畢業(yè)設(shè)計（論文）液壓控制的移置機械手的設(shè)計

1、由于部分原因，說明書刪除部分，完整版說明書CAD圖紙，聯(lián)系153893706液壓控制的移置機械手的設(shè)計摘 要：本次設(shè)計的液壓傳動機械手根據(jù)規(guī)定的動作順序，綜合運用所學的基本理論、基本知識和相關(guān)的機械設(shè)計專業(yè)知識，完成對機械手的設(shè)計，并繪制必要裝配圖、液壓系統(tǒng)圖。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用油缸、螺桿、導向筒等機械器件組成；在液壓傳動機構(gòu)中，機械手的夾緊、伸縮、升降、橫移均采用伸縮油缸。文章主要敘述了機械手的設(shè)計計算過程，全面詳盡的討論了搬運機械手的手部、手臂以及機身等主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。本設(shè)計的機械手可在空間抓放物體，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，可抓取重量較大的工件。關(guān)鍵詞： 機械手；液壓

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 緒論1.1 前言幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘神話阿魯哥探險船中的青銅巨人泰洛斯（Talons)，猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時刻激勵著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機械偶人。到了

6、近代 ，機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進入尋常百姓家。機器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電

7、子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù) 工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備1。 1.2 工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬運、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連

8、續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象。下面具體說明機械手在工業(yè)方面的應(yīng)用2。關(guān)于液壓控制的移置機械手的設(shè)計有以下幾個主要內(nèi)容：1、設(shè)計裝配圖2、測繪零件圖3、設(shè)計液壓控制系統(tǒng)圖4、

9、編寫設(shè)計計算說明書 機械手的組成要機械手像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運動的驅(qū)動傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機械手的性能。一般而言，機械手通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成3。如圖1圖1 機械手的組成Fig1 The Manipulators composition1.3.1 執(zhí)行機構(gòu)（1） 手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的

10、空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。（2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。 目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小（一般小于 270

11、0）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。（3） 臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的

12、結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。1.3.2 驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。1.3.3 控制系統(tǒng)分類在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。2 總體設(shè)計方案2.1 機械手的確定常用工業(yè)機械手按驅(qū)動方式分:直角座標式、圓柱座標式、球座標式、多關(guān)節(jié)

13、式。如圖2所示，其中直角座標式手臂可沿X、Y、Z座標軸作直線移動，即伸縮、升降和橫移。其特點是直觀性好，所占空間位置大。根據(jù)設(shè)計任務(wù)鎖需，特選定為直角座標式4。該機械手具有4個自由度，即：手抓張合；手臂伸縮；手臂橫移；手臂升降4個主要運動。該機械手主要由3個大部件和4個液壓缸組成：圖2 機械手座標型式Fig2 The Mechanical hand Coordinate type（1）手部 采用一個直線液壓缸，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手抓的張合。（2）臂部 采用直線缸來實現(xiàn)手臂平動。（3）機身 采用兩個直線缸來實現(xiàn)手臂的升降和橫移。 根據(jù)以上參數(shù)，圖3 是機械手整體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3 整體結(jié)構(gòu)示意圖F

14、ig3 Overall structural diagram 驅(qū)動機構(gòu)的選擇此處已刪除 液壓泵的選擇壓力計算 （19）式中 液壓缸或液壓馬達的最大工作壓力 液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達入口之間總的管路損失 壓力繼電器調(diào)整壓力高出系統(tǒng)最大壓力之值，取的標準計算要待元件選定，并繪出管路時才能進行，初算時可以按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取，管路簡單的可選，管路復雜的，進油口有調(diào)速閥的15，取。流量計算 （20）式中 系統(tǒng)泄露系數(shù) 同時動作的液壓缸或液壓馬達的最大流量。對于在工作過程中用節(jié)速調(diào)速閥的系統(tǒng)還必須加上溢流閥的最小流量，一般取。查液壓設(shè)計手冊，可選取定量葉片泵。查表選擇型，它的主要參數(shù)為： 轉(zhuǎn)速為7.3 確

15、定電機功率液壓泵最大工作壓力，壓力損失，則：查液壓設(shè)計手冊，取定量葉片泵的總效率為，則： （21）電機一般允許短時間超載查產(chǎn)品樣本，選用Y112M-2型電機，功率為。7.4 液壓閥的選擇閥的規(guī)格，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和實際通過閥的流量，選擇有定型產(chǎn)品的閥件。溢流閥按液壓泵最大流量選取，選擇調(diào)速閥時，必須保證最小穩(wěn)定流量能滿足執(zhí)行機構(gòu)最低穩(wěn)定速度的要求16?？刂崎y的流量一般要選得比實際通過的流量大一些，必要時也允許有以內(nèi)的短時間過流量。選擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過閥的流量來確定，本系統(tǒng)工作壓力較小，流量也較小，所以選擇低壓低流量的閥。本液壓系統(tǒng)中，三個液壓缸選取三位四通O型換向閥換向，使得

16、機械手能順利完成所規(guī)定的動作，主油路上選取一個三位四通O型閥來控制油路。換向閥的開啟與關(guān)閉通過電氣開關(guān)或壓力繼電器來控制，運動速度由調(diào)速閥通過調(diào)節(jié)油路的流量來控制。部分油路采用單向閥來保持壓力，用溢流閥來保護液壓缸17。通過上面的計算和校核，初步?jīng)Q定使用以下液壓元件，在經(jīng)濟性和安全性方面都能滿足要求。選擇的元件型號及規(guī)格如下表3：表3 液壓元件型號及規(guī)格Table 3 The type and specifications of components序號 元件名稱 估計流量 型號 規(guī)格1，21 油 箱 2 定量葉片泵 3 溢流閥 10通徑 4，20 三位四通O型 8通徑 換向閥 5 調(diào)速閥 ，

17、16通徑 6 三位四通O型 8通徑 換向閥8,12,13 行程開關(guān)7 調(diào)速閥 5通徑11,15, 調(diào)速閥 10通徑 19 調(diào)速閥 10通徑10,17 三位四通O型 8通徑 換向閥14，16,18 壓力繼電器 調(diào)壓7.5 油管的設(shè)計各元件間間接管道的規(guī)格由元件接口處尺寸決定，液壓缸進出油管則按輸入，排出的最大流量計算。油管的內(nèi)徑按公式計算。根據(jù)表3數(shù)值當油液在油管中流速取，算得液壓缸無桿腔和有桿腔相連的油管內(nèi)徑分別為18：伸縮缸： 油管按JB827-6選用內(nèi)徑為，外徑為的無縫鋼管。升降缸： 油管按JB827-6選用內(nèi)徑為，外徑為的無縫鋼管。橫移缸： 油管按JB827-6選用內(nèi)徑為，外徑為的無縫鋼

18、管。7.6 油箱的設(shè)計油箱的功用主要是儲存油液，此外還起著散發(fā)油液中熱量（在周圍環(huán)境溫度較低的情況下則是保持油液中熱量）、釋放處混在油液中的氣體、沉淀在油液中污染物等作用。油箱的有效面積（油面高度80%時的容積）應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)發(fā)熱、散熱平衡的原則來計算，這項計算在系統(tǒng)負載較大、長期連續(xù)工作時時必不可少的19。但對于一般情況而言，油箱的有效容積可按液壓泵的額定流量估計出來?？砂聪率接嬎悖?（22）式中 油箱的有效容積 與系統(tǒng)有關(guān)的經(jīng)驗數(shù)字；低壓系統(tǒng)，中壓系統(tǒng)，高壓系統(tǒng)。次液壓系統(tǒng)為低壓系統(tǒng)，取，又已知，則：根據(jù)國際標準JB-T7938-1995選用300L的油箱。8 液壓系統(tǒng)的驗算 壓力損失的驗

19、算實際油液是有粘性的，所以流動時要損耗一部分熱量，這種熱量損失表現(xiàn)為壓力損失。能量的損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，使液壓系統(tǒng)的溫度升高。液體在流動時產(chǎn)生的壓力損失包括兩部分，一部分是沿程壓力損失，另一部分是局部壓力損失。 回路壓力損失的驗算因為Y軸橫移缸的動作回路系統(tǒng)油路較多而管路損失較大，所以主要驗算橫移缸這段管路損失，管內(nèi)徑為，流量為，即，設(shè)管長為，選用機械油，正常運行向右的運動粘度，油的密度。 油在管中實際的流速為： （23）所以在油管中為層流狀態(tài)，其行程阻力系數(shù)為： （24）回路壓力損失為： 局部壓力損失的驗算局部壓力損失包括通過管路和管接頭處的管路局部壓力損失，以及通過控制閥的局部壓力損失，但由于

20、管路局部壓力損失相對控制閥的局部壓力損失小得多，所以主要計算控制閥的局部壓力損失。從原理圖可以看出，從葉片泵出口到伸縮缸進油口要經(jīng)過電磁換向閥C，調(diào)速閥，調(diào)速閥和電磁換向閥Y。電磁換向閥C的額定流量為，額定壓力損失，調(diào)速閥的額定流量，額定壓力損失為，調(diào)速閥的額定流量為，額定壓力損失為，電磁換向閥的額定流量為，額定壓力損失為。代入下式，則局部壓力損失為：8.2 計算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升這項驗算時用熱平衡原理來對油液的溫升值進行估計。單位時間內(nèi)進入液壓系統(tǒng)的熱量是液壓泵輸入功率和液壓執(zhí)行元件有效功率之差，假如這些熱量全部由油箱散發(fā)出去，不考慮系統(tǒng)其他部分的散熱效能，則油液溫升的估算公式可以根據(jù)不同的

21、條件分別從有關(guān)的手冊中找出來。油液溫升的計算式可以用單位時間內(nèi)輸入熱量和油箱有效容積近似地表示成： （25）液壓系統(tǒng)工作時，除開執(zhí)行元件驅(qū)動外載荷輸出有效功率外，其余功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量，使油溫升高。（1）液壓泵的功率損失： （26）式中 工作循環(huán)周期液壓泵的輸入功率各臺液壓泵的總效率 第臺泵的工作時間 投入工作的液壓泵的臺數(shù)（2）液壓執(zhí)行元件的功率損失： （27）（3）溢流閥的功率損失20： （28）（4）液壓油液流經(jīng)閥或管路的功率損失： （29）總的功率損失： （30）由公式（8.3）計算，油液溫升為： （31）式中 油箱的散熱面積 油管的散熱面積 、散熱系數(shù)經(jīng)計算，溫升沒有超過允許的范

22、圍，因此本設(shè)計液壓系統(tǒng)中不需要冷卻器。9 小結(jié)通過此次畢業(yè)設(shè)計，使我了解了機械手的很多相關(guān)知識，尤其是液壓機械手。使我也了解了當前國內(nèi)外在此方面的一些先進生產(chǎn)和制造技術(shù)，了解了機械手設(shè)計的一般過程，通過對機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計作了系統(tǒng)的設(shè)計，掌握了一定的機械設(shè)計方面的基礎(chǔ)。為以后的工作學習創(chuàng)造了一定基礎(chǔ)。本次畢業(yè)設(shè)計只是對移置機械手的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動做了系統(tǒng)的計算設(shè)計，設(shè)計中涉及到機械手的控制問題，但對這方面還是有點模糊，需要在以后的工作學習中了解和掌握。本次設(shè)計的是方形零件移置機械手的設(shè)計，但是為了適應(yīng)工業(yè)需求，本次設(shè)計在手指部分做了小小的改進，這樣不僅可以抓取方形零件，還可以抓取軸狀零件，但相對于通用

23、機械手，動作固定，結(jié)構(gòu)簡單，同時成本低廉，專用性比較高，可實現(xiàn)車間內(nèi)的一些搬運工作。3、采用液壓傳動，液壓輸出力較大，臂力可達1000N以上，且可用電液伺服機構(gòu)，實現(xiàn)連續(xù)控制，使機械手用途更廣，定位精度一般非常高，在1mm內(nèi)。該機械手選擇配置二指夾持手指，抓取一般方形零件。必要時可以更換手抓，抓取其它形狀零件。由于設(shè)計經(jīng)驗知識水平的局限，本次設(shè)計難免有不足之處，還望讀者見量，指正。 參考文獻1 張建民. 工業(yè)機器人M. 北京理工大學出版社，1992；頁碼 2-5.2 金茂菁. 我國工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀J. 機器人技術(shù)與應(yīng)用， 2001， 01（4）；頁碼 3-7.3 馬香峰. 機器人結(jié)構(gòu)學B M

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