通用液壓機械手設計 -圓柱坐標型【含10張CAD圖紙+PDF圖】

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Kaltsoukalas, S. Makris, G. Chryssolouris佩特雷大學實驗室制造系統(tǒng)和自動化,希臘論文信息文章歷史：關鍵詞：2013年10月17日收到初稿路徑規(guī)劃2014年9月19日收到修改稿工業(yè)機器人運動2014年10月8日通過審核網(wǎng)格搜索2014年10月29日網(wǎng)上資源共享摘要在這個研究中，提出了一個智能搜索算法定義所需的位置和工業(yè)機器人機械手的定位效應路徑的想法。這個算法通過選擇和評估機器人的配置逐步達到所需的配置。構造網(wǎng)格的機器人替代配置使用一組參數(shù),減少了搜索空間并減少計算時間。對于可選擇性的評價，使用多個標準，用以滿足不同的要求。替代的配置重點是給機器人的關節(jié)，主要影響末端執(zhí)行器的位置。網(wǎng)格的分辨率和尺寸參數(shù)的設置在期望輸出的基礎上，高分辨率通過對目標位置只提供一些中間點用于平滑的路徑和一個粗略的估計。規(guī)劃的路徑是一系列的機器人配置。這種方法為一個沒有經(jīng)驗的程序員自動生成機器人路徑提供了方便，這能達到預期的標準而不必記錄中間點到目標位置。 2014Elsevier有限公司保留所有權利 介紹近年來，由于能適應不同的市場需求和產(chǎn)品結構的變化，對柔性制造系統(tǒng)的需求日益增加。動態(tài)生產(chǎn)環(huán)境要求越來越多的裝配制造資源重新配置。自動裝配系統(tǒng)，如機器人。它們的靈活性通常被制約因為高的編程工作要求機器人軌跡調整去適應不同的裝配單元布局。經(jīng)驗豐富的機器人程序員不得不花大量時間采用常規(guī)的編程方法優(yōu)化每一個具體的應用機器人的路徑。一種廣泛應用的方法是演示編程，通過順序移動機器人的每個位置并記錄中間點的位置來示教。通過機器人控制器的連接記錄點產(chǎn)生機器人的最后路徑，路徑考慮到機器人的動力學約束并通過所有的約束點。機器人的最終軌跡高度依賴記錄點和程序員各自的編程經(jīng)驗。機器人自動路徑規(guī)劃提出了一個問題，在過去的幾十年里如何實現(xiàn)移動機器人從初始到最終的位置進行的研究，主要集中在路徑規(guī)劃避障。一種運動規(guī)劃技術是通過采樣配置空間來構建近似的模型。在過去的幾年里，已經(jīng)有很多為基于采樣的運動規(guī)劃算法進行改善的工作在進行了。在不同的類別中分類所有的規(guī)劃者很難定義一個單一的標準。經(jīng)典的分離是基于路線圖規(guī)劃者和邏輯樹規(guī)劃者之間。概率路線圖路徑規(guī)劃中引入一個計算機器人無碰撞路徑的新方法。這個方法分兩個階段進行：學習和查詢。在學習階段，一個概率圖是通過生成機器人的隨機免費配置和使用一個簡單的運動規(guī)劃連接它們建設，也被稱為當?shù)氐囊?guī)劃師。不同的方法已被用來解決各種各樣的問題，為了可變形物體的運動規(guī)劃而提出了構建和查詢路線圖兩種不同的方法。還提出了另一個變形的技術可以應用到生成的路徑中。介紹了障礙物的概率圖法，在生成節(jié)點的幾種策略進行了闡述并且提出了復雜三維工作區(qū)多級連接策略。通過擴展規(guī)劃無碰撞運動觸點配置的空間概率圖范例 ，隨機規(guī)劃被描述為在任意兩個多面體固體之間的CF兼容的運動規(guī)劃。這種方法的關鍵是隨機產(chǎn)生CF兼容的配置的新的采樣策略 。引入了快速擴展隨機樹的概念，基本的想法是，初始樣品（起始組態(tài)）是樹的根和新產(chǎn)生的樣本，然后連接到樹中已經(jīng)存在的樣品。兩個快速擴展隨機樹（RRTS）扎根在開始和在目標配置中。樹的每一個探索周圍的空間，也提出了對彼此通過一個簡單的貪婪算法的使用。雖然它最初被計劃設計為人手臂的運動動作（建模為一個自由度的運動鏈），在無碰撞把握和操作任務的自動圖形動畫中，該算法已被應用于各種路徑規(guī)劃問題。邏輯樹規(guī)劃者們已證明是處理實時規(guī)劃和重新規(guī)劃問題的一個很好的框架。為了修復快速擴展隨機樹進行更改時配置空間，一個重新規(guī)劃算法被提了出來。不是放棄當前RRT，該算法有效地只消除了新無效部分并保持休息。在工業(yè)環(huán)境中移動機器人的動態(tài)避障已經(jīng)開始研究調查。然而，工業(yè)機器人通常被編程以執(zhí)行預定義的路徑。機器人編程的方法主要有兩大類：在線編程和離線編程。為了用戶的互動轉化為簡單任務提出了一個在線路徑規(guī)劃支持系統(tǒng)產(chǎn)生可接受的軌跡，適用于工業(yè)機器人的編程的問題。建議得出了一種新的方法，即機器人編程使用增強現(xiàn)實環(huán)境。為現(xiàn)場的機器人編程方法所需提供靈活性和適應性以應對不同環(huán)境。路徑規(guī)劃方法包括生成路徑的束搜索算法。有相似的研究表明，用戶能夠執(zhí)行的操作，即通過點的選擇和修改，為了實現(xiàn)一個光滑的無碰撞路徑。一個機器人運動規(guī)劃的方法，是根據(jù)預先計算的全局配置空間（C-）的連通性提出的。運動規(guī)劃，包括離線階段和在線階段和無碰撞的路徑將通過一個多分辨率策略下使用A*算法在C-空間中搜索。在這個研究中，提出了一種智能搜索算法去定義工業(yè)機器人機械手端部執(zhí)行器所需的位置和方向的路徑。可供選擇的配置的最大數(shù)量被一步步選擇和評價，直到所需的配置是接近預定的誤差范圍內為止。替代的配置是一個聰明的方式產(chǎn)生，重視主要影響機器人的空間位置的關節(jié)角度。在配置空間上，有一個人工推導機器人的替代組態(tài)網(wǎng)格。一套巧妙的參數(shù)用于減少搜索空間，提高算法的性能。對于替代品的評價，使用多個標準，可以提高算法拓展的靈活性，這是為了滿足不同的要求，即滿足最短路徑的要求。分 類 號 密 級 寧寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計(論文)通用液壓機械手設計所在學院專 業(yè)班 級姓 名學 號指導老師 年 月 日摘 要機械手是在在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展的一種新型裝置,使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置。機械手能代替人類、重復枯燥完成危險工作，提高勞動生產(chǎn)力,減輕人勞動強度。該裝置涵蓋了位置控制技術可編程控制技術、檢測技術等。本課題擬開發(fā)的物料液壓機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數(shù),可代替人工在高溫危險區(qū)進行作業(yè)，。關鍵詞：機械手, 液壓機械手，抓取，提升35AbstractThe manipulator is a new device developed in the mechanization, automation of production process, a grasping and moving the workpiece function of automation device use. The manipulator can repeat boring to do dangerous work instead of humans, improve labor productivity, reduce labor intensity. 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IIAbstractIII目 錄IV第1章 緒論11.1課題背景及目的11.2 液壓機械手概念21.3 液壓機械手的組成21.4 國內液壓機械手的研究21.5液壓機械手的應用3第2章 液壓機械手設計要求與方案42.1 液壓機械手設計要求42.2 基本設計思路42.2.1 系統(tǒng)分析42.2.2 總體設計框圖42.2.3 液壓機械手的基本參數(shù)52.3 液壓機械手結構設計52.4 機械手材料的選擇62.5機械臂的運動方式62.6 液壓機械手驅動方式的選擇72.7 動作要求分析72.8 液壓機械手結構及驅動系統(tǒng)選型8第3章 系統(tǒng)各主要組成部分設計93.1夾持器結構設計與校核93.1.1夾持器種類93.1.2夾持器設計計算103.1.3夾持器校核113.2升降方向設計計算113.2.1 初步確系統(tǒng)壓力113.2.2 升降油缸計算123.2.3 活塞桿的計算校核143.2.4 液壓缸工作行程的確定153.2.5 活塞的設計163.2.6 導向套的設計與計算163.2.7 端蓋和缸底的計算校核173.2.7 缸體長度的確定183.2.8 緩沖裝置的設計183.2.9 油缸的選型183.3 水平方向設計計算203.3.1 水平方向計算203.3.2 油缸的選型203.3底座回轉機構設計計算223.3.1 回轉部位負載計算校核223.3.2 油馬達的選型243.4機身結構的設計校核253.4.1 油馬達的選擇253.4.3螺柱的設計與校核263.4.4機座的機械結構273.5液壓機械手的定位及平穩(wěn)性確定283.5.1常用的定位方式283.5.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素283.5.3液壓機械手運動的緩沖裝置29第4章 液壓驅動系統(tǒng)設計314.4手部抓取缸314.5腕部擺動液壓回路324.6小臂伸縮缸液壓回路334.7總體系統(tǒng)圖34總結36參考文獻38致 謝39 第1章 緒論1.1課題背景及目的由于現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，液壓機械手技術得到了廣泛的應用。智能型液壓機械手的研究是近年來科學家同意致力的方向。式液壓機械手的人體模型，它可以模擬各種人類行為和人類的外部特征。未來的液壓機械手的管家將不是夢想。根據(jù)不同的液壓機械手的結構，液壓機械手可以分為各種各樣的。輪式移動機器人，履帶式液壓機械手，機械手，行走液壓機械手等。值得一提的是，行走液壓機械手，他是近年來類機的一個重要研究成果。移動它最喜歡的動物甚至人類交談。這是一個非常復雜的自動化程度很高的運動。與傳統(tǒng)的輪式和履帶式液壓機械手相比，對環(huán)境的適應性。在工作空間很小，在崎嶇的道路上，樓梯等。不久的將來，這項技術將被廣泛使用。在研究中，液壓機械的生產(chǎn)，對液壓機械手設計的計算機模擬中的應用是一個非常重要的過程。包括零件建模，裝配液壓機械手的仿真，與運動仿真。通過仿真，設計師可以觀察各機構的運動非常直觀，知道沒有干擾；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發(fā)時間和成本。在學校的畢業(yè)設計是機械設計制造及其自動化專業(yè)學習的最后一個環(huán)節(jié)，學習在大學四年的繼續(xù)深化和檢驗，具有實踐性和綜合性，是不是一個單一的其他替代方案，通過畢業(yè)設計可以提高綜合能力的培養(yǎng)，是要去上班，提高實際工作能力起著非常重要的作用。為了實現(xiàn)以下目標：（1）的基本理論，基本知識和基本技能的綜合運用，提高分析和解決實際問題的能力。（2）接受全面的培訓工程師必須，提高實際工作能力。為調查研究，文獻和數(shù)據(jù)收集和分析能力；設計和開發(fā)測試計劃能力；設計，計算和繪圖能力的提高；總結和撰寫論文的能力。（3）的綜合素質和實踐能力的測試。1.2 液壓機械手概念目前，工業(yè)機械手的概念，世界是不統(tǒng)一，分類是不一樣的。國際標準化聯(lián)合國最近采用了美國機器人協(xié)會定義了工業(yè)機械手的組織：工業(yè)機器人是一種可編程的多功能操作裝置，可以改變行動計劃，完成各種工作，主要用于材料處理，工件傳送。液壓機械手（機器人）是一臺自動執(zhí)行工作。它是一個產(chǎn)品的控制理論，先進的集成機械電子，計算機，材料和仿生。在工業(yè)，醫(yī)學，農業(yè)，建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要的應用。液壓機械手是一種有代表性的，機械的和電子控制系統(tǒng)，自動化程度高的生產(chǎn)工具，在近50年的發(fā)展。在制造業(yè)中，液壓工業(yè)機器人技術已經(jīng)得到了廣泛的應用。這是一個高的自動化程度，改善勞動條件，保證產(chǎn)品質量和提高工作效率，發(fā)揮了非常重要的作用?？梢哉f，他是現(xiàn)代工業(yè)的技術革命。1.3 液壓機械手的組成執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手，腕，臂，底座，一個主要的運動系統(tǒng)。主要由液壓機械手執(zhí)行系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。手抓（或吸附，控股）和松開工件或工具的部分，由手指（或吸收），驅動元件和驅動元件。時間，速度和加速度參數(shù)。液壓機械手與主機和其他相關設備之間的 3 。1.4 國內液壓機械手的研究工業(yè)液壓機械手的應用在日本有著悠久的歷史。在七十年代當工業(yè)液壓操縱器，然后經(jīng)過十年的發(fā)展，已在工業(yè)液壓機械手八十年代流行。他們的年工業(yè)產(chǎn)值迅速增加。1980達到一千億日元，1990至六千億日元。在2004達到了一兆和八千五百億日元。這表明工業(yè)液壓機械手在提高生產(chǎn)效率的重要性。在國際上，各個國家都實現(xiàn)了工業(yè)液壓機械手的重要性。因此，工業(yè)液壓機械手訂單銳減。相比于2003 2002百分之十的增長的訂單。然后工業(yè)液壓機械手的需求量仍在上升。從2001到2006，超過90000的全球經(jīng)濟增長中的訂單。7%的平均年增長率。國際工業(yè)液壓機械手的發(fā)展方向：液壓機械手涉及多學科、多領域的知識。包括：計算機，電子，控制，人工智能，傳感器，通信和網(wǎng)絡，控制，機械等。液壓機械手的發(fā)展離不開主題。正是由于各學科整合的相互作用，創(chuàng)建一個自動化程度高，其。隨著科學技術的進步，在液壓機械手的應用范圍越來越廣泛；技術越來越高，功能更強大。它是液壓機械手的研究向小型化發(fā)展。液壓機械手將更多地進入人們的日常生活?？偟陌l(fā)展趨勢是模塊化，標準化，智能化。廣泛應用于工業(yè)液壓機械手，以提高質量和生產(chǎn)力，產(chǎn)品安全人員安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，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。廣泛應用于工業(yè)液壓機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液壓機械手的應用液壓機械手工業(yè)是一個大型高新技術工業(yè)計算機，后車。現(xiàn)代軍事工業(yè)，液壓機械發(fā)展的市場前景是非常好的。從第二十世紀起，液壓機械行業(yè)的穩(wěn)步增長。在第二十世紀九十年代，液壓機械產(chǎn)品的開發(fā)和快速增長，年均增長率超過百分之十。在2004到百分之二十的記錄。亞洲液壓機械手的更多需求，年增長率高達百分之四十三。經(jīng)過40年的發(fā)展，應用工業(yè)液壓機械手的許多領域。生產(chǎn)中使用最廣泛的液壓機械手。如制造焊接，熱處理，表面涂層，加工，裝配，測試和倉庫，毛（沖壓，壓鑄，鍛坯等）等操作，代替人工操作的液壓機械手，極大地提高了生產(chǎn)效率。第2章 液壓機械手設計要求與方案2.1 液壓機械手設計要求工件：棒料，重量20公斤，最大長度300mm, 直徑100120mm工作區(qū)域：取物高度不小于600-1500mm，作業(yè)半徑500-1500mm；回轉角度270?， 工作速度：移動速度3m/s，定位精度0.3mm；轉動速度45?/s。 2.2 基本設計思路2.2.1 系統(tǒng)分析該機器人是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，提高勞動生產(chǎn)率的有力工具。為了在生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化，機械化，自動化的綜合技術經(jīng)濟分析的需要，從而判斷是否適當?shù)臋C械手。以完成機械手的設計，一般都要先做以下工作：（1）根據(jù)使用場合的機器人機械手的，明確的目標和任務。（2）機械手的工作環(huán)境分析。（3）對系統(tǒng)要求的分析，確定了機械手和方案的基本功能，如自由度的數(shù)目，機器人的運動速度，定位準確，抓住重。此外，根據(jù)抓斗液壓質量，形狀，尺寸和批量生產(chǎn)，以確定的形式和機械手的位置和握力的大小。在這方面，我分析如下：（1）為手材料液壓機械設計問題，機械手是物料輸送機械手。雖然機械手的使用場合，也非常廣泛，涉及到材料的狀態(tài)，環(huán)境因素的作業(yè)線，比我的知識和能力，我選擇了材料液壓機械手的小對象處理非生產(chǎn)線。（2）由于機械手我選擇的是材料的液壓機械手，小對象處理非生產(chǎn)線。因此，系統(tǒng)的工作環(huán)境下，機械廠，準確度高，故障率低，速度。2.2.2 總體設計框圖圖2 總體設計框圖如圖2為總設計框圖，說明如下：(1) 控制系統(tǒng)：任務是根據(jù)機械手的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來的信號，控制機械手的執(zhí)行機構，使其完成規(guī)定的運動和功能。主要設計目標為CPU的選擇，CPU程序的編寫調試等。(2) 驅動系統(tǒng)：驅動系統(tǒng)工作的驅動裝置。(3) 機械系統(tǒng)：包括機身、機械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標形式，并計算得出具體結構。(4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。2.2.3 液壓機械手的基本參數(shù)1. 機械手的最大液壓物料的重量是它的主參數(shù)。本論文物料液壓機械手所液壓的物料質量可設定為棒料，重量20公斤。2. 運動速度直接影響機械手的動作快慢和機械手動作的穩(wěn)定性，所以運動速度也是是物料物料液壓機械手的一個主要的基本參數(shù)。設計速度過低的話，會無法滿足機械手的動作功能，限制機械手的使用范圍。設計的速度過高又會加重機械手的負載并影響機械手動作的平穩(wěn)性。 3. 伸縮行程和工作半徑是決定機械手工作范圍及整機尺寸的關鍵，也是機械手設計的基本參數(shù)。3.定位精度也是機械手的主要基本參數(shù)之一。機械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味著成本的增加。綜合考慮，該物料液壓機械手的定位精度設定定位精度0.3mm。物料液壓機械手的各個部分的基本參數(shù)可以由上面已經(jīng)知道的物料液壓機械手各關節(jié)的行程和時間分配來決定。2.3 液壓機械手結構設計根據(jù)所設計的機械手的運動方式：機械臂的轉動，機械臂的升降。根據(jù)上文所說的，機械手按照坐標的分類情況，選擇圓柱坐標式機械手更為妥當。2.4 機械手材料的選擇機械手的材料應根據(jù)手臂的工作條件，滿足機械手的設計和制造要求。從設計思想，機械臂完成各種運動。因此，對材料的要求是為移動部件，它應該是輕質材料。另一方面，手臂振動經(jīng)常的運動過程中，這將大大減少它的運動精度。所以在材料的選擇上，綜合考慮的質量，剛度，阻尼的需要，從而有效地提高了機械臂的動力學性能。此外，機械手選材料和不同材料的一般結構。機械手是一種伺服機構，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，結構，質量性能的考慮。總之，選擇一個機械臂的材料，應考慮強度，剛度，重量輕，彈性，耐沖擊，外觀和價格等因素。這里有幾個機械手使用的材料：（L）的高強度鋼，碳素結構鋼和合金結構鋼：這類材料的強度，特別是合金結構鋼的強度增加了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是重量輕，彈性模量E的小，但材料的密度小，與EP比值還與鋼相比；（3）陶瓷：陶瓷材料具有良好的質量，但易碎，但處理不好，接頭需要特殊的設計與金屬零件。然而，日本已開發(fā)ARM陶瓷機械手用于高速機械手的樣品；從機械手設計的角度來看，不需要負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，結合鋁合金的初步選擇的工作條件，如機械臂組件。2.5機械臂的運動方式機械手的運動形式有五種常見的SCARA型，直角坐標式極坐標型，聯(lián)合型和圓柱坐標。根據(jù)運動形式的選擇主要運動參數(shù)為基礎的結構設計。一種運動形式以滿足不同生產(chǎn)工藝的需要，可以采用不同的結構。選擇表格的具體位置，必須根據(jù)操作要求，工作地點，和液壓工作中心線方向的變化，比較和選擇。這種機械手的定位2個肩關節(jié)和肘關節(jié)的1，2或3手腕方向。其中，繞垂直軸肩，另一個肩斜度。肩關節(jié)的兩個正交軸。平行于第二軸肩關節(jié)，考慮到機械手的工作特點，這就要求動作靈活，具有較大的工作空間，結構緊湊，占用空間小，關節(jié)式機械手的選擇。如圖所示。這種配置，動作靈活，工作空間大，干涉儀的最小空間機械臂操作，結構緊湊，占地面積小，關節(jié)相對運動部位易密封與防塵。但這種機械手運動學逆解比較復雜，難以確定的端元；態(tài)度不夠直觀，并在控制，計算量比較大。圖3 常見的運動方式2.6 液壓機械手驅動方式的選擇機械手使用的驅動方式主要有液壓驅動，液壓驅動和電機驅動的四種基本形式。但是，與液壓傳動相比，低功耗，能源，液壓傳動結構相對簡單的速度不易控制，精度不高。油馬達驅動能量是簡單，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速變化的機制，高效，靈活的控制。液壓驅動的特點是功率大，結構簡單，省去了減速裝置，響應速度快，精度高。但需要有液壓源，但也容易漏液。首先，我會選擇驅動電機，但考慮到純機械結構的機械手的運動并不能達到理想的傳播效果。如果你使用液壓或液壓傳動機械臂的旋轉，必須與回轉液壓或旋轉液壓缸，結構比較復雜，不利于設計。改進后的方案，將驅動方式分為兩個部分。其中，該旋轉驅動裝置驅動的機械臂，通過油馬達帶動齒輪鏈傳動和旋轉；機械臂伸縮，升降機械手抓抓，采用液壓驅動方式。2.7 動作要求分析動作一：送 料動作二：預夾緊動作三：手臂上升動作四：手臂旋轉動作五：小臂伸長動作六：手腕旋轉 預夾緊 手臂上升 手臂旋轉 手臂伸長 手臂轉回 手腕旋轉 圖2.2 液壓機械手動作簡易圖2.8 液壓機械手結構及驅動系統(tǒng)選型本課題所設計的液壓機械手為通用型的液壓機械手，其中坐標系為圓柱坐標系結構。驅動系統(tǒng)選用油馬達驅動和液壓驅動，油馬達驅動用于機座的旋轉和手臂的上下移動，液壓驅動用于手臂的伸縮和液壓機械手的夾取和翻轉3。第3章 系統(tǒng)各主要組成部分設計3.1夾持器結構設計與校核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）運動，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實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。3.齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。4.滑槽式手爪 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。5.平行杠桿式手爪不 需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動采用平行四邊形機構，因此，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多結合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅動活塞 往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工 工件的直徑來調定。本設計按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來設計。a有適當?shù)膴A緊力手部在工作時，應具有適當?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。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。b有足夠的開閉范圍工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長度表示。于回轉型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關c力求結構簡單，重量輕，體積小作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個液壓機械手的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。d手指應有一定的強度和剛度因此送料，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，夾緊液壓機械手，根據(jù)工件的形狀，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。液壓缸右腔停止進油時，液壓缸右腔進油時松開工件。3.1.2夾持器設計計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1.22；-為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機械手在搬運工件過程的加速度，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)，計算得： ；理論驅動力的計算： （3-7）式中，-為柱塞缸所需理論驅動力；-為夾緊力至回轉支點的垂直距離；-為扇形齒輪分度圓半徑；-為手指夾緊力；-齒輪傳動機構的效率，此處選為0.92；其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得 計算驅動力計算公式為： （3-8）式中，-為計算驅動力；-安全系數(shù)，此處選1.2；-工作條件系數(shù)，此處選1.1； 而液壓缸的工作驅動力是由缸內油壓提供的，故有 （3-9）式中，-為柱塞缸工作油壓；-為柱塞截面積；選取缸內徑為50mm3.1.3夾持器校核活塞桿直徑查液壓傳動與控制手冊根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。本設計選擇d/D=0.7，d=35 mm=965N370N計算所得的力遠遠大于實際所需要的力，所以滿足要求。經(jīng)計算，所需的油壓約為： (后續(xù)章節(jié)進行介紹)3.2升降方向設計計算3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力表3-1 按負載選擇工作壓力1負載/ KN50工作壓力/MPa1.25，滿足最低速度的要求。2.活塞桿強度計算： 90mm （4-4）式中 許用應力；（Q235鋼的抗拉強度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即活塞桿的強度適中）3活塞桿的結構設計 活塞桿的外端頭部與負載的拖動油馬達機構相連接，為了避免活塞桿在工作生產(chǎn)中偏心負載力，適應液壓缸的安裝要求，提高其作用效率，應根據(jù)負載的具體情況，選擇適當?shù)幕钊麠U端部結構。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，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。為方便設計和維護，本方案選擇O型密封圈。3.2.4 液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程長度可以根據(jù)執(zhí)行機構實際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標準值。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）62550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表4-4（b） 液壓缸行程系列（GB 2349-80）6 40 6390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表4-4（c） 液壓缸形成系列（GB 2349-80）6240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800根據(jù)設計要求知快速接近工件，行程根據(jù)任務書要求，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 活塞的設計由于活塞在液壓力的作用下沿缸筒往復滑動，因此，它與缸筒的配合應適當，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動壓力增大，降低機械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的配合表面；間隙過大，會引起液壓缸內部泄露，降低容積效率，使液壓缸達不到要求的設計性能。考慮選用O型密封圈。3.2.6 導向套的設計與計算1.最小導向長度H的確定 當活塞桿全部伸出時，從活塞支承面中點到到導向套滑動面中點的距離稱為最小導向長度1。影響液壓缸工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設計時必須保證液壓缸有一定的最小導向長度。根據(jù)經(jīng)驗,當液壓缸最大行程為L,缸筒直徑為D時,最小導向長度為: （4-5）一般導向套滑動面的長度A，在缸徑小于80mm時取A=(0.61.0)D，當缸徑大于80mm時取A=(0.61.0)d.。活塞寬度B取B=(0.61.0)D。若導向長度H不夠時,可在活塞桿上增加一個導向套K(見圖4-1)來增加H值。隔套K的寬度。圖4-1 液壓缸最小導向長度1因此:最小導向長度，取H=9cm；導向套滑動面長度A=活塞寬度B=2.導向套的結構 導向套有普通導向套、易拆導向套、球面導向套和靜壓導向套等，可按工作情況適當選擇。3.2.7 端蓋和缸底的計算校核 在單活塞液壓缸中，有活塞桿通過的端蓋叫端蓋，無活塞桿通過的缸蓋叫缸頭或缸底。端蓋、缸底與缸筒構成密封的壓力容腔，它不僅要有足夠的強度以承受液壓力，而且必須具有一定的連接強度。端蓋上有活塞桿導向孔（或裝導向套的孔）及防塵圈、密封圈槽，還有連接螺釘孔，受力情況比較復雜，設計的不好容易損壞。1.端蓋的設計計算端蓋厚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； 材料的許用應力，。2.缸底的設計 缸底分平底缸，橢圓缸底，半球形缸底。3.2.7 缸體長度的確定 液壓缸缸體內部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還需要考慮到兩端端蓋的厚度1。一般液壓缸缸體長度不應大于缸體內經(jīng)的2030倍。取系數(shù)為5,則液壓缸缸體長度：L=5*10cm=50cm。3.2.8 緩沖裝置的設計 液壓缸的活塞桿（或柱塞桿）具有一定的質量，在液壓力的驅動下運動時具有很大的動量。在它們的行程終端，當桿頭進入液壓缸的端蓋和缸底部分時，會引起機械碰撞，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，這就必然會嚴重影響液壓缸和整個液壓系統(tǒng)的強度及正常工作。緩沖裝置可以防止和減少液壓缸活塞及活塞桿等運動部件在運動時對缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實現(xiàn)速度的遞減，直至為零。 當液壓缸中活塞活塞運動速度在6m/min以下時，一般不設緩沖裝置，而運動速度在12m/min以上時，不需設置緩沖裝置。在該組合機床液壓系統(tǒng)中，動力滑臺的最大速度為4m/min,因此沒有必要設計緩沖裝置。3.2.9 油缸的選型經(jīng)過比較，參考市場上的油缸類型，選擇一種可靠優(yōu)質的油缸產(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（上海）有限公司成立于2004年，從事于空油壓零組件和設備研 究、生產(chǎn)、銷售的自動化廠商，產(chǎn)品以TONAB品牌營銷國內外市場，產(chǎn)品主要有空液凈化組件、液動控制組件、液動執(zhí)行組件、輔助組件、空油壓設備，產(chǎn) 品廣泛應用于醫(yī)療器械、工業(yè)機械手、食品包裝機械、紡織機械、半導體設備、軌道交通、煙草機械、機床自動控制、真空搬運、汽車制造、教學培訓等行業(yè)。速易可目前主要產(chǎn)品有：無桿油缸、滑臺油缸、止動油缸、回轉油缸、機械夾、回轉夾緊液（油）壓缸、導桿油缸、帶鎖油缸、雙軸缸、標準型油缸、控制閥、空液控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關液動輔助零組件。根據(jù)上節(jié)計算，在這選擇YAM63.3.3 水平方向設計計算3.3.1 水平方向計算當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重20kg，長度l =1000mm。如圖3.4所示。工件圖3.4 受力簡圖(1)計算扭矩4 (2)液壓缸（伸縮）及其配件的估算扭矩 4F =200N S =1m（最大行程時）帶入公式2.9得=200101 =2000（NM） 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：無桿油缸、滑臺油缸、止動油缸、回轉油缸、機械夾、回轉夾緊液（油）壓缸、導桿油缸、帶鎖油缸、雙軸缸、標準型油缸、控制閥、空液控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關液動輔助零組件。根據(jù)上節(jié)計算，在這選擇YAM63.3.3底座回轉機構設計計算腕部是聯(lián)結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。本課題腕部具有回轉這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉缸驅動的腕部結構。要求：回轉角度270?， 角速度=45/s3.3.1 回轉部位負載計算校核.若傳動負載作回轉運動負載額定功率： （3-24）負載加速功率： （3-25）負載力矩（折算到油馬達軸）： （3-26）負載GD（折算到油馬達軸）： （3-27）起動時間： （3-28）制動時間： （3-29） 式中，-為額定功率，KW；-為加速功率，KW；-為負載軸回轉速度，r/min；-為油馬達軸回轉速度，r/min；-為負載的速度，m/min；-為減速機效率；-為摩擦系數(shù)；-為負載轉矩（負載軸），；-為油馬達啟動最大轉矩，；-為負載轉矩（折算到油馬達軸上），；-為負載的，；-為負載（折算到油馬達軸上），；-為油馬達的，；具體到本設計，因為步進油馬達是驅動腰部的回轉，傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。 因為腰部回轉運動只存在摩擦力矩，在回轉圓周方向上不存在其他的轉矩，則在回轉軸上有； （3-30）式中，-為滾動軸承摩擦系數(shù)，取0.005；-為機械手本身與負載的重量之和，取100；-為回轉軸上傳動大齒輪分度圓半徑，R=240；帶入數(shù)據(jù)，計算得 =0.12； 同時，腰部回轉速度定為=5r/min；傳動比定為1/120；且， 帶入數(shù)據(jù)得： =10.45667。將其帶入上（3-24）（3-30）式，得： 啟動時間 ； 制動時間 ；折算到油馬達軸上的負載轉矩為：。3.3.2 油馬達的選型 根據(jù)參數(shù)，選型為BM-R100臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內的任意點上，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、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復雜。液壓機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： =100040 =1004800mm/s =0.1/10m/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部件總重， F =1000kg，=10000N。 (4)由初步計算選油泵所需液壓最高壓力 P =10Mpa所需液壓最大流量 Q =1000ml/s3.4機身結構的設計校核臂部和機身的配置形式基本上反映了液壓機械手的總體布局。本課題液壓機械手的機身設計成機座式，這樣液壓機械手可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉型液壓機械手。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋轉，從而達到了自由度的要求7-9。3.4.1 油馬達的選擇機身部使用了兩個油馬達，其一是帶動臂部的升降運動；其二是帶動機身的回轉運動。帶動臂部升降運動的油馬達安裝在肋板上，帶動機身回轉的油馬達安裝在混凝土地基上。帶動臂部升降的油馬達： P =6KW所以轉/分3.4.3螺柱的設計與校核螺桿是液壓機械手的主支承件，并傳動使手臂上下運動。螺桿的材料選擇：從經(jīng)濟角度來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=0.656=3.9mm （3.18）螺桿強度11 （3.19）=3050Mpa螺紋牙剪切 =40彎曲=4555(1)當量應力 (3.20)式中 T傳遞轉矩Nmm螺桿材料的許用應力 所以代入公式（3.20）得： 6225025d12+11236900d16101262250250.0292+112369000.02961012即16471pa535340pa合格(2)剪切強度 （旋合圈數(shù)） （3.21） （3.22） =206.8103pa =0.206Mpa=40Mpa(3)彎曲強度=0.48Mpa=45Mpa合格3.4.4機座的機械結構帶動機身回轉的油馬達：初選轉速 W =60/s N =1/6轉/秒=10轉/分由于齒輪 I =3減速器 I =30所以 n =10330=900轉/分機座的機械結構如圖3.9所示:圖3.9 機座結構圖3.5液壓機械手的定位及平穩(wěn)性確定3.5.1常用的定位方式機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊。當液壓機械手經(jīng)減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。若定位前已減速，定位時驅動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復精度。一般可高于0.5mm，若定位時關閉驅動油路而去掉工作壓力，這時液壓機械手可能被擋塊碰回一個微小距離，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械手能否準確地工作，實際上是一個三維空間的定位問題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。影響單個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。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關。(2)定位速度定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅動系統(tǒng)使運動部件適時減速。(3)精度液壓機械手的制造精度和安裝調速精度對定位精度有直接影響。(4)剛度液壓機械手本身的結構剛度和接觸剛度低時，因易產(chǎn)生振動，定位精度一般較低。(5)運動件的重量運動件的重量包括液壓機械手本身的重量和被抓物的重量。運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。因此，設計時不僅要減小運動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。(6)驅動源液壓的壓力波動及電壓、油溫的波動都會影響液壓機械手的重復定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調節(jié)液壓措施。(7)控制系統(tǒng)開關控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種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有關13。本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位。3.5.3液壓機械手運動的緩沖裝置緩沖裝置分為內緩沖和外緩沖兩種形式。內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械元件和液壓緩沖器。內緩沖的優(yōu)點是結構簡單，緊湊。但有時安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點是安置位置靈活，簡便，緩沖性能好調等，但結構較龐大。本課題所采用的緩沖裝置為油缸端部緩沖裝置。當活塞運動到距油缸端蓋某一距離時能在活塞與端蓋之間形成一個緩沖室。利用節(jié)流的原理使緩沖室產(chǎn)生臨時背壓阻力，以使運動減速直至停止，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。設計油缸端部恒節(jié)流緩沖裝置時，（最大加速度）、（緩沖腔最大沖擊壓力）和（殘余速度）三個參數(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參數(shù)，然后校驗其余兩個參數(shù)。步驟如下：(1)選擇最大加速度通常，amax值按液壓機械手類型和結構特點選取，同時要考慮速度與載荷大小。對于重載低速液壓機械手，- 取5m/s2以下，對于輕載高速液壓機械手，-取510 m/s2(2)計算沿運動方向作用在活塞上的外力F水平運動時： （3.23） =0.251033.62-7=138N(3)計算殘余速度Vr （3.24）m/s第4章 液壓驅動系統(tǒng)設計液壓控制室自動送料機構的一種主要的控制形式。自動送料機構的運動速度和操作室根據(jù)液體的流量與壓力來確定，因而只要控制液的流量和壓力，就可以控制自動送料機構的運動速度和操作力，液壓壓力一般在5140公斤/厘米范圍內，最大臂力可達160公斤以上。主要優(yōu)點：(1)液壓執(zhí)行元件(馬達和液缸)結構緊湊，重量輕，功率小。(2)可通過空液帶走大量熱能，保證機械的正常運行。(3)液壓元件有直線位移式和旋轉式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過閥和泵的調節(jié)就能實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。(4)響應速度比較快，能高速啟動，制動和反向，無后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強。(5)液壓元件于其他驅動元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動等。缺點:控制系統(tǒng)比較復雜，處理功率訊號的數(shù)學運算誤差，檢測，放大，測試和補償功能不如電子，機電裝置靈活簡便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中所示的調速閥，流量定為7.2L/min，工作壓力P=2Mpa。選取采用： 2FRM5-20/102調速閥23E1-10B二位三通閥4.5腕部擺動液壓回路圖 4.6 腕部擺動液壓回路(1)腕部擺動缸液壓原理圖如圖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)工作過程: 小臂伸長手部抓緊腕部回轉小臂回轉小臂收縮手部放松(3)電磁鐵動作順序表:表4.2總體系統(tǒng)圖元件動作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸長手部抓緊腕部回轉小臂收縮手部放松卸荷-+-+-+-+-(4)確電機規(guī)格：液壓泵選取CB-D型液泵，額定壓力P =1Mpa，工作流量在3270ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵，因此：傳動功率 （4.15）式中：=0.8 （經(jīng)驗值）所以代入公式（4.15）得： =16.7KN總結畢業(yè)設計轉眼間就到了掃尾階段，在這幾個月的設計學習過程中，我取得了長足的