车床上料机械手设计

题目：车床上料机械手设计目次摘要 摘要本课题是为车床自动送料设计的上料机械手，在整体设计方案下对机械手各部分进行参数设计以及校核。通过应用AutoCAD技术对机械手进行结构设计和液压传动原理设计，它能实行自动上料运动；在安装工件时，将工件送入卡盘中的夹紧运动等。上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。通过对课题的研究，首先对机械手的整体设计方案进行分析，确定机械手的驱动方式，所需要的动作要求。机械手采用的驱动方式是液压驱动，且有四自由度。根据方案的内容与要求来设计机械手的抓取机构，通过计算机械手各部分的驱动力以及尺寸要求选取液压泵，对液压系统原理进行设计分析、绘图。对机身机座进行结构设计，选取合适的电机，对各部分进行计算和校核。本文具体介绍了机械手的研究现状以及国内外的发展趋势以及机械手的分类和组成，并且对机械手抓取机构的尺寸进行具体设计和计算。通过对液压系统原理的设计分析，选择液压元件同时绘制出草图。同时对机械手的定位与平稳性进行了简单的介绍。关键词：机械手；AutoCAD；驱动方式LathefeedingmanipulatordesignAbstract:Thistopicisdesignedforautomaticlathefeedfeedingmanipulator,undertheoveralldesignschemeofmechanicalpartsforparametersdesignandcheck.ByapplyingthetechnologyofAutoCADdesignofmanipulatorstructureandhydraulicprincipledesign,itcanimplementautomaticfeedingmovement;Wheninstallingaworkpiece,theworkpiecetochuckintheclampingmovementandsoon.Feedingmanipulatormovementspeedisaccordingtomeettherequirementsofproductivitytoset.Basedontheresearchofthesubject,firstofalltotheoveralldesignschemeofthemanipulatorwereanalyzed,anddeterminethedrivingmodeofmanipulator,therequiredaction.Mechanicaldrivemodeisusedinhydraulicdrivingandfourdegreesoffreedom.Accordingtotherequirementsoftheplancontentandtodesignthescrapingofthemanipulatorinstitutions,bycalculatingthemanipulatordrivingforceandthesizeofeachpartrequirestheselectionofhydraulicpump,thehydraulicsystemprincipletocarryonthedesignanalysis,drawing.Wascarriedoutonthefuselageframestructuredesign,selectionofsuitablemotor,tocalculateandchecktheparts.Thispaperintroducestheresearchstatusofthemanipulatoranddevelopmenttrendbothathomeandabroadaswellasclassificationandcompositionofthemanipulator，andthesizeofthespecificdesignofmanipulatorgraspingmechanismandcalculation.Throughanalyzinghydraulicsystemprincipleofdesign,choosehydrauliccomponentssketchmapatthesametime.Atthesametimeforpositioningandstabilityofthemanipulatorhascarriedonthesimpleintroduction.Keywords:manipulator；AutoCAD；Driveway1绪论1.1课题选题的背景和选题目的1.1.1选题背景机械手是一种能够模仿人类上肢运动，并且具有抓取和移动工件的自动化装置，它在自动化生产过程中使用中占有着重要地位。机械手是在自动化、机械化生产过程中慢慢发展起来的新型自动化装置。随着电子技术的发展特别是电子计算机在社会中的广泛应用，机器人的开发与生产已经变成了高技术领域内迅速发展起来的一项新兴的技术，它加快了机械手的发展，让机械手能够更好地实现自动化和机械化的结合。机械手能够代替人类完成各种危险、重复而又枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产效率。在机械行业中它的用途也及其广泛，比如零部件组装，工件的运送、装卸。它在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。机床设备和机械手共同组建成了一个柔性加工系统或柔性制造单元。在中、小批量的生产下，可以节省下庞大的工件输送装置与巨大的人力，而且其结构紧凑，适应力强。在工件变换时，柔性生产系统能够容易的做出变化，有利于企业不断更新适销对路的产品，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。目前，工厂车削时，主要还是由人工搬运，劳动强度大，生产效率低，直接影响到工厂自动化生产效率的提高，因此，不论是从经济上，还是技术上考虑，设计出一种能代替人力进行自动上料的车床上料机械手是十分必要的。1.1.2选题目的

目前，在国内很多工厂在进行物料车削时，上料仍然主要由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,针对具体生产工艺，利用机器人技术，设计上料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足加工中心的加工过程安装工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。1.2机械手的研究现状和发展趋势1.2.1机械手的概述机械手是一种模仿人类上肢运动并能够自动操作的机械。在固定的程序下它能完成某些指定操作，比如搬运工件或者抓取物品。在人类需要完成各种单调、重复而又烦躁或繁重的体力劳动时可使用应用机械手代替，实现生产的机械化与自动化。当在有害的环境下进行的手工操作时就更需要用到机械手来代替人类进行操作，这样不仅可以改善劳动条件，还能保证人身安全。因而在机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门中，机械手被广泛使用。

机械手的组成部分有手部和运动机构,手部是用于工件的抓取,根据所被抓取工件的形状、大小、重量、材质和作业要求要有多种结构。运动机构，使手部完成人类各种所需规定的动作，让抓持工件的位置和姿势发生改变。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手一般会用于机床或其他机器作为附加装置，在自动机床或自动生产线上附加装配上机械手可作为装卸和传递工件的装置，也可以用在加工中心中使其能够自动更换刀具等。通常情况机械手不能作为独立的控制装置。有些操作装置需要人为操纵而不是自动进行操作，比如用于操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手，此机械手常用在原子能部门。1.2.2国内外机械手的发展趋势当下机械手在工业中的应用逐步扩大，技术性能也在不断的提高，但是机械手在技术上还有一个逐步完善的过程，其发展趋势有以下几点。1）重复高精度机械手能够达到指定点的精准程度称为精度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复进行多次，机械手到达同样位置的精度程度。重复精度比精度更加重要，当机械手定位不够精确时，会显示出一个固定的误差，而这个误差是可以预测的，所以可以通过编程进行校正。重复精度的限定是一个随机误差的范围，通过一定次数地重复运行机械手测定出其重复精度。近年来,随着微电子技术和现代自动化技术越来越快的发展，机械手的重复精度变得越来越高，其应用于社会的各个生产生活方面，比如应用核工业和军事工业等。2）模块化目前,有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术。而用模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手有着更具灵活的安装体系，它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手动作自如。模块化机械手是同一个机械手应用不同的模块时会具有不同的功能，使机械手的应用范围变得更加广阔，是机械手的一个重要的发展方向。3）节能化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的雾润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。4）机电一体化由“可编程控制器—传感器—液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；节省配线的复合集成系统，能够减少配线、配管和元件，同时便于拆装，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。5）逐步扩大机械手在热加工行业上的应用就目前国内机械手行业来说，机械手更多的应用在机械工业冷加工作业中，而在热加工以及装配作业等方面的应用则相对较少。因为热加工作业的对象情况较为复杂,比如物件较重、形状复杂、环境温度高等，这对于机械手的设计与制造要求会更高，这需要解决技术上的难点，机械手才能够更好的服务于热加工作业。6）提高机械手的工作性能机械手能否正常地应用于生产工作中取决于机械手工作性能的优劣。机械手能否保质保量地完成各种操作任务必须考虑到机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度这两个指标。重复定位精度和工作速度是机械手工作性能的两个重要因素。因此，为了满足机械手的工作平稳性和快速性的要求，除了需要解决缓冲定位措施人手外，还要发展满足机械手性能要求且价格便宜的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手。7）发展组合式机械手从机械手本身的设计特点来说，可改编程序的机械手更适应产品设计、设备更新、多品种小批量的生产要求，但是它的成本较高，专用机械手价格便宜，但适用范围受到限制。因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计加工，这就提高了产品的成本。为了适应不同领域的要求，可将机械手的结构设计成组合型式。这种机械手兼顾了设计上的通用性和使用上的专用性，便于标准化、系列化设计生产，有利于提高机械手的质量同时有降低了成本，是一种很有发展前景的机械手。目前，国外已将研制力度投入到了拥有特殊能力的智能机械手，比如具有一定的传感能力，能根据外界条件的变化进行相应的改变。比如位置发生变化时，能及时自行进行检测与更正，重点研究对象是视觉功能和触觉功能，而且当前已经取得一定的成绩。在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机时，机械手会具有视觉功能。在机械手工进行作时，电视照相机能够把物体的大小、形状转变成视频信号，再把信号传送给计算机，然后计算机对物品的形态进行分析，最后发出指令控制机械手进行工作。在机械手上安装有触觉反馈控制装置让机械手具有触觉功能。现在国际的高端工业机械手有向高精化、高速化、多轴化、轻量化发展的趋势。定位精度越来越高,足以满足微米、亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，新产品达到6轴，负载2KG的产品系统的总重量突破100KG。1.3机械手的组成与分类1.3.1机械手的组成机械手的主要组成部分有：执行机构、驱动系统、控制系统。1）执行机构主要组成部分有手部、手腕、手臂和立柱等部件，个别情况下有的会增加行走机构。手部：是机械手和物品直接接触的部件。根据手部和物品接触方式划分，可分为夹持式和吸附式手部。由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。通过手指和传力机构的组成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。手腕：是联接手部和手臂的部件，通过手腕动作改变抓取工件的方位。手臂：支承手腕和手部的部件，起调整或改变工件空间方位的作用。立柱：是支承手臂的部件。手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的。机座：是机械手的基础部分。机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支承和联接的作用。2）驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。其驱动方式有四种，分别为：液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。3）控制系统：控制系统作为机械手的指挥系统是机械手最为重要的组成部分，它控制驱动系统，使执行机构按照设定的程序进行规定的工作，并检测其正确与否。1.3.2机械手分类根据所承担的作业的特点，工业机械手可以分成以下所说的三种：1）承担搬运工作的机械手：这类机械手是用来完成辅助作业的，工艺设备运行中需要完成的如装卸毛坯、工件等工作时可采用搬运工作机械手。生产工业用机械手：用于完成工艺过程中的主要作业。在进行装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等工业作业时，一般都会用到这一类机械手。通用工业机械手：通常可以完成各种工艺作业它的用途十分广泛。2）按功能分类专用机械手：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。一般专用机械手的自由度较少所以动作少，因为其工作对象单一、结构简单、实用可靠而且造价低，所以适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。通用机械手：又称工业机器人。它具有独立控制系统的机械装置，结构比较复杂，但是它具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强等优点，适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。示教再现机械手：采用示教法编程的通用机械手。示教是指由人通过手动控制，操控着机械手做一遍操作示范，在完成全部动作后，它的储存装置能够记忆下来。之后机械手可按示范操作的程序行程进行重复的之前的操作示范工作。3）按驱动方式分：液压传动机械手；气压传动机械手；机械传动机械手4）按控制方式分固定程序机械手：何为“固定”，指的是控制系统是一个固定程序的控制器。它的程序简单，程序数少，而且是固定的，行程可以调节，但是不能任意点定位。可编程序机械手：控制系统是一个可变程序控制器。它的程序可按照需要来进行编排，行程能很方便改变。1.4本课题的研究内容和要求研究数据及资料：原始数据：四个自由度、臂转动180º、臂上下运动500mm、臂伸长（收缩）500mm、手部转动±180º。技术要求：主要参数的确定：1）坐标形式：直角坐标系2）臂的运动行程：伸缩运动500mm回转运动180º。3）运动速度：使生产率满足生产纲领的要求即可。4）控制方式：起止设定位置。5）定位精度：±0.5mm。6）手指握力：392Ng、驱动方式：液压驱动。工件形式及分析动作要求：工件形式：工件为重量10kg，长度小于800mm的小型回转体棒料。动作要求分析：动作一：送料；动作二：预夹紧；动作三：手臂上升；动作四：手臂旋转；动作五：小臂伸长；动作六：手腕旋转。2抓取机构的设计2.1手部的设计及其计算2.1.1手部设计要求1）具有适当夹紧力在手部工作的时候，需要具有适当的夹紧力，保证夹持时能够稳定可靠，变形要小，而且不会损坏工件已经加工表面。在对于刚性差的工件夹紧力的大小要设计得可以调节，在对于笨重的工件要考虑用自锁安全装置。2）具有足够的开闭范围对于夹持类手部的手指都需要有张开以及闭合的装置。在工作的时候，一个手指开闭的位置以最大的变化量称之为开闭范围。对回转类型手部手指的开闭范围，可以用开闭角以及手指加紧端的长度来表示。手指的开闭范围要求和许多的因素有关系，比如工件的尺寸和长度，手指的尺寸和长度。一般情况，如果工作环境满足，开闭的范围大一点比较好。3）设计要求结构简单，体积要小，重量轻由于手部位于手腕的最前端，工作的时候运动形态多变，它的结构，体积以及重量会影响整个机械手结构、抓重、定位精度、运动速度等性能。所以，设计手部的时候，要求结构简单，体积要小，重量轻。4）手指需具有一定强度和刚度5）其他要求上料机械手、夹紧机械手，需根据工件形状，采用最为经常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式则用常闭式弹簧夹紧，在松开的时候，采用单作用式液压缸。这种结构比较简单，制造方便。2.1.2拉紧装置设计原理1）拉紧油缸尺寸设计图2.1油缸示意图如图2.1所示：在油缸的右腔停止进油的时候，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油的时候松开工件。图2.1中：R为传动销到定位销的长度；Θ为连杆中心线与夹紧力作用线之垂线夹角；L为连杆长度；2）液压缸内径D的计算初步确定：L=150mm、R=50mm、θ=30°，手指对工件夹紧力F由（2-1）计算可得F=N×2Lcosθ由于设计要求预紧力N=G=392N,所以：F=由于实际采用的液压缸驱动力F计算F实际=ηK上式中K1为安全系数，一般情况下取1.2~2.0；K2为工作情况系数主要考虑惯性力影响，一般情况取1.1η为手爪机械传动效率，一般情况取0.85~0.9.所以有：F则可确定液压缸的直径DF实际=π（假设夹紧缸直径为D，活塞直径取：d=0.5D,压力油工作压力为P=2.5×10MPa，则有：D=根据GB/T2348-93液压缸的内径尺寸系列确定：D=50mm，活塞杆直径取：d=0.5D=25mm，行程为25mm；由上述条件取液压缸活塞杆直径d=25mm，且活塞杆的长度比较短，则不用校核其强度。缸壁厚度δ的计算对低压系统，液压缸缸筒厚度要按薄壁筒来计算δ≥PPD2(2-4)式中δ为液压缸缸筒的厚度（mm）；PP为实验压力（MPa），当工作压力P≤16MPa时，PP=1.5P,当工作压力P≥16MPa时，PP=1.25P,这次设计的液压系统的压力为2.5MPaσ为缸体材料许用应力（MPaσb为缸体的材料抗拉强度（对锻钢σ=100~120MPa，铸钢σ=100~110MPa，钢管σ=100~110MPa，铸铁σ=60MPa，σ采用铸铁材料，σ=60MPa。因为σ=σbn，n为安全系数，n=3.5δ=3.75×50/2×60=1.56mm因为结构设计的需要，取δ=10mm。液压缸外径D0D0=D+2δ=50+2×10=70m因为L≤（20~30）D0确定液压缸活塞的行程S按照GB/T2349-1980标准系列来确定液压缸活塞的行程为40mm。（2）运动范围及速度伸缩运动：VmaxVmin回转运动：Wmax=90°Wmin=30°上升运动：VmaxVmin下降运动：VmaxVmin则取手部驱动活塞的速度为V=60mm/s。（3）手部右腔流量Q=SV=60πR(4)手部的工作压强p=F实际S2.2腕部的设计及其计算根据设计要求：角速度为W=45°/s，回转范围为±90°。用最大负荷计算：在工件处在水平位置时，回转缸工件扭矩最大，2.2.1腕部扭矩的计算图2-2腕部的受力简图设工件受力集中在距离手指中心200mm处，则扭矩M1M1=FS=10×9.8×0.2=19.6N∙M2.2.2油缸（伸缩）以及配件估算扭矩F=5kg，s=100mm将其带入2-7式中得：M2=FS=5×9.8×0.1=4.9（1）回转缸的摩擦力矩MF摩S=20mmM摩=F摩S=30×（2）回转缸的总摩擦力M=M1+M2+M摩2.2.3腕部回转液压缸的尺寸计算（1）液压缸内径的计算由于回转缸的驱动力矩M和回转缸的压力P关系为：M=Pb（R2-r2）/22-9中：M为回转缸的驱动力矩；P为回转缸的工作压力；R为缸体内壁的半径；r为输出轴半径；b为动片宽度；力矩M和压力P的关系式是对应和压力腔的背压为零时的情况而言的，若是低腔有一定的背压，则P为工作压力和M的关系推导可得缸体的内壁半径为：R=2MPb+r轴的半径r是由结构设计确定为15mm，查表按照标准系列圆整，取R=50mm，则回转液压缸的内径为100mm，所以即可确定回转液压缸回转行程。由方案设计得知，腕部的回转行程为0~180°。（2）液压缸壁厚δ计算对于低压系统情况，液压缸缸筒厚度一般则按照薄壁筒来计算：δ≥PPD/2σ2-10中：δ为液压缸缸筒的厚度（mm）；PP为试验压力(MPa),工作压力P≤16MPa时，Pa=1.5P；工作压力P≥16MPa时，PP=1.25P，因为这次设计的液压系统的压力为2.5MPa，所以D为液压缸的内径（mm）；σ为缸体材料的许用应力（MPa）；又因为有：σ=σb/n其中n为安全系数，n一般为3.5~5，一般取n=5。对于锻钢来说σ=100~120MPa；而铸钢σ=100~110MPa;钢管σ=100~110MPa，铸铁σ=60MPa。本设计选择铸铁材料σ=60MPa。将所算得数据代入公式2-10可得：δ≥3.75×100/2×60，计算得δ≥3.125满足结构设计需要取δ=17.5mm液压缸的外径D0和宽度b的计算：D0=b≤（20~30）D0(3)腕部回转液压缸回转行程确定方案设计腕部回转行程0~180°，现确定b为叶片厚度取b=30mm，∅AL为摆动缸内径，取∅AL=100mm，∅mm为转轴直径，取∅mm=30mm，P为回转缸工作压力。由于驱动力矩M和压力P关系式为对应和压力腔为零的时候的情况而言，当低压腔有一定背压时，P为工作压力和背压的差值。由公式：M=P×b∅所以工作压力：P=8Mb*又因为：W=8Q∅AL2-所以Q=W∅上式中Q为流量，W为回转缸的角速度。2.3手臂伸缩机构的设计2.3.1液压缸活塞驱动力的计算1）活塞驱动力计算方案设计为手臂伸缩速度200m/s，行程l=500mm。F=F惯+F摩上式中F惯为启动或者制动时活塞杆受到的平均惯性力。F摩擦力的计算F摩=μmg（2-15上式2-14中μ为摩擦系数（钢对铸铁：取μ=0.18~0.3，现取μ=0.3）.m为手臂伸缩部件的总质量，包括工件质量，m=10+20=30kg。所以F摩=0.3×30×2）起动或者制动时活塞杆受到的平衡惯性力计算F惯=W∆Vg∆t2-15式中W为手臂伸缩部件的总重力，∆V为由从静止加速至常速的变化量（m/s），现取∆V=750×10-3m/s，∆t为起动过程的时间（s），一般情况取0.01~0.5s，对于轻载低速运动的部件取较小值，对于重载高速的远动部件则取较大值，现取所以：F惯所以总的驱动力为F=F摩+F2.3.2液压缸机构尺寸的设计由驱动力计算液压缸结构尺寸D=4FπPη+d22-16中D为液压缸的直径，其中d=0.5D，η为载荷率，取η为0.7~0.85，P为液压缸的工作压力，取P=2.5MPa，F为液压缸的驱动力。所以：D=16F3πPη根据GB/T2348-93，液压缸活塞杆的外径尺寸系列确定d=20mm，行程500mm。2.3.3腔流量的计算由公式（2-5）可得：Q=πD上式中Q为流量，V为活塞杆的速度，取V=200mm/s。手臂右腔工作压力的计算由公式2-6可得：P=F上式中F为系统总的驱动力。则带入公式（2-12）可得：P=FS=F2.4液压元件的选择如表2-1为机械手各机构的工作参数表表2-1机械手各机构的工作参数表机构名称工作速度工作压力工作行程流量手部抓紧60mm/s1.78MPa25mm117.8m/s腕部回转45°0.89MPa±90°17m/s手臂伸缩200mm500mm500m1000m/s2.4.1液压泵的选择实验所需的液压最高的压力为：P=1.78PMa。所需的液压最大的流量为：Q=1000ml/s。则选择CB-D型液压泵，该泵的工作压力为10MPa，工作流量Q为32~70ml/s，转速为1800r/min，所以该泵可以满足需要。2.4.2液压缸的工作压力及其流量的计算查文献有：M,=Pb∅Al2W,=8θηv（∅Al2-∅mm上式中ηm为机械效率，一般为0.85~0.9，取ηm=0.85；ηv为容积效率，一般为0.7代入公式2-18可得：M,=25.8M,<M代入公式2-19中可得;W,W,所以，确定腕部回转缸的工作压力为P=1MPa，流量为Q=35m/s。圆整其他液压缸的数值：手部抓取缸的工作压力：P1=2MPa，流量Q手臂伸缩缸的工作压力：P1=0.25，流量2.4.3确定电机的规格本设计选择型号为CB-D的液压泵，其额定压力为P=10MPa，工作流量在32ml/r~70ml/r之间，选取流量80L/min的液压泵。所以有:P=ppqq/ηp上式中：P为电动机的功率（W），PP为液压泵的最大工作压力（pa），qq为液压泵输出流量（m3/s）将数值代入公式2-20中可得：P=16.7KW。所以选择型号为JQZ-61-2的电动机，其额定功率为17KW,转速2940r/min。2.4.4油管尺寸的计算1）计算油管内径d=4Qπv（表2-2流速推荐表油液流经管道流速（m/s）液压泵吸油管道0.5~1.5，一般情况选择小于lm/s液压系统的压油管道3~6，当压力高，管道短粘度小取小值液压系统的回油管道1.5~2.62-21式中 Q为经过油管内的流量（m3确定V=4m/s，可见表2-2。则有：d=4Qπv所以，根据参考文献取油管内径为d=20mm的铜管。2）计算管道的壁厚δ≥pd2σ2-22式中：p为工作压力（MPa）；d为管道内径（mm）；σ为许用应力（MPa）；对于钢管有：（σ=σbs，σb为抗拉强度（MPa），s为安全系数，若p<7MPa，s=8，若p≤17.5MPa，s=6，若p≥所以δ≥pd则管道外径D=d+2δ=28mm，长度L=2m。3）油缸的容积的计算油缸容积的初步确定：V=aQV(2-23初步所选的液压泵的流量为80L/min，选取a=5，则油缸的有效容积为：V=5×0.08=0.4m3。3液压系统原理设计及草图3.1手部抓取缸3.1.1手部抓取缸液压原理图图3.1手部抓取缸液压原理图3.1.2手部抓取缸液压元件选择泵的供油压力P取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300ml/s。因此，需组装图3.1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。采用:YF-B10B溢流阀；2FRM5-20/102调速阀；23E1-10B二位三通换向阀。溢流阀是在液压系统中起限制压力作用的阀。溢流阀在液压系统中有两个重要的功能，第一点是作为定压阀，使系统压力保持恒定，在正常的工作状态下是开启的；第二点是作为安全阀，防止液压系统超载而损坏元件和管路，正常工作时处于关闭状态。调速阀是带压力补偿的节流阀，一般是由定差减压阀和节流阀串联而成的，从而使经过节流阀的流量只有其开口大小来决定，而不受负载变化影响。二位三通换向阀有三条通路，而阀心有两个工作位置。它属于换向阀的一项类型，是用来控制系统中的油路接通、切断或改变液流方向的阀类。根据型号的不同，其作用也有所不同。其工作原理为：液压泵供油，油液经二位三通换向阀流到调速阀最后进入油缸推动活塞杆往前移动使手指张开。一定时间后，二位三通换向阀换向，弹簧弹力推动活塞杆向后移动使活塞内油液流出经过单向阀再回到二位三通换向阀最后流回油箱，同时活塞杆后移使手指抓紧。3.2腕部摆动液压回路3.2.1腕部摆动缸液压原理图图3.2腕部摆动液压回路3.2.2腕部摆动缸液压元件选择因为泵工作压力为P=1Mpa；流量Q=35ml/s，所以采用：2FRM5-20/102调速阀；34E1-10B三位四通换向阀；YF-B10B溢流阀其工作原理为：液压泵供油，油液经过三位四通换向阀、减速阀最后进入液压缸，由于液压缸动片不动随着油缸内液压的增大液压缸静片旋转手腕随之旋转，在三位四通换向阀换向时油缸内另一边进油，液压缸静片反转，手腕也随之反转。3.3小臂伸缩缸液压回路3.3.1小臂伸缩缸液压原理图图3.3小臂伸缩缸液压回路3.3.2小臂伸缩缸液压元件选择因为泵工作压力为P=0.25Mpa；流量Q=1000ml/s，所以采用:YF-B10B溢流阀;2FRM5-20/102调速阀;23E1-10B两位三通换向阀。其工作原理为：液压泵供油油液经过二位三通换向阀、减速阀最后进入伸缩液压缸左端，油缸左端压力增大迫使活塞杆向右移动，机械手手臂伸长，同时压缩弹簧。在二位三通换向阀换向后，活塞杆在弹簧弹力作用下向左移动，机械手手臂收缩，同时将液压缸左端油液排出。3.4液压原理总体系统3.4.1总体系统图图3.4总体系统图3.4.2机械手在液压驱动下的工作过程小臂伸长→手部抓紧→腕部回转→小臂回转→小臂收缩→手部放松3.4.3电磁铁动作顺序表表3.5总体系统图元件动作1TD2TD3TD4TD5TD小臂伸长-++--手部抓紧-+腕部回转-+-+-小臂收缩手部放松--+--确定电机规格液压泵选取CB-D型液压泵，额定压力P=10Mpa，工作流量在32～70ml/r之间。选取80L/min为额定流量的泵。因此：传动功率：N=P×Q/η式中：η=0.8（经验值）所以代入公式得：N=10×80×103×106/60×0.8=16.7KN选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率17KW，转速为2940r/min。4机身机座的结构设计机身是作为支承和传动手臂连接的部件。通过将驱动装置或传动件都安装在机身上实现臂部的上升、下降、回转等运动，也可以直接构成机身的躯干和底座相连。机身的结构和受力情况与臂部的运动有关，臂部远动得越多，机身的结构和受力情况就越复杂，设计要求就会更高,难度更大。机身的形式按照要求可以设计固定式或行走式。按照方案设计要求初步确定机械手的机身为机座式。4.1电机的选择机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。4.1.1带动臂部升降电机的选择初选上升速度V=100mm/sP=6KW所以n=（100/6）×60=1000转/分选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如表4.1Y90S-4电动机技术数据所示：表4.1Y90S-4电动机技术数据型号额定功率KW满载时堵转电流堵转转矩最大转矩电流A转速r/min效率%功率因素额定电流额定转矩额定转矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.24.1.2带动机身回转电机的选择初选转速W=60º/sn=1/6转/秒=10转/分由于齿轮i=3减速器i=30所以n=10×3×30=900转/分选择Y90L-6型笼型异步电动机电动机采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如表4.2Y90S-6电动机技术数据所示：表4.2Y90L-6电动机技术型号额定功率KW满载时堵转电流堵转转矩最大转矩电流A转速r/min效率%功率因素额定电流额定转矩额定转矩Y90L-61.13.291073.50.726.02.02.04.2减速器的选择减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。用来降低转速和增转矩，以满足工作需要。初选WD80型圆柱蜗杆减速器。WD为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。蜗杆的材料为38siMnMo调质蜗轮的材料为ZQA19-4中心矩a=80Ms×q=4.0×传动比i=30传动惯量0.265×1034.3螺柱的设计与校核螺杆是机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。螺杆的材料选择：从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。螺距P=6mm梯形螺纹螺纹的工作高度:h=0.5P=3mm螺纹牙底宽度:b=0.65P=0.65×6=3.9mm螺杆强度:[σ]=σs/3～5=150/3～5=30～50Mpa螺纹牙剪切[τ]=40弯曲[σb1)当量应力σ=4Fπd1式中T——传递转矩N·mm[σ]——螺杆材料的许用应力所以代入公式（4-1）得：σ=（=（=6225025/d14+11236/d=6225025/d14+11236/d6225025d12+11236≤900d6225025×0.0292+11236≤900×0.0296即16471pa＜535340pa合格2)剪切强度Z=H/P=160/6（旋合圈数）（4-2）τ=F/πd1bz=200×9.8/π×0.029×3.9×（160/6）×10=206.8×105=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa3）弯曲强度σb=3Fh/π=3×200×9.8×3/π×2.9×3.92=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa则校核合格5机械手的定位平稳性与控制5.1常用的定位方式机械的挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块定位。本课题所采用的定位精度为机械挡块定位。若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于±0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。5.2影响平稳性和定位精度的因素机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下：1）定位方式不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。2）定位速度定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。3）精度机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。4）刚度机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。5）运动件的重量运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量。运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。6）驱动源液压、气压的压力波动及电压、油温、气温的波动都会影响机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节油温措施。如用蓄能器稳定油压，用加热器或冷却器控制油温，低速时，用温度、压力补偿流量控制阀控制。5.3机械手运动的缓冲装置缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式。内缓冲形式有油缸端部缓冲装置和缓冲回路等。外缓冲形式有弹性机械元件和液压缓冲器。内缓冲的优点是结构简单，紧凑。但有时安置位置有限；外缓冲的优点是安置位置灵活，