液压上料机械手设计.docx
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液压上料机械手设计
液压上料机械手设计
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。
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，机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸，手腕回转采用回转油缸，立柱的转动采用齿条油缸，机械手的升降采用升降油缸，立柱的横移采用横向移动油缸；
本设计拟开发的上料机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，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、控制回路
目录
第1章绪论…………………………….......……………………………………1
1.1液压上料机械结构设计分析……………………………….…..……....…1
1.1.1臂力的确定………………………………………………….…..….......1
1.1.2工作范围的确定…………………………………………….…....…....1
1.1.3确定运动速度………………………………………………...…....….....1 1.1.4手臂的配置形式……………………………………………...…............2
1.1.5位置检测装置的选择.......................................................................3
1.1.6驱动与控制方式的选择………………………………………...,........3
1.2液压上料机械手的运用………………………………………..................3
1.3液压上料机械手的特点.…….………………....…………..…................4
1.4液压上料机械手……...………........………………..…..........……....…...4
第2章手部的结构......………......………......………......………......………........5
2.1概述……………………………………………......………....…......…........5
2.2设计时应考虑的几个问题……………………………......…….…...….......5 2.3驱动力的计算……………………………………………….….…...…....…6 2.4两支点回转式钳爪的定位误差的分析……………………..….……........8
第三章腕部的结构.......……………………..….…...…..…..…....…......10
3.1概述……………………………………….…………………...….…….......10
3.2腕部的结构形式…….……………….……………………...….......…......10
3.3手腕驱动力矩的计.……………………………….…..…..................…...11
第4章臂部的结构……………….…..…..................…....................................14
4.1概述………………………………………………………...................….....14
4.2手臂直线运动机构………………………….………………….........…..…..15
4.2.1手臂伸缩运动………………..……………………….…..…..............…..15 4.2.2导向装置……………..……………………………..………........……...16
4.2.3手臂的升降运动………………...………..…………………......…..…...17 4.3手臂回转运动…………….......……………….…………….............……..18 4.4手臂的横向移动…………………………………...…………....…...….….184.5臂部运动驱动力计算…………………………….......……....…......……..19
4.5.1臂水平伸缩运动驱动力的计算……………....…..…......………....…..19 4.5.2臂垂直升降运动驱动力的计算……….………..…............…...……..20 4.5.3臂部回转运动驱动力矩的计算……………...............…......…….…...21
第5章液压系统的设计……………...............…....………...............................22
5.1液压系统简介………..…………………….....…………….………........….22
5.2液压系统的组成……………..…………......................………..…....….....22
5.3机械手液压系统的控制回路……………....…..………..….…….….…......23
5.3.1压力控制回路……………………………..……....……..….............…...23
5.3.2速度控制回路………………….……………….......…..……...............23
5.3.3方向控制回路…........................………........….....................….......24
5.4上料机械手的动作顺序………………..…..………………...….…..........24 5.5机械手液压系统的简单计算………………………….…..…...............…25 5.5.1双作用单杆活塞油缸…………………………….....…...................…25
5.5.2无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）……..………........…..….......29 5.5.3单叶片回转油缸……………………………………...……...........….30
5.5.4油泵的选择………………………………...............…..….….....…….32 5.5.5确定油泵电动机功率N……………………...…….……...........….….32
第6章机械手的控制…….…………...............................................................33
第7章总结………………………………….......................................................35
第8章致谢………………………………………….........................…...….........36
参考文献………………………………………..........…………...…….…....….......37
第一章绪论
1.1液压上料机械手结构设计分析
1.1.1臂力的确定
目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。
本液压机械手的臂力为N臂=1650（N），安全系数K一般可在1.5~3，本机械手取安全系数K=2。
定位精度为±1mm。
1.1.2工作范围的确定
机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。
一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。
本机械手的动作范围确定如下：
手腕回转角度±115°
手臂伸长量150mm
手臂回转角度±115°
手臂升降行程170mm
手臂水平运动行程100mm
1.1.3确定运动速度
机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。
液压上料机械手要完成整个上料过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。
机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求：
（1）给定的运动时间应大于液压元件的执行时间；
（2）伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。
在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。
机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。
（3）在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。
为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。
液压上料机械手的各运动速度如下：
手腕回转速度V腕回=40°/s
手臂伸缩速度V臂伸=50mm/s
手臂回转速度V臂回=40°/s
手臂升降速度V臂升=50mm/s
立柱水平运动速度V柱移=50mm/s
手指夹紧油缸的运动速度V夹=50mm/s
1.1.4手臂的配置形式
机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。
运动要求、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。
本机械手采用机座式。
机座式结构多为工业机器人所采用，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部也可以安装行走机构，已扩大其活动范围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。
手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大。
1.1.5位置检测装置的选择
机械手常用的位置检测方式有三种：
行程开关式、模拟式和数字式。
本机械手采用行程开关式。
利用行程开关检测位置，精度低，故一般与机械挡块联合应用。
在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也是最多的。
1.1.6驱动与控制方式的选择
机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。
驱动方式一般有四种：
气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。
本次设计采用液压驱动，机械控制。
1.2液压上料机械手的运用
是近几年在国内刚刚出现的一个新兴产业.但在西方发达国家以及日本和韩国，早在二十年前，上料机械手就已经广泛的应用于各种类型的数控机床上。
上料机器人与数控机床相结合，可以实现工件的自动抓取、上料、装卡、加工等所有的工艺过程，能够极大的节约人工成本，提高生产效率。
特别适用于大批量、小型零部件的加工，如汽车变速箱齿轮、轴承套（座）、刹车盘、金属冲压结构件等。
自动生产线和自动化程度高的加工设备已经成为今后制造工厂的一个发展趋势。
单机自动化、整线自动化等自动上下料装置用于加工工件的自动上料、工件翻转、工件转序等工作，能够满足“快速/大批量加工节拍”、“节省人力成本”、“提高生产效率”等要求，成为越来越多的工厂的理想选择。
1.3液压上料机械手的特点
（1）可用于高温金属模板冲压机床，来料温度：
900℃，出料温度200℃；
（2）独特的二倍行程手臂叠加机构，倍速机构，可以满足小空间、大行程的技术要求。
（3）运行速度快，保证来料的温度不下降，满足冲压工艺要求。
（4）性价比高。
1.4液压上料机械手实现的功能
（1）液压上料机械手可以实现对圆盘类、长轴类、不规则形状、金属板类工件的自动上料、工件翻转、工件转序等工作。
（2）液压上料机械手采用独立绗架设计，安装、调试可以与机床分开进行，机床部分只进行标准机的制造即可，机械手可以完全独立在机床之外运行。
（3）液压上料机械手采用模块化机械手和横梁，可以对机床机型加装。
而不需要分开规格进行多种类的制造；
（4）独立料仓设计，料仓独立自动控制；
（5）不依靠机床的控制器进行控制，机械手模块采用独立的控制模块，机械手故障只需设定参数，不影响机床运转
第二章手部结构
2.1概述
手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。
机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。
钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。
其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。
2.2设计时应考虑的几个问题
（1）应具有足够的握力（即夹紧力）
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。
（2）手指间应有一定的开闭角
两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。
手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。
若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。
（3）应保证工件的准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。
例如圆柱形工件采用带‘V’形面的手指，以便自动定心。
（4）应具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。
（5）应考虑被抓取对象的要求
应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。
2.3驱动力的计算
1.手指2.销轴3.拉杆4.指座
图2-1滑槽杠杆式手部受力分析
如图所示为滑槽式手部结构。
在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由图受力分析得∠AOC=∠BOC=α。
根据销轴的力平衡条件，即
∑Fx=0,P1=P2;
∑Fy=0,P2=P1cosα
即：
P1=P/2cosα
销轴对手指的作用力为p1′。
手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。
由手指的力矩平衡条件，即∑MO1（F）=0得
P1′h=Nb
因h=a/cosα
所以P=2b（cosα）
N/a
式中a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。
α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。
由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°~40°。
这里取角α=30度。
这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。
V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。
为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即：
P实际=PK1K2/η
式中η——手部的机械效率，一般取0.85~0.95；
K1——安全系数，一般取1.2~2
K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。
本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒
，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：
根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式
N=0.5G
把已知条件代入得当量夹紧力为
N=49（N）
由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式
P=2b（cosα）
N/a得
P=P计算=2*45/27（cos30°）
*49=122.5（N）
P实际=P计算K1K2/η
取η=0.85,K1=1.5,K2=1+1000/9810≈1.1
则P实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238（N）
2.4两支点回转式钳爪的定位误差的分析
图2-2带浮动钳口的钳爪
钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O′的距离为x,则
x=
当工件直径变化时,x的变化量即为定位误差△,设工件半径R由Rmax变化到Rmin时,其最大定位误差为
=∣
-
∣
其中了=45mm,b=5mm,a=27mm,2β=120°,Rmin=15mm,Rmax=30mm
代入公式计算得
最大定位误差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜1
第三章腕部的结构
3.1概述
腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。
设计腕部时要注意以下几点：
结构紧凑，重量尽量轻。
转动灵活，密封性要好。
注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题,要适应工作环境的需要。
另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。
3.2腕部的结构形式
本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为±115°.
如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。
夹紧缸体与指座固连成一体。
当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。
图3-1机械手的腕部结构
3.3手腕驱动力矩的计算
驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。
手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算：
M驱=M惯+M偏+M摩（N.m）
式中M驱——驱动手腕转动的驱动力矩
M惯——惯性力矩（N.m）
M偏——参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩（N.m）
M摩——手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩（N.m）
图3-2腕部回转力矩计算图
（1）摩擦阻力矩M摩
M摩=
（N1D1+N2D2）（N.m）
式中f——轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.02，滑动轴承取f=0.1；
N1、N2——轴承支承反力（N）；
D1、D2——轴承直径（m）
由设计知D1=0.035mD2=0.054mN1=800NN2=200NG1=98Ne=0.020时
M摩=0.1*（200*0.035+800*0.054）/2
得M摩=2.50（N.m）
（2）工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏
M偏=G1e（N.m）
式中G1——工件重量（N）
e——偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M偏为零
当e=0.020，G1=98N时
M偏=1.96（N·m）
（3）腕部启动时的惯性阻力矩M惯
①当知道手腕回转角速度
时，可用下式计算M惯
M惯=（J+J工件）
（N·m）
式中
——手腕回转角速度（1/s）
T——手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运动）
J——手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kg·m
）
J工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量（kg·m
）
按已知计算得J=2.5，J工件=6.25，
=0.3m/m
t=2
故M惯=1.3（N·m）
当知道启动过程所转过的角度
时，也可以用下面的公式计算M惯：
M惯=（J+J工件）
（N·m）
式中
——启动过程所转过的角度（rad）;
——手腕回转角速度（1/s）。
考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些，可取
M=1.1∽1.2（M惯+M偏+M摩）（N.m）
M=1.2*（2.5+1.96+1.3）=6.9（N.m）
第四章臂部的结构
4.1概述
臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。
手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。
；立柱的横向移动即为手臂的横向移动。
手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。
手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。
同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。
因此设计臂部时一般要注意下述要求：
（1）刚度要大为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。
弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。
所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。
（2）导向性要好为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。
（3）偏重力矩要小所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。
为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。
（4）运动要平稳、定位精度要高由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。
故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。
4.2手臂直线运动机构
机械手手臂的伸缩、升降及横向移动均属于直线运动，而实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。
4.2.1手臂伸缩运动
这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。
由于活塞油缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多。
如下图所示为双导向杆手臂的伸缩结构。
手臂和手腕是通过连接板安装在伸缩油缸的上端，当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆2（即手臂）作往复直线运动。
导向杆3在导向套4内移动，以防止手臂伸缩时的转动（并兼做手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道）。
由于手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单，传动平稳，外形
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