腕复位撤定位销手臂复位重新待料。新疆大学毕业论文（设计）163.3 拟定液压系统原理图3.3.1 液压系统原理图图 3-2 工业机械手液压系统图3.3.2 电磁铁工作状态表表 3-1 电磁铁工作状态表动作顺序1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9Y10Y11Y12YK26插定位销+手臂前伸+手指张开+新疆大学毕业论文（设计）17手指抓料+手臂上升+手臂缩回+手腕回转+拔定位销+手臂回转+插定位销+手臂前伸+手臂中停+手指张开+手指闭合+手臂缩回+手臂下降+手腕反转+拔定位销+手臂反转+待料卸载+3.3.3 液压系统工作原理1、插定位销（1、12）YY按下按钮启动油泵之后，两个联动叶片泵 1 和 2 一起供油，电磁铁 1Y、2Y 通电，液压油通过阀 3，4 流入油箱，液压机械手变为待料的预备状态。在材料抵达上料位置时，开启相应程序。电磁铁 1Y 通电，2Y 断电，此时油泵1 继续卸除载荷，油泵 2 停止卸载荷，让 12Y 通电。进油路：泵 2阀 6减压阀 8阀 9阀 25（右）定位缸左腔。此时，插定位销以保证初始位置准确。定位缸没有回油路，它是依靠弹簧复位的。2、手臂前伸（5、12）YY插定位销后，支路系统的液压油油压变高，电磁继电器 K26 启动，电磁铁 5Y通电，泵 1，2 经对应单向阀流入到电液改向阀 14 左边，抵达伸缩缸液压油腔。进油路：泵 1单向阀 5阀 12 左边手臂伸缩液压缸缸体右侧腔体 泵 2双向阀 6阀 7 右边回升回油路：手臂伸缩与液压缸缸左腔变速阀 15阀 14 左液压油箱新疆大学毕业论文（设计）183、手指张开（1、9、12）YYY手臂向前延伸，触发行程开关，电磁铁 1Y 和 9Y 同时通电，泵 1 卸除载荷，泵2 加液压油，经过电磁阀 6 和 20 左边位置，进入手爪夹合缸右侧腔。回油路路线：左侧腔通过液控单向阀 20，21 左侧位抵达油箱。进油路：泵 2阀 6电磁阀 20 左侧手指夹紧缸右腔回油路：手指夹紧缸左腔阀 21电磁阀 20 左侧油箱4、手爪抓料（1、12）YY手抓打开，时间继电器工作，延时。材料由送料机构运输到手爪夹合处，继电器启动同时 9Y 断电，泵 2 的压力油通过阀 20 的右位进入缸的左腔，使手指夹合材料。进油路：泵 2阀 6阀 20 右侧阀 21手爪夹和合左侧回油路：手爪夹合缸右侧腔阀 20 右侧至油箱5、手臂上升（3、12）YY当手指抓料后，手臂上升。此时，泵 1 和泵 2 同时供油到升降缸。主油路为：进油路：泵 1单向阀 5阀 10 左侧阀 11阀 12手臂升降缸下腔 泵 2阀 6阀 7回油路：手臂升降缸上腔阀 13阀 10 左侧油箱6、手臂回缩（6、12）YY手臂向上运动至指定位，触发开关，3Y 断电，电气控制液压油，阀 10 复位，6Y 通电，泵 1，2 一同供油等到电液改向阀 12 右侧，液压油进入单向变速阀15 到达伸缩液压缸左侧腔，右侧腔液压油最后通过阀 14 右侧回流油箱。进油路：泵 1阀 5阀 14 右侧阀 15手臂伸缩液压缸左侧腔 泵 2阀 6阀 7回油路：手臂伸缩液压缸右侧腔单向阀 14 右侧油箱7、手腕回转（1、10、12）YYY当手臂上的碰块碰到行程开关时，6Y 断电，阀 14 复位，1Y、10Y 通电。此时，泵 2 单独供油至阀 22 左端，经阀 24 抵达手腕回转液压缸，使手腕翻转。180进油路：泵 2变速阀 6阀 22 左侧阀 24 右侧手腕回转缸回油路：手腕回转缸液压缸阀 23阀 22 左侧油箱8、拔定位销（1）Y待手腕上的触碰模块触发行程开关时，10Y 与 12Y 断电，阀 22、25 复位，定位液压缸的液压油经通入阀 25 左端回流油箱，弹簧的作用是拔定位销。回油路：定位缸左腔阀 25 左侧油箱定位缸没有进油路，它是在弹簧作用下前进的。9、手臂回转（1、7）YY新疆大学毕业论文（设计）19定位缸支路无油压后，压力继电器 K26 启动，7Y 通电。泵 2 液压油通入阀 6进入换向阀 16 在进入变速阀 18 左侧最后回到手臂回转液压缸缸，手臂回转。95进油路：泵 2阀 6换向阀 16 左侧单向调速阀 18手臂回转缸回油路：手臂回转液压缸变速阀 17阀 16 左侧节流阀 19油箱10、插定位销（1、12）YY手臂复位触发行程开关，7Y 再次断电，12Y 通电，插定位销与 1 同。11、手臂前伸（5、12）YY此时的动作顺序同 7。12、手臂中停（12）Y手臂向前运动触发行程开关，伸缩液压缸停止工作，5Y 断电，手臂把加工材料准确运输到指定位置“手臂停止工作”待主机夹紧材料，夹头夹合材料后，启动时间继电器。13、手爪张开（1、9、12）YYY继电器发出信号后，1Y 和 9Y 一起通电，手抓张开。时间继电器启动开始延时，主机运输材料，继电器继续工作。14、手爪闭合（1、12）YY接收继电器发讯，9Y 断电，手爪闭合15、手臂缩回（6、12）YY当手指闭喝后，1Y 断电，使泵 1 和泵 2 一起供油，同时 6Y 通电，其动作顺序同 6。16、手臂下降（4、12）YY手臂回缩触发行程开关，6Y 断电，4Y 通电。电液换向阀 10 右侧动作，液压油进入阀 10 和单向变速阀 13 进入升降液压缸上部腔。进油路：泵 2阀 5阀 10 右侧阀 13手臂升降液压缸上部腔 泵 1阀 6阀 7回油路：手臂升降缸下腔阀 12阀 11阀 10 右侧油箱17、手腕反转（1、11、12）YYY手臂升降导向套上的铁块触及行程开关，1Y 和 11Y 一起通电。泵 2 供液压油通入阀 22 右侧，液压油通过单向变速阀 23 经过手腕回转液压缸的另一侧腔体，手腕进行翻转。180进油路：泵 2节流阀 6阀 22 右侧变速阀 23手腕回转液压缸回油路：手腕回转液压缸变速阀 24阀 22 右侧油箱18、拔定位销（1）Y手腕翻转触碰行程开关，1Y 通电，11Y 和 12Y 同时断电。状态同 8。19、手臂反转（1、8）YY新疆大学毕业论文（设计）20拔定位销，压力继电器发信号，8Y 接通。换向阀 16 右端动作，液压油流入手臂回转液压缸的另一腔，反转手臂，液压机械手回到初始位置。95进油路：泵 2阀 6阀 16 右侧变速阀 17手臂回转液压缸回油路：手臂回转液压缸单向阀 1816 右侧节流阀 19油箱。20、待料卸载（1、2）YY机械手复位，触发开关，2Y 通电，8Y 断电。油泵 1，2 一起带料卸载。液压机械手工作结束，完成一个循环。需再次启动完成下个循环，如此往复。整个液压系统的动作控制可以通过计算机控制完成，与相关主机联为一体，其工作顺序相同。3.3.4 液压系统特点分析：这个系统由两个泵驱动，两个泵同时提供液压油在手臂运动时。当手臂转动时，手腕转动，手爪夹合时，定位液压缸工作时，仅有小流量泵提供油，大流量泵自动待料卸载。由于定位气缸的低压力和控制油回路的压力也低，提供了稳定减压。升降和伸缩都使用单杆液压缸驱动,升降臂和伸缩臂速度分别由 11、13、15实现单向调速阀调速节流回油,手臂和手腕的转动通过摆动液压缸驱动,它的正向和反向运动也使用单向阀 17 和 18,23 和 24 回油节流。执行机构缓冲及精准定位是操纵机械手稳定运行的重点。从生产效率看，希望机器人的工作速度越快越好，但是速度越快，开始和停止时，越大的惯性，越大的振动和冲击随之产生，这不仅会影响到操作器的定位精度，而且还会损坏零件。因此，机械手的定位精度和运动稳定性的要求应该在定位之前进行。伸出手臂,手腕后待完全停止时挡铁卡位保证定位准确性,到达端点前由继电器切断油路,滑动缓冲区;后面的手腕和手臂上升时行程开关在某一特定点启动,切断石油路的时候,滑翔缓冲和定位。此外，可伸缩的汽缸和升降筒采用电动液体换向阀，调整换向时间，也增加了缓冲效果。由于手臂旋转部分的质量大、高速度旋转、运动惯性较大,旋转油缸系统部门除了单向变速阀回油节流,在油路上安装节流阀 19 进行缓冲,最后由圆柱定位销定位,定位要满足精度要求。为了确保工件安全的夹紧和紧压，采用了阀 21 的锁定电路。避免了压力产生的波动。手臂升降液压缸属于立式液压缸，使用单向顺序阀 12 平衡电路来支撑平衡运动部件的自重。新疆大学毕业论文（设计）213.3.5 电气控制系统原理图每个机构执行的动作由电气系统控制对应的电磁铁换向阀，依照程序步进顺序工作。图 3-3 工业液压机械手电气控制图3.3.6 电气控制系统工作原理1、 插定位销（1、12）YY放下闸刀开关 QG，启动起动按钮 SB2，中间继电器 12K 带电工作，常开触点处于闭合状态，电磁铁 1Y、2Y 有电，两由泵一起卸载，机械手待料卸载。时间继电器 KM 带电，常开触点闭合，电机 M 工作，运输棒料。当材料运送到上料位置，撞上行程开关 12ST, 12ST 闭合，中间继电器 12K 断电，电磁铁 2Y 断电，小泵停止卸载，大泵仍卸载，同时使中间继电器 11K 得电，常开触点自锁，使另外的常开触点闭合，电磁铁 12Y 得电，实现插定位销。2、 手臂前伸（5、12）YY当液压定位缸的油压达到待定值，压力继电器 KP 开始工作，这时，行程开关6ST 断电闭合，中间继电器 5K 通电，常开触点闭合，电磁铁 5Y 也通电，使手臂向前运动。3、 手爪张开（1、9、12）YYY新疆大学毕业论文（设计）22规定时间过后，手臂伸缩液压缸所带的铁片触及开关 4ST,导致 4ST 闭合，4K通电（中间继电器），4K 的常开触点闭合，此时 9Y 通电，实现手爪打开。4、 手爪抓料（1、12）YY规定时间后，手爪夹合液压缸的铁块触及到开关 5ST,使 5ST 闭合，中间继电器4k 断电，常开触点断开，9Y 断电，实现手爪抓料。5、 手臂上升（3、12）YY经规定时间，手爪夹合缸的铁块触发开关 2ST,使 2ST 闭合，中间 2K 继电器通电，常开触点闭合，3Y 通电，实现手臂向上升。6、 手臂回缩（6、12）YY经规定时间后，手臂升降液压缸的铁块触及开关 7ST,使得 7ST 闭合，中间继电器 6K 通电，常开触点闭合，6Y 断电，使手臂回缩。7、 手腕回转（1、10、12）YYY规定时间过后，手臂伸缩液压缸的铁块触发开关 8ST,使得 8ST 闭合，中间继电器 7K 通电，常开触点闭合，10Y 也通电，使手腕发生回转。8、 拔定位销（1）Y经特定的时间后，手腕回转液压缸的铁块碰到开关 11ST,使得 11ST 闭合，中间继电器 10K 通电，其常闭触点断开，电磁铁 12Y 断电，同时 8ST 断开后，7K断电，常开触点断开，10Y 同断电，实现定位销拆除。9、 手臂回转（1、7）YY经规定时间后，定位缸分路上无油压，压力继电器 KP 启动，开关 10ST 闭合，9K 得电，常开触点闭合，7Y 通电，实现手臂 180回转。10、插定位销（1、12）YY此过程同 1。11、手臂前伸（5、12）YY此过程同 7。12、手臂中停（12）Y经特定时间段后，手臂伸缩液压缸的铁块触发开关 6ST，继电器 5K 断电，其开触点断开，5Y 断电，手臂停在中间位置。13、手指张开（1、9、12）YYY其过程同 3。14、手指闭合（1、12）YY其过程同 4。15、手臂缩回（6、12）YY其过程同 6。16、手臂下降（4、12）YY新疆大学毕业论文（设计）23过了一定时间后，手臂伸缩液压缸上的铁块触发开关 3ST，使得 3ST 闭合，中间继电器 8K 此时带电，常开触点闭合，4Y 通电，实现手臂向下运动。17、手腕反转（1、11、12）YYY一段时间过后，手臂升降液压缸铁块使行程开关 9ST 闭合，中间继电器 8K 通电，常开触点闭合，11Y 通电；然后使中间继电器 3K 断电，常闭触点闭合，1Y 通电，使手臂转动 95。18、拔定位销（1）Y其过程同 8。19、手臂反转（1、8）YY拔掉定位销时，压力继电器 KP 工作，行程开关 11ST 处于闭合状态，10K 中间继电器通电，常开触点闭合，8Y 得电，使手臂反向转动。20、待料卸载（1、2）YY经过一段间，手臂回转液压的铁碰到关 11ST,10K 为中间继电器且触点断开，闭合常闭触点，8Y 断电，同时 2Y 得电，两泵一同卸荷完成待加工料的卸载。3.3.7 电气系统特点分析：控制模式由点程序控制。设计程序采用开关主模式，操纵器的自动回路由步进继电器控制。步骤操作由每个动作执行，使行程开关的触点闭合，信号由每个步骤的预设动作组成。同时传输指令完成对应的中间继电器 K 指令,再控制液压机械手做出相应动作让继电器工作同时,结束复位指令完成适当的中间继电器电发讯,使机械手准备重返工作岗位。除了自动循环，液压机械手还有调节电路，可以手动调试通过 SB 按钮单独控制。液压泵的液压油提供和卸载与每个动作间的相应关系由控制电器保证：只有在 2K、3K、4K、5K、6K、7K、8K、9K、10K 等九个中间继电器全部不通电（所有液压缸不动作）时，中间继电器 12K 才通电，使电磁铁 1Y、2Y 得电，大、小泵同时卸载；中间继电器中任意一个通电（即任一液压缸动作），12K则断电，小泵停止卸载；中间继电器 2K、3K、5K、6K 中任意一个通电（即手臂升降，手臂伸缩），大泵停止卸载。手臂定位与手臂回转由继电器互锁。在插定位销后，定位缸压力上升，压力继电器 K 升压发令，由常开触点接通手臂升降、伸缩、松夹、回转等部分循环线路，一方面常闭触点断开，手臂工作回转。与此同时定位缸由电磁铁 12 和串新疆大学毕业论文（设计）24有中间继电器 9K，10K 手臂回转的常闭触头还有 11K 的常开触头，形成互锁保证手臂回转进行在定位销拔出之后。由于液压机械手在工作中存在金属粉尘，在中间继电器的每一侧的电磁铁线圈中通常打开触点，以确保可靠的功率，继电器在释放后正常开启接触，液压缸立刻停止工作。4 液压系统的设计4.1 设计方案要确定一个机器的液压系统方案，必须和该机器的总体设计方案综合考虑。首先明确机器对液压系统的性能要求，进而抓住这一类机器液压系统设计的核心和特点，然后按照可靠性、经济性和先进性的原则来确定液压系统方案。如对变速、稳定速度要求严格的机器（如机床液压系统，高精度机械手等），其速度调节、换向和稳定是系统设计的核心，因而要确定其调速方式。而对于那些对速度无严格要求的设备但是要求对输出力和力矩有要求的机器（如挖掘机、装载机的液压系统），组合油路作为系统的核心设计，十分重要。 4.1.1 液压回路的选择（1）压力源电路：被称为一个电源的压力源的电路，功能是增加压力，流速，以满足液压制动器的需求。一个压力源电路由油箱、燃料箱附件、液压泵、电动机（发动机）、过滤器、安全阀门、止回阀等组成。（2）压力控制回路：压力控制回路是压力控制系统或系统某一分支油液压力的回路，来实现实现调压、减压、增压、多级压理分压，使执行元件满足力或转矩的实际情况。当不需要压力控制许多类型的环路中，每一个分支的一个工作周期的一段时间内，以提供一个新的液压能，考虑通气卸荷回路;当压力低于一个分支需要一个稳定的电源，用油应考虑解压缩电路;负载波动大时，应考虑用多级压力操控回路;在易发生运动部件的冲击产生较大惯性时，采用缓冲和制动的电路;在运动部件与电梯液压系统应考虑电路等的平衡。本设计采用一般将浪涌电压限幅电路和油源电路合并的。新疆大学毕业论文（设计）25（3）速度控制回路：核心是液压系统速度环和速度闭环调速方案的示意图对其他电路的选择产生决定性的影响。该系统是功率较小，因此使用简单的通道进入油门速度。同样的道路使用单泵油，力求更好的经济性。在使用单凸极举升缸机器人，以使往复运动速度，以用于当油门双向达成共识。如果只用油门调速器，阀门应放在油门下，按杆腔内部进油量达到最大速度，依然满足设计要求。（4）方向控制电路：控制驱动器启动，停止或者改变运动方向或控制液流关闭或改变使用方向控制回路所需的方向。实现定向控制的基本途径是：VRLA 主要用于控制流量分配阀，泵控制是利用双向或双向计量泵可变流量泵，以改变它的方向和流量，致动器控制是利用双向液压马达来改变流动方向。4.2 系统工作压力的选择根据工作负载和不同的设备来选择对应压力。也需要考虑安装空间、限制、组件实用性。特殊负载下，当工作压力较低时，致动器尺寸结构对于某些设备的限制一定有不同程度的增加，从经济实用方面看，不理想。反之，设备压力太高的话，泵、罐、阀和附带的组成材料对密封和精度有很高的要求，设备成本急剧增高，同样不可取。在通常的情况下，对于一个固定的大小的设备无限制，选择较低的压力，重工业大型设备作业机械压力需要选择一个高数。选择指两个表:表 4-1 按载荷选择工作压力9载荷/KN50工作压力/MPa0.811.522.5334455表 4-2 各种机械常用的系统工作压力9 机 床机械类型磨床组合机床龙门刨床拉床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机起重机械起重运输机械工作压力/MPa0.82352881010182032从多方面考虑，同时对计算数据分析得到搬运液压机械手的工作压力为8MPa。新疆大学毕业论文（设计）264.3 液压元件的选择4.3.1 液压泵的选择在液压系统中，液压泵的选择首先要满足液压系统的要求，如流量、工作压力等，然后根据机器的特点对泵的性能和使用维护等方面进行综合考虑。在选择泵的形式时，要使泵具有一定的压力贮备，一般泵的压力比系统的压力高。根据形状和运动方式分为齿轮泵、活塞泵、叶轮泵。 按照该原理可选用液压泵的有：（1）要求的可变需求变量选择可变排量泵，其所述的单向泵的工作压力低，对应机械系统少。（2）目前各类液压泵额定压力有所增加，相对来说柱塞泵的使用应用较为客官，在相同情况下它输出的压力、流量、扭矩及效率更为突出。（3）适应各种工作环境的齿轮泵具有很大优势，它尤其适合在恶劣的环境中工作，应用较广。4.3.1.1 液压泵的流量计算（1）前泵的流量：nVq前 式中： V泵的排量（rmL/）n泵的额定转速（min/r）min/4 .59180033maxLq前min/75.2475033minLq前（2）后泵的流量：nVq后 （4.1） 式中： V泵的排量（rmL/）n泵的额定转速（min/r）min/6 .21180012maxLq后min/975012minLq后新疆大学毕业论文（设计）274.3.2 液压泵所需液压马达的确定 液压马达，这里马达转速取决于进口流量、排量及容积效率。但对某一种马达来说，由于惯性力的影响，和内部通道流速限制，有一个最高工作转速。内曲线马达的最高速转速比曲线连杆式马达低，一般不大于 150/min，而曲轴连杆式马达的转速可达到 300r/min。液压马达的效率随设计、制造质量和使用条件不同而有较大的变化。并且在选择电机即液压马达时要考虑马达的启动效率。4.3.2.1 液压泵所需液压马达工作效率的计算 /maxqPN （4.2） 式中： N油泵所需要的电动机功率；P油泵的最大工作压力（Pa）；maxq油泵最大流量（sm /3）；泵油泵总效率，普通叶片泵泵0.740.85；齿轮泵泵0.60.8；柱塞泵泵0.70.9。前泵所需电机功率：kwqPN9 . 9608 . 0104 .59108136max前 后泵所需电机功率：kwqPN6 . 3608 . 0106 .21108236max后4.3.3 液压阀的选择液压阀的作用是控制液压系统油的流动方向、流量的大小和系统压力高低的元件，不同形状的阀门实现不同的功能，区别在于反应速度，控制时间，控制方向的不同，其负载能力也各不相同，有低到高，种类多样。使各类液压执行元件能够按要求协调的进行工作。液压阀分类为：新疆大学毕业论文（设计）28（1）压力控制阀：调整系统压力的大小，利用压力作为信号来控制其他动作的液压阀。满足机构力矩和力的要求。（2）流量控制阀：按照执行机构的要求提供所需的流动速度。 （3）方向控制阀：改变油的流动方向的控制元件。以控制致动器等的移动方向。三种类型的阀门，也可以彼此结合成为一个复合阀，以减少连接管结构更紧凑，并确保系统正常工作的一个重要条件。根据液压设计要求，根据所设定的压力，在一般情况下，应在电动阀或液压阀中使用的换流性能要求，对于换向无特殊要求，最好采用电磁阀。根据液压系统的设计要求，夹紧油缸换向选择两种双向电磁阀。 为了确保夹紧液压缸夹紧工件的可靠性，导频的选择可操作的止回阀填料和锁定。臂举升油缸为体重支承平衡臂移动部件，采用了单向顺序阀平衡电路的垂直液压缸。4.3.4 液压辅助元件的选择原则（1）蓄能器：一种将液压能储存在容器里（耐压类容器），等到需要时再将其放出来的装置。它一般作用作辅助液压提供压力，提供一定量的油，在短时间内，满足系统的速度，压力的要求。（2）过滤器：是一种清洁液压油的装置，它是使液压系统进行正常工作的前提。过滤器选择要满足以下 6 点：1）选择的过滤器类型与安装位置和安装形式相配合。2）过滤器应满足清洁度要求。3）使用的过滤器的滤芯，应满足工作介质的要求，并具有足够的强度。 4）过滤器的强度和压力损失是一个需要重点关注的因素选择，安装过滤系统会引起局部压力下降或反压后时需要考虑的。 5）该系统应考虑选择适当的过滤保护配件。6）结构应简单，紧凑，用合理安装形式。4.3.5 管道尺寸的确定1.管道内径计算： vqdV4 （4.3）式中： Vq通过管道内的流量（sm /3）；新疆大学毕业论文（设计）29 v管内允许流速（sm/）见表。根据内径尺寸计算，参考下表选择对应管子。表 4-3 软管内径尺寸系列102.53
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