液压搬运机械手的设计毕业设计

1、毕毕 业业 设设 计计 题题 目目 液压搬运机械手的设计 摘 要 液压搬运机械手是一种被设计用于深孔镗床上下料，可以重复编程、具有多种 功能的专用设备，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化。通过文献 检索、企业调研，对液压搬运机械手的整机结构、功能特点进行归纳分析，对国内 外工业机械手的发展状况进行了总结。本文对液压搬运机械手的主要结构进行了详 细的设计，其中对上下料机械手的总体结构，运动过程都做了详细的讨论。同时对 机械手的手指夹紧，小手臂伸缩以及大、小手臂俯仰等动作进行了分析、计算，最 终确定其尺寸。而后，介绍了搬运机械手液压驱动系统的工作原理及液压元件的选 用及设计过程。最后，

2、简要介绍了液压搬运机械手的电气控制系统部分。 通过计算分析校核，液压搬运机械手的设计基本达到了预期的设计要求，实现 了机械手承载能力大、运动平稳和任意位置安全自锁等性能要求。 关键词：机械手；液压系统；搬运机构 abstract hydraulic carrying manipulator is designed for a deep hole boring machine loading and unloading, reprogrammable, multifunctional equipment. it can replace human heavy labor to achieve t

3、he mechanization and automation of production. through literature search, business research, i have summarized and analyzed the hydraulic manipulators whole structure and function characteristics, summarized domestic and foreign industrial robots development. in this paper, the main structure of hyd

4、raulic carrying manipulator is designed in detail, in which the overall structure of the loading and unloading robot, motion process is discussed in detail. at the same time, the clamping fingers, small telescopic arm, small and large pitch arm and other activities of the manipulator were analyzed,

5、calculated and its size is ultimately determined. then, working principle of hydraulic drive system and the selection and design process of hydraulic components of the hydraulic handling manipulator are introduced. finally, the electrical control system of the hydraulic handling manipulator is descr

6、ipted in brief. through calculation and analysis, the design of hydraulic carrying manipulator has reached the design requirements which is expected, the manipulator carrying capacity, smooth movement and arbitrary position safe self-locking etc performance requirements is realized. key words：manipu

7、lator; hydraulic system; handling agencies 目 录 摘要.i abstract.ii 1 前言 .1 1.1 液压搬运机械手发展方向.1 1.2 液压搬运机械手设计目的.1 1.3 液压搬运机械手设计任务.2 1.3.1 设计方案.2 1.3.2 设计要求.2 2 液压搬运机械手的机构设计.4 2.1 液压搬运机械手运动简图.4 2.2 液压搬运机械手手部结构设计及计算.4 2.2.1 “滑槽杠杆式”手部结构的设计与计 算.5 2.2.2 手指夹紧力计算.6 2.2.3 手指夹紧缸驱动力计算.7 2.2.4 手指夹紧液压缸的计算.7 2.2.5 液压缸

8、缸盖联接方式与强度计算.9 2.3 液压搬运机械手横移腕部结构设计及计算.11 2.3.1 腕部横移液压缸驱动力计算.11 2.3.2 腕部液压缸的计算.13 2.3.3 液压缸缸盖联接方式与强度计算.15 2.4 液压搬运机械手小臂伸缩缸设计及计算.15 2.4.1 小臂伸缩液压缸驱动力计算.16 2.4.2 小臂伸缩液压缸的计算.18 2.4.3 液压缸缸盖联接方式与强度计算.19 2.5 液压搬运机械手小臂俯仰液压缸设计及计算.20 2.5.1 小臂俯仰液压缸驱动力矩计算.20 2.5.2 小臂俯仰液压缸驱动力的计算.21 2.5.3 小臂俯仰液压缸的计算.22 2.5.4 液压缸缸盖联

9、接方式与强度计算.23 2.6 液压搬运机械手大臂俯仰液压缸设计及计算.23 2.6.1 大臂俯仰液压缸驱动力矩计算.23 2.6.2 大臂俯仰液压缸驱动力的计算.25 2.6.3 大臂俯仰液压缸的计算.25 2.6.4 液压缸缸盖联接方式与强度计算.26 3 液压驱动系统设计.27 3.1 液压驱动系统传动方案的确定.27 3.2 计算和选择液压元件.28 3.2.1 液压泵及电动机的选择.28 3.2.2 油箱容积的计算.29 3.2.3 液压元件的选定.30 4 电气控制系统简介.32 5 结论.34 参考文献.35 致谢.37 附录.38 1 前言 1.1 液压搬运机械手发展方向 机械

10、手是一种被设计用来搬运物体、部件、工具或特定设备的，可以重复编程、 具有多种功能的操作器。它通过一系列可变的程控动作来完成各种各样的任务。进 入 20 世纪 90 年代以来，由于具有一般功能的传统工业机械手的应用趋向饱和，而 许多高级生产和特种应用则需要具有各种智能的机械手参与，因而促使智能机械手 获得较为迅速的发展。无论从国际或国内的角度来看，复苏和继续发展机器人产业 的一条重要途径就是开发具有各种功用的机械手，以求提高机械手的性能，扩大其 功能和应用领域。回顾近 10 多年来国内外机械手技术的发展历程，可归结出下列趋 势： 1）传感型机械手发展较快 2）开发新型智能技术 3）采用模块化设计

11、技术 4）机器人工程系统呈上升趋势 5）微型机械手的研究有所突破 6）应用领域向非制造业和服务业扩展 液压机械手在国内外从 20 世纪 60 年代开始使用，最近三四十年发展尤为迅速， 而且机械手进入了一个快速发展的时期。随着新技术的不断出现，特别是液压技术 的应用，给机械手带来了更为广阔的发展空间。液压技术与微电子技术、计算机控 制技术以及传感技术的紧密结合大大提高了机械手的自动化程度，从而进一步提高 了生产效率，降低了成本，提高了作业舒适性，使其安全性、可靠性、使用寿命和 操作性能都更上一层楼。 从整个工业领域来看，对工业机械手的需求越来越大，性能指标越来越高。运 动学系统是工业机械手的底层

12、核心部分，对其关键技术，如运动学建模、运动学方 程的求解、运动空间插值算法等的研究，将从很大程度上决定着一个机械手系统的 基本性能。随着科技的发展，机器人已成为工业的现代化程度的标志。总的来说， 对机械手控制及运动系统的研究在理论和应用上都具有重要的意义。 1.2 液压搬运机械手设计目的 在机械制造工业中，工业机械手常用作在单机或自动线上抓取传送工件、刀具、 材料等，可以使操作工人从繁重、单调、重复的体力劳动中解放出来。因而广泛应 用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门，特别是在高温、危险的作业环 境（放射性、有害气体、粉尘、易燃、易爆等）中代替人的部分操作，不仅能大大 减轻人的劳动强度

13、，提高产品质量和生产效率而且保证了人生安全。 本次设计的目的有如下几点： （1）通过液压搬运机械手的设计，把有关课程的中所获得的理论知识在实际中 综合的加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切的结合起 来。因此，液压搬运机械手设计是今后走上工作岗位从事专业设计的基础。 （2）通过本次设计，培养自己独立的机械整机设计的能力，树立正确的设计思 想，掌握机械产品设计的基础方法和步骤，为今后的设计工作打下良好的基础。 （3）在设计过程中，熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图册和规范； 熟悉有关的国家标准和部颁标准。 1.3 液压搬运机械手设计任务 此次设计的液压搬运机械手是一种

14、用于深孔镗床上下料的专用工业机械手，设 计工作主要包括了解上下料机械手的总体结构，运动过程，需对手指夹紧，手臂伸 缩，手臂回转以及手臂俯仰等动作进行分析、计算，最终确定其尺寸。 1.3.1 设计方案 此次研究设计的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

15、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。 液压搬运机械手是由执行机构、液压驱动系统和电气控制系统组成，此次设计 的重点在于整机和主要零部件的结构设计，同时也要了解上下料机械手的总体结构， 运动过程，而且需要对手指夹紧，手臂伸缩以及手臂俯仰等动作进行分析、计算， 最终确定这些机构的尺寸。最后要对液压驱动系统和电气控制系统做一些简单的原 理性的设计。 1.3.2 设计要求 此次设计的液压搬运机械手是车间生产线上用于深孔镗床上下料的专用机械手， 此机械手可以自动抓取工件，从而使操作工人从繁重单调的体力劳动中

16、解放出来。 因此要求设计的液压搬运机械手可以按以下顺序动作：原始位置卸料动作 装料动作。具体动作顺序：原始位置（大手臂竖立、小手臂伸出并处于水平 位置、手腕横移向右、手指松开）手指夹紧（抓住卡盘上的工件）手 腕横移向左（从卡盘上卸下工件）小手臂上摆大手臂下摆手指 松开（将工件放在料架上）小臂收缩（料架转工位）小臂伸出 手指夹紧（抓住待加工工件）大手臂上摆（由料架上取走工件）小手 臂下摆手腕横移向右（机械手将工件装在深孔镗床的主轴卡盘上）手 指松开（原位） 。整个液压系统用一套油源，通过 plc 控制系统来控制电磁换向阀， 使机械手实现以上动作顺序。 1. 机械手抓取工件的最大重量 200kg；

17、 2. 机械手伸缩臂长为 1.5m； 3. 机械手最大回转速度 0.5rad/s； 4. 机械手最大回转角加速度 0.3rad/； 2 s 5. 机械手能准确定位、平稳启动并可以在任意位置自锁。 2 液压搬运机械手的机构设计 液压搬运机械手机构的设计通常是先进行粗略的估算,或类比同类结构,根据运 动参数初步确定有关机构的主要尺寸,在进行校核计算,修正设计,如此反复数次,绘 出最终的结构。 2.1 液压搬运机械手运动简图 在设计与研究液压搬运机械手的主要机构之前，要先画出机械手的传动示意图， 以便对现有的机械手进行分析，对新设计的机械手的传动方案进行比较以确定最佳 方案，故通常用简单的运动符号表

18、示。 根据设计要求，拟定的液压搬运机械手运动简图如下 图 2.1 液压搬运机械手运动简图 2.2 液压搬运机械手手部结构设计及计算 手部是机械手直接用于抓取和紧握工件的部件。它具有模仿人手动作的功能， 并安装于机械手手臂的前端。液压搬运机械手的手部可以完成手指抓紧和手腕横移 两个运动。钳爪式手部结构是最常见的一种手部结构，按模仿人手手指的动作，手 部结构可分为一支点回转型（图 2.2a） 、二支点回转型（图 2.2b）和移动型（图 2.2c） ，其中以二支点回转型为基本型式。 图 2.2 手指运动型式示意图 回转型手指开闭角较小，结构简单 ，形状小巧，夹紧力大，制造容易，应用广 泛。考虑到以上

19、因素，故此选用二支点回转型手部结构。 2.2.1 “滑槽杠杆式”手部结构的设计与计算 滑槽杠杆式手部的结构简图如下所示 1.手指2.销轴3.拉杆4.指座 图 2.3 滑槽杠杆式手部受力分析 图中，f液压缸拉力 n手指夹紧力 两手指的滑槽对销轴的反作用力（o 为销轴中心） 12 ,f f 根据销轴的平衡条件，即得；得0 x f 12 ff0 y f (2-1) 1 2cos f f 由点力矩平衡条件得 1 o 1( ) 0 o mf 1 f hn b (2-2) cos a h (2-3) 2 2 cos b fn a 其中，手指的回转支点到对称中心线的距离a 工件夹紧时手指的滑槽方向与两回转支

20、点连线间夹角 故由 2-3 式知：越大，n 越大，但太大会导致拉杆行程过大以及滑槽尺寸增大， 因此=。3040 2.2.2 手指夹紧力计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据。一般来说，夹紧力必须克服 工件的重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力和惯性力 矩） ，以使工件保持可靠地加紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下式进行计算： (2-4) 123n fkkkg 式中安全系数，通常取= 1 k 1 k1.22.0 工作情况系数，主要考虑惯性力影响。可按下式近似估算 2 k 2 k (2-5) 2 1 a k g 其中运载工件时重力方向最大上升加速度a 重力加速度，g

21、 2 9.8/gmm s (2-6) max v a t 响 式中运载工件时重力方向最大上升速度 max v 系统达到最高速度的时间，t响=0.030.5st 响 方位系数，由手指与工件形状和它们的位置选定，参见1表 2-2 3 k 工件重力（n）g 由 2-4 式计算手指夹紧力 n 选定安全系数=1.6 1 k 由设计要求可估算，运载工件时重力方向最大上升速度， max 0.5 1.50.75/vm s 到达的时间可由设计要求推算为 max vt响 (2-7) 2 0.5/ 1.67 0.3/ rad s ts rad s 响 则，取 2 max 0.75 =0.45/ 1.67 v am

22、s t 响 2 9.8/gmm s 故 工况系数 2 0.45 111.046 1.67 a k g 由1表 2-2 查的 =0.5（手指水平放置夹水平放置圆棒） 3 k 综上所述，知=1.6，=1.046，=0.5 且估算工件重力 1 k 2 k 3 k 200 9.81960gn 手指夹紧力1.6 1.046 0.5 19601640nn 2.2.3 手指夹紧缸驱动力计算 由液压缸驱动力 f 与夹紧力 n 关系式 (2-8) 2 2 =cos b fn a 计算 选定图 2.3 中的结构参数,b, 如下a =100mm，b=200mm, =a30 计算液压缸驱动力 (2-9) 2 2 20

23、0 =cos 3016404920 100 fn 计算 手抓的机械效率一般取，故取0.80.90.85 (2-10) 4920 =5788 0.85 f fn 计算 实际 2.2.4 手指夹紧液压缸的计算 图 2.4 所示为手指夹紧液压缸的夹紧装置原理图，如下 图 2.4 夹紧装置原理图 如图所示，液压缸的拉力为 (2-11) 22 = 4 fp 实际 （d -d） 选取活塞杆直径 d=0.5d，压力油工作压力 6 5 10ppa 2 26 4 4 5788 4.43 1044 (1 0.5 )5 100.75 f dmmm p 实际 根据液压缸内径系列（gb/t2348-1993）选取液压缸

24、内径为，则活塞50dmm 杆直径为25dmm 液压缸壁厚计算，在实际使用中有下列三种公式： （1）中等壁厚：即 163.2 时 d (2-12) 1 1 (2.3 ) p d c p 式中 p液压缸内工作压力 强度系数（当为无缝钢管时） 计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值 液压缸内径（m） （2）薄壁：即 16 时 d (2-13) 1 2 p d （3）厚壁：即当3.2 时 d (2-14) 1 1 0.4 (1) 2 1.3 pd p 式中 b n 材料抗拉强度 b n安全系数,n=3.55 一般常用缸体材料的许用应力: 锻钢=110120mpa 铸铁=60mpa 无缝钢管

25、=100110mpa 选用缸体材料为锻钢=110120mpa，中等壁厚，则手指夹紧缸壁厚计算如下： 5 50 1 2.3 1205 mm 由 jb1068-67 查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和 gb/t2349- 1 60d 1980 选用活塞杆行程 =50mm。l 2.2.5 液压缸缸盖联接方式与强度计算 图 2.5 液压缸缸盖联接方式与受力简图 缸盖的受力为保证联接的紧密性,必须规定螺钉的间距 ，然后决定螺钉的数目.每 1 t 个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷和预紧力之和 0q f q f qs f (2-15) 0qqqs fff 式中 2 4 q d p f f zz

26、f 驱动力（n） z螺钉数目 p工作压力（pa） 预紧力=k,其中 k=1.51.8 qs f qs f q f d危险剖面直径(m) 螺钉的强度条件为 0 22 11 1.34 = 4 qqj ff dd 合 (2-16) 1 4 qj f d 式中 计算载荷（n）; qj f =1.3 qj f 0q f 工作载荷（n）且= 0q f 0q f 2.5f z f液压缸驱动力 z螺钉或螺栓个数 n=1.22.5 s n 抗拉许用应力(mpa) 螺纹内径 1 d 螺钉材料屈服极限（见表 2.1） s q 表 2.1 常用螺钉材料的屈服极限 钢 号 10 q215 q235 35 45 40cr

27、 s （mpa) 210 220 240 320 360650900 根据上表，螺栓或螺钉材料选用 q235，则240 s mpa 取螺栓或螺钉个数 z=4，n=2 故 工作载荷=，所以由 2-16 式计算螺钉 0q f 2.5 5788 4 或螺栓直径如下 1 d (2-17) 0 1 4 1.3 7.1 120 q f dmm 由“液压元件油口螺纹联接尺寸 gb/t2878-1993”取 m8 螺钉 注：由于工作压力 p=5mpa，故螺钉间距 小于 100mm（下同） 。 1 t 2.3 液压搬运机械手横移腕部结构设计及计算 手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进

28、一步 改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧， 适应性更强。 液压搬运机械手的腕部横移液压缸可以等效为如下简图进行计算： 图 2.6 腕部横移液压缸等效受力简图 2.3.1 腕部横移液压缸驱动力计算 液压搬运机械手的腕部横移液压缸可以等效为做水平伸缩直线运动的液压缸进 行设计计算。根据液压缸运动时所需要克服的摩擦、回油背压及惯性等几个方面的 阻力，来确定液压缸所需的驱动力。 液压缸活塞驱动力计算 (2-18)+f +f +fff 回摩密惯 式中摩擦阻力f摩 密封装置处的摩擦阻力f密 液压缸回油腔低压油液所造成的阻力f回 启动或者制动时，活塞杆所受的平均惯性f惯

29、 （1）的计算f摩 由的计算公式进行计算f摩 (2-19)fg 摩 其中参加运动的零部件重力（含工件） （n）g 运动部件之间的摩擦系数，钢对铸铁的摩擦系数一般取0.180.3 根据 2-19 式，估算=2500 n，另取摩擦系数=0.28，则g n=2500 0.28700ff 摩 （2）的计算f密 此缸采用“o”型密封圈进行密封，且工作压力mpa，d=0.5d，由图510p 2.6 知液压缸密封处总的摩擦力为 2 +f=0.03ff 封1封 （3）的计算f回 一般背压阻力较小，可按=0.05ff回 （4）的计算f惯 (2-20)= gv f gt 惯 其中g参与运动的零部件所受的总重力（包

30、括工件重量） g重力加速度，取 9.81 由静止加速到常速的变化量v 起动过程时间。一般取 0.010.5 s，对轻载低速运动部件取较小值，t 对重载取较大值 根据 2-20 式，由设计要求取=0.1 m/s，=0.1 s，g=2500 n，则vt n 2500 0.1 =255 9.81 0.1 f 惯 根据（1） 、 （2） 、 （3） 、 （4）所分析，结合 2-18 式得：驱动力 f 7000.030.05255fff 得0.92f=955 n n1038f 2.3.2 腕部液压缸的计算 图 2.7 双作用液压缸示意图 （1）腕部横移液压缸内径的计算 当油进入无杆腔时： 2 1 4 d

31、 ffp 当油进入有杆腔时： 22 2 4 dd ffp 液压缸的有效面积： 1 f s p 故有： （无杆腔） (2-21) 11 4 1.13 ff d pp （有杆腔） (2-22) 2 1 4f dd p 式中 f 驱动力（n） 液压缸的工作压力（pa） 1 p 活塞杆的直径（m）d 液压缸的直径（m） d 液压缸的机械效率。 初步设计中取机械效率为=0.85。代入已求得的 f=1038 n, 则 无杆腔算得的液压缸内径 d=16 mm，有杆腔算得的液压缸内径为 d=19.3 mm，故由 gb/t 2348-1993取 d=32 mm。取 活塞杆直径 d=0.5d、工作压力 p=5 m

32、pa，所以 d=16 mm （2）腕部横移液压缸壁厚及外径的计算： 腕部横移液压缸设计成中等壁厚，中等壁厚：即 163.2 时 d 1 1 (2.3 ) p d c p 式中 p液压缸内工作压力 强度系数（当为无缝钢管时） 计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值 液压缸内径（m） 一般常用缸体材料的许用应力: 锻钢=110120mpa 铸铁=60mpa 无缝钢管=100110mpa 选用缸体材料为锻钢=110mpa，中等壁厚，则腕部横移缸壁厚计算如下： 5 20 0.4 2.3 1105 mm 由 jb1068-67 查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和 gb/t2349- 1

33、 36d 1980 选用活塞杆行程 =80mm。l 2.3.3 液压缸缸盖联接方式与强度计算 根据表 2.1，螺栓或螺钉材料选用 q235，则，取螺栓或螺钉个数240 s mpa z=4，mpa。故 由 2-16 式计算螺钉或螺栓直径如下： 240 1 d 0 1 4 1.3 120 q f d 工作载荷（n）且= 0q f 0q f 2.5f z f液压缸驱动力 将驱动力 n 带入上式求得1038f mm 1 4 1.3 1038 2.5 3.0 4 120 d 由“液压元件油口螺纹联接尺寸 gb/t2878-1993”取 m5 螺钉 2.4 液压搬运机械手小臂伸缩缸设计及计算 臂部运动的目

34、的是把手部送到空间运动范围内的任意一点。手臂的各种运动通 常用驱动机构（如液压缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在 工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动又较多，故手里 复杂。因而，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机 械手的工作性能。 液压搬运机械手的小臂结构采用双导向杆的手臂伸缩机构，由于手臂伸缩缸安 装在两根导向杆之间，由导向管承受弯曲作用，活塞杆均受拉压，故受力简单，传 动平稳。 液压搬运机械手的小臂伸缩液压缸可以等效为如下简图进行计算： 图 2.8 机械手小臂伸缩液压缸受力等效简图 2.4.1 小臂伸缩液压缸驱动力计算 液压

35、搬运机械手的小臂伸缩液压缸可以等效为做垂直伸缩直线运动的液压缸进 行设计计算。根据液压缸运动时所需要克服的摩擦、回油背压及惯性等几个方面的 阻力，来确定液压缸所需的驱动力。 液压缸活塞驱动力计算 (2-23)+f +f +fffg 回摩密惯 式中摩擦阻力,。手臂运动时，为运动件表面的摩擦阻力。若是导向装置，f摩 则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力 密封装置处的摩擦阻力f密 液压缸回油腔低压油液所造成的阻力f回 启动或者制动时，活塞杆所受的平均惯性f惯 零部件及工件所受总重力g （1）的计算f摩 由摩擦阻力的计算公式进行计算f摩 (2-24)4 a fff 摩 其中摩擦系数，取=0.18ff 如图 2

36、.8，导向杆与导向套筒间的摩擦阻力。为保证小臂伸缩液压缸 a f 不产生卡死现象，则。取=500 n4 a fg a f 根据 2-24 式，计算的为f摩 n=4 500 0.16320f 摩 （2）的计算f密 小臂伸缩液压缸采用“o”型密封圈进行密封，且工作压力 mpa，d=0.5d，由图 2.8 知液压缸密封处总的摩擦力为510p (2-25)=ffff 密封1封2封3 又 2 +f=0.03ff 封1封 其中f驱动力 =fpd l 封3 式中工作压力，取 5 mpap 6 10 摩擦阻力，（取）0.050.0230.030 伸缩油管直径（m）d 密封有效长度（m）l 根据设计要求，取 d

37、=0.04m， =0.00265l n 6 =5 100.03 0.04 0.00265=15.916f 封3 （3）的计算f回 一般背压阻力较小，可按=0.05ff回 （4）的计算f惯 (2-26)= gv f gt 惯 其中g参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量） g重力加速度，取 9.81 由静止加速到常速的变化量,取=0.2 m/svv 起动过程时间。一般取 0.010.5 s，对轻载低速运动部件取较小值，t 对重载取较大值 根据 2-26 式，由设计要求取=0.2 m/s，=0.2 s，g=3000 n，则vt n 3000 0.2 =306 9.81 0.2 f 惯 根据以上

38、（1） 、 （2） 、 （3） 、 （4）所分析，结合 2-23 式得：驱动力f计算 3200.03160.053063000fff 计算计算计算 n3960f 计算 取液压缸机械效率，则 驱动力 n0.94400 f f 计算 2.4.2 小臂伸缩液压缸的计算 （1）小臂伸缩液压缸内径的计算 根据 2-21、2-22 式，初步设计中取机械效率为=0.85。代入已求得的驱动力 f=4400 n, 则 由 2 4 fdp 得 2 6 4400 4 5 10 d mm33.5d 故由 gb/t 2348-1993取 d=40 mm。取 活塞杆直径 d=0.5d、工作压力 p=5 mpa，所以 d=

39、20 mm （2）小臂伸缩液压缸壁厚及外径的计算： 小臂伸缩液压缸设计成中等壁厚，中等壁厚：即 163.2 时 d 1 1 (2.3 ) p d c p 式中 p液压缸内工作压力 强度系数（当为无缝钢管时） 计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值 液压缸内径（m） 一般常用缸体材料的许用应力: 锻钢=110120mpa 铸铁=60mpa 无缝钢管=100110mpa 选用缸体材料为锻钢=110mpa，中等壁厚，则小臂伸缩液压缸壁厚计算如下： 5 40 0.8 2.3 1105 mm 由 jb1068-67 查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和 gb/t2349- 1 50d 1

40、980 选用活塞杆行程 =800mm。l 2.4.3 液压缸缸盖联接方式与强度计算 根据表 2.1，螺栓或螺钉材料选用 q235，则，取螺栓或螺钉个数240 s mpa z=4，mpa。故 由 2-16 式计算螺钉或螺栓直径如下： 240 1 d 0 1 4 1.3 120 q f d 工作载荷（n）且= 0q f 0q f 2.5f z 液压缸驱动力f 将驱动力 n 带入上式求得4400f mm 1 4 1.3 4400 2.5 6.2 4 120 d 由“液压元件油口螺纹联接尺寸 gb/t2878-1993”取 m8 螺栓 2.5 液压搬运机械手小臂俯仰液压缸设计及计算 液压搬运机械手小臂

41、俯仰液压缸可以为机械手的小臂作回转运动提供动力，经 过分析知液压缸处于初始位置时的受力最大，机械手初始位置模型如下： 图 2.9 机械手初始位置模型 2.5.1 小臂俯仰液压缸驱动力矩计算 驱动手臂仰俯的驱动力矩，应克服手臂等部件的重量对回转轴线所产生的偏重 力矩和手臂在启动时所产生的惯性力矩以及各回转副处摩擦力矩，即 (2-27)=mmmm 驱惯偏摩 式中铰接处的摩擦力矩，采用滚动轴承时=0m摩m摩 手臂等部件重量对回转轴线（转动点 a）的偏重力矩（n m）m偏 手臂做俯仰运动时启动的惯性力矩m惯 (2-28)= w m t 惯工件 起 （j+j） 式中工件对手臂回转轴线的转动惯量（）j工件

42、 2 n m s 手臂回转部件对手臂回转轴线转动惯量（）j 2 n m s 手臂回转过程的角速度w 起动过程中所需的时间（s） ，一般取t起0.050.3s 故 22 11 500 1.5375/ 33 jm ln ms 22 =2500 1.55625/jm ln ms 工件 由设计要求，取 s 则0.5/wrad s=0.2t起 0.5 =+15000 0.2 m 惯 （375 5625）n m 由图 2.9 模型可计算m偏 =500 0.75+2500 1.5=4125m 偏 n m 根据 2-27 式，计算得m驱 =15000412519125mmmm 驱惯偏摩 n m 2.5.2 小

43、臂俯仰液压缸驱动力的计算 n f 根据图 2.9 知，=0.5 n mf 驱 n=38250 0.5 n m f 驱 2.5.3 小臂俯仰液压缸的计算 （1）小臂俯仰液压缸内径的计算 根据 2-21、2-22 式，初步设计中取机械效率为=0.85。代入已求得的驱动力 f=38250 n, 则 由 2 4 fdp 得 2 6 4 38250 5 10 d mm98d 故由 gb/t 2348-1993取 d=100 mm。取 活塞杆直径 d=0.5d、工作压力 p=5 mpa，所以 d=50 mm （2）小臂俯仰液压缸壁厚及外径的计算： 小臂俯仰液压缸设计成中等壁厚，中等壁厚：即 163.2 时

44、 d 1 1 (2.3 ) p d c p 式中 p液压缸内工作压力 强度系数（当为无缝钢管时） 计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值 液压缸内径（m） 一般常用缸体材料的许用应力: 锻钢=110120mpa 铸铁=60mpa 无缝钢管=100110mpa 选用缸体材料为锻钢=110mpa，中等壁厚，则小臂俯仰液压缸壁厚计算如下： 5 100 2.0 2.3 1105 mm 由 jb1068-67 查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和 gb/t2349- 1 121d 1980 选用活塞杆行程 =1000mm。l 2.5.4 液压缸缸盖联接方式与强度计算 根据表 2.1，螺栓

45、或螺钉材料选用 q235，则，取螺栓或螺钉个数240 s mpa z=6，mpa。故 由 2-16 式计算螺钉或螺栓直径如下： 240 1 d 0 1 4 1.3 200 q f d 工作载荷（n）且= 0q f 0q f 2.5f z 液压缸驱动力f 将驱动力 n 带入上式求得38250f mm 1 4 1.3 38250 2.5 11.4 6 200 d 由“液压元件油口螺纹联接尺寸 gb/t2878-1993”取 m12 螺栓 2.6 液压搬运机械手大臂俯仰液压缸设计及计算 液压搬运机械手大臂俯仰液压缸可以为机械手的大臂（既机身）作回转运动提 供动力，经过分析知液压缸处于终止位置时受力最

46、大，机械手终止位置模型如下： 图 2.10 机械手终止位置模型 2.6.1 大臂俯仰液压缸驱动力矩计算 驱动手臂仰俯的驱动力矩，应克服手臂等部件的重量对回转轴线所产生的偏重 力矩和手臂在启动时所产生的惯性力矩以及各回转副处摩擦力矩，即 (2-29)=mmmm 驱惯偏摩 式中铰接处的摩擦力矩，采用滚动轴承时0m摩m摩 手臂等部件重量对回转轴线的偏重力矩（n m）m偏 手臂做俯仰运动时启动的惯性力矩m惯 (2-30)= w m t 惯工件 起 （j+j） 式中工件对手臂回转轴线的转动惯量（）j工件 2 n m s 手臂回转部件对手臂回转轴线转动惯量（）j 2 n m s 手臂回转过程的角速度w 起

47、动过程中所需的时间（s） ，一般取t起0.050.3s 故 22 11 500 1167/ 33 jm ln ms 22 =3000 ( 2)6000/jm ln ms 工件 由设计要求，取 s 则0.3/wrad s=0.2t起 0.3 =+60009250.5 0.2 m 惯 （167）n m 由图 2.10 模型可计算m偏 22 1 =30002+500+1000 (-)=4700 244 m 偏 n m 根据 2-29 式，计算得m驱 =9251470013951mmmm 驱惯偏摩 n m 2.6.2 大臂俯仰液压缸驱动力的计算 n f 根据下图大臂俯仰液压缸受力简图 图 2.11 大

48、臂俯仰液压缸受力简图 知，=0.46 n mf 驱 n=30328 0.46 n m f 驱 2.6.3 大臂俯仰液压缸的计算 （1）大臂俯仰液压缸内径的计算 根据 2-21、2-22 式，初步设计中取机械效率为=0.85。代入已求得的驱动力 f=30328 n, 则 由 2 4 fdp 得 2 6 4 30328 5 10 d mm88d 故由 gb/t 2348-1993取 d=90 mm。取 活塞杆直径 d=0.5d、工作压力 p=5 mpa，所以 d=45 mm （2）大臂俯仰液压缸壁厚及外径的计算： 大臂俯仰液压缸设计成中等壁厚，中等壁厚：即 163.2 时 d 1 1 (2.3 )

49、 p d c p 式中 p液压缸内工作压力 强度系数（当为无缝钢管时） 计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值 液压缸内径（m） 一般常用缸体材料的许用应力: 锻钢=110120mpa 铸铁=60mpa 无缝钢管=100110mpa 选用缸体材料为锻钢=110mpa，中等壁厚，则大臂俯仰液压缸壁厚计算如下： 5 90 1.8 2.3 1105 mm 由 jb1068-67 查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和 gb/t2349- 1 108d 1980 选用活塞杆行程 =400mm。l 2.6.4 液压缸缸盖联接方式与强度计算 根据表 2.1，螺栓或螺钉材料选用 q235，则，

50、取螺栓或螺钉个数240 s mpa z=6，mpa。故 由 2-16 式计算螺钉或螺栓直径如下： 240 1 d 0 1 4 1.3 200 q f d 工作载荷（n）且= 0q f 0q f 2.5f z 液压缸驱动力f 将驱动力 n 带入上式求得30328f mm 1 4 1.3 30328 2.5 10.0 6 200 d 由“液压元件油口螺纹联接尺寸 gb/t2878-1993”取 m10 螺栓 3 液压驱动系统设计 液压驱动技术是一种比较成熟的技术,它具有动力大,力(或力矩)惯量比大,快速 响应高,易于实现直接驱动等特点,适用于承载能力大的工作场合。考虑到液压系统 以上的一些特点，故

51、液压搬运机械手的驱动采用液压系统。 液压搬运机械手要完成物料搬运（包括上、下料）的功能，所以选用有限点位 控制的程序控制机械手。在只有简单搬运作业功能的液压机械手中，常常采用简易 的逻辑控制装置或编程控制，对液压机械手实现有限位的控制。液压搬运机械手的 电气控制部分将在第四章表述。 液压系统在液压搬运机械手中所起的作用是通过电液转换元件把控制信号进 行功率放大，对液压动力机构进行方向，位置和速度的控制，进而控制机械手的手 臂、手腕和仰俯缸按给定的运动规律动作。此液压动力机构采用直线液压缸，用于 实现手臂的伸缩升降和仰俯转动以及手腕的横移运动。 3.1 液压驱动系统传动方案的确定 根据液压搬运机

52、械手的工作状况和设计要求可知，系统的压力和流量不高，选 用电磁换向阀回路，并且采用可编程序控制器进行控制，以获得较好的自动化程度 和经济效益。 液压搬运机械手采用单泵供油，手指夹紧、手腕横移、手臂伸缩以及手臂的俯 仰等机构采用并联供油，这样可以有效的降低系统的供油压力。为了防止多缸运动 的系统产生干扰，换向阀因此要采用中位“o”型换向阀。 同时考虑到，尽管手臂俯仰液压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速， 以保证液压缸运动的平稳运动。 液压搬运机械手的手臂伸缩和手臂俯仰或升降缸采用两个单向节流阀来实现。 若只用一个节流阀调速时，则进油要按照达到最大允许速度来调节单向节流阀的流 量，因为当无杆

53、腔进油时，其速度就小于最大允许速度。 此外，手指夹紧缸在夹紧工件时，为防止失电等意外情况，应加锁紧保压回路。 参考2知，在液压搬运机械手的液压驱动系统的设计中主要注意一下几方面： （1）液压缸设计：在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密 封件，以减少摩擦阻力，提高液压缸的寿命； （2）定位点的缓冲与制动：因机械手手臂的运动惯量较大，在定位点前要加缓 冲与制动机构或缩紧装置； （3）对惯性较大的运动轴和接近机械手末端的腕部运动轴的液压缸两侧，最好 加设安全保护装置，防止因碰撞过载损坏机械结构。 根据以上所述，拟定的液压搬运机械手的液压驱动系统原理图如下所示： 图 3.1 液压搬运机

54、械手液压原理图 3.2 计算和选择液压元件 在上述图 3.1 中，已经拟定了液压搬运机械手液压系统的主要回路，为了将原 理图完善为完整的液压驱动系统，还需要对液压元件进行计算和选型。 液压搬运机械手的手指夹紧液压缸、手腕横移液压缸、小臂收缩液压缸、小臂 俯仰液压缸以及大臂俯仰液压缸已经在第二章中进行了详细的进算，这里不再重复 计算选型。 3.2.1 液压泵及电动机的选择 （1）液压泵的选用 根据设计要求知，小臂最大回转速度，小臂俯仰缸距离回转点为0.5/rad s 0.6m，则小臂俯仰缸最大伸缩速度 max 0.5 0.60.3vw l /m s 活塞腔无杆腔面积 a 为 22 0.050.0

55、02 44 ad 2 m 小臂俯仰缸最大流量为 max q 3 maxmax 0.002 0.3 600.036/ min36 / minqa vml 根据以上计算结果，选用外啮合齿轮泵 cb-32，其技术参数为额定流量 32q ml/r,额定压力 mpa，转速 n=1450 r/min，容积效率10 n p 0.9 n 液压泵的流量校核： l/min32 1450 0.941.7 n qq n 可满足要求。 （2）电机的选取 (3-1) ss p qp q n n 式中液压系统供油压力，取 5 mpa s p 液压泵流量q 液压驱动系统效率，取 0.9 kw 1450 5 32 60 3.8

56、6 0.9 n 根据以上的计算，选定 4 kw，的异步电动机，型号 y112m-22825/ minnrad 3.2.2 油箱容积的计算 油箱容积量与系统的流量有关，其容量的大小可以从散热角度来设计。考虑冷 却散热后，从热平衡角度计算出油箱容量，一般 (3-2)vq 式中液压泵额定流量q 与系统压力有关的经验数字，中压系统（ mpa）可取=576.3p 液压油箱有效容积v 故取=5，= l5vq 3 5 32 1014505 46.4220 3.2.33.2.3 液压元件的选定液压元件的选定 根据图 3.1，液压搬运机械手的液压驱动系统所用液压元件采用德国力士乐系 列高压液压阀，具体液压元件如

57、下表所示： 表 3.1 液压搬运机械手所用液压元件一览表 序号元件名称型号规格 1 油箱自制 400x600800 2 空气滤清器 ef2-32 3 吸油滤油器 wu-2580-j5mpa 4 液位计 ywz-200t 5 电动机 y112m-24kw 1450rad/min 6 齿式弹性联轴器nl3 ya2860 7 外啮合齿轮泵 gp1d2.9zna4.0mpa 8 压力表 y63-4025mpa 9 溢流阀 db10 5mpa 10mm 10 电磁换向阀 we6-6x 31.5mpa 6mm 11 电磁换向阀 we6-6x 31.5mpa 6mm 12 电磁换向阀 we6-6x 31.5

58、mpa 6mm 13 电磁换向阀 we6-6x 31.5mpa 6mm 14 电磁换向阀 we6-6x 31.5mpa 6mm 15 单向阀 rvp6 31.5mpa 6mm 16 叠加式双单向节流阀 z2fs6 35mpa 6mm 17 叠加式双单向节流阀 z2fs6 35mpa 6mm 18 叠加式液控单向阀 z2s631.5mpa 360l/min 19 叠加式液控单向阀 z2s631.5mpa 360l/min 20 叠加式液控单向阀 z2s631.5mpa 360l/min 注：上表中的序号指图 3.1 中的序号 4 电气控制系统设计 液压搬运机械手的电气控制系统相当于人的大脑，它指

59、挥机械手的上、下料动 作，同时协调上、下料机械手与生产系统之间的关系。液压搬运机械手的工作顺序， 应达到的位置，如手臂上下仰俯，小臂伸缩，手腕左右横移，手指的开闭动作，以 及各个动作的时间，速度等，都是在控制系统的指挥下，通过每一运动部件沿各运 动轨迹的动作按照预先整定好的程序来实现的。 大多数的机械设备的控制系统，多着眼于自身运动的控制，而液压搬运机械手 的控制系统更注意本部与操作对象的关系。因此，对于液压搬运机械手的控制系统 来说，无论多么高级的系统，如果不能将工件或物料按预先的工作要求传送到指定 位置，都是毫无意义的。机械手的控制系统的结构一般分为开环系统和闭环系统两 种闭环控制系统也叫

60、作反馈控制系统，是一种不断把给定量值和各控制量值进行 比较，并使其偏差为零的控制系统。通常闭环控制系统的抵抗外部干扰和系统中主 要单元的特性变化的能力较强，而开环系统较弱。 然而机械手的闭环控制系统要受到各种因素的影响，如外部负荷力，活动部件 的内部摩擦，伺服阀的漂移、滞后以及伺服放大器的漂移，随动系统的粘滞性摩擦 的影响等都会导致闭环控制系统产生静态误差。因而闭环控制系统的精度和定位时 间等控制性能也要受到一定的限度，要想超过闭环控制系统的控制性能的界限必须 采用由最佳控制理论所规定的控制结构，其中有时也采用开环控制。因此要提高液 压搬运机械手的性能，应不局限于开环或闭环的系统而吸收两者之长