液压机械手设计说明书范本doc 53页.docx

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前言

近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

例如：

在机床加工，装配作业，劳动条件差，单调重复易于疲劳的工作环境以及在危险场合下工作等。

随着工业技术的发展，工业机器人与机械手的应用范围不断扩大，其技术性能也在不断提高。

在国内，应用于生产实际的工业机器人特别是示教再现性机器人不断增多，而且计算机控制的也有所应用。

在国外应用于生产实际的工业机器人多为示教再现型机器人，而且计算机控制的工业机器人占有相当比例。

带有“触觉”，“视觉”等感觉的“智能机器人”正处于研制开发阶段。

带有一定智能的工业机器人是工业机器人技术的发展方向。

第1章液压机械手总体方案设计

机械手总体设计方案拟定

机械手是能够模仿人手的部分动作，按照给定的程序，轨迹和要求，实现自动抓取、搬运或操作动作的自动化机械装置。

在工业中应用的机械手称为“工业机械手”。

能够配合主机完成辅助性的工作，随着工业技术的发展，机械手能够独立地按照程序，自动重复操作。

根据课题的要求，机械手需具备上料，翻转和转位等功能，并按照自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。

设计可参考以下多种设计方案：

采用直角坐标式，自动线呈直线布置，机械手在空中行走，按照顺序完成上料、翻转、转位等功能。

这种方案结构简单，自由度少，易于配线，但需要架空行走，油液站不能固定，使得设计复杂程度增加，运动质量增大。

图直角坐标式布局示意图

机身采用立柱式，机械手侧面行走，按照顺序完成上料、翻转、转位的功能，自动线仍成直线布置。

这种方案可以集中设计液压站，易于实现电气，油路定点连接，但是占地面积大，手臂悬伸量较大。

图立柱式机械手布局示意图

机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、翻转、转位等功能。

这种方案具有电液集中、占地面积小、可从地面抓取工件等优点。

图机座式机械手布局示意图

总体方案选定

抓取机构采用夹钳式。

，送放机构将被抓取的物体送放到目的地，由手臂、手腕、等装置组成。

整个机构选用空间球体坐标系，有五个自由度。

采用屈伸式布置。

手腕作抓取运动和回转运动，手爪采用平面指型结构，通过液压缸通油，推动活塞带动杠杆机构合拢将工件加紧。

腕部用销轴将机械手定位在手臂上，并用螺母将其锁死，同时利用铰链连接，一端与液压伸缩缸的活塞杆相连，通过活塞的直线运动，带动腕部使其能够绕着回转销轴转动。

回转运动通过叶片式回转油缸的运动来实现。

手臂相对于机身可作回转运动，能有效地利用空间，并能绕过障碍物夹持和送放工件。

手臂采用液压直动缸驱动，作俯仰运动，具有体积小、可集中控制、反向运动灵活等优点。

回转工作台用齿轮传动机构，用电动机驱动，可以利用挡块定位，且定位误差在~1mm。

具有结构简单、传递扭矩大、传动效率高等特点。

图液压机械手

本设计的液压机械手有五个自由度，包括机械手的抓取、回转，手臂的拉伸、俯仰和回转工作台的回转五个动作。

其中将机械手抓取和回转运动的液压传动集成设计，既能使得设计紧凑，又能使液压油路集中控制。

便于安装及维护，而且编排和改变控制程序容易，使用方便。

液压机械手主要参数设计：

液压机械手的主要参数可分为基本参数、（用于说明机械手主要性能的参数）、规格参数（标牌上标注的参数）、液压参数（液压系统设计参数）。

基本参数：

1.抓重

机械手的抓重是手臂所能抓取的物件的最大重量，而该液压机械手是用于R175柴油机机体生产自动线上，主要的加工对象是柴油机机体，根据柴油机的外形参数250X170X140mm而柴油机机体选用的材料是铸铁，密度为mm2

柴油机机体的壁厚一般为15~25mm所以，可算出机体本身的质量为12Kg，机械手应该有一定的安全度，取安全系数为，可得机械手的抓重为15Kg。

2.自由度

机械手的自由度标志着机械手所具有的功能大小，自由度越大，机械手动作越灵活，适应性也越强，但是自由度多也带来了结构复杂，制造精度高等问题，一般的专业机械手具有3~4个自由度就能很好的完成专一的任务。

根据自由度的计算公式，该设计中有机械手抓取动作的V级移动副，腕部和手臂以及工作台的V级转动副，所以：

即机械手的自由度为5。

3.运动速度

机械手的运动速度是指机械手在全程范围内的平均速度，它反映机械手的使用频率与生产水平。

机械手的运动速度越高，则其使用效率越高，生产水平也就越高；但是速度越高机械手在运动过程中启动和制动时会产生较大的冲击和震动，对于机械手的定位精度影响较大。

在一般情况下，机械手的运动速度应根据生产节拍、生产过程的平稳性要求和定位精度要求而定。

根据柴油机机体生产自动线上的生产节拍30min/件，手臂工作的回转半径为1000mm，加工过程所需时间为26min，因此，机械手抓取和送放的运动速度为s。

4.行程范围

机械手臂运动的行程范围与机械手的抓重、坐标形式、驱动方式、运动精度等多方面因素有关，对于通用型和多功能机械手，行程范围和回转范围应尽可能大些，使其适应性能大幅度地增强。

机械手的手臂伸缩应与行程范围及工作半径相适应，以保证机械手的刚度，定位精度。

机械手的行程为机械手的最大工作区间，即球体的面域。

5.位置精度

位置精度是衡量机械手工作质量的一项重要指标，它包括位置设定精度和重复定位精度。

我们所说的位置精度是指重复定位精度。

位置精度的高低取决于位置的控制方式及机械书运动部件本身的精度和刚度，此外，它还与机械手的抓重及运动速度有关。

目前工业机械手大多数都采用点位控制，这种控制只要求运动起点和终点的位置精度，而不管起点到终点的运动过程。

因此，可以采用行程开关和电位计定电控元件，进行位置精度的控制。

液压参数：

1.油压设计校核液压系统参数是根据执行元件和泵的类型进行设计，根据拟定的液压系统图，计算出各个液压控制阀及辅件的压力与流量的系统参数，而液压系统参数的计算必须逐一将各工作阶段形成的参数计算出后，经过分析比对，加权折扣后才能确定系统参数。

选取系统的工作压力为，液压泵的工作压力和流量,考虑到进油路的压力损失取=×106Pa，油液的泄漏系数取λp=，抓取动作和回转动作所需的工作压力为=，选用的流量为min

MPa

L/min

符合设计的要求。

因此拟定的液压系统方案中，油压参数定位。

第2章执行机构的设计

抓取机构的设计

抓取机构的工作原理

工业机械手的抓取机构又称手部，是用来直接抓取工件或握持工件的部件。

本设计采用的是夹钳式机械手，通过液压缸内活塞的直线运动带动杠杆机构和手爪，紧紧的包络，用包络力和摩擦力对工件施加完全约束，使得工件相对于手爪固定，完成抓取任务。

当机械手水平夹持工件时

图水平夹持物体受力图

根据手指受力分析，可得：

联立可解得：

夹紧工件所需的力；工件的重力；，尺寸。

根据任务书的要求，代入=15Kg,并取=50mm,=80mm。

可得：

N

因工件在传输的过程中会产生惯性力，震动等影响，故实际力

机械效率，=~取=

安全系数，=~2取=

工作情况系数，

N

图液压缸驱动手爪受力图

因为

所以

由结构设计可得mm，mm。

N

mm，mm。

驱动力,系统工作压力取N/mm2，机械效率取=

按照JB-826-66的标准，取,

液压缸壁厚的确定

根据

试验压力，MPa

许用应力选取30钢为液压缸材料，可得=200MPa

将数据代入：

mm

根据工艺的要求,取mm

液压缸外径及长度的确定：

长度取.

已知：

1.活塞液压缸,，mm，mm

选用30钢材料。

2.活塞杆选用45钢，活塞直径的d计算与校核：

查机械材料手册可以得到：

b=355MPa,s=600MPa；

则MPa

mm

根据GB/T2348-1993选定的活塞杆：

mm

所以：

mm

活塞杆的强度符合设计要求

3.活塞：

选用20钢材料。

考虑到密封和紧固，将活塞设计成如下

图活塞

密封件采用标准件，所以活塞上开槽的尺寸就可以确定了。

活塞的密封采用Y型密封圈，Y型密封圈是一种密封性、稳定性和耐压性较好，摩擦力小、寿命较长的密封圈。

它能用于往复运动的密封，特别是动密封处。

当受到油压作用时，Y型密封圈的二唇边就紧紧地贴压到缸筒和活塞壁上而起到密封的作用。

活塞与活塞杆的连接采用活塞杆的轴肩定位，并用调整垫片调节松紧程度。

利用开槽圆螺母将其锁紧，

圆螺母的选择：

由于活塞杆的直径已确定为，轴肩的高度为1mm，可以采用公称直径为M8的圆螺母。

查标准GB/T6179-1986可得：

图开槽圆螺母

同时，查GB/T91-2000与其相配合使用的是开口销2x16。

材料为Q215或Q235。

图开口销

4.本设计采用弹簧使抓取液压缸复位。

根据弹簧设计计算公式：

图弹簧受力图

根据弹簧的强度条件选择弹簧钢丝的直径：

因弹簧在一般载荷条件下工作，可以按照第三类弹簧来考虑，现选用弹簧钢丝为C级，并根据估计弹簧的直径为3mm，查表可得MPa，可以算得MPa

选取旋绕比C=6则由：

选取=4mm，查得不变，故不变，取mm

则

计算得=

与原值相近，所以取=4mm

弹簧的大径mm

取MPa

则

取5

弹簧校核：

根据：

综合上述两式可得：

=<150

符合设计的要求。

极限工作应力：

取

极限工作载荷：

MPa

查标准GB/T选取弹簧的截面直径为mm，中径为mm，自由高度为mm。

有效圈数为5圈。

选用弹簧的材料为65Mn，弹簧硬度要达到45~50HRC.

图弹簧

5.抓取液压缸端盖：

图液压缸端盖

O型密封圈具有结构简单，截面尺寸小，密封性能好，摩擦系数小，容易制造等特点，可用于静密封和滑动密封。

其结构简单紧凑，摩擦力比其他密封圈小，安装方便，价格便宜，可在-40~120°C温度范围内工作，使用的速度范围是~s。

适用于本设计，因此采用O型圈密封。

聚四氟乙烯是一种新型塑性材料，摩擦系数极小，耐磨性好，并且能在干性和油性的环境下工作。

所以添加了聚四氟乙烯制成的密封导向环，不仅能够阻隔各种杂物，还能起到密封的效果。

端盖采用的是法兰式的连接，这种结构简单，加工方便，连接可靠。

缸筒端部可用铸造。

管道尺寸的计算和确定：

油管的内径是根据管内允许的流速和所通过的流量来确定的：

即：

式中：

——通过油管的流量;——油管中允许的流速。

而压力管道内的流速取m/s。

计算所得根据GB/T1047-1995可得到管径为

mm

6.管接头的选择：

扩口式管接头适用于薄壁钢管，接头采用55°密封管螺纹，由内外螺纹的配合能够具有密封性。

查GB/T可得：

图管接头

回转缸设计

本设计采用单叶片式回转缸，它由定子块，缸体，叶片，回转轴组成，其中定子块固定在缸体上，叶片和回转轴固定在一起。

当液压油从一个入口进入缸体的时候，叶片被推动并带动回转轴转动，同理，从相反的入口进入能使其逆向转动。

单叶片式回转缸结构紧凑，输出的扭矩大，能够用于中低压的系统作往复运动。

考虑到摆动缸的容积效率和机械效率，叶片式摆动缸轴输出扭矩

式中：

--------叶片数；

----------叶片宽度；

---------缸体内孔直径；

---------叶片轴直径；

---------缸的进口压力；

---------缸的出口压力；

---------缸的输入量。

该设计选用MPa的油压，而出口的回