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工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)設計.doc
工業(yè)機械手裝配圖.dwg
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液壓原理圖.dwg
電氣控制原理圖.dwg
摘 要
工業(yè)機械手是現(xiàn)代機械化的一種新型生產方式，同時也是智能自動化研發(fā)出來的新型設備。現(xiàn)今隨著科學技術的迅猛發(fā)展，機械手的原理及應用技術越來越受到重視，在當代工業(yè)工廠的生產制造中，工業(yè)機器人已經全面應用于車間的自動化流水線，因而，人們開始日趨迫切的對機器人進行研究改造。其中，液壓機械手用途最為廣泛，所以本次對機械手的液壓系統(tǒng)進行設計。
在液壓驅動機構中，所述機械手的手臂伸縮和升降均采用了雙作用活塞液壓缸并由導向桿導向，以確保機械手的運動精度，手腕的旋轉采用擺動式液壓缸（回轉油缸），機械手的手臂旋轉和手爪夾持被采用齒條活塞式液壓缸。
本課題通過對機械手和液壓傳動原理的應用技術設計，對工業(yè)機械手的液壓系統(tǒng)的分類，結構，特性，受力等方面進行分析，并分析液壓系統(tǒng)的工作原理。具有液壓系統(tǒng)結構的機械手機器人可以在空間中靈活抓取移動物體，并且操作自由度很高，可以在高溫和危險的位置作業(yè)，從而減少人力，并大大促進生產節(jié)奏。
關鍵字： 機械手；液壓系統(tǒng)；自由度
ABSTRACT
Industrial manipulator is a new mode of production of modern mechanization, and also a new kind of equipment developed by intelligent automation. Nowadays with the rapid development of science and technology, more attention paid to the principle and application technology of the manipulator, in modern industrial factory production and manufacturing, industrial robots have been comprehensively applied in the workshop of the automated assembly line, as a result, people began to study has become increasingly urgent for robots. The hydraulic system is the most widely used, so the hydraulic system is designed.
Described in hydraulic driving mechanism, the manipulator arm scaling and lift adopts the double-acting piston hydraulic cylinder and the guide rod guide, to ensure the movement precision of the manipulator, the rotation of the wrist with oscillating hydraulic cylinders (rotary cylinder), manipulator arm rotation and gripper clamping used rack piston hydraulic cylinder.
This topic through the application of the principle of the mechanical and hydraulic transmission technology design, the classification of the hydraulic system of industrial manipulator structure, characteristics, stress analysis, and analyses the working principle of the hydraulic system. With the hydraulic system of the structure of the manipulator robot can flexible scraping of the moving objects in space, and a high degree of freedom to operate, can be in high temperature and position of dangerous operation, reducing manpower, and greatly promote production rhythm.
Keywords: manipulator; The hydraulic system; degree of freedom
目錄
1 緒論 1
1.1 選題背景及其意義 1
1.2 國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1
1.2.1國內的研究現(xiàn)狀 1
1.2.2國外研究現(xiàn)狀 2
1.3液壓技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2
2機械手液壓系統(tǒng)概述和計算 3
2.1 手臂伸縮液壓缸的設計計算 3
2.1.1伸縮液壓缸驅動力計算 3
2.1.2伸縮液壓缸的結構尺寸確定 4
2.2手臂垂直升降液壓缸的設計計算 7
2.2.1 垂直升降液壓缸驅動力的計算 7
2.2.2升降液壓缸的結構尺寸的確定 8
2.3手臂回轉齒條活塞液壓缸的設計計算 9
2.3.1齒條活塞液壓缸驅動力的計算 9
2.3.2齒條活塞液壓缸結構尺寸的確定 10
2.4手腕回轉液壓缸的設計計算 10
2.5手爪夾合液壓缸的設計計算 11
3工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)的工作原理 13
3.1液壓原理簡圖 13
3.2確定液壓系統(tǒng)的工作要求 14
3.3擬定液壓系統(tǒng)原理圖 15
3.3.1液壓系統(tǒng)原理圖 15
3.3.2電磁鐵工作狀態(tài)表 15
3.3.3液壓系統(tǒng)工作原理 16
3.3.4液壓系統(tǒng)特點分析： 19
3.3.5電氣控制系統(tǒng)原理圖 20
3.3.6電氣控制系統(tǒng)工作原理 21
3.3.7電氣系統(tǒng)特點分析： 23
4液壓系統(tǒng)的設計 24
4.1設計方案 24
4.1.1 液壓回路的選擇 24
4.2系統(tǒng)工作壓力的選擇 25
4.3 液壓元件的選擇 25
4.3.1 液壓泵的選擇 25
4.3.2 液壓泵所需液壓馬達的確定 26
4.3.3 液壓閥的選擇 27
4.3.4 液壓輔助元件的選擇原則 28
4.3.5 管道尺寸的確定 28
4.3.6 油箱容量的確定 29
5 總結 31
致 謝 32
參考文獻 33
本科生畢業(yè)答辯 學院：機械工程學院 班級：機械 13姓名：王強 指導老師：張建杰 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)設計 題目簡介 1 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)概述 2 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)的工作原理 3 4 目錄 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)的設計 4 1. 題目簡介 ? 工業(yè)機械手（即機器人）一般指用于機械制造業(yè)中代替人完成具有大批量、高質量要求的工作，如汽車制造、摩托車制造、艦船制造、某些家電產品（電視機、電冰箱、洗衣機）、化工等行業(yè)自動化生產線中的點焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運、包裝、碼垛等作業(yè)的機械裝置。 ? 機械手并不是在簡單意義上代替人工的勞動 ， 而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置 ， 既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力 ， 又有機器可長時間持續(xù)工作 、 精確度高 、 抗惡劣環(huán)境的能力 ， 從某種意義上說它也是機器的進化過程產物 ， 它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備 ， 也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備 。 ? 而高精度工業(yè)機械手大多采用液壓傳動的方式 ，例如 多自由度機械手 就裝有伸縮、回轉、升降多個液壓系統(tǒng)， 在計算機控制下 才 能夠實現(xiàn)精準定位操作 。液壓傳動 裝置 具有質量 輕 、體積小、運動慣性 小 、反應速度快等優(yōu)點， 所以 適用于高精度機械手，并且操作簡單方便，可 在較大范圍內可以實現(xiàn)無極調速 ， 從而使機器達到較高的自動化 。 2. 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)概述 手臂伸縮液壓系統(tǒng) 1 手臂垂直升降液壓系統(tǒng) 2 手臂回轉齒條活塞液壓系統(tǒng) 3 4 手腕回轉液壓系統(tǒng) 4 手爪夾合液壓系統(tǒng) 5 6 6 械手液壓系統(tǒng)設計目的和要求 ? 上下料用機械手能在不同高度與不連續(xù)的工作臺之間實現(xiàn)機械零件的重復取放，代替人工勞動，減輕了人工勞動強度，提高了自動化水平和勞動生產率，保證了產品的質量和工人的安全。 ? 上下料用機械手采用圓柱坐標的結構形式，主要的組成部分有：升降機構，回轉機構，手臂伸縮結構等，在這三中機構中采用液壓驅動傳動方式，能保證機械手的整體結構的緊湊性，運動平穩(wěn)以及可以方便的實現(xiàn)無級調速。 運動分析 ? 如圖所示 ， 機械手在工作過程中需三種運動 ，其中手臂的伸縮和立柱的升降為兩種直線運動 ，而手臂的回轉為圓周運動 ， 所以采用圓柱坐標形式 。 其特點是 ， 結構簡單 ， 手臂運動范圍大 ，有較高的定位準確度 。 關鍵問題： 機械手的三個運動方式構成了三個自由度，是機械手精確定位的關鍵 械手各液壓系統(tǒng)的工作范圍 ? 機械手的手臂伸縮液壓系統(tǒng)在水平方向上的伸縮范圍為至兩個不同高度的工作臺的距離 ， 手臂伸縮總行程為 500手臂回轉的運動范圍 ≤90度 ，立柱升降的垂直方向的距離為兩工作臺的高度差 ，總行程為 200 是手臂垂直升降液壓系統(tǒng)的工作范圍 ， 還有手腕翻轉的運動范圍 ≤180度 。 此外手爪夾合液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)為打開 ， 閉合兩種 ，在待料處手爪打開 ， 然后閉合夾住材料；在送料出手爪打開下料 ， 然后閉合 。 所有液壓系統(tǒng)復位重新待料 。 3. 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)的工作原理 ? 根據具體 工作 情況 ， 電動執(zhí)行機構至少應有手臂的升降 、 伸縮 、 回轉以及手腕回轉四個不同的自由度 。 手臂升降液壓缸 、 手臂伸縮液壓缸 、 手臂回轉液壓缸 、 手腕回轉液壓缸 、 手爪夾合液壓缸和回轉定位液壓缸各個部分相互協(xié)作 ， 共同執(zhí)行液壓的傳動 。 液壓缸驅動和電氣控制共同完成一系列動作并以此循環(huán)往復： ?定位銷定位 → 手臂延伸 → 手爪打開 → 手爪夾合 （ 材料） → 手臂回升 → 手臂回縮 → 手腕翻轉 180° → 撤定位銷 → 手臂側轉 90° → 再次固定定位銷 → 手爪打開→ 下料 → 手爪閉合 → 手臂回縮 → 手臂降至最低點 → 手腕復位 → 撤定位銷 → 手臂復位 → 重新待料 。 5 壓原理簡圖 主油箱液壓泵單向閥過濾器壓力表A 壓力表開關電磁換向閥 溢流閥手臂伸縮液壓缸A 雙向調速閥手臂升降液壓缸A 手臂回轉（齒條液壓缸）A 手腕回轉（擺動式液壓缸）A 手爪夾合（齒條液壓缸）氣控制系原理圖 4. 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)的設計 1） 至位置 （ 2） —α， 至位置 （ 1） 1） ? 液壓回路包括液壓泵、單向閥、散熱器、輸油管路、電磁閥、調壓閥、限流閥、油缸以及控制電路。確定液壓執(zhí)行元件以后，根據設備的共組特點和工作要求確定對主要性能起決定性影響的回路，機械手液壓系統(tǒng)主要針對伸縮運動，升降運動和回轉運動的三個主要運動來選擇回路， 選擇如下： ? （ 1）方向控制回路：它在液壓系統(tǒng)中的作用是控制執(zhí)行元件的啟動、停止或改變運動方向。 ? （ 2）壓力控制回路： 它的作用是利用壓力控制閥來實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力控制，用來實現(xiàn)穩(wěn)壓、減壓、增壓和多級調壓等控制，以滿足執(zhí)行元件在力或轉矩及各種動作對系統(tǒng)壓力的要求。 ? （ 3）速度控制回路： 它是液壓系統(tǒng)的重要組成部分，用來控制執(zhí)行元件的運動速度。 ? （ 4） 壓力源電路：被稱為一個電源的壓力源的電路，功能是增加壓力，流速，以滿足液壓制動器的需求。 壓回路的選擇 壓泵流量計算及馬達功率確定 ? 液壓泵流量計算（此處以前泵為例后泵同理） 前泵的流量： 式中： V—— 泵的排量（ mL/r ） n—— 泵的額定轉速（ r/ ? 馬達功率確定 式中： N—— 油泵所需要的電動機功率； P—— 油泵的最大工作壓力（ ）； —— 油泵最大流量（ ）； —— 油泵總效率，普通葉片泵 =輪泵 = = 馬達功率 ： ?前m 0 033m a x ??前m 033m q ???前?/m a ? a x ???????? ??前3泵? 泵?泵?關鍵問題： 液壓泵的流量決定了液壓系統(tǒng)的工作 壓力，對其性能和維護至關重要，馬達功率則是系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行的關鍵 。 根據系統(tǒng)選擇標準液壓元件 ? 機械手液壓系統(tǒng)的主要液壓元件選擇包括：油箱 ， 液壓泵 ， 濾油器 ，油泵 ， 溢流閥 ， 減壓閥 ，單向閥 ， 電磁換向閥 ，單向節(jié)流閥 ， 以及相應的電器開關等 ， 主要液壓元件規(guī)格 如左表 。 存在的問題 ? 工業(yè)機械手通常為多自由度機械手，采用液壓驅動的傳動方式，但是有多個液壓系統(tǒng)相互協(xié)調驅動，在實際裝配時比較困難，而且對液壓元件的精度要求極高，此次為理論設計，對液壓元件的精度計算不夠準確，需根據實際情況替換不同規(guī)格種類的元件。 ? 液壓系統(tǒng)的電氣控制圖不夠簡化，線路較為復雜，增加了實際過程中安裝線路的難度，對液壓系統(tǒng)的維護和檢修不便。 總結 ? 雖然我設計的只僅僅簡單工業(yè)機械手的液壓系統(tǒng)，但需要了解機械手伸縮、升降、回轉、夾持等功能，這些都是機械手的液壓傳動和液壓控制部分，并且分別要對這些機構進行分析，設計和理論計算，以及對其所需的附件選擇。通過這次的畢業(yè)設計讓我之前所學的機械設計理論與實際的相結合，鞏固和深化了所學過的專業(yè)理論知識 ， 讓我對液壓技術有了更深的了解。 致謝 大學畢業(yè)論文（設計） 大學畢業(yè)論文 (設計 ) 題 目 : 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)設計 指導老師 : 張建杰 學生姓名： 王強 所屬院系： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械工程 （礦山機電） 班 級 ： 機械 13 完成日期 ： 2017 年 5 月 30 日 大學畢業(yè)論文（設計） 聲 明 本人 鄭重聲明：畢業(yè)設計論文 —— 《 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)設計 》 系本人在相關教師指導下獨立完成 ， 沒有抄襲、剽竊他人成果，由此造成的 一切后果 由本人負責。 聲明人 ： 2017 年 5月 30日 大學畢業(yè)論文（設計） 新 疆 大 學 畢業(yè)論文（設計）任務書 班 級： 機械 13 姓 名： 王強 論文（設計）題目： 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)設計 專 題： 工程設計 要求完成的內容： 1、工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)概述（分類、結構、特性、受力等方面）； 2、工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)的工作原理； 3、工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)的設計； 4、設計總結； 5、撰寫論文。 發(fā)題日 期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日 實習實訓單位： 地點： _________________ 論文頁數(shù)： 頁； 圖紙張數(shù)： _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 指導教師 ： _____ 教研室主任 ： ___ 院 長 ： ______ 大學畢業(yè)論文（設計） 摘 要 工業(yè)機械手 是 現(xiàn)代機械化的一種新型生產方式，同時也是智能自動化研發(fā)出來的新型 設備。 現(xiàn)今隨著 科學技術 的迅猛發(fā)展 ，機械手的 原理及應用技術越來越受到重視，在當代工業(yè)工廠的生產制造 中， 工業(yè)機器人已經全面 應用于 車間的自動化流水線 ， 因而，人們開始 日趨迫切 的對機器人進行研究改造。 其中， 液壓機械手 用途最為廣泛，所以 本次 對機械手的液壓系統(tǒng)進行設計 。 在液壓驅動機構中，所述機械手的手臂伸縮和升降均采用了雙 作用活塞液壓缸并由導向桿導向，以確保機械手的運動精度，手腕的旋轉采用擺動式液壓缸（回轉油缸），機械手的手臂旋轉和手爪夾持被采用齒條活塞式液壓缸。 本課題通過對機械手和液壓傳動原理的應用技術設計， 對工業(yè)機械手的液壓系統(tǒng)的 分類， 結構，特性，受力等方面進行分析，并分析液壓系統(tǒng)的工作原理。具有液壓系統(tǒng)結構的 機械手機器人可以在空間中 靈活抓取移動物體，并且操作自由度很高 ，可以在高溫和危險的位置作業(yè)，從而減少人力，并 大大 促進生產節(jié)奏。 關鍵字 ： 機械手；液壓系統(tǒng)； 自由度 大學畢業(yè)論文（設計） is a of of a of by of to of in in of as a to is so is in to of of of of of of of of of of in a of to be in of of 疆大學畢業(yè)論文（設計） 目錄 1 緒論 ...................................................................... 1 題背景及其意義 ...................................................... 1 內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 ............................................... 1 ..................................................... 1 ...................................................... 2 ............................................... 2 2機械手液壓系統(tǒng)概述和計算 ................................................... 4 臂伸縮液壓缸的設計計算 ............................................... 4 ............................................... 4 ........................................... 5 ........................................... 8 直升降液壓缸驅動力的計算 ........................................ 8 ......................................... 9 ....................................... 9 ......................................... 9 ...................................... 10 .............................................. 11 .............................................. 12 3工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)的工作原理 .............................................. 14 .......................................................... 14 ................................................ 15 .................................................... 16 .................................................... 16 .................................................. 16 .................................................. 17 ................................................ 20 ................................................ 21 .............................................. 21 ................................................ 24 4液壓系統(tǒng)的設計 ............................................................ 25 .............................................................. 25 壓回路的選擇 ................................................... 25 .................................................... 26 壓元件的選擇 ....................................................... 26 壓泵的選擇 ..................................................... 26 大學畢業(yè)論文（設計） 壓泵所需液壓馬達的確定 ......................................... 27 壓閥的選擇 ..................................................... 27 壓輔助元件的選擇原則 ........................................... 29 道尺寸的確定 ................................................... 29 箱容量的確定 ................................................... 30 5 總結 ..................................................................... 32 致 謝 ...................................................................... 33 參考文獻 .................................................................... 34 大學畢業(yè)論文（設計） 大學畢業(yè)論文（設計） 1 1 緒論 題背景及其意義 現(xiàn)代 工業(yè) 生產的自動化程度不斷的 提高， 同時逐步與智能化和計算機網絡化管理相結合， 機器人 分為工業(yè)機器人和特種機器人兩種，功能各不相同。排爆機器人可以處理易燃易爆的危險品，而且可以實現(xiàn)各種軍警偵查功能，從而大大保護了人類自身的生命安全 。 另 一方面 工業(yè)機器人不僅可以代替人工進行高強度 ，作業(yè)，而且還能夠提高生產效率，降低作業(yè)危險。而液壓系統(tǒng)成為機械手工作的關鍵部分。 本次所研究的課題，能夠讓學生在研究設 計 的 過程 之中鞏固專業(yè)課程和 專業(yè)化 知識， 同時拓展相關課外知識，提高 同學利用專業(yè)知識 技能去分析和解決 工程設備上的問題 ， 靈活的將專業(yè)知識和實操相結合，提高解決問題的思維能力。 本課題 中的工業(yè)機械手系統(tǒng)就是 采用液壓驅動 的方式，以此展開研究。 內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 內的研究現(xiàn)狀 液壓式機械手起初 應用 于汽車制造行業(yè)，一般在電焊、噴刷涂料、切割材料和安裝。液壓 機械手 的多自由度，可在大范圍內實現(xiàn)無極變速 ， 操作十分的精準力量強度也遠遠高于人，從工業(yè)機械手的各項功能來看，它實則是人手足的強化和延伸，能夠在高溫，有毒各種人類無法承受的惡劣環(huán)境中工作，并且其機械式工作方 式在強度和效率上遠超人工 ， 裝有液壓裝置的多自由度機械手在計算機控制下能夠實現(xiàn)精準定位操作，從而提升生產質量 。 而高精度工業(yè)機械手大多采用液壓傳動的方式， 機械手目前廣泛用于工業(yè)工程的生產和制造，尤其 是 工業(yè)機械設備，家用電器、汽車行業(yè)、高分子材料 、 以 及 有色 金屬 和無色金屬的 加工等工業(yè)。工業(yè) 液壓 機械手與 即數(shù)控加工車床，再將此類數(shù)控設備量化生產 ， 從而滿足各類零件和產品的自主化設計和加工，通過計算機系統(tǒng)控制和電氣聯(lián)動的結合，實現(xiàn)智能化和 自動化 生產。隨著制造業(yè)發(fā)展 ， 液壓機械手會向著多 功能 化和智能 化發(fā)展 ， 其性能也會得到質的提升，機械手的應用不會局限于工業(yè) ， 也會向著醫(yī)療業(yè)和服務業(yè)發(fā)展。 其液壓系統(tǒng)的研究成為必不可少的一部分 。目前， 我國的特種機器人公司科沃斯機器人，旨在研發(fā)服務類機器人，有掃地機器人，全息交流機器人等，必將向著多元化方向發(fā)展。 大學畢業(yè)論文（設計） 2 外研究現(xiàn)狀 國 外機械手的發(fā)展趨勢是要大力發(fā)展機械手的高智能化以及高自動化。它配備各種類型的傳感器有像人類一樣的感知能力，并且通過傳感器搜集 外部 信息，監(jiān)測外部環(huán)境 ， 反饋到計算機網絡，再根據計算機程序執(zhí)行指令做出 改變。 除了傳感器還配有各 中 液壓傳動 元件，可 以根據需要 實現(xiàn)一些特定功能，甚至是自我修復 。液壓傳動具有 質量小、體積小、較小的運動慣性 、反應速度快 等優(yōu)點，適用于高精度機械手，并且操作簡單方便，在較大 范圍 內可以實現(xiàn) 無極調速 。 從而使 機 器達到較高的自動化，加上 電液 聯(lián)合控制后，從而實現(xiàn)更高程度 的自動 化控制過程，再通過計算機傳感器的配合進行 遙控 。全自動化機器人裝配是當前研究的重點， 這種機器人就會用到多個液壓系統(tǒng)，來保證機器穩(wěn)定的機械傳動。液壓系統(tǒng)的諸多優(yōu)點，使其在工業(yè)，機電行業(yè)，得到廣泛應用。 壓技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 我國在 工業(yè) 上首次使用液壓技術是 20 世紀 50年代初 ， 剛開始的初級發(fā)展階段，液壓技術尚不成熟，我國所掌握的液壓核心技術不夠全面，只用于機械制造廠的鍛壓設備和車床。經過技術的不斷改善提高和農業(yè)發(fā)展機械化的需求，被應用到 工程機械 和拖拉機制造中。 20世紀 60 年代，從國外引進先進 液壓元件 和 技術 人才做指導 ， 一方面把液壓元件利用到機械設備中，另一方面進行新 液壓 元件研發(fā)和外來 產品 的改進。逐漸 我國的液壓 元件生產不斷加快 ， 技術水平也不斷提升， 并在各種 高壓 機械設備 和低壓設備 上得到了廣泛的使用。 之后一直到 90年代更加快了對發(fā)達國家高新液壓設備和技術的大規(guī)模 引進， 政 府扶持，作為五年計劃研究內容 ， 大大提升液壓技術水平，使液壓產品國有化生產，液壓技術的研發(fā)自主化，擁有自己的核心技術。這樣一來我國的液壓 產品質量 進一步提高，應用到我國的工業(yè)生產中 ， 液壓技術推動了工業(yè)生產，帶動了經濟發(fā)展，為研究開發(fā)提供了足夠的資金支持，形成了相互促進的良性發(fā)展，經過多年的經驗積累和技術開發(fā)我國逐步 地趕上世界 領先水平。伴隨工業(yè)迅速 發(fā)展逐 ，創(chuàng)造的經濟效益不斷提高 ， 我國相繼建立了專業(yè)研發(fā) 機 構和工業(yè)工廠，大力進行液壓技術開發(fā)和液壓元件生產。目前，我國不但能生產 液壓閥等液壓元件 。 還 能 設計制造 動力元件，執(zhí) 行元件和輔助元件等許多新型的元件， 電液比例閥，電液伺 服閥在大型設備工廠已經屢見不鮮 。到目前為止， 即使是液壓泵也能獨立生產。 液壓元件的生產 制造生產，列入了我國液壓元件生產的 系列 產品 。 液壓技術的發(fā)展正逐步成熟，與現(xiàn)代計算機 率和 精度 不斷提高，應用也將更加廣泛。 大學畢業(yè)論文（設計） 3 21世紀是計算機網絡的時代， 計算機 技術的應用，大力 地推進了 工業(yè)液壓技術的發(fā)展，液壓系統(tǒng)中 輔助 元件的選擇越來越多，液壓系統(tǒng)的應用從單一化到多元化，可以結合無線傳感器技術， 現(xiàn)更多功能，還可以利用 計算機仿真 軟件對液 壓系統(tǒng)進行分析和優(yōu)化，利用計算機對液壓系統(tǒng)實現(xiàn)控制 ， 這也是高度智能化的體現(xiàn)，我國在這些方面都獲得得了不錯的成就?，F(xiàn)今 ，液壓 技術已經可以實現(xiàn)高壓，高速作業(yè)，配備多個液壓系統(tǒng)的機器不僅實現(xiàn) 大功率， 高強度作業(yè)，其 效率 也迅速提升，并且向著環(huán)保，耐用，高度智能化 等 方面發(fā)展。液壓所應用的領域不單單是工業(yè)生產 ， 在醫(yī)療器械，服務機器人，交通業(yè)，軍事上也在不斷的開發(fā)。不過目前在工業(yè)方面的比列高達 95%，要想 完善 液壓在各個領域的比例，還需要我們這一代繼續(xù)開發(fā)，同時在液壓技術上不斷嘗試創(chuàng)新。 大學畢業(yè)論文（設計） 4 2 機械手 液壓系統(tǒng)概述 和 計算 臂伸縮液壓缸的設計 計算 縮液壓缸驅動力計算 當機器人手臂做水平伸縮運動時，必然 會存在摩擦力，摩擦 力包含 密封 管和導向機構摩擦、導桿機構和承重圓桿的摩擦、液壓缸和活塞 之間 的摩擦，不僅要克服以上力，而且還克服啟動慣性力和液壓油 背 面 壓 力等其它 阻力。 伸縮缸 驅動力 的計算公式如下 ： 慣回密摩理 ???(估算手臂伸縮運動的零件和總 工件總重量 92=30+10(= ,使得部件重心處和導向套的 端面 最大 距離為 300 （ 1）摩 由于伸縮液壓缸只有一個導向桿，因此對導向桿設計計算： 圖 2械手臂受力分析圖 由 0=∑：(又 0=∑ Y 則 =+? ????總 (得： + 2 3 0 0 9 0= + = 0 . 1 5 3 9 2 1 3 5 F F F G a? ? ? ????? ? ? ? ? ?????摩 摩 摩 總其中： L—— 導向套前端 面和重心之間相距 ,300mm a —— 導向套長度， 90 —— 當量摩擦系數(shù)，取 μ= 2） 因為伸縮缸的工作壓力首選不大于以 活塞 桿 和液壓活塞都使 用 時伸縮 缸的密封阻力為： 大學畢業(yè)論文（設計） 5 = + = 0 . 0 3F F F F 驅桿活 塞密 （ （ 3） 一般背壓阻力較小， 4） v 3 9 2 0 . 0 7 5= 1 5 09 . 8 0 . 0 2??慣 （ 式中： Δ變化量 Δ間，一般取 Δt= : 150+35=+++=驅驅慣回密摩理 F=310N 實際驅動力 : 7 5=×3 1 0=×= ?理實（ 式中： k— 安全系數(shù)， k=2； η— 傳力機構機械效率， η=縮液壓缸的結構尺寸確定 如下圖 2-2(a)為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態(tài) 活塞桿受壓時 D 652,7742-2(a) 活塞桿壓力 示意圖 （見上頁） 2211m ???? （ 如下圖 2-2(b)為液壓 缸活塞桿工作在受壓狀態(tài) 活塞桿受拉時 大學畢業(yè)論文（設計） 6 2(b)活塞桿受拉示意圖 1221m/ ??? ? 式中： 21 4/ ? — 無桿活塞桿有效作用面積（ 2； )(4/ 222 ? ? — 有桿活塞桿有效作用面積（ 2； 1P — 伸縮液壓 缸工作腔 承受 壓力 為 8床液壓傳動通常 2 2P — 背壓力，伸縮 缸回 液壓油腔壓力，壓力值通過回路的實際 情況而定， 此處選 背壓 ?2p 0。 D — 油缸內徑（ ； d — 活塞桿直徑（ 。 表 2縮液壓桿系統(tǒng)類型 系統(tǒng)類型 背壓力 /單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調速系統(tǒng) 油路帶調速閥的系統(tǒng) 油路設置有背壓閥的系統(tǒng) 補油泵的閉式回路 油路較復雜的工程機械 3 回油路最短， 直接回油箱 此處 忽略不計 對 于 單活塞桿缸，無桿腔 體內 進 入液體或氣體時，無需考慮機械效率， 得： 2121 2 1 24()F d p p p????? （ 有桿腔進液體或氣體時，不考慮機械效率，可得： 2211 2 1 24()F d p p p????? 這時，上面兩式便可簡化，即無桿腔進液體時： 114 有桿腔進油時： 大學畢業(yè)論文（設計） 7 2214 ? 假設 考慮排 出 液 體對活塞產生的壓力，液壓塞和液壓桿處密封及導套產生的靜摩擦，和 運動 部 件 因 質量 而 產生 較大 慣性力影響，因此 取機械效率 ?壓塞桿的直徑 d 可通過工作壓力來選擇 ， 表 2工作壓力選擇 d/D 工作壓力 /7.0 d/D 2速比要求確定 d/D υ2/υ1 d/D ： υ1— 無桿腔進油時活塞運動速度 ； υ2— 有桿腔進油時活塞運動速度。 當液壓缸的往復速度比有一定要求時，桿徑 d 可由下式計算。 d= 1D ???（ 伸縮缸的速比 ? 太大會產生較大的無桿腔背壓，速度比 ? 太小會使活塞桿太細，喪失穩(wěn)定性。建議伸縮液壓缸的速度比 ? 如表所示。 表 2用液壓缸內徑 D（ 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 由上式經過計算按照 2348準 ]9[ 可得伸縮液壓缸的液壓缸內徑?D 63 液壓活塞桿通過受力來 決定 直徑 ，受 到 拉 力選 取 （ D,受 到 壓 力選取 （ D，綜上 ，所以： 28d 伸縮 缸的缸筒長度由 以下部分確定，包括活活塞長度、 導向套長度、活塞桿密封長度和 活塞桿最大行程等。 為了降低加工難易成度，伸縮 缸缸筒 壁長度應小 于內徑的 20～ 30 倍。根據上述要求和聯(lián)系實際情況選擇固定伸縮 缸缸筒 的 長度 ?L 500 中 壓和 高壓 系列的缸通常使用無縫鋼管做缸筒，一般金屬壁較薄 ，即 4 10 時，壁厚 材料 在 最薄處 使用 薄壁圓筒公 式計算壁厚，即： 2（ 疆大學畢業(yè)論文（設計） 8 式中： p —— 缸筒內最高工作壓力； p?—— 缸筒材料的許用應力，由下式可計算： p?= （ 式中： b?—— 材料的抗拉強度為 610（由機電一體化手冊查得） n —— 安全系數(shù)， 一般 D? ≥ 10 時 ，安全系數(shù)值 n =5；當 D? 50 工作壓力/，取 n=4。 管道一端連接螺紋比對油管外徑選擇 。 缸的進出油口直徑0 ? （ 式中： q—— 液壓缸 管內的流量； v—— 液壓缸管內平均流量（通常 取 v=4～ 5m/s）。 計算得出的0 箱容量的確定 油箱是儲存 液壓油的容器，油箱 工作 會產生部分熱能將熱能傳遞到空氣中去 ， 油箱必須合理的設計，油箱配 件 選擇要根據工作情況看，這樣油箱才能處于最佳的狀態(tài) 。 油箱 不能夠直接裝滿，以 油箱容積的 80%為上限叫做有效容積，油箱儲存的容積，通過 液壓泵的 散熱狀況和流量 確定。 油箱容量的有效容積 公式： pV k q??（ 式中： V— 郵箱的有效容量（ L） 液壓泵每分鐘排除壓力油的容積（ 3m ）； k— 經驗系數(shù)，見下表。 大學畢業(yè)論文（設計） 31 表 4驗系數(shù) k ]10[ 系統(tǒng)類型 行走機械 低壓系統(tǒng) 中壓系統(tǒng) 鍛壓系統(tǒng) 冶金系統(tǒng) k 1～ 2 2～ 4 5～ 7 6～ 12 10 計算得到油箱容積 ： 3 7 1 2 1 3pV k q L? ? ? ? ? 選用 250L 規(guī)格 的油箱。 大學畢業(yè)論文（設計） 32 總 結 本文結合課題研究參考 實際 的 工作條件，從基礎 知識 逐漸深入 的課外相關知識，設計了 工業(yè)機械手 的液壓系統(tǒng)。經過我數(shù)月的艱苦奮斗與努力，終于完成了這次畢業(yè)設計 。 這次畢業(yè)設計讓我體驗了一個產品從設計之 前要先有一個概念，到設計出方案，實施方案到最終設計結果的完整過程。讓我更加深入的了解了設計工作的基本流程和設計概念 。 雖然我設計的只 僅僅簡單工業(yè) 機械手 的液壓系統(tǒng)，但需要了解機械手 伸縮、升降、回轉、夾持等功能， 這些都是機械手的液壓傳動和液壓控制部分，并且分別要對這些機構進行分析， 設計 和理論計算 ，以及對其所需的附件選擇。通過這次的畢業(yè)設計讓我之前所學的機械設計理論與實際的相結合，鞏固和深化了所學過的專業(yè)理論知識。讓我對液壓技術有了更深的了解。 在這次畢業(yè)設計中，我也遇到了許許多多的 困難（對加工工藝 的不了解，設計 思路 不成熟），因 此走了許多彎路，但在指導老師的幫助下我不斷學習和修改。查閱了 相關 課外 書籍，學習了許多 延伸的 專業(yè)知識，最終完成了我的畢業(yè)設計。當然現(xiàn)在 設計并不完美還存在著一些 問題， 但 今后我會不斷地學習和提高自己。 大學畢業(yè)論文（設計） 33 致 謝 經過這幾個月的努力，畢業(yè)設計終于落幕。這是一個充實自我的提高學習能力的過程，我要對幫助我、指導我 的老師和同學表示感謝。 首先我要感謝的是我的論文指導老師 — 張建杰 。從畢業(yè)設計的選題、構思、畫 論文的定稿。張 老師都對我，一步一步耐心的指導。 尤其 是對設計圖紙的修正，他一遍又遍的為 我指導，從未抱怨過，而且經常自己給自己周末加班， 為我們修改圖 ，還對我看待問題的思維進行發(fā)散，讓我有了新的明確的設計思路。因此，在設計期間，張 老師交給我們的不僅僅是如何處理和解決設計中的問題，而是通過設計中的一些問題教會了我們如何去對待一件事情時做到一絲不茍， 還要感謝周院長及時指出設計中的不足和缺少的控制圖，給我一個清晰的設計思路。在這期間我所學到的比我想象的更多，不僅是拓展了專業(yè)知識，更學會了用發(fā)散思維解決問題。在此，向張 老師致以深深的敬意和衷心的感謝。 同時，也要感謝和我 一起做畢設的 同組組員 ，在我做設計時為我提供思路 指出錯誤 和討論各種問題。從他 們身上，我學到了很多東西。感謝大家 ，陪我度過大學生活的最后一段時光。 最后，感謝 各位 評審 老師們對本 設計的耐心審閱。 大學畢業(yè)論文（設計） 34 參考文獻 [1] 王文斌 . 機械設計手冊 北京 :機械工業(yè)出版社 . 2] 陸玉 . 機械設計課程設計 北京：機械工業(yè)出版社 . 3] 諸文俊 鐘發(fā)祥 . 機械原理及機械設計 西安：西北大學出版社 . 4] 郭洪紅 . 工業(yè)機器人運用技術【 M】 . 北京： 科學出版社 . 2008:65[5] 蔡自興 . 機器人學【 M】 . 北京：清華大學出版社 . 2000:29[6] 劉軍營 . 液壓與氣壓傳動 西安：西安電子科技大學出版社 [7] 郭洪紅 . 工業(yè)機械人技術【 M】 . 西安：西安電子科技大學 [8] 張建民 . 工業(yè)機器人 [B][M]. 北京理工大學出版社， 1992 [9] 機械設計手冊編委會 . 機械設計手冊液壓傳動與控制 [S]. 第 4 版 械工業(yè)出版社 [10] 機械設計手冊編委會 . 機械設計手冊機械零部件 與傳動設計 [S]. 第 4 版 械工業(yè)出版社 [11]液壓與氣壓傳動 . 武漢：武漢理工大學出版社， 2000 [12]許福玲 液壓與氣壓傳動 械工業(yè)出版社 ,2000 [13]陳大先 . 機械設計手冊（第四版，第 4 卷） 學工業(yè)出版社， 2002 [14]李仁 . 電器控制 械工業(yè)出版社 ,2000 [15]屈圭 . 液壓與氣壓傳動 械工業(yè)出版社 ,2002 [16]張建民 . 機電一體化系統(tǒng)設計 等教育出版社， 2001 本科生畢業(yè)答辯 學院：機械工程學院 班級：機械 13姓名：王強 指導老師：張建杰 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)設計 題目簡介 1 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)概述 2 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)的工作原理 3 4 目錄 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)的設計 4 1. 題目簡介 ? 工業(yè)機械手（即機器人）一般指用于機械制造業(yè)中代替人完成具有大批量、高質量要求的工作，如汽車制造、摩托車制造、艦船制造、某些家電產品（電視機、電冰箱、洗衣機）、化工等行業(yè)自動化生產線中的點焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運、包裝、碼垛等作業(yè)的機械裝置。 ? 機械手并不是在簡單意義上代替人工的勞動 ， 而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置 ， 既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力 ， 又有機器可長時間持續(xù)工作 、 精確度高 、 抗惡劣環(huán)境的能力 ， 從某種意義上說它也是機器的進化過程產物 ， 它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備 ， 也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備 。 ? 而高精度工業(yè)機械手大多采用液壓傳動的方式 ，例如 多自由度機械手 就裝有伸縮、回轉、升降多個液壓系統(tǒng)， 在計算機控制下 才 能夠實現(xiàn)精準定位操作 。液壓傳動 裝置 具有質量 輕 、體積小、運動慣性 小 、反應速度快等優(yōu)點， 所以 適用于高精度機械手，并且操作簡單方便，可 在較大范圍內可以實現(xiàn)無極調速 ， 從而使機器達到較高的自動化 。 2. 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)概述 手臂伸縮液壓系統(tǒng) 1 手臂垂直升降液壓系統(tǒng) 2 手臂回轉齒條活塞液壓系統(tǒng) 3 4 手腕回轉液壓系統(tǒng) 4 手爪夾合液壓系統(tǒng) 5 6 6 械手液壓系統(tǒng)設計目的和要求 ? 上下料用機械手能在不同高度與不連續(xù)的工作臺之間實現(xiàn)機械零件的重復取放，代替人工勞動，減輕了人工勞動強度，提高了自動化水平和勞動生產率，保證了產品的質量和工人的安全。 ? 上下料用機械手采用圓柱坐標的結構形式，主要的組成部分有：升降機構，回轉機構，手臂伸縮結構等，在這三中機構中采用液壓驅動傳動方式，能保證機械手的整體結構的緊湊性，運動平穩(wěn)以及可以方便的實現(xiàn)無級調速。 運動分析 ? 如圖所示 ， 機械手在工作過程中需三種運動 ，其中手臂的伸縮和立柱的升降為兩種直線運動 ，而手臂的回轉為圓周運動 ， 所以采用圓柱坐標形式 。 其特點是 ， 結構簡單 ， 手臂運動范圍大 ，有較高的定位準確度 。 關鍵問題： 機械手的三個運動方式構成了三個自由度，是機械手精確定位的關鍵 械手各液壓系統(tǒng)的工作范圍 ? 機械手的手臂伸縮液壓系統(tǒng)在水平方向上的伸縮范圍為至兩個不同高度的工作臺的距離 ， 手臂伸縮總行程為 500手臂回轉的運動范圍 ≤90度 ，立柱升降的垂直方向的距離為兩工作臺的高度差 ，總行程為 200 是手臂垂直升降液壓系統(tǒng)的工作范圍 ， 還有手腕翻轉的運動范圍 ≤180度 。 此外手爪夾合液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)為打開 ， 閉合兩種 ，在待料處手爪打開 ， 然后閉合夾住材料；在送料出手爪打開下料 ， 然后閉合 。 所有液壓系統(tǒng)復位重新待料 。 3. 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)的工作原理 ? 根據具體 工作 情況 ， 電動執(zhí)行機構至少應有手臂的升降 、 伸縮 、 回轉以及手腕回轉四個不同的自由度 。 手臂升降液壓缸 、 手臂伸縮液壓缸 、 手臂回轉液壓缸 、 手腕回轉液壓缸 、 手爪夾合液壓缸和回轉定位液壓缸各個部分相互協(xié)作 ， 共同執(zhí)行液壓的傳動 。 液壓缸驅動和電氣控制共同完成一系列動作并以此循環(huán)往復： ?定位銷定位 → 手臂延伸 → 手爪打開 → 手爪夾合 （ 材料） → 手臂回升 → 手臂回縮 → 手腕翻轉 180° → 撤定位銷 → 手臂側轉 90° → 再次固定定位銷 → 手爪打開→ 下料 → 手爪閉合 → 手臂回縮 → 手臂降至最低點 → 手腕復位 → 撤定位銷 → 手臂復位 → 重新待料 。 5 壓原理簡圖 主油箱液壓泵單向閥過濾器壓力表A 壓力表開關電磁換向閥 溢流閥手臂伸縮液壓缸A 雙向調速閥手臂升降液壓缸A 手臂回轉（齒條液壓缸）A 手腕回轉（擺動式液壓缸）A 手爪夾合（齒條液壓缸）氣控制系原理圖 4. 工業(yè)機械手液壓系統(tǒng)的設計 1） 至位置 （ 2） —α， 至位置 （ 1） 1） ? 液壓回路包括液壓泵、單向閥、散熱器、輸油管路、電磁閥、調壓閥、限流閥、油缸以及控制電路。確定液壓執(zhí)行元件以后，根據設備的共組特點和工作要求確定對主要性能起決定性影響的回路，機械手液壓系統(tǒng)主要針對伸縮運動，升降運動和回轉運動的三個主要運動來選擇回路， 選擇如下： ? （ 1）方向控制回路：它在液壓系統(tǒng)中的作用是控制執(zhí)行元件的啟動、停止或改變運動方向。 ? （ 2）壓力控制回路： 它的作用是利用壓力控制閥來實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力控制，用來實現(xiàn)穩(wěn)壓、減壓、增壓和多級調壓等控制，以滿足執(zhí)行元件在力或轉矩及各種動作對系統(tǒng)壓力的要求。 ? （ 3）速度控制回路： 它是液壓系統(tǒng)的重要組成部分，用來控制執(zhí)行元件的運動速度。 ? （ 4） 壓力源電路：被稱為一個電源的壓力源的電路，功能是增加壓力，流速，以滿足液壓制動器的需求。 壓回路的選擇 壓泵流量計算及馬達功率確定 ? 液壓泵流量計算（此處以前泵為例后泵同理） 前泵的流量： 式中： V—— 泵的排量（ mL/r ） n—— 泵的額定轉速（ r/ ? 馬達功率確定 式中： N—— 油泵所需要的電動機功率； P—— 油泵的最大工作壓力（ ）； —— 油泵最大流量（ ）； —— 油泵總效率，普通葉片泵 =輪泵 = = 馬達功率 ： ?前m 0 033m a x ??前m 033m q ???前?/m a ? a x ???????? ??前3泵? 泵?泵?關鍵問題： 液壓泵的流量決定了液壓系統(tǒng)的工作 壓力，對其性能和維護至關重要，馬達功率則是系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行的關鍵 。 根據系統(tǒng)選擇標準液壓元件 ? 機械手液壓系統(tǒng)的主要液壓元件選擇包括：油箱 ， 液壓泵 ， 濾油器 ，油泵 ， 溢流閥 ， 減壓閥 ，單向閥 ， 電磁換向閥 ，單向節(jié)流閥 ， 以及相應的電器開關等 ， 主要液壓元件規(guī)格 如左表 。 存在的問題 ? 工業(yè)機械手通常為多自由度機械手，采用液壓驅動的傳動方式，但是有多個液壓系統(tǒng)相互協(xié)調驅動，在實際裝配時比較困難，而且對液壓元件的精度要求極高，此次為理論設計，對液壓元件的精度計算不夠準確，需根據實際情況替換不同規(guī)格種類的元件。 ? 液壓系統(tǒng)的電氣控制圖不夠簡化，線路較為復雜，增加了實際過程中安裝線路的難度，對液壓系統(tǒng)的維護和檢修不便。 總結 ? 雖然我設計的只僅僅簡單工業(yè)機械手的液壓系統(tǒng)，但需要了解機械手伸縮、升降、回轉、夾持等功能，這些都是機械手的液壓傳動和液壓控制部分，并且分別要對這些機構進行分析，設計和理論計算，以及對其所需的附件選擇。通過這次的畢業(yè)設計讓我之前所學的機械設計理論與實際的相結合，鞏固和深化了所學過的專業(yè)理論知識 ， 讓我對液壓技術有了更深的了解。 致謝