立式精锻机自动上料机械手手臂伸缩机构设计

1、摘要机械手的出现是随着工业技术的发展，人们发现人工的操作越来越不能满足工业生产的要求，因而设计出了机械手去替代人工做一些危险的工作。这篇论文详细介绍了立式精锻机自动上料机械手的组成、结构特点和工作过程。机械手主要是执行部份、驱动部分和控制部分组成。执行部分包括机械手的手部、机械手的手臂、机械手的升降和回转结构。本文对以上各机构的结构设计、计算以及校核方法作了具体的描述和分析，实现了机械手四个自由度、行程以及强度各方面的要求。对于驱动部分，选择了液压驱动的驱动方式，对液压系统进行设计和对液压系统的传动方式进行设计，最后选择合适的液压元件并确定液压系统，通过上述部分设计，设计出了立式精锻机自动上料

2、机械手，达到本次设计的要求。 关键词立式精锻机；自动上料机械手；结构设计；液压驱动Vertical precision forging machine, automatic feeding manipulator arm telescopic mechanism designAbstractThe appearance of manipulator is developed the industry technology. When people find that the manufacture by manual labor can not satisfy the demands of t

3、he industry produce, so the manipulator was designed to do something dangerous in stead of human. This paper introduces the main function, the structure feature and the composition of automatic feeding manipulator of vertical forging machine in detail. The composition of the mechanical industry mach

4、inery includes three parts: the mechanical part, the drive part and the the control part. The mechanical part mainly includes the hand of the manipulator, the arm of the manipulator and the fluctuation and rotation structure of the manipulator. The paper has made the concreted description and analys

5、is on the general design process and the calculated method of the manipulator. Achieves the four-freedoms,route and some other aspects of the manipulator. Regarding the drive part, the author selects the hydraulic drive style,and then carries on the design calculation to the hydraulic system and car

6、ries on the design to the hydraulic transmission way, finally choose appropriate hydraulic pressure part, and then define hydraulic system. Through the above parts of designs, the author designs a hydraulic automatic feeding manipulator of vertical forging machine to achieve the design goal. Keyword

7、sVertical forging machine； Automatic feeding manipulator；Structure design；Hydraulic drive.前言机械手是由执行机构、驱动装置、控制系统和智能系统组成。执行机构包括手部、腕部、臂部和腰部基座部（固定或移动）；驱动装置是起驱动装置；控制系统包括单关节伺服控制器和关节协调及其他信息交换计算机；智能系统包括感觉装置、视觉装置和语言识别装置。它具有三个自由度，功用是确定手部在空间的位置，位置机构可确定操作机的空间工作范围。机械手是自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动功能的自动化装置。随着自动控制技术的不断发展，机

8、械手的研究及应用也不断更新换代。目前，也发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单位FMC中的一个重要组成部分。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位，它适用于中、小批量生产，可以节省庞大的工件运输装置，机构紧凑，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花色产品，提高生产质量，更好的适应市场竞争的需要。机械手的全部动作由电磁阀控制的气缸驱动。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成。 本课题设计立式精锻机自动上料机械手手臂伸缩机构设计。动作速度可调。用液压驱动，PLC控制、包括总体设计，各执行机构设计，液压系统设计、计算

9、，控制系统设计。第1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

10、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

11、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。1.1 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(GB/T 12643-90)对机械手的定义:“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。 1.2 机械手的分类及简史 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

12、制系统等进行分类。 1.2.1 机械手的分类 （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。

13、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

14、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

15、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

16、控制。 1.2.2 机械手的简史 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Unimate（即万能自动）。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Vewrsatran机械手。该机械手的中央立

17、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Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm型工业机械手，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KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 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

18、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FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。1.3 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

19、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。 1.4

20、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

21、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

22、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。 1.5 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。 执行机构 （1）手部

23、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升降、伸缩、回转三

24、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。 1.5.2 驱动机构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。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

25、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4-6个大气压，个别的达到8-10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

26、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。控制系统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

27、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：（1）以提高生产过程中的自动化程度 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。 （2）以改善劳动条件，避免人身事故 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。（2）可以减轻人力，并便于有

28、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2章 机械手总体方案设计2.1 机械手的设计参数：抓重： 60公斤自由度数： 4个座标型式： 圆柱座标最大工作半径： 1700mm手臂最大中心高： 2300mm手臂运动参数： 手臂伸缩范围： 0500mm手臂伸缩速度： 伸出176mm/s缩回233mm/s手臂升降范围： 0600mm手臂升降速

29、度： 上升102mm/s下降152mm/s手臂回转范围： 0200°手臂回转速度： 63°/s手腕运动参数：手腕回转范围： 0180°手腕回转速度： 201°/s手指夹持范围： 30120mm缓冲方式及定位方式：手臂伸缩： 伸出时由行程开关适时发信号切断油路，手臂滑行缓冲，死档块定位。缩回时无缓冲措施，由活塞和油缸端盖相碰定位。手臂升降： 上升时是靠调节碰铁触动行程开关而发信号，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，下降时靠油缸顶部节流缓冲，以导向套和升降缸支撑座相碰而定位。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

30、动定位销定位。手腕回转： 采用行程开关发信号，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、伸缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了满足送料需要，增加手腕回转运动。所以本机械手有手臂升降、伸缩、回转和手腕回转四个自由度。2.3 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

31、置组成。控制系统由程序控制系统和电气系统组成。机械手的结构见图如图2-1：图2-1机械手机构简图1、机座 2、手臂升降机构 3、手臂回转机构 4、手臂伸缩机构 5、手腕回转机构 6、手部 运动简图如图2-2所示：图2-2机械手运动简图该结构采用圆柱式坐标，其运动系包含了两个直线运动和两个回转运动，这种坐标形式的机械手占地面积小而且活动范围大，结构比较简单，并且能够达到较高的定位精度。机械手的动作顺序待料（即起始位置。手指闭合，待夹料立放）插定位销手臂前伸手指张开手指夹料手臂上伸手臂缩回手腕回转180拔定位销手臂回转95插定位销手臂前伸手臂中停（此时，立式精锻机卡头下降卡头夹料大泵卸荷）手指松开

32、（此时，立式精锻机卡头夹着料上升）手指闭合手臂缩回手臂下降手腕反转（手腕复位）拔定位销手臂反转（上料机械手复位）待料卸荷（一个循环结束）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2-3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、

33、喂料和变换工位等动作。图2-3机械手的工作流程图第3章 手臂伸缩结构设计3.1 手臂伸缩结构设计手臂伸缩机构主要实现手臂的伸缩运动，这里采用的是双作用单杆活塞油缸的形式，具体结构情况如图所示：图手臂伸缩机构该机构主要由活塞杆1、油缸体2、滑枕3、中间架体4、和油路5等组成。中间架体4的底部止口与中间座部件连接，滑枕3的右端与夹紧缸部分连接，油缸体2固定在滑枕3上，活塞杆1固定在中间架体4上，当压力油分别进入油缸的左右两腔时，油缸体2带动滑枕3在燕尾形导轨内实现手臂的往复运动，其行程大小由挡块和组合行程开关来确定，伸出端装有可调式定位螺钉，确保定位精度。手臂伸缩的导向装置采用燕尾形滑枕，导向性能

34、好，手臂刚度大，工作时运动平稳。油缸的输油管采用伸缩油管形式，可以保护油管，但工艺性较差。 3.2 手臂伸缩油缸设计计算手臂伸缩油缸采用的是双作用单杆活塞油缸，以下就油缸和活塞杆的尺寸计算如下： 3.2.1 伸缩液压缸的驱动力F根据液压缸工作时需要克服运动件表面的阻力F、密封处的摩擦阻力F、回油腔油液的阻力F和起动或制动时的惯性力F，所以驱动力F有：F= F+ F+ F+ F（1）运动表面的摩擦阻力F对于燕尾形导轨做导向至承，取摩擦系数m当量摩擦系数m¢=（1.271.57）mm¢=1.4m×假设参与运动的所有零部件总的质量为60kg，工件重60kgF=G

35、5;m¢=（60+60）××（2）密封处的摩擦阻力F采用“O”形密封圈，简化计算时，可视作F（3）回油腔的油液压力F回油腔与油箱相连，可视为与大气相连，故F =0（4）起动或制动时的惯性力F参与运动的零部件总重60kg，工件重60kg，伸缩速度0.233ms，启动时间取F=由以上计算可得：F=F+F+F +F 3.2.2 伸缩液压缸的内径计算手臂伸缩运动的驱动力F由双作用单杆活塞油缸提供，活塞杆直径d油缸内径D,取d=0.5D,×10pa´则油缸内径计算如下：F=（D-d）pD=4×÷×××10

36、pa ）计算得D=77，经查表工业机械手设计表4-3，选取液压缸内径D=80mm 3.2.3 油缸外径的选择对于低压,³16应按薄壁公式计算：d³液压缸采用无缝钢管，查表可得s=100Mpad³=×10×÷(2×100×10查阅机械设计手册液压传动，选取液压缸外径D=100mm=对油缸的壁厚校核：= （×80×100÷（100-80）)×0.13=由此可见工作压力远小于油缸的，故满足工作要求。 3.2.4 活塞杆尺寸的计算活塞杆直径d=0.5D=40mm 活塞杆的强度校核:

37、活塞杆的材料为45钢，杆长L约大于杆直径的15倍，所以：杆长L>15d=15×40=600mm活塞杆材料为碳钢，=350MPA，=210MPA，E=210GP，碳钢的100120，活塞杆的受力:=÷（××40）=<所以活塞杆的强度满足要求。 活塞杆稳定性校核：特定柔度值l=p=86柔度l= =×0.6/(0.04/4)=30因为l<l，故不能用欧拉公式计算临界压力，由材料力学表10.1可知，优质碳钢的a=461Mpa，所以有：l=由此可见活塞杆满足l<l,是短压杆,不需要校核 3.2.5 油缸两腔的流量计算 有杆腔流量Q

38、Q=p(D-d)v=××××10m/s无杆腔流量QQ=pDv=××××10 m/s第4章 机械手的驱动系统设计 机械手的驱动系统按动力源分为液压，气压和电动三大类。根据需要也可以是这三种所组成的复合式驱动系统。 4.1 各种驱动类型的特点 4.1.1 液压驱动系统液压技术是一种比较成熟的技术，具有动力大，响应快，易于实现直接驱动等特点。适用于承载能力大，惯量大以及在防爆环境中工作的机械手。 4.1.2 气动驱动系统具有速度快，系统结构简单，维修方便，价格低等特点。适用于中小负载的系统中。但难于实现伺服控制，多用于程

39、序控制的机械手。 4.13 电动驱动系统 由于低惯量、大转矩的交直流伺服电机及配套的伺服驱动器的广泛应用，这种驱动系统在机械手中被大量使用。 4.2 机械手驱动系统的选择原则 设计机械手时，选择哪一类驱动系统要根据机械手的用途、作业要求、机械手的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗以及性价比等综合因素加以考虑，在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后做出最后的选择。 一般情况下，机械手驱动系统的选择按如下原则：（1）物料搬运用有限点位控制的程序控制机械手，重负载的可选液压驱动系统，中等负载的可选电动驱动系统，轻负载的可选气动驱动系统。

40、（2）用于点焊、弧焊及喷漆作业的机械手，要求具有任意点位和轨迹控制的功能，需采用伺服驱动系统，只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。 根据设计要求，本设计中选用液压驱动系统。 液压系统简介4.3.1 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

41、度方面的要求。 4.3.2 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

42、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

43、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

44、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。 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

45、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。 自动上料机械手液压系统图 4-1 机械手液压系统原理图 KW的电动机，带动双联叶片泵（YB-35/18）驱动，其公称压力为63公斤力/厘米²，流量为35升/分+18升/分，系统压力调节为30公斤力/厘米²，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。 手臂伸缩采用单向调速阀（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程节流调速，因而速度可调，工作平稳。 手臂升降液压支路设置有单向顺序阀（XI-63B），可以调整顺序阀的弹簧力使之在活塞、

46、活塞杆及其所承受的手臂等自重所引起的油液压力作用下仍保持断路。工作时，油泵输出的压力油进入升降油缸上腔，作用在顺序阀上的压力增加使之接通，活塞便向下运动。当活塞要上行时，压力油经单向阀进入升降油缸下腔而不会被顺序阀所阻，这样采用单向顺序阀克服手臂等的自重，以防下滑，性能稳定可靠。 手指夹紧油路装置有液控单向阀（IY-25B），使手指夹紧工件时不受系统压力波动的影响（尤其是在系统压力下降时，夹紧油缸内的压力油不能反向流动），保证手指夹持工件牢靠。当反向进油时，油液通过控制油路将单向阀芯顶开，使回油路接通，油液流回油箱。 在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低，为此在定位油缸支路之前串

47、有减压阀（J-10B）既可供给定位油缸所要求的低压油（15-18公斤力/厘米²），又可为电液换向阀（34DY-63B）的控制油路供油。 该系统双联叶片泵的卸荷均采用二位二通换向阀（22D-25B）打开溢流阀（Y-18J和Y-35J）来实现，空载卸荷不致使油温升得太高。系统的压力由溢流阀来调节。 此系统三个主压力油路的压力测量，是通过转换压力表开关（K-3B）的位置来实现，被测量的三个主油路的压力值，分别从压力表（Y-60）上表示出来。 系统中的三个单向阀（两个I-25和一个I-40）中，单向阀6和13是防止油泵停止工作时，液压系统的油液倒流而进入空气，影响再启动时油缸工作的平稳性。单

48、向阀14是为了将需要油液量大小不同的两支主油路（标号38和39）分开，同时与单向阀13配合在大泵自动卸荷时，不使大泵卸荷油路影响小泵的工作油路。 下面以自动上料机械手的一个典型动作程序为例，结合图4-1来说明其动作循环。 电动机启动，带动双联叶片泵3和8回转，油液从油箱1中通过网式滤油器2和7，经过叶片泵被送到工作油路中去，如果机械手还未启动，则油液通过二位二通电磁阀5和10（电磁铁11DT和12DT通电）进行卸荷。 当热棒料由运输车运到等待上料的位置（即坯料的中心处），由于1150 0C 的热料使光电继电器发出电信号（或人工启动），经过步进选线器跳步，使机械手开始按程序动作。此时卸荷停止（二

49、位二通电磁阀5和10的电磁铁断电），电磁铁8DT通电，压力油进到定位油缸的无杆腔进行定位动作。定位后此支路的系统压力升高，压力继电器40发出电信号，经步进选线器跳步使电磁铁1DT通电，电液换向阀25从“O”形滑阀机能状态变成通路，压力油从泵3和8经单向阀6、14和13，通过电液换向阀25右边通道进入手臂伸缩油缸的右腔，使缸体作前伸运动，手臂前伸到适当位置，装在手臂上的碰铁碰行程开关发出电信号，经步进选线器跳步和时间继电器延时，使电磁铁3DT通电，手指张开；手臂靠惯性滑行，手指移到待上料的中心位置。在延时结束时，3DT断电，手指夹紧棒料；并同时发信、跳步，使电磁铁4DT通电，压力油从工作油路39

50、经电液换向阀33右边通道、单向调速阀34的单向阀及单向顺序阀35的单向阀进入手臂升降油缸下腔，推动手臂上升。在手臂上升到预定位置，碰行程开关，使电磁铁4DT断电，电液换向阀33复位成“O”型滑阀机能状态，并发出电信号经步进选线器跳步，使电磁铁2DT通电，电液换向阀25左边接通油路，压力油通过电液换向阀25左边通道，经过单向调速阀26的单向阀进入手臂伸缩油缸左腔，使手臂缩回。当手臂上的碰铁碰到行程开关，使2DT断电，并发出电信号经步进选线器跳步使6DT通电，则换向阀18右边接通油路，压力油通过单向调速阀19的单向阀进入手腕回转油缸一腔，使手腕回转180度，手腕上的碰铁碰行程开关使6DT断电，换向

51、阀18复位成“O”型滑阀机能状态，同时亦使8DT断电，定位油缸复位（拔销）；压力继电器复位，发出电信号。经步进选线器跳步，使电磁铁9DT通电，换向阀28右边通道接通油路，压力油经QI(31)的单向阀进入手臂回转油缸一腔，使手臂回转95度。当手臂回转的碰铁碰到行程开关使9DT断电，换向阀28复位成“O”型滑阀机能状态；并发出电信号，经步进选线器跳步，使8DT通电，定位油缸17动作，插定位销，压力继电器40发出电信号经步进选线器跳步，使电磁铁1DT通电，手臂前伸；当手臂将棒料送到立式精锻机的夹头轴线前的适当距离，手臂的碰铁碰行程开关，使1DT断电，手臂靠滑行和定位螺钉使手臂将棒料送到夹头轴线处；并

52、发出电信号，经步进选线器跳步使12DT通电，大泵卸荷，手臂处于“中停”位置，同时发出电信号使立式精锻机起动，夹头下降，行程开关发出信号，通过时间继电器使夹头闭合将棒料夹牢，精锻机电控系统发出信号给机械手电控系统，经步进选线器跳步，时间继电器延时使3DT通电，机械手指松开（同时，精锻机的电控系统发信使夹头提升），延时到3DT断电，手指闭合，并发出电信号，经步进选线器跳步，2DT通电，手臂缩回。当手臂碰铁碰行程开关时，2DT断(手臂缩回停)；并发出电信号经步进选线器跳步，使5DT通电，电液换向阀33的左边通道接通油路，压力油经 QI(36)的单向阀进到升降油缸上腔，使手臂下降，当升降套上的碰铁碰行

53、程开关时，5DT断电（手臂下降停）；并发出电信号经步进选线器跳步，使7DT通电，电液换向阀18的左边通道接通油路，压力油经QI(20)的单向阀进入到手腕回转油缸的另一腔，使手腕反转180度；手腕上的碰铁碰到行程开关，使7DT断电并发出电信号经步进选线器跳步，使8DT断电（拔定位销），压力继电器复位发出电信号经步进选线器跳步，使10DT通电，电液换向阀28的左边通道接通油路，压力油经QI(29)的单向阀进入手臂回转油缸的另一腔，使手臂反转95度(机械手复位)。当手臂上的回转碰铁碰行程开关时，10DT断电（机械手停在原始位置上），并发出电信号经步进选线器跳步，使11DT和12DT通电（两个油泵同时

54、卸荷），机械手的动作循环结束。 电磁铁的动作顺序如表4-1，“+”号表示电磁铁线圈通电。 表 4-1 电磁铁动作顺序序号电磁铁1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT11DT12DT动作1插定位销+2手臂前伸+3手指张开 +4手指闭合+5手臂上升+6手臂缩回+7手腕回转+8拔定位销9手臂回转10插定位销+11手臂前伸+12手臂中停+13手指张开+14手指闭合+15手臂缩回+16手臂下降+17手腕反转+18拔定位销19手臂反转+20待料卸荷+液压元件的密封4.5.1 密封件的作用及其意义在液压系统及其元件中，设计安装密封装置和密封元件的作用，在于防止工作介质的泄露及外界尘埃

55、、异物的侵入，设置于密封装置之中，起密封作用的元件，即密封元件。 流体状态的工作介质，在液压元件及系统容腔中流动或暂存。由于受压力、间隙、粘度等的变化，导致少量介质越过容腔边界，由高压腔向低压腔流出，这种越界流出的现象叫泄露。 泄露分为内泄漏和外泄漏两种。内泄漏会引起液压系统容积效率急剧下降达不到需要的工作压力，使机械设备无法运作；外泄漏会造成工作介质浪费，污染环境，甚至引发机械操作失灵和人身事故。 因此，正常设计和使用密封件是液压设备正常运转的重要保证。 密封件和密封装置的设计选用 （1）设计选用原则：密封件、密封装置的选择首先应考虑液压设备对密封装置、密封件的要求和工作状况。如负载工作压力

56、及速度的变化情况。并考虑环境温度和液压系统温度状况、冷却条件等因素。从而正确选择与之相配的密封件和密封装置结构形式。然后，再根据液压系统采用的工作介质种类和系统中密封处的局部温度，合理选择密封件的种类及与之的配方结构。 （2）常用主要密封件性能比较 动密封件中，广泛使用的密封件是O形圈、V形圈、Y形圈 O形橡胶密封圈：是动静密封均可使用的密封件，安装方便，价格低。用于工作压力大于7Mpa时，必须配置挡圈。寿命较短，且对密封装置的机械加工精度要求较高。当设备闲置时间太长时，再次启动的摩擦阻力会因密封面得粘附陡然增加，并出现蠕动现象。O形橡胶密封圈使用的速度范围是0.0050.3m/s Y形密封圈：使用寿命高于O形密封圈，使用的速度范围：若采用丁晴橡胶制作