自動上下料液壓機械手設(shè)計【四自由度】

自動上下料液壓機械手設(shè)計【四自由度】,四自由度,自動,上下,液壓,機械手,設(shè)計,自由度 湖南工學院畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 題　　目 自動上下料液壓機械手設(shè)計 學生姓名 劉世平 班級學號 機本1007班10201420716 專業(yè) 機械設(shè)計制造及自動化 一、本課題研究的背景目的和意義 工業(yè)機械手是近十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支它的特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，早構(gòu)造和性能上兼具有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手祖業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中有著廣闊的發(fā)展前景。 機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好的實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛的得到了應(yīng)用。 在機械工業(yè)中，工業(yè)機械手的意義可以概括如下： 1、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 2、以改善勞動條件，避免人身事故 3、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 二、機械手的現(xiàn)狀和發(fā)展前景及方向 隨著工業(yè)生產(chǎn)效率的提高以及PLC在機械控制方面的廣泛應(yīng)用，機械手已逐步代替工人手工的操作，在工廠車間得到了廣泛的應(yīng)用。 就目前來看，總的來說機械手的發(fā)展前景及方向： a) 重復(fù)高精度 精度是指機器人的機械手到達指定點的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次，機械手達到同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機器人定位不夠準確，通常會顯示一個固定誤差，這個誤差是可預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數(shù)的重復(fù)運行來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，機械手的重復(fù)定位精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 b) 模塊化 有的公司把帶有系列導向驅(qū)動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機械手比組合導向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。模塊化機械手是同一機械手可能由于應(yīng)用不同模塊而具有不同功能，擴大了機械手的應(yīng)用范圍，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。 c) 機電一體化 由“可編程控制器-傳感器-液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。隨著科學與技術(shù)的發(fā)展，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。目前，機械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)，如：采礦、冶金、石油、化學、船舶等領(lǐng)域，同時也已開始擴大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔，醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中。機械手廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。而且，隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩，未來各式各樣的機械手將不斷應(yīng)用于各行各業(yè)。 三、擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實驗方案 1、收集相關(guān)資料，并對現(xiàn)有資料進行可行性研究分析，進而分析自己完成本課題還存在哪些問題，除了現(xiàn)有的知識還應(yīng)具備哪些知識。 2、選定自己適合和熟悉的制圖軟件，對選定的工具進行深入的學習及具體實踐。 3、對驅(qū)動油路進行仔細研究，了解液壓驅(qū)動原理，繪制油路圖。 4、機械手結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)要求設(shè)計出合理輕便的機械手。 5、用CAD軟件繪制出設(shè)計的機械手裝配圖以及相關(guān)零件圖。 6、對相關(guān)資料進行整理，并總結(jié)此次設(shè)計的得失，為以后的設(shè)計打基礎(chǔ)。 四、研究計劃安排及預(yù)期效果 2014年3月---------上網(wǎng)搜索資料了解發(fā)展機械手的科學意義，國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢以及應(yīng)用前景等，為自己設(shè)計定下初步目標和方向。參閱外文文獻并翻譯一篇，并完成開題報告。 2014年3月---------收集相關(guān)資料，進行整體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計，不但要滿足功能要求，而且追求結(jié)構(gòu)簡單、傳動布置合理，噪聲低，安全可靠，操作和維護方便等，并同時考慮驅(qū)動液壓缸的安裝位置來設(shè)計好接口。 2014年4月--------- 擬定機械手的總體設(shè)計方案，對機械手各部件進行全面細致的設(shè)計，使其能完成自動取料和下料的運動需要。 2014年5月--------使用CAD繪制上料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計圖、裝配圖、以及液壓原理圖等，并完成設(shè)計說明書一份。 指導教師批閱意見 指導教師(簽名)： 年 月 日 2014屆畢業(yè)論文 材料 院 、 部： 機械工程學院 學生姓名 劉世平 指導教師： 劉吉兆 職稱 教授 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 機本1007 班 完成時間： 2014年5月 湖南工學院畢業(yè)設(shè)計(論文)工作進度檢查表 題目 自動上下料液壓機械手設(shè)計 學生姓名 劉世平 班級學號 10201420716 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 指 導 教 師 填 寫 學生開題情況 學生調(diào)研及查閱文獻情況 畢業(yè)設(shè)計（論文）原計劃有無調(diào)整 學生是否按計劃執(zhí)行工作進度 學生是否能獨立完成工作任務(wù) 學生的英文翻譯情況 學生每周接受指導的次數(shù)及時間 畢業(yè)設(shè)計（論文）過程檢查記錄情況 學生的工作態(tài)度在相應(yīng)選項劃“√” □認真 □一般 □較差 1. 畢業(yè)設(shè)計各階段時間如下：[畢業(yè)設(shè)計調(diào)研：2周（2月25日—3月8日），集中實習：2周（3月11日—3月22日），畢業(yè)設(shè)計：10周（3月25日—5月31日），答辯時間：1周（6月5日—6月10日）]。開題報告需修改。 2. 進度太慢，以后請按照教務(wù)系統(tǒng)中設(shè)定的時間及時將畢業(yè)設(shè)計的進展情況用電子文進行匯報，可通過系統(tǒng)上傳畢業(yè)設(shè)計大綱、畢業(yè)設(shè)計說明書的進展、圖紙等資料，希高度重視，最好回到學校進行畢業(yè)設(shè)計，趕快進行設(shè)計，否則時間來不及，抓緊時間，積極主動從事畢業(yè)設(shè)計。 3. 希望按學校的時間要求進行畢業(yè)設(shè)計工作，要抓緊時間，積極主動從事畢業(yè)設(shè)計。以后請按照教務(wù)系統(tǒng)中設(shè)定的時間及時將畢業(yè)設(shè)計的進展情況用電子文檔進行匯報，可通過系統(tǒng)上傳畢業(yè)設(shè)計大綱、畢業(yè)設(shè)計說明書的進展、圖紙等資料，希高度重視，最好回到學校進行畢業(yè)設(shè)計。 4. 只有開題報告，沒有其它資料，進度太慢，以后請按照教務(wù)系統(tǒng)中設(shè)定的時間及時將畢業(yè)設(shè)計的進展情況用電子文檔進行匯報，可通過系統(tǒng)上傳畢業(yè)設(shè)計大綱、畢業(yè)設(shè)計說明書的進展、圖紙等資料，希高度重視，最好回到學校進行畢業(yè)設(shè)計，趕快進行設(shè)計，否則時間來不及，抓緊時間，積極主動從事畢業(yè)設(shè)計。 5. 進度太慢，請按照教務(wù)系統(tǒng)中設(shè)定的時間及時將畢業(yè)設(shè)計的進展情況用電子文檔進行匯報，可通過系統(tǒng)上傳畢業(yè)設(shè)計大綱、畢業(yè)設(shè)計說明書的進展、圖紙等資料，希高度重視，抓緊時間進行設(shè)計，否則時間來不及，要主動從事畢業(yè)設(shè)計。 6. 按在我辦公室討論的方式修改，請按學校規(guī)定的時間完成畢業(yè)設(shè)計工作，仔細審查畢業(yè)設(shè)計工作量(完成合計不少于3張零號圖紙的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖、裝配圖和零件圖)、說明書格式（字體、行距、目錄、參考文獻等）是否符合學校要求，圖紙是否符合制圖規(guī)范；通過系統(tǒng)及時上傳畢業(yè)設(shè)計有關(guān)資料供評閱老師評閱,本科畢業(yè)設(shè)計答辯時間：（5月27日—5月30日，6月3日—6月4日）。畢業(yè)論文修改后請及時上傳。 指導教師簽字： 年 月 日 系部意見： 負責人簽字： 年 月 日 湖南工學院2014 屆畢業(yè)設(shè)計（論文）指導教師評閱表 學院：機械工程學院 專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 學生姓名 劉世平 學 號 10201420716 班 級 機本1007班 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 指導教師姓名 劉吉兆 課題名稱 自動上下料液壓機械手設(shè)計 是否同意參加答辯： 是□ 否□ 指導教師評定成績 分值： 指導教師簽字： 年 月 日 湖南工學院畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱教師評閱表 題　　目 自動上下料液壓機械手設(shè)計 學生姓名 劉世平 班級學號 10201420716 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 評閱 教師姓名 劉安民 職稱 教授 工作單位 湖南工學院 評分內(nèi)容 具 體 要 求 總分 評分 開題情況 調(diào)研論證 能獨立查閱文獻資料及從事其他形式的調(diào)研，能較好地理解課題任務(wù)并提出實施方案，有分析整理各類信息并從中獲取新知識的能力。 10 外文翻譯 摘要及外文資料翻譯準確，文字流暢，符合規(guī)定內(nèi)容及字數(shù)要求。 10 設(shè)計質(zhì)量 論證、分析、設(shè)計、計算、結(jié)構(gòu)、建模、實驗正確合理。 35 創(chuàng)新 工作中有創(chuàng)新意識，有重大改進或獨特見解，有一定實用價值。 10 撰寫質(zhì)量 結(jié)構(gòu)嚴謹，文字通順，用語符合技術(shù)規(guī)范，圖表清楚，書寫格式規(guī)范，符合規(guī)定字數(shù)要求。 15 綜合能力 能綜合運用所學知識和技能發(fā)現(xiàn)與解決實際問題。 20 總評分 評閱教師 評閱意見 評閱成績 總評分ⅹ20% 評閱教師簽名 日期 湖南工學院畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯資格審查表 題 目 自動上下料液壓機械手設(shè)計 學生姓名 劉世平 學?? 號 10201420716 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 指導教師 劉吉兆 設(shè)計（論文）研究方法及步驟（進度安排）： 本次設(shè)計的題目是汽車零件加工自動線上的設(shè)計，主要是通過老師指導和查詢各種相關(guān)資料得以完成。步驟如下： 課題調(diào)研，資料收集工作；總體方案擬定，畫總圖；機械部分設(shè)計、計算，畫機械手手腕、手臂、機身結(jié)構(gòu)圖；控制系統(tǒng)設(shè)計，畫液壓系統(tǒng)圖和電器系統(tǒng)圖各一張；編寫設(shè)計說明書及翻譯科技外文一篇。 主要內(nèi)容： （1）主要由手爪、手腕、手臂、機身、機座等組成，具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按該自動線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動作。 （2）機械手機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，其坐標形式為球坐標式，具有立柱旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂俯仰、腕部轉(zhuǎn)動和腕部擺動4個自由度。 （3）說明書內(nèi)容完整，字跡工整，語言簡練，文字通順。說明書重點包括設(shè)計方案的分析與論證，考慮問題的出發(fā)點和最后選擇的依據(jù)，必要的計算過程，其他說明等 經(jīng)過一段時間的設(shè)計，在指導老師和同學們的幫助下，終于堅持完成了我的這個設(shè)計完成了。當然，由于所學知識和見識有限，設(shè)計中仍然存在許多不足和不完善的地方，所以，還請各位老師糾正和指導，望各位老師給我這次畢業(yè)答辯的機會。謝謝！ 申請人簽名：劉世平 ?? ?日期：2014.5.30 資? 格? 審? 查? 項? 目 是 否 01 工作量是否達到所規(guī)定要求 ? ? 02 文檔資料是否齊全（任務(wù)書、開題報告、外文資料翻譯、定稿論文及其相關(guān)附件資料等） ? ? 03 是否完成任務(wù)書規(guī)定的任務(wù) ? ? 04 完成的成果是否達到驗收要求 ? ? 05 是否剽竊他人成果或者直接照抄他人設(shè)計（論文） 指導教師簽名： 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯資格審查小組意見： 符合答辯資格，同意答辯 □????? 不符合答辯資格，不同意答辯□ 審查小組成員簽名： ? ??? 年??? 月??? 日 湖南工學院2014屆畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯及最終成績評定表 學院： 機械工程學院 專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 學生姓名 劉世平 學號 10201420716 班級 機本1007班 答辯 日期 課題名稱 自動上下料液壓機械手設(shè)計 指導 教師 劉吉兆 成 績 評 定 分值 評 定 小計 伍 利 群 匡 建 新 周 立 鄧 興 貴 畢 紅 霞 課題介紹 思路清晰，語言表達準確，概念清楚，論點正確，實驗方法科學，分析歸納合理，結(jié)論嚴謹，設(shè)計（論文）有應(yīng)用價值。 30 答辯 表現(xiàn) 思維敏捷,回答問題有理論根據(jù)，基本概念清楚，主要問題回答準確大、深入,知識面寬。 必 答 題 40 自 由 提 問 30 合 計 100 答 辯 評 分 分值： 答辯小組長簽名： 答辯成績a： ×20％＝ 指導教師評分 分值： 指導教師評定成績b： ×60％＝ 評閱教師評分 分值： 評閱教師評定成績c： ×20％＝ 最終評定成績： 分數(shù)： 等級： 答辯委員會主任簽名： 年 月 日 湖南工學院2014屆畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)書 院(系)：機械工程學院 專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 指導教師 劉吉兆 學生姓名 劉世平 課題名稱 自動上下料液壓機械手設(shè)計 內(nèi)容及任務(wù) 本課題為汽車零件加工自動線的輔助裝置之一，機械手在零件加工自動線上完成上料、轉(zhuǎn)位和翻轉(zhuǎn)等多種功能。 2、設(shè)計內(nèi)容 （1）機械手的總裝圖， （2）部件裝配圖及零件圖， （3）機械手液壓系統(tǒng)工作原理圖； （4）設(shè)計計算說明書：１份 （所有圖紙折合不得少于3張A0圖） 擬達到的要求或技術(shù)指標 1、設(shè)計（論文）基本要求 （1）材料牌號，形位公差，粗糙度，圖紙的標題欄及明細表都宜采用新圖標。 （2）設(shè)計應(yīng)以獨立完成為主，圖紙表達要正確清晰，計算正確，能借助各種工具書和技術(shù)資料獲得所需的正確數(shù)據(jù)。 （3）說明書應(yīng)內(nèi)容完整，字跡工整，語言簡練，文字通順。說明書中應(yīng)重點包括設(shè)計方案的分析與論證，考慮問題的出發(fā)點和最后選擇的依據(jù)，必要的計算過程，其他說明等 2、主要技術(shù)指標： （1）最大抓取重量：15Kg； （2）工件最大尺寸（長×寬×高）250×170×140mm （3）最大操作范圍：提升高度1.5m；回轉(zhuǎn)半徑1m；行走范圍≤30m； （4）機械手的自由度：4~5個； （5）定位精度：0.5~1mm； （6）裝料高度：1050mm；輸送軌道寬度：350mm；輸送速度：20m/min （7）生產(chǎn)綱領(lǐng)：10萬件/年；生產(chǎn)節(jié)拍：3min/件； （8）性能要求：抓取靈活，送放平穩(wěn)，安全可靠，壽命不低于15年。 進度安排 起止日期 工作內(nèi)容 備注 第2～5周 畢業(yè)調(diào)研及實習、搜集設(shè)計的相關(guān)資料，寫出開題報告 第6～8周 設(shè)計方案的確定 第9～11周 完成部件裝配圖及零件圖的繪制 第12～15周 編寫設(shè)計計算說明書, 通過指導老師驗收，準備答辯 第16周 畢業(yè)答辯 主要參考資料 [1] 劉心治主編.冷沖壓工藝及模具設(shè)計[M].重慶:重慶大學出版社,2006.5～10 [2] 模具制造手冊 編寫組.模具制造手冊[J].北京:機械工業(yè)出版社,1990.2 [3] 工程材料及機械制造基礎(chǔ) 系列教材編寫委員會.機械工程材料基礎(chǔ)[M].湖南:中南大學出版社,1995,13～47 [4] 劉守勇主編.機械制造工藝與機床夾具[M].北京：機械工業(yè)出版社,1995.55～56 [5] 章躍主編.機械制造工程專業(yè)英語[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.77～78 [6] 甘永立主編.幾何量公差與檢測[M].上海:科學技術(shù)出版社，2005.12～13 [7] 吳宗澤主編.機械設(shè)計手冊[J]（上冊 下冊）.北京:機械工業(yè)出版社，1998.99～105 [8] 楊恢先，黃輝先等編著.單片機原理及應(yīng)用[M].長沙：國防科技大學出版社，2003 [9] 何永然，唐增寶，劉安俊主編.機械設(shè)計課程設(shè)計（第二版）[M].武漢： 華中科技大學出版社，2002. 58～88 [10] 周良德，朱泗芳等編著.現(xiàn)在工程圖學[M].長沙：湖南科學技術(shù)出版社，2000 [11] 華中理工大學等院校編，畫法幾何及機械制圖[M].北京：高等教育出版社，2003 [12] 馮炳堯，韓泰榮，殷振海，蔣文森編.模具設(shè)計與制造簡明手冊[J].上海： 上?？茖W技術(shù)出版社，1992. 108～120 [13] 沖模設(shè)計手冊 編寫組.沖模設(shè)計手冊[J].北京:機械工業(yè)出版社,1988.14～15 [14] 王衛(wèi)衛(wèi)主編.材料成形設(shè)備[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.49～50 教研室 意見 年 月 日 主管領(lǐng)導意見 年 月 日 湖南工學院畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 題　　目 自動上下料液壓機械手設(shè)計 學生姓名 劉世平 班級學號 機本1007班10201420716 專業(yè) 機械設(shè)計制造及自動化 一、本課題研究的背景目的和意義 工業(yè)機械手是近十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支它的特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，早構(gòu)造和性能上兼具有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手祖業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中有著廣闊的發(fā)展前景。 機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好的實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛的得到了應(yīng)用。 在機械工業(yè)中，工業(yè)機械手的意義可以概括如下： 1、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 2、以改善勞動條件，避免人身事故 3、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 二、機械手的現(xiàn)狀和發(fā)展前景及方向 隨著工業(yè)生產(chǎn)效率的提高以及PLC在機械控制方面的廣泛應(yīng)用，機械手已逐步代替工人手工的操作，在工廠車間得到了廣泛的應(yīng)用。 就目前來看，總的來說機械手的發(fā)展前景及方向： a) 重復(fù)高精度 精度是指機器人的機械手到達指定點的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次，機械手達到同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機器人定位不夠準確，通常會顯示一個固定誤差，這個誤差是可預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數(shù)的重復(fù)運行來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，機械手的重復(fù)定位精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 b) 模塊化 有的公司把帶有系列導向驅(qū)動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機械手比組合導向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。模塊化機械手是同一機械手可能由于應(yīng)用不同模塊而具有不同功能，擴大了機械手的應(yīng)用范圍，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。 c) 機電一體化 由“可編程控制器-傳感器-液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。隨著科學與技術(shù)的發(fā)展，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。目前，機械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)，如：采礦、冶金、石油、化學、船舶等領(lǐng)域，同時也已開始擴大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔，醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中。機械手廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。而且，隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩，未來各式各樣的機械手將不斷應(yīng)用于各行各業(yè)。 三、擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實驗方案 1、收集相關(guān)資料，并對現(xiàn)有資料進行可行性研究分析，進而分析自己完成本課題還存在哪些問題，除了現(xiàn)有的知識還應(yīng)具備哪些知識。 2、選定自己適合和熟悉的制圖軟件，對選定的工具進行深入的學習及具體實踐。 3、對驅(qū)動油路進行仔細研究，了解液壓驅(qū)動原理，繪制油路圖。 4、機械手結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)要求設(shè)計出合理輕便的機械手。 5、用CAD軟件繪制出設(shè)計的機械手裝配圖以及相關(guān)零件圖。 6、對相關(guān)資料進行整理，并總結(jié)此次設(shè)計的得失，為以后的設(shè)計打基礎(chǔ)。 四、研究計劃安排及預(yù)期效果 2014年3月---------上網(wǎng)搜索資料了解發(fā)展機械手的科學意義，國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢以及應(yīng)用前景等，為自己設(shè)計定下初步目標和方向。參閱外文文獻并翻譯一篇，并完成開題報告。 2014年3月---------收集相關(guān)資料，進行整體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計，不但要滿足功能要求，而且追求結(jié)構(gòu)簡單、傳動布置合理，噪聲低，安全可靠，操作和維護方便等，并同時考慮驅(qū)動液壓缸的安裝位置來設(shè)計好接口。 2014年4月--------- 擬定機械手的總體設(shè)計方案，對機械手各部件進行全面細致的設(shè)計，使其能完成自動取料和下料的運動需要。 2014年5月--------使用CAD繪制上料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計圖、裝配圖、以及液壓原理圖等，并完成設(shè)計說明書一份。 指導教師批閱意見 指導教師(簽名)： 年 月 日 自動上下料液壓機械手設(shè)計 摘 要 本次設(shè)計的多功能機械手用于汽車零件加工自動線上的設(shè)計，主要由手爪、手腕、手臂、機身、機座等組成，具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按該自動線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動作。本機械手機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，其坐標形式為球坐標式，具有立柱旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂俯仰、腕部轉(zhuǎn)動和腕部擺動4個自由度。驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，選用雙泵，共有整機回轉(zhuǎn)油缸、手臂俯仰油缸、手臂伸縮油缸、手腕擺動油缸、手腕回轉(zhuǎn)油缸、手爪夾緊油缸6個液壓缸。送放機構(gòu)的液壓驅(qū)動系統(tǒng)是由液壓基本回路組成，包括調(diào)壓回路，緩沖回路，調(diào)速回路，換向回路.鎖緊回路，保壓回路。定位采用機械擋塊定位，定位精度為0.5～1mm，采用行程控制系統(tǒng)實現(xiàn)點位控制。 關(guān)鍵詞： 機械手，自動線，液壓，設(shè)計 ，點位控制 ABSTRACT The current design of multifunctional mechanical hand used for R175-type diesel organisms automatic processing line, mainly consist of claw, wrists, arms, body, base and so on. With moving the materials, turnover and transfer spaces, and many other functions, the automatic line with the unified production rhythms and production program completed more moves. With the automatic production line rhythms and the production of complete reunification of the above movements, automatic line is around the machine arrange, the coordinates of the ball coordinates of the form, with huge rotary, extendable arm, arm pitch, hitting and hitting back five moves freedom; Driven approach to hydraulic-driven, and the choice of double leaves pumps, the system pressure to 2.5MPa, 5.5KW electrical power for a total of whole sets of rotation tank, arm tilt cylinders, fuel tanks extendable arm, wrist swing tank, wrist rotation tank, claw clip tank six hydraulic oil tank; positioning a piece of machinery turned positioning, positioning accuracy for 0.5~1mm, using control systems to achieve their point spaces control. Key words: Mechanical hand, the ball coordinates, hydraulic, mechanical turned pieces, control point spaces 目 錄 1緒論 1 1.1機械手的概述 1 1.2機械手的組成與分類 1 1.2.1機械手的組成 1 1.3機械手的分類 2 1.3 機械手的組成 3 2總體方案分析 4 2.1總體方案分析 4 2.2方案的確定 4 2.3動作原理 4 2.4 主要技術(shù)指標 5 3手部的設(shè)計 6 3.1手部結(jié)構(gòu) 6 3.2手爪的計算與分析 6 3.2.1手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算 6 3.2.2 手爪的夾持誤差分析與計算 7 4腕部的設(shè)計 8 4.1腕部結(jié)構(gòu) 8 4.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 8 5手臂的設(shè)計 11 5.1手臂伸縮液壓缸的設(shè)計計算 11 5.1.1手臂作水平伸縮直線運動驅(qū)動力的計算 11 5.1.2手臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算 11 5.1.3確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 12 5.1.4液壓缸壁厚計算 12 5.1.5活塞桿的計算 13 5.1.6液壓缸端蓋的聯(lián)接方式與強度計算 13 5.1.6缸蓋螺釘計算 13 5.1.7缸體螺紋計算 14 5.2手臂俯仰運動的設(shè)計計算 15 5.2.1手臂俯仰時所需的驅(qū)動力矩 15 5.2.2缸蓋聯(lián)接螺釘計算和動片聯(lián)接螺釘計算 16 5.2.3動片聯(lián)接螺釘?shù)挠嬎?16 6.機身設(shè)計 18 6.1機身結(jié)構(gòu)的計算 18 6.2機身設(shè)計時應(yīng)注意的事項 19 7機械手液壓系統(tǒng)的工作原理 20 7.1液壓系統(tǒng)的組成 20 7.2液壓傳動系統(tǒng)機械手的特點 20 7.3油缸泄漏問題與密封裝置 20 7.3.1活塞式油缸的泄漏與密封 21 7.3.2回轉(zhuǎn)油缸的泄漏與密封 21 7.4液壓系統(tǒng)傳動方案的確定 22 7.4.1各液壓缸的換向回路 22 7.4.2調(diào)整方案 22 7.4.3減速緩沖回路 22 7.4.4系統(tǒng)安全可靠性 23 參考文獻 25 致 謝 26 1緒論 1.1機械手的概述 工業(yè)機械手（以下簡稱機械手）是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，作為多學科融合的邊沿學科，它是當今高技能發(fā)展速度最快的領(lǐng)域之一，并已經(jīng)成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。 所謂工業(yè)樞機手就是一種能按給定的程序或要求自動完成物件（如材料、工件、零件或工具等）傳送或操作作業(yè)的機械裝置，它能部分地代替人的手工勞作。較高級型式的機械手，還能模擬人的手臂動作，完成較復(fù)雜的作業(yè)。 1.2機械手的組成與分類 1.2.1機械手的組成 工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成，各部關(guān)系如圖1所示： 圖1 工業(yè)機械手組成圖框 機械手大致可分為手部、傳送機構(gòu)、驅(qū)動部分、控制部分以及其他部分。 手部（或稱抓取機構(gòu)）包括手指、傳力機構(gòu)等.主要起抓取和放置物件的作用； 傳送機構(gòu)（或稱臂部）包括手腕、手臂等.主要起改變物件方向和位置的作用； 驅(qū)動部分 它是驅(qū)動前兩部分的動力.因此也稱動力源，常用的有液壓、氣壓、電力和機械式驅(qū)動等四種形式； 控制部分 它是機械手動作的指揮系統(tǒng).它來控制動作的順序（程序）、位置和時間（甚至速度與加速度）等； 其它部分 如機體、行走機構(gòu)、行程檢測裝置和傳感裝置等。 1.3機械手的分類 機械手從使用范圍、運動坐標形式、驅(qū)動方式以及臂力大小四個方面的分類分別為： （1）按機械手的使用范圍分類： 1）專用機械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產(chǎn)線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛胚上下料機械手”、“曲拐自動車床機械手”、“油泵凸輪軸自動線機械手”等等。這種機械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。 2） 通用機械手（也稱工業(yè)機器人） 指具有可變程序和單獨驅(qū)動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機器，而且能自動生成傳送物件或操作某些工具的機械裝置。通用機械手按其定位和控制方式的不同，可以分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。這種機械手由于手指可以更換（或可調(diào)節(jié)），程序可變，故適用于中、小批生產(chǎn)。但因其運動較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)條件要求較高，故制造成本一般也較高。 按機械手臂部的運動坐標型式分類： 1)直角坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標系X、Y、Z三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮（定為沿X方向移動）、左右移動（定為沿Y方向移動）和上下升降（定為沿Z方向的移動）; 2)圓柱坐標式機械手 手臂可以沿著直角坐標系的X和Z方向移動，又可繞Z軸轉(zhuǎn)動（定為繞Z軸轉(zhuǎn)動），亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動； 3)球坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸Z方向移動，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動，亦即手臂可以前后伸縮（沿X軸方向移動）上下擺動（定為繞Y軸擺動）和左右轉(zhuǎn)動（仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動）； 4)多關(guān)節(jié)式機械手 這種機械手的臂部可以分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接（肘部）以及大臂和機體的連接（肩部）均為關(guān)節(jié)（鉸鏈）式連接，亦即小臂對大臂可以繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以 左右移動。 （3）按機械手的驅(qū)動方式分類： 1）液壓驅(qū)動機械手以壓力油進行驅(qū)動； 2）氣壓驅(qū)動樞機手以壓縮空氣進行驅(qū)動; 3）電力驅(qū)動機械手直接用電動機進行驅(qū)動； 4）機械驅(qū)動機械手是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構(gòu)等傳給機械手的一種驅(qū)動方式。 1.3 機械手的組成 機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復(fù)雜，但基本上的組成形式是相同的。一般機械手由執(zhí)行機構(gòu)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。機構(gòu)手的執(zhí)行機構(gòu)，由手、手腕、手臂、支座組成。手是抓取機構(gòu)，用來夾緊或是松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指和手臂白元件，可以上下、左右和回轉(zhuǎn)動作。簡單的機械手可以沒有手腕，而只有手臂，手臂的動作和手腕相類似，只是動作范圍更大，可以前后伸縮，上下升降和左右擺動等。支柱用來支撐手臂，它是固定的，也可以根據(jù)需要做成移動的。 執(zhí)行機構(gòu)的動作要有傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。常用的機械手傳動系統(tǒng)分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。 控制系統(tǒng)的主要作用是控制機械手按一定的程度、方向、位置、速度進行動作。簡單的機械手一般不設(shè)置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關(guān)、繼電器、控制閥及電路便可實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機構(gòu)按要求進行動作。動作復(fù)雜的機械手則要采用可編程控制器、微型計算機進行控制。 簡單的組成和分類以及適用范圍如下： 執(zhí)行系統(tǒng)的組成：手部、腕部、機身、行走機構(gòu)。 驅(qū)動系統(tǒng)的組成：各種電氣、液壓元件。 控制系統(tǒng)的組成：位置檢測器、記憶存儲器。 2總體方案分析 2.1總體方案分析 由設(shè)計內(nèi)容可知，本次設(shè)計所確定的機械手整體結(jié)構(gòu)為球坐標式機械手，此機械手要實現(xiàn)從傳送帶到設(shè)備的上下料過程。傳送帶移動方向與設(shè)備上所夾持的工件方向垂直。因此手臂動作擺動或者轉(zhuǎn)動，手爪的動作為伸縮和松夾。由于此機械手的動作要求旋轉(zhuǎn)不同的工件，所以實現(xiàn)上下料過程也要求手腕能旋轉(zhuǎn)動作。 多種方案分析 通過以上分析，這里初選三個方案，各方案如下： 方案一：機身的旋轉(zhuǎn)，采用電動機驅(qū)動實現(xiàn)，大手臂的俯仰也采用電動機驅(qū)動實現(xiàn)，小手臂的伸縮用伸縮缸實現(xiàn)，手腕的回轉(zhuǎn)用電動機實現(xiàn)。 方案二：機身的旋轉(zhuǎn)，采用電動機驅(qū)動實現(xiàn)，大手臂的俯仰也采用電動機驅(qū)動實現(xiàn)，小手臂的伸縮用齒輪條實現(xiàn)，手腕的回轉(zhuǎn)用電動機實現(xiàn)。 方案三：機身的旋轉(zhuǎn)，采用擺液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)，大手臂的俯仰采用擺動液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)，小手臂的伸縮用伸縮缸實現(xiàn)，手腕的回轉(zhuǎn)用擺液壓缸實現(xiàn)。 2.2方案的確定 通過方案一，方案二和方案三的比較分析可知，方案一從功能上講可以滿足條件，但電動機的造價太高，不太經(jīng)濟。方案二中也存在上述的問題。同時齒輪齒條的驅(qū)動精度太低，在抓取工件時定位不夠準確，而且結(jié)構(gòu)大而復(fù)雜。方案三中，由液壓缸來完成的部分，不僅驅(qū)動力大且結(jié)構(gòu)也相對簡單，擺動缸結(jié)構(gòu)尺寸大但輸出轉(zhuǎn)矩大，進行優(yōu)化設(shè)計，從而得出方案三最佳，并最終確實此次的設(shè)計方案為方案三，方案如下： 機身旋轉(zhuǎn)、手腕轉(zhuǎn)動，均采用擺缸來控制，手臂的伸縮用伸縮缸控制，而爪的松夾用夾緊缸來控制。 2.3動作原理 本次設(shè)計是液壓驅(qū)動，電氣控制。機械手的各個動作是由液壓缸來驅(qū)動的，其動作過程是由液壓缸的各個動作運動至終點時壓合行程開關(guān)，將行程開關(guān)的機械運動通過PLC轉(zhuǎn)化為電磁閥得電和失電，后由電磁閥控制各油路的通斷，以實現(xiàn)各液壓缸的相應(yīng)運動，從而控制機械手的和個動作。 2.4 主要技術(shù)指標 （1）最大抓取重量：15Kg； （2）工件最大尺寸（長×寬×高）250×170×140mm （3）最大操作范圍：提升高度1.5m；回轉(zhuǎn)半徑1m；行走范圍≤30m； （4）機械手的自由度：4~5個； （5）定位精度：0.5~1mm； （6）裝料高度：1050mm；輸送軌道寬度：350mm；輸送速度：20m/min （7）生產(chǎn)綱領(lǐng)：10萬件/年；生產(chǎn)節(jié)拍：3min/件； （8）性能要求：抓取靈活，送放平穩(wěn)，安全可靠，壽命不低于15年； 3手部的設(shè)計 3.1手部結(jié)構(gòu) 手部（亦稱抓取機構(gòu)）是用來直接握持工件的部分，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等不同，所以工業(yè)機械手的手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而設(shè)計的。歸結(jié)起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可以分成夾持和吸附兩大類。 夾持手部按其手指夾持工件時的運動方式，可分為手指回轉(zhuǎn)型和手指平移型兩種。 平移型手指的張開和閉合靠手指的平行移動，適用于夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓棒時，不會引起中心位置的偏移。所以選擇平移型手指。 由于工件為方料，而平移型手指適于夾持平板和方料，故本設(shè)計選用平移型十指。移動型即兩手指相對支座往復(fù)移動。 其驅(qū)動力為：F=2FN 3.2手爪的計算與分析 3.2.1手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算 一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手爪對工件的夾緊力： FN≥K1K2K3G 式中K1—安全系數(shù)，通常取1.2～2.0； K2—工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似按下式估算 K2=1+ 運載工件重力方向的最大上升加度； g—重力加速度，g=9.8m/s2 a= vmax—運載工件時重力方向的最大上升速度； t響—系統(tǒng)達到最高速度的時間；根據(jù)設(shè)計參數(shù)選取。一般取0.03～0.5s。 K3—方向系數(shù)，由于手爪是水平放置夾持水平放置工件，v形指端夾圓形工件， 由<<機械設(shè)計手冊第五卷>>表2-1得: 取K3=0.5。 G—被抓持工件的重量，G=15×9.8=147N 代入數(shù)據(jù)，計算得 FN=K1K2K3G =1.5×1.02×0.5×147N=112.45N≈112N 查<<機械設(shè)計手冊第五卷>>表2-1得： 驅(qū)動力：F計算=2 FN=224N 取η=0.85 F實際==224/0.85N=264N 3.2.2 手爪的夾持誤差分析與計算 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手定位精度，而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。為適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，必須注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而使夾持誤差控制在較小的范圍。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過±1mm就可以了。 4腕部的設(shè)計 4.1腕部結(jié)構(gòu) 手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改善或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的運動范圍，并使機械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強。 手腕部件具有獨立的自由度。 手腕運動有：繞X軸轉(zhuǎn)動稱為回轉(zhuǎn)運動；繞Y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動（或俯仰）；繞Z軸轉(zhuǎn)動稱為左右擺動；甚至沿著Y軸（或Z軸）的橫向移動。 采用一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣泛采用。 4.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 腕部回轉(zhuǎn)時，驅(qū)動力矩用來克服腕部摩擦力矩、工件重心偏移力矩和慣性力矩。受力分析和圖所示。 圖2 腕部回轉(zhuǎn)受力分析圖 手腕回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動力矩大小可以按下式計算： M驅(qū)=kf（M摩+M偏+M慣） kf—考慮驅(qū)動缸密封摩擦損失的系數(shù)，通常kfbc 1.1～1.2； M偏—工件重心偏執(zhí)引起的偏置力矩（N·m）； M摩—腕部轉(zhuǎn)動支撐處的摩擦阻力矩（N·m）； M慣—克服啟動慣性所需的力矩（N·m）； （1）腕部轉(zhuǎn)動支撐處的摩擦阻力矩： f—軸承的摩擦系數(shù),滾動軸承f=0.02，滑動軸承f=0.1； N1，N2—軸承處支承反力（N）； D1，D2—軸承直徑（m）； （2）工件重心偏置引起的偏置力矩： M偏=G1e G1—工件重量； e—偏心矩（m ）(即工件重心到腕部回轉(zhuǎn)中心線垂直距離)； 由于工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心重合，故M偏=0。 （3）克服啟動慣性所需的力矩： M慣=（J+J工件） J—手腕回轉(zhuǎn)對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（KG·M2）； J工件—工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（KG·M2）； ω—腕部回轉(zhuǎn)角速度（rad/s）； t—啟動過程所需的時間（s），此處假定啟動過程均為加速運動， 一般取0.05～0.3s。 查<<機械設(shè)計手冊第五卷>>表3—1有： J=M（a2+b2）/12=（a2+b2）/12 取G=15×9.8=147N ∴J=15×（0.22+0.22）/12KG·M2 =0.1 KG·M2 根據(jù)經(jīng)驗取J工件=0.5J=0.1 KG·M2 ∴M慣=（J+ J工件） =0.3×N·m=1.9 N·m M偏=0 取M摩=0.1 M驅(qū) 又M驅(qū)=kf（M摩+M偏+M慣） =1.2×（0.1 M驅(qū)+0+1.9） ∴M總=2.61 N·m 圖3 回轉(zhuǎn)缸筒圖 1-定片 2-缸體 3-動片 4-密封圈 5-轉(zhuǎn)軸 5手臂的設(shè)計 5.1手臂伸縮液壓缸的設(shè)計計算 5.1.1手臂作水平伸縮直線運動驅(qū)動力的計算 手臂做水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。 其驅(qū)動力F驅(qū)可按下式計算： F驅(qū)=F摩+F慣（N） 式中F摩—各支承處的摩擦阻力； F慣—啟動過程中的慣性力，其大小可按下式估算： F慣=a(N) 式中W—手臂伸縮部件的總重量（N）； g—重力加速度（g=9.8m/s2）； a—啟動過程中的平均加速度（m/s2）， 而 a=（m/s2） △ν—速度變化量。手臂從靜止狀態(tài)加速到工作速度V時，則這個過程的速度量就毛等于手臂的工作速度； △t—啟動過程中所用的時間，一般為0.01～0.5s。 5.1.2手臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算 手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力F摩和慣性力F慣之外，還要克 服臂部運動部件的重力，故其驅(qū)動力F驅(qū)可以按下式計算： F驅(qū)=F摩+F慣±W（N） 式中F摩—各支承處的摩擦力（N）； F慣—啟動時的慣性力（N）可按臂伸縮運動時的情況計算； W—臂部部件的總重量（N）； ±—上升時為正，下降時為負。 當F摩=100N，F(xiàn)慣=133N，W=1300N時 F慣=100+ ×+1300=1533(N) 5.1.3確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 液壓缸的內(nèi)徑的計算，當油進入無桿腔，活塞推力 F=F1η=Pη 當油進入有桿腔活塞推力 F=F2η=Pη 液壓缸有效面積 D=(無桿腔) 式中F—驅(qū)動力（N） P1—液壓缸的工作壓力（Pa） d—活塞桿的直徑（m） D—液壓缸的內(nèi)徑（m） η—液壓缸的機械效率，在工程機械中可用耐油橡膠 可取η=0.95 ∴D==0.059m 查<<液壓傳動與控制手冊>>表4-3，4-4圓整 取D=80mm,d=45mm 查<<液壓傳動與控制手冊>>表4-2和表4-3得 液壓缸工作壓力的選取一般取2～8MPa ∴液壓缸的工作壓力是1533N 液壓缸的內(nèi)徑80mm 5.1.4液壓缸壁厚計算 三種壁厚的公式選取中等壁厚： δ=+C 式中P1—液壓缸內(nèi)工作壓力（Pa） C—入管壁公差及侵蝕的附加厚度值 D—液壓缸內(nèi)徑（m） б—缸筒材料的許用應(yīng)力，應(yīng)按壁厚圓筒公式驗算壁厚 取[б]=100MPa； ∴δ==0.7×10-3m 查<<液壓傳動與控制手冊>>表4-4得液壓缸外徑為95mm 5.1.5活塞桿的計算 活塞桿的尺寸要滿足活塞運動的要求和強度的要求。對于桿長1大于直徑d的15倍（即1＞15d）的活塞桿必須具有足夠的穩(wěn)定性。 按強度條件計算決定活塞桿直徑d ∴d≥ P=100～120MPa ∴d≥=0.004m（d=45mm） 滿足強度要求 又已知手臂伸縮行程600mm，即1=600mm 1＜15d=675 ∴活塞桿的穩(wěn)定性校核無需進行 5.1.6液壓缸端蓋的聯(lián)接方式與強度計算 當液壓缸缸體的材料先用無縫鋼管時，它的端蓋連接方式多采用半環(huán)聯(lián)接，優(yōu)點是加工和裝卸方便，缺點是缸體開環(huán)槽削弱了強度。 5.1.6缸蓋螺釘計算 查《液壓傳動與控制手冊》表4-1 工件壓力為 P=2MPa ∴螺間距t1＜120mm 取t1=100mm 又 FQ0=FQ+FQS FQ== FQ0—螺栓所受的總接力 FQ—工作載荷 F—驅(qū)動力（N） FQS—加載后被連接件結(jié)合面之間的剩余緊力 FQS =K FQ K=1.5～1.8 Z—螺釘數(shù)目 P—工作壓力（Pa） D—危險剖面直徑 取Z=4 又Z= ∴D0===0.13m ∴D0=0.14m ∴FQ ==7693N ∴FQS=K FQ=1.6×7693=12308N FQ=7693+12308=20001N 螺釘?shù)膹姸葪l件 б合=≤[б] [б]= 抗拉許應(yīng)力（單位MPa） n=1.2～1.5 取n=2 бs取45鋼為360MPa ∴[б]==180MPa ∴d1==8.11cm 取d1=100cm 5.1.7缸體螺紋計算 d1≥ 取k1=1.3 D=80mm d1=100mm d1≥0.08m 聯(lián)接半環(huán)的計算 半環(huán)的剪切強度條件 t=≤[t] D1=D+2d=80+20=100mm [t]=0.75×180×106=135MPa l≥PD1/4[t]=2×106×0.1/4×135×106=0.37mm 取l=10mm 半環(huán)的擠壓強度條件 бc=≤[б]jy [б]jy—材料的許用擠壓應(yīng)力（Pa）； h—半環(huán)的徑向高度（m）； ∴滿足條件 5.2手臂俯仰運動的設(shè)計計算 5.2.1手臂俯仰時所需的驅(qū)動力矩 驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)的力矩M驅(qū)，應(yīng)該與手臂起動時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣及各密封裝置處的摩擦阻力矩M封相平衡。 M驅(qū)=M慣+M封 式中M封—密封裝置處的摩擦力矩（N·m） 需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量Q： Q=L/min Z-葉片數(shù)，Z=1 D—回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑，D=15cm D—輸出軸與動片連接處的直徑，d=6cm b—動片寬度，b=12cm ω—輸出軸的角速度，ω=0.187rad/s ∴Q==3.18L/min 驅(qū)動力矩M驅(qū)= = =567 N·m d1≥=8.11cm 5.2.2缸蓋聯(lián)接螺釘計算和動片聯(lián)接螺釘計算 螺釘?shù)拈g距取60mm Z===9.42 取Z=10 工作載荷：F== ==3532.5N 缸蓋聯(lián)接螺釘直徑d1： d1≥=0.57cm 取d1=8mm 5.2.3動片聯(lián)接螺釘?shù)挠嬎? FQ=(D2-d2) = =12600N 螺釘?shù)膹姸葪l件為б合=≤[б] 又FQj=1.3 FQ=1.3×12600=16380N [б]=1800kg/cm2 ∴d1≥==3.4cm 取d1=16mm 式中 FQ—每個螺釘?shù)念A(yù)緊力（N） b—動片的寬度（m） p— 回轉(zhuǎn)液壓缸的工件壓力（Pa） d—動片與輸出軸配合處的直徑 D—動片外徑（m） z—螺釘數(shù)目 d1—螺釘?shù)牡讖剑╩） [б]—螺釘材料的許用應(yīng)力（Pa） 6.機身設(shè)計 機身是直接支承和驅(qū)動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構(gòu)成機身的驅(qū)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜。機身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿著地面或空軌道運動。 機身具有獨立的自由度。 采用一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的機身結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而背廣泛采用。 6.1機身結(jié)構(gòu)的計算 機座回轉(zhuǎn)時，驅(qū)動力矩用來克服機身摩擦力矩、機身重心偏移力矩和慣性力矩。 機座回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動力矩大小可以按下式計算： M驅(qū)= kf（M摩+ M偏+ M慣） kf—考慮驅(qū)動缸密封摩擦損失的系數(shù)，通常kf取1.1～1.2 M偏—機身重心偏置引起的偏置力矩（N·m）； M摩—機座轉(zhuǎn)動支撐處的摩擦阻力矩（N·m）； M慣—克服啟動慣性所需的力矩（N·m）； 機座轉(zhuǎn)動支撐處的摩擦阻力矩： M摩=(N1D1+N1D2) f—軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承f=0.02，滑動軸承f=0.1； N1, N1—軸承處支承反力（N）； D1，D2—軸承直徑（m）； 機身重心偏執(zhí)引起的偏置力矩： M偏= G1e G1—機身重量 e—偏心距（m）（即機身重心到機身回轉(zhuǎn)中心線垂直距離）； 由于機身重心與機身回轉(zhuǎn)中心重合，故M偏=0。 克服啟動慣性所需的力矩： M慣=（J+ J工作） J—機座回轉(zhuǎn)部分對機身回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)慣量（kg·m2）； J工作—機身對機身回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）； ω—機座回轉(zhuǎn)角速度（rad/s） t—啟動過程所需的時間（s），此處假定啟動過程為勻加速度運動，一般取0.05～0.3s。 查<<簡明機械工程手冊>>表3-1有： J=m(a2+b2)/12=(a2+b2)/12 取G=2500N ∴J=2500/9.8×（1.62+0.62）/12 kg·m2 =62 kg·m2 根據(jù)經(jīng)驗取J工作=0.5J=31 kg·m ∴M慣=（J+ J工作） =93×N·m=586 N·m M偏=0 取M摩=0.1 M驅(qū) 又M驅(qū)= kf（M摩+ M偏+ M慣） =1.2 ×（0.1M驅(qū)+0+586） ∴M總=800 N·m 6.2機身設(shè)計時應(yīng)注意的事項 應(yīng)使機身具有足夠的風度和穩(wěn)定性； 應(yīng)使機身運動的位置精度高，動作靈活； 應(yīng)使機身結(jié)構(gòu)布置合理，結(jié)構(gòu)緊湊，便于維修； 要求缸體剛度和強度要大。 7機械手液壓系統(tǒng)的工作原理 7.1液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動系統(tǒng)由以下幾個主要部分組成：油泵、液壓機、控制調(diào)節(jié)裝置、（如單向閥、洋流閥、換向閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等）輔助裝置。 7.2液壓傳動系統(tǒng)機械手的特點 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的特點，由于液壓技術(shù)是一個比較成熟的技術(shù)，它具有動力大（或力矩）慣性比大，快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點，適用于承載能力大、慣性大以及在防爆環(huán)境中工作的機械手。 機械手采用液壓傳動比采用氣壓傳動有如下優(yōu)點： 1)能得到較大的輸出力和力矩 2)液壓傳動滯后現(xiàn)象下，反應(yīng)較靈活，傳動平穩(wěn) 3)輸出力和運動速度控制較容易 4)可達到較高的定位精度 5)但液壓傳動也有缺點： 6)系統(tǒng)的泄漏難以避免，影響工作效率和系統(tǒng)的工作性能 7)油液的粘度對溫度的變化很敏感，當溫度升高時，油的粘度即顯著降低，油液粘度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量。 7.3油缸泄漏問題與密封裝置 機械手由于油缸泄漏嚴重，壓力不能提高，工作性能不穩(wěn)定，以致影響機械手的正常使用。因此，為了保證機械手液壓系統(tǒng)的工作性能，在各油缸的相對運動表面和固定連接斷面的進行密封。以防止壓力油從高壓腔泄漏到低壓油或泄漏到缸體外面。 目前，機械手液壓系統(tǒng)使用的密封大多采用耐油橡膠制成的各種形式密封圈，作為動密封和靜密封，以保證兩結(jié)合面的密封性。 密封圈在配合面間的密封作用，主要是借安裝時的預(yù)壓和工作時由油液壓力的作用，使密封圈變形并壓緊密封表面達到目的。 7.3.1活塞式油缸的泄漏與密封 對于實現(xiàn)往復(fù)運動的活塞缸來說，其泄漏主要是活塞與缸臂處的內(nèi)泄漏及復(fù)活塞桿與缸蓋處的泄漏。引起泄漏的原因是加工和滑動面光潔度不高，以及控制裝置不良所致。 對于活塞油缸的靜密封，主要采用O型密封圈，它既可以用外徑或內(nèi)徑密封，也可以用端面密封。 O型密封圈裝在溝槽中，因愛油壓作用而變形，并張緊溝槽和間隙，從而起到密封的作用，因此它的密封性能隨壓力的增加而提高。但是，當壓力過高或溝槽尺寸選擇不當時，密封圈很容易被擠出溝槽而造成劇烈磨損。這克服這個缺點，當油缸油液的壓力大于100kg/cm2時，要在O型密封圈側(cè)放置擋圈，在壓力低于100 kg/cm2時，一般不加擋圈。在手臂伸縮油缸和手臂俯仰油缸中都用了Y型密封圈，Y型密封圈在工作時壓力油液把Y型密封圈的唇邊緊緊壓在相對運動的兩配合面上，并隨著油液壓力的增高而提高密封性能，并能補償磨損的影響，所以裝配時唇邊要對壓力油腔。在一般情況下，Y型密封圈可直接裝入溝槽內(nèi)即可引起密封作用，但在壓力變動較大，滑動速度較高的地方，要使用支承環(huán)以固定密封圈。 7.3.2回轉(zhuǎn)油缸的泄漏與密封 手臂回轉(zhuǎn)油缸中，由于動片與缸體，動片與輸出軸，動片端面和缸蓋之間的間隙不易保證，易引起較大的泄露，使湍流的壓力降低，減少了輸出扭矩，達不到設(shè)計要求，主要的是采用密封裝置進行密封。 經(jīng)反復(fù)考慮，選擇矩形橡膠密封圈組成回轉(zhuǎn)油罐的密封結(jié)構(gòu)，其中擋圈的作用是防止高壓油將橡膠密封圈擠入配合間隙，以保證密封性并延長密封圈的使用壽命。 7.4液壓系統(tǒng)傳動方案的確定 7.4.1各液壓缸的換向回路 為方便機械手的自動化控制，如采用可編程器或微機進行控制，從工況圖中可知系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此一般選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化程度和經(jīng)濟效益。 液壓機械手一般采用單泵或雙泵供油，手臂伸縮、手臂俯仰和手臂回轉(zhuǎn)等機構(gòu)采用并聯(lián)供油，這樣可以有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不干擾，實現(xiàn)同步或非同步運動，換向閥需采用中位“O”型換向閥。 7.4.2調(diào)整方案 整個液壓系統(tǒng)只用單泵或雙泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用液壓泵的全流量工作是無法滿足設(shè)計要求的。盡管有的液壓缸是單一工作，但也需要進行節(jié)流調(diào)整，用以保證液壓缸運行的平穩(wěn)性。各缸可選擇進油路或回油路節(jié)流調(diào)整，因為系統(tǒng)為中低系統(tǒng)，一般適宜選用節(jié)流閥高速。 機械手的手臂伸縮和手臂俯仰或升降缸采用兩個單身節(jié)流閥來實現(xiàn)。若只用一節(jié)流速高速時，則進行油達到最大允許高速來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。當無桿腔進油時，其速度就少于最大允許速度，但仍然符合設(shè)計需要。 在一般情況下，機械手的各個部位是分別動作，手腕回轉(zhuǎn)和手臂回轉(zhuǎn)缸（或升降）所需的流量較為接近，手腕回轉(zhuǎn)缸和手臂回轉(zhuǎn)缸及夾緊缸所需流量較為接近，且它們兩組缸所需的流量相關(guān)較大，這樣不但可以選擇單泵供油系統(tǒng)，也可以選擇雙泵系統(tǒng)。 單泵供油系統(tǒng)要以所愿液壓缸中需流量大的來選擇泵的流量。優(yōu)點是系統(tǒng)較為簡單，所需的元件較少，經(jīng)濟性好。缺點是當所需流量較少的液壓缸動作時，系統(tǒng)的溢流損失較大，能源利用率較低。對于系統(tǒng)功率較小的場合是可取的。本設(shè)計選用雙泵供油。 7.4.3減速緩沖回路 通用工業(yè)機械手要求可變行程，它是由微機控制，可在行程中任意點定位，故應(yīng)在液壓系統(tǒng)中采用緩沖裝置，形成緩沖回路。 7.4.4系統(tǒng)安全可靠性 手臂俯仰缸（或手臂升降缸）在系統(tǒng)失壓情況下會自由下落或超速下行，所以應(yīng)在回路中增加平衡回路，方法可用單向順序閥做平衡閥，手臂伸縮缸有俯仰狀態(tài)時，變應(yīng)同樣考慮。為防止夾緊缸壓力系統(tǒng)壓力波動的影響過高，導致夾緊力過大損壞工作，或過低無法夾緊工作，造成意外的安全事故，需在沿路上增加減壓閥保證夾緊缸的壓力恒定不變。 機械手的動作分析 表1 工業(yè)機械手所用液壓元件一覽 序號 元件名稱 型號 數(shù)量 1 濾油器 XU-1337-50 1 2 濾油器 XU-13327-75 1 3 小流量泵 YB-32 1 4 大流量泵 YB-80 1 5 溢流閥 Y-32J 1 6 溢流閥 Y-80J 1 7 單向閥 I-50 3 8 壓力表開關(guān) K-3B 1 9 壓力表 Y-60 1 10 電磁換向閥 22D-50B 2 11 減壓閥 J-10 1 12 電磁換向閥 23D-20B 1 13 電液換向閥 23DY-63B 1 14 單向溢流閥 QI-63B 2 15 電液換向閥 34DY-63B 2 16 單向溢流閥 QI-63B 2 17 電磁換向閥 24D-25B 1 18 單向溢流閥 QI-130B 4 19 單向順序閥 XI-160B 1 20 電磁換向閥 23D-100B 1 對機械手的各個動作分析如下： （1）手指夾緊與松開 夾緊：電磁鐵13DT通電，換個閥的右位接入系統(tǒng)，手指在液壓缸的作用下夾緊。 松開：電磁鐵14DT斷電，換向閥的左位接入系統(tǒng)，手指在液壓缸的作用下松開。 （2）手臂上下擺動 電磁鐵11DT通電時，換向閥左位接入系統(tǒng)，手臂在液壓缸的驅(qū)動下可快速向上擺動，電磁鐵10DT、11DT通電可完成上擺動緩沖，電磁鐵11DT、12DT通斷電可控制手臂的上下擺動方向。電磁鐵11DT斷電，12DT通電。手臂可實現(xiàn)快速向下擺動。 （3）手腕回轉(zhuǎn)擺動 電磁鐵2DT通電，換向閥的左位工作 ，手腕在回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動下快速回轉(zhuǎn)，電磁鐵2DT、3DT的通、斷電可控制手腕的回轉(zhuǎn)方向。 若2DT斷電，3DT通電手腕逆時鐘快速轉(zhuǎn)動。 （4）手臂回轉(zhuǎn) 電磁鐵鐵8DT通電時換向閥的左位工作，手臂在擺缸的驅(qū)動下可快速回轉(zhuǎn)，電磁鐵8DT、9DT的通、斷電可控制手腕的擺動方向。 若8DT斷電，9DT通電，換向閥的右位接入系統(tǒng)，手臂逆時鐘快速擺動。 (5) 手腕擺動 電磁鐵5DT通電是，換向閥左位接入系統(tǒng)，手腕在液壓缸的驅(qū)動下可以快速擺動，電磁鐵5DT、6DT的通、斷電可以控制手腕擺動的方向。 若電磁鐵5DT斷電，6DT通電，手逆時鐘方向快速擺動。 參考文獻 [1]李允文.工業(yè)機械手設(shè)計[M].北京.機械工業(yè)出版社，1994. 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