上下料机械手课程设计说明书

1、专业课程设计任务书一、目的与要求专业课程设计是机械设计及自动化专业方向学生的重要实践性教育环节，也是该专业学生毕业设计前的最后一次课程设计。拟通过专业课程设计这一教学环节来着重提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构功能设计能力、机械系统设计的能力和综合运用现代设计方法的能力，培养学生的创新与实践能力。在专业课程设计中，应始终注重学生能力的培养与提高。专业课程设计的题目为工业机械手设计，要求学生在教师的指导下，独立完成整个设计过程。学生通过专业课程设计，应该在下述几个方面得到锻炼：1 .综合运用已学过的“机械设计学”、“液压传动”、“机械系统设计”、“计算机辅助设计”等课程和其他已学过的有关先

2、修课程的理论和实际知识，解决某一个具体设计问题，是所学知识得到进一步巩固、深化和发展。2 .通过比较完整地设计某一机电产品，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，掌握机电产品设计的一般方法和步骤。3 .培养机械设计工作者必备的基本技能，及熟练地应用有关参考资料，如设计图表、手册、图册、标准和规范等。4 .进一步培养学生的自学能力、创新能力和综合素质。二.主要内容表1精锻机上料机械手主要技术参数手臂运动形式(圆柱坐标式抓取重量60kgf自由度4个手臂运动行程和速度水平伸缩500mm设定点2升降600mm设定点2左右旋转200度设定点3手腕回转和速度180度设定点2手指夹持范围四种规格90

3、-120定位方式和定位精度机械挡块+-1mm控制方式点位程控，开关板预选驱动方式液压kgf/cm2(1)根据以上相关设计参数及要求，完成精锻机上料机械手方案设计、结构设计及控制系统设(2)撰写专业课程设计报告一份，不少于10000字。三、进度计划序号设计内容完成时间备注1总体方案设计第2天2绘制部件及总体设计草图第5天3绘制零件图第8天4绘制液压原理图第9天5绘制电器原理图第10天6绘制正式图第12天7编写专业课程设计报告第13天8答辩第14天四、课程设计成果要求1 .机械手总装图1张（0号图纸）、部件图若干张（0号图纸）；2 .全部非标零件图（图纸类型是零件类型及复杂程度而定）；3 .液压原

4、理图和电器控制原理图各一张；4 .撰写专业课程设计报告一份，不少于10000字。五、考核方式专业课程设计的成绩评定采用四级评分制，即优秀、良好、通过和不通过。成绩的评定主要考虑学生的独立工作能力、设计质量、答辩情况和平时表现等几个方面，特别要注意学生独立进行工程技术工作的能力和创新精神，全面衡量学生的真实质量。学生姓名：安蕾刘国威刘欣磊彭澎孙赫俊指导教师：杨晓红、花广如、杨化动2011年12月30日9机械手动作过程和主要设计参数介绍1.1 任务概述本次专业课程设计的任务是设计精锻机上料机械手。本机械手是为精锻机服务的，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大等特点，

5、可大大减少工人的劳动强度，并且大大提高上料的效率。工业机械手是一种新型的自动化装置，它可根据作业的要求，按照预先确定的程序搬运物体，装卸零件以及操持喷枪、焊把等工具区完成一定的任务，因此它可在繁重、高温和多粉尘等劳动条件较差的作业中，部分地代替人工操作。1.2 精锻机上料机械手的动作过程当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。1.3 精锻机上料机械手的总体设计简图由动作要求和实际生产检验的综合考虑，初步拟定机械手结构简图如下：精锻机上料机械手结构示意图1.4 精锻机上料机械手的

6、结构设计由结构示意图得，该上料机械手有4个自由度：1、腕部的回转运动。2、臂部的水平移动。3、腰部的上下移动。4、机身的回转运动。1.5精锻机上料机械手主要技术参数，见下表手臂运动形式(圆柱坐标式抓取重量60kgf自由度4个手臂运动行程和速度水平伸缩500mm设定点2升降600mm设定点2左右旋转200度设定点3手腕回转和速度180度设定点2手指夹持范围四种规格90-120定位方式和定位精度机械挡块+-1,mm控制方式点位程控，开关板预选驱动方式液压kgf/cm2二整体方案设计2.1 机械手的设计参数抓重：60kg；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

7、：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：002000（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：90-120毫米；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

8、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：液压控制方式：点位程序控制2.2 机械手实现的动作机械手原位-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2.3 机械手的结构组成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。2.4 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

9、图2-4-1所示。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。2.5 机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

10、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。2.6 机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。2.7 机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。2.8 机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

11、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。2.9 机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。2.10 机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(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PL讯序即可实现，非常方便快捷。三机械手具体结构设计各机构设计3.1 手部抓紧机构设计计算3.1.1 对手部设计的要求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

12、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，如图2.1所示。T图2.1机械手开闭示例简图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

13、积小。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。3.1.2 拉紧装置原理油缸右腔停止进油时，液压力夹紧工件，油缸右腔进油时松开1、右腔推力为Fp=（兀/4）D2P（2.1）=（兀/4）0.5225103=4908.7N2、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：(2.2 )F1=(2b/a)(cosa')2N'其中N'=498N=392N带入公式2.2得：Fi=（2b/a）（cosa'）2N'=（2150/

14、50）（cos30o）2392=1764N则实际加紧力为Fi实际=PK1K2/r=17641.51.1/0.85=3424N经圆整F1=3500N3、计算手部活塞杆行程长L,即L=（D/2）tg3=25Xtg30o=23.1mm经圆整取l=25mm4、确定"V'型钳爪的L、3。取L/Rcp=3式中：Rcp=P/4=200/4=50由公式（2.5）（2.6）得：L=3XRcp=150取“V型钳口的夹角2a=120。，则偏转角3按最佳偏转角来确定,查表得：3=22o39'5、机械运动范围（速度）【1】（1）伸缩运动Vmax=500mm/sVmin=50mm/s（2）上升运

15、动Vmax=500mm/sVmin=40mm/s（3）下降Vmax=800mm/sVmin=80mm/s（4）回转Wmax=90o/sWmin=30o/s所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s6、手部右腔流量Q=sv=60兀r2=60X3.14X252=1177.5mm3/s7、手部工作压强P=F1/S=3500/1962.5=1.78Mpa3.1.3 手部液压缸尺寸计算手部受力计算手臂的行程为100mm速度为400mm/s,起动和制动的时间为0.2s2.3)2.4)2.5 )2.6)2.7)2.8)水平伸缩直线运动油缸驱动力根据受力平衡有：P的计算GL4000.1GLRbaRb200Na0.

16、2GRbRaRaGGL400200600NaPm= G总 2L21001000.18200380N100G参与运动的零部件的总重量（包括工件）200N当量摩擦系数0.18Pgm导向杆的摩擦阻力EmiRm分别为a,b杆的摩擦阻力Ra,Rb分别为导向套左右端的受力a导向套的长度200mmL工件重心距离导向套的长度100mm水平移动油缸受力状态手部油缸驱动力计算活塞杆，缸盖，缸壁，伸缩油管之间的摩擦阻力0.05PPS密封装置处的摩擦阻力0.05PPh油缸回油腔低压油造成的阻力，取为0.05PFg手臂起动或制动时活塞杆上受到的平均惯性力GV6000.2Pg一一一一60Ngt100.2V从静止加速到工作

17、速度的速度变化量t起动的时间取为0.2s油缸驱动力PPmPsRPg844N油缸的尺寸：当油进入无杆腔有：D1.13.P1.1364454.3mm1.P10.96(工作压力R1MPa)，取D60mm根据标准油缸外径(JB1068-67)取80mm所以壁厚为10mm活塞杆的计算.100120MPa计算得d=44mm手臂的伸缩行程为200mm根据其它零部件的安装所需间隙，总长取活塞杆l=240mmo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

18、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HB241HB28S这里液压缸筒选用45号钢调质.缸筒内径采用H7配合。内孔表面的粗糙度，当活塞采用橡胶密封圈时，取R0.4R0.1。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35号钢或45号钢锻彳%或ZG35ZG45及HT25QHT30QHT350等铸铁材料。活塞杆导向套可以是缸盖本身，但最好在内表面堆焊黄铜、青铜或其它耐磨材料。活塞杆导向套也可另外压入，采用铸铁、黄铜、青铜、或尼龙。这里材料选取

19、45号钢。活塞杆活塞杆有实心和空心两种。实心的用35或45号钢，要求高的可用40Gr钢。空心的用35号、45号无缝钢管、并要求活塞杆的一端留出焊接和热处理的通气孔do缸的活塞杆也选45号钢。液压缸的缓冲、排气与密封以上设计液压缸负载不是很大，而且运行速度慢，所以不设置制动机构。这两个液压缸直径和行程不是很大，不再专门设置排气装置，安装时一次将气排空。关于密封，活塞与缸筒间、缸筒与活塞杆导套间采用。型密封圈，活塞杆与活塞杆导套间采取Y型密封圈，Y型密封圈的唇边面向高压区。为防止大臂安装后会出现偏心，在安装现场调配平衡重。手部活塞杆的稳定性校核因为l>15d,所以活塞杆需要稳定性校核油缸安装

20、属于两端固定，长度折算系数0.5特定柔度值2.110525628.64活塞杆横截面的惯性半径i=d/4=44/4=11mm安全系数nK3活塞杆的面积F=3.14*d*d/4=2160mm,、l0.5460活塞杆的计算柔度67.1528.64属于大柔度杆其临界力i3.5Pk2E3.14 22.167.15 23141.5104NP 844NPnk1500N，活塞杆稳定性符合要求1.17MPa#手部缸体的螺栓链接计算确定油缸缸筒与缸盖采用螺栓连接，此种方式能够使液压缸紧凑牢固。在这种链接中，每个螺栓在危险剖面上承受的拉力Q为工作载荷Q和剩余预紧力Qs'之和，即：QQQs'Q工作载荷

21、（N）P:缸盖受到的合成液压力，即驱动力（N）Z:螺栓数目Qs':剩余预紧力,Qs' KQ K1.5 1.8则螺栓1.3Q0合 2d14n为安全系数,n 1.2 2.5取螺栓公称直径为s为螺栓材料的屈服强度6数目4安全系数2 k=1.8八P2一Q-0.5MPaZ4Qs'KQ1.80.50.75MPa235Q0QQs'0.50.91.4MPa0.6MPa 1.3Q01.31.4合/2-c/Rd13.146丁4所以，满足强度条件。3.2 腕部回转机构设计计算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

22、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：回转士90o角速度W=45o/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10kg,长度l=650mmi3.2.1 计算扭矩M1设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩M1为：M1=FXS(3.9)=10X9.8X0.2=19.6(Nl-M)F S F图3-3腕部受力简图油缸(伸缩)及其配件的估算扭矩MF=5kgS=10cm带入公式3.9得M2=FXS=5X9.8X0.1=4.9(Nl-M摆动缸的摩擦力矩M摩F摩=300(N)(估算值)S=20mm(估算值)M摩=F摩XS=6(NM)4、摆动缸的总

23、摩擦力矩M(3.10 )(3.11 )M=M1+M2+M=30.5(NM)5.由公式(4.2)T=PXb(A12-mZX106/8其中：b一叶片密度，这里取b=3cm;ai摆动缸内径，这里取Ai=10cm;mm转轴直径，这里取mm=3cmo所以代入(3.11)公式P=8T/b(虫人12-虫2)X106=8X30.5/0.03X(0.12-0.032)X106=0.89Mpa又因为W=8Q/(屯人12-虫2)b所以Q=W(A12-m2)b/8(J)A1=(兀/4)(0.12-0.032)X0.03/8=0.27X10-4m3/s=27ml/s3.2.2 螺旋摆动液压缸尺寸设计计算1来复螺旋牙形的

24、设计1、梯形牙形梯形牙形的来复副是国内应用较多一种牙形，在此所用来复油缸的牙形中，取平均半r=20-40mm,取半径r=20mm取牙形高h=4mm,来复母和来复杆的内外径之差均为h,根据运动副的特点,其牙形为齿侧定心，如图，端面牙宽B=2r*sin(3.14/Z)(Z为来复螺旋的头数，通常Z=6)端面牙隙Z1=0.5-1（mm）根据端面牙型各参数，利用螺旋角可算出法面牙型各参数。2、油缸活塞的设计从来复螺旋运动副的讨论，可得到计算压力和流量的关系式:图8端面牙型15Q=K*'tgA-s当油缸的来复螺旋副结构和所需转动的负载确定后，K1和K是定值，因此从二式可得，这样，可根据整个液压回路

25、要求，合理选用升角和活塞面积。一般的来复油缸把升角选得小一些，（50度左右），而活塞面积大一些，如为细长油缸，则升角选为60度左右，塞面积则小一些。计算得，螺旋杆直径R1=20mm£度L1=110mm螺旋套筒内径R2=25mm外径R3=30mmK度L2=140mm缸体内径R4=30mm外径R5=40mmd£度L3=120mm外法兰直径R5=50mm材料选择来复油缸的活塞上总有来复螺旋和花键或双来复螺旋二个运动副，故需用较高强度的材料，而对活塞与缸体的运动副，则要求活塞耐磨而不咬死，故活塞常常采用二种材料组合起来，而对活塞主体45钢或40铭，而活塞部分采用H诚ZQAL9-4.

26、。为了便于加工，活塞可采用同一材料，但在活塞上需用鼓形密封圈和尼龙环的组合结构与缸体配合。轴承的选用活塞在单来复油缸缸体中作旋转运动又作直线运动，在双来复油缸缸体中则处于二个升角不同的旋转运动副中，因此主轴不但承受径向力且又承受轴向力，油缸结构中既有能承受轴向推力的滚动轴承，还有滑动轴承。按静载荷选用滚动轴承：C>1.5W式中C-轴承额定静载荷（kgf）W-载荷引起的轴向载荷（kgf）经计算，选用轴承型号为30143.3 臂部伸缩机构设计计算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

27、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=500mm1、手臂右腔流量，公式（2.7）得：Q=sv=200X兀X402=1004800mm3/s=0.1/102m3/s=1000ml/s2、手臂右腔工作压力，公式(2.8)得：“电P=F/S(2.12)式中：F取工件重和手臂活动部件总重，估算F=10+20=30kg,F摩=1000N。所以代入公式(2.12)得：P=(F+F摩)/S=(30X9.8+1000)/兀*

28、402=0.26Mpa3、绘制机构工作参数表如图2.4所示：机构名称工作速度行程工作压力手部抓紧60nm/s251tmL侬pa117.8m/s腕部回转45"±9T0.27m/s小甘睇0.26Mp已1000ml/s图2.4机构工作参数表4、由初步计算选液压泵所需液压最高压力P=1.78Mpa所需液压最大流量Q=1000ml/s选取CB-D型液压泵(齿轮泵)此泵工作压力为10Mpa,转速为1800r/min,工作流量Q在3270ml/r之间，可以满足需要。5、验算腕部摆动缸：T=PD(A12-mm)rmx106/8(2.13)W=8。vv/(A12-mr2)b(2.14)式中：

29、Hm-机械效率取：0.850.9Hv容积效率取：0.70.95所以代入公式(2.13)得：T=0.89X0.03X(0.12-0.032)X0.85X106/8=25.8(Nl-MT<M=30.5(Nl-M)代入公式(2.14)得：W=(8X27X10-6)X0.85/(0.12-0.032)X0.03=0.673rad/sW<tt/40.785rad/s因此，取腕部回转油缸工作压力P=1Mpa流量Q=35ml/s圆整其他缸的数值：手部抓取缸工作压力PI=2Mpa流量QI=120ml/s小臂伸缩缸工作压力PI=0.25Mpa流量QI=1000ml/s臂部液压缸尺寸设计计算臂部的伸缩

30、油缸采用单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+Fa)/刀其中K安全系数，取K=1.5G运动部件所受的重力，若取m=200kg,则G=mg=200X9.8=1920NFa惯性载荷，Fa=G-a/g,取起动时油缸活塞加速度a=14m/s2,贝UFa=Ga/g=980X14/9.8=4200NY液压缸的机械效率，取0 = 0.937.F=K(G+Fa)/刀=1.5X(1920+4200)/0.9=8700N主要尺寸的确定4FP2 12Pi其中,()活塞杆直径d与D的比值，即()=d/D,这里取()=0.52。工作载荷，前已计算过，为8700N.p2一一工件提升时有杆腔的

31、压强，取p2=2MPap1一一工件提升时无杆腔的压强，取p1=0MPa最后得液压缸内径也即活塞直径4F43967D=%p21p1="21O.55=55.31mm若按标准取D=60mm则取d=D=60X0.52=31mm.取D=60mm,d=31mm(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500mm.材料选择工程机械、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

32、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HB241HB28S这里液压缸筒选用45号钢调质.缸筒内径采用H7配合。内孔表面的粗糙度，当活塞采用橡胶密封圈时，取R0.4R0.1。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35号钢或45号钢锻彳%或ZG35ZG45及HT25QHT30QHT350等铸铁材料。活塞杆导向套可以是缸盖本身，但最好在内表面堆焊黄铜、青铜或其它耐磨材料。活塞杆导向套也可另外压入，采用铸铁、黄铜、青铜、或尼龙。这里材料选取45号钢。活塞杆活塞杆有实心和空心两种。实心的用35或

33、45号钢，要求高的可用40Gr钢。空心的用35号、45号无缝钢管、并要求活塞杆的一端留出焊接和热处理的通气孔do缸的活塞杆也选45号钢。液压缸的缓冲、排气与密封以上设计液压缸负载不是很大，而且运行速度慢，所以不设置制动机构。这两个液压缸直径和行程不是很大，不再专门设置排气装置，安装时一次将气排空。关于密封，活塞与缸筒间、缸筒与活塞杆导套间采用。型密封圈，活塞杆与活塞杆导套间采取Y型密封圈，Y型密封圈的唇边面向高压区。为防止大臂安装后会出现偏心，在安装现场调配平衡重。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4F式中F活塞杆上的作用

34、力活塞杆材料的许用应力,=b/1.4b=598MP4 87003.14 598=20.35mm所以活塞杆符合要求。(3)缸盖固定螺栓的校核5.2kFds'z式中F液压缸负载；K螺纹拧紧系数，k=1.121.5;Z固定螺栓个数；螺栓材料的许用应力；=s/(1.222.5),s为材料屈服点s=225MPa5.2kF5.21.211900dsVz=33.148225=3.4mm故联接螺栓符合要求。3.4 机身升降装置的设计计算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。如图4.4-1所示臂部和机身的

35、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。机身升降油缸尺寸设计计算机身部的升降油缸采用单作用式直线油缸。工作载荷的计算油缸提升的工作载荷为F,则F=K(G+Fa)/刀其中K安全系数，取K=1.5G运动部件所受的重力，若取m=300kg,则G=mg=40

36、0X9.8=3740NFa惯性载荷，Fa=G-a/g,取起动时油缸活塞加速度a=14m/s2,则Fa=G-a/g=980X14/9.8=4200NY液压缸的机械效率，取Y=0.9.F=K(G+Fa)/刀=1.5X(3740+4200)/0.9=16333N主要尺寸的确定4FP2 12Pl其中，。活塞杆直径d与D的比值，即4=d/D,这里取4=0.52。F一一工作载荷，前已计算过，为16333N.p2一一工件提升时有杆腔的压强，取p2=2MPapi一一工件提升时无杆腔的压强，取pi=0MPa最后得液压缸内径也即活塞直径4F2P2 1Pi =4 354412 1 0.552=95.13mm若按标准

37、取D=100mm则取d=D=115X0.52=60mm.取D=100mm,d=60mm(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600mm.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HB241HB28S这里液压缸筒选用45号钢调质.缸筒内径采用H7配合。内孔表面的粗糙度，当活塞采用橡胶密封圈

38、时，取R0.4R0.1。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35号钢或45号钢锻彳%或ZG35ZG45及HT25QHT30QHT350等铸铁材料。活塞杆导向套可以是缸盖本身，但最好在内表面堆焊黄铜、青铜或其它耐磨材料。活塞杆导向套也可另外压入，采用铸铁、黄铜、青铜、或尼龙。这里材料选取45号钢。活塞杆活塞杆有实心和空心两种。实心的用35或45号钢，要求高的可用40Gr钢。空心的用35号、45号无缝钢管、并要求活塞杆的一端留出焊接和热处理的通气孔do缸的活塞杆也选45号钢。液压缸的缓冲、排气与密封以上设计

39、液压缸负载不是很大，而且运行速度慢，所以不设置制动机构。这两个液压缸直径和行程不是很大，不再专门设置排气装置，安装时一次将气排空。关于密封，活塞与缸筒间、缸筒与活塞杆导套间采用。型密封圈，活塞杆与活塞杆导套间采取Y型密封圈，Y型密封圈的唇边面向高压区。为防止大臂安装后会出现偏心，在安装现场调配平衡重。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4Fd.式中F活塞杆上的作用力活塞杆材料白许用应力，=b/1.4b=598MP4F411900d寸=丫3.14598=50.35mm所以活塞杆符合要求。(3)缸盖固定螺栓的校核5.2kFdsz

40、式中F液压缸负载；K螺纹拧紧系数，k=1.121.5;Z固定螺栓个数；螺栓材料的许用应力；=s/(1.222.5),s为材料屈服点s=225MPa5.2kF5.21.211900ds=3.148225=3.6mm故联接螺栓符合要求。3.5 机身回转机构设计计算3.5.1 腕部设计计算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：回转士90o角速度W=45o/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10kg,长度l=650mmo计算扭

41、矩M1设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩M1为：M1=FXS(3.9)=10X9.8X0.2=19.6(Nl-M)油缸(伸缩)及其配件的估算扭矩MF=5kgS=10cm带入公式3.9得M2=FXS=5X9.8X0.1=4.9(Nl-M摆动缸的摩擦力矩M摩F摩=300(N)(估算值)S=20mm(估算值)M摩=F摩XS=6(Nl-M)4、摆动缸的总摩擦力矩M(3.10 )(3.11 )M=M1+M2+M=30.5(NM)5.由公式(4.2)6.一T=PXb(A12-mr2)X10/8其中：b一叶片密度，这里取b=3cm；ai摆动缸内径，这里取A1=10cm；mm转轴直径，这里取mm=3c

42、mo所以代入(3.11)公式P=8T/b(加-2)X106=8X30.5/0.03X(0.12-0.032)X106=0.89Mpa又因为W=8Q/(屯人12-虫2)b所以Q=W(A12-m2)b/8(J)A1=(兀/4)(0.12-0.032)X0.03/8=0.27X10-4n3/s=27ml/s3.5.2螺旋摆动液压缸尺寸设计计算来复螺旋牙形的设计1、梯形牙形梯形牙形的来复副是国内应用较多一种牙形，在此所用来复油缸的牙形中，取平均半r=20-40mm,取半径r=30mm,取牙形高h=6mm,来复母和来复杆的内外径之差均为h,根据运动副的特点,其牙形为齿侧定心，如图，端面牙宽B=2r*si

43、n(3.14/Z)(Z为来复螺旋的头数，通常Z=6)端面牙隙Z1=0.5-1(mm)根据端面牙型各参数，利用螺旋角可算出法面牙型各参数。2、油缸活塞的设计从来复螺旋运动副的讨论，可得到计算压力和流量的关系式:当油缸的来复螺旋副结构和所需转动的负载确定后，K1和K是定值，因此从二式可得，这样，可根据整个液压回路要求，合理选用升角和活塞面积。一般的来复油缸把升角选得小一些，(50度左右)，而活塞面积大一些，如为细长油缸，则升角选为60度左右，塞面积则小一些。计算得，螺旋杆直径R1=40mm£度L1=210mm螺旋套筒内径R2=45mm外径R3=50mmK度L2=260mm缸体内径R4=6

44、0mm外径R5=80mmd£度L3=210mm外法兰直径R5=130mm材料选择来复油缸的活塞上总有来复螺旋和花键或双来复螺旋二个运动副,故需用较高强度的材料,而对活塞与缸体的运动副,则要求活塞耐磨而不咬死,故活塞常常采用二种材料组合起来，而对活塞主体45钢或40铭，而活塞部分采用H诚ZQAL9-4.。为了便于加工,活塞可采用同一材料,但在活塞上需用鼓形密封圈和尼龙环的组合结构与缸体配合。轴承的选用活塞在单来复油缸缸体中作旋转运动又作直线运动,在双来复油缸缸体中则处于二个升角不同的旋转运动副中,因此主轴不但承受径向力且又承受轴向力,油缸结构中既有能承受轴向推力的滚动轴承,还有滑动轴承

45、。按静载荷选用滚动轴承：C>1.5W式中C轴承额定静载荷（kgf）W载荷引起的轴向载荷（kgf）经计算，选用轴承型号为6014四液压驱动回路设计4.1 液压回路的设计4.1.1 液压回路图根据潜水泵试压机械手的动作过程和设计要求，设计该机械手液压回路如下图所示（采用FluidSIM-H3.5绘制）SQ4二二SQ2«=行程开关行程开关腰部活塞缸减压阀SQ6底座摆动缸单向阀行程开关SQ54YA3YA2YA调速阀液压源过滤器油箱15YA11YA调速阀臂部活塞缸行程开关腕部摆动缸6YA调速阀:T.溢流阀SQ7 SQ87YA手部夹紧缸=SQ10行程开关SQ9力数码元件描述油箱B9YASQ

46、11行程开关10YA液压源，简略符号8YAT调速阀减压阀露速阀溢流阀三位四通电磁喇阀，中位楣自o型型溢流减压阀单向阀单作用缸 液压马达 过滤器4.1.2 该液压回路各部分的组成说明（1）液压源回路：主回路由油箱，过滤器，液压源和溢流阀组成。溢流阀保证液压源输出压力为定值。过滤器过滤油箱中的杂质，使进到系统中区的油液的污染度降低，保证系统正常工作。（ 2） 腰部活塞缸回路:在该回路中，腰部活塞缸提供上下移动自由度。一个三位四通阀控制油路。单向阀和减压阀并联组成一个平衡回路，可防止腰部上升动作结束后液压缸和与之相连的部件不因重力影响而下降；适合工作重量不大，活塞锁住时定位要求不高的场合。安装调速阀

47、，它可以使动作速度稳定。（ 3） 摆动缸回路：行程开关控制转动的角度，改变行程开关的位置，可以改变转动的角度。安装调速阀，它可以防止缸旋转结束后由于惯性而继续摆动；也可以使是动作速度稳定（ 4） 手部夹紧缸回路：在该回路装了减压阀，可以保证稳定的输出力（即夹紧力）大小一定，安装调速阀是为了稳定手指夹紧速度，防止猛然动作，破坏部件。4.2 液压系统计算与选择液压元件4.2.1 计算在各工作阶段液压缸所需的流量3.2确定液压泵的流量,压力和选择泵的规格3.2.1 泵的压力的确定.泵的工作压力为Pp=P1+EAP,（Pp为液压泵的最大工作压力，取1Mpa,P1为执行元件的最大工作压力，EAP进油管路

48、中的压力损失,根据系统的复杂程度，选取汇P为0.5MPa贝UPp=P1+EP=1MPa+0.5MPa=1.5Mpa计算得到的Pp为系统的静态压力，考虑到系统动态压力往往超过静态压力。另外考虑到一定的压力贮备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力Pn应满足Pn>（1.251.6）Pp。取Pn=2.1MPaPp=2.5MPa考虑到正常工作中进油路有一定的压力损失,所以泵的工作压力ppp式中:p液压泵最大工作压力;p执行元件最大工作压力;p进油管路中的压力损失,初算时简单系统可取0.8MPappp1p 是静压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的压力往往超过静压力。另外考虑到低压系统取p(1

49、8.11MPa0.8MPa)19MPa小值，高压系统取大值。在本系统中p=1.45p30MPa4.2.2确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格(1)泵的工作压力的确定泵的工作压力为Pp=P1+EAP,(Pp为液压泵的最大工作压力，取1Mpa,P1为执行元件的最大工作压力，EAP进油管路中的压力损失，根据系统的复杂程度，选取汇P为0.5MPa则Pp=P1+EP=1MPa+0.5MPa=1.5Mpa计算得到的Pp为系统的静态压力，考虑到系统动态压力往往超过静态压力。另外考虑到一定的压力贮备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力Pn应满足Pn>(1.251.6)Pp。取Pn=2.1MPaPp=2

50、.5MPa(2)泵的流量的确定液压泵的最大流量为：qpKl(q)max"2><19.08=22.896式中：q液压泵的最大流量(q)一同时作用的各执行元件所需流量之和的最大值qmaxKL系统泄漏系数，一般kL=i.i1.3,现取kL=1.2选择液压泵的规格，根据以上计算得的q和p再查有关手册，现选择CY14-1B型斜盘式轴向柱塞泵，该泵的参数为：每转的排量q°2.5s250mLl/r,泵的额定压力p。32MPa,电动机转速1470r/min,容积总效率0.92，总效率0.8。v与液压泵匹配的电动机的选定。首先分别算出快进与工进两种不同工况时的功率，两者较大者作为

51、电动机规格的依据。由于在工进时泵的输出流量减小，泵的功率急剧下降，一般当流量在0.21L/min的范围内时，可取0.30.14,同时还应该注意到，为了使所选择的电动机在经过泵的流量特性曲线的最大功率点时不至电动机停转需进行验算即:Pb qp2P式中：Pn一所选择电动机额定功率；O一限压式变量泵的限定压力；pbq压力p时,泵的输出流量；首先计算快进时的功率，快进时的外负载为0N,此时快进时进油路的压力为0功率为0.工进时所需电动机功率为:19MPa 3.07L minP=600.81.26kw由手册选择Y100L2-4型三相异步电动机，功率3kw,额定转速1470r/min4.2.3控制元件选择

52、该液压回路主要控制元件有：1个溢流阀、2个减压阀、1个单向阀，5个三位四通电磁换向阀(中位机能为O型)，11个行程开关，5个调速阀。各元件的功能介绍如下。溢流阀：保证液压源输出压力为定值减压阀：在腰部活塞缸回路中组成平衡回路，在手部夹紧缸回路中保证稳定的输出力。三位四通电磁换向阀：在液压回路中，有5个三位四通阀，有1YA2YA3YA、4YA、5YA、6YA7YA8YA、9YA、10YA共10个电磁铁，这些电磁铁的主要功能是改变油路方向，从而实现换向；将这些电磁阀与PLC控制回路的输出端连接，就可以很容易地实现机械手的顺序动作；电磁铁功能1YA、2YA控制腰部活塞缸的动作切换3YA、4YA控制底座活塞缸的动作切换5YA、6YA控制臂部活塞缸的动作切换7YA、8YA控制腕部活塞缸的转动方向9YA、10YA控制手部活塞缸的动作切换(4)行程开关：SQ1、SQ2SQ3SQ4为竖直方向的行程开关，控制腰部上下移动，他们安装在腰部的缸体外部，SQ4为安全包会行程开关；SQZSQ8为水平方向的行程开关，控制臂部的伸长与缩短；SQ9SQ10为摆动缸的行程开关，控制腕部正反旋转90°。调速阀：使各回路动作速度稳定，起一定的缓冲作用。液压元件明细表序号元件