燈殼沖壓上下料機械手液壓系統(tǒng)設計

燈殼沖壓上下料機械手液壓系統(tǒng)設計,沖壓,上下,機械手,液壓,系統(tǒng),設計 寧XX大學 畢業(yè)設計(論文) 燈殼沖壓上下料機械手 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 摘 要 機械手是在在機械化、自動化生產過程中發(fā)展的一種新型裝置,使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置。機械手能代替人類、重復枯燥完成危險工作，提高勞動生產力,減輕人勞動強度。該裝置涵蓋了位置控制技術可編程控制技術、檢測技術等。本課題擬開發(fā)的物料液壓機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數(shù),可代替人工在高溫危險區(qū)進行作業(yè)，。 關鍵詞：機械手, 液壓機械手，燈殼沖壓，提升 41 Abstract A robot is a new type of device development in mechanization and automation of the production process, an automated device has a gripping and moving the workpiece functional use. Robot can replace humans, the risk of repeating the boring work to complete, improve labor productivity, reduce human labor intensity. The device covers the position control programmable control technology, detection technology. The subject material to be developed hydraulic robot can pick and place objects in space, flexible operation, change the relevant parameters according to changes in the movement of the workpiece and the process requirements at any time, you can replace the manual operation in high temperature danger zone. Keywords: robot, hydraulic manipulator, light shell stamping, upgrade 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 緒論 1 1.1課題背景及目的 1 1.2 本課題研究的目的和意義 2 1.3 液壓機械手概念 2 1.4 國內液壓機械手的研究 2 第2章 燈殼沖壓上下料液壓機械手設計要求與方案 4 2.1 液壓機械手設計要求 4 2.2 基本設計思路 4 2.2.1 系統(tǒng)分析 4 2.2.2 總體設計框圖 4 2.2.3 液壓機械手的基本參數(shù) 5 2.3 液壓機械手結構設計 5 2.4 機械手材料的選擇 5 2.5機械臂的運動方式 6 2.6 液壓機械手驅動方式的選擇 6 2.7 動作要求分析 7 2.8 液壓機械手結構及驅動系統(tǒng)選型 7 第3章 機械手機械部分的設計計算 8 3.1 手部結構 8 3.1.1 端執(zhí)行器的要求 8 3.1.2 手爪的分類和選取 8 3.2 機械手手爪設計計算 9 3.2.1 手爪的力學分析 9 3.2.2 夾緊力及驅動力的計算 10 3.3 夾緊液壓缸的設計 10 3.4 手爪夾持范圍計算 12 3.5 機械手手爪夾持精度的分析計算 13 3.6 彈簧的設計計算 14 3.7升降方向設計計算 17 3.7.1 初步確系統(tǒng)壓力 17 3.7.2 升降液壓缸計算 17 3.7.3 活塞桿的計算校核 19 3.7.4 液壓缸工作行程的確定 20 3.7.5 活塞的設計 21 3.7.6 導向套的設計與計算 21 3.7.7 端蓋和缸底的計算校核 22 3.7.8 缸體長度的確定 23 3.7.9 緩沖裝置的設計 23 3.7.10 液壓缸的選型 23 3.8 水平方向設計計算 25 3.8.1 水平方向計算 25 3.8.2 液壓缸的選型 25 3.9機身結構的設計校核 27 3.10 螺柱的設計與校核 27 3.11 繪制液壓系統(tǒng)圖 29 第4章 液壓集成塊的設計 30 4.1塊式集成的結構 31 4.2塊式集成的特點 31 4.3塊式集成液壓控制裝置的設計 32 4.4 計算和選擇液壓元件 35 4.5 液壓系統(tǒng)性能的驗算 36 總結 37 參考文獻 38 致 謝 39 第1章 緒論 1.1課題背景及目的 由于現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，在工業(yè)生產和日常生活中，液壓機械手技術得到了廣泛的應用。智能型液壓機械手的研究是近年來科學家同意致力的方向。式液壓機械手的人體模型，它可以模擬各種人類行為和人類的外部特征。未來的液壓機械手的管家將不是夢想。 根據(jù)不同的液壓機械手的結構，液壓機械手可以分為各種各樣的。輪式移動機械手，履帶式液壓機械手，機械手，行走液壓機械手等。值得一提的是，行走液壓機械手，他是近年來類機的一個重要研究成果。移動它最喜歡的動物甚至人類交談。這是一個非常復雜的自動化程度很高的運動。與傳統(tǒng)的輪式和履帶式液壓機械手相比，對環(huán)境的適應性。在工作空間很小，在崎嶇的道路上，樓梯等。不久的將來，這項技術將被廣泛使用。 在研究中，液壓機械的生產，對液壓機械手設計的計算機模擬中的應用是一個非常重要的過程。包括零件建模，裝配液壓機械手的仿真，與運動仿真。通過仿真，設計師可以觀察各機構的運動非常直觀，知道沒有干擾；可以了解各部件的受力，不同的模擬數(shù)據(jù)。該方法大大降低了開發(fā)時間和成本。 在學校的畢業(yè)設計是機械設計制造及其自動化專業(yè)學習的最后一個環(huán)節(jié)，學習在大學四年的繼續(xù)深化和檢驗，具有實踐性和綜合性，是不是一個單一的其他替代方案，通過畢業(yè)設計可以提高綜合能力的培養(yǎng)，是要去上班，提高實際工作能力起著非常重要的作用。為了實現(xiàn)以下目標： （1）基本理論，基本知識和基本技能的綜合運用，提高分析和解決實際問題的能力。 （2）接受全面的培訓工程師必須，提高實際工作能力。為調查研究，文獻和數(shù)據(jù)收集和分析能力；設計和開發(fā)測試計劃能力；設計，計算和繪圖能力的提高；總結和撰寫論文的能力。 （3）的綜合素質和實踐能力的測試。 1.2 本課題研究的目的和意義 （1）通過對的設計使我們得到對所學相關課程的綜合訓練； （2）傳統(tǒng)的配料以人為主體，而人的操作總是有失誤的，并不如機器可靠。本設計，自動上料系統(tǒng)效率高，反應快，確保高質量進行工作。 （3）本設計的主要任務是通過自動送料系統(tǒng)送到別的地方 傳統(tǒng)夾緊機構對加工時的干涉太大，對生產量影響較大，設計一款新的夾緊機構，使得加工時間縮短，加工精度得到保證，生產量得到提高。 1.3 液壓機械手概念 目前，工業(yè)機械手的概念，世界是不統(tǒng)一，分類是不一樣的。國際標準化聯(lián)合國最近采用了美國機械手協(xié)會定義了工業(yè)機械手的組織：工業(yè)機械手是一種可編程的多功能操作裝置，可以改變行動計劃，完成各種工作，主要用于材料處理，工件傳送。 液壓機械手（機械手）是一臺自動執(zhí)行工作。它是一個產品的控制理論，先進的集成機械電子，計算機，材料和仿生。在工業(yè)，醫(yī)學，農業(yè)，建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要的應用。 液壓機械手是一種有代表性的，機械的和電子控制系統(tǒng)，自動化程度高的生產工具，在近50年的發(fā)展。在制造業(yè)中，液壓工業(yè)機械手技術已經得到了廣泛的應用。這是一個高的自動化程度，改善勞動條件，保證產品質量和提高工作效率，發(fā)揮了非常重要的作用?？梢哉f，他是現(xiàn)代工業(yè)的技術革命。 執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手，腕，臂，底座，一個主要的運動系統(tǒng)。 主要由液壓機械手執(zhí)行系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。 手抓（或吸附，控股）和松開工件或工具的部分，由手指（或吸收），驅動元件和驅動元件。 1.4 國內液壓機械手的研究 工業(yè)液壓機械手的應用在日本有著悠久的歷史。在七十年代當工業(yè)液壓操縱器，然后經過十年的發(fā)展，已在工業(yè)液壓機械手八十年代流行。他們的年工業(yè)產值迅速增加。1980達到一千億日元，1990至六千億日元。在2004達到了一兆和八千五百億日元。這表明工業(yè)液壓機械手在提高生產效率的重要性。 在國際上，各個國家都實現(xiàn)了工業(yè)液壓機械手的重要性。因此，工業(yè)液壓機械手訂單銳減。相比于2003 2002百分之十的增長的訂單。然后工業(yè)液壓機械手的需求量仍在上升。從2001到2006，超過90000的全球經濟增長中的訂單。7%的平均年增長率。 國際工業(yè)液壓機械手的發(fā)展方向： 液壓機械手涉及多學科、多領域的知識。包括：計算機，電子，控制，人工智能，傳感器，通信和網(wǎng)絡，控制，機械等。液壓機械手的發(fā)展離不開主題。正是由于各學科整合的相互作用，創(chuàng)建一個自動化程度高，其。隨著科學技術的進步，在液壓機械手的應用范圍越來越廣泛；技術越來越高，功能更強大。它是液壓機械手的研究向小型化發(fā)展。液壓機械手將更多地進入人們的日常生活?？偟陌l(fā)展趨勢是模塊化，標準化，智能化。 廣泛應用于工業(yè)液壓機械手，以提高質量和生產力，產品安全人員安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高生產效率，節(jié)約原材料的消耗，降低了生產成本，具有非常重要的作用。廣泛應用于工業(yè)液壓機械手的以人為本的原則，它的出現(xiàn)使人們的生活更方便、美好。液壓機械手工業(yè)是一個大型高新技術工業(yè)計算機，后車?，F(xiàn)代軍事工業(yè)，液壓機械發(fā)展的市場前景是非常好的。從第二十世紀起，液壓機械行業(yè)的穩(wěn)步增長。在第二十世紀九十年代，液壓機械產品的開發(fā)和快速增長，年均增長率超過百分之十。在2004到百分之二十的記錄。亞洲液壓機械手的更多需求，年增長率高達百分之四十三。經過40年的發(fā)展，應用工業(yè)液壓機械手的許多領域。生產中使用最廣泛的液壓機械手。如制造焊接，熱處理，表面涂層，加工，裝配，測試和倉庫，毛（沖壓，壓鑄，鍛坯等）等操作，代替人工操作的液壓機械手，極大地提高了生產效率。 第2章 燈殼沖壓上下料液壓機械手設計要求與方案 2.1 液壓機械手設計要求 設計一種液壓機械手,用于燈殼沖壓上下料機械手,可上升下降,可左右旋轉,可手部伸長縮短,可夾持工件. 2.2 基本設計思路 2.2.1 系統(tǒng)分析 該機械手是實現(xiàn)生產過程自動化，提高勞動生產率的有力工具。為了在生產過程實現(xiàn)自動化，機械化，自動化的綜合技術經濟分析的需要，從而判斷是否適當?shù)臋C械手。以完成機械手的設計，一般都要先做以下工作： （1）根據(jù)使用場合的機械手機械手的，明確的目標和任務。 （2）機械手的工作環(huán)境分析。 （3）對系統(tǒng)要求的分析，確定了機械手和方案的基本功能，如自由度的數(shù)目，機械手的運動速度，定位準確，抓住重。此外，根據(jù)抓斗液壓質量，形狀，尺寸和批量生產，以確定的形式和機械手的位置和握力的大小。 在這方面，我分析如下： （1）為手材料液壓機械設計問題，機械手是物料輸送機械手。雖然機械手的使用場合，也非常廣泛，涉及到材料的狀態(tài)，環(huán)境因素的作業(yè)線，比我的知識和能力，我選擇了材料液壓機械手的小對象處理非生產線。 （2）由于機械手我選擇的是材料的液壓機械手，小對象處理非生產線。因此，系統(tǒng)的工作環(huán)境下，機械廠，準確度高，故障率低，速度。 2.2.2 總體設計框圖 圖2 總體設計框圖 如圖2為總設計框圖，說明如下： (1) 控制系統(tǒng)：任務是根據(jù)機械手的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來的信號，控制機械手的執(zhí)行機構，使其完成規(guī)定的運動和功能。主要設計目標為CPU的選擇，CPU程序的編寫調試等。 (2) 驅動系統(tǒng)：驅動系統(tǒng)工作的驅動裝置。 (3) 機械系統(tǒng)：包括機身、機械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標形式，并計算得出具體結構。 (4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。 2.2.3 液壓機械手的基本參數(shù) 1. 機械手的最大液壓物料的重量是它的主參數(shù)。 2. 運動速度直接影響機械手的動作快慢和機械手動作的穩(wěn)定性，所以運動速度也是是物料物料液壓機械手的一個主要的基本參數(shù)。設計速度過低的話，會無法滿足機械手的動作功能，限制機械手的使用范圍。設計的速度過高又會加重機械手的負載并影響機械手動作的平穩(wěn)性。 3. 伸縮行程和工作半徑是決定機械手工作范圍及整機尺寸的關鍵，也是機械手設計的基本參數(shù)。 3.定位精度也是機械手的主要基本參數(shù)之一。機械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味著成本的增加。綜合考慮，該物料液壓機械手的定位精度設定定位精度±0.3mm。物料液壓機械手的各個部分的基本參數(shù)可以由上面已經知道的物料液壓機械手各關節(jié)的行程和時間分配來決定。 2.3 液壓機械手結構設計 根據(jù)所設計的機械手的運動方式：機械臂的轉動，機械臂的升降。根據(jù)上文所說的，機械手按照坐標的分類情況，選擇圓柱坐標式機械手更為妥當。 2.4 機械手材料的選擇 機械手的材料應根據(jù)手臂的工作條件，滿足機械手的設計和制造要求。從設計思想，機械臂完成各種運動。因此，對材料的要求是為移動部件，它應該是輕質材料。另一方面，手臂振動經常的運動過程中，這將大大減少它的運動精度。所以在材料的選擇上，綜合考慮的質量，剛度，阻尼的需要，從而有效地提高了機械臂的動力學性能。此外，機械手選材料和不同材料的一般結構。機械手是一種伺服機構，受控制，必須考慮其可控性。在臂的材料選擇，可控性和可加工性的材料，結構，質量性能的考慮。 總之，選擇一個機械臂的材料，應考慮強度，剛度，重量輕，彈性，耐沖擊，外觀和價格等因素。這里有幾個機械手使用的材料： （L）的高強度鋼，碳素結構鋼和合金結構鋼：這類材料的強度，特別是合金結構鋼的強度增加了4 ~ 5倍，彈性模量，抗變形能力，是最廣泛使用的材料； （2）鋁，鋁合金等輕合金材料的共同特點是重量輕，彈性模量E的小，但材料的密度小，與E／P比值還與鋼相比； （3）陶瓷：陶瓷材料具有良好的質量，但易碎，但處理不好，接頭需要特殊的設計與金屬零件。然而，日本已開發(fā)ARM陶瓷機械手用于高速機械手的樣品； 從機械手設計的角度來看，不需要負載能力在材料的選擇，也不需要高彈性模量和抗變形能力，除了要考慮到材料成本，加工和其他因素。在各種因素的措施，結合鋁合金的初步選擇的工作條件，如機械臂組件。 2.5機械臂的運動方式 機械手的運動形式有五種常見的SCARA型，直角坐標式極坐標型，聯(lián)合型和圓柱坐標。根據(jù)運動形式的選擇主要運動參數(shù)為基礎的結構設計。一種運動形式以滿足不同生產工藝的需要，可以采用不同的結構。選擇表格的具體位置，必須根據(jù)操作要求，工作地點，和液壓工作中心線方向的變化，比較和選擇。 這種機械手的定位2個肩關節(jié)和肘關節(jié)的1，2或3手腕方向。其中，繞垂直軸肩，另一個肩斜度。肩關節(jié)的兩個正交軸。平行于第二軸肩關節(jié)，考慮到機械手的工作特點，這就要求動作靈活，具有較大的工作空間，結構緊湊，占用空間小，關節(jié)式機械手的選擇。如圖所示。這種配置，動作靈活，工作空間大，干涉儀的最小空間機械臂操作，結構緊湊，占地面積小，關節(jié)相對運動部位易密封與防塵。但這種機械手運動學逆解比較復雜，難以確定的端元；態(tài)度不夠直觀，并在控制，計算量比較大。 圖3 常見的運動方式 2.6 液壓機械手驅動方式的選擇 機械手使用的驅動方式主要有液壓驅動，液壓驅動和電機驅動的四種基本形式。 但是，與液壓傳動相比，低功耗，能源，液壓傳動結構相對簡單的速度不易控制，精度不高。 油馬達驅動能量是簡單，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速變化的機制，高效，靈活的控制。 液壓驅動的特點是功率大，結構簡單，省去了減速裝置，響應速度快，精度高。但需要有液壓源，但也容易漏氣。 首先，我會選擇驅動電機，但考慮到純機械結構的機械手的運動并不能達到理想的傳播效果。如果你使用液壓或液壓傳動機械臂的旋轉，必須與回轉液壓或旋轉液壓缸，結構比較復雜，不利于設計。 改進后的方案，將驅動方式分為兩個部分。其機械臂伸縮，升降機械手抓抓，采用液壓驅動方式。 2.7 動作要求分析 動作一：送 料 動作二：預夾緊 動作三：手臂上升 動作四：手臂旋轉 動作五：小臂伸長 動作六：手腕旋轉 預夾緊 手臂上升 手臂旋轉 手臂伸長 手臂轉回 手腕旋轉 圖2.2 液壓機械手動作簡易圖 2.8 液壓機械手結構及驅動系統(tǒng)選型 本課題所設計的液壓機械手為通用型的液壓機械手，其中坐標系為圓柱坐標系結構。驅動系統(tǒng)選用油馬達驅動和液壓驅動，油馬達驅動用于機座的旋轉和手臂的上下移動，液壓驅動用于手臂的伸縮和液壓機械手的夾取和翻轉[3]。 第3章 機械手機械部分的設計計算 3.1 手部結構 四自由度氣動機械手采用夾持式手部結構，由手爪和傳力機構所組成。其傳力結構形式多樣，有楔塊杠桿式、滑槽杠桿式、連桿杠桿式、齒輪齒條平行連桿式、左右旋絲杠平移型[10]，本設計采用滑槽杠桿式的傳力機構。 3.1.1 端執(zhí)行器的要求 （1）不論是夾持或是吸附，末端執(zhí)行器需具有滿足作業(yè)要求的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度。 （2）應盡可能使末端執(zhí)行器結構簡單，緊湊、重量輕，以減輕手臂的負荷。專用的末端執(zhí)行器機構簡單，工作效率高，而能完成多種作業(yè)的萬能末端執(zhí)行器可能具有結構復雜、費用昂貴的缺點，因此提倡設計可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器[10]。 3.1.2 手爪的分類和選取 工業(yè)機器人中應用的機械式夾持器多為雙指手爪式，按其手爪的運動方式可分為平移型和回轉型?；剞D型手爪又可分為單支點回轉和雙支點回轉型，按夾持方式可分為外夾式和內撐式，按驅動方式有電動、液壓和氣動三種。 回轉型夾持器結構較簡單，但當所夾持的工件直徑有變化時，將引起工件的軸心偏移。這個偏移量稱為夾持誤差。 平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置，但其架構復雜，體積大，制造精度要求高。 當設計機械式夾持器式，在滿足工件定位精度要求的條件下，盡可能采用結構較簡單的回轉型夾持器。[10] 結合機械手設計任務書中要求：手爪開合角為60度，且能夠抓取重約1kg的圓柱形鐵質工件。所以本設計采用雙支點回轉型滑槽杠桿式手爪。 3.2 機械手手爪設計計算 3.2.1 手爪的力學分析 下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿，如圖3-1為常見的滑槽杠桿式手部結構。 圖3-1 滑槽杠桿式手部結構、受力分析 1——手指 2——銷軸 3——杠桿 = （3-1） 式中： ——驅動力； ——夾緊力； ——手指的回轉支點到對稱中心的距離； ——手指長度； ——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。 由分析可知，當驅動力一定時，角增大，則夾緊力也隨之增大，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好=~。 3.2.2 夾緊力及驅動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 （1）手指對工件的夾緊力可按公式計算： （3-2） 式中: ——安全系數(shù)，通常1.2~2.0； ——軸向力； ——V形手抓的開合角； ——工件和手抓間的摩擦系數(shù)； 計算：設a=10mm,b=30mm, =，求夾緊力和驅動力 。 設K=1.5，，0.3 根據(jù)公式，將已知條件帶入得： （2）根據(jù)驅動力公式得： 由于實際采用的液壓缸驅動力大于計算，把手抓的機械效率考慮在內，一般取。 （3）取 （3-3） 3.3 夾緊液壓缸的設計 （1）液壓缸工作壓力的確定 由表3-1取液壓缸工作壓力 表3-1 液壓負載常用的工作壓力 負載F/N <5000 5000~ 10000 10000~ 20000 20000~ 30000 30000~ 50000 >50000 工作壓力p/MPa <0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 >5~7 （2）液壓缸內徑和活塞桿直徑的確定 可由下式推算出液壓缸的內徑D： （3-4） 預設活塞桿直徑d=0.5D,液壓缸工作壓力P=0.4MPa,根據(jù)機械設計手冊液壓傳動分冊P22-125，選取液壓缸內徑為：D=32mm。 可以得出活塞桿內徑為: d=0.5D=320.5=16mm，選取d=14mm。 （3）缸筒壁厚和外徑的設計 缸筒直接承受壓縮空液壓力，必須有一定厚度。一般液壓缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: （3-5） 式中， —— 缸筒壁厚，(mm)； —— 液壓缸內徑，(mm)； —— 液壓缸試驗壓力，一般?。≒a）； ——液壓缸工作壓力 （Pa）； ——缸筒材料許用應力（Pa）。 本設計手爪夾緊液壓缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL1060,[]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: （4）手部活塞桿行程長L計算 活塞桿的位移量S可推得： S （3-6） 液壓缸的活塞行程與其使用場合及工作機構的行程比有關。多數(shù)情況下不應使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機構。為保證夾緊效果，必須按計算行程多加的行程余量[11]。 （3-7） 故液壓傳動手冊圓整為。 （5）手爪部分總質量估算： （3-8） 其中：手爪部分和活塞桿材料采用45鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金ZL106 查相關手冊可得， 45號鋼密度為 ； ZL1060的密度為 。 手爪部分總質量約為 ： 3.4 手爪夾持范圍計算 為了保證手爪張開角為，活塞桿運動長度為27mm。 （a）手爪最小夾持半徑 （b）手爪最大夾持半徑 圖3-2 手爪張開示意圖 手爪夾持范圍的計算，手指長30mm，當手抓沒有張開角的時候，如圖3-2（a）所示，根據(jù)機構設計，它的最小夾持半徑=10，當張開時，如圖3-2（b）[12]所示，最大夾持半徑計算如下： 機械手的夾持半徑從。 3.5 機械手手爪夾持精度的分析計算 機械手的精度設計要求工件定位準確,抓取精度高,重復定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能力。 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，一定要進行機械手的夾持誤差計算。 圖3-3 手爪夾持誤差分析示意圖 該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。 機械手的夾持范圍為10mm~26mm。 一般夾持誤差不超過1mm,分析如下： 工件的平均半徑： （3-9） 手指長,取V型夾角 偏轉角按最佳偏轉角確定： （3-10） 計算 ： （3-11） 當時帶入有： 所以夾持誤差滿足設計要求。 3.6 彈簧的設計計算 選擇彈簧按照壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3-4所示，計算過程[13]如下。 圖3-4 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù) （1）選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應力 （2）選擇旋繞比C=8，則 （3-12） （3）根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=22mm，估算彈簧絲直徑 （4）試算彈簧絲直徑 （3-13） 取3mm。 （5）根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （3-14） 選擇標準為，彈簧的總圈數(shù)圈 （6） 最后確定： ，，， （7） 對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象壓縮彈簧的長細比，本設計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。? 當兩端固定時，,當一端固定；一端自由時，；當兩端自由轉動時，。 彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。 （8） 疲勞強度和應力強度的驗算。 對于循環(huán)次數(shù)多、在變應力下工作的彈簧，還應該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應力強度進行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時，可只進行靜應力強度驗算）。 現(xiàn)在由于本設計是在恒定載荷情況下，所以只進行靜應力強度驗算。計算公式： （3-15） 選取1.3~1.7（力學性精確能高） （3-16） 經過上式校核，彈簧滿足要求。 以上對機械手的手部和手爪進行了設計，并且對夾緊液壓缸進行了選取計算，對夾持范圍和夾持精度進行了計算，最后對彈簧強度進行了校核，符合使用要求。 3.7升降方向設計計算 3.7.1 初步確系統(tǒng)壓力 表3-1 按負載選擇工作壓力[1] 負載/ KN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 工作壓力/MPa < 0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 ≥5 表3-2 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力[1] 機械類型 機 床 農業(yè)機械 小型工程機械 建筑機械 氣鑿巖機 氣機 大中型挖掘機 重型機械 起重運輸機械 磨床 組合 機床 龍門 刨床 拉床 工作壓力/MPa 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32 由表2-1和表2-2可知，初選液壓缸的設計壓力P1=1MPa 3.7.2 升降液壓缸計算 為了滿足工作臺快速進退速度相等，并減小氣泵的流量，則液壓缸無桿腔與有桿腔的等效面積A1與A2應滿足A1=2A2（即液壓缸內徑D和活塞桿直徑d應滿足：d=0.707D。為防止切削后工件突然前沖，液壓缸需保持一定的回油背壓，并取液壓缸機械效率。則液壓缸上的平衡方程 故液壓缸無桿腔的有效面積： 液壓缸直徑 表1 液壓缸內徑系列GB/T2348-1980mm 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 500 按GB/T2348-1980，取標準值D=63mm；本來可以取50的，考慮不可預測的超載等因素，故在這取的略微大一些。 查《氣傳動與控制手冊》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。 因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.5D=31.5mm 取d=32（標準直徑） 表2 活塞桿直徑系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 (1) 液壓缸缸體厚度計算 缸體是液壓缸中最重要的零件，當液壓缸的工作壓力較高和缸體內經較大時，必須進行強度校核。缸體的常用材料為20、25、35、45號鋼的無縫鋼管。在這幾種材料中45號鋼的性能最為優(yōu)良，所以這里選用45號鋼作為缸體的材料。 式中，——實驗壓力，MPa。當液壓缸額定壓力Pn5.1 MPa時，Py=1.5Pn，當Pn16MPa時，Py=1.25Pn。 []——缸筒材料許用應力，N/mm。[]=，為材料的抗拉強度。 注：1.額定壓力Pn 額定壓力又稱公稱壓力即系統(tǒng)壓力，Pn=10MPa 2.最高允許壓力Pmax Pmax1.5Pn=1.2510=12.5MPa 液壓缸缸筒材料采用45鋼，則抗拉強度：σb=600MPa 安全系數(shù)n按《氣傳動與控制手冊》P243表2—10，取n=5。 則許用應力[]==120MPa = =5.5mm ,滿足。所以液壓缸厚度取10mm。 則液壓缸缸體外徑為83mm。 3.缸筒結構設計 缸筒兩端分別與缸蓋和缸底鏈接，構成密封的壓力腔，因而它的結構形式往往和缸蓋及缸底密切相關[6]。因此，在設計缸筒結構時，應根據(jù)實際情況，選用結構便于裝配、拆卸和維修的鏈接形式，缸筒內外徑應根據(jù)標準進行圓整。 3.7.3 活塞桿的計算校核 活塞桿是液壓缸傳遞力的主要零件，它主要承受拉力、壓力、彎曲力及振動沖擊等多種作用，必須有足夠的強度和剛度。其材料取Q235鋼。 活塞桿直徑的計算[1] 查《氣傳動與控制手冊》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。 因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.707D=88.375mm按GB/T2348—1993將所計算的d值圓整到標準直徑，以便采用標準的密封裝置。圓整后得： 取d=90（標準直徑） 表2 活塞桿直徑系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 按最低工進速度驗算液壓缸尺寸，查產品樣本，調速閥最小穩(wěn)定流量，因工進速度 為最小速度，則由式 （4-3） 本例=122.65625>1.25，滿足最低速度的要求。 2.活塞桿強度計算： <90mm （4-4） 式中 ————許用應力；（Q235鋼的抗拉強度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即活塞桿的強度適中） 3．活塞桿的結構設計 活塞桿的外端頭部與負載的拖動油馬達機構相連接，為了避免活塞桿在工作生產中偏心負載力，適應液壓缸的安裝要求，提高其作用效率，應根據(jù)負載的具體情況，選擇適當?shù)幕钊麠U端部結構。 4.活塞桿的密封與防塵 活塞桿的密封形式有Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。采用薄鋼片組合防塵圈時，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。為方便設計和維護，本方案選擇O型密封圈。 3.7.4 液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程長度可以根據(jù)執(zhí)行機構實際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標準值。液壓缸活塞行程參數(shù)優(yōu)先次序按表4-4中的a、b、c選用。 表4-4（a）液壓缸行程系列（GB 2349-80）[6] 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 表4-4（b） 液壓缸行程系列（GB 2349-80）[6] 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 表4-4（c） 液壓缸形成系列（GB 2349-80）[6] 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3400 3800 根據(jù)設計要求知快速接近工件，行程根據(jù)任務書要求，根據(jù)表3-8，可選取垂直方向液壓缸的工作行程為900mm，可選取水平方向液壓缸的工作行程為1000mm。 3.7.5 活塞的設計 由于活塞在氣力的作用下沿缸筒往復滑動，因此，它與缸筒的配合應適當，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動壓力增大，降低機械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的配合表面；間隙過大，會引起液壓缸內部泄露，降低容積效率，使液壓缸達不到要求的設計性能。考慮選用O型密封圈。 3.7.6 導向套的設計與計算 1.最小導向長度H的確定 當活塞桿全部伸出時，從活塞支承面中點到到導向套滑動面中點的距離稱為最小導向長度[1]。影響液壓缸工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設計時必須保證液壓缸有一定的最小導向長度。根據(jù)經驗,當液壓缸最大行程為L,缸筒直徑為D時,最小導向長度為: （4-5） 一般導向套滑動面的長度A，在缸徑小于80mm時取A=(0.6~1.0)D，當缸徑大于80mm時取A=(0.6~1.0)d.。活塞寬度B取B=(0.6~1.0)D。若導向長度H不夠時,可在活塞桿上增加一個導向套K(見圖4-1)來增加H值。隔套K的寬度。 圖4-1 液壓缸最小導向長度[1] 因此:最小導向長度，取H=9cm； 導向套滑動面長度A= 活塞寬度B= 2.導向套的結構 導向套有普通導向套、易拆導向套、球面導向套和靜壓導向套等，可按工作情況適當選擇。 3.7.7 端蓋和缸底的計算校核 在單活塞液壓缸中，有活塞桿通過的端蓋叫端蓋，無活塞桿通過的缸蓋叫缸頭或缸底。端蓋、缸底與缸筒構成密封的壓力容腔，它不僅要有足夠的強度以承受氣力，而且必須具有一定的連接強度。端蓋上有活塞桿導向孔（或裝導向套的孔）及防塵圈、密封圈槽，還有連接螺釘孔，受力情況比較復雜，設計的不好容易損壞。 1.端蓋的設計計算 端蓋厚h為： 式中 D1——螺釘孔分布直徑，cm； P——壓力，； ——密封環(huán)形端面平均直徑，cm； ——材料的許用應力，。 2.缸底的設計 缸底分平底缸，橢圓缸底，半球形缸底。 3.7.8 缸體長度的確定 液壓缸缸體內部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還需要考慮到兩端端蓋的厚度[1]。一般液壓缸缸體長度不應大于缸體內經的20~30倍。取系數(shù)為5,則液壓缸缸體長度：L=5*10cm=50cm。 3.7.9 緩沖裝置的設計 液壓缸的活塞桿（或柱塞桿）具有一定的質量，在氣力的驅動下運動時具有很大的動量。在它們的行程終端，當桿頭進入液壓缸的端蓋和缸底部分時，會引起機械碰撞，產生很大的沖擊和噪聲。采用緩沖裝置，就是為了避免這種機械撞擊，但沖擊壓力仍然存在，大約是額定工作壓力的兩倍，這就必然會嚴重影響液壓缸和整個氣系統(tǒng)的強度及正常工作。緩沖裝置可以防止和減少液壓缸活塞及活塞桿等運動部件在運動時對缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實現(xiàn)速度的遞減，直至為零。 當液壓缸中活塞活塞運動速度在6m/min以下時，一般不設緩沖裝置，而運動速度在12m/min以上時，不需設置緩沖裝置。在該組合機床氣系統(tǒng)中，動力滑臺的最大速度為4m/min,因此沒有必要設計緩沖裝置。 3.7.10 液壓缸的選型 經過比較，參考市場上的液壓缸類型，選擇一種可靠優(yōu)質的液壓缸產品的生產商—速易可（上海）有限公司http://www.tonab.net/about_us.asp。 速易可氣動（上海）有限公司成立于2004年，從事于空油壓零組件和設備研 究、生產、銷售的自動化廠商，產品以『TONAB』品牌營銷國內外市場，產品主要有空氣凈化組件、氣動控制組件、氣動執(zhí)行組件、輔助組件、空油壓設備，產 品廣泛應用于醫(yī)療器械、工業(yè)機械手、食品包裝機械、紡織機械、半導體設備、軌道交通、煙草機械、機床自動控制、真空搬運、汽車制造、教學培訓等行業(yè)。 速易可目前主要產品有：無桿液壓缸、滑臺液壓缸、止動液壓缸、回轉液壓缸、機械夾、回轉夾緊氣（油）壓缸、導桿液壓缸、帶鎖液壓缸、雙軸缸、標準型液壓缸、控制閥、空氣控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關氣動輔助零組件。 根據(jù)上節(jié)計算，在這選擇YAM63. 3.8 水平方向設計計算 3.8.1 水平方向計算 當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重5kg，長度l =300mm。如圖3.4所示。 工件 圖3.4 受力簡圖 (1)計算扭矩[4] (2)液壓缸（伸縮）及其配件的估算扭矩 [4] F =50N S =1m（最大行程時） 帶入公式2.9得 =50×10×1 =500（N·M） 由于水平方向的液壓缸與升降方向的有些類似，在此不在一一列舉 3.8.2 液壓缸的選型 速易可目前主要產品有：無桿液壓缸、滑臺液壓缸、止動液壓缸、回轉液壓缸、機械夾、回轉夾緊氣（油）壓缸、導桿液壓缸、帶鎖液壓缸、雙軸缸、標準型液壓缸、控制閥、空氣控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關氣動輔助零組件。 根據(jù)上節(jié)計算，在這選擇YAM63. 腕部是聯(lián)結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。本課題腕部具有回轉這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉缸驅動的腕部結構。 3.9機身結構的設計校核 臂部和機身的配置形式基本上反映了氣機械手的總體布局。本課題氣機械手的機身設計成機座式，這樣氣機械手可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉型氣機械手。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋轉，從而達到了自由度的要求[7-9]。 3.10 螺柱的設計與校核 螺桿是氣機械手的主支承件，并傳動使手臂上下運動。 螺桿的材料選擇： 從經濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。 螺距 P =6mm 梯形螺紋 螺紋的工作高度 h =0.5P （3.17） =3mm 螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （3.18） 螺桿強度〖11〗 （3.19） =30～50Mpa 螺紋牙剪切 =40 彎曲=45～55 (1)當量應力 (3.20) 式中 T——傳遞轉矩N·mm [σ]——螺桿材料的許用應力 所以代入公式（3.20）得： 6225025d12+11236≤900d16×1012 6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012 即16471pa＜535340pa 合格 (2)剪切強度 （旋合圈數(shù)） （3.21） （3.22） =206.8×103pa =0.206Mpa＜[τ]=40Mpa (3)彎曲強度 =0.48Mpa＜[σ]=45Mpa 合格 3.11 繪制液壓系統(tǒng)圖 本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3-1所示， 它擁有垂直手臂的上升、下降，水平伸縮缸/的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個執(zhí)行機構。 其中，泵由三相交流異步電動機M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。 考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。當5DT得電時，工作液體經由節(jié)流閥V5進入柱塞缸，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當6DT失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪迅速松開。 另外，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用V2構成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。 第4章 液壓集成塊的設計 液壓控制裝置的集成主要有板式集成、塊式集成和疊加閥式集成。 （1）板式集成液壓控制裝置，是把若干個標準板式液壓控制閥用螺釘固定在一塊公共底板（油路板，亦稱閥板）上，按系統(tǒng)要求，通過油路板中鉆、銑或鑄造出的孔道實現(xiàn)各閥之間的油路聯(lián)系，構成一個回路。對于較復雜的系統(tǒng)，則需將系統(tǒng)分解成若干個回路，用幾個油路板來安裝標準板式液壓元件，各個油路板之間通過管道來連接。通常將油路板上安裝閥的一面稱為正面，不安裝閥的一面稱為背面。 板式集成的特點是對于動作復雜的液壓系統(tǒng)，會因液壓元件數(shù)量的增加，導致所需油路板的尺寸和數(shù)量的增大，致使有些孔道甚至無法鉆出，而銑槽往往出現(xiàn)滲漏串腔現(xiàn)象。此外，油路板是根據(jù)特定的液壓系統(tǒng)專門設計制造的，不易實現(xiàn)標準化和通用化，不易組織專業(yè)生產。特別是當需要更改回路或追加元件時，油路板就要重新設計加工，而其中的差錯可能會使整塊油路板報廢。 總之，板式集成液壓控制裝置適合不太復雜的低壓液壓系統(tǒng)采用。 （2）塊式集成是按典型液壓系統(tǒng)的各種基本回路，做成通用化的6面體油路塊（集成塊），通常其四周除1面安裝通向液壓執(zhí)行器（液壓缸或液壓馬達）的管接頭外，其余3面安裝標準的板式液壓閥及少量疊加閥或插裝閥，這些液壓閥之間的油路聯(lián)系由油路塊內部的通道孔實現(xiàn)，塊的上下兩面為塊間疊積結合面，布有由下向上貫穿通道體的公用壓力油孔P、回油孔O（T）、泄油孔L及塊間連接螺栓孔，多個回路塊疊積在一起，同過4只長螺栓固緊后，各塊之間的油路聯(lián)系通過公用油孔來實現(xiàn)。 塊式集成有以下幾個特點：1）可簡化設計；2）設計靈活，更改方便；3）易于加工，專業(yè)化程度高；4）結構緊湊，裝配維護方便；5）系統(tǒng)運行效率較高。 塊式集成的主要缺點是集成塊的孔系設計和加工容易出錯，需要一定的設計和制造經驗。 （3）疊加閥是在集成塊的基礎上發(fā)展起來的,液壓元件間的連接不需要另外的連接塊,而是以特殊設計的疊加閥的閥體作為連接體,通過螺栓將液壓閥等元件直接疊積并固定在最底層的基塊(底板)上.基塊側面開有螺紋孔,通過管接頭作為通向執(zhí)行器、液壓泵或油箱的孔道,并可以根據(jù)需要用螺塞封堵打開,只要把同一規(guī)格的疊加閥按一定順序疊加起來,再將板式換向閥直接安裝于這些疊加閥的上面,即可構成各種典型液壓回路. 疊加閥的特點為：結構緊湊,體積小,重量輕,占地面積小。疊加閥安裝簡便，裝配周期短，系統(tǒng)有變動增減元件時，重新組裝較為方便。使用疊加閥，元件間無管連接，消除了因管接頭引起的漏油、振動和噪聲。使用疊加閥系統(tǒng)配置簡單，元件規(guī)格統(tǒng)一，外行整齊美觀，維修保養(yǎng)容易。采用我過疊加閥組成的集中供油系統(tǒng) 節(jié)電顯著。 由于規(guī)定尺寸限制，由疊加閥組成的回路形式少，通徑較小，一般使用于工作壓力小于20Mpa，流量小于200L/min的機床，輕工機械，工程機械等行業(yè)。綜上比較可以得出此液壓系統(tǒng)適用的塊式集成為疊加式。 ③動力源裝置確定 液壓動力源一般由液壓泵組、油箱組件、控溫組件和過濾器組件等相對獨立的部分組成。盡管這幾個部分相對獨立，但設計者在液壓動力源裝置設計中，除了根據(jù)機器設備的工況特點和使用的具體要求合理進行取舍外，經常需要將它們進行適當?shù)慕M合，合理構成一個部件。例如，油箱上常需將控溫組件中的油溫計、過濾器組件作為油箱附件而組合在一起構成液壓油箱等等。 按液壓泵組布置的方式分上置式液壓動力源、非上置式液壓動力源和柜式液壓動力源三種方式。本設計采用上置式液壓動力源設計。當電動機臥式安裝，液壓泵置于油箱之上時，稱為臥式液壓動力源。當電動機立式安裝于油箱之上時，稱為立式液壓動力源。上置式液壓動力源占地面積小，結構緊湊，液壓泵置于油箱內的立式安裝動力源，躁聲低且便于收集漏油。綜合考慮本設計決定采用臥式液壓動力源布置?！?6】 4.1塊式集成的結構 塊式集成是按典型液壓系統(tǒng)的各種基本回路，做成通用化的6面體油路塊（集成塊），通常其四周除1面安裝通向液壓執(zhí)行器（液壓缸或液壓馬達）的管接頭外，其余3面安裝標準的板式液壓閥及少量疊加閥或插裝閥，這些液壓閥之間的油路聯(lián)系由油路塊內部的通道孔實現(xiàn)，塊的上下兩面為塊間疊積結合面，布有由下向上貫穿通道體的公用壓力油孔P、回油孔O（T）、泄漏油孔L及塊間連接螺栓孔，多個回路塊疊積在一起，通過4只長螺栓固緊后，各塊之間的油路聯(lián)系通過公用油孔來實現(xiàn)。 4.2塊式集成的特點 可簡化設計； 設計靈活、更改方便； 易于加工、專業(yè)化程度高； 結構緊湊、裝配維護方便； 系統(tǒng)運行效率較高 塊式集成的主要缺點是集成塊的孔系設計和加工容易出錯，需要一定的設計和制造經驗。 4.3塊式集成液壓控制裝置的設計