潜水泵试压机械手设计

1、 课程设计报告 (2015-2016年度第一学期)名 称： 专业课程设计 题 目：潜水泵试压机械手设计院 系： 机械工程系 班 级：机械1203 学生姓名： 范方锏 王季鑫 张平 孙泽 陈庆昊 指导教师：杨晓红 花广如 杨化动设计周数： 2周 成 绩： 日期： 2016年 1 月 22 日概述一、 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，

2、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

3、自学能力、创新能力和综合素质。二、 主要内容潜水泵试压机械手设计。本机械手是为潜水泵试压服务的。潜水泵生产过程中，需要进行试压测漏检验，其具体过程是：（参看图1）图1潜水泵水槽150036852021001000160210350运输线图2 潜水泵外形图三、 进度计划机械手将潜水泵拿起，在空中沿运输线方向旋转90，由人工将高压空气管接头与潜水泵连接好，并通入高压空气，然后机械手将潜水泵按图1所示方向放入水槽中，观察两分钟，确认有无漏气现象后，在将潜水泵拿出水槽，拆去高压空气管接头，并按原位置将潜水泵放回到运输线上。管接头的装拆应在运输线上方进行，装拆过程各需2分钟之内完成，运输线每隔5分钟向前

4、运送一个潜水泵。 表1潜水泵试压机械手主要技术参数运动简图（固定在地面上）整体外形尺寸不能超出图1规定范围抓取重量70kgf手腕运动参数自定手臂运动参数自定自由度34个定位精度10mm控制方式电器控制驱动方式液压 kgf/cm（1）根据以上相关设计参数及要求，完成潜水泵试压机械手方案设计、结构设计及控制系统设计。（2）撰写专业课程设计报告一份，不少于10000字。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

5、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五级评分制，即优秀、良好、中等、及格和不及格。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。 指导教师：杨晓红 花广如 杨化动方案设计1、 功能分解：由任务书，知机械手需完成动作为:机械手将潜水泵拿起，在空中沿运输线方向旋转90，由人工将高压空气管接头与潜水泵连接好

6、，并通入高压空气，然后机械手将潜水泵按图1所示方向放入水槽中，观察两分钟，确认有无漏气现象后，在将潜水泵拿出水槽，拆去高压空气管接头，并按原位置将潜水泵放回到运输线上。管接头的装拆应在运输线上方进行，装拆过程各需2分钟之内完成，运输线每隔5分钟向前运送一个潜水泵抓取重量70kgf手腕运动参数回转运动，回转角90，液压驱动 PLC控制手臂运动参数水平移动，最大可移动1米，液压驱动 PLC控制机身运动参数上下移动，最大可移动1米，液压驱动 PLC控制自由度3个（2个移动，1个回转）定位精度10mm控制方式电器控制（PLC）驱动方式液压 kgf/cm则有，总功能为：机械手夹取泵，移动回转，实现位移。

7、（3个自由度）分解功能为：1、 动力源2、 驱动方式3、 执行装置（抓，移，转）4、 控制装置列形态学矩阵，确定选择方案为：动力源：液压泵，驱动：液压缸执行，抓：活塞液压缸 转：单叶片回转缸 移：活塞液压缸控制：PLC控制2、 运动设计：由任务书，可知：机械手执行的动作有：1、抓取，2、移动，3、手腕转90度，4、等待人工插管20s，5、将泵放入水中，6、等120s，7、返回，8、转回，9、移动，10、松这些动作均是在垂直于运输带的平面进行的，小组讨论出2个执行动作方案：1、 横向夹取，水平和竖直位移，X轴方向旋转 (直角坐标)2、 横向夹取，伸缩和绕点转动，x轴方向旋转 (圆柱坐标)最终选取

8、方案为方案2.3、 方案介绍：X位为机械手的初位，启动，缸1伸（横向为缸1，竖直为缸2），至A位，手部夹取泵体（5s实现），缸1缩，至B位，腕部实现旋转，（等待20S）缸2缩，手臂转动，至C位缸1伸，至D位，等待120s观察，然后原路返回。手部结构设计一、手部结构总体方案潜水泵试压机械手夹持的是潜水泵的侧圆柱面，夹持方式是外抓。经过讨论，我们组决定采用手指式手部结构，两指外抓泵圆柱面，示意图如下： 二、手指类型的确定 手指式手部对于抓取各种形状的工件具有较大的适应性，其中采用两指式为最多。考虑到潜水泵质量为70KG，我们决定采用双支点回转型手指，示意图如下： 手部结构完整示意图如下： 三、手部

9、结构计算 1、设计时应注意的问题 (1)手指需有足够的夹紧力。 (2)手指应有一定的开闭角度范围，其大小要满足工件尺寸变化的需要。 (3)应能保证工件的准确定位。 (4)结构尽量紧凑、减轻重量，以利于臂部设计。2、手指夹紧力的的计算手指对工件的夹紧力可按下式计算： kgf式中K1安全系数，通常取1.22K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按K2=1+0.1a估算。a为机械手在搬运工件过程的加速度，ms2 K3方位系数G被抓取工件的重量，kg 安全系数K1取1.6 加速度a由其他组员计算，取a=0.1m/s2 工作情况系数K2=1+0.1a=1.01m/s2 方位系数K3由下表： 方位系数

10、K3粗略取为4 工件重量G=70KG 由以上参数数值，=1.6*（1+0.1a）*4*70=4524.8N，取夹紧力N=5000N3、手部驱动力计算 由上述手部结构，驱动力公式如下： 由图中公式，取一下参数：b=140mm，c=50mm，=45度，=10度则驱动力P=4197.1N四、手部夹紧液压缸的设计手部采用液压方式提供驱动力，行程较短，故选用通用型液压缸中的拉杆型单作用液压缸，其结构较简单，零部件标准化，制造安装都很方便。选取缸体材料为铝合金。以下是缸体数据计算：1、缸体内径D液压缸的缸体内径D是根据负载的大小来确定工作压力或往返运动速度比，求得液压缸的有效工作面积，从而得到缸体内径D，

11、再从GB/2348-1993液压气动系统及元件缸内活塞及活塞杆外径中选取相近的标准值作为所设计的缸体内径。本组方案中，我们经过讨论，以无杆腔作为工作腔，则D=（4*F/（*p）0.5，其中：F为最大作用负载，即为前述驱动力P，F=P=4197.1N；p为初选的工作压力，值为4MPa则根据公式，缸体内径D=36.55mm，圆整后取D=40mm，此时的工作压力p=4*F/（*D2）=3.34MPa2、 最小导向长度 当活塞全部外伸时，从活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度H。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此，设计时必须保证有一

12、最小导向长度。对于一般液压缸，其最小导向长度应满足下式：HL/20+D/2=21.25mm3、 活塞杆外径d由经验公式，d=(1/31/5)*D=813.3（mm），圆整后d=10mm 4、液压缸长度L缸筒长度L由最大工作行程加上各种结构需要来确定，即 L=l+B+A+M+C 式中 l活塞的最大工作行程，取为25mm B活塞的宽度，一般为（0.61）D A活塞杆导向长度，取（0.61）D M活塞杆密封长度，由密封方式决定 C其他长度 由上式可得，长度L=73125（mm），取L=100mm5、液压缸壁厚 初选液压缸壁为厚壁，则D/10，则壁厚应满足： 0.5*D*（(+0.4*pt)/(-1.

13、3*pt)-1）0.5） 缸筒的试验压力（最高工作压力）pt=1.5*pn, =b/n,n为安全系数，一般取为5， 铝合金拉伸强度极限b=412MPa 由上述数据，得壁厚3.1mm，取=5mm，则缸体外径D1=50mm 6、活塞杆的强度校核末端执行器的重量约为：10Kg。 工件重量为：70Kg。由静力平衡方MB=0 R1LAB QLBC=0MA=0 R2LAB QLAC=0求得支反力为： R1=292NR2=628.93N 以A点为坐标原点，得剪力图和弯矩图如下：由材料力学附表5查得活塞杆=140MPa, =240MPa.则在B处横截面上的剪应力为：B= R2/A= 安全。在B处的弯应力为：B

14、= MB/A= 安全。 7、密封 由于本液压缸属于低压系统，活塞杆与缸筒之间采用间隙密封 方式进行密封。 8、缸盖和缸筒的结构 缸盖和缸筒的结构如下图： 缸盖 缸筒 腕部结构设计一手腕结构设计手腕设计时应注意的问题（1） 结构紧凑以减轻重量（2） 转动的灵活性及密封（3） 考虑通向手部油路的配置1. 手腕的自由度手腕是连接手部和臂部的部件，它的作用是改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手能完成相应的动作。考虑到工件的放置位置，定位精度和通用性，给手腕设一个绕回转轴转动的回转运动可满足工作的要求，目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油缸，因此我们选用回转液压缸。它的结构紧凑，

15、回转角能满足正反转90度要求，并要求有严格的密封。2. 手腕的驱动力矩的计算公式（1） 手腕转动时所需的驱动力矩驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合产生的偏重力矩 示意图如下M驱=M惯+M偏+M摩+M封式中:M驱驱动手腕转动的驱动力矩M惯惯性力矩M偏参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩M摩手腕转动处在轴颈处的摩擦阻力矩M封手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩二回转缸部分的参数确定下面对

16、各阻力矩分别进行计算1. 手腕加速时所产生的惯性力矩M惯若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角度为w，起动过程所用的时间为t则 M惯=(J+J1)w/t（N.mm）其中J为参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量J1为工件对手腕转动轴线的转动惯量又工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1为J1=Jc+G1/g .e1式中，Jc工件对过重心轴线的转动惯量G1工件的重量e1工件的重心到转动轴线的偏心距W手腕转动时的角速度t起动过程所需的时间代入数据进行计算J1=Jc+G1/g .e1 =1/12m（3r+h）+7028 =1/1270(380+350)+7028 =881463kg.mm把手部、

17、转轴及回转油缸的回转等效为一个高400mm，直径150mm的圆柱体的回转，其所受重力为300N，则有手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量J=1/2mR=1/23075=1125kg.mm取手腕回转速度为3.5rad/s，取起动时间为t=0.25SM惯=(J+J1)w/t=（881463+1125）3.5/0.25进行单位换算后M惯=12.36kg.m2. 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏M偏=G1e1+G3e3式中：G3手腕转动件的重量e3手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距当动片偏心的影响可以忽略不计时，G3e3=0则M偏=G1e1+G3e3 =709.80.028 =19

18、.2kg.m3. 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M摩M摩=f/2（Rad2+Rbd1）式中，d1，d2转动轴的轴颈直径f摩擦系数，对于滚动轴承f=0.01Ra，Rb轴承处的支承反力，可按手腕转动轴的受力分析求解。Ma（F）=0，得Rbl+G3l3=G2l2G1lRb=(G2l2G1l-G3l3）/l其中l1=340mml2=255mml3=60mmL=121mmG2=200NG3=300N所以Rb=(G2l2G1l1-G3l3）/l =2239.7N同理，由Mb（F）=0，得： Ra=G1l1+l）+G2（l+l2）+G3l-l3/l =3339N所以，M摩=f/2（Rad2+Rbd1） =1

19、.64kg.m4. 转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，可简化为M封=0.15M驱式 M驱=M惯+M偏+M摩+M封变为0.85M驱=1.64+12.36+19.2M驱=39.1N.m5. 回转缸的内径计算 回转缸工作时所产生的实际驱动力矩为M=Pb（R-r）/2取动片宽度为30mm，轴径为40mm，则轴半径为20mm，油液压力P=2.4MPa又MM驱则Pb（R-r）/239.1R40mm内径取100mm6. 回转缸的外径计算根据油缸的工作要求D/3.233mm取=35mm所以D1=D+2=100+235=170mm7. 进出油口的定位初步拟定在

20、缸体的中心面偏移固定缸体与动片的螺钉中心角度为15度的两外侧打两圆孔供油。三手腕部分其他零部件的设计与选取 手臂结构设计选用标准YHG型标准液压缸1、 缸1设计。驱动力：根据公式 试中 各支承处的摩擦力 启动时惯性力 运动部件的总重量 所以液压缸内径D：则计算得D=49.47mm，取D=50mm。选取YGH标准液压缸D=50mm，杆径d=36mm。其参数如下：速比=2，推力P1=3140N，拉力P2=1510N,kk=M27X2，A=36，MXT=M18X1.5，B=55, BA=30,C1=50，C2=75，1=63.5，2=90，VF=24，WF=38，XF=86，ZJ=205，X=8，L

21、1=18，L2=61，L3=12，n1-M1=8-M6，n2-M2=6-8M，重量6.76kg,每10mm增加重量0.174kg。校核：在校核尺寸时，只需校核液压缸内径=50mm,半径R=31.25mm的液压缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强,则驱动力： 测定手和腕质量为75+50=125kg,设计加速度，则惯性力： 考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数, 总受力 所以标准液压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。2、 缸2设计：驱动力：根据公式 试中 各支承处的摩擦力 启动时惯性力 运动部件的总重量 所以液压缸内径D：则计算得D=61.819mm，取D=63mm。选取YGH标准液压缸D=63mm，杆径d=45mm。其参数如下：速比=2，推力P1=4980N，拉力P2=2440N,kk=M33X2，A=45，MXT=M27X1.5，B=70, BA=38,C1=60，C2=90，1=76，2=108，VF=29，WF=45，XF=79