液压搬运机械手的设计说明

1、 .PAGE42 / NUMPAGES48毕业设计题 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，小手臂伸缩以与大、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与液压元件的选用与设计过程。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ABSTRACTHydraulic carrying manipulator is designed for a deep hole boring machine loading and unloading, reprogrammable, multifunctional equipment. It can replace human heavy labor to achieve the me

3、chanization 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 hydrauli

4、c 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, calcu

5、lated 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 descripted

6、 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.Keywords：Manipulator;

7、Hydraulic system; Handling agencies目 录摘要. = 1 * ROMAN IABSTRACT. = 2 * ROMAN II1 前言 .11.1液压搬运机械手发展方向.11.2液压搬运机械手设计目的.11.3 液压搬运机械手设计任务.21.3.1 设计方案.21.3.2设计要求.22液压搬运机械手的机构设计.42.1 液压搬运机械手运动简图.42.2液压搬运机械手手部结构设计与计算.42.2.1“滑槽杠杆式”手部结构的设计与计算.52.2.2手指夹紧力计算.62.2.3手指夹紧缸驱动力计算.72.2.4手指夹紧液压缸的计算.72.2.5液压缸缸盖联接方式与强度

8、计算.92.3液压搬运机械手横移腕部结构设计与计算.112.3.1腕部横移液压缸驱动力计算.112.3.2腕部液压缸的计算.132.3.3液压缸缸盖联接方式与强度计算.152.4液压搬运机械手小臂伸缩缸设计与计算.152.4.1小臂伸缩液压缸驱动力计算.162.4.2小臂伸缩液压缸的计算.182.4.3液压缸缸盖联接方式与强度计算.192.5液压搬运机械手小臂俯仰液压缸设计与计算.202.5.1小臂俯仰液压缸驱动力矩计算.202.5.2小臂俯仰液压缸驱动力的计算.212.5.3小臂俯仰液压缸的计算.222.5.4液压缸缸盖联接方式与强度计算.232.6液压搬运机械手大臂俯仰液压缸设计与计算.2

9、32.6.1大臂俯仰液压缸驱动力矩计算.232.6.2大臂俯仰液压缸驱动力的计算.252.6.3大臂俯仰液压缸的计算.252.6.4液压缸缸盖联接方式与强度计算.263液压驱动系统设计.273.1液压驱动系统传动方案的确定.273.2计算和选择液压元件.283.2.1液压泵与电动机的选择.283.2.2油箱容积的计算.293.2.3液压元件的选定.304电气控制系统简介.325 结论.34参考文献.35致.37附录.381前言1.1液压搬运机械手发展方向机械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

10、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。无论从国际或国的角度来看，复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

11、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、计算机控制技术以与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，对机械手控制与运动

12、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，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

13、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；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，手臂回转以与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

14、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，

15、而且需要对手指夹紧，手臂伸缩以与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

16、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；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/； 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

17、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与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）

18、、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）根据销轴的平衡条件，即得；得(2-1)由点力矩平衡条件得(2-2)(2-3)其中，手指的回转支点到对称中心线的距离工件夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间

19、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与滑槽尺寸增大，因此=。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与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)式中安全系数，通常取=工作情况系数，主要考虑惯性力影响。可按下式近似估算 (2-5)其中运载工件时重力方向最大上升加速度重力加速度，(2-6)式中运载工件时重力方向最大上升速度系统达到最高速度的时间，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工件重力（N）

20、由2-4式计算手指夹紧力N选定安全系数=1.6由设计要求可估算，运载工件时重力方向最大上升速度，到达的时间可由设计要求推算为 (2-7)则，取故 工况系数由1表2-2查的=0.5（手指水平放置夹水平放置圆棒）综上所述，知=1.6，=1.046，=0.5且估算工件重力手指夹紧力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)选定图2.3中的结构参数,b,如下=100mm，b=200mm,=计算液压缸驱动力(2-9)手抓的机械效率一般取，故取(2-10)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

21、的拉力为(2-11)选取活塞杆直径d=0.5D，压力油工作压力根据液压缸径系列（GB/T2348-1993）选取液压缸径为，则活塞杆直径为液压缸壁厚计算，在实际使用中有下列三种公式：（1）中等壁厚：即163.2时 (2-12)式中 p液压缸工作压力强度系数（当为无缝钢管时）计入管壁公差与侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值液压缸径（m）（2）薄壁：即16时(2-13)（3）厚壁：即当3.2时(2-14)式中 材料抗拉强度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=100110MPa选用缸体材料为锻钢=110120MPa，中等壁厚，则手指

22、夹紧缸壁厚计算如下：由1068-67查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和GB/T2349-1980选用活塞杆行程=50mm。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(2-15)式中 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 D危险剖面直径(m)螺钉的强度条件为 (2-16)式中计算载荷（N）;=1.3工作载荷（N）且=F液压缸驱动力 Z螺钉或螺栓个数 n=1.22.5抗拉许用应力(MPa)螺纹径

23、螺钉材料屈服极限（见表2.1）表2.1常用螺钉材料的屈服极限钢 号 10 Q215 Q235 35 45 40Cr（MPa) 210 220 240 320 360650900根据上表，螺栓或螺钉材料选用Q235，则取螺栓或螺钉个数Z=4，n=2故 工作载荷=，所以由2-16式计算螺钉或螺栓直径如下(2-17)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）。2.3 液压搬运机械手横移腕部结构设计与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一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作

24、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、回油背压与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)式中摩擦阻力密封装置处的摩擦阻力液压缸回油腔低压油液所造成的阻力启动或者制动时，活塞杆所受的平均惯性（1）的计算由的计算公式进行计算(2-19)其中参加运动的零部件重力（含工件）（N）运动部件之间的摩擦系数，钢对铸铁的摩擦系数一般

25、取根据2-19式，估算=2500 N，另取摩擦系数=0.28，则 N（2）的计算此缸采用“o”型密封圈进行密封，且工作压力MPa，d=0.5D，由图2.6知液压缸密封处总的摩擦力为（3）的计算一般背压阻力较小，可按=0.05F（4）的计算(2-20)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，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 N根据（1）、（2）、（3）、（4）所分析，结合2-18式得：驱动力F得0.92F=95

26、5 N N2.3.2腕部液压缸的计算图2.7 双作用液压缸示意图（1）腕部横移液压缸径的计算当油进入无杆腔时：当油进入有杆腔时：液压缸的有效面积：故有： （无杆腔） (2-21) （有杆腔） (2-22)式中 F 驱动力（N）液压缸的工作压力（pa）活塞杆的直径（m）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。代入已求得的F=1038 N, 则无杆腔算得的液压缸径D=16 mm，有杆腔算得的液压缸径为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 MPa，所以d=16 mm（2）腕部横移液压缸壁厚与外

27、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时式中 p液压缸工作压力强度系数（当为无缝钢管时）计入管壁公差与侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值液压缸径（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：由1068-67查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和GB/T2349-1980选用活塞杆行程=80mm。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Z=4，MPa。故 由2-16式计算螺钉或螺栓直径

28、如下：工作载荷（N）且=F液压缸驱动力将驱动力 N带入上式求得 mm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与计算臂部运动的目的是把手部送到空间运动围的任意一点。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、工作围、灵活性以与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

29、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、回油背压与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)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，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力密封装置处的摩擦阻力液压缸回油腔低压油液所造成的阻力启动或者制动时，活塞杆所受的平均惯性零部件与工件所受总重力（1）的计算由摩擦阻力的计算公式进行计算(

30、2-24)其中摩擦系数，取=0.18如图2.8，导向杆与导向套筒间的摩擦阻力。为保证小臂伸缩液压缸不产生卡死现象，则。取=500 N根据2-24式，计算的为 N（2）的计算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(2-25)又其中F驱动力式中工作压力，取5 MPa摩擦阻力，（取）伸缩油管直径（m）密封有效长度（m）根据设计要求，取d=0.04m， =0.00265 N（3）的计算一般背压阻力较小，可按=0.05F（4）的计算(2-26)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

31、的变化量,取=0.2 m/s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，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 N根据以上（1）、（2）、（3）、（4）所分析，结合2-23式得：驱动力 N取液压缸机械效率，则 驱动力 N2.4.2小臂伸缩液压缸的计算（1）小臂伸缩液压缸径的计算根据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, 则由得 mm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=20 mm（2）小臂伸

32、缩液压缸壁厚与外径的计算：小臂伸缩液压缸设计成中等壁厚，中等壁厚：即163.2时式中 p液压缸工作压力强度系数（当为无缝钢管时）计入管壁公差与侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值液压缸径（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：由1068-67查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和GB/T2349-1980选用活塞杆行程=800mm。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Z=4，MPa。故 由2-1

33、6式计算螺钉或螺栓直径如下：工作载荷（N）且=液压缸驱动力将驱动力 N带入上式求得 mm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与计算液压搬运机械手小臂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与各回转副处摩擦力矩，即(2-27)式中铰接处的摩擦力矩，采用滚动轴承时=0手臂等部件重量对回转轴线（

34、转动点A）的偏重力矩（NM）手臂做俯仰运动时启动的惯性力矩(2-28)式中工件对手臂回转轴线的转动惯量（）手臂回转部件对手臂回转轴线转动惯量（）手臂回转过程的角速度起动过程中所需的时间（s），一般取故由设计要求，取 s 则由图2.9模型可计算根据2-27式，计算得2.5.2小臂俯仰液压缸驱动力的计算根据图2.9知， N2.5.3小臂俯仰液压缸的计算（1）小臂俯仰液压缸径的计算根据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, 则由得 mm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

35、=50 mm（2）小臂俯仰液压缸壁厚与外径的计算：小臂俯仰液压缸设计成中等壁厚，中等壁厚：即163.2时式中 p液压缸工作压力强度系数（当为无缝钢管时）计入管壁公差与侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值液压缸径（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：由1068-67查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和GB/T2349-1980选用活塞杆行程=1000mm。2.5.4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，取螺栓或螺钉个数Z

36、=6，MPa。故 由2-16式计算螺钉或螺栓直径如下：工作载荷（N）且=液压缸驱动力将驱动力 N带入上式求得 mm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与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与各回转副处摩擦力矩，即(2-29)式中铰接处的摩擦力矩，采用滚

37、动轴承时0手臂等部件重量对回转轴线的偏重力矩（NM）手臂做俯仰运动时启动的惯性力矩(2-30)式中工件对手臂回转轴线的转动惯量（）手臂回转部件对手臂回转轴线转动惯量（）手臂回转过程的角速度起动过程中所需的时间（s），一般取故由设计要求，取 s 则由图2.10模型可计算根据2-29式，计算得2.6.2大臂俯仰液压缸驱动力的计算根据下图大臂俯仰液压缸受力简图图2.11 大臂俯仰液压缸受力简图知， N2.6.3大臂俯仰液压缸的计算（1）大臂俯仰液压缸径的计算根据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, 则由得 mm故由GB/T 2348-1993

38、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与外径的计算：大臂俯仰液压缸设计成中等壁厚，中等壁厚：即163.2时式中 p液压缸工作压力强度系数（当为无缝钢管时）计入管壁公差与侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值液压缸径（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：由1068-67查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和GB/T2349-1980选用活塞杆行程=400mm。2.6.4液压缸缸盖联接方式

39、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Z=6，MPa。故 由2-16式计算螺钉或螺栓直径如下：工作载荷（N）且=液压缸驱动力将驱动力 N带入上式求得 mm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

40、，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与手腕的横移运动。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

41、移、手臂伸缩以与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：在确封性的

42、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

43、压缸、小臂俯仰液压缸以与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液压泵与电动机的选择（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0.6m，则小臂俯仰缸最大伸缩速度 活塞腔无杆腔面积A为小臂俯仰缸最大流量为根据以上计算结果，选用外啮合齿轮泵CB-32，其技术参数为额定流量 ml/r,额定压力 MPa，转速n=1450 r/min，容积效率液压泵的流量校核： L/min可满足要求。（2）电机的选取(3-1)式中液压系统供油压力，取5 MPa液压泵流量液压驱动系统效率，取0.9 KW根据以上的计算，选定4 KW，的异步电动机，型号Y

44、112M-23.2.2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)式中液压泵额定流量与系统压力有关的经验数字，中压系统（ MPa）可取=57液压油箱有效容积故取=5，= L3.2.3 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400X6008002空气滤清器EF2-323吸油滤油器WU-2580-J5MPa4液位计YWZ-200T5电动机Y112M-24K

45、W 1450rad/min6齿式弹性联轴器NL3YA28607外啮合齿轮泵GP1D2.9ZNA4.0MPa8压力表Y63-4025MPa9溢流阀DB105MPa 10mm10电磁换向阀WE6-6X31.5MPa 6mm11电磁换向阀WE6-6X31.5MPa 6mm12电磁换向阀WE6-6X31.5MPa 6mm13电磁换向阀WE6-6X31.5MPa 6mm14电磁换向阀WE6-6X31.5MPa 6mm15单向阀RVP631.5MPa 6mm16叠加式双单向节流阀Z2FS635MPa 6mm17叠加式双单向节流阀Z2FS635MPa 6mm18叠加式液控单向阀Z2S631.5MPa 360

46、L/Min19叠加式液控单向阀Z2S631.5MPa 360L/Min20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，以与各个动作的时间，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

47、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，活动部件的部摩擦，伺服阀的漂移、滞后以与伺服放大器的漂移，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

48、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。液压搬运机械手的运动控制方式有点位控制和连续控制两种。点位控制方式就是由点到点的控制方式，只对液压搬运机械手的运动部件（手腕、手臂）所应到达空间点的定位进行控制，而对两个定位点之间的运动轨迹则不加控制。这种控制方式的特点是可达到较高的重复定位精度。点位控制又分为两点控制和多点控制两种。由于液压搬运机械手抓取和放置工件的位置都是准确而固定的，属于上下料专用机械手，因此可由挡块，行程开关等来定位，采用起点

49、和终点的“两点控制方式”。液压搬运机械手主要由执行机构、液压驱动系统、电气控制系统以与位移检测装置组成。液压搬运机械手的手臂上下仰俯，小臂伸缩，手腕左右横移，手指的开闭动作，以与各个动作的时间，都是由控制系统按照预先制定好的程序进行指挥和操纵。通过电气控制系统来控制如图3.1中的液压系统的电磁换向阀，使液压搬运机械手按以下顺序动作：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

50、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）。根据图3.1中的液压驱动系统原理图，结合液压搬运机械手的动作顺序（液压搬运机械手的动作执行元件是液压驱动系统的电磁换向阀10、11、12、13和14），液压搬运机械手动作时液压系统各执行元件的动作见下表。表中“+”号表示电磁阀的电磁铁线圈通电，“-”号表示电磁阀的电磁铁线圈断电。表中动作与所需时间项目栏的括号的时间，指液压驱动系统完成机械手某一动作所需的时间。表4.1 液压系统动作循环与电磁铁动作顺序表动作循环手指夹紧手腕横移小臂伸缩小臂俯仰大臂俯仰夹紧YA1松开YA2向左Y

51、A3向右YA4伸出YA5缩回YA6上摆YA7下摆YA8上摆YA9下摆YA10原始位置-+-+-+-卸料动作手指夹紧（60）+-+-+-手腕横移向左（15）+-+-+-+-小臂上摆（40）+-+-+-+-+-大臂下摆（40）+-+-+-+-+手指松开（25）-+-+-+-+小臂缩回（20）-+-+-+料架转位（45）-+-+-+装料动作小臂伸出（20）-+-+-+-+手指夹紧（60）+-+-+-+-+大臂上摆（50）+-+-+-+-+-小臂下摆（30）+-+-+-+-手腕横移向右（15）+-+-+-手指松开（25）-+-+-+-5 结 论在当今的工业生产中，液压搬运机械手被广泛的应用于各个行业。

52、本文是对深孔镗床的上下料机械手的设计，为了完成设计需要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，手臂回转以与手臂俯仰等动作进行分析、计算，最终确定其尺寸。除此以外还对上下料液压搬运机械手的液压驱动系统和电气控制系统进行了一些原理性的设计。液压搬运机械手的设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一次综合设计，此次设计重点在于液压搬运机械手的整机和零部件的设计，通过本次对液压搬运机械手的设计可总结出以下几点：（1）通过液压搬运机械手的设计，可以把在过去的学习中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

53、械手设计也为今后走上工作岗位从事专业设计打下了基础。（2）通过本次设计，培养了自己独立的机械整机设计的能力，树立了正确的设计思想，掌握了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，基本可以熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图册和规；熟悉有关的国家标准和部颁标准。在设计初期，遇到了很多的困难，比如对上下料机械手的结构不熟悉，运动过程不了解，也有对以前所学知识的部分遗忘，因此不知道从哪里开始设计，后来通过查阅参考文献并且在老师、同学的帮助下，逐步熟悉了上下料液压搬运机械手的原理，对其结构、运动过程也有了更深的认识，因此能够基本完成本次设计。但是由于自己的

54、能力有限，设计中还存在很多不完善的地方需要改进。同时通过这次设计，也发现了自身的知识理论体系还需要提高，对已学的知识遗忘较多，在今后的学习工作中我将会更好的完善自己的知识体系，争取成为一名合格的设计人员。参 考 文 献1 可森,艾长胜,侯志坚.数镗铣加控工中心自动换刀系统中的机-液机械手J. HYPERLINK :/ t _blank 机床与液压,2003,31(3):216-2172 允文.工业机械手设计M.：机械工业，19943 徐世许.可编程序控制器M.: 中国科学技术大学，20014 大学工业机械手设计基础编写组.工业机械手设计基础M.：科学技术，19805 东辉,金长虹. 基于液压与

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60、ntent/?Author=A.+Rojas+Salgado o View content where Author is A. Rojas Salgado A.Rojas Salgado, HYPERLINK :/ springerlink /content/?Author=Y.+Ledezma+Rubio o View content where Author is Y. Ledezma Rubio Y.Ledezma Rubio. HYPERLINK :/ springerlink /content/978-1-4020-8599-4/ o Link to the Book of thi