【《某凸轮机械手的液压缸设计案例》2900字】

某凸轮机械手的液压缸设计案例1绪论1.1工业机械手的发展前景与现状在科技高度发达的今天，人类一直致力于把双手从简单重复的劳动中解放出来，随着工业革命的发展，各种各样的机械手在自动化生产线的地位已经越来越重要，尤其是在工业领域。工业机械手可以自动识别用户编写的操作程序，并按照编写的程序来执行对工件进行抓取和运输到指定工作位置等各种操作。还能用来代替人工，做各种频繁劳重的体力活，还可以在特殊环境下随时进行工作，保障人身安全，因此大量应用于工业机械制造、航空、冶金等领域。机械手的概念是在早期机器人的基础上逐步提出来的，研究工作开始于20世纪中期。特别是1946年第一台新型计算机的问世，更为机械手的持续发展进步奠定了坚实基础。机械手首先是从美国开始发明的，1958年美国成功研制出了世界上第一台机械手，此后经过不断改良，使这台机械手更加完善，这台机械手对以后的机械手发展影响深远，意义重大。机械手得到迅猛的发展是在二战期间，许多国家用来搬运炸弹。而由于我国现代工业机械手的产业起步较其他发达国家要晚，因此，要落后其他国家许多。但我国政府认识到机械手的重要性，加大了投资与研发，在众多学者以及研究者的积极参与下，成功研制了一系列工业机械手。随着机械手的发展，人们对机械手的要求也越来越高，包括在精度方面，稳定性方面等，人们已经不满足于机械手只能搬运重物做重复劳动这单一方面。如今的机械手已经向模块化发展。由标准的相互独立的制造模块组成，每个模块有动力源、驱动部分等。不同的模块组合在一起，有一个信息的控制系统控制，构成了具有特殊功能的机械手。扩大了机械手的应用范围。再一个是往无给油化的方面发展。无给油化是一个新提出来的概念，主要应用于食品等生产过程中无污染的领域。随着时代的不断向前推进，机械手的各部分发展不断趋于完善，相信在不久的将来，机械手领域一定会迎来腾飞。1.2工业机械手分类以及各部分组成机械手的分类有很多种，主要有以下几种：（1）机械手按驱动方式分可分为气动式、机械式、电动式、液压式；（2）按照自动机械手的用途分类又可细分为各种类型专用自动机械手和各种类型通用机械手；（3）按点位控制操作方式不同又可细分为连续点位控制和自动点位轨迹控制两种机械手。机械手的构成并不复杂，主要是执行机构、驱动机构和控制系统。1.机械手的执行机构机械手的执行机构一般由手、臂、躯干三部分组成。手部：是安装在机械手手臂的前端，为了进行抓取夹持工作的部件。通常手部需要根据抓取的物件大小尺寸形状来进行设计。手部大致可以分成夹持型和吸附型。夹持型又分为内抓式和外抓式。吸附型主要抓取平板玻璃状的物体。手臂：主要作用主要是用来支撑手部。其次，工件运动的范围取决于臂部运动形式，还用来支撑腕部。手臂和人的手臂一样，能旋转也能伸缩，增加了机械手的自由度，使机械手的运动更加灵活。躯干：通俗来说就是一个承载其他部件的支架。2.驱动机构驱动机构是使工业机械手运动的机构，是一个重要的部分。一般有液压式，气动式，电动式和机械式四类。目前比较常用的是气压式驱动和液压式驱动。气动式的成本低，速度快，定位精度比其他机械手高，缺点是臂力小，在300N以下。液压式的臂力大，一般来说能达到10000N以上，可以完成连续的控制。3.控制系统控制系统能按照人的意愿或者所希望的方式控制可变的量，从而实现理想状态控制系统在现阶段已被广泛应用于各个方面。加入一辆车没有控制系统，那就无法实现转弯，加速等功能，控制系统可以形象的比作人的大脑，具有举足轻重的作用。2.总体设计方案的确定本次设计所要实现的目的是抓取5-10kg，并且是玻璃材质的平板状物件，而且要实现到达指定的位置的要求。通过比较其他相关的产品，设定手部可以实现90°的回转，臂部部分能达到150mm的伸缩。本次设计的产品可以应用于自动化生产线的上下料2.1机械手的原理如图2-1所示。齿轮3与凸轮4固联在一起，凸轮5和臂部6固联在转轴7上，轴7与凸轮4套装，可沿轴向移动，装在凸轮5圆周上挡销10与11和固定挡块8与9起定位作用，装在转轴7右端的压缩弹簧12可保证凸轮4与5紧靠。1-油缸2-齿条3-齿轮45-凸轮6-臂部7-转轴8、9-挡块10、11-挡销12-弹簧13-手部14-工件图2-1臂部采用凸轮机构的机械手工作原理当活塞油缸1通过齿条2和齿轮3驱动凸轮4沿逆时针方向转动时，凸轮5在弹簧12的作用下，连同7和臂部6向左移，当到两齿轮完全合笼后，凸轮5将随凸轮4一起转动。当凸轮5转过角后，凸轮5上的挡销10同挡块8相碰，凸轮5被迫停止转动。当凸轮4继续转动时，手臂6被凸轮4推向右方，完成整个工作循环。2.2方案的确定首先要整体考虑机械手的自由度，定位精度以及运行速度等。自由度通常是衡量机械系统运动灵活度的一个重要参数，在一个机械系统中自由度多就意味着此系统越灵活，能完成的动作就越多。3个自由度就能满足一般的机械手的需要，专用的机械手通常只有两个自由度。定位精度是衡量机械手运动稳不稳定的一个重要指标，通俗讲是看工件能不能准确到达工作所需要的指定的位置。一般所说的定位精度是指重复定位精度。伺服系统可以使工业机器人的定位精度达到0.01毫米。除了对机械手整体的考虑，各个分部之间也应该进行设计与校核。1.驱动系统的设计：液压缸是机械手中的执行元件，可以把液压能转化为机械能，为机械手提供动力。本课题选择的液压缸应该保证机械手运转的基本动力，并能够使物件转向。2.臂部结构设计：臂部的整体尺寸结构应该满足完成机械作业时所需要的空间要求。3.手部设计：由于本设计抓取的物件为玻璃材质平板状的物体，故采用吸盘式的手部设计。通过真空吸盘抓取物体实现物体的移动。4.其他关键部位的设计：包括齿轮齿条，挡销的选取设计。

3.液压缸的设计液压缸在本课题的设计中起到将液压缸动能转化为机械能的作用，是机械手的主要操作执行元件。液压缸的结构是简单的，使用安装起来也比较方便。本课题为实现直线运动，采用单活塞式双作用液压缸。3.1驱动力的计算手臂要克服摩擦力和其他的惯性力才能做伸缩运动，所以驱动力的可以用下面这个式子计算：（3-1）式中——起动过程的惯性力；其大小按下式估算：（3-2）其中G——臂部移动部件的总重量,估算G=mg=1009.8=980Ng——重力加速度，g=9.8v——臂部运动速度，v=0.5m/st——起动时所用的时间，这里取t=0.2s——摩擦阻力。查资料《机械设计手册》可以查出铸铁与橡胶的动摩擦因数为，则可得：490N根据公式（3-1），可得，由于臂部的主轴直接带动首部及工件的运动，考虑其产生的动载及吸盘负压条件，取驱动力为3.2液压缸参数的计算3.2.1液压缸的输出力（1）如图3-1示，单杆活塞式液压缸的推力（3-3）式中——液压缸推力——工作压力——活塞的作用面积；——活塞直径图3-1活塞缸（2）如图3-2所示，单杆活塞式液压缸的拉力（3-4）式中——液压缸拉力——工作压力——液压缸有杆腔作用面积（3-5）——活塞直径——活塞杆直径图3-2活塞缸3.2.2液压缸的输出速度（1）单活塞式液压缸活塞外伸时的速度（3-6）式中——活塞的外伸速度——进入液压缸的流量——活塞的作用面积（3-7）——活塞直径（2）单活塞式液压缸活塞缩入时的速度