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1、由于部分原因，说明书删除部分，完整版说明书CAD图纸，联系153893706液压控制的移置机械手的设计摘 要：本次设计的液压传动机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图。机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的夹紧、伸缩、升降、横移均采用伸缩油缸。文章主要叙述了机械手的设计计算过程，全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。本设计的机械手可在空间抓放物体，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。关键词： 机械手；液压
2、；控制回路The Design Of Displacement Manipulator Based On Hydrolytic Control Abstract: The design of hydraulic driving manipulator according to the order of moves, use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design of manipulator, and draw
3、ing the necessary assembly, hydraulic system map. Manipulator mechanical structure using tanks, screw, guide tubes and other mechanical device component; In the hydraulic drive bodies, manipulator arm clamping, telescopic, lifting and traverse using telescopic tank. The paper mainly narrated the des
4、ign and calculation of light and transfer manipulator, The comprehensive exhaustive discussion has transported manipulators hand, the arm, the fuselage and so on ,which the major structural design computation.The design of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，can replace
5、 the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger work pieces .Keywords : Manipulator ; Hydraulic; Control Loop1 绪论1.1 前言几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯（Talons)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了
6、近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电
7、子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备1。 1.2 工业机械手在生产中的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬运、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连
8、续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用2。关于液压控制的移置机械手的设计有以下几个主要内容：1、设计装配图2、测绘零件图3、设计液压控制系统图4、
9、编写设计计算说明书1.3 机械手的组成要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机械手的性能。一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成3。如图1图1 机械手的组成Fig1 The Manipulators composition1.3.1 执行机构（1） 手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真
10、空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于
11、2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。（3） 臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此
12、，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。1.3.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.3.3 控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。2 总体设计方案2.1 机械手的确定常用工业机械手按驱动方式分:直角座标式、圆柱座标式、球座标式、
13、多关节式。如图2所示，其中直角座标式手臂可沿X、Y、Z座标轴作直线移动，即伸缩、升降和横移。其特点是直观性好，所占空间位置大。根据设计任务锁需，特选定为直角座标式4。该机械手具有4个自由度，即：手抓张合；手臂伸缩；手臂横移；手臂升降4个主要运动。该机械手主要由3个大部件和4个液压缸组成：图2 机械手座标型式Fig2 The Mechanical hand Coordinate type（1）手部 采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2）臂部 采用直线缸来实现手臂平动。（3）机身 采用两个直线缸来实现手臂的升降和横移。 根据以上参数，图3 是机械手整体结构示意图。 图3 整体结构示
14、意图Fig3 Overall structural diagram2.2 驱动机构的选择此处已删除7.2 液压泵的选择压力计算 （19）式中 液压缸或液压马达的最大工作压力 液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失 压力继电器调整压力高出系统最大压力之值，取的标准计算要待元件选定，并绘出管路时才能进行，初算时可以按经验数据选取，管路简单的可选，管路复杂的，进油口有调速阀的15，取。流量计算 （20）式中 系统泄露系数 同时动作的液压缸或液压马达的最大流量。对于在工作过程中用节速调速阀的系统还必须加上溢流阀的最小流量，一般取。查液压设计手册，可选取定量叶片泵。查表选择型，它的主要参数为：
15、 转速为7.3 确定电机功率液压泵最大工作压力，压力损失，则：查液压设计手册，取定量叶片泵的总效率为，则： （21）电机一般允许短时间超载查产品样本，选用Y112M-2型电机，功率为。7.4 液压阀的选择阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过阀的流量，选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵最大流量选取，选择调速阀时，必须保证最小稳定流量能满足执行机构最低稳定速度的要求16。控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有以内的短时间过流量。选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量来确定，本系统工作压力较小，流量也较小，所以选择低压低流量的阀。本液压系统中，三个液压缸选取三位四通O
16、型换向阀换向，使得机械手能顺利完成所规定的动作，主油路上选取一个三位四通O型阀来控制油路。换向阀的开启与关闭通过电气开关或压力继电器来控制，运动速度由调速阀通过调节油路的流量来控制。部分油路采用单向阀来保持压力，用溢流阀来保护液压缸17。通过上面的计算和校核，初步决定使用以下液压元件，在经济性和安全性方面都能满足要求。选择的元件型号及规格如下表3：表3 液压元件型号及规格Table 3 The type and specifications of components序号 元件名称 估计流量 型号 规格1，21 油 箱 2 定量叶片泵 3 溢流阀 10通径 4，20 三位四通O型 8通径 换向
17、阀 5 调速阀 ，16通径 6 三位四通O型 8通径 换向阀8,12,13 行程开关7 调速阀 5通径11,15, 调速阀 10通径 19 调速阀 10通径10,17 三位四通O型 8通径 换向阀14，16,18 压力继电器 调压7.5 油管的设计各元件间间接管道的规格由元件接口处尺寸决定，液压缸进出油管则按输入，排出的最大流量计算。油管的内径按公式计算。根据表3数值当油液在油管中流速取，算得液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为18：伸缩缸： 油管按JB827-6选用内径为，外径为的无缝钢管。升降缸： 油管按JB827-6选用内径为，外径为的无缝钢管。横移缸： 油管按JB827-6选用内径
18、为，外径为的无缝钢管。7.6 油箱的设计油箱的功用主要是储存油液，此外还起着散发油液中热量（在周围环境温度较低的情况下则是保持油液中热量）、释放处混在油液中的气体、沉淀在油液中污染物等作用。油箱的有效面积（油面高度80%时的容积）应根据液压系统发热、散热平衡的原则来计算，这项计算在系统负载较大、长期连续工作时时必不可少的19。但对于一般情况而言，油箱的有效容积可按液压泵的额定流量估计出来。可按下式计算： （22）式中 油箱的有效容积 与系统有关的经验数字；低压系统，中压系统，高压系统。次液压系统为低压系统，取，又已知，则：根据国际标准JB-T7938-1995选用300L的油箱。8 液压系统的
19、验算8.1 压力损失的验算实际油液是有粘性的，所以流动时要损耗一部分热量，这种热量损失表现为压力损失。能量的损耗转变为热量，使液压系统的温度升高。液体在流动时产生的压力损失包括两部分，一部分是沿程压力损失，另一部分是局部压力损失。8.1.1 回路压力损失的验算因为Y轴横移缸的动作回路系统油路较多而管路损失较大，所以主要验算横移缸这段管路损失，管内径为，流量为，即，设管长为，选用机械油，正常运行向右的运动粘度，油的密度。 油在管中实际的流速为： （23）所以在油管中为层流状态，其行程阻力系数为： （24）回路压力损失为：8.1.2 局部压力损失的验算局部压力损失包括通过管路和管接头处的管路局部压
20、力损失，以及通过控制阀的局部压力损失，但由于管路局部压力损失相对控制阀的局部压力损失小得多，所以主要计算控制阀的局部压力损失。从原理图可以看出，从叶片泵出口到伸缩缸进油口要经过电磁换向阀C，调速阀，调速阀和电磁换向阀Y。电磁换向阀C的额定流量为，额定压力损失，调速阀的额定流量，额定压力损失为，调速阀的额定流量为，额定压力损失为，电磁换向阀的额定流量为，额定压力损失为。代入下式，则局部压力损失为：8.2 计算液压系统的发热温升这项验算时用热平衡原理来对油液的温升值进行估计。单位时间内进入液压系统的热量是液压泵输入功率和液压执行元件有效功率之差，假如这些热量全部由油箱散发出去，不考虑系统其他部分的
21、散热效能，则油液温升的估算公式可以根据不同的条件分别从有关的手册中找出来。油液温升的计算式可以用单位时间内输入热量和油箱有效容积近似地表示成： （25）液压系统工作时，除开执行元件驱动外载荷输出有效功率外，其余功率损失全部转化为热量，使油温升高。（1）液压泵的功率损失： （26）式中 工作循环周期液压泵的输入功率各台液压泵的总效率 第台泵的工作时间 投入工作的液压泵的台数（2）液压执行元件的功率损失： （27）（3）溢流阀的功率损失20： （28）（4）液压油液流经阀或管路的功率损失： （29）总的功率损失： （30）由公式（8.3）计算，油液温升为： （31）式中 油箱的散热面积 油管的散热
22、面积 、散热系数经计算，温升没有超过允许的范围，因此本设计液压系统中不需要冷却器。9 小结通过此次毕业设计，使我了解了机械手的很多相关知识，尤其是液压机械手。使我也了解了当前国内外在此方面的一些先进生产和制造技术，了解了机械手设计的一般过程，通过对机械手的结构设计作了系统的设计，掌握了一定的机械设计方面的基础。为以后的工作学习创造了一定基础。1、 本次毕业设计只是对移置机械手的结构和驱动做了系统的计算设计，设计中涉及到机械手的控制问题，但对这方面还是有点模糊，需要在以后的工作学习中了解和掌握。2、 本次设计的是方形零件移置机械手的设计，但是为了适应工业需求，本次设计在手指部分做了小小的改进，这
23、样不仅可以抓取方形零件，还可以抓取轴状零件，但相对于通用机械手，动作固定，结构简单，同时成本低廉，专用性比较高，可实现车间内的一些搬运工作。3、采用液压传动，液压输出力较大，臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构，实现连续控制，使机械手用途更广，定位精度一般非常高，在1mm内。4、 该机械手选择配置二指夹持手指，抓取一般方形零件。必要时可以更换手抓，抓取其它形状零件。5、 由于设计经验知识水平的局限，本次设计难免有不足之处，还望读者见量，指正。 参考文献1 张建民. 工业机器人M. 北京理工大学出版社，1992；页码 2-5.2 金茂菁. 我国工业机器人发展现状J. 机器人技术与应用， 2
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