搬运机械手的设计

ⅡPAGE1毕业论文搬运机械手的设计学院：机械工程学院专业：数控技术学生姓名：冯强学号：110201326指导教师：陈雪莉2014年5月摘要PAGEI-Ⅰ-摘要在当代社会,科学技术日新月异，工业生产的机械化和智能化水平越来越高。机械手的诞生和发展极大地促进了社会生产力的进步，促进了人类社会的发展。而人类社会的进步和发展又进一步推动了机械手在生产和生活中的运用。当代社会,机械手的应用越来越广泛,在生活中和生产中的影响越来越大。工人劳动由机械手代替,这极大地解放了生产力,也极大地解放了一线工人。随着技术的进步和成熟,当代工业机械手更好地融入了液压电气等技术。随着科学技术的不断提高,工人对工作环境提出更高的要求，机械手更多的应用于生产。特别在恶劣环境下的生产和重复的机械式生产方面，机械手应用广泛。机械手的应用和发展极大地提高了生产效率和一线工人的工作环境质量。在本课题中,根据任务书的要求,做一个工业搬运机械手。我选用了液压驱动,并用液压进行控制。因为此种方法在技术上较为成熟，并且在工业领域液压应用极为广泛。它有技术成熟,效率高,占地面积小等等的优势。在全文中,对机械手的设计计算特别是液压元件的计算和选用作了较大篇幅的介绍。也大幅面的介绍了根据本课题的要求所设计的机械手的机械部分和液压部分，最后还对接械手的发展做了一些探讨。关键字：搬运机械手，液压驱动，液压控制Abstract-Ⅱ-AbstractIncontemporarysociety,scienceandtechnology,industrialproduction,mechanizationlevelofintelligenceisgettinghigherandhigher.Thebirthanddevelopmentoftherobothasgreatlypromotedthedevelopmentofsocialproductivityconcepttopromotetheprogressofhumansociety.Theprogressanddevelopmentofhumansocietytofurtherpromotetheuseoftherobotinproductionandlife.Contemporarysociety,robotandmorewidely,increasinginfluenceinthelifeandproduction.Robotworkerslabortoreplace,andgreatlyliberatingtheproductiveforces,butalsototheliberationofthefront-lineworkers.Astechnologyadvancesandmature,contemporaryindustrialrobottobetterintegrateintothehydraulic,electricandothertechnology.Withthecontinuousimprovementofscienceandtechnology,andsocialworkenvironmentofthepeopleputforwardhigherrequirements.Therobotusedintheproduction.Productioninharshenvironments,andrepeatedmechanicalproduction.Theuseanddevelopmentoftherobotgreatlyimprovesproductionefficiencytosaveintotheworkenvironmenttoimprovefront-lineworkers.Inthisissue,accordingtotherequirementsofthemissionstatementtodoanindustrialhandlingrobot.Ichosetouseahydraulicdriveandhydrauliccontrol.Thismethodistechnicallymoremature.Andhydraulicapplicationsintheindustrialfieldisextremelybroad.Ithasamaturetechnology,highefficiency,smallfootprintadvantages.Infull-text,designandcalculationoftherobot,especiallythecalculationandselectionofhydrauliccomponentsmade​​oftheintroductionofgreaterlength.Alsolarge-formatintroductionofmachinerypartsandhydraulicpartsoftherobotisdesignedinaccordancewiththerequirementsofthesubject,dosomeresearchandfinallydockingthedevelopmentofthemechanicalhand.KeyWords:manipulator,thehydraulicpressuredrive,Hydrauliccontrol目录-Ⅲ-目录摘要 IAbstract（英文摘要）………………Ⅱ目录……………… Ⅲ第一章绪论 11.1机械手的概述 11.1.1国外机械手的状况简介 11.1.2中国机械手的发展状况介绍 21.1.3机械手分类方式及其种类 21.2工业机械手的应用 31.3设计问题的提出 3第二章机械手总体设计方案 42.1工业机械手的各部分组成及其关系简述 42.2工业机械手设计的具体分析 42.2.1本次任务设计要求 42.2.2搬运机械手总体设计任务分析 42.2.3总体方案拟定 6第三章机械手结构的设计分析 73.1机械手的末端操作器（即抓取部分）的设计 73.2腕部设计分析 73.3手臂部分的的设计 73.4机械手的机身和机座的设计 7第四章对机械手各部件载荷的计算 74.1设计要求分析 84.2手指的夹紧机构 84.3机械手伸缩机构载荷计算 94.4机械手臂的俯仰机构的运动载荷 104.5机械手腕部所售载荷的计算 114.6机身摆动机构力矩计算分析 114.7系统工作压力的选定 12第5章机械手各部件结构尺寸计算校核 135.1机械手手指夹紧机构结构尺寸的确定 135.2确定机械手臂伸缩机构尺寸 155.3手臂俯仰机构结构的尺寸 15-Ⅳ-5.4腕部摆动机构确定 155.5计算确定机身摆动机构 165.5强度校核 165.6活塞杆的弯曲稳定性校核 175.7计算确定机身摆动机构 18第6章设计液压系统 196.1确定液压马达液压缸需流量 196.2液压马达工作时的流量 206.3液压马达和液压缸的主要零件技术要求和材料结构 206.3.1缸体 206.3.2活塞 206.3.3缸盖的要求 206.3.4活塞杆 216.3.5液压缸的缓冲装置 216.3.6液压缸排气装置 216.4制定基本方案 226.5选择液压元件 226.5.1选择液压泵 226.5.2液压泵所需电机功率的确定 246.5.3液压阀的选择 246.5.4液压辅助元件的选择原则 246.5.5液箱油量的确定 276.5.6液压原理图 27结论 30参考文献 31致谢 32附录 33第一章绪论PAGE8第一章绪论1.1机械手的概述1.1.1国外机械手的状况简介机械手，它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，机械手得到了长足的进步。随着1946年电脑的出现，人类历史发生了惊天动地的变化。计算机大大促进了科技的进步，计算机的进步为其他的学科科技的发展带来了无限的力。这也为机器人的发展带来了很好的契机，由于计算机的优点，使机器人得到了前所未有的大发展。计算机的可操控性好，计算速度快等等的优点都为机器人的发展带来了极大的动力。计算机价格的迅速降低也带动了机器人的价格有所降低。计算机的普及也在一定程度上促进了机器人的普及。另外，核能技术等的研究也要求某些可操作的机器人代替人来处理会对人体产生伤害的物质。在这些成熟的社会和科技条件下，1947年美国诞生了遥控机械手，机械式主从机械手也于1948年研制成功了。机械手首先是从美国开始研制的。在1954年的时候，世界机器人工业领域发生了一件大事。美国的戴沃尔先生在那年申请了关于机器人的一个专利。这项专利是关于工业机器人的一个概念。这项专利主要是关于示教再现机器人的一个专利，也就是通过伺服技术来掌握机器人的关节活动。通过人的手来控制机器人，现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手铆接机器人。最早的实用机型（示教再现）机器人产品是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成，它们可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害的环境下运作以保护人的安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。1958年美国联合控制公司研制出的第一台机械手的结构包括机体上安装的一个回转长臂，顶部安装的电磁块工件抓放机构和示教控制系统。美国联合控制公司在1962年又在上述方案的基础上试制了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大基础上发展起来的。同时该公司还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。在1962年在美国诞生的Vewrsatran机械手也是示教再现性机械手。它是采用液压进行驱动控制的，能够实现回转和升降的动作。在1978年美国Unimate公司和麻省理工，斯坦福大学一起研制了一种新型的机械手。这种新型的机械手采用了微电子进行控制。在实验过程中发现它的定位精度相当的精确。这是机器人领域的一次很大进步。在美国之外的其他国家，机器人工业也在迅猛发展，比较有代表性的有：前苏联，日本和西德。其中，前苏联主要发展了第一代的工业机器人，它们是由人进行控制的。前苏联对第二代机器人的研究也取得了较大的进步。到达1975年的时候，他们国家使用的工业机器人已经能够实现一半的国产化。日本凭借着它在高科技领域的优势地位，在机器人领域是全球领先的，他们研制的机器人先进并且应用广泛。德国历来在机械领域全球领先，在机械手、机器人领域自然是全球领先，他们国家的机器人相当的先进，他们在机器人领域经验丰富。目前，第二代机器人已经有了一定的触觉和视觉能力。而第三代机器人将是智能化大大提高的机器人。在最新一代的机器人研究领域，西方发达国家拥有资金人才科技领域的巨大优势。他们在机器人领域引领着世界的潮流。1.1.2中国机械手的发展状况介绍在中国国内，机械手经过近些年的市场培养,其作用和优势已基本得到客户的认可。随着我国劳动环境的提高和改善,社会经济的发展，使企业的生产成本不断提高。机械手因其节省人力,节省时间,明显降低成本而得到广泛应用。机械手工业在国内的发展越来越快。

在国内市场上机械手品牌众多,有历史悠久,实力雄厚的欧美日企业,这些公司技术力量雄厚,有相当的品牌效应,因而在高端市场份额较大。国产机械手最近也有了很大的进步，但由于国内机械手企业起步较晚，目前与欧美日等知名品牌比还有一定的差距。由于中国正处于经济转型时期，工业机械手的市场会越来越大。相信机械手的普及应用一定会更好的推动我国经社会的快速发展，促进我国的产业升级。1.1.3机械手分类方式及其种类机械手的种类繁多，根据运动轨迹控制方式的不同，有连续轨迹控制机械手、点位控制机械手等。按工作要求不同，分为电动式、气动式、机械式、液压式等几种。根据使用的范围的不同也可也分为通用机械手和专用机械手。机械手通常不是独立的，它是附加于其他装置之上的。比如说，在生产线上的某一部位移动货物，在加工中心对刀的位置进行变换等等。在某些特殊的领域需要我们对机械手进行直接的控制，他不依靠机械手的特定程序进行固定的操作，这类机械手往往造价更高。（1）按驱动方式分：液压式：操作力大，体积小，动作平稳；其缺点是漏油，会影响系统的工作性能，油的黏度对温度的变化敏感。气动式机械手：气源方便，维护简单，便于获得高速度；缺点是操作力较小，体积大，由于空气可压缩能力大，所以控制较为困难，动作不平稳，存在滞后现象。电动式机械手：动力源方便，操作力较大；其缺点是需要设计减速机构，结构复杂，或用特殊电机驱动。机械式：一般借助主动力源，通过凸轮，连杆机构等完成事先规定的动作。优点是动作可靠；缺点是变换程序较为困难。（2）按使用范围分专用机械手：一般指附属于某一设备，程序固定的简单机械手。通用性机械手：一般指动作程序可变的，具有独立控制的机械手。（3）按照运动轨迹分点位控制：只要求准确控制手的起止位置，不要求控制运动轨迹。连续轨迹控制：要求准确控制运动轨迹，其设点是无限的，只能在三维空间内做特定的运动。（4）按臂部的运动形式分球坐标式、直角坐标式、圆柱坐标式、关节式。1.1.4工业机械手应用随着技术和科技的进步，工业机械手得到了越来越广泛的应用。在计算机广泛应用的今天，通过电脑程序控制的机械手功能更加多样化，使用界面更加友好。现代的机械手设计生产综合应用了大量的当代科学技术。它是高科技迅速发展和生产力急需提高的必然的产物。随着社会的不断进步，人们对生活品质要求越来越高，对生产力的需求越来越大，这推动了普通领域机械手的应用。而在核能航天深海等极端工作环境领域，必然需要机械手代替人的工作，更好的完成人类的既定任务。实践证明，机械手的应用普及，极大地解放了人类的劳动强度，提高了生产自动化水平，极大地提高了生产效率，给人类社会带来了巨大的贡献。随着科技的进一步发展，和人们意识的进一步提高，机械手的应用将更加广泛，将给人类社会带来更大的贡献。1.2设计问题的提出在工业生产过程中，经常会遇到大量的重复性工作，特别是在流水线作业过程中这种情况尤为突出。这样如果继续由一线工人进行操作必然会加重劳动者的厌烦情绪和重复工作量。这样导致了，生产效率极低。这就需要我们设计一款机械手，它可以完美地完成交给它的重复性工作。这样可以大大的提高生产率，改善工人的工作质量和工作环境。第二章机械手总体设计方案第二章机械手总体设计方案2.1工业机械手的各部分组成及其关系简述普通机械手可以分为五个子系统即：人机交互系统、控制系统、驱动系统、机械机构系统、感受系统。一般的机械手由三大部分组成，即：控制部分、机械部分、传感部分。工业机械手的机械结构系统主要包括末端执行机构、机身（立柱）、手腕、手臂等结构。工业机械手的驱动。机械手的驱动装置是将外部获得的动力转化为机械手所需动力的装置。交流电机驱动、液压驱动、步进电机驱动、直流电机驱动、气压驱动等都是工业机械手常见的驱动的形式。另外，随着对工业机械手的进一步发展，一些新的驱动形式也加入了进来，比如说超声波驱动等等。工业机械手的控制系统。工业机械手有很多的控制方式，根据具体的要求，我们可以进行不同的选择。当下比较流行的工业机械手的控制方式有连续轨迹控制方式、智能控制方式、力控制方式、点位控制方式等等。需要我们根据不同的需求具体选择。2.2工业机械手设计的具体分析2.2.1本次任务设计要求生产线上的工作往往是重复的，并且比较繁重，生产效率低下，重复工作量大，工作环境得不到质的提高。为了提高现代化水平，提高工厂的生产效率，提高工人的工作环境。需要根据生产工艺设计一台能完成重复性操作的机械手，代替工人的手工劳作。提高生产率，给公司带来更好的效益。根据具体下发的任务书，本次设计的机械手需要完成如下动作：机械手臂前伸→机械手指抓紧物料→手臂部分上升→手臂部分缩回→整个机身回转一百八十度→手腕的部分转动九十度→手臂部分下降→手臂部分前伸→机械手指放下物料→手臂回缩→整个机身回转一百八十度→手腕部分复位→等待下次循环。这个过程是不断的往复循环的。2.2.2搬运机械手总体设计任务分析(1)工业机械手的运动形式有：关节型、圆柱坐标型、球坐标型、平面关节型、直角坐标型等。关节型机械手的手臂是与人类的手臂雷同的，是一种仿生机构。它拥有三个回转自由度。关节型机械手一般有大臂和小臂，大臂和立柱之间构成类似人类肘关节的部分，机械手得大臂可以做俯仰运动和回转运动，机械手的小臂可以做上下摆动。关节型机械手的优点是，通用性强，工作范围大，动作灵活等。圆柱坐标型机械手一般具有三个自由度，它的优点时，所占面积较小，工作范围较大，且制作工艺较为简单。球坐标型机械手它可以做俯仰、伸缩和回转运动他可以完成的工作空间是一个球体，它的特点是机构紧凑，占地面积小，能够完成比较复杂的动作，但是它的结构复杂成本较高。平面关节型机械手，它一般拥有一个移动的关节和两个回转的关节，移动关节完成上下的运动，回转的关节完成左右和前后的运动。这种机械手动作灵活，结构也较为简单，可以完成较为复杂的运动。在生产线的装配作业中应用较为广泛。直角坐标型机械手它的工作空间一般在一个长方体内，它的特点是结构简单易于操作，精度高，但是它占地面积较大。根据以上的分析及对任务的判断，在本次设计中决定设计一款圆柱坐标型机械手。(2)确定机械手的自由度：所谓机械手的自由度是指机械手所具有的独立坐标轴运动的个数。从运动形式上可以将其分为旋转运动R和直线运动P。机械手自由度个数的多少在一定程度上反映了它所能完成的动作的复杂程度。根据对所下发任务的具体分析发现设计四个自由度的机械手就能完成所下达的任务要求。本次所设计的机械手为RPPR型，即从手腕到基座的各关节的运动方式为旋转运动-直线运动-直线运动-旋转运动。(3)机械手的驱动方式是一般有：电机驱动、机械联动、液压驱动、气压驱动等，最常用的是液压驱动和气压驱动。电机驱动：伺服电动机或是步进电动机可以应用于运动轨迹要求高及动作复杂的小型机械手。直流电动机和异步电动机经常应用于抓力比较大的械手。电机驱动的优点是电源方便，驱动力大，便于检测，技术非常成熟，便于维修和维护等。缺点是，控制较为困难，定位难以十分精确。机械联动：动作十分的可靠，但结构很复杂设计较为困难，适用于自由度较小的机械手。液压驱动：防爆性好、结构紧凑、耐冲击、动作平稳、耐振动。而且液压技术易于实现比较成熟、响应速度快、力惯量比大、直接驱动、动力大。气压驱动：系统结构简单、速度快、维修方便、造价较低，适用于中小负载的系统中。但气压不可太高抓取力较低、对速度很难进行精确控制，并且伺服控制难于应用于气压驱动。通过比较分析，在条件基本相同的条件下，液压驱动拥有很多优势，比如质量轻、结构紧凑、能实现无级变速、调速范围大、运动惯性力较小、并且在载荷超载较大时能够自动防止过载实现对设配的保护。液压驱动可以很好地与电气控制融合在一起，实现PLC控制。并且相比较而言，液压驱动的成本控制也是比较合理的。所以在本次设计中，选择了液压驱动的控制方式。(4)选择机械手的控制方式:机械手常用的控制方式有力矩控制、连续轨迹控制、智能控制和点位控制四种。力矩控制：要求在适度力矩和力的条件下较为精确的完成抓取等机械手运动。连续轨迹控制：由于连续轨迹控制对于机械手的运动过程要求很高，所以要求机械手的整个运动过程都要可控。此类机械手要求较高，一般应用于工业上喷漆，弧焊等领域。智能控制：智能控制机械手在今年来得到了长足的发展，智能控制机械手能完成更复杂的任务，适应工作环境的能力更强。但是此类机械手控制设计非常复杂，成本很高。点位控制：点位控制机械手要求机械手在某些点位的姿态是确定的，它要求机械手运动一定要迅速，在特定点位上定位精确。此类机械手技术较为成熟，应用也较为广泛。此类机械手控制较为简单，设计成本控制也较为合理。此类机械手在工业领域的流水线搬运等领域应用相当广泛。根据具体的任务要求分析，在本次设计中决定采用点位控制机械手。根据分析，决定应用PLC控制此次所涉及的机械手的运动。综合以上分析过程及其本次任务说明书，本次设计决定应用电—液伺服点位控制。2.2.3总体方案拟定本次机械手的设计自由度取四个，就能较好地完成任务。对于此次机械手的自由度作如下设计:(1)手腕回转自由度：手腕部的回转自由度应用摆动液压缸来实现。(2)手臂伸缩自由度：手臂伸缩自由度由普通液压缸来实现。(3)手臂俯仰自由度：手臂的俯仰自由度由普通液压缸和一个支点来完成。(4)手臂回转自由度：手臂的回转自由度由摆动液压缸实现。各个液压缸的运动停歇由挡块和限位控制开关来实现第三章机械手机构的设计分析PAGE35第三章机械手结构的设计分析3.1机械手的末端操作器（即抓取部分）的设计抓取部分简述机械手的抓取部分是直接与要抓取的部件接触的部分，所以它与要抓取的部件息息相关。需要根据具体情况决定抓取部分即抓取爪子的设计形状及其选材。现在而言应用较为广泛的形式有夹钳式、吸附式、仿生手指式等。其中夹钳式是最常用的；吸附式主要利用气吸磁吸方式吸取大平面或是微小的物品；仿生手指式制造难度大，成本很高，目前应用领域尚且不大。在本次设计中将采用夹钳式。3.2腕部设计分析机械手的腕部是连接机械手手臂和末端操作器（即抓取部分）的部分。根据任务书所设定的设计要求，我们由于需要腕部能实现相对独立的转动，即实现在抓取部件条件下的翻转动作，所以选取适当的摆动液压缸就能实现设计要求。3.3手臂部分的的设计机械手的手臂部分能实现在抓取部件条件下的俯仰动作，及其伸缩动作。伸缩动作多采取直线液压缸来完成，而俯仰动作则由另一个直线液压缸和一个相对手臂部分固定的支点来实现。3.4机械手的机身和机座的设计机械手的机座分为移动式和固定式，在我们这次的设计中能根据任务书采用固定式较为适合。机械手的机身，在本次设计中就是立柱的部分。在此次设计中立柱要求与摆动液压缸的转轴连接，它起到了支撑的作用。在此次设计中机身与机座用螺栓连接起来。机座用地脚螺栓直接固定于地面上。第四章机械手各部件的载荷计算第4章对机械手各部件载荷的计算4.1设计要求分析本课题设计的搬运机械手采用关节型坐标系、全液压驱动，具有手臂俯仰、回转、伸缩、手腕回转四个自由度，以及手指的抓取动作。机械手的整个运动过程。机械手臂前伸→机械手指抓住紧物料→手臂部分上升→手臂部分缩回→整个机身回转一百八十度→手腕的部分转动九十度→手臂部分下降→手臂部分前伸→机械手指放下物料→手臂回缩→整个机身回转一百八十度→手腕部分复位→等待下次循环。这个过程是不断的往复循环的。4.2手指的夹紧机构在本次设计中，根据任务说明书，决定设计一种V型结构。合拢时机械手指将成一种六边形。要保证机械手一定要比较光滑，这样才能保证对零件无伤害。手指加紧机构的图如下：手指夹紧机构载荷的计算计算机械手指对工件夹紧力（4-1）—安全系数，通常取1.2～2；—工作情况系数，=（4-2）—重力加速度；—运载工件时重力方向的最大上升加速度，（4-3）—工件在重力方向上最大的上升速度之值，设为0.1。—速度升值最大值所需的时间，一般取0.3～0.5，再此处取值为0.5s—方位系数，由工件和手指的形状及其工作时的相互状态决定。取值一般为0.9～1.1。在此处取值1.0.—工件重力（）。1604.3机械手伸缩机构载荷计算本次设计中运用双作用液压缸实现手臂的伸缩，机械手臂在做水平伸缩时需要克服的力包括支撑滑套与导向杆之间的摩擦力，及其活塞和油缸之间的摩擦阻力，还要包括运动过程中的惯性力。机械手伸缩机构即机械手的小臂如下：（4-4）——总摩擦阻力（N），（4-5）G——手臂伸缩缸运动部件总重力（）——外部载荷对导轨的正压力（）（4-6）——摩擦系数，此处取值0.1；——惯性力（）（4-7）——重力加速度，此处取值9.8；——速度变化量（）。——启动或制动时间（），取值范围一般为～。=4.4机械手臂的俯仰机构的运动载荷手臂做俯仰运动时在刚开始与要停止时俯仰直线液压缸的载荷力达到最大值。俯仰直线液压缸最大速度为0.1，加速时间为0.1，升降过程不会是严格的等加速度运动，故取一个系数值为1.3。机械手的俯仰机构液压缸如下图（4-8）—俯仰缸在竖直方向上所支撑质量（），4.5机械手腕部所售载荷的计算由上文的论述已经知道腕部采用的是摆动液压缸。腕部的驱动力矩要克服腕部运动时的摩擦力矩和运动时所产生的惯性力矩。由于不是等加速运动取系数值1.3。（4-9）——惯性力矩（）——摩擦力矩（）；（4-10）——臂部对回转轴线转动惯量（）；——转速变化量（）；——臂部起动或制动所需的时间（），取值范围一般为0.1-0.5S=4.6机身摆动机构力矩计算分析机械手机身部分的驱动力矩需要克服运动时的摩擦力矩和运动时所产生的惯性力矩。由于不是等加速运动取系数值1.3。——惯性力矩（）——摩擦力矩（）；:——角度变化量（）；——臂部对其回转轴线的转动惯量（）；起动或制动所需的时间（s）,一般为0.1～0.5s。=4.7系统工作压力的选定系统工作压力的选定是一个综合考虑的结果，如压力选定太低，则完不成所需要完成的任务。反之压力太大，则会造成设备要求高，进而增加成本。所以要适当选取。表4-1按载荷选择工作压力载荷/KN<55～1010～2020～3030～50>50工作压力/MPa<0.8～11.5～22.5～33～44～5≥5表4-2各种机械常用的系统工作压力机械类型机床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机起重机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa0.8～23～52～88～1010～1820～32经过计算与选定最终选择的工作压力为8Mpa第五章机械手各部件机构尺寸计算校核第5章机械手各部件结构尺寸计算校核在本次设计中，液压缸的选取具有重要意义。由于液压缸是标准件，需要根据我们的计算进行选取。液压缸的选择过程中，可以根据总的负载载荷和工作压力来选取液压缸的内径D和活塞杆的直径d进而确定液压缸的型号。5.1机械手手指夹紧机构结构尺寸的确定手指夹紧采用的是单作用线性活塞缸(1)液压缸内径D及活塞杆直径d的确定活塞杆受压时（5-1）活塞杆受拉时（5-2）—无杆活塞面的有效作用面积（）；—有杆活塞杆有效作用面积（）；——液压缸工作腔压力8MPa；——背压力，此处选取背压0。——活塞杆直径（）。——油缸内径（）；系统类型背压力/MPa简单系统或节流调速系统0.2～0.5回油路带调速阀系统0.4～0.6回油路设置有背压阀的系统0.5～1.5用补油泵的闭式回路0.8～1.5回油路较复杂的工程机械1.2～3回油路较短，且直接回油箱可忽略不计对于单活塞杆缸，无杆腔进液体或气体时，在考虑机械效率的情况下，D=（5-3）有杆腔进液体或气体时，在不考虑机械效率情况下=（5-4）当P2=0时，可对原式子进行简化=（5-5）有杆腔进油时：=（5-6）取机械效率0.8或0.9。活塞杆的杆径可根据工作压力选取，见表工作压力/MPa≤5.05.0～7.0≥7/0.5～0.550.62～0.700.7当液压缸的往复速度比有一定要求时，杆径可由下式计算。=（5-7）液压缸的速比过大会使无杆腔产生过大的背压，速度比过小则活塞杆太细，稳定性不好。推荐液压缸的速度比如表所示。往复速比31.461.612/0.550.620.71经计算分析我们所要求的夹紧液压缸所需要的活塞杆的直径是58mm，所需要的缸的内径是96mm。根据标准来选取，由GB/T2348-1993.活塞杆直径为70mm，取液压缸内径100mm。液压缸缸筒长度一般不能大于液压缸内径的的20～30倍，根据本次的设计要求设计中需要的液压缸长度L为160mm即可。液压缸的缸筒壁的厚度是液压缸十分重要的一个参数，要对其进行承受压力计算。当活塞杆受到压力时还要进行压杆稳定性验算。（5-8）—缸筒材料许用应力—缸筒的最高工作压力；=（5-9）—安全系数，当≥10时一般取=5；当<10时，称为厚壁筒。—缸筒材料抗拉强度通过查机械手册可以得值为610Mpa。在本次设计中，经过计算及我们的要求可以选用的夹紧液压缸壁厚取为20。5.2确定机械手臂伸缩机构尺寸此次设计中应用双作用活塞缸作为机械手的伸缩机构。通过我们的计算可以得到伸缩液压缸活塞杆直径101.5，内径145。按照GB/T2348-1993标准，取活塞杆直径100，160。同上，根据相同的选择原则原则，联系我们所需的实际得到手臂伸缩液压缸缸筒长度取2000，壁厚取36。5.3手臂俯仰机构结构的尺寸根据设计要求，手臂俯仰机构决定采用双作用活塞缸，根据具体的数据和我们的计算可以得到要想满足我们的设计要求需要活塞杆直径70.7mm，液压缸的内径为101mm。按照GB/T2348-1993标准，活塞杆直径取值为70mm，液压缸内径取值为100mm。同上可得，手臂俯仰液压缸缸筒长度630，壁厚28。5.4腕部摆动机构确定在此次设计中机械手腕部的摆动是通过摆动液压缸实现的。根据以前得到的数据分析确定摆动液压缸的型号。摆动液压缸排量（5-10）液压马达的进出口压差（）,已知为8MPaT—液压马达载荷转矩（）；/r根据分析得到需要YMD30叶片摆动液压缸。5.5强度校核当活塞杆只受轴向拉力和推力时，可以近似地用直杆承受拉压负载的简单强度计算公式进行计算：（5-11）—活塞杆直径（m）；—活塞杆作用力（N）；—活塞杆材料许用应力，查机械设计手册得为600MPa。各液压缸活塞杆强度校核:故<<，故液压杆是满足所需要的强度要求。5.6活塞杆的弯曲稳定性校核当活塞杆受轴向压力时，可能会不稳定，发生弯曲。设出现这种情况的的临界值为F，根据经验，当活塞杆的长度大于直径的十倍时才需要进行活塞缸纵向稳定性计算。故根据以前所得数据，只需要对手臂伸缩液压缸的活塞杆进行纵向稳定性计算。（5-12）——安全系数，一般为3.5～6；——液压缸安装及导向系数，见机械设计手册20-6-17。——液压缸承受的轴向压力（）；——活塞杆弯曲失稳的临界压力（），L——液压缸支承长度（）；——活塞杆横截面惯性矩（），可由下式计算：——实际弹性模数，可由下式计算：——材料的弹性模数（），钢材；——材料组织缺陷系数，钢材一般取a；——活塞杆截面不均匀系数，一般取b；——活塞杆直径（）。计算：4.9×是满足设计要求的。5.7计算确定机身摆动机构 根据设计要求机身的摆动采用叶片式摆动液压缸，根据以前数据得到，摆动液压缸排量/r选取YMD300型叶片摆动液压缸。第六章设计液压系统第6章设计液压系统6.1确定液压马达液压缸需流量6.1.1液压缸工作所需流量（6-1）——活塞与缸体的相对速度（）——液压缸有效作用面积（）；有杆活塞杆有效作用面积：（6-2）——活塞杆直径（）无杆活塞杆有效作用面积：（6-3）式中:——油缸内径（）。经计算各活塞的有效面积如下表6-1各活塞的有效面积有效面积液压缸(mm²)(mm²)手臂俯仰油缸78504003.5手臂伸缩油缸2009612246手指夹紧油缸78504003.5经计算各液压缸流量如下表6-2各液压缸流量工况执行元件运动速度m/s结构参数()流量(L/s)计算公式手指夹紧夹紧缸0.035=0.00790.28手指松开0.070=0.0040手臂前伸伸缩缸0.042=0.02010.85手臂缩回0.070=0.0122手臂上升俯仰缸0.035=0.00790.28手臂下降0.07=0.00406.2液压马达工作时流量查表得YMD300摆角270°，流量为470；YMD30摆角90°，流量为300。6.3液压马达和液压缸的主要零件技术要求和材料结构6.3.1缸体液压缸缸体的常用材料有20、35、45号无缝钢管。20号钢由于力学性能略低，且不能调质，故应用较少。35钢焊接性能好，所以当液压缸各部分需要较多焊接时通常采用35钢，初加工后调质。通常情况下，采用的都是45钢。并且对其调质到241～285HB。缸体毛坯也可采用铸铁件、铸钢、锻钢。在特殊要求下还可以采用铝合金等材料。在本次设计中我们所选择的缸体的材料是45钢，并对其进行调制处理至241～285HB。缸体内径采用H8配合。活塞密封方式采用的是橡胶密封圈密封。橡胶密封圈方式的密封可靠性好，简单阻力小，但是它也要求液压缸的内壁光滑，本此设计的粗糙度取为Ra为1.6。液压缸的内径的圆柱度公差选取8级精度，圆度公差选择8级精度。液压缸的缸体端面的垂直度公差选取7级精度。对于机械手臂由于缸体有耳环存在，使缸体内径轴线对孔径的中心线的垂直度公差选择为9级精度。在缸体内径需要镀层30～40的铬层，以防止腐蚀提高寿命。再度层后要进行抛光，以达到前面所述的粗糙度要求。本次设计中液压缸的安装方式均采用法兰连接缸底支撑。6.3.2活塞液压缸的活塞应用的材料一般为钢、铝合金、灰铸铁、耐磨铸铁等耐磨材料。活塞缸与活塞用螺纹连接，活塞的材料选用HT350。外径的圆柱度公差值为0.01mm精度。端面对内孔轴线的垂直度公差也按7级精度选取。活塞外径对内孔的径向跳动精度为0.025mm。6.3.3缸盖的要求液压缸缸盖的材料可以选用ZG35、ZG45铸钢或HT200、HT300、HT350铸铁、35、45号锻钢等材料。当活塞杆的导向套就是由本身缸盖来充当时，最好选用铸铁作为制作缸盖的材料。且需要在套的表面镀一层青铜等耐磨材料。如果，活塞杆的导向套是压入缸盖时，我们选择的导向套材料是耐磨铸铁、青铜等耐磨材料。在本次的设计中属于缸盖本身又是活塞杆的导向套的这种情况，缸盖材料本次选用Q235。并且在导向套的表面上熔堆黄铜、青铜或其它耐磨材料。活塞杆缓冲孔和缸盖轴线的同轴度公差选择为0.03mm，圆柱度公差选取为9级精度。缸径轴线与端面的垂直度公差选择按7级精度，导向孔的表面粗糙度选择为1.6μm。6.3.4活塞杆活塞杆选用外螺纹结构、实心杆，材料选用45号钢，粗加工后调质到硬度为229～285HB，必要时再经高频淬火，硬度可达HRC45～55。活塞杆各外径的圆度公差按9级精度选取，d的圆柱度公差按8级精度选取，活塞杆两端的径向跳动公差为0.01mm，活塞杆端的垂直度公差按7级精度选取，活塞杆上的螺纹按6级精度加工，活塞杆上工作表面的粗糙度为Ra=0.63μm，必要时镀厚度为0.05mm的铬，然后抛光。6.3.5液压缸的缓冲装置液压缸的活塞及活塞杆，在液压力的驱动下具有很大的动量。它在行程终端，当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击。为了防止带来的冲击对油缸的影响，设计时会考虑到油缸到缸底时活塞与缸筒底的碰撞问题，所以会考虑油缸行程，大都会让行程有富余，快到行程终端时外部都有机械限位，防止油缸内部碰撞，任何时候都不会用到油缸的全行程。若在行程方面无法得到解决的话，就必须在油缸的设计时采用缓冲装置，来避免油缸较强的机械碰撞。在缓冲装置的作用下，在行程终端时能实现速度递减，直至为零。避免机械碰撞，从而达到对油缸的保护作用。本设计中采用的缓冲装置是可变节流槽式的缓冲装置。这种缓冲装置是在缓冲柱塞上开由浅到深的三角节流沟槽，节流面积随着缓冲行程的增大而逐渐减少，缓冲压力变化平缓。6.3.6液压缸排气装置液压缸工作时一定要首先排除空气，如果空气未排出，最明显的会引起缸的低速爬行，进而带来一些列的问题和事故。液压缸有杆腔和无杆腔存有气体而产生的低速爬行，可通过反复运行液压缸排气来解决，必要时在管路或液压缸的两腔设置排气装置，在液压系统工作时进行排气。目前采用的较为可靠的排气方法是，设置排气阀，双作用液压缸需要设置两个排气塞。由于液压缸是液压系统的最后执行元件，会直接反映出残留空气的危害，所以首先防止气体进入液压缸内，其次要设置排气阀。不同设计中，要将油口排在最高处，这样空气就会溢出。6.4制定基本方案只有完整合理的设计方案才能完成我们的设计任务。我们首先根据经验设计出各个基本的液压回路，再有机的将他们结合起来，组成完整的液压系统。6.4.1基本回路的选择1）动力源回路：动力源回路即压力源回路，它的作用是提供液压系统工作所需要的液体流量和压力。动力源回路主要由单向阀、液压泵、电动机、油箱、油箱附件、电动机（发动机）、安全阀、过滤器等组成。在本次设计中通过分析决定采用高低压双联泵液压源回路。2）速度控制回路：速度控制回路是液压原理图的核心，速度控制方案决定了其他回路的选择方案。本次设计中出于现实和成本控制的考量决定采用节流阀实现速度的控制。这样可以用一个泵就能实现调速，由于在本次设计中转向是通过换向阀实现，所以节流阀要安装在转向阀的下部，以实现在液压缸来回双向节流阀都能实现它的作用。3）方向控制回路：方向控制回路能够实现回路的开闭、方向的转换等动作。方向控制方法很多，包括换向阀实现，采用双向液压马达实现，用双向定量泵和双向变量泵实现流量和方向的改变等等。4）压力控制回路：压力控制回路是以控制系统及各支路压力，使之完成特定功能的回路。压力控制回路的种类很多，减压回路适用于某支路需要稳定的低于动力油源的压力时；多级压力控制回路适用于载荷变化较大时；卸载回路适用于一个工作循环的某一段时间内各支路均不需要新提供的液压能时；缓冲或制动回路适用于平衡回路中有惯性力较大的运动部件容易产生冲击的系统时。在这次设计中经过分析可得，应采用调压、限压回路与油源回路合并考虑的回路。6.5选择液压元件6.5.1选择液压泵液压泵是液压系统的心脏，它是为液压系统提供动力的原件。它把机械能转换为液压能，以提供液压能，即流量和压力。液压泵性能好坏直接影响到液压系统的可靠性和工作特性，地位非常重要。液压泵按照不同的分类方式区分为不同的种类：按进出油口的方向是否可变分为单向泵和双向泵；按运动构件的形状和运动方式分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵;按排量能否改变分为定量泵和变量泵。选用液压泵的原则和根据有：1）噪音指标属于低噪音的液压泵有啮合齿轮泵、双作用叶片泵和螺杆泵，后两种泵理论上瞬时流量是均匀的。2）工作压力各种液压泵目前压力都有提高，其中柱塞泵压力最高。3）效率其中轴向柱塞泵的效率最高。由于在额定情况下效率状态达到最佳，因此尽量在额定功率附近让其工作。4）是否要求变量根据具体情况选择5）工作环境齿轮泵对环境的适应能力较强。当前，叶片泵和齿轮泵，多采用的是定量泵。在本次设计中采用PV2R双联叶片泵。已知系统压力为8MPa，选取PV2R12，查机械设计手册表20-5-33选取其前泵排量V1为33mL/r，后泵排量V2为12mL/r，其允许最高转速1800r/min，最低转速750r/min。该泵使用普通液压油时前泵的最高使用压力为14MPa，后泵为16MPa，满足系统要求的8MPa。前泵的流量：（6-4）——泵的排量（）；——泵的额定转速（）。后泵的流量：（6-5）——泵的排量（）；——泵的额定转速（）。6.5.2液压泵所需电机功率的确定（6-6）——油泵所需要的电动机功率；——油泵的最大工作压力（）；——油泵最大流量（）；——油泵总效率，一般叶片泵0.75～0.85；齿轮泵0.6～0.8；柱塞泵0.75～0.9。前泵所需电机功率：后泵所需电机功率：6.5.3液压阀的选择液压阀通常与电磁配压阀组合使用，可用于远距离控制水电站油、气、水管路系统的通断。常用于夹紧、控制、润滑等油路。有直动型与先导型之分，多用先导型。液压阀的要求：1）动作灵活，作用可靠，工作时冲击和振动小。2）油流过时压力损失小。3）密封性能好。4）结构紧凑，安装、调试、使用、维护方便，通用性大。它在液压传动中是用来控制液体压力﹑流量和方向的元件。其中控制压力的称为压力控制阀，控制流量的称为流量控制阀，控制油路通断和流向的称为方向控制阀。通过对本次设计任务的分析，按照额定流量和定压力大于通过该阀的最大流量和系统最高工作压力的原则选择液压阀。选择换向回路的核心是选择换向阀的形式，从而实现对于换向平稳性和换向精度的要求。在一般情况下，在换向性能要求高时，应选用液动换向阀或机动换向阀；在对于换向性能无特别要求时，应选用电磁阀。根据本次设计任务书的要求和本设计液压系统的要求，夹紧缸换向选用两位两通电磁阀，其它缸全部选用三位四通电磁换向阀。为了防止俯仰缸由于自重自由下滑和伸缩缸在仰起一定角度后自由下滑，在本次设计中通过单向顺序阀平横。为确保夹紧缸夹持工件的可靠性，采用液控单向阀保压和锁紧。手臂升降缸选取的是立式液压缸，为了支承平衡手臂运动部件自重，本次设计中运用了单向顺序阀平衡回路。6.5.4液压辅助元件的择原则（一）蓄能器1、作用蓄能器的作用是存储压力能，达到节约能量、减少投资的目的，也可以起吸收压力脉动及减小液压冲击。分类包括：气瓶式蓄能器、活塞式蓄能器、气囊式蓄能器。应用：折合型气囊容量较大，可用来储存能量；波纹型气囊适用于吸收冲击。2、使用与安装蓄能器作为吸收液压冲击或压力脉动时，宜放在冲击源附近或脉动源旁；补油保压时宜放在尽可能接近有关的执行元件处。安装时注意：气瓶式蓄能器要垂直安装，气体在上部，油液在下部，避免气体随液体一起排出；装在管路上的蓄能器必须用支架固定；蓄能器与管路系统之间应安装截止阀，供充气、检修时使用。蓄能器与液压泵之间应安装单向阀，以防止液压泵停车时蓄能器内的压力油倒流。（二）滤油器1、作用及性能参数1）作用：不断净化油液，使其污染程度控制在允许范围内。其原理是采用带有一定尺寸滤孔的滤芯来过滤污染物。2）性能参数：主要有过滤精度、压降特性。3）过滤精度：表示滤油器对各种不同尺寸的污染颗粒的滤除能力，常用绝对过滤精度、过滤比、过滤效率来评定。4）绝对过滤精度：通过滤芯的最大坚硬球状颗粒的尺寸，它反应了滤芯的最大通孔尺寸，用m表示。5）压降特性：油液通过滤油器滤芯和滤油器进、出口时产生的压力损失。2、类型及典型结构滤油器分为机械式和磁式两类，机械式又分为网式、线隙式、纸芯式和烧结式等。1）网式滤油器过滤精度为80～400m，压力损失为（2～4）×103Pa，结构简单，通流能力大，清洗方便，但过滤精度低。主要用于泵吸油口。2）线隙式滤油器过滤精度通常为100～200m，精密的可达20m，压力损失约为0.3～0.6M3）纸芯式滤油器过滤精度为5～30m，压降为（1～4）×104Pa，过滤精度高，但纸芯强度低，且堵塞后不能清洗，必须更换纸芯。液压系统广泛使用这种滤油器。4）烧结式滤油器滤芯由粉末冶金烧结而成。过滤精度一般为10～100m，压降为（0.9～2）×105Pa，过滤精度高，但堵塞后不易清洗。适用于精过滤。3、选择和使用主要考虑三个问题：1）滤孔尺寸：选择合适的过滤精度。2）通流能力：要有足够的通流面积。3）耐压：考虑滤芯及壳有足够的强度。滤油器在系统中有几种安装方式1)安装在液压泵吸油路上。2)安装在液压泵压油路上。3)安装在系统的回油路上。4）安装在系统的支油路上。5）独立的过滤系统。4.管道尺寸的确定1.管道内径计算：（6-7）——通过管道内的流量（）；——管内允许流速（）见表。根据所得的内径尺寸，按下表标准系列选取相应的管子。表6-3软管内径尺寸系列2.53.256.381012.5161920（22）2531.538405051表6-4硬管外径系列45681012（14）16（18）20（22）25（28）32（34）38*40（42）505.管道壁厚计算：（6-8）——管道内最高工作压力（）；——管道内径（）；——管道材料的需用应力（），；——管道材料的抗拉强度（）；n——安全系数，对钢管来说，p<7MPa时，取n=8；p<17.5MPa时，取n=6；p>17.5MPa时，取n=4。管头连接螺纹根据油管外径选取。液压缸进出油口直径的确定缸的进出油口直径可用下式求得：（6-9）q——液压缸配管内的流量；v——液压缸配管内液体的平均流量（一般取v=4～5m/s计算得出的数值并按液压的相关标准进行选取，如表所示：表6-5各液压缸进出油口直径进出油口直径液压缸（mm）俯仰摆动直线油缸M272手臂伸宿液压缸M332手指夹紧液压缸M2726.5.5油箱容量的确定在确定油箱尺寸时，一方面要满足系统供油的要求，还要保证执行元件全部排油时，油箱不能溢油，要保证即使在系统油量达到最大时也使油箱的油位保持在最低要求油位之上。油箱容量经验公式：（6-10）——液压泵每分钟排除压力油的容积（）；——经验系数，见下表。表6-6经验系数a系统类型行走机械低压系统中压系统锻压系统冶金系统a1～22～45～76～1210计算可得油箱容量：选用规格为250L的油箱。6.5.6液压原理图本次设计中通过电控系统发信号控制电液动换向阀或电磁换向阀进而控制各个执行机构的动作，各动作依次按照程序进行。液压系统工作顺序是由控制各个液压缸换向阀电磁铁的得失电完成的。执行机构缓冲和定位是机械手工作平稳可靠的关键。为了提高生产率，机械手运动的越快越好，但是运动的太快则会影响控制的精度，运动速度越高，启动和停止时惯性力矩就越大，这不仅会影响到机械手的定位精度，严重时还会损伤机件。为达到机械手对于运动平稳性和定位精度的要求，要在定位前采取缓冲措施。通过压力传感器来控制机械手手指夹紧力度，要保证工件不被抓伤也不会在搬运过程中掉落；手臂俯仰通过行程开关适时发信号，提前切断油路滑行缓冲并定位；手腕回转、手臂回转通过挡铁定位保证精度，在端点到达之前发信号以切断油路。机械