通用液压机械手设计-液压

（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AbstractManipulator 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 manipulators 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 wordsHydraulic 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71 臂力的确定72 工作范围的确定73 运动速度的确定84 手臂的配置形式85 位置检测装置的选择85 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131 夹紧缸主要尺寸的计算132 缸体结构及验算133 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161 摩擦阻力矩192 工件重心引起的偏置力矩193 腕部启动时的惯性阻力矩204 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251 手臂水平伸缩运动驱动力矩的计算262 手臂垂直升降运动驱动力矩的计算283 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1.53，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100mm3. 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： 给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间； 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。 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/s4. 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=。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/cos F=式中 a手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）。 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，角增大则握力也随之增加，但角过大会导致拉杆（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=3040。这里取角=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0.030.5s，移动加速度为，工件重量G为294N，V型钳口的夹角为120，=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1.22.0; 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 =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=22mm2. 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 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。 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。 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： 结构紧凑，重量尽量轻。 转动灵活，密封性要好。 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 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=0.010.02，滑动轴承取f=0.1； N1 、N2 轴承支承反力 （N）； D1 、D2 轴承直径（m）由设计知D1=0.035m D2=0.075m N1=800N N2=200N G1=294N e=0.020时 得 M摩 =2.15（N.m）2. 工件重心引起的偏置力矩 式中 G1工件重量（N） e偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，为零 当e=0.020，G1=294N时 =5.88 （Nm） 3. 腕部启动时的惯性阻力矩M惯 当知道手腕回转角速度时，可用下式计算 式中 手腕回转角速度 （1/s） t手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运动）一般取0.050.3s J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kgm） 工件对手腕回转轴线的转动惯量 （kgm） 按已知计算: 故 = 0.29（Nm） 考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些，可取：因此，得4. 回转液压缸所产生的驱动力矩计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大干总的阻力矩。下图为机械手的手腕回转液压缸，定片1与缸体2固定连接，动片3与转轴5固定连接，当a、b口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到手腕回转目的。回转缸简图1-定片 2-缸体 3-动片 4-密封圈 5-转轴式中：手腕回转时的总的阻力矩 p回转液压缸的工作压力 R缸体内孔半径 r输出轴半径 b动片宽度三、 臂部的结构(一) 概述 臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求： 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 导向性要好 为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。 运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。(二) 手臂直线运动机构 机械手手臂的伸缩、升降均属于直线运动，而实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。 4.2.1手臂伸缩运动 这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。由于活塞油缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多。如下图所示为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端，当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆2（即手臂）作往复直线运动。导向杆3在导向套4内移动，以防止手臂伸缩时的转动（并兼做手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道）。由于手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。可用于抓重大、行程较长的场合。 图5 双导向杆手臂的伸缩结构 4.2.2 导向装置 液压驱动的机械手手臂在进行伸缩（或升降）运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向装置。它根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆和其他的导向装置，本机械手采用的是双导向杆导向机构。 双导向杆配置在手臂伸缩油缸两侧，并兼做手部和手腕油路的管道。对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。 如图5所示，对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如下图所示，在导向杆1的尾端用支承架4将两个导向杆连接起来，支承架的两侧安装两个滚动轴承2，当导向杆随同伸缩缸的活塞杆一起移动时，支承架上的滚动轴承就在支承板3的支承面上滚动。 双导向杆手臂结构 4.2.3 手臂的升降运动 如图6所示为手臂的升降运动机构。当升降缸上下两腔通压力油时，活塞杠4做上下运动，活塞缸体2固定在旋转轴上。由活塞杆带动套筒3做升降运动。其导向作用靠立柱的平键9实现。图中6为位置检测装置。 图6 手臂升降和回转机构图(三) 手臂回转运动 实现手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。本机械手采用齿条缸式臂回转机构，如图6所示，回转运动由齿条活塞杆8驱动齿轮，带动配油轴和缸体一起转动，再通过缸体上的平键9带动外套一起转动实现手臂的回转。(四) 手臂的设计计算 为便于进行液压机械手的设计计算，我们分别叙述伸缩液压缸、升降液压缸、回转液压缸的设计计算，解决臂部运动驱动力的计算问题，结合前面有关臂部和机身的结构设计，最终定出臂部和机身的结构。计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，要把臂部所受的全部负荷考虑进去。机械手工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等。1. 手臂水平伸缩缸的设计计算(1) 作水平伸缩在线运动液压缸的驱动力手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力及加油背压等几方面的阻力。其理论驱动力可按下式计算： 估计参与手臂伸缩运动部件总重量,且重心位置距导向套前端面距离为200mm。 的计算：由于导向杆对称分布，导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。由 知，又 则 其中： L重心距导向套前端距离,184.5mm a 导向套长度，300mm 当量摩擦系数，取=0.15 的计算：当液压缸的工作压力小于 ，活塞杆直径为液压缸直径的一半，则活塞和活塞杆都采用O型密封圈，此时液压缸的密封阻力为： 计算： 一般背压阻力较小，取0.05 的计算：式中：v由静止加速到常速的变化量t起动过程时间，一般取0.010.5s，取t=0.02s则：得：=305.5N 实际驱动力式中： k安全系数，k=2；传力机构机械效率，=0.8.(2) 确定液压缸的结构尺寸液压缸内径的结构尺寸，如图，当进入无杆腔 当油进入有杆腔液压缸的有效面积：因此，取D=63mm式中：F驱动力 液压缸的工作压力 d活塞杆直径 D液压缸内径 液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取0.95 。(3) 液压缸臂厚计算此缸工作压力为，属低压，则缸筒臂厚采用薄壁计算公式式中：液压缸内工作压力 d强度系数，无缝钢管=1 C计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准臂厚值 D液压缸内径(4) 联接螺钉强度计算取螺钉数目Z=4，工作载荷：预紧力则，查手册取螺纹直径，p=0.75,材料为35号钢的内六角螺钉。2. 升降缸的设计计算 臂垂直升降运动驱动力的计算 手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力和惯性力之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力可按下式计算： 其中： 各支承处的摩擦力（N），f=0.16； 同上， 同上， G臂部运动部件及工件的总重量（N），490N； 上升时为正，下降时为负。则：得出，F=727N 结构尺寸的确定缸内径计算：，取D=160mm根据强度要求，计算活塞杆直径d: ，结构上，活塞杆内部装有花键及花键套，能实现导向作用，同时可使活塞杆在升降运动中传动平稳，且获得较大刚度。 臂厚同伸缩缸一样，取 联接螺钉强度计算：取螺钉数目Z=4，工作载荷则, ，查手册取，螺距P=0.75，材料为35号钢的内六角螺钉。3. 手臂回转液压缸的设计计算 臂部回转运动驱动力矩的计算臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。若轴承处的摩擦力忽略不计，则，在设计计算时，为简化计算可不计。直接计入回转缸效率中，则 ，取0.9 式中： 角速度变化量（rad/s） 启动过程时间，0.050.5s,取 手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量。经分析知，当手臂完全伸出时，此时达到最大值，估算此时回转零件的重心到转轴线的距离为=150mm,则 回转缸参数的计算式中： D回转缸内径 d转轴直径 p回转缸工作压力 b动片宽度为减少动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度（即液压缸宽度）时，可选用 ,这里取，且D=2d 对于活塞、导向套筒和油