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全日制普通本科生毕业设计 由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD图纸等，联系153893706液压控制的翻转机械手的设计THE DESIGN OF All-PURPOSE TURN-OVER MANIPULATOR BASED ON HYDRAULIC CONTROL学生姓名：学 号： 年级专业及班级： 2008级机制(1)班指导老师及职称： 提交日期：2010 年 5 月全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名： 2012年 月 日目 录1 绪论11.1 前言11.2 工业机械手在生产中的应用31.3 机械手的组成41.3.1执行机构41.3.2驱动机构51.3.3控制系统分类52 总体布局设计方案52.1 机械手的确定52.2驱动机构的选择62.3 机械手的技术参数列表73 机械手手部的设计计算73.1 手部设计时应注意的问题73.2 典型的手部结构73.3 机械手手部结构及驱动的设计计算83.3.1选择手部的类型及夹紧装置83.3.2手指夹紧力及液压缸驱动力的计算液压缸的选用83.4 机械手手指部的设计计算103.4.1齿轮齿条传动机构的设计计算103.4.2手指指部的设计计算143.4.3手指指部齿轮安装销的设计计算144 机械手腕部的设计计算144.1 机械手腕部结构及运动分析144.2 机械手腕部驱动装置的设计计算及选用145 机械手臂部的设计及有关计算165.1 臂部设计时应注意的问题165.2 手臂的典型结构以及结构的选择165.3 手臂Z方向升降运动的受力分析及其计算175.4手臂Z方向升降运动液压缸结构尺寸的设计计算及选用196 机身的设计206.1 机身的概述206.2 机身设计时应注意的问题217 液压元件及动力机的设计选择217.1 液压泵的选择227.2动力机选择227.3 油管的设计227.4 油箱的设计227.5 液压元件的选择227.6 液压油的选用248 液压系统的验算258.1 压力损失的验算258.1.1回路压力损失的验算258.1.2局部压力损失验算268.2 计算液压系统的发热温升269 液压系统工作过程简述27结束语28参考文献 28致谢 29附件 30液压控制的翻转机械手的设计学 生： 指导老师：摘要：当今世界许多发达国家高度重视机器人技术的研究，各种用途的机器人越来越多的用于科学研究、现代化工业生产和工业作业当中。机械手是机器人的操作机，是机器人完成各种任务的执行机构。本文主要针对生产线上的自动化设计了一个两自由度的专用翻转机械手，以实现工厂的自动化，减轻了工人劳动强度，提高了劳动生产率。该机械手采用液压驱动，实现了夹紧、垂直移动和展开等动作。为了实现这些动作，采用了部件设计以分别实现动作要求。关键词：液压驱动；翻转；机械手 The Design Of Turning Manipulator Based On Hydrautic Control Student:Yu Jie Tutor:Zhou Guangyong(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: In todays world, many developed countries have been attaching great importance to the study of robotics, meanwhile, more and more robots of various uses have been used in scientific study, modernized industrial production and industrial operations. Robot manipulator is the operator who directs the robot in completing various tasks. This paper, according to the automation of production lines, it aim to develop the design of a dedicated flip with two degrees of freedom manipulator to achieve the goals of factory automation, reducing the labor intensity of workers and improved labor productivity. The use of hydraulic-driven robot has done successfully in clamping, such as vertical movement and action to start. In order to achieve these movements, the author adapts the design of the components to achieve the action requested.Key words: hydraulic drive; flip; Manipulator1 绪论1.1 前言在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。20世纪50年代以后机械手逐步推广到工业生产部门用于在高温污染严重的地方取放工件和装卸材料也作为机床的辅助装置在自动机床自动生产线和加工中心中应用完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和作对象而不同常见的有夹持托持和吸附等类型。运动机构一般由液压气动电气装置驱动。机械手可独立地实现伸缩旋转和升降等运动一般有23个自由度。机械手广泛用于机械制造冶金轻工和原子能等部门。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运对象或作工具的自动作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。针对这一问题，本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于移置轴类零件。首先，本文将设计机器人的伸缩臂、机身、横移液压缸和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文还将设计该机器人的液压控制系统。机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国高科技跟踪国际发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技发展和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，机器人的定义，世界各位尚未统一，分类也不近相同。最近联合国组织标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序来完成各种工作，主要应用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，综合我国的习惯用语，对工业机器人做如下定义：工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主题，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高。它可以根据外补来的信号自动进行操作。工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展阶段可分为三代：第一代机器人就是现在工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存储信息，工作是读取这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、嗅觉、视觉等进行反馈能力。其控制方式较第一代要复杂的多，这种机器人从1980年开始进入实验阶段，不久将普及应用。第三代机器人即智能机器人。这种机器人除了嗅觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身或周围的环境，识别状态的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务，并且能跟踪工作对象的变化具有使用工作环境的功能。这种机器人还处于试验阶段，尚未大量投入实用。基于液压控制的移置机械手的设计有以下几个主要内容： 1)设计计算各非标准零部件及选用标准件 2)测绘各零部件图 3)设计并绘制液压系统控制图 4)编写机械手的设计计算说明书1.2 工业机械手在生产中的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬运、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1.3 机械手的组成要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机械手的性能。一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如下图1：图1 机械手的组成Figure 1: The picture of Manipulators composition1.3.1 执行机构（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。1.3.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.3.3 控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。2 总体布局设计方案2.1 机械手座标形式的确定常用工业机械手按驱动方式分:直角座标式、圆柱座标式、球座标式、多关节式几种类型，如图2.1所示。其中直角座标式手臂可沿X、Y、Z座标轴作直线移动，即伸缩、升降和横移。其特点是直观性好，所占空间位置大。根据设计任务所需，特选定为直角座标式。图2 机械手座标型式Figure 2: The picture of Manipulators Coordinates type该机械手具有3个自由度，即：手指张合；手腕回转；手臂升降3个主要运动。该机械手各运动可由3个液压缸实现。（1)手部 采用一个直线液压缸，预计通过齿轮齿条机构实现手指的张合。（2腕部 采用一个摆动液压缸来实现手部及工件的回转。（3)臂部 采用直线液压缸来实现手臂的升降。 根据以上参数，图2.2 是机械手整体结构示意图。图3机械手整体结构示意图Figure 3:The picture of the Manipulators whole design2.2 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据驱动方式的不同, 工业机械手大致可分为液压式、气动式、电动式和机械式驱动。采用液压机构驱动机械手,操作力大，体积小，动作平稳等优点。因此，此机械手的驱动方式选择液压驱动。此处已删除 （4）液压油液流经阀或管路的功率损失： 总的功率损失：由公式（8.3）计算，油液温升为：式中油箱的散热面积 油管的散热面积 、散热系数经计算，温升没有超过所选型号液压油的允许使用范围，因此本设计液压系统中不需要冷却器。9 液压系统工作过程简述 机械手在工作时，液压泵起动后，首先DY1得电机械手手臂下降至限定位置后，触动行程开关10ST，DY1失电，DY5得电，机械手手闭合后，实现夹紧并憋缸升压，压力继电器感知后，DY5失电，DY2得电，机械手手臂回升并触动行程开关9ST后，DY2失电，DY3得电，机械手手腕实现回转后触动行程开关12ST，使DY3失电，DY1得电，机械手手臂下降至限定位置后触动行程开关10ST，DY1失电，DY6得电，机械手手指张开，放下工作，并憋缸后由压力继电器感知后，使DY2得电，机械手手臂回升，至此一个工作周期结束。在机械手工作过程中，实际工作参数可调节可调单向调速阀来进行适当调整，如遇超压情况，可由主油路上溢流阀进行泄荷，从而对液压泵起到及时的过载保护作用。10 结束语毕业设计是机械设计制造专业教学学习过程中一个非常重要的实践环节。它要求我们综合所学知识严格按照设计流程设计出符合设计要求的机械成品来构思出自己的设计理念，并将详细设计过程用文字及图纸表现出来。本次毕业设计，使我了解了机械手的很多相关知识。使我也了解了当前国内外在此方面的一些先进设计生产和制造技术，了解了机械手设计的一般过程，通过对机械手结构作了系统的设计，掌握了一定的机械设计方面的基础知识。为以后走出校门，迈上工作岗位，开始我的设计生涯打下了一定的专业基础。本次毕业设计只是对翻转机械手的结构和驱动做了系统的计算设计，设计中涉及到对机械手的电液控制问题，因设计经验不足，此处的构思设计尚有不足，需在以后的工作中不断学习强化提高。本次设计的是箱类零件翻转机械手，此类通用机械手，动作固定，结构简单，同时成本低廉，专用性比较高，可实现车间内的一些搬运工作，能大大降低人员的劳动强度，降低生产成本。本设计采用液压驱动，液压输出力及输出力矩大，且可用电液伺服机构，实现连续控制，使机械手用途更广更便捷，定位精度一般比较高。该机械手选择配置二指式夹持手指，抓取一般箱类零件。必要时可以更换手抓，抓取其它形状零件。由于设计经验及知识水平的局限，设计中难免有不足之处，还望往后自我提高。参考文献1杨曙东.何存兴.液压传动与气压传动M.第三版，华中科技大学出版社，2008.4.2濮良贵，纪名刚.机械设计M，高等教育出版社，2008.4.第8版.3王守城.段俊勇.液压元件及选用M.化学工业出版社。2007.4.4机械设计手册M，机械工业出版社，2002.08.5机械零件设计手册M，机械工业出版社，2005.04.6吴宗泽.罗圣国.机械设计课程设计手册M，高等教育出版社，2007.11第3版.7机械原理.第七版，高等教育出版社，2006.05.8赵经文.理论力学M，高等教育出版社，2005.11.9刘鸿文.材料力学M，高等教育出版社，2004年1月第4版.10李允文.工业机械手设计，机械工业出版社，1996.04.11章跃.机械制造专业英语，机械工业出版社.2008.1.12张波，李卫民，尚锐.多功能上下料用机械手液压系统，液压与气动J，2002年第8期.13徐学林，周光永.互换性与测量技术基础M，湖南大学出版社，2007.03.14周伯英.工业机器人设计M，北京机械工业出版社，1995.15钱济国.机械手的结构尺寸与夹持误差计算，现代制造工程M，2006年第1期.16雷勇涛，李大明.机械手运动稳定性M，茂名学院学报J，2006年2月第1期.17刘安平; 高文进; 邓志翔; 李东风; 胡武苏; 王珍明 特大型水轮机调速器主配压阀集 成式机械液压控制装置 武汉国测三联水电设备有限公司 【中国专利】武汉国测三联水电设备有限公司 2010-08-04 18 张英婵 一种蓄能器进回油的液压控制系统 太原重工股份有限公司 【中国专利】太原重工股份有限公司 2010-10-13 19TA弗雷里奇斯; BW惠特马什 具有蓄能器旁通阀组件的变速器液压控制系统 通用汽车环球科技运作有限责任公司 【中国专利】通用汽车环球科技运作有限责任公司 2011-07-13 20刘勋; 王勤; 柏峰; 李宇林; 李轲; 朱君; 张继龙; 刘建中; 李华来; 王渝; 刘成康; 沈大乔; 李新有; 张翼; 胡俊 大型热连轧液压伺服控制系统成套技术研究 【科技成果】中冶赛迪工程技术股份有限公司 2008-02-1921Budeanu C I. Puissances et fictives .Bucharest,Roman is: Inst. Romain de 1Engergie,192722Bis warupDas.Suitable configuration of ASVC for power transmission application.Electric Power Systems Research.1999,49致 谢 在本论文完成之际,我要特别感谢我的指导老师周光永教授至始至终的热情关怀和悉心指导.在我撰写论文的过程中,周老师倾注了大量的心血和汗水,无论在论文的选题、构思和材料的选择收件方面,还是在论文的研究方法以及成文定稿方面,我得到了周老师的悉心细致的教诲无私的帮助,特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益,在此表示诚挚的感谢和深深的谢意.附件:附件1：机械手总装配图1张附件2：液压系统原理图1张附件3：零件图5张
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