液壓自動上下料機械手設計

1、第1章 緒 論1.1 工業(yè)機械手概況工業(yè)機械手是人類創(chuàng)造的一種機器,更是人類創(chuàng)造的一項偉大奇跡,其研究、開發(fā)和設計是從二十世紀中葉開始的.我國的工業(yè)機械手是從80年代七五科技攻關開始起步,在國家的支持下,通過七五,八五科技攻關,目前已經基本掌握了機械手操作機的設計制造技術,控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術,運動學和軌跡規(guī)劃技術,生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆，孤焊，點焊，裝配，搬運等機器人，其中有130多臺噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線（站）上獲得規(guī)模應用，孤焊機器人已經應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定距離。如：

2、可靠性低于國外產品，機械手應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距。影響我國機械手發(fā)展的關鍵平臺因素就是其軟件，硬件和機械結構。目前工業(yè)機械手仍大量應用在制造業(yè)，其中汽車工業(yè)占第一位（占28.9%），電器制造業(yè)第二位（占16.4%），化工第三位（占11.7%）。發(fā)達國家汽車行業(yè)機械手應用占總保有量百分比為23.4%53%，年產每萬輛汽車所擁有的機械手數為（包括整車和零部件）：日本88.0臺，德國64.0臺，法國32.2臺，英國26.9臺，美國33.8臺，意大利48.0臺。世界工業(yè)機械手的數目雖然每年在遞增，但市場是波浪式向前發(fā)展的。在新世紀的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡

3、劣危險的勞動環(huán)境都需要用機器人代替人工。隨著機器人應用的深化和滲透，工業(yè)機械手在汽車行業(yè)中還在不斷開辟著新用途。機械手的發(fā)展也已經由最初的液壓，氣壓控制開始向人工智能化轉變，并且隨著電子技術的發(fā)展和科技的不斷進步，這項技術將日益完善。上料機械手與卸料機械手相比，其中上料機械手中的移動式搬運上料機械手適用于各種棒料，工件的自動搬運及上下料工作。例如鋁型材擠壓成型鋁棒料的搬運及高溫材料的自動上料作業(yè)，最大抓取棒料直徑達180mm，最大抓握重量可達30公斤，最大行走距離為1200mm。根據作業(yè)要求及載荷情況，機械手各關節(jié)運動速度可調。移動式搬運上料機械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回轉機構，小車行走

4、機構，液壓泵站電器控制系統(tǒng)組成，同時具有高溫棒料啟動疏料裝置及用于安全防護用的光電保護系統(tǒng)。整個機械手及液壓系統(tǒng)均集中設置在行走小車上，結構緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用OMRON可編程控制器，各種作業(yè)的實現(xiàn)可以通過編程實現(xiàn)。國內外實際使用的多是定位控制的機械手，沒有“視覺”和“觸覺”反饋。目前，世界各國正積極研制帶有“視覺”和“觸覺”的工業(yè)機械手，使它能夠對所抓取的工件進行分辨，能選取所需要的工件，并正確的夾持工件，進而精確地在機器上定位、定向。為使機械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零部件，它由視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息，通過計算機進行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工件。

5、為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件滑落下來，一般采用兩種方法：一是檢測把握物體手臂的變形，以決定適當的握力；另一種是直接檢測指部與物件的滑動位移，來修正握力。因此，這種機械手就具有以下幾個方面的性能：(1）能準確地抓住方位變化的物體；(2）能判斷對象的重量；(3)能自動避開障礙物；(4)抓空或抓力不足時能檢測出來。這種具有感知能力并對感知的信息做出反映的工業(yè)機械手稱之為“智能機械手”，它是有發(fā)展前途的?，F(xiàn)在，工業(yè)機械手的使用范圍只限于在簡單重復的操作方面節(jié)省人力，其效用是代替從事繁重的工作，危險的工作，單調重復的工作，惡劣環(huán)境下的工作方面尤其明顯。至于像汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的

6、工業(yè)部分，機械手的應用情況決不能說是好的。雖然這些工業(yè)部門工時不足的問題尖銳，但采用機械手只限于一小部分工序，其原因是，工業(yè)機械手的性能還不能滿足這些部門的要求，適于機械手工作的范圍很狹小，這是主要原因。經濟性問題當然也很重要，采用機械手來節(jié)約人力從經濟上看，不一定總是合算的。然而，利用機械手或類似機械設備節(jié)省人力和實現(xiàn)生產合理化的要求，今后還會持續(xù)增長，只要技術方面和價格方面存在的問題得到解決，機械手的應用必將會飛躍發(fā)展。上料機械手和卸料機械手相對，其中上料機械手中的移動式搬運上料機械手適用于各種棒料，工件的自動搬運及上下料工作。例如鋁型材擠壓成型機鋁棒料的搬運及高溫棒料的自動上料作業(yè)，最大

7、抓取棒料直徑可達180mm，最大抓握重量可達30公斤，最大行走距離為1200mm。根據作用要求和載荷情況，機械手各關節(jié)運動速度可調。移動式搬運上料機械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回轉機構，小車行走機構，液壓泵站電器控制系統(tǒng)組成，同時具有高溫棒料啟動疏料裝置及用于安全防護用的光電保護系統(tǒng)。整個機械手及液壓系統(tǒng)均集中設置在行走小車上，結構緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用OMRON可編程控制器，各種作業(yè)的實現(xiàn)可以通過編程實現(xiàn)。隨著機電一體化技術和計算機技術的應用，其研究和開發(fā)水平獲得了迅猛的發(fā)展并涉及到人類社會生產及生活的各個領域，特別是工業(yè)機械手在生產加工中的廣泛應用。轎車半軸加工上料機械手設計在綜合多種

8、機械手的設計原理和設計思想，根據轎車半軸加工的特點提出的，有一定的理論基礎，設計水平和應用價值。 1.2 工業(yè)機械手的分類現(xiàn)在對工業(yè)機械手的分類尚無明確標準，一般都從規(guī)格和性能兩方面來分類。按規(guī)格（所搬運工件的重量）分類：1.微型的搬運重量在1公斤以下：2.小型的搬運重量在10公斤以下：3.中型的搬運重量在50公斤以下：4.大型的搬運重量在50公斤以上。目前大多數工業(yè)機械手能搬運的重量為130公斤。最小的為0.5公斤，最大的已達到800公斤。按功能分類：1 簡易型工業(yè)機械手有固定程序和可變程序兩種。固定程序有凸輪轉鼓和擋塊轉鼓控制：可變程序可插銷板或順序轉動控制來給定程序。這種機械手多為氣動或

9、液動，結構簡單，改變程序比較容易。只使用在程序較簡單的點位控制，但作為一般單機服務的搬運作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機械手數量最多。2 記憶再現(xiàn)型工業(yè)機械手這種工業(yè)機械手由人工通過實驗裝置傳動一遍，由磁帶（或磁鼓）把程序記錄下來，此機械手就自動按記憶的程序重復進行循環(huán)動作。這也是采用較多的一種，多為電液伺服驅動。與前者比較有較多的自由度，能進行程序較復雜的作業(yè)，通用性較廣。3 計算機數字控制的工業(yè)機械手可通過更換穿孔帶或其他記憶介質來改變工業(yè)機械手的動作，還可以進行多種控制（DNC）。技術還可以是可編程序控制或普通的微機計算機。4 智能工業(yè)機械手（機器人）由電子計算機控制，通過各種傳感元件等

10、具有視覺、熱感、觸覺、行走機構等。按用途分：1 專用機械手附屬于主機的，具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置，這種工業(yè)機械工作對象不變，手動比較簡單，結構簡單，使用可靠，施用于大批量生產自動線或專機作為自動上、下料用。2 通用機械手具有獨立控制系統(tǒng)，程序可變、動作靈敏、動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強，使用于工件經常變換的中、小批量自動化生產。1.3 工業(yè)機械手在工業(yè)生產中的應用工業(yè)機械手在生產中的應用非常廣泛，還可以歸納為以下的一些方面：1. 建造旋轉零件體自動線方面建造旋轉零件體（軸類、盤類、環(huán)類零件）自動線，一般都采用機械手在機床之間傳送工件。2. 在

11、實現(xiàn)單機自動化方面(1)各類半自動車床，有自行夾緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料，裝上機械手，可實現(xiàn)全自動化生產。(2)注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手自動取料，可實現(xiàn)全自動生產。(3)沖床有自動上下沖壓循環(huán)，機械手上下料可實現(xiàn)沖壓上產自動化。3. 鑄、鍛、焊、熱處理等方面總的來說，由于工業(yè)機械手的特點滿足了社會生產的需要，進而帶來了經濟效益。其特點：(1)對環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險，有害的操作，在長時間對人體有害的場所，機械手不受影響。(2)機械手能持久、耐勞、可以把人從單調的繁重的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。(3)動作準確，可保

12、證穩(wěn)定和提高產品的質量，同時可避免人為操作的錯誤。(4)通用性靈活性好，特別是通用機械手，能適應產品品種迅速變化的要求，滿足柔性生產的需要。(5)采用機械手能明顯的提高勞動生產率和降低成本。1.4 本章小結本章介紹了工業(yè)機械手的概括，工業(yè)機械手的分類、應用。工業(yè)機械手在國民生產中有廣泛的應用，許多機械設備都用到工業(yè)機械手，它是近代自動控制領域內出現(xiàn)的一種新型的技術裝備。我設計的工業(yè)機械手設備簡單，動作靈活，經濟實用，穩(wěn)定性好，適于使用。第2章 工業(yè)機械手的設計方案2.1 工業(yè)機械手的組成工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構，驅動機構和控制部分所組成，各部分關系如下框圖： 圖2.1 工業(yè)機械手各部分關系圖執(zhí)行

13、機構：執(zhí)行機構包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走機構等運動部件所組成。1.手部：直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平移型。傳動機構形式多樣，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、彈簧式等。2.腕部：是聯(lián)接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物體的方位。3.臂部：手臂是支撐被抓物體，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到給定位置。該設計的手臂有三個自由度，采用關節(jié)式坐標（繞橫軸旋轉，上下擺動和左右擺動）關節(jié)坐標式具有較大的工作空間和操作靈活性，機械臂的結構性容易進行優(yōu)化，便于提高機械手的動態(tài)操作性能。4.行走機構：有的工業(yè)機械手帶有行走機構。驅動機構：有氣

14、動，液動，電動和機械式四種形式?？刂葡到y(tǒng)：有點位控制和連續(xù)控制兩種方式。機身：它是整個工業(yè)機械手的基礎。2.2 規(guī)格參數工業(yè)機械手的規(guī)格參數是說明機械手規(guī)格和性能的具體指標，一般包括以下幾個方面：1.抓重（又稱臂力）：額定抓取重量或稱額定負荷，單位為公斤；2.自由度數目和坐標形式：整機，手臂和手腕等運動共有幾個自由度，并說明坐標形式；3.定位方式：固定機械擋塊，可調機械擋塊，行程開關，電位器及其他各種位置設定和檢測裝置；4.驅動方式：氣動，液動，電動和機械式四種形式；5.手臂運動參數；6.手腕運動參數；7.手指夾持范圍和握力；8.定位精度：位置設定精度和重復定位精度；9.輪廓尺寸：長寬高（毫米

15、）；10.重量：整機重量。2.3 設計路線與方案2.3.1 設計步驟1.查閱相關資料；2.確定研究技術路線與方案構思；3.結構和運動學分析；4.根據所給技術參數進行計算；5.按所給規(guī)格，范圍，性能進行分析，強度和運動學校核；6.繪制工作裝配圖草圖；7.繪制總圖及零件圖等；8.總結問題進行分析和解決。2.3.2 研究方法和措施使用現(xiàn)在機械設計方法和液壓傳動技術進行設計，采用關節(jié)式坐標（四個自由度，可以繞橫，縱軸轉動和上下左右擺動）。2.4 本章小結 本章介紹了工業(yè)機械手的組成、規(guī)格參數、設計路線等內容，這種設計的機械手組成全面，配置合理，能達到一定的使用要求。第3章 機械手各部分的計算與分析3.

16、1 手部計算與分析手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類最常見的主要有夾鉗式，本設計主要考慮夾鉗式手部設計。夾鉗式手部是由手指，傳動機構和驅動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸，盤，套類零件，一般情況下多采用兩個手指。3.1.1 滑槽杠桿式手部設計的基本要求(1)應具有適當的夾緊力和驅動力。(2)手指應具有一定的開閉范圍。(3)應保證工件在手指內的夾持精度。(4)要求結構緊湊，重量輕，效率高。(5)應考慮通用性和特殊要求。3.1.2 手部的計算和分析（1）手部受力分析圖3.1 手部受力圖(1)圖3.2手部受力圖(2)（2）手指尺寸初步設定由拉

17、桿的力平衡條件： 得 由得 又由工件的平均半徑mm初取V型手指的夾角2mm，滑桿總長h=170(3)夾緊力計算又由于工件的直徑不影響其軸心的位置即定位誤差為零，手指水平位置夾取水平位置放置的工件。由工業(yè)機械手設計基礎表21查得N0.5G=0.525=12.5kg又因為 （3.1）當取最小值時，則增力比較大，手指走到最小行程時則有則又因為2amin=19.88kg 取安全系數，工作情況系數傳動機構的機械效率 (3.2)手指夾緊時：夾緊缸活塞移動范圍L130mm，其動作時間t=1.5s（由機械手的動作節(jié)拍時間得之），所以夾緊活塞移動得平均速度v為：運動部件得總重估算G10kg夾緊力N與驅動力P的關

18、系：由于結構左右對稱，在驅動力P的作用下，每一滑槽杠桿受力相等圖3.3夾緊力與驅動力的關系圖在不計摩擦力的情況下，為夾緊狀態(tài)得傾斜角50夾緊工件半徑為50mm為例38.9kg (3.3)根據各力對回轉支點的力矩平衡條件，同樣在不計摩擦力的情況下，c為杠桿動力臂，即驅動銷對滑槽杠桿作用力對支點的垂直距離。又因為a=50mmC=則 Nb=當夾緊半徑為25mm的工件時，則Nb=(4)動作特性和傳動特點定位到最大行程時，則取又因為，滑槽杠桿手指最大開閉角為滑槽傾斜角的變化范圍可以為可見機構傳動比將在下列范圍內變化，所以開始所初步取的a，b與均符合要求。（5）確定夾緊油缸外徑D驅動桿行程與手指開閉范圍關

19、系分別為手指夾緊工件范圍值時，滑槽相對于兩支點連接的傾斜角。機構效率考慮到機構效率，傳力比N/P的公式應力 0.9又因為G=250N,夾緊力F=500N,-工作負載即為重物重力250N。導軌摩擦阻力負載，對于平導軌垂直于導軌的工作負載，0。f-導軌摩擦系數，取靜摩擦系數為0.2，動摩擦系數為0.1。，一般取0.010.5s，時間內速度變化量啟動：穩(wěn)態(tài)：工作壓力P的確定，工作壓力根據負載大小及機器的類型來初步確定。參閱機械設計手冊表37.5按載荷選擇工作壓力為1。計算液壓缸內徑D和活塞桿直徑d，由負載可知最大負載F為275N。根據液壓系統(tǒng)設計手冊表22可取為0.5，為0.95，d/D為0.7。又

20、因為 (3.4)根據液壓系統(tǒng)設計手冊表24，將液壓缸內徑圓整為標準系列直徑D=25mm,活塞桿直徑按d/D0.7及表25活塞直徑系列取d=18mm。按工作要求夾緊力為一個夾緊缸提供，考慮到夾緊力的穩(wěn)定性。夾緊缸的工作壓力應大于復位彈簧的彈力。又因為進油缸在有桿腔，則其有效工作面積 (3.5)液壓缸壁厚和外徑計算，為最大工作壓力的1.5倍，1.5。高強度鑄鐵，60液壓缸工作行程的確定，并參照表26中的系列尺寸選取標準值S=100mm。缸蓋厚度的確定一般液壓缸為平底缸蓋，其有效厚度t按強度要求計算。 (3.6)現(xiàn)取t=20mm?；钊膶挾菳一般取B=()D=0.6D=15mm。夾緊缸彈簧的確定。彈

21、簧工作載荷F=50N最大軸直徑最小筒直徑彈簧剛度查機械設計手冊表30.28圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數得材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mm,節(jié)距P=10.4mm .單圈彈簧工作極限載荷下變形量為7.075mm，單圈彈簧剛度。 (3.7)曲度系數1.14，G彈簧材料的剪切彈性模量，鋼材G=Z=110mm,則活塞缸總長L=120mm。3.2 腕部計算與分析3.2.1 腕部設計的基本要求手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，適應性更強。手腕具有獨立的自由度，此設計手腕有繞X軸轉動和沿X軸左右擺動兩個自由度。手腕

22、回轉運動機構為回轉油缸，擺動也采用回轉油缸。他的結構緊湊，靈活，自由度符合設計要求，它要求嚴格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉矩。1.腕部處于臂部的前端，它連同手部的動靜載荷均由臂部承受。腕部的結構、重量和動力載荷直接影響著臂部的結構、重量和運動性能。因此在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。2.腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔聯(lián)接和支承作用，除了保證力和運動的要求以及具有足夠的強度和剛度外還應綜合考慮合理布局腕部和手部的連接、腕部自由度的檢測和位置檢測、管線布置以及潤滑、維修調整等問題。3.腕部設計應充分估計環(huán)境對腕部的不良影響（如熱膨脹，壓力油的粘度和燃點，有關材料及電控電測元件的耐熱性等問題）

23、。3.2.2 腕部回轉力矩的計算腕部回轉時，需要克服以下幾種阻力：1.腕部回轉支承處的摩擦力矩 從圖3.4可知：-軸承直徑（m）式中：軸承處支反力；可靜力學平衡方程求得。f-軸承的摩擦系數，對于滾動軸承f=為簡化計算取圖3.4 腕部回轉支承處的受力圖-工件重量（kgf），-手部重量（kgf），手腕轉動件重量（kgf）2.克服由于重心偏置所引起的力矩（kgf）式中e工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離（m）3.克服啟動慣性，所需的力矩啟動過程近似等加速運動，根據手腕回轉的角加速度及啟動所用的角速度： (3.8)式中：工件對手腕回轉軸線的轉動慣量J手腕回轉部分對手腕回轉軸線的轉動慣量手腕回轉過程的角加

24、速 啟動過程所轉過的角度（度）手腕回轉所需要的驅動力矩應當等于上述三項之和。 (3.9)因為手腕回轉部分的轉動慣量不是很大，手腕起動過程所產生的轉動力矩也不大，為了簡化計算，可以將計算，適當放大，而省略掉，這時(1)設手指，手指驅動油缸及回轉油缸轉動件為一個等效圓柱體，L=50cm，直徑D=10cm，則m=27.5kg。(2)摩擦阻力矩0.1(3)設起動過程所轉過的角度,等速轉動角速度計算：求查型鋼表有： 代入256（Nm）0;0.1;0.1+265M=確定轉軸的最小尺寸，抗扭剖面模量，查得，取轉軸直徑d=40mm。4.回轉油缸所產生的驅動力矩計算回轉油缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力矩，機

25、械手的手腕回轉運動所采用的單葉片回轉油缸，定片1與缸體2固連，動片3與轉軸5固連，當a,b口分別進出油時，動片帶動轉軸回轉達到手腕回轉目的。M= (3.10)式中：手腕回轉總的阻力矩（Nm）P回轉油缸的工作壓力 r缸體內徑半徑（cm）R輸出軸半徑（cm）b動片寬度注：可按外形要求或安裝空間大小，先設定b,R,r中兩個：=1.52.5,取=2，=3又因為d=40mm，則D=80mm，b=60mm去頂回轉油缸工作壓力： (3.11)由于系統(tǒng)工作壓力遠遠大于此壓力，因此回轉油缸的工作壓力足以克服摩擦力。3.2.3 腕部擺動油缸設計偏離重心e的計算及圖3.5 腕部擺動油缸設計尺寸圖估計L=45cm，

26、=30cm克服重心偏置所需的力矩克服摩擦所需力矩=0.1cm克服運動慣性所需的力矩=0.7654(kg-m-)=25=5.1(kg-m-)=5.8654(kg-m-)=JW/t設w=,=0.0175/=12.83(kgfm)則擺動所需的驅動力矩 =32.14(kgfm)確定轉軸的最小直徑抗拒剖面摸量所需驅動力矩 (3.12)取d=50mm所以機械手的擺動采用單葉片回轉油缸，定片與缸體固連，動片與轉軸固連，當兩油口分別進出油時，動片帶動轉軸轉動達到腕部擺動目的。 (3.13)又因為：=1.52.5,，取=2，=3所以：d=50mm，所以D=100mm，b=75mm確定回轉油缸工作壓力 (3.14

27、)由于系統(tǒng)工作壓力遠遠大于此壓力，因此該缸的工作壓力足以克服摩擦力。3.2.4 選鍵并校核強度轉軸直徑d=40mm,由GB1095-79選鍵為bh=128轉軸直徑d=50mm,由GB1095-79選鍵為bh=2010鍵校核如下公式=2T/kld，K接觸面的高度取接方式：靜連接，輕微沖擊，查得=100所以滿足要求3.3 臂部計算與分析3.3.1 臂部設計的基本要求手臂部件是機械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并帶動它們作空間轉動。臂部運動的目的：把手部送到空間范圍內的任意一點。因此，臂部具有兩個自由度才能滿足基本要求：即手臂，左右回轉和俯仰運動。手臂的各種運動由油缸驅動和

28、各種傳動機構來實現(xiàn)，從背部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的靜動載荷，而且自身運動又較多，故受力復雜。因而，它的結構，工作范圍，靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機械手的工作性能。機身是固定的，它直接承受和傳動手臂的部件，實現(xiàn)臂部的回轉等運動。臂部要實現(xiàn)所要求的運動，需滿足下列各項基本要求：1.機械手臂式機身的承載機械手臂式機身的承載能力，取決于其剛度，結構上采用水平懸伸梁形式。顯然，伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷變化，對于機械手的運動性能，位置精度和負荷能力等影響很大。為可提高剛度，盡量縮短臂桿的懸伸長度，還應注意：(1)根據受力情

29、況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸臂部和機身既受彎曲（而且不僅是一個方向的彎曲）也受扭轉，應選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。所以機械手常用工字鋼或槽鋼作為支撐板，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內部還可以布置驅動裝置，傳動機構以及管道，有利于結構的緊湊，外形整齊。(2)高支承剛度和選擇支承間的距離臂部和機身的變形量不僅與本身剛度有關，而且同支撐的剛度和支撐件間距離有很大關系，要提高剛度，除從支座的結構形狀，底板的剛度以及支座與底版的連接剛度等方面考慮外，特別注意提高配合面間的接觸剛度。(3)合理布置作用力的位置和方向在結構設計時，應結合具體受力情況，設法使各作用力的變形

30、相互抵消。(1)設計臂部時，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應盡可能使結構簡單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理，確定調整補償環(huán)節(jié)，以及減少重要不見的間隙，從而提高剛度。(2)水平放置的手臂，要增加導向桿的剛度，同時提高其配合精度和相對位置精度，使導向桿承受部分或者大部分自重。(3)提高活塞和剛體內徑配合精度，以提高手臂俯仰的剛度。2.臂部運動速度要高，慣性要小機械手臂的運動速度是機械手主要參數之一，它反映機械手的生產水平，一般時根據生產節(jié)拍的要求來決定。在一般情況，手臂回轉俯仰均要求均速運動，（V和w為常數），但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速

31、度和終止前的加速度不能太大，否則引起沖擊和振動。對于告訴運動的機械手，其最大移動速度設計在10001500mm/s，最大回轉角速度設計在內，在大部分行程距離上平均移動速度為1000mm/s內，平均回轉角速度為內。為減少轉動慣量的措施：(1)減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質高強度材料。(2)減少手臂運動件的尺寸輪廓。(3)減少回轉半徑，在安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸），盡可能在前伸位置下進行回轉動作，并且驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。3.手臂動作應靈活為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件，導向件和定位件布置應合理，使手臂運動

32、過程盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生“卡死”的現(xiàn)象（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。(1)計算零件重量，可分解為規(guī)則的體形進行計算。(2)計算零件重心位置，求出重心至回轉軸線的距離。(3)求重心位置并計算偏重力臂 (3.15) (3.16)(4)計算偏重力矩 (3.17)4.位置精度要高一般說來，直角和圓柱坐標式機械手位置精度教高；關節(jié)式機械手的位置最難控制，精度差；在手冊上加設定位裝置和自檢測機構，能較好的控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動，嚙合件的間隙。除此之外，要求機械手同用性要好，能適合做種作業(yè)的要求；工藝性要好，便于

33、加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手，還要設置防塵裝置等。3.3.2 手臂的設計計算通常先進行粗略的估算，根據運動參數初步確定有關機構的主要尺寸，在進行校核計算，修正設計。為了便于進行液壓機械手的設計計算，分別俯仰缸回轉油缸的設計敘述如下：1.小臂設計設小臂L=40cm,D=60cm則m=則手臂總重，L=100mm=0.79kg俯仰缸的設計計算圖3.6 仰俯缸的設計尺寸圖設，當手臂處在仰角為的位置時，驅動力P通過連桿機構產生的驅動力矩為因為，又因為=，=，而P=P油缸的工作壓力（）D油缸內徑（cm）活塞缸與缸徑，活塞桿與端差的密封裝置處的摩擦阻力（kg）

34、通油箱，=010590.3kg取=10600kg106000.8=60356.601kgcm當手臂處在俯角為的位置時，驅動力P通過連桿機構產生的驅動力因為：所以則當手臂處在水平位置即為驅動力矩時因為由于手臂與支柱連軸有振動軸承，摩擦力矩較小=0所以驗證油缸是否滿足要求，滿足上仰條件，出于時 (3.18) =1134kgf選取=0.7，所以 (3.19) D=0.053m整理得到D=63mm，則d=45mm。液壓缸壁和外徑計算 (3.20)高強度鑄鐵，=60液壓缸為平底缸差，其厚度t按強度要求計算無孔時 (3.21)取t=3mm液壓缸工作行程的確定由則S=16mm則由表2-6中的系列尺寸查得（液

35、壓系統(tǒng)設計手冊）S=25cm則活塞桿L=30cm活塞桿的穩(wěn)定性校核，活塞桿由45鋼制成。桿長300mm，d=45mm最大壓力P=1134N設穩(wěn)定安全系數為，由式（10.9）求出 (3.22)活塞桿兩端可簡化為鉸支座，故，活塞桿橫截面為圓形i=故為，因為，故不能用歐拉公式計算使用直線公式，由表10.1查得，優(yōu)化碳鋼的由公式（10.12）可得可見活塞桿是小柔度變壓桿，由直線公式求出而P=1134N，活塞桿的工作安全系數為n=所以滿足要求。2.油缸端蓋的連接方式及強度計算為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘的間距，進而決定螺釘的數目。缸的一端為缸體與缸蓋鑄造成一體，另一端缸體與缸蓋采用螺釘連接。(1)缸

36、蓋螺釘的計算為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘的間距，進而決定螺釘的數目在這種連接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷Q和預進力之和。式中：P驅動力kgfP工作壓力kgf/Z螺釘數目，取8預緊力kgf=K，K=1.5-1.8螺釘的強度條件為：式中：=1.3計算載荷（kgf）表3-1 螺釘間距與壓力p的關系工作壓力（）螺釘間距（mm）515150152512025501005010080 ()抗拉許用應力，螺紋內徑（cm）表3-2 常用螺釘材料的流動極限 鋼號10A2A3354540cr210022002400320036006500-9000(2)缸體螺紋計算 (3.23)式中， D油缸

37、內徑考慮螺紋拉應力和扭應力合成作用系數取=1.33.大臂回轉缸的設計驅動手臂回轉的力矩 D輸出軸與缸差密封處的直徑（cm）L密封的有效長度（cm）“O”形密封圈的截面直徑（cm）“O”形圈在裝配時壓縮率，對于回轉運動，k=0.03-0.35摩擦系數P回轉軸缸的工作壓力（kg/）選取=0.5，b=10cm,p=80kg/,設=6mm若，則取，取，則，D=14cm選用O型橡膠密封圈S58型，=4.7mm則 (3.24)動片側面與缸蓋密封處的摩擦阻力距回轉缸動片的角速度變化量，在啟動過程中（弧度/秒）啟動過程時間手臂回轉部件，對回轉軸的輕功慣量（）若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為則回轉零件對重心

38、軸線的轉動慣量 (3.25)=649.2（）設角速度，啟動時間般取=0.2P=16（）由內徑公式 (3.26)基本滿足要求，則D=16cm，d=8cm。又由4.缸蓋連接螺釘和動片連接螺釘計算螺釘的強度條件為或（取=8mm）式中：螺釘的內徑（cm）計算載荷（kgf）螺釘材料作用拉應力3.4 機身計算與分析機身是直接支撐和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降，回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構成機體的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結構和受力情況就愈復雜。機身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運動。此次設計機身為地面軌道運動式。它的驅動系統(tǒng)是

39、步進電機其型號為Y132S8功率2.2KW轉速710r/min，再電動機后接了一個圓錐圓柱齒輪減速器其輸出速度為1.2m/s。在后是一個制動箱。其主要參數是由外部計算機調整和控制，在很大程度上是由運動學和軌跡運動而去編制小車的運行程序。3.5本章小結本章介紹了機械手各部分的計算與分析，分別為手部、腕部、臂部、機身的結構，并進行了計算與校核，在使用中能滿足要求。 第4章 液壓系統(tǒng)41 液壓缸根據前面設計好的各種液壓缸的參數。1.活塞缸已知參數（包括設計出的參數）：表示第幾個缸的參數 無桿腔進油 有桿腔進油2.擺動缸已知參數：注意已知參數中在前面設計中不夠明確時，則要進行分析。已知參數（包括已設計

40、好的參數）(1)單作用彈簧復位的夾緊缸；=25mm，=18mm F= =8.67cm/s注意：為尚未夾持工件的時間。(2)手腕回轉缸。=80mm，=40mm，=60mm (4.1)(3)手腕擺動缸 (4)手臂回轉缸 =160mm =80mm =120mm 注意：忽略角加速度和角減速度的影響(5)手臂仰俯活塞缸：=63mm，=45mm V=5cm/s3.估算流量(1)夾緊缸：。(2)手腕回轉缸：(3)手腕擺動缸：(4)手臂回轉缸：(5)手臂仰俯活塞缸：42 計算和選擇液壓元件4.2.1 液壓泵的選取要求及其具體選取（1）計算液壓泵的工作壓力泵的工作壓力是所有液壓缸中工作壓力最大者與管道壓力損失之

41、和。即：管道和各類閥的全部壓力損失之和。可先估計，一般取：=（58）（2）計算液壓泵的流量，式中：K泄露折算系數，一般，K=1.11.5（3）選擇液壓泵的規(guī)格參照設計手冊或產品樣本，選取其額定壓力比高25%60%，其流量與上述計算一致的液壓泵。（4）計算功率，選用電動機按工況圖，找出所有缸N-t圖中最高功率點的對應的（計算值）和泵額定流量的乘積，然后除以泵的總效率 (4.2)確定液壓泵的流量壓力和選擇泵的規(guī)格，泵的工作壓力的確定?？紤]到正常工作中進油路有一定的壓力損失，所以，泵的工作壓力為：液壓泵的最高工作壓力；執(zhí)行元件的最高工作壓力進油管路中的壓力損失，初算時，簡單系統(tǒng)可取0.20.5，=0

42、.5，=4.5+0.5=5上述計算所得的是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡，階段出現(xiàn)的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外考慮到，一定的壓力儲備量并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力應滿足泵流量的確定。液壓泵的最大流量應為：，液壓泵的最大流量同時工作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如果這時溢流閥正進行工作，尚需加溢流閥的最小溢流量23L/min系統(tǒng)泄漏系數，一般取=1.1-1.3，現(xiàn)取=1.2選擇液壓泵的規(guī)格。根據以上算得和，再查閱有關手冊，現(xiàn)選用YB-80BI雙聯(lián)葉片泵，該泵的基本參數為：每轉排量：10194mL/r;泵的額定壓力=10.5；電動機轉速；容積效率；總效率。與液壓泵匹配的電

43、動機的選定。首先分別計算出不同工況時的功率，取它們之間的最大值作為選取電動機規(guī)格的依據。由于在速度較小時，泵輸出的流量減小，泵的效率急劇下降，一般當流量在0.21L/min范圍內時，可取=0.030.14。同時，應注意到，為了使所選擇的電動機在經過泵的流量特性曲線最大功率點時，不致停車，需進行驗算，即 (4.3)泵的工作壓力：P=245.25余量系數，取K=1.05泵出油量油頭主管損失油頭泵的功率傳動效率直接傳遞為1選電機：4.2.2 選擇液壓控制閥的原則按控制閥的額定流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量原則4.2.3 選擇液壓輔助元件的要求(1)濾油器按泵的最大流量選取流量略大些的濾

44、油器，濾油精度在為網式或線段式濾油器即可。(2)油管和管接頭的通徑與閥一致來選取。(3)油箱容積Q=50Qp注意：Qp單位若為L/min時，V的單位為 Qp單位若為時，V的單位為4.2.4 具體選擇液壓元件（1）換向回路的選擇緊缸換向選用二位三通閥，其他缸全部選用B型的三位四通電磁換向閥。選用B型電磁閥便于微機控制，選中位為O型是使定位準確。（2）調速方案的選擇本系統(tǒng)是功率較小的，故選簡單的進油路節(jié)流閥調速。（3）緩沖回路的選擇選用二位三通閥加入油路，便于微機控制，提高自動化程度。(4)系統(tǒng)的安全可靠性的選擇為防止伸縮缸在仰起一定角度后的自由下滑，都采用單向順序閥來平衡。為保證夾緊缸夾持工件的

45、可靠性選用液控單向閥保壓和鎖緊。液壓元件的選擇單向壓力補償調速閥：QI-63B，QI-130B，QI-23B單向閥：I-25減壓閥：I-10單向順序閥：XI-160B二位三通電磁閥：23D-10B，23D-50B，23D-100B二位四通電磁閥：24D-25B，34DY-63B，34S-160B線隙式濾油器：XU-B327-75 XU-1337-50壓力表：Y-60確定管道尺寸時本系統(tǒng)主油路流量q=160L/min，壓油管的允許流速為v=4m/s，則內徑d=4.6=4.6=29mm夾緊油路d=11mm手腕回轉油路d=18mm手腕擺動油路d=18mm手腕回轉油路d=26mm手腕仰俯油路d=28m

46、m液壓油箱的設計：液壓油箱的作用是儲存液壓油，分離液壓油中的雜質和空氣，同時起到分散的作用。1.液壓油箱有效容積的確定液壓油箱在不同的工作條件下，影響散熱的條件很多，通常按壓力范圍來考慮。液壓油箱的有效容量v可概略地確定為：在中低壓系統(tǒng)中（p），可取v=（57）。式中：V液壓油箱有效容量；液壓泵額定流量 V=3=696=576，故V=576L應當注意：設備停止運轉后，設備中的那部分會因重力作用而流回液壓油箱。為了防止液壓油從油箱中溢出，油箱中液壓油位不能太高，一般不應超過液壓油箱高度的2.液壓油箱的外形尺寸液壓油箱的有效容積確定或，需設計液壓油箱的外形尺寸，一般尺寸比（長：寬：高）為：1：1：

47、11：2：3為提高冷卻效率，在安裝位置不受限制時，可將液壓油箱的容量予以增大。根據油箱有效容量可選BEX630。4.3 本章小結本章介紹了機械手液壓系統(tǒng)的組成，工作原理及工作過程，液壓傳動有以下優(yōu)點：1.液壓傳動的各種元件，可根據需要方便、靈活的來布置；2.重量輕、體積小、運動慣性小、反應速度快、定位精度好；3.操縱控制方便，可實現(xiàn)大范圍的無級調速；4.可自動實現(xiàn)過載保護；5.成本低廉、性能優(yōu)越。第5章 液壓缸的保養(yǎng)與維修5.1 液壓元件的安裝1.安裝前元件應以煤油進行清洗，并要進行壓力和密封性實驗，合格后可安裝。2.泵及其傳動要求較高的同心度。3.油泵的入口，出口和旋轉方向一般在泵上均有標明

48、，不得接反。4.安裝各種閥時，應注意進油口與回油口的方向。5.為了避免空氣滲入閥內，連接處應保持密封良好。6.用法蘭安裝的閥件，螺釘不能擰的過緊，因為有時擰的過緊反而密封不良。5.2 液壓系統(tǒng)的一般使用與維護1.油箱中的液壓油應經常保持正常油面。2.液壓油應經常保持清潔。3.油溫應適當，油箱的油溫一定不能超過4.回路里的空氣應完全清除掉?；芈防镞M入空氣后，因為氣體的體積和壓力成反比，可以隨著負荷的變動，油缸的運動也要受到影響。為了防止回油管回油時帶入空氣，回油管必須插入油面以下。吸入管和泵軸的密封部分等各個低于大氣壓的地方應注意不要漏入空氣。5.在初次起動油泵時，應向泵里灌滿油，檢查轉動方向是否正確，入口與出口是否接反。6.在油泵起動和停止時，應使溢流閥御荷。7.溢流閥的調節(jié)壓力不得超過液壓系統(tǒng)的最高壓力。8.應盡量保持電磁閥的電壓穩(wěn)定，否則可能會導致線圈的過熱。9.易損的零件，如密封圈等，應經常有備品，以便及時更換。5.3 一般技術安全事項液壓系統(tǒng)的使用維護中，必須注意技術安全否則會引起傷亡事故。用扳手去擰緊或調整的零件，避免放在當扳手松滑時容易把手弄傷的地方。所有連接螺釘必須擰緊。法蘭上所有螺釘都必須裝上。一切連鎖或鎖緊裝置校準。檢查用的壓力計等儀表，必須放于便于觀察的地方。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，