通用液压机械手设计 -圆柱坐标型

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The material of hydraulic manipulator this subject to the grasping be up in space objects, flexible, any changes to the relevant parameters according to the change and the movement flow requirements, but instead of manual operation in high risk areas,. Key Words: manipulator, hydraulic manipulator, crawl, enhance 目 录 摘 要 II Abstract III 目 录 IV 第1章 绪论 1 1.1课题背景及目的 1 1.2 液压机械手概念 2 1.3 液压机械手的组成 2 1.4 国内液压机械手的研究 2 1.5液压机械手的应用 3 第2章 液压机械手设计要求与方案 4 2.1 液压机械手设计要求 4 2.2 基本设计思路 4 2.2.1 系统分析 4 2.2.2 总体设计框图 4 2.2.3 液压机械手的基本参数 5 2.3 液压机械手结构设计 5 2.4 机械手材料的选择 6 2.5机械臂的运动方式 6 2.6 液压机械手驱动方式的选择 7 2.7 动作要求分析 7 2.8 液压机械手结构及驱动系统选型 8 第3章 系统各主要组成部分设计 9 3.1夹持器结构设计与校核 9 3.1.1夹持器种类 9 3.1.2夹持器设计计算 10 3.1.3夹持器校核 11 3.2升降方向设计计算 11 3.2.1 初步确系统压力 11 3.2.2 升降油缸计算 12 3.2.3 活塞杆的计算校核 14 3.2.4 液压缸工作行程的确定 15 3.2.5 活塞的设计 16 3.2.6 导向套的设计与计算 16 3.2.7 端盖和缸底的计算校核 17 3.2.7 缸体长度的确定 18 3.2.8 缓冲装置的设计 18 3.2.9 油缸的选型 18 3.3 水平方向设计计算 20 3.3.1 水平方向计算 20 3.3.2 油缸的选型 20 3.3底座回转机构设计计算 22 3.3.1 回转部位负载计算校核 22 3.3.2 油马达的选型 24 3.4机身结构的设计校核 25 3.4.1 油马达的选择 25 3.4.3螺柱的设计与校核 26 3.4.4机座的机械结构 27 3.5液压机械手的定位及平稳性确定 28 3.5.1常用的定位方式 28 3.5.2影响平稳性和定位精度的因素 28 3.5.3液压机械手运动的缓冲装置 29 第4章 液压驱动系统设计 31 4.4手部抓取缸 31 4.5腕部摆动液压回路 32 4.6小臂伸缩缸液压回路 33 4.7总体系统图 34 总结 36 参考文献 38 致 谢 39 第1章 绪论 1.1课题背景及目的 由于现代科学技术的发展，在工业生产和日常生活中，液压机械手技术得到了广泛的应用。智能型液压机械手的研究是近年来科学家同意致力的方向。式液压机械手的人体模型，它可以模拟各种人类行为和人类的外部特征。未来的液压机械手的管家将不是梦想。 根据不同的液压机械手的结构，液压机械手可以分为各种各样的。轮式移动机器人，履带式液压机械手，机械手，行走液压机械手等。值得一提的是，行走液压机械手，他是近年来类机的一个重要研究成果。移动它最喜欢的动物甚至人类交谈。这是一个非常复杂的自动化程度很高的运动。与传统的轮式和履带式液压机械手相比，对环境的适应性。在工作空间很小，在崎岖的道路上，楼梯等。不久的将来，这项技术将被广泛使用。 在研究中，液压机械的生产，对液压机械手设计的计算机模拟中的应用是一个非常重要的过程。包括零件建模，装配液压机械手的仿真，与运动仿真。通过仿真，设计师可以观察各机构的运动非常直观，知道没有干扰；可以了解各部件的受力，不同的模拟数据。该方法大大降低了开发时间和成本。 在学校的毕业设计是机械设计制造及其自动化专业学习的最后一个环节，学习在大学四年的继续深化和检验，具有实践性和综合性，是不是一个单一的其他替代方案，通过毕业设计可以提高综合能力的培养，是要去上班，提高实际工作能力起着非常重要的作用。为了实现以下目标： （1）的基本理论，基本知识和基本技能的综合运用，提高分析和解决实际问题的能力。 （2）接受全面的培训工程师必须，提高实际工作能力。为调查研究，文献和数据收集和分析能力；设计和开发测试计划能力；设计，计算和绘图能力的提高；总结和撰写论文的能力。 （3）的综合素质和实践能力的测试。 1.2 液压机械手概念 目前，工业机械手的概念，世界是不统一，分类是不一样的。国际标准化联合国最近采用了美国机器人协会定义了工业机械手的组织：工业机器人是一种可编程的多功能操作装置，可以改变行动计划，完成各种工作，主要用于材料处理，工件传送。 液压机械手（机器人）是一台自动执行工作。它是一个产品的控制理论，先进的集成机械电子，计算机，材料和仿生。在工业，医学，农业，建筑业甚至军事等领域中均有重要的应用。 液压机械手是一种有代表性的，机械的和电子控制系统，自动化程度高的生产工具，在近50年的发展。在制造业中，液压工业机器人技术已经得到了广泛的应用。这是一个高的自动化程度，改善劳动条件，保证产品质量和提高工作效率，发挥了非常重要的作用。可以说，他是现代工业的技术革命。 1.3 液压机械手的组成 执行系统一般包括手，腕，臂，底座，一个主要的运动系统。 主要由液压机械手执行系统，驱动系统和控制系统三部分。 手抓（或吸附，控股）和松开工件或工具的部分，由手指（或吸收），驱动元件和驱动元件。 时间，速度和加速度参数。 液压机械手与主机和其他相关设备之间的[ 3 ]。 1.4 国内液压机械手的研究 工业液压机械手的应用在日本有着悠久的历史。在七十年代当工业液压操纵器，然后经过十年的发展，已在工业液压机械手八十年代流行。他们的年工业产值迅速增加。1980达到一千亿日元，1990至六千亿日元。在2004达到了一兆和八千五百亿日元。这表明工业液压机械手在提高生产效率的重要性。 在国际上，各个国家都实现了工业液压机械手的重要性。因此，工业液压机械手订单锐减。相比于2003 2002百分之十的增长的订单。然后工业液压机械手的需求量仍在上升。从2001到2006，超过90000的全球经济增长中的订单。7%的平均年增长率。 国际工业液压机械手的发展方向： 液压机械手涉及多学科、多领域的知识。包括：计算机，电子，控制，人工智能，传感器，通信和网络，控制，机械等。液压机械手的发展离不开主题。正是由于各学科整合的相互作用，创建一个自动化程度高，其。随着科学技术的进步，在液压机械手的应用范围越来越广泛；技术越来越高，功能更强大。它是液压机械手的研究向小型化发展。液压机械手将更多地进入人们的日常生活。总的发展趋势是模块化，标准化，智能化。 广泛应用于工业液压机械手，以提高质量和生产力，产品安全人员安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高生产效率，节约原材料的消耗，降低了生产成本，具有非常重要的作用。广泛应用于工业液压机械手的以人为本的原则，它的出现使人们的生活更方便、美好。 1.5液压机械手的应用 液压机械手工业是一个大型高新技术工业计算机，后车。现代军事工业，液压机械发展的市场前景是非常好的。从第二十世纪起，液压机械行业的稳步增长。在第二十世纪九十年代，液压机械产品的开发和快速增长，年均增长率超过百分之十。在2004到百分之二十的记录。亚洲液压机械手的更多需求，年增长率高达百分之四十三。经过40年的发展，应用工业液压机械手的许多领域。生产中使用最广泛的液压机械手。如制造焊接，热处理，表面涂层，加工，装配，测试和仓库，毛（冲压，压铸，锻坯等）等操作，代替人工操作的液压机械手，极大地提高了生产效率。 第2章 液压机械手设计要求与方案 2.1 液压机械手设计要求 　工件：棒料，重量20公斤，最大长度300mm, 直径100－120mm 　工作区域：取物高度不小于600-1500mm，作业半径500-1500mm；回转角度270?， 工作速度：移动速度3m/s，定位精度±0.3mm；转动速度45?/s。 2.2 基本设计思路 2.2.1 系统分析 该机器人是实现生产过程自动化，提高劳动生产率的有力工具。为了在生产过程实现自动化，机械化，自动化的综合技术经济分析的需要，从而判断是否适当的机械手。以完成机械手的设计，一般都要先做以下工作： （1）根据使用场合的机器人机械手的，明确的目标和任务。 （2）机械手的工作环境分析。 （3）对系统要求的分析，确定了机械手和方案的基本功能，如自由度的数目，机器人的运动速度，定位准确，抓住重。此外，根据抓斗液压质量，形状，尺寸和批量生产，以确定的形式和机械手的位置和握力的大小。 在这方面，我分析如下： （1）为手材料液压机械设计问题，机械手是物料输送机械手。虽然机械手的使用场合，也非常广泛，涉及到材料的状态，环境因素的作业线，比我的知识和能力，我选择了材料液压机械手的小对象处理非生产线。 （2）由于机械手我选择的是材料的液压机械手，小对象处理非生产线。因此，系统的工作环境下，机械厂，准确度高，故障率低，速度。 2.2.2 总体设计框图 图2 总体设计框图 如图2为总设计框图，说明如下： (1) 控制系统：任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制机械手的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为CPU的选择，CPU程序的编写调试等。 (2) 驱动系统：驱动系统工作的驱动装置。 (3) 机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式，并计算得出具体结构。 (4) 感知系统：即传感器的选择及具体作用。 2.2.3 液压机械手的基本参数 1. 机械手的最大液压物料的重量是它的主参数。本论文物料液压机械手所液压的物料质量可设定为棒料，重量20公斤。 2. 运动速度直接影响机械手的动作快慢和机械手动作的稳定性，所以运动速度也是是物料物料液压机械手的一个主要的基本参数。设计速度过低的话，会无法满足机械手的动作功能，限制机械手的使用范围。设计的速度过高又会加重机械手的负载并影响机械手动作的平稳性。 3. 伸缩行程和工作半径是决定机械手工作范围及整机尺寸的关键，也是机械手设计的基本参数。 3.定位精度也是机械手的主要基本参数之一。机械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味着成本的增加。综合考虑，该物料液压机械手的定位精度设定定位精度±0.3mm。物料液压机械手的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物料液压机械手各关节的行程和时间分配来决定。 2.3 液压机械手结构设计 根据所设计的机械手的运动方式：机械臂的转动，机械臂的升降。根据上文所说的，机械手按照坐标的分类情况，选择圆柱坐标式机械手更为妥当。 2.4 机械手材料的选择 机械手的材料应根据手臂的工作条件，满足机械手的设计和制造要求。从设计思想，机械臂完成各种运动。因此，对材料的要求是为移动部件，它应该是轻质材料。另一方面，手臂振动经常的运动过程中，这将大大减少它的运动精度。所以在材料的选择上，综合考虑的质量，刚度，阻尼的需要，从而有效地提高了机械臂的动力学性能。此外，机械手选材料和不同材料的一般结构。机械手是一种伺服机构，受控制，必须考虑其可控性。在臂的材料选择，可控性和可加工性的材料，结构，质量性能的考虑。 总之，选择一个机械臂的材料，应考虑强度，刚度，重量轻，弹性，耐冲击，外观和价格等因素。这里有几个机械手使用的材料： （L）的高强度钢，碳素结构钢和合金结构钢：这类材料的强度，特别是合金结构钢的强度增加了4 ~ 5倍，弹性模量，抗变形能力，是最广泛使用的材料； （2）铝，铝合金等轻合金材料的共同特点是重量轻，弹性模量E的小，但材料的密度小，与E／P比值还与钢相比； （3）陶瓷：陶瓷材料具有良好的质量，但易碎，但处理不好，接头需要特殊的设计与金属零件。然而，日本已开发ARM陶瓷机械手用于高速机械手的样品； 从机械手设计的角度来看，不需要负载能力在材料的选择，也不需要高弹性模量和抗变形能力，除了要考虑到材料成本，加工和其他因素。在各种因素的措施，结合铝合金的初步选择的工作条件，如机械臂组件。 2.5机械臂的运动方式 机械手的运动形式有五种常见的SCARA型，直角坐标式极坐标型，联合型和圆柱坐标。根据运动形式的选择主要运动参数为基础的结构设计。一种运动形式以满足不同生产工艺的需要，可以采用不同的结构。选择表格的具体位置，必须根据操作要求，工作地点，和液压工作中心线方向的变化，比较和选择。 这种机械手的定位2个肩关节和肘关节的1，2或3手腕方向。其中，绕垂直轴肩，另一个肩斜度。肩关节的两个正交轴。平行于第二轴肩关节，考虑到机械手的工作特点，这就要求动作灵活，具有较大的工作空间，结构紧凑，占用空间小，关节式机械手的选择。如图所示。这种配置，动作灵活，工作空间大，干涉仪的最小空间机械臂操作，结构紧凑，占地面积小，关节相对运动部位易密封与防尘。但这种机械手运动学逆解比较复杂，难以确定的端元；态度不够直观，并在控制，计算量比较大。 图3 常见的运动方式 2.6 液压机械手驱动方式的选择 机械手使用的驱动方式主要有液压驱动，液压驱动和电机驱动的四种基本形式。 但是，与液压传动相比，低功耗，能源，液压传动结构相对简单的速度不易控制，精度不高。 油马达驱动能量是简单，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速变化的机制，高效，灵活的控制。 液压驱动的特点是功率大，结构简单，省去了减速装置，响应速度快，精度高。但需要有液压源，但也容易漏液。 首先，我会选择驱动电机，但考虑到纯机械结构的机械手的运动并不能达到理想的传播效果。如果你使用液压或液压传动机械臂的旋转，必须与回转液压或旋转液压缸，结构比较复杂，不利于设计。 改进后的方案，将驱动方式分为两个部分。其中，该旋转驱动装置驱动的机械臂，通过油马达带动齿轮链传动和旋转；机械臂伸缩，升降机械手抓抓，采用液压驱动方式。 2.7 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 预夹紧 手臂上升 手臂旋转 手臂伸长 手臂转回 手腕旋转 图2.2 液压机械手动作简易图 2.8 液压机械手结构及驱动系统选型 本课题所设计的液压机械手为通用型的液压机械手，其中坐标系为圆柱坐标系结构。驱动系统选用油马达驱动和液压驱动，油马达驱动用于机座的旋转和手臂的上下移动，液压驱动用于手臂的伸缩和液压机械手的夹取和翻转[3]。 第3章 系统各主要组成部分设计 3.1夹持器结构设计与校核 3.1.1夹持器种类 1.连杆杠杆式手爪 这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。 2.楔块杠杆式手爪 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 3.齿轮齿条式手爪 这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 4.滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。 5.平行杠杆式手爪 不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多 结合具体的工作情况，采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞 往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。本设计按照所要捆绑的重物最大使用 的钢丝绳直径为50mm来设计。 a．有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。 b．有足够的开闭范围 工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关 c．力求结构简单，重量轻，体积小 作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个液压机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。 d．手指应有一定的强度和刚度 因此送料，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，夹紧液压机械手，根据工件的形状，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。 液压缸右腔停止进油时，液压缸右腔进油时松开工件。 3.1.2夹持器设计计算 手爪要能抓起工件必须满足： （3-6） 式中，-----为所需夹持力； -----安全系数，通常取1.2~2； -----为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，，为重力加速度； -----方位系数，查表选取； -----被抓持工件的重量 20； 带入数据，计算得： ； 理论驱动力的计算： （3-7） 式中，----为柱塞缸所需理论驱动力； ----为夹紧力至回转支点的垂直距离； -----为扇形齿轮分度圆半径； -----为手指夹紧力； ---齿轮传动机构的效率，此处选为0.92； 其他同上。带入数据，计算得 计算驱动力计算公式为： （3-8） 式中，-----为计算驱动力； ---安全系数，此处选1.2； ---工作条件系数，此处选1.1； 而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有 （3-9） 式中，---为柱塞缸工作油压； ----为柱塞截面积；选取缸内径为50mm 3.1.3夹持器校核 活塞杆直径查《液压传动与控制手册》根据杆径比d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5-0.7。本设计选择d/D=0.7，d=35 mm ==965N》370N 计算所得的力远远大于实际所需要的力，所以满足要求。 经计算，所需的油压约为： (后续章节进行介绍) 3.2升降方向设计计算 3.2.1 初步确系统压力 表3-1 按负载选择工作压力[1] 负载/ KN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 工作压力/MPa < 0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 ≥5 表3-2 各种机械常用的系统工作压力[1] 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 重型机械 起重运输机械 磨床 组合 机床 龙门 刨床 拉床 工作压力/MPa 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32 由表2-1和表2-2可知，初选液压缸的设计压力P1=1MPa 3.2.2 升降油缸计算 为了满足工作台快速进退速度相等，并减小液压泵的流量，则液压缸无杆腔与有杆腔的等效面积A1与A2应满足A1=2A2（即液压缸内径D和活塞杆直径d应满足：d=0.707D。为防止切削后工件突然前冲，液压缸需保持一定的回油背压，并取液压缸机械效率。则液压缸上的平衡方程 故液压缸无杆腔的有效面积： 液压缸直径 表1 液压缸内径系列GB/T2348-1980mm 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 500 按GB/T2348-1980，取标准值D=63mm；本来可以取50的，考虑不可预测的超载等因素，故在这取的略微大一些。 查《液压传动与控制手册》根据杆径比d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5-0.7。 因A1=2A，故活塞杆直径d=0.5D=31.5mm 取d=32（标准直径） 表2 活塞杆直径系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 (1) 液压缸缸体厚度计算 缸体是液压缸中最重要的零件，当液压缸的工作压力较高和缸体内经较大时，必须进行强度校核。缸体的常用材料为20、25、35、45号钢的无缝钢管。在这几种材料中45号钢的性能最为优良，所以这里选用45号钢作为缸体的材料。 式中，——实验压力，MPa。当液压缸额定压力Pn5.1 MPa时，Py=1.5Pn，当Pn16MPa时，Py=1.25Pn。 []——缸筒材料许用应力，N/mm。[]=，为材料的抗拉强度。 注：1.额定压力Pn 额定压力又称公称压力即系统压力，Pn=10MPa 2.最高允许压力Pmax Pmax1.5Pn=1.2510=12.5MPa 液压缸缸筒材料采用45钢，则抗拉强度：σb=600MPa 安全系数n按《液压传动与控制手册》P243表2—10，取n=5。 则许用应力[]==120MPa = =5.5mm ,满足。所以液压缸厚度取10mm。 则液压缸缸体外径为83mm。 3.缸筒结构设计 缸筒两端分别与缸盖和缸底链接，构成密封的压力腔，因而它的结构形式往往和缸盖及缸底密切相关[6]。因此，在设计缸筒结构时，应根据实际情况，选用结构便于装配、拆卸和维修的链接形式，缸筒内外径应根据标准进行圆整。 3.2.3 活塞杆的计算校核 活塞杆是液压缸传递力的主要零件，它主要承受拉力、压力、弯曲力及振动冲击等多种作用，必须有足够的强度和刚度。其材料取Q235钢。 活塞杆直径的计算[1] 查《液压传动与控制手册》根据杆径比d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5-0.7。 因A1=2A，故活塞杆直径d=0.707D=88.375mm按GB/T2348—1993将所计算的d值圆整到标准直径，以便采用标准的密封装置。圆整后得： 取d=90（标准直径） 表2 活塞杆直径系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 按最低工进速度验算液压缸尺寸，查产品样本，调速阀最小稳定流量，因工进速度 为最小速度，则由式 （4-3） 本例=122.65625>1.25，满足最低速度的要求。 2.活塞杆强度计算： <90mm （4-4） 式中 ————许用应力；（Q235钢的抗拉强度为375-500MPa，取400MPa，为位安全系数取5，即活塞杆的强度适中） 3．活塞杆的结构设计 活塞杆的外端头部与负载的拖动油马达机构相连接，为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适当的活塞杆端部结构。 4.活塞杆的密封与防尘 活塞杆的密封形式有Y形密封圈、U形夹织物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按H9/f9选取。薄钢片厚度为0.5mm。为方便设计和维护，本方案选择O型密封圈。 3.2.4 液压缸工作行程的确定 液压缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定，并参照表4-4选取标准值。液压缸活塞行程参数优先次序按表4-4中的a、b、c选用。 表4-4（a）液压缸行程系列（GB 2349-80）[6] 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 表4-4（b） 液压缸行程系列（GB 2349-80）[6] 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 表4-4（c） 液压缸形成系列（GB 2349-80）[6] 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3400 3800 根据设计要求知快速接近工件，行程根据任务书要求，根据表3-8，可选取垂直方向液压缸的工作行程为900mm，可选取水平方向液压缸的工作行程为1000mm。 3.2.5 活塞的设计 由于活塞在液压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。考虑选用O型密封圈。 3.2.6 导向套的设计与计算 1.最小导向长度H的确定 当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度[1]。影响液压缸工作性能和稳定性。因此，在设计时必须保证液压缸有一定的最小导向长度。根据经验,当液压缸最大行程为L,缸筒直径为D时,最小导向长度为: （4-5） 一般导向套滑动面的长度A，在缸径小于80mm时取A=(0.6~1.0)D，当缸径大于80mm时取A=(0.6~1.0)d.。活塞宽度B取B=(0.6~1.0)D。若导向长度H不够时,可在活塞杆上增加一个导向套K(见图4-1)来增加H值。隔套K的宽度。 图4-1 液压缸最小导向长度[1] 因此:最小导向长度，取H=9cm； 导向套滑动面长度A= 活塞宽度B= 2.导向套的结构 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等，可按工作情况适当选择。 3.2.7 端盖和缸底的计算校核 在单活塞液压缸中，有活塞杆通过的端盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受液压力，而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封圈槽，还有连接螺钉孔，受力情况比较复杂，设计的不好容易损坏。 1.端盖的设计计算 端盖厚h为： 式中 D1——螺钉孔分布直径，cm； P——液压力，； ——密封环形端面平均直径，cm； ——材料的许用应力，。 2.缸底的设计 缸底分平底缸，椭圆缸底，半球形缸底。 3.2.7 缸体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度[1]。一般液压缸缸体长度不应大于缸体内经的20~30倍。取系数为5,则液压缸缸体长度：L=5*10cm=50cm。 3.2.8 缓冲装置的设计 液压缸的活塞杆（或柱塞杆）具有一定的质量，在液压力的驱动下运动时具有很大的动量。在它们的行程终端，当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击和噪声。采用缓冲装置，就是为了避免这种机械撞击，但冲击压力仍然存在，大约是额定工作压力的两倍，这就必然会严重影响液压缸和整个液压系统的强度及正常工作。缓冲装置可以防止和减少液压缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击，在它们的行程终端能实现速度的递减，直至为零。 当液压缸中活塞活塞运动速度在6m/min以下时，一般不设缓冲装置，而运动速度在12m/min以上时，不需设置缓冲装置。在该组合机床液压系统中，动力滑台的最大速度为4m/min,因此没有必要设计缓冲装置。 3.2.9 油缸的选型 经过比较，参考市场上的油缸类型，选择一种可靠优质的油缸产品的生产商—速易可（上海）有限公司http://www.tonab.net/about_us.asp。 速易可液动（上海）有限公司成立于2004年，从事于空油压零组件和设备研 究、生产、销售的自动化厂商，产品以『TONAB』品牌营销国内外市场，产品主要有空液净化组件、液动控制组件、液动执行组件、辅助组件、空油压设备，产 品广泛应用于医疗器械、工业机械手、食品包装机械、纺织机械、半导体设备、轨道交通、烟草机械、机床自动控制、真空搬运、汽车制造、教学培训等行业。 速易可目前主要产品有：无杆油缸、滑台油缸、止动油缸、回转油缸、机械夹、回转夹紧液（油）压缸、导杆油缸、带锁油缸、双轴缸、标准型油缸、控制阀、空液控制组件、真空系统组件及相关液动辅助零组件。 根据上节计算，在这选择YAM63. 3.3 水平方向设计计算 3.3.1 水平方向计算 当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重20kg，长度l =1000mm。如图3.4所示。 工件 图3.4 受力简图 (1)计算扭矩[4] (2)液压缸（伸缩）及其配件的估算扭矩 [4] F =200N S =1m（最大行程时） 带入公式2.9得 =200×10×1 =2000（N·M） 由于水平方向的油缸与升降方向的有些类似，在此不在一一列举 3.3.2 油缸的选型 速易可目前主要产品有：无杆油缸、滑台油缸、止动油缸、回转油缸、机械夹、回转夹紧液（油）压缸、导杆油缸、带锁油缸、双轴缸、标准型油缸、控制阀、空液控制组件、真空系统组件及相关液动辅助零组件。 根据上节计算，在这选择YAM63. 3.3底座回转机构设计计算 腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。 要求：回转角度270?， 角速度=45º/s 3.3.1 回转部位负载计算校核 .若传动负载作回转运动 负载额定功率： （3-24） 负载加速功率： （3-25） 负载力矩（折算到油马达轴）： （3-26） 负载GD（折算到油马达轴）： （3-27） 起动时间： （3-28） 制动时间： （3-29） 式中，-----为额定功率，KW； -----为加速功率，KW； -----为负载轴回转速度，r/min； -----为油马达轴回转速度，r/min； -----为负载的速度，m/min； -----为减速机效率； -----为摩擦系数； -----为负载转矩（负载轴），； -----为油马达启动最大转矩，； -----为负载转矩（折算到油马达轴上），； -----为负载的，； -----为负载（折算到油马达轴上），； -----为油马达的，； 具体到本设计，因为步进油马达是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。 因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有； （3-30） 式中，-----为滚动轴承摩擦系数，取0.005； -----为机械手本身与负载的重量之和，取100； -----为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240； 带入数据，计算得 =0.12； 同时，腰部回转速度定为=5r/min；传动比定为1/120； 且， 带入数据得： =10.45667。 将其带入上（3-24）~（3-30）式，得： 启动时间 ； 制动时间 ； 折算到油马达轴上的负载转矩为：。 3.3.2 油马达的选型 根据参数，选型为BM-R100 臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。 液压机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了[5]。 行程L=1000mm (1)手臂右腔流量，公式（3.7）得： =1000×π×40² =1004800mm³/s =0.1/10²m³/s =1000ml/s (2)手臂右腔工作压力，公式（3.8） 得： （3.12） 式中：F ——取工件重和手臂活动部件总重， F =1000kg，=10000N。 (4)由初步计算选油泵 所需液压最高压力 P =10Mpa 所需液压最大流量 Q =1000ml/s 3.4机身结构的设计校核 臂部和机身的配置形式基本上反映了液压机械手的总体布局。本课题液压机械手的机身设计成机座式，这样液压机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型液压机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求[7-9]。 3.4.1 油马达的选择 机身部使用了两个油马达，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油马达安装在肋板上，带动机身回转的油马达安装在混凝土地基上。 带动臂部升降的油马达： P =6KW 所以转/分 3.4.3螺柱的设计与校核 螺杆是液压机械手的主支承件，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 （3.17） =3mm 螺纹牙底宽度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （3.18） 螺杆强度〖11〗 （3.19） =30～50Mpa 螺纹牙剪切 =40 弯曲=45～55 (1)当量应力 (3.20) 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（3.20）得： 6225025d12+11236≤900d16×1012 6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012 即16471pa＜535340pa 合格 (2)剪切强度 （旋合圈数） （3.21） （3.22） =206.8×103pa =0.206Mpa＜[τ]=40Mpa (3)弯曲强度 =0.48Mpa＜[σ]=45Mpa 合格 3.4.4机座的机械结构 带动机身回转的油马达： 初选转速 W =60º/s N =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 机座的机械结构如图3.9所示: 图3.9 机座结构图 3.5液压机械手的定位及平稳性确定 3.5.1常用的定位方式 机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当液压机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。 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，这时液压机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低[12]。 3.5.2影响平稳性和定位精度的因素 液压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 液压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 液压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 运动件的重量包括液压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 液压的压力波动及电压、油温的波动都会影响液压机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节液压措施。 (7)控制系统 开关控制、电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关[13]。 本课题所采用的定位精度为机械挡块定位。 3.5.3液压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，简便，缓冲性能好调等，但结构较庞大。 本课题所采用的缓冲装置为油缸端部缓冲装置。 当活塞运动到距油缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲室。利用节流的原理使缓冲室产生临时背压阻力，以使运动减速直至停止，而避免硬性冲击的装置，称为油缸端部缓冲装置[12-15]。 在缓冲行程中，节流口恒定的，称为恒节流式油缸端部缓冲装置。 设计油缸端部恒节流缓冲装置时，（最大加速度）、（缓冲腔最大冲击压力）和（残余速度）三个参数是受工作条件限制的。通常采用的办法是先选定其中一个参数，然后校验其余两个参数。步骤如下： (1)选择最大加速度 通常，amax值按液压机械手类型和结构特点选取，同时要考虑速度与载荷大小。对于重载低速液压机械手，- 取5m/s2以下，对于轻载高速液压机械手，-取5～10 m/s2 (2)计算沿运动方向作用在活塞上的外力F 水平运动时： （3.23） =0.25×103×π×3.62-7 =138N (3)计算残余速度Vr （3.24） m/s 第4章 液压驱动系统设计 液压控制室自动送料机构的一种主要的控制形式。自动送料机构的运动速度和操作室根据液体的流量与压力来确定，因而只要控制液的流量和压力，就可以控制自动送料机构的运动速度和操作力，液压压力一般在5—140公斤/厘米范围内，最大臂力可达160公斤以上。 主要优点： (1)液压执行元件(马达和液缸)结构紧凑，重量轻，功率小。 (2)可通过空液带走大量热能，保证机械的正常运行。 (3)液压元件有直线位移式和旋转式二种，适用范围较广，其控制速度的区间也比较宽。只要通过阀和泵的调节就能实现开环和闭环的控制系统。 (4)响应速度比较快，能高速启动，制动和反向，无后滞现象。其力矩一惯量比也较大，因而其加速度能力较强。 (5)液压元件于其他驱动元件相比，刚度较大，位置误差小，定位精度高，而且耐振动等。 缺点:控制系统比较复杂，处理功率讯号的数学运算误差，检测，放大，测试和补偿功能不如电子，机电装置灵活简便[4-6]。 4.4手部抓取缸 图 4.5 手部抓取缸液压原理图 (1)手部抓取缸液压原理图如图4.5所示 (2)泵的供液压力P取1Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q =1300ml/s。 因此，需装图4.1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。 选取采用： 2FRM5-20/102调速阀 23E1-10B二位三通阀 4.5腕部摆动液压回路 图 4.6 腕部摆动液压回路 (1)腕部摆动缸液压原理图如图4.6所示 (2)工作压力: P=1Mpa 流量: Q=35ml/s 选取采用: 2FRM5-20/102调速阀 34E1-10B 换向阀 4.6小臂伸缩缸液压回路 图 4.7 小臂伸缩缸液压回路 (1)小臂伸缩缸液压原理图如图4.7所示 (2)工作压力: P =0.25Mpa 流量: Q =1000ml/s 选取采用： 2FRM5-20/102 调速阀 23E1-10B二位三通阀 4.7总体系统图 图 4.8 总体系统图 (1)总体系统图如图4.8所示, (2)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)电磁铁动作顺序表: 表4.2总体系统图 元件 动作 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 小臂伸长 手部抓紧 腕部回转 小臂收缩 手部放松 卸荷 - - - - - + + + + - - ± + - - - + ± - - + - - ± - - - - - ± (4)确电机规格： 液压泵选取CB-D型液泵，额定压力P =1Mpa，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 （4.15） 式中：η=0.8 （经验值） 所以代入公式（4.15）得： =16.7KN 总结 毕业设计转眼间就到了扫尾阶段，在这几个月的设计学习过程中，我取得了长足的