【導讀】我國機器人的發(fā)展··································································&#

　　

【正文】 。 回轉(zhuǎn)軸的載荷計算 首先根據(jù)軸的機構(gòu)圖作出軸的計算簡圖，確定軸承的支點位置，根據(jù)軸的計算簡圖 作出軸的彎矩圖和扭矩圖。 從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩圖和扭矩圖中可以看出 Ⅲ — Ⅳ 段是軸的危險截面，現(xiàn)將計算出的截面處的值列于下表。 19 表 1 軸的受力分析 Table 1 Force analysis of shaft 載荷 水平面 垂直面 支反力 F NFNH ? NFNV ? 彎矩 M mmNM H ?? 8 0 8 1 4 mmNM V ?? 85125 總彎矩 mmNM ???? 5 3 9 0 0 01 8 5 1 2 8 0 8 1 4 22 扭矩 T T=166845 mmN? 進行校核時，通常只校核軸上最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面 C）的強度，根據(jù)以上數(shù)值，并取α =，軸的計算應力 ? ? ? ?aaca MPMPWaTM 3222321 ???????? （ 16） 已選定軸的材料 為 45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查得 ? ?1?? = aMP60 即 ? ?1????ca 故安全。 圖 4 軸的載荷分析圖 Fig 4 Chart of axial load 20 8 液壓系統(tǒng)的設計 機械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，從而使 手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機械能。手臂在運動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運動著的壓力油的容積變化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機械手的液壓傳動系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動。 液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成： ① 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換為油液的壓 力能，用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。 ② 液動機 壓力油驅(qū)動運動部件對外工作部分。手臂做直線運動，液動機就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運動的液動機一般叫作油馬達，回轉(zhuǎn)角小于 360176。的液動機，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動油缸）。 ③ 控制調(diào)節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運動。 機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 機械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機械手自由度的多 少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運動等。 壓力控制回路 ① 調(diào)壓回路 在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。 ② 卸荷回路 在機械手各油缸不工作時，油泵電機又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動力，降低系 統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負荷下工作，所以采用卸荷回路。此機械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控 的的 卸荷回路。 ③ 減壓回路 為了 使 機械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路前串聯(lián)一個減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。 21 ④ 平衡與鎖緊回路 在機械液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機構(gòu)因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機構(gòu)的自重給以平衡。為了使機械手手臂在移動過程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關(guān)閉，使活塞停止運動并鎖緊。本機械手采用單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。 ⑤ 油泵出口處接單向閥 在油泵出口處接單向閥。其作用有二：第一是保護油泵。液壓系統(tǒng)工作時，油泵向系統(tǒng)供應高壓油液，以驅(qū)動油缸運動而做功。當一旦電機停止轉(zhuǎn)動，油泵不再向外供油，系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定能量，將迫使油泵反方向轉(zhuǎn)動，結(jié)果產(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時間的聯(lián)系，從而起到保護油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機時，單向閥把系統(tǒng) 的油液和油泵隔斷，防止系統(tǒng)的油液通過油泵流回油箱，避免空氣混入，以保證啟動時的平穩(wěn)性。 速度控制回路 液壓機械手各種運動速度的控制，主要是改變進入油缸的流量 Q。其控制方法有兩類：一類是采用定量泵，即利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進入油缸或油馬達的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。 根據(jù)各油泵的運動速度要求，可分別采用 LI 型單向節(jié)流閥、 LCI 型單向節(jié)流閥或QI 型單向調(diào)速閥等進行調(diào)節(jié)。 節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調(diào)速范圍較大、價格便宜。其缺點是： 有壓力和流量損耗，在低速負荷傳動時效率低，發(fā)熱大。 采用節(jié)流閥進行節(jié)流調(diào)速時，負荷的變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負荷變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負荷變化會引起節(jié)流閥進出油口的壓差變化，因而使通過節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。 調(diào)速閥能夠隨負荷的變化而自動調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸的運動速度不受負荷變化的影響，對速度的平穩(wěn)性要求高的場合，宜用調(diào)速閥實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。 方向控制回路 在機械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達的運動方向和接通或關(guān)閉油路， 通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達的油路換向，實現(xiàn)直線往復運動和正反向轉(zhuǎn)動。 22 目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分為交流電磁閥（ D 型）和直流電磁閥（ E 型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為 220V（也有 380V 或 36V），直流電磁閥的使用電壓一般為 24V（或 110V）。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能好，換向時間短，接線簡單，價廉，但是如吸不上時容易燒壞，可靠性差，換向時有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。 機械手的液壓傳動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)圖的繪制是設計液壓機械手的主要內(nèi)容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足機械手動作要求的有機聯(lián)系圖。它通常由一些典型的壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專用回路所組成。 繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號，畫出液壓原理圖 [17]。 液壓系統(tǒng)的計算 計算的主要內(nèi)容是，根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)所要求的輸出力和運動速度，確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸和所需流量、確定液壓 系統(tǒng)所需的油壓與總的流量，以選擇油泵的規(guī)格和選擇油泵電動機的功率。確定各個控制閥的通流量和壓力以及輔助裝置的某些參數(shù)等。 在本機械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往復直線運動）和回轉(zhuǎn)式油缸（可以使輸出軸得到小于 360176。的往復回轉(zhuǎn)運動）及無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）。 雙作用單桿活塞油缸 ① 流量、驅(qū)動力的計算 當壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度 V1運動時所需輸入油缸的流量 Q1為 Q1 = 40? D2 V1 （ 17） 對于手臂伸縮油缸： Q1 = /s， 對于手指夾緊油缸： Q1= cm3 /s ,對于手臂升降油缸： Q1= cm3 /s 雙作用單杠 油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力 P1即油缸的驅(qū)動力為： P1 =4? D2 p1 （ 18） 對于手指夾緊油缸： p1=126N 當壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度 V2運動時所需輸入油缸的流量 Q2為： Q2 = 40? （ D2 d2 ） V2 （ 19） 23 圖 5 雙作用單桿活塞桿油缸計算簡圖 Fig 5 Double function single cylinder piston rod rod calculation diagram 對于 手指夾緊油缸： Q1= cm3 /s 油缸的有桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力 P2即油缸的驅(qū)動力為： P2 =4? （ D2 d2 ） p1 （ 20） ② 確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸 ㈠ 油缸內(nèi)徑的計算 油缸工作時，作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與活塞桿上所受的總機械載荷平衡，即 P = P1（無桿腔） = P2 （有桿腔） 油缸（即活塞）的直徑可由下式計算 14PPD ?? = Pp cm （無桿腔） 對于手指夾緊油缸： D=30mm 或 114 D2P dPP ???? cm （有桿腔） ㈡ 油缸壁厚的計算： 依據(jù)材料力學薄壁筒公式，油缸的壁厚 ? 可用下式計算： ? = ???2PD計 cm （ 21） P 計 為計算壓力 24 ??? 油缸材料的許用應力。 對于手指夾緊油缸： ? =17mm ㈢ 活塞桿的計算 可按強度條件決定活塞直徑 d 。活塞桿工作時主要承受拉力或壓力，因此活塞桿的強度計算可近似的視為直桿拉、壓強度計算問題，即 ? ???? ??42dP （ 22） 即 d ≧ ? ???P4 cm 對于手指夾緊油缸： d =15mm 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸） 圖 6 齒條活塞缸計算簡圖 Fig 6 Rack piston cylinder calculation diagram ① 流量、驅(qū)動力的計算 133 Q 2 ?? dD? （ 23） 當 D=103mm,d=40mm,? = rad/s 時 Q = 952N 25 ② 油缸內(nèi)徑的計算 根據(jù)作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與總機械載荷的平衡條件，求得 pP?4 D? cm 即 D = 45mm 圖 7 回轉(zhuǎn)油缸計算簡圖 Fig 7 The transfer cylinder calculation diagram 單葉片回轉(zhuǎn)油缸 在液壓機械手上實現(xiàn)手腕、手臂回轉(zhuǎn)運動的另一種常用機構(gòu)是單葉片回轉(zhuǎn)油缸，簡稱回轉(zhuǎn)油缸，其計算簡圖如下： ① 流量、驅(qū)動力矩的計算 當壓力油輸入回轉(zhuǎn)油缸，使動片以角速度 ? 運動時，需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量 Q為： 400 )(3 Q 22 ?dDb ?? （ 24） 當 D=100mm,d=35mm,b=35mm, ? = rad/s 時 Q= /s 回轉(zhuǎn)油缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩 M： 26 M = 8 )( 22 dDpb ? 得 M = (N178。m) ② 作用在動片（即輸出軸）上的外載荷力矩 M M = M 工 + M 封 + M 慣 + M 回 其中 M 工 為工作阻力矩 M 封 — 密封裝置處的摩擦阻力矩 M 慣 — 參與回轉(zhuǎn)運動的零部件，在啟動時的慣性力矩 M 回 — 回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背反力矩 M = +++= (N178。m) ③ 回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑的計算 回轉(zhuǎn)油缸的動片上受的合成液壓力矩與其上作用的外載荷力矩相平衡，可得： D = 28 dbpM? mm （ 25） D = 30mm 油泵的選擇 一般的機械手的液壓系統(tǒng)，大多采用定量油泵，油泵的選擇主要是根據(jù)系統(tǒng)所 需要的油泵工作壓力 p 泵 和最大流量 Q 泵 來確定。 ⑴ 確定油泵的工作壓力 p 泵 p 泵 ? p + ? △ p （ 26） 式中 p —— 油缸的最大工作油壓 ? △ p —— 壓力油路（進油路）各部分壓力損失之和，其中包括各種元件的 局部損失和管道的沿程損失。 它的準確計算要根據(jù)待定元件選定，并繪出管路圖才能進行，取 ? △ p=（ ）MPa，本系統(tǒng)因為管路不是很復雜，但在進油口和出油口接有調(diào)速閥 所以取 ? △ p= MPa 即 p 泵 ? p + ? △ p=+= MPa ⑵ 確定油泵的 Q 泵 油 泵的流量，應根據(jù)系統(tǒng) 各 個回路按設計的要求，在工作時實際所需的最大流量 Q 最大 ，并考慮系統(tǒng)的總泄漏來確定 ,對于在工作過程中有用節(jié)流調(diào)速閥的系統(tǒng)，還必須加上溢流閥的最小壓力，即 3 L/min，故 Q 最大 =+3= L/min 27 Q 泵 = K Q 最大 其中 K 一般取 — Q 泵 == L/min 根據(jù)流量和壓力，可選取 CB— 32 外嚙合齒輪泵。 此泵的參數(shù)為： Q=60 L/min P=10 MPa 轉(zhuǎn)速為 1500— 2021 轉(zhuǎn) /分 油泵 電動機 的選擇 油泵的最大工作壓力為 P= MPa 壓力損失 為 Δ P= MPa 所以有： P=+= MPa 取外嚙合齒輪泵的總效率η = 則 kwQPP PP ???? （ 27） 以現(xiàn)有功率查手冊，確定選用防護式籠型感應電動機 Y(IP34)J2，功率為 。 液壓閥的 選 擇 閥的規(guī)格，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和實際通過該閥的流量，選擇有定型產(chǎn)品的閥件，溢流閥按液壓泵的最大流量選取，選擇調(diào)速閥時，要考慮最小穩(wěn)定流量應滿足執(zhí)行機構(gòu)最低穩(wěn)定速度的要求。 控制閥的流量一般要選的比實際流量大些，必要時也允許有 20%以內(nèi)的短時間過流量。主要根據(jù)閥的工作壓力和流量來確定，本系統(tǒng)工作壓力較小，但流量中等，所以要選低壓中等流量閥。 油管的 選擇 油管的規(guī)格按元件接口處尺寸決定，液壓缸進出油管則按輸入、排出的最大流量計算，根據(jù)內(nèi)徑公式 πV4Qd? （ 28） 油管中的流速取 5m/min，由公式（ 28）得 : 無桿腔： mmd 10605π 36 ???? ?? 有桿腔： mmd 10605π 36 ???? ?? 按 JB327— 66 可得，選用內(nèi)徑 15mm，外徑 22mm 的無縫鋼管。 28 擺動缸回路油管計算，由公式（ 28）得 : mmdd 3621 ???? ??? 查機械手冊按 JB327— 66 可得，選用內(nèi)徑 15mm，外徑 22mm 的無縫鋼管。 油箱容積的選擇 確定油箱容積的公式： vaQV? （ 29） 泵的流量 vQ =，則由公式（ 29） 得 ???V 按 GB2876— 81規(guī)定，取標準值 V=250L 濾油器的選擇 在考慮選擇濾油器的時候，應該從 以下幾個方面進行考慮： (1) 具有足夠大的容油能力，壓力損失?。? (2) 過濾精度應滿足設計要求； (3) 慮芯有足夠的強度； (4) 慮芯的抗腐蝕性好，能在規(guī)定的溫度下長期穩(wěn)定工作； (5) 慮芯的更換、清洗和維護方便。 綜合以上原則，本系統(tǒng)采用網(wǎng)式濾油器，網(wǎng)上濾油器一般屬于粗濾油器，一般安裝在液壓泵的吸油油路上，以此保護油泵。網(wǎng)式濾油器具有機構(gòu)簡單，通油能力大，阻力小，易清洗等優(yōu)點。 考慮濾油器通油能力的時候，一般應大于 2倍實際流量，因此本系統(tǒng)中采用的濾油器型號為 — WU100x180. 9 結(jié)論 此次我做的畢業(yè)設計是機械手的設計，通過 一 個多月努力，設計終于完成，感覺很充實。這次設計給了我們一個很好的機會，使我們了解了設計工作的基本流程和設計的方法以及理念。 在此次的畢業(yè)設計中，我遇到了許多以前從未遇到過的問題，但過通過周教師的指導和我的努力，這些問題都得到了較好的解決。 雖然我們設計的只是個簡單的機械手，但需要完成伸縮、升降、回轉(zhuǎn)等功能，對應分別要對這些機構(gòu)進行設計和計算，以及對油路及其部件的