通用液壓機(jī)械手設(shè)計(jì) -圓柱坐標(biāo)型

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The device covers the position control technology of programmable control technology, detection technology. 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 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 緒論 1 1.1課題背景及目的 1 1.2 液壓機(jī)械手概念 2 1.3 液壓機(jī)械手的組成 2 1.4 國(guó)內(nèi)液壓機(jī)械手的研究 2 1.5液壓機(jī)械手的應(yīng)用 3 第2章 液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)要求與方案 4 2.1 液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)要求 4 2.2 基本設(shè)計(jì)思路 4 2.2.1 系統(tǒng)分析 4 2.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖 4 2.2.3 液壓機(jī)械手的基本參數(shù) 5 2.3 液壓機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2.4 機(jī)械手材料的選擇 6 2.5機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 6 2.6 液壓機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇 7 2.7 動(dòng)作要求分析 7 2.8 液壓機(jī)械手結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型 8 第3章 系統(tǒng)各主要組成部分設(shè)計(jì) 9 3.1夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 9 3.1.1夾持器種類 9 3.1.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 10 3.1.3夾持器校核 11 3.2升降方向設(shè)計(jì)計(jì)算 11 3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力 11 3.2.2 升降油缸計(jì)算 12 3.2.3 活塞桿的計(jì)算校核 14 3.2.4 液壓缸工作行程的確定 15 3.2.5 活塞的設(shè)計(jì) 16 3.2.6 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算 16 3.2.7 端蓋和缸底的計(jì)算校核 17 3.2.7 缸體長(zhǎng)度的確定 18 3.2.8 緩沖裝置的設(shè)計(jì) 18 3.2.9 油缸的選型 18 3.3 水平方向設(shè)計(jì)計(jì)算 20 3.3.1 水平方向計(jì)算 20 3.3.2 油缸的選型 20 3.3底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 22 3.3.1 回轉(zhuǎn)部位負(fù)載計(jì)算校核 22 3.3.2 油馬達(dá)的選型 24 3.4機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核 25 3.4.1 油馬達(dá)的選擇 25 3.4.3螺柱的設(shè)計(jì)與校核 26 3.4.4機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu) 27 3.5液壓機(jī)械手的定位及平穩(wěn)性確定 28 3.5.1常用的定位方式 28 3.5.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 28 3.5.3液壓機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置 29 第4章 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 4.4手部抓取缸 31 4.5腕部擺動(dòng)液壓回路 32 4.6小臂伸縮缸液壓回路 33 4.7總體系統(tǒng)圖 34 總結(jié) 36 參考文獻(xiàn) 38 致 謝 39 第1章 緒論 1.1課題背景及目的 由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，液壓機(jī)械手技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。智能型液壓機(jī)械手的研究是近年來(lái)科學(xué)家同意致力的方向。式液壓機(jī)械手的人體模型，它可以模擬各種人類行為和人類的外部特征。未來(lái)的液壓機(jī)械手的管家將不是夢(mèng)想。 根據(jù)不同的液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，液壓機(jī)械手可以分為各種各樣的。輪式移動(dòng)機(jī)器人，履帶式液壓機(jī)械手，機(jī)械手，行走液壓機(jī)械手等。值得一提的是，行走液壓機(jī)械手，他是近年來(lái)類機(jī)的一個(gè)重要研究成果。移動(dòng)它最喜歡的動(dòng)物甚至人類交談。這是一個(gè)非常復(fù)雜的自動(dòng)化程度很高的運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的輪式和履帶式液壓機(jī)械手相比，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。在工作空間很小，在崎嶇的道路上，樓梯等。不久的將來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)將被廣泛使用。 在研究中，液壓機(jī)械的生產(chǎn)，對(duì)液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬中的應(yīng)用是一個(gè)非常重要的過(guò)程。包括零件建模，裝配液壓機(jī)械手的仿真，與運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)仿真，設(shè)計(jì)師可以觀察各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)非常直觀，知道沒(méi)有干擾；可以了解各部件的受力，不同的模擬數(shù)據(jù)。該方法大大降低了開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。 在學(xué)校的畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)習(xí)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)在大學(xué)四年的繼續(xù)深化和檢驗(yàn)，具有實(shí)踐性和綜合性，是不是一個(gè)單一的其他替代方案，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)可以提高綜合能力的培養(yǎng)，是要去上班，提高實(shí)際工作能力起著非常重要的作用。為了實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)： （1）的基本理論，基本知識(shí)和基本技能的綜合運(yùn)用，提高分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。 （2）接受全面的培訓(xùn)工程師必須，提高實(shí)際工作能力。為調(diào)查研究，文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)收集和分析能力；設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)測(cè)試計(jì)劃能力；設(shè)計(jì)，計(jì)算和繪圖能力的提高；總結(jié)和撰寫(xiě)論文的能力。 （3）的綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力的測(cè)試。 1.2 液壓機(jī)械手概念 目前，工業(yè)機(jī)械手的概念，世界是不統(tǒng)一，分類是不一樣的。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合國(guó)最近采用了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)定義了工業(yè)機(jī)械手的組織：工業(yè)機(jī)器人是一種可編程的多功能操作裝置，可以改變行動(dòng)計(jì)劃，完成各種工作，主要用于材料處理，工件傳送。 液壓機(jī)械手（機(jī)器人）是一臺(tái)自動(dòng)執(zhí)行工作。它是一個(gè)產(chǎn)品的控制理論，先進(jìn)的集成機(jī)械電子，計(jì)算機(jī)，材料和仿生。在工業(yè)，醫(yī)學(xué)，農(nóng)業(yè)，建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要的應(yīng)用。 液壓機(jī)械手是一種有代表性的，機(jī)械的和電子控制系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高的生產(chǎn)工具，在近50年的發(fā)展。在制造業(yè)中，液壓工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。這是一個(gè)高的自動(dòng)化程度，改善勞動(dòng)條件，保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高工作效率，發(fā)揮了非常重要的作用。可以說(shuō)，他是現(xiàn)代工業(yè)的技術(shù)革命。 1.3 液壓機(jī)械手的組成 執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手，腕，臂，底座，一個(gè)主要的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。 主要由液壓機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。 手抓（或吸附，控股）和松開(kāi)工件或工具的部分，由手指（或吸收），驅(qū)動(dòng)元件和驅(qū)動(dòng)元件。 時(shí)間，速度和加速度參數(shù)。 液壓機(jī)械手與主機(jī)和其他相關(guān)設(shè)備之間的[ 3 ]。 1.4 國(guó)內(nèi)液壓機(jī)械手的研究 工業(yè)液壓機(jī)械手的應(yīng)用在日本有著悠久的歷史。在七十年代當(dāng)工業(yè)液壓操縱器，然后經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，已在工業(yè)液壓機(jī)械手八十年代流行。他們的年工業(yè)產(chǎn)值迅速增加。1980達(dá)到一千億日元，1990至六千億日元。在2004達(dá)到了一兆和八千五百億日元。這表明工業(yè)液壓機(jī)械手在提高生產(chǎn)效率的重要性。 在國(guó)際上，各個(gè)國(guó)家都實(shí)現(xiàn)了工業(yè)液壓機(jī)械手的重要性。因此，工業(yè)液壓機(jī)械手訂單銳減。相比于2003 2002百分之十的增長(zhǎng)的訂單。然后工業(yè)液壓機(jī)械手的需求量仍在上升。從2001到2006，超過(guò)90000的全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中的訂單。7%的平均年增長(zhǎng)率。 國(guó)際工業(yè)液壓機(jī)械手的發(fā)展方向： 液壓機(jī)械手涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的知識(shí)。包括：計(jì)算機(jī)，電子，控制，人工智能，傳感器，通信和網(wǎng)絡(luò)，控制，機(jī)械等。液壓機(jī)械手的發(fā)展離不開(kāi)主題。正是由于各學(xué)科整合的相互作用，創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)化程度高，其。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在液壓機(jī)械手的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛；技術(shù)越來(lái)越高，功能更強(qiáng)大。它是液壓機(jī)械手的研究向小型化發(fā)展。液壓機(jī)械手將更多地進(jìn)入人們的日常生活。總的發(fā)展趨勢(shì)是模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化，智能化。 廣泛應(yīng)用于工業(yè)液壓機(jī)械手，以提高質(zhì)量和生產(chǎn)力，產(chǎn)品安全人員安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料的消耗，降低了生產(chǎn)成本，具有非常重要的作用。廣泛應(yīng)用于工業(yè)液壓機(jī)械手的以人為本的原則，它的出現(xiàn)使人們的生活更方便、美好。 1.5液壓機(jī)械手的應(yīng)用 液壓機(jī)械手工業(yè)是一個(gè)大型高新技術(shù)工業(yè)計(jì)算機(jī)，后車(chē)?，F(xiàn)代軍事工業(yè)，液壓機(jī)械發(fā)展的市場(chǎng)前景是非常好的。從第二十世紀(jì)起，液壓機(jī)械行業(yè)的穩(wěn)步增長(zhǎng)。在第二十世紀(jì)九十年代，液壓機(jī)械產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和快速增長(zhǎng)，年均增長(zhǎng)率超過(guò)百分之十。在2004到百分之二十的記錄。亞洲液壓機(jī)械手的更多需求，年增長(zhǎng)率高達(dá)百分之四十三。經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，應(yīng)用工業(yè)液壓機(jī)械手的許多領(lǐng)域。生產(chǎn)中使用最廣泛的液壓機(jī)械手。如制造焊接，熱處理，表面涂層，加工，裝配，測(cè)試和倉(cāng)庫(kù)，毛（沖壓，壓鑄，鍛坯等）等操作，代替人工操作的液壓機(jī)械手，極大地提高了生產(chǎn)效率。 第2章 液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)要求與方案 2.1 液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)要求 　工件：棒料，重量20公斤，最大長(zhǎng)度300mm, 直徑100－120mm 　工作區(qū)域：取物高度不小于600-1500mm，作業(yè)半徑500-1500mm；回轉(zhuǎn)角度270?， 工作速度：移動(dòng)速度3m/s，定位精度±0.3mm；轉(zhuǎn)動(dòng)速度45?/s。 2.2 基本設(shè)計(jì)思路 2.2.1 系統(tǒng)分析 該機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的有力工具。為了在生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，機(jī)械化，自動(dòng)化的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的需要，從而判斷是否適當(dāng)?shù)臋C(jī)械手。以完成機(jī)械手的設(shè)計(jì)，一般都要先做以下工作： （1）根據(jù)使用場(chǎng)合的機(jī)器人機(jī)械手的，明確的目標(biāo)和任務(wù)。 （2）機(jī)械手的工作環(huán)境分析。 （3）對(duì)系統(tǒng)要求的分析，確定了機(jī)械手和方案的基本功能，如自由度的數(shù)目，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，定位準(zhǔn)確，抓住重。此外，根據(jù)抓斗液壓質(zhì)量，形狀，尺寸和批量生產(chǎn)，以確定的形式和機(jī)械手的位置和握力的大小。 在這方面，我分析如下： （1）為手材料液壓機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題，機(jī)械手是物料輸送機(jī)械手。雖然機(jī)械手的使用場(chǎng)合，也非常廣泛，涉及到材料的狀態(tài)，環(huán)境因素的作業(yè)線，比我的知識(shí)和能力，我選擇了材料液壓機(jī)械手的小對(duì)象處理非生產(chǎn)線。 （2）由于機(jī)械手我選擇的是材料的液壓機(jī)械手，小對(duì)象處理非生產(chǎn)線。因此，系統(tǒng)的工作環(huán)境下，機(jī)械廠，準(zhǔn)確度高，故障率低，速度。 2.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖 圖2 總體設(shè)計(jì)框圖 如圖2為總設(shè)計(jì)框圖，說(shuō)明如下： (1) 控制系統(tǒng)：任務(wù)是根據(jù)機(jī)械手的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，控制機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為CPU的選擇，CPU程序的編寫(xiě)調(diào)試等。 (2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作的驅(qū)動(dòng)裝置。 (3) 機(jī)械系統(tǒng)：包括機(jī)身、機(jī)械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標(biāo)形式，并計(jì)算得出具體結(jié)構(gòu)。 (4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。 2.2.3 液壓機(jī)械手的基本參數(shù) 1. 機(jī)械手的最大液壓物料的重量是它的主參數(shù)。本論文物料液壓機(jī)械手所液壓的物料質(zhì)量可設(shè)定為棒料，重量20公斤。 2. 運(yùn)動(dòng)速度直接影響機(jī)械手的動(dòng)作快慢和機(jī)械手動(dòng)作的穩(wěn)定性，所以運(yùn)動(dòng)速度也是是物料物料液壓機(jī)械手的一個(gè)主要的基本參數(shù)。設(shè)計(jì)速度過(guò)低的話，會(huì)無(wú)法滿足機(jī)械手的動(dòng)作功能，限制機(jī)械手的使用范圍。設(shè)計(jì)的速度過(guò)高又會(huì)加重機(jī)械手的負(fù)載并影響機(jī)械手動(dòng)作的平穩(wěn)性。 3. 伸縮行程和工作半徑是決定機(jī)械手工作范圍及整機(jī)尺寸的關(guān)鍵，也是機(jī)械手設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。 3.定位精度也是機(jī)械手的主要基本參數(shù)之一。機(jī)械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味著成本的增加。綜合考慮，該物料液壓機(jī)械手的定位精度設(shè)定定位精度±0.3mm。物料液壓機(jī)械手的各個(gè)部分的基本參數(shù)可以由上面已經(jīng)知道的物料液壓機(jī)械手各關(guān)節(jié)的行程和時(shí)間分配來(lái)決定。 2.3 液壓機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式：機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂的升降。根據(jù)上文所說(shuō)的，機(jī)械手按照坐標(biāo)的分類情況，選擇圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手更為妥當(dāng)。 2.4 機(jī)械手材料的選擇 機(jī)械手的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作條件，滿足機(jī)械手的設(shè)計(jì)和制造要求。從設(shè)計(jì)思想，機(jī)械臂完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的要求是為移動(dòng)部件，它應(yīng)該是輕質(zhì)材料。另一方面，手臂振動(dòng)經(jīng)常的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，這將大大減少它的運(yùn)動(dòng)精度。所以在材料的選擇上，綜合考慮的質(zhì)量，剛度，阻尼的需要，從而有效地提高了機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)性能。此外，機(jī)械手選材料和不同材料的一般結(jié)構(gòu)。機(jī)械手是一種伺服機(jī)構(gòu)，受控制，必須考慮其可控性。在臂的材料選擇，可控性和可加工性的材料，結(jié)構(gòu)，質(zhì)量性能的考慮。 總之，選擇一個(gè)機(jī)械臂的材料，應(yīng)考慮強(qiáng)度，剛度，重量輕，彈性，耐沖擊，外觀和價(jià)格等因素。這里有幾個(gè)機(jī)械手使用的材料： （L）的高強(qiáng)度鋼，碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼：這類材料的強(qiáng)度，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度增加了4 ~ 5倍，彈性模量，抗變形能力，是最廣泛使用的材料； （2）鋁，鋁合金等輕合金材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈性模量E的小，但材料的密度小，與E／P比值還與鋼相比； （3）陶瓷：陶瓷材料具有良好的質(zhì)量，但易碎，但處理不好，接頭需要特殊的設(shè)計(jì)與金屬零件。然而，日本已開(kāi)發(fā)ARM陶瓷機(jī)械手用于高速機(jī)械手的樣品； 從機(jī)械手設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，不需要負(fù)載能力在材料的選擇，也不需要高彈性模量和抗變形能力，除了要考慮到材料成本，加工和其他因素。在各種因素的措施，結(jié)合鋁合金的初步選擇的工作條件，如機(jī)械臂組件。 2.5機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式有五種常見(jiàn)的SCARA型，直角坐標(biāo)式極坐標(biāo)型，聯(lián)合型和圓柱坐標(biāo)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式的選擇主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一種運(yùn)動(dòng)形式以滿足不同生產(chǎn)工藝的需要，可以采用不同的結(jié)構(gòu)。選擇表格的具體位置，必須根據(jù)操作要求，工作地點(diǎn)，和液壓工作中心線方向的變化，比較和選擇。 這種機(jī)械手的定位2個(gè)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的1，2或3手腕方向。其中，繞垂直軸肩，另一個(gè)肩斜度。肩關(guān)節(jié)的兩個(gè)正交軸。平行于第二軸肩關(guān)節(jié)，考慮到機(jī)械手的工作特點(diǎn)，這就要求動(dòng)作靈活，具有較大的工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，關(guān)節(jié)式機(jī)械手的選擇。如圖所示。這種配置，動(dòng)作靈活，工作空間大，干涉儀的最小空間機(jī)械臂操作，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位易密封與防塵。但這種機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解比較復(fù)雜，難以確定的端元；態(tài)度不夠直觀，并在控制，計(jì)算量比較大。 圖3 常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)方式 2.6 液壓機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇 機(jī)械手使用的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四種基本形式。 但是，與液壓傳動(dòng)相比，低功耗，能源，液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的速度不易控制，精度不高。 油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)能量是簡(jiǎn)單，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速變化的機(jī)制，高效，靈活的控制。 液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去了減速裝置，響應(yīng)速度快，精度高。但需要有液壓源，但也容易漏液。 首先，我會(huì)選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但考慮到純機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)并不能達(dá)到理想的傳播效果。如果你使用液壓或液壓傳動(dòng)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)，必須與回轉(zhuǎn)液壓或旋轉(zhuǎn)液壓缸，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于設(shè)計(jì)。 改進(jìn)后的方案，將驅(qū)動(dòng)方式分為兩個(gè)部分。其中，該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂，通過(guò)油馬達(dá)帶動(dòng)齒輪鏈傳動(dòng)和旋轉(zhuǎn)；機(jī)械臂伸縮，升降機(jī)械手抓抓，采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。 2.7 動(dòng)作要求分析 動(dòng)作一：送 料 動(dòng)作二：預(yù)夾緊 動(dòng)作三：手臂上升 動(dòng)作四：手臂旋轉(zhuǎn) 動(dòng)作五：小臂伸長(zhǎng) 動(dòng)作六：手腕旋轉(zhuǎn) 預(yù)夾緊 手臂上升 手臂旋轉(zhuǎn) 手臂伸長(zhǎng) 手臂轉(zhuǎn)回 手腕旋轉(zhuǎn) 圖2.2 液壓機(jī)械手動(dòng)作簡(jiǎn)易圖 2.8 液壓機(jī)械手結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型 本課題所設(shè)計(jì)的液壓機(jī)械手為通用型的液壓機(jī)械手，其中坐標(biāo)系為圓柱坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)用于機(jī)座的旋轉(zhuǎn)和手臂的上下移動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)用于手臂的伸縮和液壓機(jī)械手的夾取和翻轉(zhuǎn)[3]。 第3章 系統(tǒng)各主要組成部分設(shè)計(jì) 3.1夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 3.1.1夾持器種類 1.連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。 2.楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的松、開(kāi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取工件。 3.齒輪齒條式手爪 這種手爪通過(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開(kāi)動(dòng)作。 4.滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過(guò)銷(xiāo)子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開(kāi)。這種手爪開(kāi)合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。 5.平行杠桿式手爪 不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多 結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅(qū)動(dòng)活塞 往復(fù)移動(dòng)，通過(guò)活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開(kāi)或閉合。手指的最小開(kāi)度由加工 工件的直徑來(lái)調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來(lái)設(shè)計(jì)。 a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力 手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。 b．有足夠的開(kāi)閉范圍 工作時(shí)，一個(gè)手指開(kāi)閉位置以最大變化量稱為開(kāi)閉范圍。夾持類手部的手指都有張開(kāi)和閉合裝置?？捎瞄_(kāi)閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。于回轉(zhuǎn)型手部手指開(kāi)閉范圍，手指開(kāi)閉范圍的要求與許多因素有關(guān) c．力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小 作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。 d．手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度 因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，夾緊液壓機(jī)械手，根據(jù)工件的形狀，松開(kāi)時(shí)，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造方便。 液壓缸右腔停止進(jìn)油時(shí)，液壓缸右腔進(jìn)油時(shí)松開(kāi)工件。 3.1.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 手爪要能抓起工件必須滿足： （3-6） 式中，-----為所需夾持力； -----安全系數(shù)，通常取1.2~2； -----為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度，，為重力加速度； -----方位系數(shù)，查表選?。? -----被抓持工件的重量 20； 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： ； 理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： （3-7） 式中，----為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力； ----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離； -----為扇形齒輪分度圓半徑； -----為手指夾緊力； ---齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為0.92； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為： （3-8） 式中，-----為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力； ---安全系數(shù)，此處選1.2； ---工作條件系數(shù)，此處選1.1； 而液壓缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有 （3-9） 式中，---為柱塞缸工作油壓； ----為柱塞截面積；選取缸內(nèi)徑為50mm 3.1.3夾持器校核 活塞桿直徑查《液壓傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。本設(shè)計(jì)選擇d/D=0.7，d=35 mm ==965N》370N 計(jì)算所得的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需要的力，所以滿足要求。 經(jīng)計(jì)算，所需的油壓約為： (后續(xù)章節(jié)進(jìn)行介紹) 3.2升降方向設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力 表3-1 按負(fù)載選擇工作壓力[1] 負(fù)載/ KN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 工作壓力/MPa < 0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 ≥5 表3-2 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力[1] 機(jī)械類型 機(jī) 床 農(nóng)業(yè)機(jī)械 小型工程機(jī)械 建筑機(jī)械 液壓鑿巖機(jī) 液壓機(jī) 大中型挖掘機(jī) 重型機(jī)械 起重運(yùn)輸機(jī)械 磨床 組合 機(jī)床 龍門(mén) 刨床 拉床 工作壓力/MPa 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32 由表2-1和表2-2可知，初選液壓缸的設(shè)計(jì)壓力P1=1MPa 3.2.2 升降油缸計(jì)算 為了滿足工作臺(tái)快速進(jìn)退速度相等，并減小液壓泵的流量，則液壓缸無(wú)桿腔與有桿腔的等效面積A1與A2應(yīng)滿足A1=2A2（即液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d應(yīng)滿足：d=0.707D。為防止切削后工件突然前沖，液壓缸需保持一定的回油背壓，并取液壓缸機(jī)械效率。則液壓缸上的平衡方程 故液壓缸無(wú)桿腔的有效面積： 液壓缸直徑 表1 液壓缸內(nèi)徑系列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，取標(biāo)準(zhǔn)值D=63mm；本來(lái)可以取50的，考慮不可預(yù)測(cè)的超載等因素，故在這取的略微大一些。 查《液壓傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。 因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.5D=31.5mm 取d=32（標(biāo)準(zhǔn)直徑） 表2 活塞桿直徑系列 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) 液壓缸缸體厚度計(jì)算 缸體是液壓缸中最重要的零件，當(dāng)液壓缸的工作壓力較高和缸體內(nèi)經(jīng)較大時(shí)，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。缸體的常用材料為20、25、35、45號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管。在這幾種材料中45號(hào)鋼的性能最為優(yōu)良，所以這里選用45號(hào)鋼作為缸體的材料。 式中，——實(shí)驗(yàn)壓力，MPa。當(dāng)液壓缸額定壓力Pn5.1 MPa時(shí)，Py=1.5Pn，當(dāng)Pn16MPa時(shí)，Py=1.25Pn。 []——缸筒材料許用應(yīng)力，N/mm。[]=，為材料的抗拉強(qiáng)度。 注：1.額定壓力Pn 額定壓力又稱公稱壓力即系統(tǒng)壓力，Pn=10MPa 2.最高允許壓力Pmax Pmax1.5Pn=1.2510=12.5MPa 液壓缸缸筒材料采用45鋼，則抗拉強(qiáng)度：σb=600MPa 安全系數(shù)n按《液壓傳動(dòng)與控制手冊(cè)》P243表2—10，取n=5。 則許用應(yīng)力[]==120MPa = =5.5mm ,滿足。所以液壓缸厚度取10mm。 則液壓缸缸體外徑為83mm。 3.缸筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 缸筒兩端分別與缸蓋和缸底鏈接，構(gòu)成密封的壓力腔，因而它的結(jié)構(gòu)形式往往和缸蓋及缸底密切相關(guān)[6]。因此，在設(shè)計(jì)缸筒結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選用結(jié)構(gòu)便于裝配、拆卸和維修的鏈接形式，缸筒內(nèi)外徑應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。 3.2.3 活塞桿的計(jì)算校核 活塞桿是液壓缸傳遞力的主要零件，它主要承受拉力、壓力、彎曲力及振動(dòng)沖擊等多種作用，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。其材料取Q235鋼。 活塞桿直徑的計(jì)算[1] 查《液壓傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。 因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.707D=88.375mm按GB/T2348—1993將所計(jì)算的d值圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封裝置。圓整后得： 取d=90（標(biāo)準(zhǔn)直徑） 表2 活塞桿直徑系列 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 按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算液壓缸尺寸，查產(chǎn)品樣本，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量，因工進(jìn)速度 為最小速度，則由式 （4-3） 本例=122.65625>1.25，滿足最低速度的要求。 2.活塞桿強(qiáng)度計(jì)算： <90mm （4-4） 式中 ————許用應(yīng)力；（Q235鋼的抗拉強(qiáng)度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即活塞桿的強(qiáng)度適中） 3．活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞桿的外端頭部與負(fù)載的拖動(dòng)油馬達(dá)機(jī)構(gòu)相連接，為了避免活塞桿在工作生產(chǎn)中偏心負(fù)載力，適應(yīng)液壓缸的安裝要求，提高其作用效率，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)幕钊麠U端部結(jié)構(gòu)。 4.活塞桿的密封與防塵 活塞桿的密封形式有Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。采用薄鋼片組合防塵圈時(shí)，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。為方便設(shè)計(jì)和維護(hù)，本方案選擇O型密封圈。 3.2.4 液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程長(zhǎng)度可以根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標(biāo)準(zhǔn)值。液壓缸活塞行程參數(shù)優(yōu)先次序按表4-4中的a、b、c選用。 表4-4（a）液壓缸行程系列（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） 液壓缸行程系列（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） 液壓缸形成系列（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 根據(jù)設(shè)計(jì)要求知快速接近工件，行程根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，根據(jù)表3-8，可選取垂直方向液壓缸的工作行程為900mm，可選取水平方向液壓缸的工作行程為1000mm。 3.2.5 活塞的設(shè)計(jì) 由于活塞在液壓力的作用下沿缸筒往復(fù)滑動(dòng)，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過(guò)緊，也不能間隙過(guò)大。配合過(guò)緊，不僅使最低啟動(dòng)壓力增大，降低機(jī)械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的配合表面；間隙過(guò)大，會(huì)引起液壓缸內(nèi)部泄露，降低容積效率，使液壓缸達(dá)不到要求的設(shè)計(jì)性能?？紤]選用O型密封圈。 3.2.6 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算 1.最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H的確定 當(dāng)活塞桿全部伸出時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn)到到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度[1]。影響液壓缸工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證液壓缸有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)液壓缸最大行程為L(zhǎng),缸筒直徑為D時(shí),最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為: （4-5） 一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度A，在缸徑小于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)D，當(dāng)缸徑大于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)d.?；钊麑挾菳取B=(0.6~1.0)D。若導(dǎo)向長(zhǎng)度H不夠時(shí),可在活塞桿上增加一個(gè)導(dǎo)向套K(見(jiàn)圖4-1)來(lái)增加H值。隔套K的寬度。 圖4-1 液壓缸最小導(dǎo)向長(zhǎng)度[1] 因此:最小導(dǎo)向長(zhǎng)度，取H=9cm； 導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A= 活塞寬度B= 2.導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu) 導(dǎo)向套有普通導(dǎo)向套、易拆導(dǎo)向套、球面導(dǎo)向套和靜壓導(dǎo)向套等，可按工作情況適當(dāng)選擇。 3.2.7 端蓋和缸底的計(jì)算校核 在單活塞液壓缸中，有活塞桿通過(guò)的端蓋叫端蓋，無(wú)活塞桿通過(guò)的缸蓋叫缸頭或缸底。端蓋、缸底與缸筒構(gòu)成密封的壓力容腔，它不僅要有足夠的強(qiáng)度以承受液壓力，而且必須具有一定的連接強(qiáng)度。端蓋上有活塞桿導(dǎo)向孔（或裝導(dǎo)向套的孔）及防塵圈、密封圈槽，還有連接螺釘孔，受力情況比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)的不好容易損壞。 1.端蓋的設(shè)計(jì)計(jì)算 端蓋厚h為： 式中 D1——螺釘孔分布直徑，cm； P——液壓力，； ——密封環(huán)形端面平均直徑，cm； ——材料的許用應(yīng)力，。 2.缸底的設(shè)計(jì) 缸底分平底缸，橢圓缸底，半球形缸底。 3.2.7 缸體長(zhǎng)度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還需要考慮到兩端端蓋的厚度[1]。一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于缸體內(nèi)經(jīng)的20~30倍。取系數(shù)為5,則液壓缸缸體長(zhǎng)度：L=5*10cm=50cm。 3.2.8 緩沖裝置的設(shè)計(jì) 液壓缸的活塞桿（或柱塞桿）具有一定的質(zhì)量，在液壓力的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)時(shí)具有很大的動(dòng)量。在它們的行程終端，當(dāng)桿頭進(jìn)入液壓缸的端蓋和缸底部分時(shí)，會(huì)引起機(jī)械碰撞，產(chǎn)生很大的沖擊和噪聲。采用緩沖裝置，就是為了避免這種機(jī)械撞擊，但沖擊壓力仍然存在，大約是額定工作壓力的兩倍，這就必然會(huì)嚴(yán)重影響液壓缸和整個(gè)液壓系統(tǒng)的強(qiáng)度及正常工作。緩沖裝置可以防止和減少液壓缸活塞及活塞桿等運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實(shí)現(xiàn)速度的遞減，直至為零。 當(dāng)液壓缸中活塞活塞運(yùn)動(dòng)速度在6m/min以下時(shí)，一般不設(shè)緩沖裝置，而運(yùn)動(dòng)速度在12m/min以上時(shí)，不需設(shè)置緩沖裝置。在該組合機(jī)床液壓系統(tǒng)中，動(dòng)力滑臺(tái)的最大速度為4m/min,因此沒(méi)有必要設(shè)計(jì)緩沖裝置。 3.2.9 油缸的選型 經(jīng)過(guò)比較，參考市場(chǎng)上的油缸類型，選擇一種可靠?jī)?yōu)質(zhì)的油缸產(chǎn)品的生產(chǎn)商—速易可（上海）有限公司http://www.tonab.net/about_us.asp。 速易可液動(dòng)（上海）有限公司成立于2004年，從事于空油壓零組件和設(shè)備研 究、生產(chǎn)、銷(xiāo)售的自動(dòng)化廠商，產(chǎn)品以『TONAB』品牌營(yíng)銷(xiāo)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，產(chǎn)品主要有空液凈化組件、液動(dòng)控制組件、液動(dòng)執(zhí)行組件、輔助組件、空油壓設(shè)備，產(chǎn) 品廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、工業(yè)機(jī)械手、食品包裝機(jī)械、紡織機(jī)械、半導(dǎo)體設(shè)備、軌道交通、煙草機(jī)械、機(jī)床自動(dòng)控制、真空搬運(yùn)、汽車(chē)制造、教學(xué)培訓(xùn)等行業(yè)。 速易可目前主要產(chǎn)品有：無(wú)桿油缸、滑臺(tái)油缸、止動(dòng)油缸、回轉(zhuǎn)油缸、機(jī)械夾、回轉(zhuǎn)夾緊液（油）壓缸、導(dǎo)桿油缸、帶鎖油缸、雙軸缸、標(biāo)準(zhǔn)型油缸、控制閥、空液控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關(guān)液動(dòng)輔助零組件。 根據(jù)上節(jié)計(jì)算，在這選擇YAM63. 3.3 水平方向設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.1 水平方向計(jì)算 當(dāng)工件處于水平位置時(shí)，擺動(dòng)缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重20kg，長(zhǎng)度l =1000mm。如圖3.4所示。 工件 圖3.4 受力簡(jiǎn)圖 (1)計(jì)算扭矩[4] (2)液壓缸（伸縮）及其配件的估算扭矩 [4] F =200N S =1m（最大行程時(shí)） 帶入公式2.9得 =200×10×1 =2000（N·M） 由于水平方向的油缸與升降方向的有些類似，在此不在一一列舉 3.3.2 油缸的選型 速易可目前主要產(chǎn)品有：無(wú)桿油缸、滑臺(tái)油缸、止動(dòng)油缸、回轉(zhuǎn)油缸、機(jī)械夾、回轉(zhuǎn)夾緊液（油）壓缸、導(dǎo)桿油缸、帶鎖油缸、雙軸缸、標(biāo)準(zhǔn)型油缸、控制閥、空液控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關(guān)液動(dòng)輔助零組件。 根據(jù)上節(jié)計(jì)算，在這選擇YAM63. 3.3底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運(yùn)動(dòng)主要用來(lái)改變被夾物體的方位，它動(dòng)作靈活，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個(gè)自由度，可采用具有一個(gè)活動(dòng)度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。 要求：回轉(zhuǎn)角度270?， 角速度=45o/s 3.3.1 回轉(zhuǎn)部位負(fù)載計(jì)算校核 .若傳動(dòng)負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 負(fù)載額定功率： （3-24） 負(fù)載加速功率： （3-25） 負(fù)載力矩（折算到油馬達(dá)軸）： （3-26） 負(fù)載GD（折算到油馬達(dá)軸）： （3-27） 起動(dòng)時(shí)間： （3-28） 制動(dòng)時(shí)間： （3-29） 式中，-----為額定功率，KW； -----為加速功率，KW； -----為負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min； -----為油馬達(dá)軸回轉(zhuǎn)速度，r/min； -----為負(fù)載的速度，m/min； -----為減速機(jī)效率； -----為摩擦系數(shù)； -----為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），； -----為油馬達(dá)啟動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩，； -----為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到油馬達(dá)軸上），； -----為負(fù)載的，； -----為負(fù)載（折算到油馬達(dá)軸上），； -----為油馬達(dá)的，； 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)椴竭M(jìn)油馬達(dá)是驅(qū)動(dòng)腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運(yùn)動(dòng)形式屬于第二種。下面進(jìn)行具體的計(jì)算。 因?yàn)檠炕剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有； （3-30） 式中，-----為滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取0.005； -----為機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，取100； -----為回轉(zhuǎn)軸上傳動(dòng)大齒輪分度圓半徑，R=240； 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 =0.12； 同時(shí)，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=5r/min；傳動(dòng)比定為1/120； 且， 帶入數(shù)據(jù)得： =10.45667。 將其帶入上（3-24）~（3-30）式，得： 啟動(dòng)時(shí)間 ； 制動(dòng)時(shí)間 ； 折算到油馬達(dá)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。 3.3.2 油馬達(dá)的選型 根據(jù)參數(shù)，選型為BM-R100 臂部運(yùn)動(dòng)的目的，一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意點(diǎn)上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動(dòng)、靜載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力較復(fù)雜。 液壓機(jī)械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得尤其重要了[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)手臂右腔工作壓力，公式（3.8） 得： （3.12） 式中：F ——取工件重和手臂活動(dòng)部件總重， F =1000kg，=10000N。 (4)由初步計(jì)算選油泵 所需液壓最高壓力 P =10Mpa 所需液壓最大流量 Q =1000ml/s 3.4機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核 臂部和機(jī)身的配置形式基本上反映了液壓機(jī)械手的總體布局。本課題液壓機(jī)械手的機(jī)身設(shè)計(jì)成機(jī)座式，這樣液壓機(jī)械手可以是獨(dú)立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動(dòng)，也可具有行走機(jī)構(gòu)。臂部配置于機(jī)座立柱中間，多見(jiàn)于回轉(zhuǎn)型液壓機(jī)械手。臂部可沿機(jī)座立柱作升降運(yùn)動(dòng)，獲得較大的升降行程。升降過(guò)程由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導(dǎo)致了手臂的上下運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到了自由度的要求[7-9]。 3.4.1 油馬達(dá)的選擇 機(jī)身部使用了兩個(gè)油馬達(dá)，其一是帶動(dòng)臂部的升降運(yùn)動(dòng)；其二是帶動(dòng)機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)臂部升降運(yùn)動(dòng)的油馬達(dá)安裝在肋板上，帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)的油馬達(dá)安裝在混凝土地基上。 帶動(dòng)臂部升降的油馬達(dá)： P =6KW 所以轉(zhuǎn)/分 3.4.3螺柱的設(shè)計(jì)與校核 螺桿是液壓機(jī)械手的主支承件，并傳動(dòng)使手臂上下運(yùn)動(dòng)。 螺桿的材料選擇： 從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講并能滿足要求的材料為鑄鐵。 螺距 P =6mm 梯形螺紋 螺紋的工作高度 h =0.5P （3.17） =3mm 螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （3.18） 螺桿強(qiáng)度〖11〗 （3.19） =30～50Mpa 螺紋牙剪切 =40 彎曲=45～55 (1)當(dāng)量應(yīng)力 (3.20) 式中 T——傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm [σ]——螺桿材料的許用應(yīng)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)剪切強(qiáng)度 （旋合圈數(shù)） （3.21） （3.22） =206.8×103pa =0.206Mpa＜[τ]=40Mpa (3)彎曲強(qiáng)度 =0.48Mpa＜[σ]=45Mpa 合格 3.4.4機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu) 帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)的油馬達(dá)： 初選轉(zhuǎn)速 W =60o/s N =1/6轉(zhuǎn)/秒 =10轉(zhuǎn)/分 由于齒輪 I =3 減速器 I =30 所以 n =10×3×30=900轉(zhuǎn)/分 機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3.9所示: 圖3.9 機(jī)座結(jié)構(gòu)圖 3.5液壓機(jī)械手的定位及平穩(wěn)性確定 3.5.1常用的定位方式 機(jī)械擋塊定位是在行程終點(diǎn)設(shè)置機(jī)械擋塊。當(dāng)液壓機(jī)械手經(jīng)減速運(yùn)行到終點(diǎn)時(shí)，緊靠擋塊而定位。 若定位前已減速，定位時(shí)驅(qū)動(dòng)壓力未撤除，在這種情況下，機(jī)械擋塊定位能達(dá)到較高的重復(fù)精度。一般可高于±0.5mm，若定位時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)油路而去掉工作壓力，這時(shí)液壓機(jī)械手可能被擋塊碰回一個(gè)微小距離，因而定位精度變低[12]。 3.5.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 液壓機(jī)械手能否準(zhǔn)確地工作，實(shí)際上是一個(gè)三維空間的定位問(wèn)題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡(jiǎn)單情況下，單個(gè)量值可能是主要的。影響單個(gè)線量或角量定位誤差的因素如下： (1)定位方式 不同的定位方式影響因素不同。如機(jī)械擋塊定位時(shí)，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時(shí)的速度等因素有關(guān)。 (2)定位速度 定位速度對(duì)定位精度影響很大。這是因?yàn)槎ㄎ凰俣炔煌瑫r(shí)，必須耗散的運(yùn)動(dòng)部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應(yīng)合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使運(yùn)動(dòng)部件適時(shí)減速。 (3)精度 液壓機(jī)械手的制造精度和安裝調(diào)速精度對(duì)定位精度有直接影響。 (4)剛度 液壓機(jī)械手本身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度低時(shí)，因易產(chǎn)生振動(dòng)，定位精度一般較低。 (5)運(yùn)動(dòng)件的重量 運(yùn)動(dòng)件的重量包括液壓機(jī)械手本身的重量和被抓物的重量。 運(yùn)動(dòng)件重量的變化對(duì)定位精度影響較大。通常，運(yùn)動(dòng)件重量增加時(shí)，定位精度降低。因此，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要減小運(yùn)動(dòng)部件本身的重量，而且要考慮工作時(shí)抓重變化的影響。 (6)驅(qū)動(dòng)源 液壓的壓力波動(dòng)及電壓、油溫的波動(dòng)都會(huì)影響液壓機(jī)械手的重復(fù)定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)液壓措施。 (7)控制系統(tǒng) 開(kāi)關(guān)控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個(gè)不相同的。這不僅是因?yàn)楦鞣N控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無(wú)有關(guān)[13]。 本課題所采用的定位精度為機(jī)械擋塊定位。 3.5.3液壓機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置 緩沖裝置分為內(nèi)緩沖和外緩沖兩種形式。內(nèi)緩沖形式有油缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。外緩沖形式有彈性機(jī)械元件和液壓緩沖器。內(nèi)緩沖的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊。但有時(shí)安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點(diǎn)是安置位置靈活，簡(jiǎn)便，緩沖性能好調(diào)等，但結(jié)構(gòu)較龐大。 本課題所采用的緩沖裝置為油缸端部緩沖裝置。 當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到距油缸端蓋某一距離時(shí)能在活塞與端蓋之間形成一個(gè)緩沖室。利用節(jié)流的原理使緩沖室產(chǎn)生臨時(shí)背壓阻力，以使運(yùn)動(dòng)減速直至停止，而避免硬性沖擊的裝置，稱為油缸端部緩沖裝置[12-15]。 在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱為恒節(jié)流式油缸端部緩沖裝置。 設(shè)計(jì)油缸端部恒節(jié)流緩沖裝置時(shí)，（最大加速度）、（緩沖腔最大沖擊壓力）和（殘余速度）三個(gè)參數(shù)是受工作條件限制的。通常采用的辦法是先選定其中一個(gè)參數(shù)，然后校驗(yàn)其余兩個(gè)參數(shù)。步驟如下： (1)選擇最大加速度 通常，amax值按液壓機(jī)械手類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取，同時(shí)要考慮速度與載荷大小。對(duì)于重載低速液壓機(jī)械手，- 取5m/s2以下，對(duì)于輕載高速液壓機(jī)械手，-取5～10 m/s2 (2)計(jì)算沿運(yùn)動(dòng)方向作用在活塞上的外力F 水平運(yùn)動(dòng)時(shí)： （3.23） =0.25×103×π×3.62-7 =138N (3)計(jì)算殘余速度Vr （3.24） m/s 第4章 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 液壓控制室自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的一種主要的控制形式。自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和操作室根據(jù)液體的流量與壓力來(lái)確定，因而只要控制液的流量和壓力，就可以控制自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和操作力，液壓壓力一般在5—140公斤/厘米范圍內(nèi)，最大臂力可達(dá)160公斤以上。 主要優(yōu)點(diǎn)： (1)液壓執(zhí)行元件(馬達(dá)和液缸)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率小。 (2)可通過(guò)空液帶走大量熱能，保證機(jī)械的正常運(yùn)行。 (3)液壓元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過(guò)閥和泵的調(diào)節(jié)就能實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。 (4)響應(yīng)速度比較快，能高速啟動(dòng)，制動(dòng)和反向，無(wú)后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強(qiáng)。 (5)液壓元件于其他驅(qū)動(dòng)元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動(dòng)等。 缺點(diǎn):控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，處理功率訊號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算誤差，檢測(cè)，放大，測(cè)試和補(bǔ)償功能不如電子，機(jī)電裝置靈活簡(jiǎn)便[4-6]。 4.4手部抓取缸 圖 4.5 手部抓取缸液壓原理圖 (1)手部抓取缸液壓原理圖如圖4.5所示 (2)泵的供液壓力P取1Mpa，流量Q取系統(tǒng)所需最大流量即Q =1300ml/s。 因此，需裝圖4.1中所示的調(diào)速閥，流量定為7.2L/min，工作壓力P=2Mpa。 選取采用： 2FRM5-20/102調(diào)速閥 23E1-10B二位三通閥 4.5腕部擺動(dòng)液壓回路 圖 4.6 腕部擺動(dòng)液壓回路 (1)腕部擺動(dòng)缸液壓原理圖如圖4.6所示 (2)工作壓力: P=1Mpa 流量: Q=35ml/s 選取采用: 2FRM5-20/102調(diào)速閥 34E1-10B 換向閥 4.6小臂伸縮缸液壓回路 圖 4.7 小臂伸縮缸液壓回路 (1)小臂伸縮缸液壓原理圖如圖4.7所示 (2)工作壓力: P =0.25Mpa 流量: Q =1000ml/s 選取采用： 2FRM5-20/102 調(diào)速閥 23E1-10B二位三通閥 4.7總體系統(tǒng)圖 圖 4.8 總體系統(tǒng)圖 (1)總體系統(tǒng)圖如圖4.8所示, (2)工作過(guò)程: 小臂伸長(zhǎng)→手部抓緊→腕部回轉(zhuǎn)→小臂回轉(zhuǎn)→小臂收縮→手部放松 (3)電磁鐵動(dòng)作順序表: 表4.2總體系統(tǒng)圖 元件 動(dòng)作 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 小臂伸長(zhǎng) 手部抓緊 腕部回轉(zhuǎn) 小臂收縮 手部放松 卸荷 - - - - - + + + + - - ± + - - - + ± - - + - - ± - - - - - ± (4)確電機(jī)規(guī)格： 液壓泵選取CB-D型液泵，額定壓力P =1Mpa，工作流量在32～70ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵， 因此：傳動(dòng)功率 （4.15） 式中：η=0.8 （經(jīng)驗(yàn)值） 所以代入公式（4.15）得： =16.7KN 總結(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)眼間就到了掃尾階段，在這幾個(gè)月的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過(guò)程中，我取得了長(zhǎng)足的