搬运机械手的结构和液压系统设计

题目：搬运机械手的结构和液压系统设计绪论1.1本设计的研究背景和意义随着国家产业化的转型升级，推进工业自动化生产，降低生产成本已成为转型发展的主题。现在在加工和装配之间的生产、不同传送带之间工件的传递等是不连续的，需要人工对工件进行繁重的搬运，降低了生产效率。机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。它能代替人工的搬运、喷涂、焊接等多种工作，减轻人工负担，改善劳动环境的同时，也提高生产效率。这样可以有效解决工业大批量自动化生产和产业转型升级的问题。在现代机械制造业中，机械手应用较多，发展较快，例如汽车制造业在工业领域应用的机械手比例最高，汽车的结构焊接、汽车外壳的喷涂和汽车零件的装配都是由机械手完成的，机械手和各个相关机器一起就形成了我们所知的汽车制造生产线。机械手设计一门是综合材料力学、机械设计和自动控制技术等学科。随着近些年计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，机械手已经广泛应用到各个行业中，成为提高劳动生产率的重要因素，因此，设计和研发机械手不仅是产业转型升级的新出路，也是一个国家科技技术实力的体现。1.2机械手的定义机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。一般来说，机械手是由四大部分组成，分别为控制系统、驱动系统和执行机构，以及位置检测系统。各系统相互之间关系如下方框图1.1所示图1.1机械手的组成方框图1.2.1执行机构执行机构就是执行程序指令的运动机构，它主要由手部、手腕、手臂、机座等运动部件组成，有些机械手还增加了行走机构。1）手部手部就是与工件接触的部件，用于抓取和放置工件。根据所抓取工件的原理，手部结构分为夹持式和吸附式等型式。夹持式手部是由直接与物件接触的手指和能使手指间产生加紧力的传力机构组成等两大部分组成。常用的手指运动型式有回转型和平移型，按需要分有內抓式和外抓式。回转型手指具有结构简单和制造容易特点，所以广泛被应用。采用平移型手指夹持回转类零件时，手指夹持的定位中心与工件轴心重合，不随着工件的直径变化而变化，但平移型手指结构比较复杂，所以很少应用。传力机构常用形式有：滑槽杠杆式、斜槭杠杆式、丝杠螺母式、齿轮齿条式、弹簧式以及重力式等。吸附式手部有负压吸盘和电磁吸盘两类。对于重量较轻、片状类零件或者薄板材料等，常常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压和真空泵压。对于环类或者带孔的盘类零件，有网孔状的板料等，因零件自身有孔不能形成负压，所以通常用电磁吸盘吸料。2）手腕手腕是连接手部和臂部的部件，用来调节手部相对被抓物体的方位，使机械手具有灵巧性、适应性等性能。手腕有独立的自由度，例如回转、上下摆动、左右摆动。对于一些功能较多的机械手，其腕部设有回转运动，有的还在此基础上增加一个上下摆动以满足工作要求。对于较为简单的专用机械手，可以不设腕部，直接用臂部运动驱动手部搬运工件，这样设计能简化结构，降低成本。3）手臂手臂就是支撑腕部和手部，使其做空间运动的部件。手臂的各种运动通常用驱动机构（液压缸、气缸和电机等）和各种传动机构来实现。在工作中手臂不但要承受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，其受力情况比较复杂。所以机械手的工作性能受手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度影响很大。4）行走机构如果机械手要求进行较远距离的作业和较大范围的使用时，可以在机座上增加滚轮、轨道等行走机构，使得机械手能整个机体移动。滚轮式行走机构又可以分成有轨和无轨两种，驱动滚轮运动的部分需增加机械传动装置。1.2.2驱动机构驱动机构是机械手重要的传动装置，用于驱动执行机构运动。依据驱动源的不一样,机械手的驱动系统大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。在这四类驱动方式中，当前又以液压驱动和气压驱动所占比重较大，而电力驱动和机械驱动所占的比重较小。1.2.3控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统，需要工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度等要素。一般来说，机械手的控制分为点位控制和连续控制两种。目前多数机械手以点位控制（用插销板进行点位控制）为主。此外，还有采用可编程序控制器控制和微型计算机控制，并用磁盘磁带和穿孔卡等记录程序。1.3机械手的分类现在机械手的种类越来越多，关于机械手种类的划分，目前在国内尚无统一详细的分类标准，现在主要按照使用范围、驱动方式和控制方式等进行分类。1.3.1按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手1)液压传动机械手，就是以液压油的压力能驱动液压执行元件，经过传动机构使机械手运动的机械手。其优点有：抓重大，可以达到100kg以上，还有其传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但其也有缺点就是对管道密封要求严格，油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，并且适合在高温、低温下工作。但采用电液伺服驱动系统后，机械手运动轨迹可以连续控制，使得机械手的适用范围扩大，但是其制造精度要求很高，成本也昂贵。2)气压传动机械手，就是以空气作为驱动介质来驱动执行机构运动的机械手。其优点有：气源丰富、结构简单、成本较低。但是其缺点也有很多，工作速度因空气的可压缩性使其稳定性较差，而且气源压力较低，抓重很小。其主要适用于高速、轻载和高温等场合。3)机械传动机械手，也就是用机械传动机构（像凸轮、齿轮和齿条、连杆、间歇机构）驱动的机械手。其为一种附属于工作主机的专用机械手，动力是通过工作机械机构运动传递。其优点有运动准确可靠、动作频率高，但结构庞大，动作固定，不能改变，只能用被为机床的上、下料。4)电动传动机械手，就由电机直接驱动执行机构运动的机械手，常用的有步进、感应、功率等电机。因为执行机构和电机之间没有转换机构，所以其结构简单。而且直线电机机械手的较快运动速度和较大的行程，具有操作方便、维修容易特点。这类机械手未来发展的方向。1.3.2按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种1)专用机械手是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手功能比较单一、工作动作少，只适用于特定场合，但其具有结构简单、可靠和造价低等优点，适用于工业大量自动化生产。2)通用机械手是一种具有独立控制系统的、程序可以改变的、动作变化多样的机械手。通用机械手具有工作范围大、通用性强和定位精度高的特点，适用于中小批量的柔性自动化生产线上。1.3.3按控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等(1)点位控制机械手在空间点与点之间的移动称为机械手的运动，而点控制机械手仅能控制运动过程中几个点的位置，其运动轨迹是控制不了的。如果想要控制更多的点位置，就必须使用更加复杂电气控制系统。当前大部分机械手仍采用点位控制方式。(2)连续轨迹控制机械手机械手使用电气控制系统，其整个运动过程均处于电气系统控制之下，其运动轨迹可以为空间的任意连续曲线，实现机械手运动平稳，定位准确，所以使用范围大，由于其电气控制系统比较复杂，使用比较少。1.4机械手的发展现状1954年美国工程师德尔沃最早提出机械人的概念，从此机械手伴随工业机械人一起发展。国际上把机器人分为工业机器人和服务机器人两类，我国则分为工业机器人、服务机器人和特种机器人三类。其中，工业机器人是面向工业领域的多轴机械手，是能自动执行工作的机器。在国内，国内机械手的研究开始在1970年代初期。1972年在上海我国制造出来第一台机械手。改革开放后，我国政府将工业机器人和机械手的发展列入五年计划中去，并且投入大量的资金，从此我国机械手发展开始飞速发展。2013年12月，中科院沈阳自动化研究所和南京机电研制的国家“863”计划“深海潜水器作业工具、通用部件与作业技术”7000米主从伺服的液压机械手，在无锡进行了深海7000米压力下功能试验。2013年中国采购了3.6万台机器人并首次超过日本，成为了全球最大的机器人市场。但是可以中国国产的机器人销售量仅仅只有九千台，仅占总销售量的24%，而且大部分为中低端的工业机器人。[16]在国外，美国联合控制公司在1958年研制出世界第一台机械手。又过了三年，美国的机械铸造公司在第一台机械手设计基础上，研发出一台数控示教再现型机械手。后来在再现型机械手基础上，又发展出很多球面坐标式机械手；在1970年，德国在焊接、设备的上下料和起重运输等领域开始应用机械手；在欧洲主要机械手制造公司有德国的KUKA、CLOOS，瑞典的ABB、奥地利的GM等。工业机器手发展最快国家就是日本了，日本是在1969年从美国开始引进机械手的，然后对其进行研究和开发新的机械手，现在日本著名的机械手制造公司有安川、松下、川崎、OTC、FUNLUC等。1.5机械手的发展趋势分析随着传感技术、激光技术、工程网络技术等技术发展和被应用到机械手开发后，机械手将在海洋、航体深空等更多领域得到更为广泛应用。机械手发展趋势如下：精度越高、成本却降低精度是指机械手达到指定位置的准确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。随着设计软件的普及和制造技术的飞速发展，机械手的设计周期越短和制造成本越低，机械手的单机成本也随之下降。机械手结构趋于模块化，结构可重塑化。采用模块化设计气动机械手，其拼装和安装方便，相比组合导向驱动装置的安装更具灵活性。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手能做更多的动作，便于维修及更换部件。根据实际情况而选用不同的模块组装，即使同类机械手也具有不同的功能，这极大的拓展机械手的使用范围，模块化的气动机械手是未来发展主要趋势。控制系统开放化，模块化。为了使控制系统标准化、网络化和开放化，控制器必须向着与PC机开放连接方向发展；采用模块化结构设计的器件，其集成度提高，日益小巧的控制柜开始出现；控制系统的可靠性、便维修和操作性都得到极大提高。更好性能的控制系统，更加友好的人机界面，语言、图形编程界面正在研制之中。机械手控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究焦点。机电气一体化和智能化。采用电子技术制造的自适应控制气动元件，其反应速度快，使气动技术能进行高精度的“反馈控制”；采用复合集成系统，不但减少使用配线、配管和元件，而且拆装方便，使得系统的可靠性得到极大提高。智能化的机械手不仅能够执行原先设定的动作，还可以按照工作状况不同做出相应的反应，例如避开障碍物的移动，作业流程的规划和有效的动态学习等。1.6本设计的主要研究内容本设计通过收集资料，并学习机械手的工作原理、基本机构和其运动过程。本设计研究内容就是在现有的资料上，结合自己能力，设计一款手臂的最长半径约1066mm，手臂的最低高度约1060mm,手指最大张开角度600，臂长手臂伸缩长度500mm，手臂升降高度500mm，手臂回转角度900的三自由度回转型搬运机械手，并对机械手的结构进行设计和简单力学分析，同时和设计了机械手的液压系统，写好设计论文和画出相关图纸，1.7本章小结本章绪论首先讲述了设计机械手的背景和意义，并介绍机械手的定义和分类方式，然后对机械手的发展现状和趋势进行了分析总结，最后对本次设计的机械手主要研究内容进行概述，完成本章的论述。2机械手的方案的总体设计2.1搬运机械手工作的内容本设计的搬运机械手主要工作内容是将第一条传送带送来的工件拿起，旋转90度后送到另一个传送带上，然后回到原位完成一次完整的动作。其动作整个动作过程是：手臂下降、手臂伸出、手指夹紧工件、手臂缩回、手臂上升、手臂回转、手臂下降、手臂伸出、手指张开、手臂缩回、手臂上升、手臂反转回到原位。图2.1机械手运动简图2.2搬运机械手的总体结构方案设计由于液压驱动利用液体的不可压缩性，其具有控制精度较高，输出推力大，反应比较灵敏，能连续控制机械手的运动轨迹等优点，而且其输出功率范围大，响应速度很高，相比气压驱动优势明显，工业上也普遍使用液压驱动。1）本设计采用圆柱坐标形式回转型机械手。机械手的结构形式主要有四种：直角坐标型，圆柱坐标型，球坐标型和关节型。其中圆柱坐标机械手结构特点是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单紧凑，定位精度相对较高，占地面积小等优点，常用于搬运作业。图2.2直角坐标型图2.3回转型2）本设计搬运机械手自由度为3个。机械手的自由度就是机械手的每个构件相对于固定坐标系所具有的独立运动，机械手手指抓合不算机械手的自由度。在大多数情况下，机械手的自由度少于6个，例如专用机械手只有2～4个自由度，通用机械手有3～6个自由度。本设计机械手具有3个自由度即：手手臂伸缩；手臂回转；手臂升降3个主要运动。本设计机械手主要由3个大部件和4个液压缸组成：（1）手部，用一个直线液压缸，通过机械传动实现手指的张合。（2）手臂，用直线缸来实现手臂水平伸缩。（3）立柱，采用一个直线液压缸来实现手臂的升降。（4）机座，采用一个回转缸来实现手臂回转。3）本机械手的精度。机械手的定位精度是由机械手的工作要求精度、工作速度、机械手本身的机构特点以及其控制方式等组多因素决定的，因此，机械手的定位精度主要还是要看其作业的场合决定。下面是不同作业场合的精度要求。普通搬运作业±3～5mm或无定位要求点焊、弧焊±1mm切削机床上下料±1mm喷漆±2mm装配、测量±0.01～±0.1mm本设计的机械手属于搬运类机械手，所以取其定位精度为±1mm。2.3搬运机械手的基本技术参数的确定1)抓重就是机械手所能提起的最大重量，要根据物体的实际重量和合适的安全系数决定，此外还要考虑手臂的结构强度等因素，所以抓重取10kg,所夹取工件材料为铅棒，密度为11.37g/cm3，外直径75±5mm，高为200mm的圆柱形工件，机械手的安全系数：K=1.2到2之间2)机械手的自由度：机身回转、手臂的伸缩直线运动和机身的升降运动3个自由度。3)工作速度手臂伸缩速度125mm/s，手臂回转速度是450/s,手臂升降速度1254）机械手的臂长手臂伸缩长度500mm，手臂升降速度500mm，手臂回转角度900，手臂的最长半径约1066mm，手臂的最低高度约1060mm2.4本章小结本章主主要讲述搬运机械手的工作内容和总体设计方案，并确定机械手的抓重、自由度和工作速度等各项技术参数。3机械手的手臂设计3.1手部设计3.1.1手部设计要求手部是机械手用于抓取（或吸附）和放置工件的部件。它能模仿人手的动作，并安装在机械手的手臂的最前端。手部的抓重、结构和本身的重量直接影响到机械手的臂部和立柱的结构、运转性能和重量。所以在手部设计时，必须尽量结构紧凑、重量轻、效率高。3.1.2手部的设计方案本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角约600，夹取重量为10Kg。根据机械手的组成可知,手部结构可分为夹持和吸附两大类。吸附式主要用在表面平整、面积比较大的板状物体的抓取,不符合本设计要求。本设计机械手采用夹持式二指回转型手指，采用连杆杠杆这种传动结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，手指松开和夹紧由夹紧缸活塞在油压下的缩回和伸出对应。不选择平移型手部原因是：驱动力需加在手指移动方向上,但是这样设计会使手部结构复杂而且体积大，而机械手的成本又高，并不适合搬运类的操作3.1.3夹紧力及驱动力的计算对于双指机械手，手指施加在工件上的夹紧力，就是单个手指施加在工件的合力。加紧力是设计手部的主要依据，图3.1为手部结构图，下面是机械手部连杆杠杆机构的结构和计算公式F驱=2b式中的为F驱驱动力，FN为夹紧力。现在取b=100mm,c=20mm,α=150,手指对工件的夹紧力可按公式计算：FN≥式中K1是安全系数，通常取1.2～G是被抓取工件所受重力（N）；K2是工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式K2=1+a=Vmaxt响Vmax是运载时工件最大上升速度；t响是系统达到最高速度的时间，一般选取0.03～0.5sK3是方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择K3=0.5式中f为摩擦系数；θ为V型手指半角；图3.1机械手手部结构图1）取K1=1.5，系统最高速度为125mm/s，则a=0.1252）K3=0.5sin6000.3）手指对工件夹紧力F4）根据夹紧力和驱动力计算公式F5）由于手指传动机械损失，取η=0.85，实际驱动力F实际=FF夹紧液压缸的设计1）确定夹紧液压缸的直径DF实际=ηcm∆P为压力差，由于背压较小,可以忽略，即∆P=P；ηcm为液压缸效率，一般ηcm取0.95D=4F实际油液压力过高会导致密封困难，压力过小导致液压缸尺寸过大，所以选择液压缸压力油工作压力P=1MPa,根据公式d=DΦ-1Φ（3-式中d为夹紧液压缸活塞杆直径；Φ为速比（活塞缸有杆腔和无杆腔有效作用面积比），根据《工业机械手设计基础》表6-4。表3.1杆径d和缸内径D的关系（JB1068-67）速度比Φ1.151.251.331.462Dd401418202228501822252835632228403545803235454556D=根据《新编实用液压技术手册》表5-2（GB/T2348-1993）表3.2活塞杆径和缸内径的取值液压缸内径系列16，20，25，32，40，50，63，（75），80，100活塞杆外径系列10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，进行圆整，选取液压缸内径为：D=50mmΦ取1.33,则活塞杆直径根据表3.1得；当缸径取D=50mm时，杆径取d=25mm为了保证张开角为60度，通过计算得到所需活塞杆运动长度为34.08mm，所以根据《新编实用液压技术手册》表5-2（GB/T2349-1980）取液压缸行程S=40mm，2）液压缸材料确定活塞杆和活塞材料选择45号钢，缸体选择45号无缝钢管。3）活塞杆强度校核由于S<10d，活塞杆只需要强度校核，不需要稳定性校核d≥4Fπσ式中为σ材料的许用拉应力，σ=σsn式中σs为材料的屈服强度，对于钢屈服强度为ns为安全系数，这里取3d=4）液压缸壁厚计算此缸工作压力为1MPa，属低压，在壁厚δ<0.1D，则缸筒臂厚采用薄壁计算公式δ≥P1D式中：为液压缸内最大工作压力,P=1.0MPa；D为液压缸内径，D=50mm；σ为材料的许用应力，45号钢许用应力为σ=σsns，δ≥所以δ取5mm选择筒底为平面，则液压缸筒底厚度可以近似为δ≥0.433DP1σ式中符号意义同式3.11δ≥0.433×50×取缸底厚度3mm。5）最小导向长度的确定H≥S20+D2式中H为导向长度；S为活塞缸的最大行程，S=40mm；D为缸筒内径，D=50mm；B活塞宽度，B=(0.6～1.0)D,取B=36mm；A导向套长度，A=(0.6～1.0)D,取A=30mm；H≥取导向长度28mm6）液压缸的流量计算：张开时q=Av=π4×夹紧时q=Av=π4×张开时流量q=π4夹紧时流量q=π4×7）活塞缸采用的密封形式采用O型密封圈密封，因为O型密封圈具有密封性好，摩擦力小的优点。对于往复运动密封，选择压缩量（0.08～0.14）d0，d0为O型密封圈的截面直径，8）液压缸缓冲结构对于活塞缸的缓冲采用活塞杆和缸底槽组成，，当活塞底部的杆到底部时，油液被压缩，使得活塞杆减速，其结构如图3.2所示图3.2液压缸的结构图3.1.5手部的夹持误差计算搬运机械手主要工作就是夹持一个工件并把它送到指定位置，但是机械手不可能百分百将一个工件送到指定位置，其必定存在位置误差。其误差来源主要有控制系统的误差和手部夹持误差。手部夹持误差是由于工件由于加工存在一定的偏差，使得工件的大小在一定范围内变化，机械手夹持大小不同的工件时定心存在一定的偏差。所以为了满足要求，要选用合理的手部结构参数。图3.4二指机械手结构简图图3.5工件直径与夹持误差的关系若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，由几何关系有：X=lAB2最后化简为双曲线方程X2lAB工件平均半径：Rcp=70+偏转角β按最佳偏转角确定：β=所以R所以R0=∆=lAB2最后计算得Δ=0.119mm<±1mm，符合要求。3.2手臂部设计手臂部件也是机械手的执行部件，其作用是支撑手部（包括工件），并带动它们作空间运动。本设计机械手有3个运动：伸缩、回转和升降。手臂的伸缩运动由手臂的直线液压缸伸缩实现，但手臂的回转和升降运动是由立柱的升降和立柱的旋转实现，因此，手臂的各种运动是由驱动机构和其他传动机构共同实现。手臂在运动时不仅要承受自身重量，而且还要承受工件的重量和手部自身重量。3.2.1方案设计机械手臂一般由运动机构和导向装置组成。本设计的手臂是伸缩运动，所以选用直线机构，常用运动机构有：双活塞杆液压缸机构、活塞杆和齿轮齿条机构、丝杠螺母机构及活塞和连杆机构等，导向装置有单导杆机构，双导杆机构和四导杆机构等，综合考虑，本机械手臂选用双导杆双作用液压缸机构，导杆机构可以防止手臂绕轴线自旋，而且使得手臂均衡受力，并配置在伸缩缸两侧兼作手部油路的管道。手臂伸伸缩时采用单向调速阀进行回油节流调速，采用电磁换向阀变换控制活塞杆运动方向。3.2.2伸缩液压缸和导向装置的材料选择和夹紧缸选用材料一样，实心活塞杆选用45号钢，缸体选用45号无缝钢管，并调质到241～285HB，导向装置导杆采用45号钢，导杆槽用铸铁并淬火处理。3.2.3作水平伸缩在线运动液压缸的驱动力手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力及加油背压等几方面的阻力。其理论驱动力可按下式计算：F驱=F摩1）计算摩擦力F摩估计参与手臂伸缩运动部件总重量G总由工件重量、手部重量、手臂活塞杆重量、零件和油管及导杆伸出部分重量等其他重量组成，而且总重量重心位置也很难确定，现工件重量10kg，手部和零件重量约30kg，手臂活塞杆及导杆20kg，所以总重量活塞杆头到手抓支点的距离约80mm，手爪支点到到工件圆心距离100mm，手臂伸缩距离500mm，当手臂伸出500mm时，则重心距离液压缸前端的距离LL=10×680+30×540+20×25060=466.67(mm由于导向杆对称分布，导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。图3.3.导杆机构由MGL=FbaFa=F所以F摩=F其中：L为手臂总共参与运动的零件的重心距导向套前端距离；a为支承的导向套长度，a=300mm；µ为当量摩擦系数，它的值与导向支承的截面形状有关。对于圆柱面有μ=4πμ为摩擦系数，对于有润滑时，钢对铸铁：μ=0.16～0.18。所以μ=1.57×0.18=0.2826将数据带入上面公式计算得F2）密封圈摩擦F密由于选择伸缩液压缸的工作压力为2.0MPa，活塞与活塞杆之间以及活塞杆和的密封都采用O型密封圈，此时液压缸的密封阻力为F密=F3）伸缩液压缸背压F背一般液压缸的背压阻力较小，通常取F4）伸缩液压缸由于惯性产生的惯性力F惯F惯=G∆V其中∆v为静止加速到常速的变化量（m/s），手臂伸缩速度为250mm/s；∆t为起动过程的时间（s），通常取0.01～0.5s，对于低速轻载取较小值，对于高速重载取较大值，所以取∆t=0.01s；g为重力加速度（m/s2），取9.8F所以F驱=F摩+F密+F3.2.4确定液压缸的结构尺寸计算图3.4伸缩缸的结构液压缸内径的结构尺寸，如图，1）液压缸内径确定当无杆腔进油有F1当有杆腔进油有F2式中F为液压缸的油液产生的压力，F=∆PS，S为有效面积；其他符号和夹紧缸公式符号一样。由上面可知F1>F2,只要F2满足条件即可，所以有

D=进行整圆后得，取D=50mm,d=25mm。活塞杆行程根据工作要求，取S=500mm2）活塞杆强度校核d≥3）活塞杆稳定性校核由于S≥10d，所以要进行稳定性的校核，其稳定条件为F≥F式中F为液压缸的最大推力（N）；FK为液压缸的稳定临界力（N）；nK为稳定安全系数，一般取n由公式lK>mn,其中l为活塞杆的计算长度，取l=500mm；K为活塞杆截面的回转半径，对于实心活塞杆有K=JA=d4=6.25mm，m为柔性系数，对于钢m=85，n为端点安装形式系数所以当lKFK式中f为材料强度试验值，对钢f=490MPa；A为活塞杆的截面积将数据带进去，得FK=37.57N，所以2791.74≥4）液压缸臂厚计算此缸工作压力为2MPa，属低压，则缸筒臂厚采用薄壁计算公式δ≥P1D2σ=选择筒底为平面，则液压缸筒底厚度δ≥0.433DP1σ5）最小导向长度的确定H≥S其中S为活塞缸的最大行程，D为缸筒内径，所以D=50mm活塞宽度B=(0.6～1.0)D,取B=36mm。导向套长度A=(0.6～1.0)D,取A=30mmH≥H取52mm6）液压缸流量的计算伸出时q=Av=π4×缩回时q=Av=π3.3本章小结本章是机械手的手臂设计，其包括手部设计和手臂设计两个部分，手部设计内容是选择手指的结构形式、夹紧缸所需驱动力的计算和手部夹持误差的验算，并对夹紧液压缸的材料、主要尺寸等进行选择和设计校核；臂部设计内容是计算伸缩缸所需驱动力的大小、材料选择和设计主要尺寸，并对活塞杆强度和稳定性进行校核等。4机身的设计机身是直接支撑和驱动手臂的部件。通过立柱的回转和升降实现手臂的回转和升降运动，立柱一般都安在机身上，或者直接构成机身的躯干和底座相连。所以，手臂的运动越多，立柱的机构和受力情况就越复杂。4.1机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂的升降和回转运动，实现手臂的升降机构一般用一个直线液压缸，直线缸当作立柱使用，竖直在机座上。手臂的回转运动使用一个回转缸（也称摆动缸）实现手臂的回转运动，一般安装在机座底部，再使用一个导向装置防止回转缸回转时升降缸活塞问题使得手臂不回转。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。经过综合考虑分析，本设计回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用空心活塞杆的单活塞液压缸，内部导向，其结构紧凑，回转缸与手臂一起升降。设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。回转缸的输出轴就是升降缸的活塞杆，空心活塞杆里面装有一花键轴，用于活塞杆的导向，活塞缸的动片与输出轴相连，回转缸缸体与和手臂一起回转。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，分别在回转叶片两侧，通过油液的流进和流出实现叶片的回转。回转角度通过机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转90度。4.2立柱升降机构设计计算4.2.1手臂偏置力矩的计算工件重量G工件=10kg，手部和其附加零件重量G手部=G总=G手部G计算零件重心位置，算出整个手臂的重心到升降缸轴线的距离现在估算各个部件到轴线距离r所以根据平行力系的中心算法得r总=G代入数据计算得，r总图3.7机械手手臂受力图计算偏置力矩M偏=GM4.2.3手臂升降液压缸不自锁的条件分析计算手臂在重力作用下有向下的趋势，而立柱导套有防止这种趋势的发生。所以根据手臂力平衡条件FxF由M=0有F1h=G所以F1=G升降不自锁条件为手臂的重力大于导套的摩擦力，此时的重力应加上升降活塞杆的重力（约15kg）和回转缸的重量25kg，即G总+40×9.8>2F1式中f为摩擦系数；对于有润滑时，钢对铸铁的摩擦系数一般取0.1，考虑到升降液压缸的活塞与液压缸筒的摩擦，以及活塞杆与缸盖的摩擦，取f=0.16，则有h>0.213r总（所以当r总=560mm时，h>0.142r总=因此，在设计中必须考虑到立柱导套必须大于119.47mm4.2.4手臂升降运动升降的液压缸驱动力的计算F驱=F摩式中F摩为支承处的摩擦力（NF摩=2FF惯为手臂的惯性力（NF惯=G∆V式中∆v为静止加速到常速的变化量（m/s）；∆t为起动过程的时间（s），通常取0.01～0.5s，对于低速轻载取较小值，对于高速重载取较大值；±是正号表示上升，负号表示下降；F密为密封圈以及活塞与缸的摩擦力，FF背为背油压力，F±指的是上升时为正号，下降时为负号；现在取摩擦系数f=0.16，起动过程的时间∆t=0.025s1）F摩F2）F惯F所以F上升时，计算得F驱下降时,背压产生的推力等于重力，所以F驱4.2.5升降液压缸的尺寸的确定1）缸的内径的计算当手臂上升时有F1=η式中F为液压缸的油液产生的压力，F=∆PS，S为有效面积；∆P液压缸的工作压力差，∆P=3MPaD活塞杆直径；ηcm液压缸机械效率D=整圆后取D=50mm，因为升降活塞缸的活塞是靠花键轴导向的，所以活塞做成空心的，而速比Φ一般选择在1.06～2之间，空心杆其相当于液压缸类似，其安全系数取5，45号钢的许用应力为72PMa。取内部空心部分直径d=40mm，当液压缸直径选择63mm和速比取2时，活塞杆直径可以选择45mm，经计算不符合强度要求，液压缸直径D=80mm和速比取2，则活塞杆直径d=56mm2）升降液压缸活塞杆推力验算当手臂上升时，升降缸产生推力F=0.95×3×手臂下降时，升降缸产生推力FF=0.95×3×3）缸的活塞杆的强度计算拉应力强度σ=F驱Aσ活塞杆受到偏置重量作用和回转缸的作用下，活塞杆受到弯曲和扭转的作用。空心活塞杆的抗弯截面系数Wz=π抗扭截面系数Wt=π其中α=偏置转矩由前面可知M偏σt,max=σσ与回转缸相连的花键轴对空心活塞杆产生的扭转切应力，45号钢的许用应切力为40MPaτ所以合应力σ=(34.14+3.19)4)活塞杆的稳定性校核虽然活塞杆的导程S<10d,但是活塞杆为空心杆，活塞杆一端固定，一端自由，根据材料力学细长压杆的临界压力公式，其临界压力Fk=π其中E为材料的弹性模量，对钢E=209GPa；I为杆的截面惯性矩，对于圆环截面I=πl为活塞杆的长度；所以代入数据F空心活塞杆的稳定安全系数为nK=FnK=5）升降缸的流量的计算上升时q=Av=π4×下降时q=Av=π4×式中d所以上升流量q下降时的流量q6）升降缸的厚度的计算液压缸工作压力为3MPa，为中压，则缸筒壁厚采用厚壁计算公式（D/δ<10）δ≥D2σ+0.4式中D为缸筒的内径；Py为试验压力，当缸的额定压力P<16MPa,取Py=[σ]为材料的许用应力，45钢取72MPaδ≥为了安全，所以δ取10mm。选择筒底为平面，则液压缸筒底厚度δ≥0.433DP1σ（式中符号含义同上δ≥0.433×80×所以取10mm。7）活塞导向长度的确定H≥S20+D2式中H为导向长度；S为活塞缸的最大行程，S=500mm；D为缸筒内径，D=80mm；B活塞宽度，B=(0.6～1.0)D,取B=70mm；A导向套长度，A=(0.6～1.0)D,取A=50mm；H≥4.3机身轴承的选择机身的升降运动和回转运动，要求轴承承受双向的轴向载荷作用。本设计采用双支点各单向固定结构。作为固定支撑的轴承，能承受双向轴向载荷，故内外圈在轴向全要固定。本设计采用两个圆锥滚子轴承，面对面的组合结构。这种结构可以承受双向轴向载4.4回转液压缸的设计计算4.4.1回转液压缸的驱动力矩的计算由于回转缸安装于升降缸之上，回转缸使手臂回转只受到惯性力矩、回转部件处的摩擦力矩和背压产生的力矩作用，其计算公式如下M驱=M摩惯性力矩的计算M惯=J式中∆w为回转液压缸动片的角速度变化量（rad/s）；∆t为回转液压缸动片起动所需的时间（s）J0为手臂对回转轴线回转的转动惯量（N.m.假设手臂回转所有零件的重心与回转轴的距离为d，则有J0=Jc+式中的Jc为Jc=m根据r总=560mm，钢的密度为7.9×103kg/m3，回转部件可以等效为一长为1120mm，直径为107.3mm的圆柱体，质量为80JJ所以M根据前面的伸缩缸计算摩擦和背压阻力类似，M背=M驱=M摩+M4.4.2回转液压缸尺寸的初步计算图4.5单叶片摆动液压缸的结构图1）回转液压缸内径和输出轴直径的计算油液作用在动片上的力矩为M理=r式中Δp为摆动液压缸的进出口工作压力；R=0.5D为摆动液压缸的半径；r=0.5d为输出轴半径；b动片宽度摆动液压缸由于泄漏、摩擦等原因，理论输出转矩会小于实际转矩，要使手臂转动，则ηM理≥M驱，η为摆动液压缸的总效率，D≥8M驱式中：D为回转缸内径；d转轴直径；为减少动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度（即液压缸宽度）时，可选用2bD-d≥2所以这里取2bD-d=3，回转缸的静片和动片宽b=60mm，选择液压缸的工作压强为3Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设d=70mm,则回转缸的内径D=110mm,，整圆所以回转缸输出的驱动力矩为M=符合要求2）回转缸壁厚计算由于回转液压缸压力为3MPa，所以采用厚壁计算δ≥D2σ+0.4P式中D为缸筒的内径；Py为试验压力，当缸的额定压力P<16MPa,取Py=[σ]为材料的许用应力，45钢取72MPaδ≥因为D/δ<10,则取壁厚为30mm选择筒底为平面，则液压缸筒底厚度采用公式4.21δ≥0.433×125×3）回转缸流量计算设回转缸的容积效率为ηv=0.95，当油液进入回转缸内时，使得动片以角速度ω=Q=3b(D2Q=4.4.3液压缸盖螺钉的计算图4.6缸盖螺钉分布图由《工业机械手设计基础》螺钉与压力关系表6-7转换可以得下表表4.1螺钉间距L与压力P之间的关系工作压力P(MPa)螺钉间距s（mm）0.5～1.5小于1501.5～2.5小于1202.5～5小于100由上表可知，液压缸的工作压力为3MPa时，螺钉间距小于100mm，试选择6个螺钉，则L=螺钉由于回转缸的密封要求，每个螺钉其受力为工作拉力和预紧力之和F总=F+F预缸盖的面积近似为S=π4DF=∆PSz（4式中z为固定螺钉的个数；F=所以螺钉预紧力F预=kF（式中k为螺纹宁紧系数，k=1.12～1.5F螺钉材料选择Q235A钢，则材料许用拉应力σ=σsn=螺钉直径ds≥4×1.3F式中符号意义同上所以

d所以螺钉的直径取M14.4.4动片和输出轴间的连接螺钉计算动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数，在动片两边对称安装，并用定位销定位安装。螺钉的作用是在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，使动片和输出轴之间的配合紧密，根据力矩的平衡条件，则有以下等式：Pb(D2-d2化简得Q0=Pb(D2式中Q0f是与被连接件配合面摩擦系数，钢对钢时取f=0.15；z是螺钉的个数，取2；D和d分别为动片的外直径和输出轴配合处的直径；b为动片宽度又因为螺钉的强度条件：d由于螺栓需要承受较大的力和摩擦，螺钉材料选择45Cr合金钢，则材料许用拉应力σ=10301..22=515将对应数据代入上面公式，得Q计算载荷QQ1=1.3所以螺钉内径d因此，螺钉外直径取M104.5本章小结本章首先是对机身的整体设计，然后对立柱升降液压缸的受力进行分析，计算出升降缸所需驱动力后设计升降液压缸的具体尺寸，并进行校核验证；然后是选择机身回转的轴承，最后就是设计回转液压缸的尺寸、缸盖的螺钉计算和动片与输出轴连接螺钉的计算。5机械手的液压系统设计5.1机械手的液压系统简介机械手的液压传动系统，简单来说，就是以液压缸将液压油的压力能转化成机械能，通过传动机构使机械手执行机构运转的系统。液压系统的传动介质为具有压力能的液压油，液压泵作为提供油液压力能的动力元件，液压控制阀作为控制油液的流动方向控制元件，通过油液流动大小和方向来控制液压缸的运动。5.2各元件液压系统设计方案1）手部夹紧缸液压系统设计。夹紧缸的工作过程是活塞杆伸出时手指夹紧工件，活塞杆回缩时手指松开工件，而且要求夹紧和松开的时间一样。由于系统压力为3MPa，而夹紧缸的压力为1MPa，所以采用一个减压阀构成减压回路，使得系统压力降到1MPa，活塞杆伸出和缩回采用一个三位四通M型电磁换向阀改变液压缸的运动方向。为了使机械手的夹紧和松开的时间一样，所以采用在进出液压缸的油路都用一个由调速和单向阀并联组成一个回油节流调速回路，并在进入有杆腔油路添加一个压力继电器，用来防止手指夹持力过大损坏工件。图5.1夹紧液压缸液压系统原理图2）手臂伸缩缸液压系统设计。伸缩缸的工作过程是活塞杆伸出将手部送到指定的空间位置，等手部完成动作后，活塞杆缩回，伸出和缩回的时间一样。和夹紧缸一样，手臂伸缩缸的压力为2MPa，低于系统压力，需要串联一个减压阀构成减压回路。伸缩的时间相同，则在伸缩缸的进出油路装上一个由调速阀和单向阀并联组成一个回油节流调速回路。图5.2伸缩液压缸液压系统原理图3）立柱升降缸液压系统设计。立柱升降缸的工作过程是活塞杆伸出将机械手的手臂和手部等提起，待回转缸将手臂回转后，升降缸的活塞缩回将手臂和手部等元件慢慢放下，完成一次操作。由于升降缸的进油压力为系统的供油压力，所以不用减压阀。为了控制升降缸的上行和下行时间相同，同样采用进出油路加装一个单向阀和一个调速阀并联形成的回油节流调速回路。当升降缸下行时由于某种原因，液压泵停止工作，而夹持工件的手臂可能会有因自重而任意下降的危险，采用一个顺序阀和一个单向阀并联的平衡回路防止这种情况发生，为了使机械手臂能在过程中的任意位置停止，防止发生位移，影响工作定位等，所以采用一个由进油口控制的液控顺序阀。同理，为了改变升降缸的运动方向，采用一个三位四通M型电磁换向阀。4）机座回转缸液压系统的设计。回转缸的工作是当手臂上上升完成后，回转缸回转，带动手臂回转，等手臂完成动作后再次回到顶部，回转缸再次回转完成一个动作循环，同样的，回转缸的回转速度或者时间可以通过进出油路加上一个调速阀和单向阀并联组成的回油节流调速回路进行调速。回转方向也是由一个三位四通电磁换向阀完成回转方向的变化。图5.3升降液压缸液压系统原理图图5.4回转液压缸系统原理图5）液压泵供油系统的设计。液压泵是由电机带动将油液压入液压系统中形成压力能，由于油箱不密封或者液压缸磨损，混有一些杂屑在油液中，所以需要进出油口需要加装一个过滤器，又因液压泵的出油口压力不可能和系统算出的压力相同，或者说为了保证系统定压和防过载等，采用一个溢流阀保压。图5.5液压泵供油系统系统原理图4.3液压工作原理图和机械手的动作流程图5.6机械手液压系统原理图由上面液压系统原理图可以知道，油液从油箱到过滤器，然后经过液压泵形成有液压能的油液，再经过单向阀，单向阀的作用是防止油液回流和保持系统压力，旁边有一个蓄能器23是用于缓冲和保持流量稳定的装置，使液压缸能快速响应。压力继电器23首先设好压力值，用于调节系统压力稳定，防止手指夹紧力过大工件被压坏，下面以机械手的一个动作循环来讲解各个液压元件的工作。1）手臂原位下降：当电磁铁6YA通电，三位四通电磁换向阀位于右位，油液从单向阀15进入升降缸的有杆腔，活塞杆缩回，手臂下降，油液从升降缸的无杆腔出来到顺序阀16，当压力够大时，顺序阀16打开，油液流到调速阀17，通过调速阀17可以控制下降的快慢，最后经单向阀流回油箱。单向顺序阀16其防止手臂因自重下滑作用。2）手臂伸出：当手臂下降到最低点后，电磁铁3YA开始通电，油液由减压阀5到三位四通电磁阀放到左位，经过单向阀13进入伸缩缸的无杆腔，手臂伸出，然后油液从有杆腔出来到调速阀10，然后流回油箱。3）手指夹紧工件：当手臂伸出到达工件位置后，电磁阀1YA通电，油液经过减压阀4到三位四通电磁阀的左位，经单向阀9进入夹紧缸的无杆腔，夹紧缸活塞伸出，手指夹紧工件，油液从夹紧缸有杆腔出来到调速阀6，然后流回油箱。4）手臂缩回：当手指夹紧工件后，电磁铁4YA通电，油液从三位四通换向阀的右位，经单向阀11进入伸缩缸的有杆腔，手臂缩回，油液从伸缩缸出来到调速阀12，最后流回油箱。5）手臂上升：当手臂缩回后，电磁铁5YA通电，油液由三维四通电磁铁的左为经单向阀18进入升降缸的无杆腔，手臂上升，油液出来经过调速阀14流回油箱。6）手臂回转：当手臂上升完后，电磁铁7YA通电，油液由三位四通换向阀的左位经单向阀22到回转缸，回转缸带动手臂回转，油液从回转缸出来到调速阀19流回油箱。7）手臂下降：当手臂回转后，电磁铁6YA再次通电，油液进入三位四通电磁换向阀右位，再从单向阀15进入升降缸的有杆腔，活塞杆缩回，手臂下降，油液从升降缸的无杆腔出来到顺序阀16，当压力够大时，顺序阀16打开，油液流到调速阀17，然后流回油箱。8）手臂伸出：当手臂下降到最低点后，电磁铁3YA开始通电，油液由减压阀5到三位四通电磁阀左位，经过单向阀13进入伸缩缸的无杆腔，手臂伸出，然后油液从有杆腔出来到调速阀10，然后流回油箱。9）手指张开：当手臂伸出到达工件放置的位置后，电磁阀2YA通电，油液经过减压阀4到三位四通电磁阀的右位，经单向阀7进入夹紧缸的有杆腔，夹紧缸活塞缩回，手指松开工件，油液从夹紧缸无杆腔出来到调速阀9最后流回油箱。11）手臂缩回：当手指松开工件后，电磁铁4YA再次通电，油液从三位四通换向阀的右侧，经单向阀11进入手臂伸缩缸的有杆腔，手臂再次缩回。12）手臂上升：当手臂缩回后，电磁铁5YA再次通电，油液由三维四通电磁铁的左为经单向阀18进入升降缸的无杆腔，手臂再次上升，油液出来经过调速阀14流回油箱。13）手臂反转到原位：当手臂上升完后，电磁铁8YA通电，油液由三位四通换向阀的右位经单向阀20到回转缸，回转缸带动手臂反转，手臂回到原来位置，油液从回转缸出来到调速阀19流回油箱。完成一个动作循环。5.4系统压力和液压元件的选择由结构设计部分可知，各个液压缸的流量和压力如下表表5.1各个液压缸参数表液压缸工作压力（MPa）杆伸出流量（L/min）杆缩回流量（L/min）夹紧缸14.7123.534伸缩缸214.7303.515回转缸33.9903.990升降缸328.27019.2301）各个液压控制阀的型号选择表5.2液压控制阀选用表编号元件名称实际通过阀的最大量（L/min）型号公称流量（L/min）最高工作力（MPa）1液压泵38.4Y-6.32溢流阀6.5DT-02-B-221673单向阀28.270S15G106531.54减压阀4.712PR(C)V-G/T03-1-1050255减压阀14.730PR(C)V-G/T03-1-1050256调速阀3.543MFC-02A-l-2023257单向阀3.543CIT-02-04-5016258调速阀4.712MFC-02A-l-2023259单向阀4.712CIT-02-04-50162510调速阀3.515MFC-02A-l-20232511单向阀3.515CIT-02-04-50162512调速阀14.730MFC-02A-l-20232513单向阀14.730CIT-02-04-50162514调速阀19.230MFC-02A-l-202325续表15单向阀19.230CIT-03-35-50302516液控顺序阀28.270XIY-63B636.317调速阀28.270MFC-03A-l-20452518单向阀28.270CIT-03-35-50302519调速阀3.990MFC-02A-l-20232520单向阀3.990CIT-02-04-50162521调速阀3.990MFC-02A-l-20232522单向阀3.990CIT-02-04-50162523压力继电器-DP25--24蓄能器-NXQ1-L2.5/10-H-10夹紧缸换向阀4.7124WE5E6.0/AW220R1531.5伸缩缸换向阀14.7304WE5E6.0/AW220R1531.5回转缸换向阀3.9904WE5E56.0/AW220R1531.5升降缸换向阀28.2704WE6E61/W220R6031.52）液压泵的选择机械手的液压系统多数采用定量油泵供油，油泵的选择是根据系统所需要的油泵工作压力Pp泵的工作压力Pp≥P式中PpPmax∆p为油液流经流量控制阀和其他元件的局部压力损失、管道的沿程压力损失等，∆p=0.5MPa（一般简单系统取0.2～0.5）；P上述计算所得的是系统的静态压力，考虑到系统在各种阶段会出现动态压力超过态.21压力和保留一定的压力贮备量，确保工作泵的寿命，因此选泵的额定压力Pn≥（油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量Q最大，并考虑系统的总泄漏来确定。由上表可知，泵的流量为Q≥kQmax其中k为系统泄漏系数，一般取1.10～1.3；QmaxQ≥根据Pn和Q查阅《新编实用液压手册》表3-35表5.3液压泵各项参数型号排量mL/r额定压力(MPa)驱动功率(KW)额定转速(r/min)机械效率容积效率重量kgY406.35.596087%92%163）确定驱动泵工作的电机由液压泵的额定转速确定电机转速为960r/min所以泵的输出功率W=Pn×Q式中η为泵的机械效率W=考虑到液压泵与电机之间用联轴器连接，则电机实际输出功率W表5.4电机主要技术参数型号额定功率(KW)转速（r/min）质量kgY132M1-6496073图5.6电磁铁动作图4）辅助元件的选择由于液压系统一般采用紫铜管，所以本设计也采用紫铜管。管道内径d=4qv式中qv为管道内的流量(m3v为管道内流液的流速(m/s),取液压泵的吸油和回油管道的流速为1.5m/s,液压系统的压油管道流速为3m/s管道壁厚δ=∆pd2[σ]（式中Δp为管道内的压力(Pa)；d为管道内径(m)；[σ]为管道材料的许用应力（Pa）,紫铜的许用应力为250公斤/平方厘米，即σ=25MPa对于钢有σ=σsn，σs为选择紫铜管，则泵油管壁厚为δ=表5.5系统所选管道直径管路名称通过最大流量(L/min)设计流速(m/s)计算出管道内径(mm)实际取值(mm)管道壁厚(mm)泵吸油管38.41.523.31242泵回油管38.41.523.31242夹紧缸油管4.71235.77122伸缩缸油管14.730310.21122回转