圆柱坐标型米袋机械手设计毕业论文

1、河北联合大学轻工学院QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY毕毕业业设设计计说说明明书书设计（论文）题目：圆柱坐标型米袋机械手设计设计（论文）题目：圆柱坐标型米袋机械手设计学生姓名：学生姓名： 唐明辉 学学 号号： 201015370301 专业班级：专业班级： 2010 级拓展 3 班 学学 部：部： 知行书院 指导教师：指导教师： 张光浩 职称职称 2010 年 04 月 28 日摘要- I摘 要随着工业自动化的发展，机械手在工业应用中越来越重要。这是应为机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的

2、得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。本文首先介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了机械手整体座标的形式。然后介绍了圆柱坐标搬运机械手的设计理论与方法。并在全面详尽讨论了搬运机械手具体

3、需求的基础上完成了手部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。关键词关键词：机械手；液压传动；圆柱坐标；摘要- IIAbstractAlong with the development of industrial automation, manipulator is becoming more and more important in industrial applications. This is because robots can replace human dangerous, repetition boring work, reduce human labor intensity, i

4、mprove labor productivity. Robots have been applied more and more widely, it can be used for parts assembled in the machinery industry, machining workpiece handling, loading and unloading, especially on CNC machine, combination machine tool automation more common use. At present, the manipulator has

5、 developed into a flexible manufacturing system of FMS and flexible manufacturing cell is an important component of the FMC. The machine tool equipment and constitute a flexible manufacturing system of manipulator or flexible manufacturing unit, it is suitable for medium and small batch production,

6、can save huge workpiece conveyer, the structure is compact, but also has a strong adaptability. When the workpiece changes, flexible production system is easy to change, is advantageous to the enterprise continuously updated marketable varieties, improve product quality, better adapt to the needs of

7、 the market competition. This paper first introduces the manipulator, composition and classification of the manipulator, the whole of the form coordinate robot. Then introduces the rectangular carrying manipulator design theory and method. In detail, and discusses the specific demand carrying manipu

8、lator based on hand, arm and finish the fuselage of the main parts of structure design, etc.Keywords: manipulator, Hydraulic transmission, Cylindrical coordinates目录- III目录摘 要.IABSTRACT.II第 1 章绪论.11.1引言.11.2本文的主要任务与目标.2第 2 章总体方案设计.32.1机械手坐标形式选择.32.2机械手机构方案.52.2.1 驱动方式确定.52.2.2 机械手机构方案.5第 3 章机械手手部的设计计

9、算.73.1手部类型选择.73.1.1 手部设计的基本要求.73.1.2 典型的手部结构.73.1.3 选择手抓的类型及夹紧装置.83.2机械手手抓的设计计算.93.2.1 夹紧力及驱动力的计算.93.3本章小结.11第 4 章臂部的设计及相关计算.124.1臂部机械设计.124.1.1 臂部机械设计的基本要求.124.1.2 手臂的典型机构.134.1.3 手臂运动机构的选择.134.2手臂直线运动的驱动力计算.13目录- IV4.2.1 手臂摩擦力的分析与计算.134.2.2 手臂惯性力的计算.154.2.3 密封装置的摩擦阻力.154.2.4 液压缸的工作压力和结构的确定.15第 5 章

10、机身的设计计算.175.1机身升降机构的设计计算.175.1.1 液压缸活塞的驱动力的计算.175.1.2 确定液压缸的结构尺寸.19 5.2机身回转机构的计算.215.2.1 手臂回转时所需要的驱动力矩.215.2.2 回转缸内径 D 的计算.24第 6 章液压驱动系统设计.266.1液压系统传动方案的确定.266.2计算和选择液压元件.276.2.1 液压泵.276.2.2 选择液压控制阀.286.2.3 选择液压辅助元件.286.2.4 拟定液压系统.296.2.5 液压系统的主要特点.30第 7 章设计小结.31参考文献.32致谢.33第一章 绪论- 1第 1 章 绪论1.1引言机械手

11、是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域迅速发展的一门新兴技术。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时

12、，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。机械手的意义可以简单概括如下：1) 可以提高生产过程中的自动化程度。 应用机械手有利于实线材料的传送、共建的装卸、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。 2）可以改善劳动条件，避免人身事故。 在高温、高压、低温、低压、有灰

13、尘、噪声、臭味、有放射性或其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用忍受直接操作时有危险或根本不可能的，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。3） 可以减轻人力，并便于有节奏的生产。 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，目前几乎都没用机械手，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。1.2本文的主要任务与目标本文将在对国内外机械

14、手的应用现状作简单综述的基础上，确定搬运机械手的基本系统河北联合大学轻工学院- 2结构。然后对搬运机械手的运动进行简单的力学模型分析，完成机械手的设计工作，包括：传动部分、执行部分、驱动部分等。机械手的基本要求如下：1）能实现抓取、升降、移动等功能；2）物品重量：253）工作空间：rqH=1600180O15004）手臂运动参数： 伸缩行程：1200mm 伸缩速度：83mm/s 升降行程：400mm第二章 总体方案设计- 3第 2 章 总体方案设计机械手的总体方案设计包括机械手的坐标形式确定，驱动方式选择，以及驱动控制方案确定等等。2.1机械手坐标形式选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按

15、坐标形式大致可以分为以下几种:表 2-1 机械手结构类型表结构形式方案特点优缺点简图1.直角坐标型作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低2.圆柱坐标型操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高续表 2-1 机械手结构类型表结构形式方案特点优缺点结构简图3.球坐标型操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足

16、，机械结构较为复杂河北联合大学轻工学院- 44.关节型操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差根据任务书的具体要求，本设计采用圆柱坐标型机械手。机械手的技术参数如下:（1）抓重：重量 25（2）自由度数：3 个自由度（3）座标型式：圆柱座标（4）手臂运动参数1）伸缩行程：12002）伸缩速度：83/s3）升降行程：4004）升降速度：50/s5）回转范围：01806）回转速度：90/s（5）手腕运动参数1）回转范围：01802）回转速度：90/s2.2机械手机构方案2.2.1 驱动方式确定根据动力源的不同, 工业机械

17、手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。液压驱动主要通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条等实现直线运动；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。一般采用个大气压，个别河北联合大学轻工学院- 5的达到个大气压。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

18、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。电力驱动采用的不多。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杆螺母机构；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。电力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。一般用凸轮连杆实现规定的动作。它的优点是动作可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。本机

19、械手的驱动方案选择液压驱动。2.2.2 机械手机构方案根据具体的工作要求，设计机械手机构如图 2.1 所示。河北联合大学轻工学院- 6图 2.1 机械手结构示意图如图 2.1 所示，本设计的机械手具有 4 个自由度既：手抓张合；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降 4 个主要运动。本设计机械手主要由 3 个大部件和 4 个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2）臂部，采用直线缸来实现手臂平动 1200mm。（3）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。第三章 机械手手部的设计计算- 7第 3 章 机械手手部的设计计算3.1手部类型选择3.1.1 手部

20、设计的基本要求机械手手部设计要满足以下基本要求：（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力以保证夹持的可靠性。在夹紧力一定时，不同的传动机构所需的驱动力大小不同。（2） 手指应具有一定的张开范围以便于抓取工件。 如手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）。（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4） 应保证手抓的夹持精度。3.1.2 典型的手部结构表 3-1 典型的手部结构回转型平动型平移型典型的手部结构有以下几类：（1） 回转型。包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。当手爪夹紧和松开物体时,手指作回转运动

21、.当被抓物体的直径大小变化时,需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。（2） 平动型。移动型即两手指相对支座作往复运动。手指由平行四杆机构传动,当手爪夹紧和松开物体时,手指姿态不变,作平动。（3） 平移型。当手爪夹紧和松开工件时,手指作平移运动,并保持夹持中心的固定不变,不受工件直径变化的影响。这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化河北联合大学大学轻工学院- 8几乎不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。几种典型手部图例见表 3-1。3.1.3 选择手抓的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角 = ，夹取重量为25Kg。

22、常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。(1)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松

23、动或脱落。(2)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(3)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(4)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以

24、使手腕的扭转力矩最小为佳。(5)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V 型,如下图 3.1 所示。河北联合大学大学轻工学院- 93.2机械手手抓的设计计算3.2.1 夹紧力及驱动力的计算图 3.1 齿轮齿条式手部本课题液动机械手的手部结构如图 3-1 所示，其工件重量 G=25 公斤， “V”形手指的角度 2=120，b=750mm， R=300mm,摩擦系数为 f=0.10 。(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: （3-1）NR2bP (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:N

25、=GfgaKsin5 . 0)1 (1 =180（N）所以： =900（N） （3-2）NR2bP (3)实际驱动力: （3-3）21KKPP实际因为传力机构为齿轮齿条传动，故取=0.94 ，并取=1.5.1K若被抓取工件的最大加速度取 a=g 时，则:河北联合大学大学轻工学院- 10 （3-4）212gaK所以： NP287294. 025 . 1900 所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为 2872N。（4）确定液压缸的内径 D表 3-1 液压缸压力与载荷关系根据载荷选取工作压力 P=20 Mpa取 d=0.5D根据 PdDF224实际所以5 . 0124PDF实际=75. 0214.

26、328724106=50表 3-2 液压缸内径尺寸系列根据表 3-2 选取 内径 D=50 mm所以 活塞杆直径为 d=0.5D=25 mm（5）液压缸外径的设计河北联合大学大学轻工学院- 11液压缸外径按表 3-12 取 D1=60mm3.3本章小结通过本章的设计计算，先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析，然后分别对滑槽杠杆式手部结构的夹紧力、驱动力进行计算，在满足基本要求后，对手部的夹持精度进行分析计算。第四章 臂部的设计及相关计算- 12第 4 章 臂部的设计及相关计算手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具） ，并带动它们作空间运动。本设计的机械手包含了

27、手部伸缩和腕部回转这两个动作。臂部运动的目的：把手部送到同一工作平面内任意一点。本设计的臂部具备个 2 自由度，既手臂伸缩和回转运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。4.1 臂部机械设计4.1.1 臂部机械设计的基本要求（1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻。设计时的基本内容如下：1）根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。2）提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。3）合理布置作用力的位置和方向。4）注意简化结构。5）提高配

28、合精度。（2）臂部运动速度要高，惯性要小。机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在 10001500mm/s，大部分平均移动速度为1000mm/s。在速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有 3 个途径：1） 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。2） 减少臂部运动件的轮廓尺寸。3） 驱动系统中设有缓冲装置。（3）手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可

29、能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象） 。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。河北联合大学轻工学院- 13以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。4.1.2 手臂的典型机构本课题的手臂部分作伸缩运动。常见的手臂伸缩机构有以下几种：（1） 双导杆手臂伸缩机构。（2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。（3） 双活塞杆液压岗结构。（4） 活塞杆和齿轮齿条机构。4.1.3 手臂运动机

30、构的选择通过综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。4.2手臂直线运动的驱动力计算先进行粗略的估算，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，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。(4.1)FFFFF回摩密惯4.2.1 手臂摩擦力的分析与计算分析：摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。图 4.1 是机械手的手臂伸缩部分示意图，本设计是双导

31、向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。河北联合大学轻工学院- 14 总图图 4.1 机械手臂部受力示意计算如下：由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。0AMbG LaF总得 bG LFa总 0Y baGFF总得 aLaFGa总ababFFFFF摩摩摩 (4.2)2LaFGa总摩式中 参与运动的零部件所受的总重力（含工件） （N） ；G总 L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）; a导向支撑的长度（m）; 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面： (4.3)41.27572摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取 = 0.10.15河北联合

32、大学轻工学院- 15钢对铸铁：取 = 0.180.计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁 = 0.201.5=0.3 ，L=0.40-1070GN总0.20=0.20m,导向支撑 a 设计为 0.1m将有关数据代入进行计算22 0.20.140 0.35978.60.1LFGNa总摩4.2.2 手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启83/mm s0.2ts 动速度83/mm s (4.4)GvFg t总惯GvFg t总惯1070 0.545.39.8 0.2N4.2.3 密封装置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用 O 型密封，当液压

33、缸工作压力小于10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：。0.03FF封经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：0.03=6210NFFFF惯摩4.2.4 液压缸的工作压力和结构的确定 经上面的计算确定了液压缸的驱动压力为 6210N，由表 3-1 可以查出液压缸的工作压力为 2MPa。（）确定液压缸的结构尺寸河北联合大学轻工学院- 16图 4.2 液压缸内部压力示意图当油进入无杆腔，421DPFF当油进入有杆腔， （取机械效率=0.95）4d222）（DPFF所以644 700.06460m6.5mm3.14 1 100.95FDP 根据液压缸内径系列，选取 D=63mm （2）液压

34、缸的外径设计 考虑到装备问题，取液压缸的壁厚为 7mm，所以该液压缸的外径为 70mm.（3）活塞杆的设计计算活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求，对于杆长 L 大于直径 d的 15 倍以上的活塞杆还必须具有足够的稳定性。现在只需要按照拉，压强度就可以决定活塞杆直径，计算如下： (4.5)d42F设计中活塞杆取材料为碳钢，故a120100MP由活塞杆直径系列初步确定活塞杆直径 d=20mm，进行校核626619.8 101000.024MPa所以得出结论：活塞杆强度足够。第五章机身的设计计算- 17第 5 章 机身的设计计算按照设计要求，机械手要实现手臂 1800的回转运动，

35、实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：（1） 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。（2） 回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。（3） 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析：经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之

36、下的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片

37、之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转 1800。5.1机身升降机构的设计计算5.1.1 液压缸活塞的驱动力的计算 (5-1)GFFFFF惯回密摩式中 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回第五章机身的设计计算- 18 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的总重力。Ga) 的计算F摩 =G f (5-2)F摩 N188.320788.21148.78G其中 f 取 0.16那么 根据式(3-2)可求出=320.188 0.16=52.23 NF摩b) 的计算F密 = (5-3)F密FFF321封封封活塞

38、与活塞杆处都采用“O”形密封圈，液压缸密封处的总摩擦力为： (5-4)FFF03. 021封封 (5-5)dlPF3封式中 F 驱动力 P 工作压力（Pa） d 伸缩油管的直径(m) l 密封的有效长度（m）为了保证“O”形密封圈装入密封沟槽，并与配合件接触后起到严格的密封，在加工密封沟槽时考虑密封圈的预压缩量 (5-6)dK02K=0.08-0.14 (5-7)KdKl202设计时取 K=0.1 初步拟订=0.6mm d=5mm 那么 根据式(3-6)可求出mm120d又根据式(3-7)求出=5.23mml河北联合大学轻工学院- 19求出以上 2 个结果后，可根据式(3-5)求出=82.11

39、1 padlPF3封c) 的计算F惯 (5-8)tgvGF总惯式中 参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）G总 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对重载取较大值初步设计时取 =0.1 m/s 取 0.02 Svt N188.320788.21148.78G总那么= NtgvGF总惯194.16302. 081. 91 . 0188.320d) 的计算F回 一般背压阻力较小，可按 =0.05F 计算。F回e) 驱动力的确定 根据以上分析，结合式(3-1)可知：GFFFFF惯回密摩 =52.23+1

40、63.194+0.03F+82.811+0.05F+320.188 =671.43N5.1.2 确定液压缸的结构尺寸液压缸内径的计算如图 5-1。河北联合大学轻工学院- 20图图 5-15-1 双作用液压缸示意图双作用液压缸示意图当油进入无杆腔时：421DFPF当油进入有杆腔时：4222dDFPF液压缸的有效面积：PFS1故有： （无杆腔） (5-9)PPFFD1113. 14 （有杆腔） (5-10)dPFD214式中 F 驱动力（N） 液压缸的工作压力（pa）P1河北联合大学轻工学院- 21 d 活塞杆的直径（m） D 液压缸的直径（m） 液压缸的机械效率。初步设计中取机械效率为 0.85

41、。代入已求得的 F 值 可得D=0.07259 m根据表（3-2）可选取液压缸内 径 D=100mm5.2机身回转机构的计算5.2.1 手臂回转时所需要的驱动力矩采用回转液压缸实现手臂回转运动时，其受力情况可简化成图 5-3图 5-3 手臂运动时的受力简图驱动手臂回转的力矩，应该与手臂起动时所产生的惯性力矩及各密封装置处M驱M惯的摩擦力矩相平衡。M封 （1）MMMM回封惯驱式中 密封装置处的摩擦力矩（NM）M封 （2）MMM 封封封pRbbFFM1封河北联合大学轻工学院- 22pRbRFMCPFrR)(221 封2rRRcp （3）tJJM00惯式中 回转缸动片的角速度变化量（） ，srad在

42、起动过程中= 起动过程的时间t 手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量J0 若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则 （4）20gGJJc式中 回转零件对重心轴线的转动惯量Jc 回转缸回油腔的背压反力矩M回 （5）)(222rRpMbpdbRr回回初定 b=5 cm R=4 cm r=2cm =0.5 cm =0.2b1所以 =0.025 mm2rRRcp=37.5)(222rRpMbpdbRr回回=1.8pRbbFFM1封=13.5pRbRFMCPFrR)(221 封=1.8+13.5=15.3MMM 封封封工件转动惯量：根据圆柱体的转动惯量计算公式： (6)RJmz221平行轴定理：

43、 (7)dJJmzzc2已知：m=8kg R=0.04m d=0.36m河北联合大学轻工学院- 23代入上式（6）和式（7）可得：RJmz221 =0.02 NmdJJmzzc2=0.02+250.1296=1.0432 Nm夹紧缸的转动惯量：根据空心圆柱转动惯量计算公式： (8)rRJmz222已知：m=10kg R=0.04m r=0.02m d=0.41m代入式(8)和（7）可得：rRJmz222 =0.01 NmdJJmzzc2 =0.01+1.681 =1.691 Nm由以上分析可得手臂包括工件对回转轴线的转动惯量JJJ夹紧缸工件0 =1.0432+1.691 =2.7342 Nm根

44、据式(3)tJJM00惯取w=0.1 t=0.5 可得=0.5468M惯又根据式（1）MMMM回封惯驱 =0.5468+15.3+37.5 =53.3468 Nm河北联合大学轻工学院- 245.2.2 回转缸内径 D 的计算如图 4-2 所示回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M驱图图 5-45-4 回转液压缸计算图回转液压缸计算图 （9）RrdDMpbdpb222驱根据MM驱驱822dDMpb驱 （10）dMbpD28驱式中 D 回转缸内径（m） 作用在动片的外载荷力矩(Nm)M驱 P 回转缸工作压力（pa） d 输出轴与共片联接处的直径（m） 初步设计时按=1.

45、52.5 选取dD b 动片宽度（m）为减少动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择选河北联合大学轻工学院- 25片宽度（及液压缸宽度）时，可选用22dDb D 回转液压缸内径（m）根据以上分析以及式（10）可得dMbpD28驱 =106102. 033468.5332 =0.1687m 根据表 3-2 选取 内径 D=180mm第六章 液压驱动系统设计- 26第 6 章 液压驱动系统设计6.1液压系统传动方案的确定1）各液压缸的换向回路为便于机械手的自动控制，如采用可编程序控制器或微机进行控制，系统的压力和流量都不高，因此一般都选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效

46、益.液压机械手一般采用单泵或双泵供油，手臂伸缩，手臂俯仰和手臂旋转等机构采用并联供油，这样可有效降低系统的供油压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干扰，实现同步或非同步运动，换向阀需采用中位“O”型换向阀。2）调速方案整个液压系统只用单泵或双泵工作，各液压缸所需的流量相差较大，各液压缸都用液压泵的全流量工作是无法满足设计要求的。尽管有的液压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速，用以保证液压缸运行的平稳运行。各缸可选择进油路或回油路节流调速，因为系统为中底系统，一般适宜选用节流阀调速。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，若只用一节流阀调速时，则进油达到最大允许速度来调节

47、。当无杆腔进油时，其速度就少于最大允许速度，但仍然符合设计需求。在一般情况下，机械手的各个部位是分别动作的，手腕回转缸和手臂回转缸（或升降）所需的流量较为接近，手腕回转缸和手臂回转缸及夹紧缸所需流量较为接近，且它们两组缸所需的流量相差较大，这样不但可以选择单泵供油系统，也可选择双泵供油系统。单泵供油系统要以所有液压缸中需流量最大的来选择泵的流量。优点是系统较为简单，所需的元件较少，经济性好，缺点是当所需流量较少的液压缸（如手腕回转缸，夹紧缸等）动作时，系统的溢流损失较大，能源利用率低.对于系统功率较小的场合是可取的。双泵供油系统,它在需要大流量动作的缸运动时,双泵同时为其供油,在需小流量动作液

48、压缸运动时,则用小流量泵供油,而大流量泵低压卸荷。双泵供油系统避免了溢流损失过大,而且可以用双联泵代替双泵,其优缺点与单泵供油系统相反。3)减速缓冲回路通用工业机械手要求可变行程,它是由微机控制,可在行程中任意点定位,故应在液压系统中采用缓冲装置,形成缓冲回路。当液压缸运动快到希望点时,由位置检测检测装置(电位器)发讯号给微机,然后微机控制电磁铁通电切断二位二通阀的通路,液压缸的回路改经节流阀回油箱,增大了回油路的阻力,使液压缸速度减慢,防止冲击达到缓冲目的,这种回路也适用于摆动缸。也可以在油路中设置单向行程节化程度和通用性方面不如上述方案。河北联合大学轻工学院- 274)系统安全可靠性手臂俯

49、仰缸（或手臂升降缸）在系统失压情况下会自由下落或超速下行，所以应在回路中增加平衡回路，方法可用单向顺序阀做平衡阀。手臂伸缩缸有俯仰状态时，亦应同样考虑。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。为防止夹紧缸压力受系统压力波动的影响或过高，导致夹紧力过大损坏工件，或过低无法夹紧工件，造成意外的安全事故，需在油路上增加减压阀保证夹紧缸的压力恒定不变。5)液压系统的合成和完善6.2计算和选择液压元件6.2.1 液压泵1）计算液压泵的工作压力泵的工作压力是所有液压缸中工作压力最大者与泵至该液压缸的全部压力损失之和即： （6-1）PPPiiSmax式中 管道和各阀的全部压力损失之和Pi

50、5(5 8) 10iPMPa2）计算液压泵的流量qqViVPKmax式中 maxviq所有液压缸中所需流量最大的流量K泄漏折算系数，一般K1.11.33）选择液压缸的规格 参考设计手册或产品样本，选取其额定压力比高 20%60%，其流量与上述计算一致PS的液压泵。4）计算功率,选用电动机按工况图找出所有缸 N-t 图最高功率点的对应的（计算值）和泵的额定流量NmaxPS的乘积，然后除以泵的总效率p (6-2)pVpSdqPN河北联合大学轻工学院- 28根据以上分析：工作压力，估算 MPaPp0 . 1maxMPaP5 . 0MPaPPP5 . 1max流量：=29.3 L/min42maxVD

51、qV取 K=1.2=35.16 L/minqqVVPKmax根据计算出的流量查 机械设计手册选 CB-B40，n=1450 r/min min/40lqV额MPaP5 . 2额取泵的总效率为，则：75. 0=2.12KWqPpV额额根据此数值 选 Y100L-4 型电动机，额定功率为 2.2KW。6.2.2 选择液压控制阀按控制阀的额定压力和额定流量大于系统最高工作压力和通过该阀的最大流量的原则来选用系统的各类液压阀。6.2.3 选择液压辅助元件a 滤油器 按泵的最大流量选取流量大些的滤油器b 油管和管接头 油管和管接头的通径按与阀一致来选取c 油箱体积 油箱容量与系统的流量有关，其容量的大小

52、可从散热角度来设计计算出系统发热量与散热量，在考虑冷却散热后，从热平衡角度计算出油箱容箱。一般qVPV式中 液压泵的额定流量qVPV油箱的有效容积与系统压力有关的经验数字 3 5河北联合大学轻工学院- 296.2.4 拟定液压系统图 6.1 机械手液压系统原理图1 过滤器，2（16）截止阀，3 单向定量液压泵，4 溢流阀，5 回转液压马达，6（12）平衡阀，8(11)可调节流阀，9（10）液压缸，13 单向阀，14 夹紧缸，15 压力表，17 不可调节流阀 1）转台回转支路回转支路的执行元件是一个大转矩液压马达，它能双向驱动转台回转。马达由手动换向阀 A 控制正、反转，其油路为进油路：液压泵-

53、A-回转马达回油路：回转马达-A-B-C-D-油箱2）手臂的升降支路手臂升降支路的执行元件是一个液压缸，它的伸缩运动驱动手臂的上、下移动。液压缸由手动换向阀 B 控制上、下移动，其油路为进油路:液压泵-A-B-平衡阀 6 中的单向阀-液压缸无杆腔回油路：液压缸有杆腔-B-C-D-油箱3）手臂的伸缩支路手臂伸缩支路的执行元件是一个液压缸，它的伸缩运动驱动手臂的左、右移动 。液压河北联合大学轻工学院- 30缸由手动换向阀 C 控制左、右移动，其油路为 进油路：液压泵-A-B-C-平衡阀 12 中的单向阀-液压缸无杆腔 回油路：液压缸有杆腔-C-D-油箱4）手抓的夹松支路 手抓夹松支路的执行元件是一个液压缸，它的伸缩运动驱动手臂的夹松。液压缸由手动换向阀 D 控制上、下移动，其油路为进油路：液压泵-A-B-C-D-液压缸上腔回油路：液压缸下腔-D-油箱6.2.5 液压系统的主要特点 1）系统中采用了平衡回路，能保证机械手工作可靠，操作安全。 2）采用三位四通手动换向阀，不仅可以灵活方便地控制换向动作，还可通过手柄操纵来控制流量，以实现节流调速。在工作中