【正文】 液壓機械手設(shè)計方案第1章 液壓機械手總體方案設(shè)計機械手是能夠模仿人手的部分動作，按照給定的程序，軌跡和要求，實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作動作的自動化機械裝置。在工業(yè)中應(yīng)用的機械手稱為“工業(yè)機械手”。能夠配合主機完成輔助性的工作，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，機械手能夠獨立地按照程序，自動重復(fù)操作。根據(jù)課題的要求，機械手需具備上料，翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等功能，并按照自動線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動作。設(shè)計可參考以下多種設(shè)計方案： 采用直角坐標(biāo)式，自動線呈直線布置，機械手在空中行走，按照順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種方案結(jié)構(gòu)簡單，自由度少，易于配線，但需要架空行走，油液站不能固定，使得設(shè)計復(fù)雜程度增加，運動質(zhì)量增大。 直角坐標(biāo)式布局示意圖 機身采用立柱式，機械手側(cè)面行走，按照順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位的功能，自動線仍成直線布置。這種方案可以集中設(shè)計液壓站，易于實現(xiàn)電氣，油路定點連接，但是占地面積大，手臂懸伸量較大。 立柱式機械手布局示意圖 機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種方案具有電液集中、占地面積小、可從地面抓取工 件等優(yōu)點。 機座式機械手布局示意圖抓取機構(gòu)采用夾鉗式。，送放機構(gòu)將被抓取的物體送放到目的地，由手臂、手腕、等裝置組成。整個機構(gòu)選用空間球體坐標(biāo)系，有五個自由度。采用屈伸式布置。手腕作抓取運動和回轉(zhuǎn)運動，手爪采用平面指型結(jié)構(gòu)，通過液壓缸通油，推動活塞帶動杠桿機構(gòu)合攏將工件加緊。腕部用銷軸將機械手定位在手臂上，并用螺母將其鎖死，同時利用鉸鏈連接，一端與液壓伸縮缸的活塞桿相連，通過活塞的直線運動，帶動腕部使其能夠繞著回轉(zhuǎn)銷軸轉(zhuǎn)動?；剞D(zhuǎn)運動通過葉片式回轉(zhuǎn)油缸的運動來實現(xiàn)。手臂相對于機身可作回轉(zhuǎn)運動，能有效地利用空間，并能繞過障礙物夾持和送放工件。手臂采用液壓直動缸驅(qū)動，作俯仰運動，具有體積小、可集中控制、反向運動靈活等優(yōu)點?；剞D(zhuǎn)工作臺用齒輪傳動機構(gòu)，用電動機驅(qū)動，可以利用擋塊定位，~1mm。具有結(jié)構(gòu)簡單、傳遞扭矩大、傳動效率高等特點。 液壓機械手本設(shè)計的液壓機械手有五個自由度，包括機械手的抓取、回轉(zhuǎn)，手臂的拉伸、俯仰和回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)五個動作。其中將機械手抓取和回轉(zhuǎn)運動的液壓傳動集成設(shè)計，既能使得設(shè)計緊湊，又能使液壓油路集中控制。便于安裝及維護，而且編排和改變控制程序容易，使用方便。液壓機械手主要參數(shù)設(shè)計： 液壓機械手的主要參數(shù)可分為基本參數(shù)、（用于說明機械手主要性能的參數(shù)）、規(guī)格參數(shù)（標(biāo)牌上標(biāo)注的參數(shù)）、液壓參數(shù)（液壓系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)）?；緟?shù)：機械手的抓重是手臂所能抓取的物件的最大重量，而該液壓機械手是用于R175柴油機機體生產(chǎn)自動線上，主要的加工對象是柴油機機體，根據(jù)柴油機的外形參數(shù) 250X170X140mm 而柴油機機體選用的材料是鑄鐵，柴油機機體的壁厚一般為15~25mm所以，可算出機體本身的質(zhì)量為12Kg，機械手應(yīng)該有一定的安全度，可得機械手的抓重為15Kg。機械手的自由度標(biāo)志著機械手所具有的功能大小，自由度越大，機械手動作越靈活，適應(yīng)性也越強，但是自由度多也帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度高等問題，一般的專業(yè)機械手具有3~4個自由度就能很好的完成專一的任務(wù)。根據(jù)自由度的計算公式，該設(shè)計中有機械手抓取動作的V級移動副，腕部和手臂以及工作臺的V級轉(zhuǎn)動副，所以： 即機械手的自由度為5。機械手的運動速度是指機械手在全程范圍內(nèi)的平均速度，它反映機械手的使用頻率與生產(chǎn)水平。機械手的運動速度越高，則其使用效率越高，生產(chǎn)水平也就越高；但是速度越高機械手在運動過程中啟動和制動時會產(chǎn)生較大的沖擊和震動，對于機械手的定位精度影響較大。在一般情況下，機械手的運動速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性要求和定位精度要求而定。根據(jù)柴油機機體生產(chǎn)自動線上的生產(chǎn)節(jié)拍30min/件，手臂工作的回轉(zhuǎn)半徑為1000mm，加工過程所需時間為26min，因此。機械手臂運動的行程范圍與機械手的抓重、坐標(biāo)形式、驅(qū)動方式、運動精度等多方面因素有關(guān)，對于通用型和多功能機械手，行程范圍和回轉(zhuǎn)范圍應(yīng)盡可能大些，使其適應(yīng)性能大幅度地增強。機械手的手臂伸縮應(yīng)與行程范圍及工作半徑相適應(yīng)，以保證機械手的剛度，定位精度。機械手的行程為機械手的最大工作區(qū)間，即球體的面域。 位置精度是衡量機械手工作質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，它包括位置設(shè)定精度和重復(fù)定位精度。我們所說的位置精度是指重復(fù)定位精度。位置精度的高低取決于位置的控制方式及機械書運動部件本身的精度和剛度，此外，它還與機械手的抓重及運動速度有關(guān)。目前工業(yè)機械手大多數(shù)都采用點位控制，這種控制只要求運動起點和終點的位置精度，而不管起點到終點的運動過程。因此，可以采用行程開關(guān)和電位計定電控元件，進行位置精度的控制。液壓參數(shù)： 液壓系統(tǒng)參數(shù)是根據(jù)執(zhí)行元件和泵的類型進行設(shè)計，根據(jù)擬定的液壓系統(tǒng)圖，計算出各個液壓控制閥及輔件的壓力與流量的系統(tǒng)參數(shù)，而液壓系統(tǒng)參數(shù)的計算必須逐一將各工作階段形成的參數(shù)計算出后，經(jīng)過分析比對，加權(quán)折扣后才能確定系統(tǒng)參數(shù)。 ，液壓泵的工作壓力和流量,考慮到進油路的壓力損失取=106Pa，油液的泄漏系數(shù)取λp=，抓取動作和回轉(zhuǎn)動作所需的工作壓力為=，MPaL/min符合設(shè)計的要求。因此 擬定的液壓系統(tǒng)方案中。第2章 執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計抓取機構(gòu)的工作原理工業(yè)機械手的抓取機構(gòu)又稱手部，是用來直接抓取工件或握持工件的部件。本設(shè)計采用的是夾鉗式機械手，通過液壓缸內(nèi)活塞的直線運動帶動杠桿機構(gòu)和手爪，緊緊的包絡(luò)，用包絡(luò)力和摩擦力對工件施加完全約束，使得工件相對于手爪固定，完成抓取任務(wù)。當(dāng)機械手水平夾持工件時 水平夾持物體受力圖根據(jù)手指受力分析，可得： 聯(lián)立可解得： 夾緊工件所需的力； 工件的重力 ；， 尺寸。根據(jù)任務(wù)書的要求，代入=15Kg , 并取=50mm , =80mm。 可得：N因工件在傳輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生慣性力，震動等影響，故實際力 機械效率， =~ 取= 安全系數(shù)，=~2 取= 工作情況系數(shù)， N 液壓缸驅(qū)動手爪受力圖因為 所以由結(jié)構(gòu)設(shè)計可得 mm，mm 。Nmm，mm 。 驅(qū)動力, 系統(tǒng)工作壓力 取 N/mm2 ， 機械效率取=按照J(rèn)B82666的標(biāo)準(zhǔn)，取, 液壓缸壁厚的確定 根據(jù) 試驗壓力， MPa 許用應(yīng)力 選取30鋼為液壓缸材料，可得=200 MPa將數(shù)據(jù)代入：mm根據(jù)工藝的要求 ,取mm液壓缸外徑及長度的確定：長度 取 .已知： , ，mm，mm選用30鋼材料。 選用45鋼，活塞直徑的d計算與校核：查機械材料手冊可以得到：b=355MPa, s=600MPa；則MPamm根據(jù)GB/T 23481993 選定的活塞桿：mm所以：mm 活塞桿的強度符合設(shè)計要求：選用20鋼材料?？紤]到密封和緊固，將活塞設(shè)計成如下 活塞密封件采用標(biāo)準(zhǔn)件，所以活塞上開槽的尺寸就可以確定了?；钊拿芊獠捎肶型密封圈，Y型密封圈是一種密封性、穩(wěn)定性和耐壓性較好，摩擦力小、壽命較長的密封圈。它能用于往復(fù)運動的密封，特別是動密封處。當(dāng)受到油壓作用時，Y型密封圈的二唇邊就緊緊地貼壓到缸筒和活塞壁上而起到密封的作用?；钊c活塞桿的連接采用活塞桿的軸肩定位，并用調(diào)整墊片調(diào)節(jié)松緊程度。利用開槽圓螺母將其鎖緊， 圓螺母的選擇：由于活塞桿的直徑已確定為，軸肩的高度為1mm，可以采用公稱直徑為M8的圓螺母。查標(biāo)準(zhǔn)GB/T 61791986 可得： 開槽圓螺母同時，查GB/T 912000與其相配合使用的是開口銷2x16。材料為Q215或 Q235。 開口銷。根據(jù)彈簧設(shè)計計算公式： 彈簧受力圖根據(jù)彈簧的強度條件選擇彈簧鋼絲的直徑：因彈簧在一般載荷條件下工作，可以按照第三類彈簧來考慮，現(xiàn)選用彈簧鋼絲為C級，并根據(jù) 估計彈簧的直徑為3mm， 查表可得 MPa，可以算得MPa選取旋繞比C=6 則由：選取=4mm ，查得不變，故不變，取mm則計算得=與原值相近，所以 取=4mm彈簧的大徑 mm取 MPa則取5彈簧校核：根據(jù)： 綜合上述兩式可得：=150符合設(shè)計的要求。極限工作應(yīng)力： 取 極限工作載荷： MPa查標(biāo)準(zhǔn)GB/T ，中徑為mm，自由高度為mm。有效圈數(shù)為5圈。選用彈簧的材料為65Mn，彈簧硬度要達(dá)到45~50HRC. 彈簧： 液壓缸端蓋O型密封圈具有結(jié)構(gòu)簡單，截面尺寸小，密封性能好，摩擦系數(shù)小，容易制造等特點，可用于靜密封和滑動密封。其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，摩擦力比其他密封圈小，安裝方便，價格便宜，可在40~120176。C溫度范圍內(nèi)工作，~。適用于本設(shè)計，因此采用O型圈密封。聚四氟乙烯是一種新型塑性材料，摩擦系數(shù)極小，耐磨性好，并且能在干性和油性的環(huán)境下工作。所以添加了聚四氟乙烯制成的密封導(dǎo)向環(huán)，不僅能夠阻隔各種雜物，還能起到密封的效果。端蓋采用的是法蘭式的連接，這種結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，連接可靠。缸筒端部可用鑄造。管道尺寸的計算和確定： 油管的內(nèi)徑是根據(jù)管內(nèi)允許的流速和所通過的流量來確定的：即：式中： ——通過油管的流量。 ——油管中允許的流速。而壓力管道內(nèi)的流速取m/s。計算所得根據(jù)GB/T 10471995可得到管徑為mm：擴口式管接頭適用于薄壁鋼管，接頭采用55176。密封管螺紋，由內(nèi)外螺紋的配合能夠具有密封性。查GB/T 可得： 管接頭回轉(zhuǎn)缸設(shè)計本設(shè)計采用單葉片式回轉(zhuǎn)缸，它由定子塊，缸體，葉片，回轉(zhuǎn)軸組成，其中定子塊固定在缸體上，葉片和回轉(zhuǎn)軸固定在一起。當(dāng)液壓油從一個入口進入缸體的時候，葉片被推動并帶動回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，同理，從相反的入口進入能使其逆向轉(zhuǎn)動。單葉片式回轉(zhuǎn)缸結(jié)構(gòu)緊湊，輸出的扭矩大，能夠用于中低壓的系統(tǒng)作往復(fù)運動。 考慮到擺動缸的容積效率和機械效率，葉片式擺動缸軸輸出扭矩 式中： 葉片數(shù)；葉片寬度 ；缸體內(nèi)孔直徑； 葉片軸直徑；缸的進口壓力；缸的出口壓力；缸的輸入量。 MPa的油壓， MPa。為了方便固定葉片，葉片軸的直徑初步定為=25mm 回轉(zhuǎn)缸剖面圖葉片與葉片軸之間采用銷進行定位，為了方便拆裝和維修，選用內(nèi)螺紋圓錐銷，底部的螺紋孔可起到拔銷的作用。查 GB/T 1182000 選取A型內(nèi)螺紋圓錐銷，GB/T 118 6X24 內(nèi)螺紋圓錐銷本設(shè)計采用伸縮缸和回轉(zhuǎn)缸復(fù)合，回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)軸是由活塞缸的后端部構(gòu)成的，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，特別是對于液壓系統(tǒng)能夠集中控制。 機械手抓取機構(gòu)如圖所示，液壓葉片回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)軸與液壓活塞缸做成一個整體，使得結(jié)構(gòu)非常緊湊，軸向尺寸小，液壓系統(tǒng)的油路布置清晰，密封的環(huán)節(jié)可以集中處理，便于檢修和維護。： 機械手腕部外觀圖液壓機械手的腕部利用銷軸鉸接在機械手臂上，使其能夠繞著銷軸轉(zhuǎn)動。為了保證銷軸回轉(zhuǎn)精度和延長使用壽命，在銷軸與手臂之間設(shè)一個耐磨的青銅軸套，軸套與機械手臂之間的配合采用基孔制，而軸套與軸之間回轉(zhuǎn)的過程中會產(chǎn)生熱量，引起銷軸的變形，因此，選用的配合。腕部采用液壓活塞缸驅(qū)動，固定在腕部的連桿與液壓活塞缸的活塞桿相連接，通過活塞桿的直線運動來驅(qū)動機械手腕部轉(zhuǎn)動。伸縮缸選擇：考慮到該設(shè)計手腕部所需的回轉(zhuǎn)扭矩較小，擬選用YY_CA 活塞桿外端形式選擇： 活塞桿接頭安裝的結(jié)構(gòu)為鉸制接頭，孔徑為mm，活塞桿的直徑為mm。液壓缸用雙耳環(huán)支座安裝： 液壓缸安裝支座雙耳環(huán)支座的參數(shù)如圖所示。俯仰運動時驅(qū)動力的計算 手臂受力圖 () 而 作用于活塞上的驅(qū)動力； P 液壓缸的工作力； D 活塞缸的內(nèi)徑； 密封裝置的摩擦阻力 非工作缸的油壓（背壓）當(dāng)手臂處在俯角的位置時，驅(qū)動力矩為：當(dāng)手臂處在水平位置時，驅(qū)動力矩為 手臂俯仰時的驅(qū)動力矩，應(yīng)克服手臂部件及工件的重量對回轉(zhuǎn)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩、手臂啟動時的慣性力矩以及各回轉(zhuǎn)副的摩擦力矩，即 手臂作俯仰運動時的偏心力矩，手臂上仰為正，下俯為負(fù)； 手臂做俯仰運動的慣性力矩； 手臂作俯仰運動時，各運動副的摩擦力矩；可以初步確定機械手臂的尺寸。 手臂對手臂受力進行計算 手臂受力校核手臂在水平方向上的力平衡：同理，在豎直方向上的力平衡： 手臂上的所有力對于O點力矩平衡：NN底座機身設(shè)計有安裝耳環(huán)，液壓缸的耳環(huán)與機身底座通過銷軸鉸接，用螺栓鎖死。既能夠滿足液壓缸在機身上的定位要求，又能夠保證液壓缸在回轉(zhuǎn)和直線運動中不會偏轉(zhuǎn)。機身的設(shè)計如圖所示： 機械手底座具體設(shè)計機身底座的參數(shù)如下： 底座回轉(zhuǎn)工作臺安裝：回轉(zhuǎn)工作臺的箱體設(shè)計有光孔，并安底座。因此機械手的底座可以安放在工作臺上或支架平臺上?！∠潴w材料為HT200中等強度的灰鑄鐵，需時效處理。