立式精锻机自动上料机械手设计方案

1 立式精锻机自动上料机械手设计方案 第一章 绪论 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它 的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不 知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、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。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 机械手的基本概念 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取 、搬运工件或操纵工具的自动化装置。我国国家标准 ( 12643机械手的定义 :“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。 机械手的分类及简史 第一章 绪论 2 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 械手的分类 （一）按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种： 1、专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结 构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”。 2、通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种 :简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制 :可以是点位的，也可以实现 连续轨迹控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 (二 )按驱动方式分 1、液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 2、气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机 械手。其主要特点是 :介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 3、机械传动机械手 即由机械传动机构 (如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等 )驱动的机械手。它是 3 一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程 序不可变。 4、电力传动机械手 即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。 (三 )按控制方式分 1、点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。 2、连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特 点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。 械手的简史 机械手首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动 ；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司 ,专门生产工业机械手。 1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国 司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差 小于 1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国 司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 第一章 绪论 4 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977 年底，其中一半是国产，一半是进口。 目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具 有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。 第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 柔性制造单元 的重要一环。 机械手的应用简况 现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。 有资料统计 ：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。 机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。 国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。 采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。 机械手的发展趋势 目前 工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。 在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的 5 还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换 工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。 此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。 此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时 ，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。 视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。 触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感 技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。 更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图： 如图 示 ) 第一章 绪论 6 图 1）手部 手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。 本课所指的机械手仅需开闭手指。 机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由 关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。 本课所做的机械手采用二指形状。 （ 2）手臂 手臂有无关节和有关节手臂之分 本课所做的机械手的手臂采用无关节臂 手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。 本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。 总括机械手的运动离不开 直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。 躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。 驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占 90%以上，电动、机械驱动用的较少。 7 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力 大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用 4大气压，个别的达到 8大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。 电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运 动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。 电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。 机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。 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，设计采用数字顺序控制。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。 应用机械手的意义 随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。 在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以第一章 绪论 8 及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。 第二章 系统设计方案 机械手的设计参数 抓重： 60 自由度数： 4 个； 坐标形式：圆柱坐标； 最大工作半径： 1700 毫米； 手臂最大中心高： 2300 毫米； 手臂运动参数； 手臂伸缩范围： 0500 毫米 手臂伸缩速度：伸出 176 毫米每秒； 缩回 233 毫米每秒； 手臂升降范围： 0600 毫米； 手臂升降速度：上升 102 毫米每秒； 下降 152 毫米每秒 ； 手臂回转范围： 00 2000 (实际使用为 950)； 手臂回转速度： 630 每秒； 手腕运动参数： 手腕回转范围 :001800； 手腕回转速度： 2010 每秒； 手指夹持范围： 30米； 缓冲方式及定位方式： 手臂伸缩：伸出时由行程开关适时切断油路，手臂缓冲，缩回时由行程开关控制返回终了位置。 手臂升降：上升时是靠可调碰铁触动行程开关而发信，使电液换向阀变为“ o”型滑阀机能，切断油路而实现缓冲定位，下降时靠油缸端部节流缓冲，由行程开关控制终了位置。 手臂回转：采用行程节流阀（双向使用）减速 缓冲，用定位油缸驱动定位销而定位。 手腕回转：采用行程开关发信，切断油路滑行缓冲，死挡块定位。 驱动方式：液压 第二章 系统设计方案 控制方式：点位程序控制 机械手的工艺流程 机械手原位机械手前伸机械手上升机械手抓取并夹紧机械手后退 机械手左转机械手前伸机械手松开机械手下降机械手右转退至原位 机械手的总体结构 本机械手系统由执行系统、驱动系统和控制系统组成。执行系统包括手部、手臂、手腕。驱动系统包括动力源、控制调节装置和辅助装置组成。控制系统由程序控制系统和电气系统组成。 机械手的工作过程 立式精锻机和自动上料机械手等的配置如图 2示。被加热的坯料由运输车 2送到上料位置后，自动上料机械手 3 将热坯料搬运到立式精锻机 1 上锻打，其成品锻件由下料机械手 4 送立式精锻机上取下并送到转换机械手 5 上，转换机械手先把锻件翻转90成水平位置，由丙烷切割装置 6 将两端切齐，切割完毕，转换机械手 5 的手臂再水平回转 87，将锻件水平放置到下料运输装置 7 上，运送到车间外面的料仓处进行冷却。自动上料机械手 3 在此精锻生产线上可以完成取料、喂料和变换工位等动作。 第二章 系统设计方案 械手的座标型式与自由度选 择 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。 械手的手部结构方案设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。 械手的手腕结构方案设计 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。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。 械手的手臂结构方案设计 按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降 (或俯仰 )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移。手臂的各种运动由液压缸来实现。 械手的驱动方案设计 由于液压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压传动方式。 械手的控制方案设计 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 (机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变 常方便快捷。 第三章 机械手结构设计 部设计要求 1、有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。 2、有足够的开闭范围 夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以 最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。 图 3械手开闭示例简图 3、力求结构简单，重量轻，体积小 手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单， 重量轻，体积小。 第三章 机械手结构设计 4、手指应有一定的强度和刚度 5、其它要求 因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。 紧装置设计 如图 示：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。 图 31、右腔推力为 4） DP （ =（ 4） 25 10 =、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为： 2b a） （ N （ 其中 N =4 98N=392N，带入公式 ： 2b a） （ N =(2 150/50) （ 392 =1764N 则实际加紧力为 际 = （ =1764 424N 经圆整 500N 3、计算手部活塞杆行程长 L,即 L=（ D/2） （ =25 经圆整取 l=25、确定“ V”型钳爪的 L、。 取 L/ （ 式中： （ 由公式（ ： L=3 50 取“ V”型钳口的夹角 2=120，则偏转角 按最佳偏转角来确定， 查表得： =2239 5、机械运动范围（速度） （ 1） 伸缩运动 00mm/s 0mm/s （ 2）上升运动 00mm/s 0mm/s （ 3）下降 800mm/s 80mm/s （ 4）回转 0/s 0/s 所以取手部驱动活塞速度 V=60mm/s 6、手部右腔流量 Q= （ =60r =60 25 =s 7、手部工作压强 P= =3500/ （ 腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度， 可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。 要求：回转 90 第三章 机械手结构设计 角速度 W=45/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 10度l=650 算扭矩 重力集中于离手指中心 200，即扭矩 ： S （ =10 NM） F S F S F 图 3部受力简图 缸（伸缩）及其配件的估算扭矩 =5 S=10入公式 S=5 NM） 动缸的摩擦力矩 M 摩 F 摩 =300（ N）（估算值） S=20 （估算值） M 摩 = F 摩 S=6（ N M） 4、摆动缸的总摩擦力矩 M M=2+ M 摩 =N M） （ 工件 T=Pb（ 106/8 （ 其中： b 叶片密度，这里取 b=3 摆动缸内径 , 这里取 0 转轴直径 , 这里取 所以代入（ 式 P=8T/b（ ） 106 =8 106 =因为 W=8Q/（ ） b 所以 Q=W（ b/8（ /4）（ =10s =27ml/s 臂伸缩机构设计 手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。 臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任 意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。 机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。 手臂的伸缩速度为 200m/s 行程 L=500、手臂右腔流量，公式（ ： Q=00 40=1004800s=0m/s=1000ml/s 2、手臂右腔工作压力，公式（ 得： P=F/S （ 式中： F 取工件重和手臂活动部件总重，估算 F=10+20=30 F 摩 =1000N。 所以代入公式（ ： 第三章 机械手结构设计 P=（ F+F 摩 ） /S =（ 30 000） / 40 =、绘制机构工作参数表如图 示： 图 34、由初步计算选液压泵 所需液压最高压力 P=需液压最大流量 Q=1000ml/s 选取 液压泵（齿轮泵） 此泵工作压力为 10 速为 1800r/作流量 Q 在 32 70ml/r 之间，可以满足需要。 5、验算腕部摆动缸： T= m 106/8 （ W=8 v/（ b （ 式中： m 机械效率取： v 容积效率取： 以代入公式（ ： T= 106/8 =NM） TM=N M） 代入公式（ ： W=（ 8 27 10 s W /4 s 因此，取腕部回转油缸工作压力 P=1量 Q=35ml/s 圆整其他缸的数值： 手部抓取缸工作压力 P =2 流量 Q =120ml/s 小臂伸缩缸工作压力 P = 流量 Q =1000ml/s 机身的直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂，机身既可以是固定式的，也可以是行走式的 ,如图 示。 图 3身机座结构图 臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手的总体布局。本课题机械手的机身设计成机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械 手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。 机的选择 机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。第三章 机械手结构设计 带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。 （ 1）、带动臂部升降的电机： 初选上升速度 V=100mm/s P=6以 n=（ 100/6） 60=1000 转 /分 选择 电机，属于笼型异步电动机。采用 B 级绝缘，外壳防护等级为 却方式为 I（ 014）即全封闭自扇冷却，额定电压为 380V，额定功率为 50 如图 90动机技术数据所示： 型号 额定功率 载时 堵转电流 堵转转矩 最大转矩 电流 A 转速r/率 % 功率因素 额定电流 额定转矩 额定转矩 400 79 390（ 2）、带动机身回转的电机： 初选转速 W=60/s n=1/6 转 /秒 =10 转 /分 由于齿轮 i=3 减速器 i=30 所以 n=10 3 30=900 转 /分 选择 笼型异步电动机 电动机采用 B 级绝缘。外壳防护等级为 却方式为 I（ 014）即全封闭自扇冷却，额定电压为 380V，额定功率为 50 如图 3动机技术所示： 图 3=7 速器的选择 减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置 。用来降低转速和增 转矩，以满足工作需要。 初选 圆柱蜗杆减速器。 蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。 蜗杆的材料为 38质 蜗轮的材料为 心矩 a=80 q=11 （ 传动比 I=30 传动惯量 10 m 杆的设计与校核 螺杆是机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。 螺杆的材料选择： 从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。 螺距 P=6 梯形螺纹 螺纹的工作高度 h= （ =3纹牙底宽度 b=6= （ 螺杆强度 = s/3 5 （ =150/3 5 =30 50三章 机械手结构设计 螺纹牙剪切 =40 弯曲 b=45 55 （ 1）、当量应力 231221 式中 T 传递转矩 N 螺杆材料的许用应力 所以代入公式（ 得： = （ 4 200 +3（ 200 = （ 2495/ +3（ 30 50 106 =（ 2495/ +3（ 900 2500 1012 =6225025/1236/900 2500 1012 =62250251236 9001012 =6225025 1236 900 1012 即 16471535340格 （ 2）、剪切强度 Z=H/P=160/6 （旋合圈数） （ =F/ （ =200 160/6） 10103 =40 3）、弯曲强度 b=3 3 200 3/ 160/6） = =45格 第四章 机械手的液压系统设计 液压系统相对于机械传动来说，是一门新兴的技术。人类使用水力机械及液压技术虽然已有很长的历史，但是液压技术在机械领域中得以应用并取得迅速发展则是本世纪，特别是第二次世界大战以来的事。由于液压传动具有许多突出的优点，因而目前已广泛的应用在工、农业机械、机床、交通运输、路地行走 设备、船舶控制、火炮控制、飞机、导弹等各方面。 压系统简介 液压系统的工作原理 所谓液压系统就是以液体为介质，依靠运动者的液体的压力能来传递力的。液压系统工作是，液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能：油液被输送到液压缸（或液压马达）后，又由液压缸（或液压马达）把油液的压力能变为直线式（或回转式）的机械能输出。液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开。液压系统必须满足其执行元件在力和速度方面的要求。 液压传动的工作特性 液压系统工作是外界负载越大（在有效承压面积一定的前提下）所需要的压力也越大，反之亦然。因此液压系统的由压力（简称系统的压力，下同）大小取决于外界负载。负载大，系统压力大；负载小，系统压力小；负载为零，系统压力为零。另外，活塞或工作台的运动速度（简称系统的速度，下同）取决于单位时间通过节流阀进入液压缸中油液的体积即流量。流量越大（在有效承压面积一定的前提下）系统的速度越快，反之亦然。流量为零，系统的速度亦为零。液压系统的压力和外在负载，速度和流量的这两个关系称作液压传动的两个工作特性。 液压系统的组成 液压系统由以下五个部分组成： （ 1）动力元件 它是将原动机输入的机械能转换为液压能的装置。液压泵即为动力元件。 （ 2）执行元件 它是将液体的压力能转换为机械能的装置，以驱动部件。液压缸和液压马达即为执行元件。 （ 3）控制调节元件 控制调节元件是指各种阀类元件，它们的作用是控制液压系第四章 机械手的液压系统设计 统中油液的压力、流量和方向，以保证执行元件完成预期的工作运动。 （ 4）辅助元件 辅助元件是指油箱、油管、管接头、滤油器、压力表、流量表等。 （ 5）工作介质 在液压系统中使用液压油（通常为矿物 油）。 液压系统的优、缺点 液压系统与机械、电力等传动相比。有以下特点： （ 1）能方便的进行无级调速，调速范围大。 （ 2）体积小，、重量轻、功率大。一方面，在相同输出功率的前提下，其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏，这对于液压自动控制系统有重要的意义。另一方面，在体积或重量相近的情况下，其输出功率大，能传递较大的扭矩或推力（如万吨水压力等）。 （ 3）控制和调节简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。 （ 4）可实现无间隙传动，运动平稳。 （ 5）因为传动介质为油液，故液体元件有自我润滑作用， 使用寿命长。 6）液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和推广使用。 （ 7）可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载，从而失去了中间的减速装置，使传动简化。 液压传动的主要缺点： （ 1）漏 由于作为传动介质的液体是在一定的压力下，有时是在较高的压力下工作的，因此在有相对运动的表面间不可避免要产生泄漏。同时，由于油液并不是不可以压缩的，油管等也回产生弹性变形，所以液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合。 （ 2）震 液压传动中的“液压冲击和空穴现象”会产生很大的震动和 噪声。 （ 3）热 在能量转换和传递过程中，由于存在机械摩擦、压力损失、泄漏损失，因而易使油液发热，总效率降低，故液压传动不宜远距离转动。 （ 4）液压传动性能对温度比较敏感，故不宜在高温及低温下工作。液压传动装置对油液的污染也较敏感，故要求有良好的过滤设施。 （ 5）液压元件加工要求高一般情况下又要求有独立的能源（如液压泵站），这些可能使产品成本提高。 （ 6）液压系统出现鼓故障时不宜追查原因，不宜迅速排除。 综上所述，液压传动由于其优点比较突出，故在工、农业各个部门获得广泛的应用。它的某些缺点随着生产技术的不 断发展、提高，正在逐步得到克服。 由于液压传动相对于机械传动有以上几个突出的优点，所以确定机械手的前伸后 退、左转右转、夹紧放松三部分动作用液压传动来实现。 如图 示，该系统采用双联叶片泵（ 8）驱动，其系统压力为 30 公斤力 /厘米，邮箱容积为 250 升。机械手手臂伸缩、升降时为得到较高速度，两泵同时供油，其余动作仅小泵供油，大泵自动卸荷。 手臂伸缩、升降、回转及手腕回转，采用单向调速阀（ 程节流调速。 手臂升降液压 支路设置有单向顺序阀（ 用来防止手臂升起后工作时因自重而下滑，故起支撑作用。 手指夹紧油路装置有液控单向阀（ 用来防止因油路压力波动（特别是油压下降时）引起夹持力的降低，确保加持共建牢固。 减压阀（ 系统中既可供给定位油缸所要求的低压油（ 1518 公斤力 /厘米 ） ，又可作为电液换向阀（ 34控制支路。 油路中两个二位二通换向阀（ 22作用为使油泵自动卸荷，以防止油温过高。 第四章 机械手的液压系统设计 大臂部的升降油缸采用双作用式直线油缸。 工作载荷的计算 油缸提升的工作载荷为 F,则 F K(G+ 其中 K 安全系数，取 K 运动部件所受的重力，若取 m 300 G 300940N 惯性载荷， Ga/g,取起动时油缸活塞加速度 a 14m/则 Ga/g 98014/4200N 液压缸的机械效率，取 F K(G+ 2940+4200)/ 11900N 主要尺寸的确定 D 122 14 其中， 活塞杆直径 d 与 D 的比值，即 d/D,这里取 F 工作载荷，前已计算过，为 11900N. 2p 工件提升时有杆腔的压强，取 2p 2p 工件提升时无杆腔的压强，取 1p 0后得液压缸内径也即活塞直径 D 122 14 按标准取 D 115取 d D 11560 取 D 115mm,d 60 (3)液压缸行程的制定 升降液压缸的行程在总体方案中根据工艺要求已给出 ，这里为 600第四章 机械手的液压系统设计 校核 （ 1）刚筒壁厚 在中低压液压系统中，刚筒壁厚往往由结构工艺要求决定，一般不要校核。 （ 2）活塞杆直径的校核 d 中 F 活塞杆上的作用力 活塞杆材料的许用应力， b/ b 598d 19004 以活塞杆符合要求。 （ 3）缸盖固定螺栓的校核 z 式中 F 液压缸负载； K 螺纹拧紧系数， k Z 固定螺栓个数； 螺栓材料的许用应力； s/( s 为材料屈服点 s 225 z 联接螺栓符合要求。 压缸主要部件的设计和材料选择 缸筒 工程机械、锻压机械等工作压力较高的场合，常用 20、 35、 45 号钢的无缝钢管。其中， 20 号钢用的较少，因为其较软，机械强度也低，加工粗糙度不宜保证。须与缸盖、管接头、耳轴等零件焊接的缸筒用 35 号钢，并在粗加工后调质。不与其它零件焊接的 缸筒，常用 45 号钢调质，调制处理的目的是保证强度高、加工性好，一般调质到 里液压缸筒选用 45 号钢调质 7 配合。内孔表面的粗糙度，当活塞采用橡胶密封圈时，取 活塞 活塞材料常用耐磨铸铁、铝合金或钢外面覆盖一层青铜、黄铜和尼龙等耐磨套。本方案活塞材料选用 45 号钢。 缸盖及活塞杆导向套 缸盖采用