通常液压机械手设计液压.doc

-/ （2011届） 本科毕业设计（论文）资料 题 目 名 称： 通用液压机械手 学 院（部）： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 郝晓莲 班 级： 机设074班学号 07405100334 指导教师姓名： 唐川林 职称 教授 职称 最终评定成绩： 湖南工业大学教务处 2011届 本科毕业设计（论文）资料 第一部分 毕业论文 Abstract Manipulator is a sort of automation device which has the function of grasp and transfer workpieces during the automated production.Today hydraulic mqanipulator is widely uade in industry fidld.It can maek the produce process automated and liberate the people from heavy physical labor.It can promote the quality of production and decrease the cost of production.In this design,we should use the knowledge of hydraulic,mechanism and electric control comprehensively to complete the design of hydraulic manipulator,including machine system,hydraulic and comtrol system.The mechanical part is designed on the basis of mechanics computation foundation after the structure analysis,including hand,arm and fuselage.Generally the manipulator’s hand should have four merits:compact structure,light weight,good universal property and high catch precision.Well,the arm should have merits that are good rigidity,light weight,high movement velocity,small inertia and flexible motion.The hydraulic system design including the hydraulic system computation and the selection of hydraulic components;The control system design including plotting the ladder diagram and selecting the control component. Key words Hydraulic manipulator;hydraulic system ;design;plc  目 录 前言 ………………………………………………………………6 （一）工业机器人简介………………………………………………6 （二）世界机器人的发展……………………………………………6 （三）我国工业机器人的发展………………………………………7 （四）本设计中的机械手……………………………………………7 1 臂力的确定……………………………………………………7 2 工作范围的确定………………………………………………7 3 运动速度的确定………………………………………………8 4 手臂的配置形式………………………………………………8 5 位置检测装置的选择…………………………………………8 5 驱动与控制方式的选择………………………………………9 一手部结构……………………………………………………………10 （一）概述……………………………………………………………10 （二）设计时应考虑的几个问题……………………………………10 （三）驱动力的计算…………………………………………………10 （四）夹紧缸的设计计算……………………………………………13 1 夹紧缸主要尺寸的计算………………………………………13 2 缸体结构及验算………………………………………………13 3 缸筒两端部的计算……………………………………………14 二腕部的结构…………………………………………………………17 （一）概述……………………………………………………………17 （二）腕部的结构形式………………………………………………18 （三）手腕驱动力矩的计算…………………………………………16 1 摩擦阻力矩……………………………………………………19 2 工件重心引起的偏置力矩……………………………………19 3 腕部启动时的惯性阻力矩……………………………………20 4 回转液压缸所产生的驱动力矩计算…………………………21 三 臂部的结构………………………………………………………22 （一）概述……………………………………………………………22 （二）手臂直线运动机构……………………………………………25 （三）手臂回转运动…………………………………………………25 （四）臂部驱动力矩的计算…………………………………………25 1 手臂水平伸缩运动驱动力矩的计算…………………………26 2 手臂垂直升降运动驱动力矩的计算…………………………28 3 手臂回转运动驱动力矩的计算………………………………30 四 液压系统的设计…………………………………………………32 （一）液压系统简介…………………………………………………32 （二）液压系统的组成………………………………………………32 （三）液压系统控制回路……………………………………………33 （四）机械手液压传动系统…………………………………………33 （五）机械手液压系统的简单计算…………………………………33 结束语……………………………………………………………………44 参考文献…………………………………………………………………45 致谢………………………………………………………………………46  （一） 我要设计的机械手 1. 臂力的确定 目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。本液压机械手的臂力为N臂 =1650（N），安全系数K一般可在1.5~3，本机械手取安全系数K=2。定位精度为1mm。 2. 工作范围的确定 机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下： 手腕回转角度110 手臂伸长量500mm 手臂回转角度110 手臂升降行程100mm 3. 确定运动速度 机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。液压上料机械手要完成整个上料过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。 机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求： ① 给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间； ② 伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较低的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。 ③ 在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。 液压上料机械手的各运动速度如下： 手腕回转速度 V腕回 = 45/s 手臂伸缩速度 V臂伸 = 750 mm/s 手臂回转速度 V臂回 = 110/s 手臂升降速度 V臂升 = 250 mm/s 手指夹紧油缸的运动速度 V夹 = 50 mm/s 4. 手臂的配置形式 机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用机座式。机座式结构多为工业机器人所采用，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部也可以安装行走机构，已扩大其活动范围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大。 5. 位置检测装置的选择 机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。本机械手采用行程开关式。利用行程开关检测位置，精度低，故一般与机械挡块联合应用。在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也是最多的。 6. 驱动与控制方式的选择 机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。 控制系统也有不同的类型。除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。 驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。 参考《工业机器人》表9-6和表9-7，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为继电-接触器控制。  一、 手部结构 (一) 概述 手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。 (二) 设计时应考虑的几个问题 1. 应具有足够的握力（即夹紧力） 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 2. 手指间应有一定的开闭角 两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 3. 应保证工件的准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带‘V’形面的手指，以便自动定心。 4. 应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。 5. 应考虑被抓取对象的要求 应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。3 (三) 驱动力的计算 1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座 图1 滑槽杠杆式手部受力分析 如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为、 ，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，和的延长线交O1O2于A及B，∠AOC=∠BOC=α。根据销轴的力平衡条件，即 ∑Fx=0 得 ; ∑Fy=0 得 销轴对手指的作用力为。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以表示。由手指的力矩平衡条件，即得 h=a/cosα F= 式中 a——手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）。 α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。 由上式可知，当驱动力F一定时，α角增大则握力也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30~40。这里取角α=30 。 这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力F实际应按以下公式计算，即： 本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为250mm/s，系统达到最高速度的时间根据设计参数选取，一般取0.03～0.5s，移动加速度为，工件重量G为294N，V型钳口的夹角为120，α=30时，拉紧油缸的驱动力F和计算如下： (1) 手指对工件的夹紧力计算公式： 式中 ——安全系数，通常取1.2～2.0; ——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算 =1.05，其中 ——方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定按《工业机械手设计》表2-2选取。 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 (2) 得 b=80 (3) 取手指传力效率 η=0.85, 则 (四) 夹紧缸的设计计算 1. 夹紧缸主要尺寸的计算 由前知， 液压缸，设夹紧工件时的行程为25mm，时间为0.5s，则所需夹紧力为： 工作压力取1MP，考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑，取工作压力为2.5MP。 选取d=0.5D 得： 式中：D——液压缸内径 P——液压缸工作压力 ——液压缸工作效率， 根据液压缸内径系列（JB826-66）选取液压缸内径，D=50mm 同理查得活塞杆直径 d=22mm 2. 缸体结构及验算 缸体采用45号无缝钢管，由JB1068-67 查得可取缸筒外径75mm，则 则， 3. 液压缸额定工作压力（MP）应低于一定极限值，以保证工作安全 式中： D——缸筒内径 ——缸筒外径 ——缸筒材料的屈服点，45号钢为340MPa 已知工作压力，故安全。 4. 缸筒两端部的计算 ① 缸筒底部厚度的计算 此夹紧缸采用了平行缸底，且底部设有油孔，则底部厚度为 考虑结构要求，取h=10mm 式中： D——缸筒内径 ——液压缸最大工作压力，取 ——缸底材料的许用应力，材料为45号钢，，n为安全系数，取n=5。 ② 缸筒底部联接强度计算 缸筒底部采用螺钉联接法兰式缸头，材料为35号钢，联接图如下： 图2 外卡环联接图 卡环尺寸一般取： 外卡环a-b侧面的挤压应力为： 缸筒危险截面A-A上的拉应力 故知缸筒底部联接安全。 ③ 缸筒端部联接强度计算 缸筒端部与手指是用螺钉联接，联接图如下： 图3 螺钉联接图 螺纹处的拉应力： 螺纹处的剪应力： 则合成应力： 则知螺纹连接处安全可靠。 其中：K——拧紧螺纹的系数，取K=3 ——螺纹连接处的摩擦系数， ——螺纹外径， ——螺纹底径， Z——螺钉数量，Z=4  二、 腕部的结构 (一) 概述 腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点： ① 结构紧凑，重量尽量轻。 ② 转动灵活，密封性要好。 ③ 注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题 ④ 要适应工作环境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。 (二) 腕部的结构形式 本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为115. 如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。 图3 机械手的腕部结构 (三) 手腕驱动力矩的计算 驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算： 式中：——驱动手腕转动的驱动力矩 ——惯性力矩 ——参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩 ——手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 腕部回转力矩计算图 1. 摩擦阻力矩M摩 式中： f——轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.01～0.02，滑动轴承取f=0.1；