1、專業課程設計 任務書 一、目的與要求專業課程設計是機械設計及自動化專業方向學生的重要實踐性教育環節，也是該專業學生畢業設計前 的最后一次課程設計。擬通過專業課程設計這一教學環節來著重提高學生的機構分析與綜合的能力、機械 結構功能設計能力、機械系統設計的能力和綜合運用現代設計方法的能力，培養學生的創新與實踐能力。在專業課程設計中，應始終注重學生能力的培養與提高。專業課程設計的題目為工業機械手設計，要求學生在教師的指導下，獨立完成整個設計過程。學生通過專業課程設計，應該在下述幾個方面得到鍛煉：1 .綜合運用已學過的“機械設計學”、“液壓傳動”、“機械系統設計”、“計算機輔助設計”等課程和其他已學過

2、的有關先修課程的理論和實際知識，解決某一個具體設計問題，是所學知識得到進一步鞏固、 深化和發展。2 .通過比較完整地設計某一機電產品，培養正確的設計思想和分析問題、解決問題的能力，掌握機電產 品設計的一般方法和步驟。3 .培養機械設計工作者必備的基本技能，及熟練地應用有關參考資料，如設計圖表、手冊、圖冊、標準 和規范等。4 .進一步培養學生的自學能力、創新能力和綜合素質。二.主要內容表1精鍛機上料機械手主要技術參數手臂運動形式(圓柱坐標式抓取重量60kgf自由度4個手臂運動行程和速度水平伸縮500mm 設定點2升降600mm 設定點2左右旋轉200度設定點3手腕回轉和速度180度設定點2手指夾

3、持范圍四種規格90-120定位方式和定位精度機械擋塊 +-1mm控制方式點位程控，開關板預選驅動方式液壓 kgf/cm2(1)根據以上相關設計參數及要求，完成精鍛機上料機械手方案設計、結構設計及控制系統設(2)撰寫專業課程設計報告一份，不少于 10000字。三、進度計劃序號設計內容完成時間備注1總體方案設計第2天2繪制部件及總體設計草圖第5天3繪制零件圖第8天4繪制液壓原理圖第9天5繪制電器原理圖第10天6繪制正式圖第12天7編寫專業課程設計報告第13天8答辯第14天四、課程設計成果要求1 .機械手總裝圖1張（0號圖紙）、部件圖若干張（0號圖紙）；2 .全部非標零件圖（圖紙類型是零件類型及復雜

4、程度而定）；3 .液壓原理圖和電器控制原理圖各一張；4 .撰寫專業課程設計報告一份，不少于 10000字。五、考核方式專業課程設計的成績評定采用四級評分制，即優秀、良好、通過和不通過。成績的評定主要考慮學生的獨 立工作能力、設計質量、答辯情況和平時表現等幾個方面，特別要注意學生獨立進行工程技術工作的能力和創 新精神，全面衡量學生的真實質量。學生姓名：安蕾劉國威劉欣磊彭澎孫赫俊指導教師：楊曉紅、花廣如、楊化動2011年12月30日機械手動作過程和主要設計參數介紹1.1 任務概述本次專業課程設計的任務是設計精鍛機上料機械手。本機械手是為精鍛機服務的，具有能不斷重復工作和 勞動、不知疲勞、不怕危險、

5、抓舉重物的力量比人手大等特點，可大大減少工人的勞動強度，并且大大提高上 料的效率。工業機械手是一種新型的自動化裝置，它可根據作業的要求，按照預先確定的程序搬運物體，裝卸零件以 及操持噴槍、焊把等工具區完成一定的任務，因此它可在繁重、高溫和多粉塵等勞動條件較差的作業中，部分 地代替人工操作。1.2 精鍛機上料機械手的動作過程當旋鈕打向回原點時，系統自動地回到左上角位置待命。當旋鈕打向自動時，系統自動完成各工步操作， 且循環動作。當旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現。1.3 精鍛機上料機械手的總體設計簡圖由動作要求和實際生產檢驗的綜合考慮，初步擬定機械手結構簡圖如下：精鍛機上料機械

6、手結構示意圖1.4 精鍛機上料機械手的結構設計由結構示意圖得，該上料機械手有4個自由度：1、腕部的回轉運動。2、臂部的水平移動。3、腰部的上下移動。4、機身的回轉運動。1.5精鍛機上料機械手主要技術參數，見下表手臂運動形式(圓柱坐標式抓取重量60kgf自由度4個手臂運動行程和速度水平伸縮500mm 設定點2升降600mm 設定點2左右旋轉200度設定點3手腕回轉和速度180度設定點2手指夾持范圍四種規格90-120定位方式和定位精度機械擋塊 +-1,mm控制方式點位程控，開關板預選驅動方式液壓 kgf/cm2二整體方案設計2.1 機械手的設計參數抓重：60kg;自由度數：4個；坐標形式：圓柱坐

7、標；最大工作半徑：1700毫米；手臂最大中心高：2300毫米；手臂運動參數；手臂伸縮范圍：0500毫米手臂伸縮速度：伸出 176毫米每秒；縮回233毫米每秒；手臂升降范圍：0600毫米；手臂升降速度：上升 102毫米每秒；下降152毫米每秒；手臂回轉范圍：00 200 0 （實際使用為950）;手臂回轉速度：630每秒；手腕運動參數：手腕回轉范圍：001800;手腕回轉速度：2010每秒；手指夾持范圍：90-120毫米；緩沖方式及定位方式：手臂伸縮：伸出時由行程開關適時切斷油路，手臂緩沖，縮回時由行程開關控制返回終了位置。手臂升降：上升時是靠可調碰鐵觸動行程開關而發信，使電液換向閥變為“o”型

8、滑閥機能，切斷油路而實現緩沖定位，下降時靠油缸端部節流緩沖，由行程開關控制終了位置。手臂回轉：采用行程節流閥（雙向使用）減速緩沖，用定位油缸驅動定位銷而定位。手腕回轉：采用行程開關發信，切斷油路滑行緩沖，死擋塊定位。驅動方式：液壓控制方式：點位程序控制2.2 機械手實現的動作機械手原位-機械手前伸-機械手上升-機械手抓取并夾緊-機械手后退機械手左轉-機械手前伸-機械手松開-機械手下降-機械手右轉-退至原位2.3 機械手的結構組成本機械手系統由執行系統、驅動系統和控制系統組成。執行系統包括手部、手臂、手腕。驅動系統包括動 力源、控制調節裝置和輔助裝置組成。控制系統由程序控制系統和電氣系統組成。2

9、.4 機械手的工作過程立式精鍛機和自動上料機械手等的配置如圖2-4-1所示。被加熱的坯料由運輸車 2送到上料位置后，自動上料機械手3將熱坯料搬運到立式精鍛機 1上鍛打，其成品鍛件由下料機械手4送立式精鍛機上取下并送到轉換機械手5上，轉換機械手先把鍛件翻轉90°成水平位置，由丙烷切割裝置 6將兩端切齊，切割完畢，轉換機械手5的手臂再水平回轉 87。，將鍛件水平放置到下料運輸裝置7上，運送到車間外面的料倉處進行冷卻。自動上料機械手3在此精鍛生產線上可以完成取料、喂料和變換工位等動作。2.5 機械手的座標型式與自由度選擇按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓

10、柱座標式、球座標 式和關節式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。相 應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手 臂上下擺動的自由度。2.6 機械手的手部結構方案設計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持 式手部。2.7 機械手的手腕結構方案設計考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工 作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉液壓缸。2.8 機械手的手臂結構方案設計按照抓取工件的要求，本機械

11、手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由液壓 缸來實現。2.9 機械手的驅動方案設計由于液壓壓傳動系統的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用液 壓壓傳動方式。2.10 機械手的控制方案設計考慮到機械手的通用性， 同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制。 當機械手的動作流程改變時，只需改變PLCi序即可實現，非常方便快捷。三機械手具體結構設計各機構設計3.1 手部抓緊機構設計計算3.1.1 對手部設計的要求1、有適當的夾緊力手

12、部在工作時，應具有適當的夾緊力，以保證夾持穩定可靠，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，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。2、有足夠的開閉范圍夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。 對于回轉型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有 關，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環境許可，開閉范圍大一些較好，如 圖2.1所示。T圖2.1機械手開閉示例簡圖3、力求結構簡單，重量輕，體積小手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態多變，其結構，重量和體積

13、直接影響整個機械手的結構， 抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。 4、手指應有一定的強度和剛度5、其它要求因此送料，夾緊機械手，根據工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧 夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。3.1.2拉緊裝置原理油缸右腔停止進油時，液壓力夾緊工件，油缸右腔進油時松開1、右腔推力為Fp=（兀 / 4） D2P（2.1 ）=（兀/ 4）0.5 2 25 103=4908.7N2、根據鉗爪夾持的方位，查出當量夾緊力計算公式為：(2.2 )F1= (2b/a)(cos a ' )

14、2 N'其中N' =4 98N=392N 帶入公式 2.2得：Fi= (2b/a)(cos a ' ) 2 N'=(2150/50)(cos30o) 2 392=1764N則實際加緊力為 F 1實際=PK1K2/刀=1764 1.5 1.1/0.85=3424N經圓整F1=3500N3、計算手部活塞桿行程長L,即L= ( D/2 ) tg 3=25X tg30 o=23.1mm 經圓整取l=25mm4、確定" V'型鉗爪的L、3。取 L/Rcp=3式中： Rcp=P/4=200/4=50由公式(2.5) (2.6)得：L=3X Rcp=150取

15、“V型鉗口的夾角2a =120o,則偏轉角3按最佳偏轉角來確定, 查表得：3 =22o39'5、機械運動范圍(速度)111(1)伸縮運動 Vmax=500mm/s Vmin=50mm/s (2)上升運動 Vmax=500mm/sVmin=40mm/s(3)下降 Vmax=800mm/s Vmin=80mm/s (4)回轉 Wmax=9o/sWmin=30)/s所以取手部驅動活塞速度V=60mm/s6、手部右腔流量Q=sv=60 % r 2=60 X 3.14 X 252 =1177.5mm3/s 7、手部工作壓強(2.(3)(2.(4)(2.5 )2.62.72.8水平伸縮直線運動油缸

16、驅動力根據受力平衡有：P= F 1/S =3500/1962.5=1.78Mpa 3.1.3手部液壓缸尺寸計算 手部受力計算 手臂的行程為100mm速度為400mm/s,起動和制動的時間為 0.2s P的計算GL 400 0.1GL Rb aRb 200Na 0.2G R Ra Ra G GL 400 200 600N aPm= G總生2 100 1000.18 200 380 N100G參與運動的零部件的總重量（包括工件）200N當量摩擦系數0.18Pgm導向桿的摩擦阻力EmPm分別為a,b桿的摩擦阻力Ra, Rb分別為導向套左右端的受力a導向套的長度 200mmL工件重心距離導向套的長度1

17、00mm水平移動油缸受力狀態手部油缸驅動力計算活塞桿，缸蓋，缸壁，伸縮油管之間的摩擦阻力0.05PPS密封裝置處的摩擦阻力0.05PP,油缸回油腔低壓油造成的阻力，取為0.05PPg手臂起動或制動時活塞桿上受到的平均慣性力GV6000.2Pg一一一一60 Ngt100.2v從靜止加速到工作速度的速度變化量t起動的時間取為0.2s油缸驅動力P Pm Ps R Pg 844N油缸的尺寸：當油進入無桿腔有：D 1.13. P 1.1364454.3mm1.P1 0.96(工作壓力R 1MPa)，取D 60mm根據標準油缸外徑(JB1068-67)取80mm所以壁厚為10mm活塞桿的計算.100 12

18、0MPa計算得d=44mm手臂的伸縮行程為 200mm根據其它零部件的安裝所需間隙，總長取活塞桿l=240mmo材料選擇缸筒工程機械、鍛壓機械等工作壓力較高的場合，常用 20、35、45號鋼的無縫鋼管。其中，20號鋼用的較少，因為其較軟，機械強度也低，加工粗糙度不宜保證。須與缸蓋、管接頭、耳軸等零件焊接的缸筒用35號鋼，并在粗加工后調質。不與其它零件焊接的缸筒，常用 45號鋼調質，調制處理的目的是保證強度高、加工性好，一般調質到HB241HB28S這里液壓缸筒選用 45號鋼調質.缸筒內徑采用H7配合。內孔表面的粗糙度，當活塞采用橡膠密封圈時，取 R0.4R0.1。活塞活塞材料常用耐磨鑄鐵、鋁合

19、金或鋼外面覆蓋一層青銅、黃銅和尼龍等耐磨套。本方案活塞材料選用45號鋼。缸蓋及活塞桿導向套缸蓋采用35號鋼或45號鋼鍛彳% 或 ZG35 ZG45及HT25Q HT30Q HT350等鑄鐵材料。活塞桿導向套可以是缸蓋本身，但最好在內表面堆焊黃銅、青銅或其它耐磨材料。活塞桿導向套也可另外壓入，采用鑄鐵、黃銅、青銅、或尼龍。這里材料選取45號鋼。活塞桿活塞桿有實心和空心兩種。實心的用35或45號鋼，要求高的可用 40Gr鋼。空心的用 35號、45號無縫鋼管、并要求活塞桿的一端留出焊接和熱處理的通氣孔do缸的活塞桿也選 45號鋼。液壓缸的緩沖、排氣與密封以上設計液壓缸負載不是很大，而且運行速度慢，所

20、以不設置制動機構。這兩個液壓缸直徑和行程不是 很大，不再專門設置排氣裝置，安裝時一次將氣排空。關于密封，活塞與缸筒間、缸筒與活塞桿導套間 采用。型密封圈，活塞桿與活塞桿導套間采取Y型密封圈，Y型密封圈的唇邊面向高壓區。為防止大臂安裝后會出現偏心，在安裝現場調配平衡重。手部活塞桿的穩定性校核因為l>15d ,所以活塞桿需要穩定性校核油缸安裝屬于兩端固定，長度折算系數0.5彈性模量E2.1105MPa10特定柔度值2.110525628.64活塞桿橫截面的慣性半徑i=d/4=44/4=11mm安全系數nK3活塞桿的面積 F=3.14*d*d/4=2160mm,、l 0.5460活塞桿的計算柔

21、度 67.1528.64屬于大柔度桿其臨界力i 3.52eT-3.14 22.167.15 23141.5104NP 844NPnk1500N，活塞桿穩定性符合要求手部缸體的螺栓鏈接計算確定油缸缸筒與缸蓋采用螺栓連接，此種方式能夠使液壓缸緊湊牢固。在這種鏈接中，每個螺栓在危險剖面上承受的拉力 Q為工作載荷Q和剩余預緊力Qs'之和，即：Q Q Qs'Q工作載荷（N）P:缸蓋受到的合成液壓力，即驅動力（N）Z:螺栓數目Qs':剩余預緊力,Qs' KQ K1.5 1.8則螺栓1.3Q0合 2d14n為安全系數,n 1.2 2.5取螺栓公稱直徑為s為螺栓材料的屈服強度6

22、數目4安全系數2 k=1.8八 P 2 一Q - 0.5MPaZ 4Qs'KQ1.80.50.75MPa2351.17MPa11Q Q Qs'0.50.9 1.4MPa0.6MPa 1.3Q01.31.4合T2-c / / Rd13.146丁 4所以，滿足強度條件。3.2 腕部回轉機構設計計算腕部是聯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：回轉士 90o角速度W=45o/s以最大負荷計算: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 10k

23、g,長度l=650mmi3.2.1 計算扭矩M1設重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩M1為：M1=FXS(3.9)=10X9.8 X 0.2=19.6 (Nl- M)AF S F圖3-3腕部受力簡圖油缸(伸縮)及其配件的估算扭矩MF=5kg S=10cm帶入公式3.9得M2=FX S=5X 9.8 X 0.1 =4.9(Nl- M擺動缸的摩擦力矩 M摩F摩=300 (N)(估算值)S=20mm(估算值)12M 摩=F 摩 X S=6 ( N M)4、擺動缸的總摩擦力矩M(3.10 )(3.11 )M=M1+M2+ M=30.5 (N M)5.由公式(4.2 )T=PX b ( Ai2-

24、mZ X 106/8其中：b 一葉片密度，這里取b=3cm;ai擺動缸內徑，這里取A1=10cm;mm轉軸直徑，這里取 mm=3cmo所以代入(3.11 )公式P=8T/b (蟲人12-蟲2) X 106=8X 30.5/0.03 X ( 0.1 2-0.03 2) X 106=0.89Mpa又因為W=8Q/(蟲人12-蟲2) b所以Q=W( ai2- m2) b/8 ()A1=(兀 /4 ) (0.1 2-0.03 2) X 0.03/8=0.27 X 10-4m3/s=27ml/s3.2.2 螺旋擺動液壓缸尺寸設計計算1來復螺旋牙形的設計1、梯形牙形梯形牙形的來復副是國內應用較多一種牙形，

25、在此所用來復油缸的牙形中，取平均半r=20-40mm,取半徑r=20mm取牙形高h=4mm,來復母和來復桿的內外徑之差均為h,根據運動副的特點,其牙形為齒側定心，如圖，端面牙寬B=2r*sin(3.14/Z) (Z為來復螺旋的頭數，通常 Z=6)圖8端面牙型13端面牙隙Z1=0.5-1（mm）根據端面牙型各參數，利用螺旋角可算出法面牙型各參數。2、油缸活塞的設計從來復螺旋運動副的討論，可得到計算壓力和流量的關系式:Q = K* ' tgA - s當油缸的來復螺旋副結構和所需轉動的負載確定后，K1和K是定值，因此從二式可得，這樣，可根據整個液壓回路要求，合理選用升角和活塞面積。一般的來復

26、油缸把升角選得小一些,（50度左右），而活塞面積大一些，如為細長油缸，則升角選為 60度左右，塞面積則小一些。計算得，螺旋桿直徑R1=20mm£度L1=110mm螺旋套筒內徑R2=25mm外徑R3=30mmK度L2=140mm缸體內徑 R4=30mm 外徑 R5=40mmd£度 L3=120mm外法蘭直徑R5=50mm材料選擇來復油缸的活塞上總有來復螺旋和花鍵或雙來復螺旋二個運動副，故需用較高強度的材料，而對活塞與缸體的運動副，則要求活塞耐磨而不咬死，故活塞常常采用二種材料組合起來，而對活塞主體45鋼或40銘，而活塞部分采用 H誠ZQAL9-4.。為了便于加工，活塞可采用同

27、一材料，但在活塞上需用鼓形密封圈 和尼龍環的組合結構與缸體配合。軸承的選用活塞在單來復油缸缸體中作旋轉運動又作直線運動，在雙來復油缸缸體中則處于二個升角不同的旋轉運動副中，因此主軸不但承受徑向力且又承受軸向力，油缸結構中既有能承受軸向推力的滾動軸承，還有滑動軸承。按靜載荷選用滾動軸承：C>1.5W式中C- 軸承額定靜載荷（kgf ）W-載荷引起的軸向載荷（kgf）經計算，選用軸承型號為30143.3 臂部伸縮機構設計計算手臂是機械手的主要執行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。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

28、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。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。手臂的伸縮速度為 200m/s行程 L=500mm1、手臂右腔流量，公式（2.7）得：Q=sv=200X 兀 X 402=1004800mm3/s=0.1/102m3/s=1000ml/s142、手臂右腔工作壓力，公式(2.8 )得：“電P=F/S(2.12)式中：F取工件重和手臂活動部件總重，估算F=10+20=30kg , F摩=1000N。所以代入公式(2.12 )得：P= ( F+ F 摩)/S=( 30X 9.8+10

29、00 ) / 71X402=0.26Mpa3、繪制機構工作參數表如圖2.4所示：機構名稱工作速度行程工作壓力手部抓緊60nm/s251tmL儂pa117. 8m/s腕部回轉45"±9T0.27m/s小甘睇0. 26Mp已1000ml/s圖2.4機構工作參數表4、由初步計算選液壓泵 所需液壓最高壓力P=1.78Mpa所需液壓最大流量Q=1000ml/s選取CB-D型液壓泵(齒輪泵)此泵工作壓力為10Mpa,轉速為1800r/min ,工作流量 Q在3270ml/r之間，可以滿足需要。 5、驗算腕部擺動缸：T=PD( A12- mm) r mx 106/8(2.13)W=8。v

30、 v/ ( A12- mr2) b(2.14)式中：H m-機械效率取：0.850.9Hv容積效率取：0.70.95所以代入公式(2.13)得：T=0.89 X 0.03 X ( 0.1 2-0.03 2) X 0.85 X 106/8=25.8(Nl- MT<M=30.5 (Nl- M)代入公式(2.14 )得：W= (8X27X 10-6) X 0.85/ (0.1 2-0.03 2) X 0.03 =0.673rad/sW<tt /4 0.785rad/s因此，取腕部回轉油缸工作壓力P=1Mpa流量 Q=35ml/s圓整其他缸的數值：手部抓取缸工作壓力 PI =2Mpa15流

31、量 QI =120ml/s小臂伸縮缸工作壓力PI =0.25Mpa流量 QI =1000ml/s臂部液壓缸尺寸設計計算臂部的伸縮油缸采用單作用式直線油缸工作載荷的計算油缸提升的工作載荷為F,則F= K(G+Fa)/刀其中K安全系數，取 K= 1.5G運動部件所受的重力，若取 m= 200kg ,則G= mg= 200X9.8 = 1920NFa慣性載荷，Fa=G- a/g ,取起動時油缸活塞加速度a= 14m/s 2,貝U Fa=G a/g =980X14/9.8 = 4200NY液壓缸的機械效率，取0 = 0.9.F= K(G+Fa)/ r= 1.5 X( 1920+4200)/0.9= 8

32、700N主要尺寸的確定4FP2 12Pi其中,()活塞桿直徑d與D的比值，即()=d/D,這里取()=0.52 。工作載荷，前已計算過，為 8700N.p2 工件提升時有桿腔的壓強，取p2 = 2MPap1一一工件提升時無桿腔的壓強，取p1= 0MPa最后得液壓缸內徑也即活塞直徑4F4 3967D = p p2 1% = "2 1 0.55= 55.31mm若按標準取 又60mm則取d=D = 60 X 0.52 = 31mm. .取 D= 60mm,d= 31mm(3)液壓缸行程的制定升降液壓缸的行程在總體方案中根據工藝要求已給出，這里為500mm.16材料選擇工程機械、鍛壓機械等

33、工作壓力較高的場合，常用20、35、45號鋼的無縫鋼管。其中，20號鋼用的較少，因為其較軟，機械強度也低，加工粗糙度不宜保證。須與缸蓋、管接頭、耳軸等零件焊接的缸筒用35號鋼，并在粗加工后調質。不與其它零件焊接的缸筒，常用 45號鋼調質，調制處理的目的是保證強度高、加工性好，一般調質到HB241HB28S這里液壓缸筒選用 45號鋼調質.缸筒內徑采用H7配合。內孔表面的粗糙度，當活塞采用橡膠密封圈時，取 R0.4R0.1。活塞活塞材料常用耐磨鑄鐵、鋁合金或鋼外面覆蓋一層青銅、黃銅和尼龍等耐磨套。本方案活塞材料選用45號鋼。缸蓋及活塞桿導向套缸蓋采用35號鋼或45號鋼鍛彳% 或 ZG35 ZG45

34、及HT25Q HT30Q HT350等鑄鐵材料。活塞桿導向套可以是缸蓋本身，但最好在內表面堆焊黃銅、青銅或其它耐磨材料。活塞桿導向套也可另外壓入，采用鑄鐵、黃銅、青銅、或尼龍。這里材料選取45號鋼。活塞桿活塞桿有實心和空心兩種。實心的用35或45號鋼，要求高的可用 40Gr鋼。空心的用 35號、45號無縫鋼管、并要求活塞桿的一端留出焊接和熱處理的通氣孔do缸的活塞桿也選 45號鋼。液壓缸的緩沖、排氣與密封以上設計液壓缸負載不是很大，而且運行速度慢，所以不設置制動機構。這兩個液壓缸直徑和行程不是 很大，不再專門設置排氣裝置，安裝時一次將氣排空。關于密封，活塞與缸筒間、缸筒與活塞桿導套間 采用O型

35、密封圈，活塞桿與活塞桿導套間采取 Y型密封圈，Y型密封圈的唇邊面向高壓區。為防止大臂安 裝后會出現偏心，在安裝現場調配平衡重。校核(1)剛筒壁厚在中低壓液壓系統中，剛筒壁厚往往由結構工藝要求決定，一般不要校核。(2)活塞桿直徑的校核4F式中F活塞桿上的作用力活塞桿材料的許用應力,=b/1.4b=598MP174 87003.14 598=20.35mm所以活塞桿符合要求。(3)缸蓋固定螺栓的校核5.2kF ds ' z式中F液壓缸負載；K螺紋擰緊系數，k=1.121.5;Z固定螺栓個數；螺栓材料的許用應力；=s/(1.222.5), s為材料屈服點s = 225 MPa5.2kF5.2

36、 1.2 11900d s . z = . 3.14 8 225 = 3.4mm故聯接螺栓符合要求。3.4機身升降裝置的設計計算機身的直接支承和傳動手臂的部件。一般實現臂部的升降、回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者就直接構成機身的軀干與底座相連。如圖 4.4-1所示臂部和機身的配置形式基本上反映了機械手的總體布局。本課題機械手的機身設計成機座式，這樣機械 手可以是獨立的，自成系統的完整裝置，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

37、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。機身升降油缸尺寸設計計算機身部的升降油缸采用單作用式直線油缸。工作載荷的計算油缸提升的工作載荷為F,則F= K(G+Fa)/刀其中K安全系數，取 K= 1.5G運動部件所受的重力，若取 m= 300kg ,則G= mg= 400X 9.8 = 3740NFa 慣性載荷， Fa=G- a/g ,取起動時油缸活塞加速度a= 14m/s 2 ,則Fa=G- a/g =980X 14/9.8 = 4200N18r液壓缸的機械效率，取 o = 0.9.F= K(G+Fa)/刀= 1.5 X( 3740+420

38、0)/0.9=16333N主要尺寸的確定4FP2 12Pi其中，。活塞桿直徑 d與D的比值，即。=d/D,這里取。=0.52。F工作載荷，前已計算過，為 16333N.p2 工件提升時有桿腔的壓強，取P2 = 2MPap1一一工件提升時無桿腔的壓強，取p1= 0MPa最后得液壓缸內徑也即活塞直徑4F2-p2 1d =I 4 354412 1 0.552=95.13mm若按標準取 D-100mm則取 d=D = 115X0.52 = 60mm. .取 D= 100mm,d= 60mm(3)液壓缸行程的制定升降液壓缸的行程在總體方案中根據工藝要求已給出，這里為600mm.材料選擇缸筒工程機械、鍛壓

39、機械等工作壓力較高的場合，常用20、35、45號鋼的無縫鋼管。其中，20號鋼用的較少，因為其較軟，機械強度也低，加工粗糙度不宜保證。須與缸蓋、管接頭、耳軸等零件焊接的缸筒用35號鋼，并在粗加工后調質。不與其它零件焊接的缸筒，常用45號鋼調質，調制處理的目的是保證強度高、加工性好，一般調質到HB241HB28S這里液壓缸筒選用 45號鋼調質.缸筒內徑采用H7配合。內孔表面的粗糙度，當活塞采用橡膠密封圈時，取 R0.4R0.1。活塞活塞材料常用耐磨鑄鐵、鋁合金或鋼外面覆蓋一層青銅、黃銅和尼龍等耐磨套。本方案活塞材料選 用45號鋼。19缸蓋及活塞桿導向套缸蓋采用35號鋼或45號鋼鍛彳% 或 ZG35

40、 ZG45及HT25Q HT30Q HT350等鑄鐵材料。活塞桿導向套可以是缸蓋本身，但最好在內表面堆焊黃銅、青銅或其它耐磨材料。活塞桿導向套也可另外壓入，采用鑄鐵、黃銅、青銅、或尼龍。這里材料選取45號鋼。活塞桿活塞桿有實心和空心兩種。實心的用35或45號鋼，要求高的可用 40Gr鋼。空心的用 35號、45號無縫鋼管、并要求活塞桿的一端留出焊接和熱處理的通氣孔do缸的活塞桿也選 45號鋼。液壓缸的緩沖、排氣與密封以上設計液壓缸負載不是很大，而且運行速度慢，所以不設置制動機構。這兩個液壓缸直徑和行程不是 很大，不再專門設置排氣裝置，安裝時一次將氣排空。關于密封，活塞與缸筒間、缸筒與活塞桿導套間

41、 采用O型密封圈，活塞桿與活塞桿導套間采取 Y型密封圈，Y型密封圈的唇邊面向高壓區。為防止大臂安 裝后會出現偏心，在安裝現場調配平衡重。校核(1)剛筒壁厚在中低壓液壓系統中，剛筒壁厚往往由結構工藝要求決定，一般不要校核。(2)活塞桿直徑的校核4Fd .式中F活塞桿上的作用力活塞桿材料白許用應力，=b/1.4b=598MP4F 4 11900d '= ' 3.14 598 = 50.35mm所以活塞桿符合要求。(3)缸蓋固定螺栓的校核5.2kFds Z式中F液壓缸負載；K螺紋擰緊系數，k=1.121.5;Z固定螺栓個數；螺栓材料的許用應力；=s/(1.222.5),s為材料屈服點

42、s = 225 MPa205.2kF5.2 1,2 11900d s= 3 3,14 8 225 = 3.6mm故聯接螺栓符合要求。3,5機身回轉機構設計計算3.5.1腕部設計計算腕部是聯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：回轉士 90o角速度W=45o/s以最大負荷計算：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10kg,長度l=650mmo計算扭矩M1設重力集中于離手指中心 200mm處，即扭矩M1為：M1=FXS(3.9)=10X9.8 X 0

43、.2=19.6 (N- M)油缸(伸縮)及其配件的估算扭矩MF=5kg S=10cm帶入公式3.9得M2=FX S=5X 9.8 X 0.1 =4.9(Nl- M擺動缸的摩擦力矩 M摩F摩=300 (N (估算值)S=20mm(估算值)M摩=F 摩X S=6 (Nl- M)4、擺動缸的總摩擦力矩 M(3.10 )(3.11 )M=M1+M2+ M=30.5 (Nl - M)5 .由公式(4.2 )6 .一T=PX b ( A12- mr2) X 10/8其中：b 一葉片密度，這里取 b=3cm;A1擺動缸內徑，這里取A1=10cm;mm轉軸直徑，這里取 mm=3Cmo21所以代入(3.11 )

44、公式P=8T/b (加-曲2) X 106=8X 30.5/0.03 X ( 0.1 2-0.03 2) X 106=0.89Mpa又因為W=8Q/(人2-曲2) b所以Q=W( A12- m2) b/8 ()A1=(兀 /4 ) (0.1 2-0.03 2) X 0.03/8=0.27 X10-4m3/s=27ml/s3.5.2螺旋擺動液壓缸尺寸設計計算來復螺旋牙形的設計1、梯形牙形梯形牙形的來復副是國內應用較多一種牙形，在此所用來復油缸的牙形中，取平均半r=20-40mm,取半徑r=30mm,取牙形高h=6mm,來復母和來復桿的內外徑之差均為h,根據運動副的特點,其牙形為齒側定心，如圖，端

45、面牙寬 B=2r*sin(3.14/Z) (Z為來復螺旋的頭數，通常 Z=6)端面牙隙Z1=0.5-1(mm)根據端面牙型各參數，利用螺旋角可算出法面牙型各參數。2、油缸活塞的設計從來復螺旋運動副的討論，可得到計算壓力和流量的關系式:當油缸的來復螺旋副結構和所需轉動的負載確定后，K1和K是定值，因此從二式可得，這樣，可根據整個液壓回路要求，合理選用升角和活塞面積。一般的來復油缸把升角選得小一些，(50度左右)，而活塞面積大一些，如為細長油缸，則升角選為60度左右，塞面積則小一些。計算得，螺旋桿直徑R1=40mmr£度L1=210mm螺旋套筒內徑R2=45mm外徑R3=50mmK度L2

46、=260mm缸體內徑 R4=60mm 外徑 R5=80mmd£度 L3=210mm外法蘭直徑R5=130mm22 材料選擇來復油缸的活塞上總有來復螺旋和花鍵或雙來復螺旋二個運動副，故需用較高強度的材料，而對活塞與缸體的運動副，則要求活塞耐磨而不咬死，故活塞常常采用二種材料組合起來，而對活塞主體45鋼或40銘，而活塞部分采用 H誠ZQAL9-4.。為了便于加工,活塞可采用同一材料,但在活塞上需用鼓形密封圈 和尼龍環的組合結構與缸體配合。軸承的選用活塞在單來復油缸缸體中作旋轉運動又作直線運動，在雙來復油缸缸體中則處于二個升角不同的旋轉運動副中，因此主軸不但承受徑向力且又承受軸向力，油缸結

47、構中既有能承受軸向推力的滾動軸承，還有滑動軸承。按靜載荷選用滾動軸承：C>1.5W式中C-軸承額定靜載荷（kgf）W- 載荷引起的軸向載荷（kgf）經計算，選用軸承型號為601423四液壓驅動回路設計4.1 液壓回路的設計4.1.1 液壓回路圖根據潛水泵試壓機械手的動作過程和設計要求，設計該機械手液壓回路如下圖所示（采用FluidSIM-H 3.5 繪制）SQ4 二二SQ2«=行程開關SQ1 1=行程開關腰部活塞缸減壓閥11YASQ6底座擺動缸單向閥行程開關SQ54YA3YA2YA調速閥液壓源過濾器油箱調速閥15YA臂部活塞缸調速閥:T.溢流閥行程開關SQ7 SQ8腕部擺動缸6

48、YA7YA手部夾緊缸=SQ10行程開關SQ9力數碼元件描述油箱B液壓源，簡略符號8YA9YASQ11*行程開關10YAT調速閥減壓閥露速閥溢流閥三位四通電磁喇閥，中位楣自遵（i）溢流減壓閥單向閥單作用缸 液壓馬達 過濾器244.1.2 該液壓回路各部分的組成說明(1)液壓源回路：主回路由油箱，過濾器，液壓源和溢流閥組成。溢流閥保證液壓源輸出壓 力為定值。過濾器過濾油箱中的雜質，使進到系統中區的油液的污染度降低，保證系統 正常工作。(2)腰部活塞缸回路：在該回路中，腰部活塞缸提供上下移動自由度。一個三位四通閥控制油 路。單向閥和減壓閥并聯組成一個平衡回路，可防止腰部上升動作結束后液壓缸和與之 相

49、連的部件不因重力影響而下降；適合工作重量不大，活塞鎖住時定位要求不高的場合。 安裝調速閥，它可以使動作速度穩定。(3)擺動缸回路：行程開關控制轉動的角度，改變行程開關的位置，可以改變轉動的角度。 安裝調速閥，它可以防止缸旋轉結束后由于慣性而繼續擺動；也可以使是動作速度穩定(4)手部夾緊缸回路：在該回路裝了減壓閥，可以保證穩定的輸出力(即夾緊力)大小一定， 安裝調速閥是為了穩定手指夾緊速度，防止猛然動作，破壞部件。4.2 液壓系統計算與選擇液壓元件4.2.1 計算在各工作階段液壓缸所需的流量3.2確定液壓泵的流量，壓力和選擇泵的規格3.2.1 泵的壓力的確定.泵的工作壓力為 Pp=P1 + EA

50、 P,(Pp為液壓泵的最大工作壓力，取1Mpa,P1為執行元件的最大工作壓力，EA P進油管路中的壓力損失,根據系統的復雜程度，選取匯P為0.5MPa貝U Pp=PHE P=1MPa+0.5MPa=1.5Mpa計算得到的Pp為系統的靜態壓力，考慮到系統動態壓力往往超過靜態壓力。另外考慮到一定的壓力貯備量，并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力Pn應滿足Pn> (1.251.6) Pp。取 Pn=2.1MPa Pp=2.5MPa考慮到正常工作中進油路有一定的壓力損失，所以泵的工作壓力pp pip 式中：p一液壓泵最大工作壓力；p 一執行元件最大工作壓力；p一進油管路中的壓力損失，初算時簡單系統

51、可取 0.8MPappp1p (18.11MPa 0.8MPa) 19MPa另外考慮到低壓系統取小值，高壓系統取大值。在本系統中pn=1.45 pp 30MPa考慮到系統在各種工況的過渡階段出現的壓力往往超過靜壓力。4.2.2確定液壓泵的流量、壓力和選擇泵的規格25(1)泵的工作壓力的確定泵的工作壓力為 Pp=P1 + EA P, (Pp為液壓泵的最大工作壓力，取1Mpa,P1為執行元件的最大工作壓力，EA P進油管路中的壓力損失，根據系統的復雜程度，選取匯 P為0.5MPa則Pp=PHE P=1MPa+0.5MPa=1.5Mpa計算得到的Pp為系統的靜態壓力， 考慮到系統動態壓力往往超過靜態

52、壓力。另外考慮到一定的壓力貯備量，并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力Pn應滿足Pn> (1.25 1.6) Pp。取 Pn=2.1MPa Pp=2.5MPa(2)泵的流量的確定液壓泵的最大流量為：qp Kl( q)max"2>< 19.08=22.896式中：q 液壓泵的最大流量(q)一同時作用的各執行元件所需流量之和的最大值q / maxK L 系統泄漏系數，一般 K L =1.11.3，現取 K L =1.2選擇液壓泵的規格，根據以上計算得的q和Pp再查有關手冊，現選擇 CY14-1B型斜盤式軸向柱塞泵，該泵的參數為：每轉的排量q° 2.5s 250mL/r ,泵的額定壓力p。 32MPa ,電動機轉速1470r/min ,容積總效率0.92，總效率 0.8。v與液壓泵匹配的電動機的選定。首先分別算出快進與工進兩種不同工況時的功率，兩者較大者作為電動機規格的依據。由于在工進時泵的輸出流量減小，泵的功率急劇下降，一般當流量在0.21 L/min的范圍內時，可取0.30.14 ,同時還應該注意到，為了使所選擇的電動機在經過泵的流量特性曲線的最大功率點時不至電動機停轉需進行驗算即:Pb qp2p式中：Pn 一所選擇電動機額定功率；O 一限壓式變量泵的限定壓 力； pbq 壓力p時,泵的輸出流量；首先計算快進時的