液压机械手设计说明书.docx

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1、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

2、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1.1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

3、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：1.1.1 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1.1.1 直角坐标式布局示意图1.1.2 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1.1.2 立柱式机械手布局示意图1.1.3 机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、翻转、

4、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1.1.3 机座式机械手布局示意图1.2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

5、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0.51mm。具有结构简单、传递扭矩大、传动效率高等特点。 图1.21 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

6、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0.01g/mm2柴油机机体的壁厚一般为1525mm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1.3，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

7、题，一般的专业机械手具有34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100

8、0mm，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0.1m/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

9、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1.6MPa ，液压泵的工作压力和流量,考虑到进油路的压力损失取=0.3106Pa，油液的泄漏系数取p=1.1，抓取动作和回转动作所需的工

10、作压力为=1.1MPa，选用的流量为4.5L/minMPaL/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1.6MPa。第2章 执行机构的设计2.1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。2.1.1夹持力的计算当机械手水平夹持工件时图2.11 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，

11、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， =0.850.95 取=0.9 安全系数，=1.22 取=1.5 工作情况系数， N2.1.2液压缸驱动力的设计计算图2.12 液压缸驱动手爪受力图因为 所以由结构设计可得 mm，mm 。Nmm，mm 。2.1.3夹紧液压缸主要尺寸的确定 驱动力, 系统工作压力 取 N/mm2 ， 机械效率取=0.9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=200 MPa将数据代入：mm根据工艺的要求 ,取

12、mm液压缸外径及长度的确定：长度 取 .2.1.4液压活塞缸的设计已知：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MPamm根据GB/T 2348-1993 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2.1.4.1 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

13、。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/T 6179-1986 可得：图2.1.4.2 开槽圆螺母同时，查GB/T 91-2000与其相配合使用的是开口销2x16。材料为Q215或Q235。 图2.1.4.3 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2.1.4.4 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

14、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=1.26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：=106.48，可以满足要求，考虑到此经济型数控铣床有可能使用较大的切削用量，应选稍大转距的步进电机，以便留有一定的余量，决定采用130BF001步进电机，查得130BF001步进电机最高空载起动频率和运行频率满足要求。校核步进电机转距a、等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴撒谎能够的总的转动惯量（

15、）可以按下试计算： Kgcm2 试中：步进电机转子转动惯量(Kgcm2) 工作台及工件等移动部件的重量（N）； ，齿轮的转动惯量；初选反应式步进电机130BF001，其转子转动惯量为：=4.65 Kgcm2对于轴、轴承、齿轮、联轴节等圆柱体的转动惯量计算公式为： (Kgcm2)对于钢材，材料密度为代入上式，有：Kg/cm2式中： 圆柱体质量（kg）； 圆柱体直径（cm）； 圆柱体长度（cm）；因此： = Kgcm2 = Kgcm2 = Kgcm2代入式 考虑步进电机与传动系统惯性匹配问题： 基本满足惯性匹配的要求。第3章 液压驱动、控制系统的设计3.1液压驱动回路设计1. 液压系统回路分析本机

16、械手采用液压驱动系统是由一些基本的回路组成，主要有以下回路：1.1调压回路液压系统的压力必须与负载相适应，以减少动力消耗和减少发热。本机械手采用双联定量泵供油，用溢流阀来调定压力，使系统在恒定的或限制的最高压力下工作。溢流阀所起到的作用：起安全阀的作用（防止液压系统过载）在系统正常工作的情况下，阀关闭不溢流，系统的压力决定于外载荷。当系统的压力达到阀的调定压力时，阀开启溢流。此时系统的压力就是阀的调定压力。图3.1.1 调压回路1.2调速回路由于俯仰运动采用的是双联同步运动的液压缸，因此要保证液压缸以相同的位移和速度运动。本设计采用分流阀控制同步回路，通过保证进入液压缸的流量相等来实现速度的同

17、步，精度可达2%5%。此时，溢流阀的作用是维持系统压力恒定。在本节流调速回路中，溢流阀在工作时为常开，通过溢流出多余的油液而维持系统压力的基本平衡。通过中间缸活塞二边的运动保持两缸的流量基本相等。 图3.1.2 调速回路1.3保压回路本设计采用复合式泵的保压回路，当系统压力较低时，低压大泵和高压小泵同时供油；当系统压力升高到卸荷阀调定的压力时，大泵卸荷，小泵供油保持溢流阀调定的压力值。由于保压状态下液压缸只需要微量位移，仅用小泵供给，便减少系统发热，减低能耗。图3.1.3 保压回路1.4换向回路采用O型机能的三位四通换向阀，滑阀在中间位置时油路全封闭，液压缸锁紧。由于液压缸充满液压油，故能从静

18、止到启动较平稳，且换向冲击小，换向复位精准。图3.1.4 三位四通换向阀当液压伸缩缸带动手爪夹持工件时须停留一段时间，这时活塞杆不需要移动，但是仍要保持一定的压力。此时可以将三位四通阀处在中间位置，通过中立加压能使整个回路转化为差动电路，不仅能为下步的油缸的运动加速，还能起到密封的功能。三位四通阀能通过电磁控制，因此，能够通过设定的程序来调控电信号的变化，从而通过三位四通电磁阀改变油路的变化。1.5缓冲回路本设计采用蓄能器减少冲击，当液压回路压力升高时，蓄能器吸收能量，减少冲击，实现缓冲。当液压系统工作时，由于泵的故障或突然断电等原因使得油泵不能正常供油时，为了确保工作安全，蓄能器可作应急动力

19、源，向回路释放压力油，使工件不会脱落。图3.15 缓冲回路3.2控制系统方案设计该设计采用的是机械内在反馈开环控制系统方案。内在反馈系统内部各参数之间互为因果关系，这对动态性能有非常重要的影响，而且难以控制。此时，系统按照一定的规律联系相关的元素，通过信号的传输和交换。系统表现出处在运动状态下，是由于元素之间有着联系，有信息的传输与交换。因此，在系统中通过反馈校正来改善控制系统的性能。采用校正系统后，除了能收到校正效果外，还能消除系统的不可变部分中为反馈所包围的那部分环节的参数波动对系统的影响。当系统一些参数，特别是压力，随着工作条件的改变而发生大幅度的变化时，系统能够取出适当的反馈信号，即有

20、条件采用反馈校正，是恰当的。下图为反馈校正框图：图3.2.1 反馈框图开环系统的优点是系统简单、成本低，但缺点是精度不高。3.3液压泵及液压原件选择液压泵选择在机械手工作过程中，手爪的伸缩和手臂的回转速度变化范围大，为了节省能量，减少系统发热，选用双联叶片泵供油。其中一个为小流量泵，另一个为大流量泵，两泵可分别向系统提供一定量的压力油，也可以同时向系统供应较大流量的液压油，以满足执行器对速度的要求。两泵可以通过溢流阀调定的压力来控制。选用双联叶片泵，其型号为YB-6/40，系统的压力为1.62.5MPa，电动机的功率为5.5Kw.同步转速为1500r/min。液压泵站的油箱容量为25L。在油箱

21、处还应设置滤油器，滤油器在液压系统中，滤除外部或者系统运转中内部产生的液压油的固体杂质，使液压油保持清洁，延长液压原件的使用寿命，保证液压系统的工作可靠性。该设计中液压系统的压力为1.62.5 MPa，为一般液压系统，液压系统中固体颗粒的大小约为2550m选取的普通网式滤油器，装在液压泵的吸油管路上。该滤油器具有结构简单、通油能力大，清洗方便，容易拆换等特点。液压系统原件的选择溢流阀：Y6-60 ; 单向阀：Y10B ; 调速阀：Q63B ; 节流阀：L-25B ； 换向阀：34E-63B 。驱动缸的选定：驱动缸的内径和活塞杆外径的计算由方案设计得驱动缸的内径即为回转缸内直径，设此工作压力P=

22、6.3Mpa则：缸筒内径 D=mm，按JB2183-77,选取D=40mm；由活塞杆直径d=0.45D=0.4540=18mm。按JB2183-77,选取d=20mm。驱动缸外径及行程：按GB1068-67得D=60mm；由GB2349-80选取缸的行程S=650mm。强度校核：A、壁厚校核：由于,故可视为薄壁，=2.4mm；显然=102.4mm,故壁厚安全。B、活塞杆的稳定性校核：活塞杆断面回转半径k=20/4=5mm；m=85,由于两端铰链n=1；故细长比l/k=630/7=90,而=85；故l/k,因mm4此时P=1005kN；而实际使用时，为了保证活塞杆不产生纵向弯曲，则PP/nF=1

23、005/4=251.3kN。（nF=4）参 考 文 献1 天津大学工业机器手设计基础编写组.工业机器手设计基础M，天津；天津科技出版社，19802 华东纺织工学院,哈尔滨工业大学,天津大学,主编.机床设计图册M，上海；上海科学技术出版社，1981.53 何存兴.液压元件M，北京;北京机械工业出版社，19824 王占林.近代液压控制M，北京;北京机械工业出版社，19975 机械设计手册编辑组编.机床设计手册M.北京：机械工业出版社，1986.126 雷天觉.新编液压工程手册M，北京;北京理工大学出版社，19987 濮良贵，纪名刚机械设计 第七版M北京：高等教育出版社，200358 卜炎机械传动装

24、置手册M北京：机械工业出版社1998129 陈宏钧实用机械加工工艺手册第二版M北京机械工业出版社，2003110 哈尔滨工业大学理论力学教研室编理论力学第六版M北京：高等教育出版社，2004411 刘鸿文材料力学 第四版M北京：高等教育出版社，2004312 张利平液压传动系统及设计M北京化学工业出版社，北京工业装备与信息工程出版社，2005813 马纲，王之栎，韩松元一种新型搬运码垛机械手的设计J北京：北京航空航天大学，10008314 章跃，张国生机械制造专业英语M北京机械工业出版社，19991215 杨叔子 杨克冲 机械工程控制基础 第五版M武汉：华中科技大学出版社，2005716 孙桓

25、，陈作模，葛文杰. 机械原理 第七版M北京：高等教育出版社2006517 李广弟，朱月秀，冷祖祁.单片机基础M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.618 李建勇.机电一体化M.北京：科学出版社，2004谢 辞本次设计是对自己大学四年来所学东西的一次总结，在设计中出现过许多的状况，也从中学习了许多。从分析论文的任务要求，到搜索相关的资料，拓展自己的知识面，一步步收获颇多。我最初做了一套设计方案，但到后来做到一定的程度时，我发现最初的设计有很大的缺陷，“从头再来”。这无疑是对自己设计的一次挑战和创新，我接受了颜老师给我的建议，从他的身上，我学到了许多，一种以身作则，一种负责的态度，一种豁达的

26、人生观。一种学机械就必须按照一定的标准来衡量一切事物的方法论。感谢颜竟成老师对我的精心指导。英 文 翻 译A Cutter Orientation Modification Method for the Reduction of Non-linearity Errors in Five-Axis CNC MachiningABSTRACTIn the machining of sculptured surfaces，five-axis CNC machine tools provide more flexibility to realize the cutter position as its

27、 axis orientation spatially changes .Conventional five-axis machining uses straight line segments to connect consecutive machining data points ,and uses linear interpolation to generate command signals for positions between end points，Due to five-axis simultaneous and coupled rotary and linear movem

28、ents, the actual machining motion trajectory is a non-linear path. The non-linear curve segments deviate from the linearly interpolated straight line segments, resulting in a non-linearity machining error in each machining step. These non-linearity errors, in addition to linearity error, commonly create obstacles to the assurance of high mach