潛水泵試壓機(jī)械手設(shè)計

1、 課程設(shè)計報告 (2015-2016年度第一學(xué)期)名 稱： 專業(yè)課程設(shè)計 題 目：潛水泵試壓機(jī)械手設(shè)計院 系： 機(jī)械工程系 班 級：機(jī)械1203 學(xué)生姓名： 范方锏 王季鑫 張平 孫澤 陳慶昊 指導(dǎo)教師：楊曉紅 花廣如 楊化動設(shè)計周數(shù)： 2周 成 績： 日期： 2016年 1 月 22 日概述一、 目的與要求專業(yè)課程設(shè)計是機(jī)械設(shè)計及自動化專業(yè)方向?qū)W生的重要實(shí)踐性教育環(huán)節(jié)，也是該專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計前的最后一次課程設(shè)計。擬通過專業(yè)課程設(shè)計這一教學(xué)環(huán)節(jié)來著重提高學(xué)生的機(jī)構(gòu)分析與綜合的能力、機(jī)械結(jié)構(gòu)功能設(shè)計能力、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的能力和綜合運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計方法的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力。在專業(yè)課程設(shè)計中，

2、應(yīng)始終注重學(xué)生能力的培養(yǎng)與提高。專業(yè)課程設(shè)計的題目為工業(yè)機(jī)械手設(shè)計，要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立完成整個設(shè)計過程。學(xué)生通過專業(yè)課程設(shè)計，應(yīng)該在下述幾個方面得到鍛煉：1 綜合運(yùn)用已學(xué)過的“機(jī)械設(shè)計學(xué)”、“液壓傳動”、“機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計”、“計算機(jī)輔助設(shè)計”等課程和其他已學(xué)過的有關(guān)先修課程的理論和實(shí)際知識，解決某一個具體設(shè)計問題，是所學(xué)知識得到進(jìn)一步鞏固、深化和發(fā)展。2 通過比較完整地設(shè)計某一機(jī)電產(chǎn)品，培養(yǎng)正確的設(shè)計思想和分析問題、解決問題的能力，掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計的一般方法和步驟。3 培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計工作者必備的基本技能，及熟練地應(yīng)用有關(guān)參考資料，如設(shè)計圖表、手冊、圖冊、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等。4 進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的

3、自學(xué)能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。二、 主要內(nèi)容潛水泵試壓機(jī)械手設(shè)計。本機(jī)械手是為潛水泵試壓服務(wù)的。潛水泵生產(chǎn)過程中，需要進(jìn)行試壓測漏檢驗，其具體過程是：（參看圖1）圖1潛水泵水槽150036852021001000160210350運(yùn)輸線圖2 潛水泵外形圖三、 進(jìn)度計劃機(jī)械手將潛水泵拿起，在空中沿運(yùn)輸線方向旋轉(zhuǎn)90º，由人工將高壓空氣管接頭與潛水泵連接好，并通入高壓空氣，然后機(jī)械手將潛水泵按圖1所示方向放入水槽中，觀察兩分鐘，確認(rèn)有無漏氣現(xiàn)象后，在將潛水泵拿出水槽，拆去高壓空氣管接頭，并按原位置將潛水泵放回到運(yùn)輸線上。管接頭的裝拆應(yīng)在運(yùn)輸線上方進(jìn)行，裝拆過程各需2分鐘之內(nèi)完成，運(yùn)輸線每

4、隔5分鐘向前運(yùn)送一個潛水泵。 表1潛水泵試壓機(jī)械手主要技術(shù)參數(shù)運(yùn)動簡圖（固定在地面上）整體外形尺寸不能超出圖1規(guī)定范圍抓取重量70kgf手腕運(yùn)動參數(shù)自定手臂運(yùn)動參數(shù)自定自由度34個定位精度±10mm控制方式電器控制驅(qū)動方式液壓 kgf/cm²（1）根據(jù)以上相關(guān)設(shè)計參數(shù)及要求，完成潛水泵試壓機(jī)械手方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)設(shè)計。（2）撰寫專業(yè)課程設(shè)計報告一份，不少于10000字。序號設(shè)計內(nèi)容完成時間備注1總體方案設(shè)計第2天2繪制部件及總體設(shè)計草圖第5天3繪制零件圖第8天4繪制液壓原理圖第9天5繪制電器原理圖第10天6繪制正式圖第12天7編寫專業(yè)課程設(shè)計報告第13天8答辯第1

5、4天四、課程設(shè)計成果要求 1機(jī)械手總裝圖1張（0號圖紙）、部件圖若干張（0號圖紙）；2全部非標(biāo)零件圖（圖紙類型是零件類型及復(fù)雜程度而定）；3液壓原理圖和電器控制原理圖各一張； 4撰寫專業(yè)課程設(shè)計報告一份，不少于10000字。五、考核方式專業(yè)課程設(shè)計的成績評定采用五級評分制，即優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格。成績的評定主要考慮學(xué)生的獨(dú)立工作能力、設(shè)計質(zhì)量、答辯情況和平時表現(xiàn)等幾個方面，特別要注意學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行工程技術(shù)工作的能力和創(chuàng)新精神，全面衡量學(xué)生的真實(shí)質(zhì)量。 指導(dǎo)教師：楊曉紅 花廣如 楊化動方案設(shè)計1、 功能分解：由任務(wù)書，知機(jī)械手需完成動作為:機(jī)械手將潛水泵拿起，在空中沿運(yùn)輸線方向旋轉(zhuǎn)90&

6、#186;，由人工將高壓空氣管接頭與潛水泵連接好，并通入高壓空氣，然后機(jī)械手將潛水泵按圖1所示方向放入水槽中，觀察兩分鐘，確認(rèn)有無漏氣現(xiàn)象后，在將潛水泵拿出水槽，拆去高壓空氣管接頭，并按原位置將潛水泵放回到運(yùn)輸線上。管接頭的裝拆應(yīng)在運(yùn)輸線上方進(jìn)行，裝拆過程各需2分鐘之內(nèi)完成，運(yùn)輸線每隔5分鐘向前運(yùn)送一個潛水泵抓取重量70kgf手腕運(yùn)動參數(shù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)角90°，液壓驅(qū)動 PLC控制手臂運(yùn)動參數(shù)水平移動，最大可移動1米，液壓驅(qū)動 PLC控制機(jī)身運(yùn)動參數(shù)上下移動，最大可移動1米，液壓驅(qū)動 PLC控制自由度3個（2個移動，1個回轉(zhuǎn)）定位精度±10mm控制方式電器控制（PLC）驅(qū)動

7、方式液壓 kgf/cm²則有，總功能為：機(jī)械手夾取泵，移動回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)位移。（3個自由度）分解功能為：1、 動力源2、 驅(qū)動方式3、 執(zhí)行裝置（抓，移，轉(zhuǎn)）4、 控制裝置列形態(tài)學(xué)矩陣，確定選擇方案為：動力源：液壓泵，驅(qū)動：液壓缸執(zhí)行，抓：活塞液壓缸 轉(zhuǎn)：單葉片回轉(zhuǎn)缸 移：活塞液壓缸控制：PLC控制2、 運(yùn)動設(shè)計：由任務(wù)書，可知：機(jī)械手執(zhí)行的動作有：1、抓取，2、移動，3、手腕轉(zhuǎn)90度，4、等待人工插管20s，5、將泵放入水中，6、等120s，7、返回，8、轉(zhuǎn)回，9、移動，10、松這些動作均是在垂直于運(yùn)輸帶的平面進(jìn)行的，小組討論出2個執(zhí)行動作方案：1、 橫向夾取，水平和豎直位移，X軸方向

8、旋轉(zhuǎn) (直角坐標(biāo))2、 橫向夾取，伸縮和繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動，x軸方向旋轉(zhuǎn) (圓柱坐標(biāo))最終選取方案為方案2.3、 方案介紹：X位為機(jī)械手的初位，啟動，缸1伸（橫向為缸1，豎直為缸2），至A位，手部夾取泵體（5s實(shí)現(xiàn)），缸1縮，至B位，腕部實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，（等待20S）缸2縮，手臂轉(zhuǎn)動，至C位缸1伸，至D位，等待120s觀察，然后原路返回。手部結(jié)構(gòu)設(shè)計一、手部結(jié)構(gòu)總體方案潛水泵試壓機(jī)械手夾持的是潛水泵的側(cè)圓柱面，夾持方式是外抓。經(jīng)過討論，我們組決定采用手指式手部結(jié)構(gòu)，兩指外抓泵圓柱面，示意圖如下： 二、手指類型的確定 手指式手部對于抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，其中采用兩指式為最多?？紤]到潛水泵質(zhì)量為70

9、KG，我們決定采用雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指，示意圖如下： 手部結(jié)構(gòu)完整示意圖如下： 三、手部結(jié)構(gòu)計算 1、設(shè)計時應(yīng)注意的問題 (1)手指需有足夠的夾緊力。 (2)手指應(yīng)有一定的開閉角度范圍，其大小要滿足工件尺寸變化的需要。 (3)應(yīng)能保證工件的準(zhǔn)確定位。 (4)結(jié)構(gòu)盡量緊湊、減輕重量，以利于臂部設(shè)計。2、手指夾緊力的的計算手指對工件的夾緊力可按下式計算： kgf式中K1安全系數(shù)，通常取1.22K2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按K2=1+0.1a估算。a為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程的加速度，ms2 K3方位系數(shù)G被抓取工件的重量，kg 安全系數(shù)K1取1.6 加速度a由其他組員計算，取a=0.1m/s

10、2 工作情況系數(shù)K2=1+0.1a=1.01m/s2 方位系數(shù)K3由下表： 方位系數(shù)K3粗略取為4 工件重量G=70KG 由以上參數(shù)數(shù)值，=1.6*（1+0.1a）*4*70=4524.8N，取夾緊力N=5000N3、手部驅(qū)動力計算 由上述手部結(jié)構(gòu)，驅(qū)動力公式如下： 由圖中公式，取一下參數(shù)：b=140mm，c=50mm，=45度，=10度則驅(qū)動力P=4197.1N四、手部夾緊液壓缸的設(shè)計手部采用液壓方式提供驅(qū)動力，行程較短，故選用通用型液壓缸中的拉桿型單作用液壓缸，其結(jié)構(gòu)較簡單，零部件標(biāo)準(zhǔn)化，制造安裝都很方便。選取缸體材料為鋁合金。以下是缸體數(shù)據(jù)計算：1、缸體內(nèi)徑D液壓缸的缸體內(nèi)徑D是根據(jù)負(fù)載

11、的大小來確定工作壓力或往返運(yùn)動速度比，求得液壓缸的有效工作面積，從而得到缸體內(nèi)徑D，再從GB/2348-1993液壓氣動系統(tǒng)及元件缸內(nèi)活塞及活塞桿外徑中選取相近的標(biāo)準(zhǔn)值作為所設(shè)計的缸體內(nèi)徑。本組方案中，我們經(jīng)過討論，以無桿腔作為工作腔，則D=（4*F/（*p）0.5，其中：F為最大作用負(fù)載，即為前述驅(qū)動力P，F(xiàn)=P=4197.1N；p為初選的工作壓力，值為4MPa則根據(jù)公式，缸體內(nèi)徑D=36.55mm，圓整后取D=40mm，此時的工作壓力p=4*F/（*D2）=3.34MPa2、 最小導(dǎo)向長度 當(dāng)活塞全部外伸時，從活塞支撐面中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動面中點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長度H。如果導(dǎo)向長度過小，將使

12、液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此，設(shè)計時必須保證有一最小導(dǎo)向長度。對于一般液壓缸，其最小導(dǎo)向長度應(yīng)滿足下式：HL/20+D/2=21.25mm3、 活塞桿外徑d由經(jīng)驗公式，d=(1/31/5)*D=813.3（mm），圓整后d=10mm 4、液壓缸長度L缸筒長度L由最大工作行程加上各種結(jié)構(gòu)需要來確定，即 L=l+B+A+M+C 式中 l活塞的最大工作行程，取為25mm B活塞的寬度，一般為（0.61）D A活塞桿導(dǎo)向長度，?。?.61）D M活塞桿密封長度，由密封方式?jīng)Q定 C其他長度 由上式可得，長度L=73125（mm），取L=100mm5、液壓缸壁厚 初選液

13、壓缸壁為厚壁，則D/10，則壁厚應(yīng)滿足： 0.5*D*（(+0.4*pt)/(-1.3*pt)-1）0.5） 缸筒的試驗壓力（最高工作壓力）pt=1.5*pn, =b/n,n為安全系數(shù)，一般取為5， 鋁合金拉伸強(qiáng)度極限b=412MPa 由上述數(shù)據(jù)，得壁厚3.1mm，取=5mm，則缸體外徑D1=50mm 6、活塞桿的強(qiáng)度校核末端執(zhí)行器的重量約為：10Kg。 工件重量為：70Kg。由靜力平衡方MB=0 R1·LAB Q·LBC=0MA=0 R2·LAB Q·LAC=0求得支反力為： R1=292NR2=628.93N 以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，得剪力圖和彎矩圖如下：

14、由材料力學(xué)附表5查得活塞桿=140MPa, =240MPa.則在B處橫截面上的剪應(yīng)力為：B= R2/A= 安全。在B處的彎應(yīng)力為：B= MB/A= 安全。 7、密封 由于本液壓缸屬于低壓系統(tǒng)，活塞桿與缸筒之間采用間隙密封 方式進(jìn)行密封。 8、缸蓋和缸筒的結(jié)構(gòu) 缸蓋和缸筒的結(jié)構(gòu)如下圖： 缸蓋 缸筒 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計一手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計手腕設(shè)計時應(yīng)注意的問題（1） 結(jié)構(gòu)緊湊以減輕重量（2） 轉(zhuǎn)動的靈活性及密封（3） 考慮通向手部油路的配置1. 手腕的自由度手腕是連接手部和臂部的部件，它的作用是改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手能完成相應(yīng)的動作?？紤]到工件的放置位置，定位精度和通用性，給手腕設(shè)

15、一個繞回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)運(yùn)動可滿足工作的要求，目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)液壓缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，回轉(zhuǎn)角能滿足正反轉(zhuǎn)90度要求，并要求有嚴(yán)格的密封。2. 手腕的驅(qū)動力矩的計算公式（1） 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合產(chǎn)生的偏重力矩 示意圖如下M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封式中:M驅(qū)驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩M慣慣性力矩M偏參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的

16、偏重力矩M摩手腕轉(zhuǎn)動處在軸頸處的摩擦阻力矩M封手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩二回轉(zhuǎn)缸部分的參數(shù)確定下面對各阻力矩分別進(jìn)行計算1. 手腕加速時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣若手腕起動過程按等加速運(yùn)動，手腕轉(zhuǎn)動時的角度為w，起動過程所用的時間為t則 M慣=(J+J1)w/t（N.mm）其中J為參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量J1為工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量又工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量J1為J1=Jc+G1/g .e1²式中，Jc工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量G1工件的重量e1工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距W手腕轉(zhuǎn)動時的角速度t起動過程所需的時間代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計

17、算J1=Jc+G1/g .e1² =1/12×m（3r²+h²）+70×28² =1/12×70(3×80²+350²)+70×28² =881463kg.mm²把手部、轉(zhuǎn)軸及回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)等效為一個高400mm，直徑150mm的圓柱體的回轉(zhuǎn)，其所受重力為300N，則有手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量J=1/2×mR²=1/2×30×75=1125kg.mm²取手腕回轉(zhuǎn)速度為3.5rad/s，取起動時間為t=0.

18、25SM慣=(J+J1)w/t=（881463+1125）×3.5/0.25進(jìn)行單位換算后M慣=12.36kg.m2. 手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏M偏=G1e1+G3e3式中：G3手腕轉(zhuǎn)動件的重量e3手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距當(dāng)動片偏心的影響可以忽略不計時，G3e3=0則M偏=G1e1+G3e3 =70×9.8×0.028 =19.2kg.m3. 手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩M摩M摩=f/2×（Ra×d2+Rb×d1）式中，d1，d2轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑f摩擦系數(shù)，對于滾動軸承f=0.01Ra，Rb軸承

19、處的支承反力，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解。Ma（F）=0，得Rb×l+G3×l3=G2×l2G1×lRb=(G2×l2G1×l-G3×l3）/l其中l(wèi)1=340mml2=255mml3=60mmL=121mmG2=200NG3=300N所以Rb=(G2×l2G1×l1-G3×l3）/l =2239.7N同理，由Mb（F）=0，得： Ra=G1×l1+l）+G2×（l+l2）+G3l-l3/l =3339N所以，M摩=f/2×（Ra×d2+Rb×

20、d1） =1.64kg.m4. 轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，可簡化為M封=0.15M驅(qū)式 M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封變?yōu)?.85M驅(qū)=1.64+12.36+19.2M驅(qū)=39.1N.m5. 回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑計算 回轉(zhuǎn)缸工作時所產(chǎn)生的實(shí)際驅(qū)動力矩為M=P×b（R²-r²）/2取動片寬度為30mm，軸徑為40mm，則軸半徑為20mm，油液壓力P=2.4MPa又M>M驅(qū)則P×b（R²-r²）/2>39.1R>40mm內(nèi)徑取100mm6. 回轉(zhuǎn)缸的外徑計算根據(jù)油缸的工作

21、要求D/3.233mm取=35mm所以D1=D+2×=100+2×35=170mm7. 進(jìn)出油口的定位初步擬定在缸體的中心面偏移固定缸體與動片的螺釘中心角度為15度的兩外側(cè)打兩圓孔供油。三手腕部分其他零部件的設(shè)計與選取 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計選用標(biāo)準(zhǔn)YHG型標(biāo)準(zhǔn)液壓缸1、 缸1設(shè)計。驅(qū)動力：根據(jù)公式 試中 各支承處的摩擦力 啟動時慣性力 運(yùn)動部件的總重量 所以液壓缸內(nèi)徑D：則計算得D=49.47mm，取D=50mm。選取YGH標(biāo)準(zhǔn)液壓缸D=50mm，桿徑d=36mm。其參數(shù)如下：速比=2，推力P1=3140N，拉力P2=1510N,kk=M27X2，A=36，MXT=M18X1.5，

22、B=55, BA=30,C1=50，C2=75，1=63.5，2=90，VF=24，WF=38，XF=86，ZJ=205，X=8，L1=18，L2=61，L3=12，n1-M1=8-M6，n2-M2=6-8M，重量6.76kg,每10mm增加重量0.174kg。校核：在校核尺寸時，只需校核液壓缸內(nèi)徑=50mm,半徑R=31.25mm的液壓缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計使用壓強(qiáng),則驅(qū)動力： 測定手和腕質(zhì)量為75+50=125kg,設(shè)計加速度，則慣性力： 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), 總受力 所以標(biāo)準(zhǔn)液壓缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動力要求。2、 缸2設(shè)計：驅(qū)動力：根據(jù)公式 試中 各支承處的摩擦力 啟動時慣性力 運(yùn)動部件的總重量 所以液壓缸內(nèi)徑D：則計算得D=61.819mm，取D=63mm。選取YGH標(biāo)準(zhǔn)液壓缸D=63mm，桿徑d=45mm。其參數(shù)如下：速比=2，推力P1=4980N，拉力P2=2440N,kk=M33X2，A=45，MXT=M27X1.5，B=70, BA=38,C1=6