機械手-液壓工業(yè)抓持機械手設計,機械手,液壓,工業(yè),設計 1 緒論 1.1機器人的定義 工業(yè)機器人及其應用技術是現(xiàn)代工業(yè)自動化發(fā)展的一個重要分支，作為多學科融合的邊沿科學，機器人技術是當今高技術發(fā)展最快的領域之一。隨著機械結構學、微電子技術、液壓技術、控制理論、計算機技術、人工智能的研究取得突破性進展，必將對機器人技術的研究及應用產(chǎn)生深遠的影響，特別是生物技術、醫(yī)學在感覺及大腦神經(jīng)研究所取得的重大成果，為未來高度智能化機器人的誕生打下了堅實的基礎。由于機器人科學的發(fā)展十分迅速，世界上對機器人還沒有一個明晰、統(tǒng)一的定義。國際標準化組織(ISO)的定義:機器 人是一種可以反復編程和多功能的用來搬運材料、零件、工具的操作機或為了執(zhí)行不同任務而具有可改變和可編程的動作的專門系統(tǒng)(A reprogrammable and multifunctional manipulator,devised for the transport of masterials,parts,tools or specialized Systems,with varied and programmed movements,with the aim of carring out varied tasks )。 隨著我國在工業(yè)機器人技術上研究的不斷進展，很多專家也建議建立自己的機器人定義，我國國家標準GB/T12643-90將工業(yè)機器人定義為“一種能自動定位控制，可重復編程的、多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操持工具，用于完成各種任務作業(yè)”。 1.2工業(yè)機器人的發(fā)展簡史及趨勢 50年代，機器人技術開始萌芽，并隨計算機技術及數(shù)控技術的研究進展而迅速發(fā)展起來。1949年，美國空軍研制新型軍用飛機，它把成熟的伺服技術與當時新近發(fā)展起來的數(shù)字計算機技術結合起來，麻省理工學院(MIT)輻射實驗室于1953年研制出這樣的機器。1954年美國人(George C.Devol)申請了第一個機器人技術方面的專利——“程序控制物料傳送裝置”，根據(jù)這一專利，1959年第一次成功地研制出采用數(shù)字控制程序自動化裝置的原型機。世界上第一臺實用的工業(yè)機器人是美國Unimation公司研制成功的"Unimate"機器人，人們普遍把Unimate機器人看成是現(xiàn)代工業(yè)機器人的鼻祖。 到了90年代后期，隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速發(fā)展，機器人技術也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。 我國的機器人研究相對開始較晚。先后經(jīng)歷了上世紀70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。1972年我國開始研制工業(yè)機器人。進入80年代，我國機器人技術的發(fā)展得到了國家和政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國家著重進行了工業(yè)機器人基礎技術、基礎元件、幾類工業(yè)機器人整機與應用工程的開發(fā)研究。經(jīng)過五年的攻關，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人的成套技術開發(fā)，研制出噴漆、弧焊、點焊和搬運等作業(yè)機器人，開發(fā)了幾類通用與專用控制器及幾類關鍵的元部件，并在生產(chǎn)中經(jīng)受了實際應用的考驗。90年代是我國機器人技術發(fā)展的關鍵年代。我國自行生產(chǎn)的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風汽車廠投入運行。國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機器人的內(nèi)容。而在“十一五”期間，我國更強調(diào)了機器人技術的重要性，把重點放在解決我國已研制應用多年的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化前期關鍵技術，大力推進其產(chǎn)業(yè)化進程，力爭在“十五”末期實現(xiàn)噴涂、焊接、裝配等機器人的產(chǎn)業(yè)化。 21世紀的頭十年應是我國工業(yè)機器人實現(xiàn)商品化、為產(chǎn)業(yè)化鋪平道路的時期，在擴大國內(nèi)應用領域的同時，進一步開拓國際市場，促進國際合作，為以后我國工業(yè)機器人的普及和騰飛打下堅實的基礎。 現(xiàn)在國內(nèi)外機器人領域的發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: （1）工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降。 （2）機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。 （3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于實現(xiàn)標準化、網(wǎng)絡化。 （4）機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制。 （5）虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 1.3項目的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機械手也是工業(yè)機器人的一種，它能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式；運動機構是使手部完成各種轉(zhuǎn)動、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。作者所研究的項目是“軸類零件二維運輸機械手”，項目來源于云南銅業(yè)股份有線公司的電鍍生產(chǎn)線改進。根據(jù)設計要求，機械手手部采用夾持式結構，在空中能實現(xiàn)升降移動和前后移動兩個自由度，并能搬運重30kg的軸類零件。 機械手最多有六個自由度，二維機械手是其中最簡單的一種，技術相對成熟。國內(nèi)外很多專家和學者都對這類機械手進行了研究，國外發(fā)展最成熟的是日本的公司，把可重構化的思想與機械手機構相結合，生產(chǎn)的機械手不僅價格低，還具有相當廣泛的適用性，易于維護和改進。我國的機械手研究起步較晚，發(fā)展相對落后，雖然也有很多公司已經(jīng)開始生產(chǎn)這種機械產(chǎn)品，并初具規(guī)模，例如上海瓦科自動化設備有限公司、揚州市恒陽冶金科技有限公司、廣州市海同機電設備有限公司、大連四達高技術發(fā)展有限公司和上海優(yōu)樂博特自動化工程有限公司等都是專業(yè)提供各種機械手的公司，但多采用電動機來驅(qū)動和控制，使這類機械手運行不平穩(wěn)、體積大、調(diào)速不方便、造價昂貴，且只能控制單個機體的運動，不利于組裝在自動生產(chǎn)線上。而應用在電鍍行業(yè)的機械手更是少，由于電鍍行業(yè)的特殊性，項目的復雜性，市場上不可能買到現(xiàn)成的機械手裝備，重新設計電鍍行業(yè)二維軸類零件運輸機械手生產(chǎn)線有相當大的必要性。 目前，在電鍍行業(yè)，機器設備還比較差，多為人工操作或是半自動機操作，生產(chǎn)線裝備更是比較落后，致使生產(chǎn)效率低，而且在惡劣的環(huán)境下，對工人身體不利還易出現(xiàn)危險。正是在這種條件下，以電鍍行業(yè)軸類運輸通用機械手為切入點，設計能夠在電鍍槽與電鍍槽之間、電鍍槽與上料裝置之間、電鍍槽與下料裝置之間搬運軸類零件的通用機械手，為改善此行業(yè)的生產(chǎn)效率低，工人環(huán)境危險的問題。雖然目前也有很多同類運輸機械手正在應用中，可是最大的問題是，這些機械手為專用化設備，不僅價格高，而且適應性不強，有的只能適用于一種零件或只適用于一條生產(chǎn)線，且有些老式的機械手體積龐大，浪費了不少資源，這也就成了制約電鍍行業(yè)發(fā)展的瓶頸。 綜上所述，機械手生產(chǎn)線作為新一代生產(chǎn)工具，能夠代替人完成人力所不及或人所不適宜的工作。隨著機械手在各個領域的應用，對機械手的綜合性能提出了更高的要求，專業(yè)化更強，實用性更高，經(jīng)濟性要求也己經(jīng)擺到了人們的面前。因此，結構簡單、操作方便、能滿足功能要求又具有一定的可靠性的工業(yè)機器人或者說功能專一的機械手需求量越來越大。 1.4項目的可行性與安全性分析 1.4.1項目的可行性分析 可行性研究的目的是用最小的代價在盡可能短的時間內(nèi)確定問題是否能夠解決。以下分別從經(jīng)濟上、技術上、運行上、法律上對該系統(tǒng)可行性進行研究。 （1）從經(jīng)濟上來說，隨著技術的逐步成熟與工作效率的提高，液壓缸、行架、導軌、螺釘?shù)攘慵图庸こ杀镜荣M用都有所降低，原來十幾萬的系統(tǒng)成本現(xiàn)在幾萬元就能實現(xiàn)，而該系統(tǒng)投入運行后能節(jié)約更多的財力，現(xiàn)在主要表現(xiàn)有以下幾個方面: 第一，本系統(tǒng)的運行可以代替人工進行許多繁雜的勞動； 第二，本系統(tǒng)的運行可以節(jié)省更多的資源； 第三，本系統(tǒng)的運行可以大大的提高工作人員的工作效率； 第四，本系統(tǒng)的運行可以滿足大量軸類零件的電鍍，很好的適應零件的變化。 所以，本系統(tǒng)在經(jīng)濟上是可行的。 （2）從技術上來說，本系統(tǒng)的開發(fā)應用機械原理、機械設計、精度配合的知識對其結構進行設計，在二維繪圖軟件CAXA2007的環(huán)境下進行開發(fā)；用液壓系統(tǒng)設計的基本步驟和計算方法對其液壓油缸、液壓站、集成油路進行設計；從工藝學的角度出發(fā)對機械手中的復雜零件進行結構設計。綜上所述，本系統(tǒng)的設計與開發(fā)在技術上和軟硬件設備上的條件都是滿足的，因此，它在技術上是可行的。 （3）從運行上來說，本系統(tǒng)為一個軸類零件二維運輸機械手生產(chǎn)線系統(tǒng)，采用液壓驅(qū)動的方式，使三個機械手同步運動完成整個電鍍的過程。機械工廠的電壓380V，能提供此系統(tǒng)所需的能量。因此，本系統(tǒng)在運行上也是可行的。 （4）從法律上來說，本系統(tǒng)純?yōu)樗饺嗽O計，在開發(fā)過程中沒有涉及合同、責任等與法律相抵觸的方面。因此，本系統(tǒng)在法律上是可行的。 1.4.2項目的安全性分析 系統(tǒng)安全性研究的目的是該系統(tǒng)的運行不影響工人的工作生活，工廠的設備，零件的質(zhì)量以及盡量避免事故的發(fā)生。主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （1）油缸的設計及密封方式做了很好的保護，盡量避免露油、泄油事故的發(fā)生。 （2）定期對油缸、油管、油口進行檢查與清洗，避免油口或油管堵塞事故的發(fā)生。 （3）整個生產(chǎn)線放置指定的區(qū)域里，外圍用黃色警戒線標出，以免工人無意靠近造成事故的發(fā)生。 （4）對機械手生產(chǎn)線進行維修，檢查時，事先切斷電源開關，防止事故的發(fā)生，提高系統(tǒng)的安全性。 綜上所述，該機械手生產(chǎn)線是安全的。 1.5本論文的主要研究內(nèi)容 本論文選題于電鍍行業(yè)的“軸類零件二維運輸機械手設計”，并把機械手運用到自動生產(chǎn)線上。該生產(chǎn)線針對現(xiàn)在電鍍行業(yè)工作效率低、電鍍成本高、工人工作環(huán)境危險的情況而設計。主要完成機械手夾緊和松開、前后移動、上下移動的功能，實現(xiàn)把將要電鍍的軸類零件從上料機構取下，到完成電鍍從下料機構取出的全自動化操作，整個過程需要三個機械手同步運動，它們是生產(chǎn)線的重要組成部分，其組成環(huán)節(jié)較多，結構復雜，較難協(xié)調(diào)工作。整個運動采用液壓驅(qū)動的方法，分別用三對油缸實現(xiàn)三對運動，這是本文論述的重點。而行架、上料機構、下料機構、電鍍槽的結構相對簡單，在整個系統(tǒng)中只取到輔助作用，所以只對其進行簡單的描述。 本論文研究的主要內(nèi)容有： （1）軸類零件二維運輸機械手的總體方案的確定。機械手采用懸掛式結構，在空間行架上運動，用液壓進行驅(qū)動，構建液壓站對其進行控制。 （2）機械手手部結構的設計。手部采用連桿杠桿式結構，夾持部用鑲塊的結構。由于是搬運軸類零件，采用兩支機械手并排設計。 （3）機械手行走機構的設計。機械手要能前后運動，只有在機械手上安上滾輪和導軌實現(xiàn)機械手的高效的運動。 （4）液壓缸的設計。機械手有三對運動，故采用三個液壓缸來滿足系統(tǒng)的需要，對每個液壓缸都需要詳細的設計。 （5）液壓站的設計。包括油箱、電動機、液壓泵、油管等的設計過程。 （6）功能檢驗。檢驗機械手的各功能，并效驗使用年限和工作效率。 2 機械手關鍵技術分析 2.1引言 機械行業(yè)擁有悠久的歷史，是一個自古就有的行業(yè)。從古代生產(chǎn)簡單的小型工具開始，到英國工業(yè)革命時期瓦特發(fā)明蒸汽機，到現(xiàn)在新型數(shù)控機床、大型機的發(fā)明，整個機械行業(yè)都在向前發(fā)展著。而工業(yè)機器人和專用機械手這個才起源于上實際70年代的應用科學，伴隨著傳動技術、液壓技術、計算機技術、傳感技術、控制工程等各種科學的交叉發(fā)展，技術逐步趨近成熟，在國民生活中發(fā)揮到越來越來的作用。這是在這些關鍵技術的基礎上，機械手生產(chǎn)線才能做出正確的設計。 2.2電鍍技術 隨著工業(yè)化生產(chǎn)的不斷細分，新工藝新材料的不斷涌現(xiàn)，在實際產(chǎn)品中得到應用的設計效果也日新月異，電鍍是在設計中經(jīng)常要涉及到的一種工藝，對于這種工藝的應用已經(jīng)非常廣泛，通過這種工藝的處理我們通?？梢缘玫揭恍┙饘偕珴傻男Ч?，如高光，亞光等，通過這樣的處理為產(chǎn)品的設計增加一個亮點。電鍍就是利用電解的方式使金屬或合金沉積在工件表面，以形成均勻、致密、結合力良好的金屬層的過程。簡單的理解，是物理和化學的變化和結合。我們一般應用電鍍工藝來提高工件的抗腐蝕、抗磨損的性能，或提供導電或絕緣性能的鍍層改變工件的電性能等。 電鍍工藝要求鍍層金屬做陽極，待鍍件做陰極，鍍層金屬的鹽溶液做電解質(zhì)溶液,通直流電進行電鍍。利用這個原理,可以鍍金、銀、銅、鋅、鎘、鎳等。也可以說，電鍍是指借助外界直流電的作用，在溶液中進行電解反應，使導電體例如金屬的表面沉積上一層金屬或合金層的過程。 該機械手系統(tǒng)就是應用在電鍍銅生產(chǎn)線上，用CuSO4作電解質(zhì)溶液，要鍍的金屬軸類工件接電源負極，電源正極接純銅。通電后，陽極的Cu原子失去電子變成Cu2＋離子溶入電解液中，而在陰極：金屬銅以離子狀態(tài)進入鍍液，并不斷向陰極遷移，最后在陰極上得到電子還原為金屬銅，逐漸形成金屬銅鍍層。其反應式為： 陽極： Cu - 2e－ → Cu2＋ 陰極： Cu2+ + 2e－ → Cu 2.3液壓技術 2.3.1液壓傳動概述及其優(yōu)點 一部完整的機器就是一個復雜的系統(tǒng)，由動力子系統(tǒng)、傳動子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和工作機構等組成。傳動部分是一個中間環(huán)節(jié)，而液壓傳動是傳動方式的一種主要類型。液壓傳動（hydrostatic transmission）是用液體的壓力能進行能量轉(zhuǎn)換與傳遞。液壓系統(tǒng)主要由：動力元件（油泵）、執(zhí)行元件（油缸或液壓馬達）、控制元件（各種閥）、輔助元件和工作介質(zhì)等五部分組成。近30年來，由于控制技術、微電子技術、計算機技術、傳感檢測技術及材料科學的發(fā)展，極大的推動了液壓傳動與控制技術的發(fā)展，使其成為集傳動、控制、計算機、傳感檢測、機電液為一體化的全新的自動控制技術。 液壓傳動與控制技術應用在工程機械、礦山機械、建筑機械、農(nóng)業(yè)機械、汽車機械、機床機械、軍事機械、海洋工程等各種行業(yè)，在國民經(jīng)濟生活中得到了廣泛的應用。表現(xiàn)出液壓傳動的優(yōu)點： （1）體積小、重量輕，因此慣性力較小，當突然過載或停車時，不會發(fā)生大的沖擊。因此，液壓傳動易于實現(xiàn)快速啟動、制動及頻繁換向，每分鐘的換向次數(shù)可達500次（左右擺動）、1000次（往復移動）。?? （2）能在給定范圍內(nèi)平穩(wěn)的自動調(diào)節(jié)牽引速度，并可實現(xiàn)大范圍的無極調(diào)速。這使得液壓傳動裝置可在極低的速度下輸出很大的力?? （3）換向容易，在不改變電機旋轉(zhuǎn)方向的情況下，可以較方便地實現(xiàn)工作機構旋轉(zhuǎn)和直線往復運動的轉(zhuǎn)換。?? （4）液壓裝置易于實現(xiàn)過載保護。當液壓系統(tǒng)超過負荷（或系統(tǒng)承受液壓沖擊）時，液壓油可以經(jīng)溢流閥排回油箱，系統(tǒng)特到過載保護。? （5）由于采用油液為工作介質(zhì)，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命長。?? （6）操縱控制簡便，自動化程度高。?? （7）易于設計和制造。因為液壓元件都已經(jīng)實現(xiàn)標準化、系列化、通用化，使液壓系統(tǒng)的設計、制造都比較方便。? 2.3.2液壓傳動的基本原理 液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞運動的介質(zhì)，通過液壓泵把電動機（或其他動力）供給的機械能轉(zhuǎn)換成油液的液壓能，油液輸入液壓缸后，又通過液壓缸把油液的液壓能轉(zhuǎn)變成驅(qū)動工作部件運動的機械能。液壓系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程可以簡單的用圖2－1來表示。 動力元件 執(zhí)行元件 機械能 液壓能 機械能 控 制 元 件 控制與調(diào)節(jié)作用 圖2－1 液壓系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程 在液壓系統(tǒng)中，無論電動機的旋轉(zhuǎn)運動或其他直線運動的機械能都依靠密封容積的變化轉(zhuǎn)化為液體的壓力能，即液壓泵輸出的液壓油具有一定的壓力。而工作部件運動的速度決定于在單位時間內(nèi)通過節(jié)流閥流入液壓缸中油液的多少，因為工作部件運動時所能克服的阻力大小于液壓油的壓力和活塞的有效工作面積有關。對液壓系統(tǒng)的控制則是通過控制和調(diào)節(jié)液壓油的壓力、流量及液壓方向來實現(xiàn)的，因此，液壓傳動和液壓控制是不可分割的。 2.3.3液壓系統(tǒng)的設計步驟和內(nèi)容 液壓系統(tǒng)的設計是整個機器設計的一部分，它的任務是根據(jù)機器的用途、特點和要求，利用液壓傳動的基本原理，擬定出合理的液壓系統(tǒng)圖，再經(jīng)過必要的計算來確定液壓系統(tǒng)的參數(shù)，然后按照這些參數(shù)來選用液壓元件的規(guī)格和進行系統(tǒng)的結構設計。液壓系統(tǒng)的設計步驟大體如下： （1）液壓系統(tǒng)的工況分析。即在開始設計液壓系統(tǒng)時，首先要對機器的工作情況進行詳細的分析，一般要考慮下面幾個方面的問題。 第一：確定該機器中哪些運動需要液壓傳動來完成。 第二：確定各運動的工作順序和各執(zhí)行元件的工作循環(huán)。 第三：確定液壓系統(tǒng)的主要工作性能，包括執(zhí)行元件的運動速度、調(diào)速范圍、最大行程以及運動的平穩(wěn)性要求。 第四：確定各執(zhí)行元件所承受的負載及其變化范圍。 （2）擬定液壓系統(tǒng)原理圖。即根據(jù)任務要求，確定采用執(zhí)行機構的型式、調(diào)速方案和速度換接方法，滿足系統(tǒng)的調(diào)壓、卸荷及執(zhí)行機構的換向和安全互鎖等要求，選擇基本回路，然后將各基本回路組合成液壓系統(tǒng)原理圖。 （3）液壓系統(tǒng)的計算并選擇液壓元件。液壓計算的目的是確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)，以便按照這些參數(shù)合理的選擇標準元件和設計非標準元件。具體設計計算步驟如下: 第一步：計算液壓缸的主要尺寸以及所需的壓力和流量。 第二步：計算液壓泵的工作壓力、流量和傳動功率。 第三步：選擇液壓泵和電動機的類型和規(guī)格。 第四步：選擇閥類元件和輔助元件的規(guī)格。 （4）對液壓系統(tǒng)進行驗算。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，滿足設計任務的要求，對液壓系統(tǒng)的壓力損失和發(fā)熱升溫要進行驗算。 （5）繪制正式工作圖和編制技術文件。正式工作圖一般包括：液壓系統(tǒng)原理圖；非標準的液壓缸、液壓油箱圖；液壓泵、液壓閥及管路的安裝總圖。技術文件一般包括：基本件、標準件、通用件及外購件匯總表，液壓系統(tǒng)安裝和調(diào)試要求，設計說明書等。 2.4機械設計技術 2.4.1機械原理 “機械”是“機器”和“機構”的總稱，機械原理正式一門以以機器和機構為研究對象的科學。在機械原理中，我們把機器的各種問題看成是歸納成機構的結構和運動學以及機器的動力學兩個方面來考慮?，F(xiàn)代機器人的研究，正是建立在此基礎上，在機構學中形成了研究專題，其中以普通、特殊串聯(lián)、多環(huán)并聯(lián)機器人機構，步行和蛇行機器人機構等為研究對象，包括結構分析、運動學、動力學建模，最優(yōu)控制，參數(shù)識別等多個應用領域。 用機械原理的方法，能使所分析的問題簡單化，以最快的速度，最優(yōu)的方法滿足系統(tǒng)的要求。我所設計的電鍍機械手手部結構運用連桿杠桿式機構的原理，繪出正確的機構簡圖，并對機械手進行運動分析和動力分析。 2.4.2機械設計 機械設計是為了滿足機器的某些特定的功能而進行的創(chuàng)造性的過程，即用新的原理或新的概念，開發(fā)創(chuàng)新出新的產(chǎn)品。我已經(jīng)掌握了通用機械零件的設計原理、方法和機械設計的一般規(guī)律，具有選用通用機械傳動裝置和初步具有設計簡單機械的能力，具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關技術資料的能力，在此機械設計能力的基礎上，我的項目題目為“軸類運輸二維機械手的設計”，包括了機械手手部結構、傳動系統(tǒng)、空間行架、行走機構和液壓站的設計。整個產(chǎn)品的設計步驟如下： （1）明確設計的任務要求，把任務分解為具體的功能模塊。 （2）針對具體的要求，提供可供選擇的方案，并進行比較得出最優(yōu)的方案。 （3）按照選定的方案進行總體設計、運動學、動力學分析、零部件的工作能力和結構分析，繪制裝配總圖。 （4）根據(jù)裝配圖，結合具體的生產(chǎn)條件和零件的結構工藝性等因素，繪制零件工作圖。 （5）整理圖紙，編寫計算說明書和使用說明書。 我所設計的機械手正是根據(jù)這個設計步驟進行設計和分析的，從解讀任務要求到完成設計說明書，都以機械設計的思想和方法貫穿于始終，以機械設計手冊為重要的參考資料，完成整個機械手的設計過程。 2.4.3精度設計 任何機械產(chǎn)品，都是由零部件組成的。因此，機械零部件幾何參數(shù)的精度（尺寸精度、形狀及相互位置精度、表面粗燥度等）會直接影響現(xiàn)代機械產(chǎn)品的質(zhì)量，包括工作精度、耐用性、可靠性、效率等。這就是說，在合理設計結構和正確選用材料的前提下，機械零部件幾何參數(shù)的精度設計是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，是機械設計的基礎。機械零部件幾何精度的任務，就是根據(jù)使用要求對于經(jīng)過參數(shù)設計階段確定的機械零件的幾何參數(shù)合理的給出尺寸、形狀位置和表面粗糙度公差值，用以控制加工誤差，從而保證產(chǎn)品的各項性能要求。機械產(chǎn)品中的孔、軸結合主要有三種形式：孔、軸有相對運動，孔軸固定連接和孔、軸之間定位可拆連接。為滿足這三種配合要求，極限于配合國家標準規(guī)定了配合制、標準公差系列和基本偏差系列，其基本結構圖如圖2－2所示。 標準公差系列 基孔制配合 配合制 基本偏差系列 基軸制配合 圖2－2 極限與配合的結構 在機械制造過程中，從工藝上和宏觀經(jīng)濟效益考慮，一般優(yōu)先選用基孔制。這是因為加工孔用的刀具多是定值的，選用基孔制便于減少孔用定值刀具和量具的數(shù)目。而加工軸的刀具大都不是定值的，因此，改變軸的尺寸不會增加刀具和量具的數(shù)目。軸類零件二維機械手經(jīng)過設計計算，應用到的配合尺寸如圖2－3所示。 序號 配合零件 配合代號 配合制 配合類別 配合特征 1 活塞與油缸 H7/g6 基孔制 間隙配合 較小的間隙，應用于精密的潤滑處。 2 活塞桿和法蘭蓋 H7/g6 基孔制 間隙配合 較小的間隙，應用于精密的潤滑處。 3 內(nèi)缸套和外端蓋 H7/g6 基孔制 間隙配合 較小的間隙，應用于精密的潤滑處。 4 法蘭蓋和油缸 H8/g7 基孔制 間隙配合 較小的間隙，應用于精密的潤滑處。 5 開口銷的連接 H8/f8 基孔制 間隙配合 一般的間隙，用于一般轉(zhuǎn)速的動配合。 6 機械手部鉸鏈連接處 H9/c9 基孔制 間隙配合 較大間隙多應用于鉸接處。 7 彈性聯(lián)軸器的配合 H7/k6 基孔制 過渡配合 大部分有微小的間隙，用于稍有震動的配合。 圖2－3 機械手設計中用到的配合 2.4.4工程材料 材料用來做器件、機構或其他產(chǎn)品，材料是生產(chǎn)生活的物質(zhì)基礎。對機械手進行設計，首先就是要對材料進行選擇。選用材料的好壞，直接影響到整個機器的性能好壞，如果選擇的材料不適當，整個機器無法正確的制造出來，這個設計就是白費。在機械行業(yè)中，應用得最廣的仍然是金屬材料。根據(jù)初步的估計，整個機械手生產(chǎn)線自重的70％左右為鑄鐵，碳鋼占20％，其余為合金鋼及少量的有色金屬塑料等。了解鋼的熱處理及各金屬材料的組織、性能關系，從工藝學的角度認識機械產(chǎn)品是進行設計的基本前提。再好的設計，如果在實際生產(chǎn)中無法制造出來，那么這個設計就是失敗的，正式這點，使我的整個機械手的設計立足于實際生產(chǎn)。從毛坯的材料選擇到材料的制造工藝，都為本設計提供了基本的保證。 2.5計算機繪圖技術 計算機繪圖是相對于手工繪圖而言的一種高效率、高質(zhì)量的繪圖技術。手工繪圖使用三角板、丁字尺、圓規(guī)等簡單工具，是一項細致、復雜和冗長的勞動。不但效率低、質(zhì)量差，而且周期長，不易于修改。隨著計算機技術的發(fā)展，用計算機繪圖能很好的解決手工繪圖所帶來的不便。 現(xiàn)在市場上，計算機繪圖軟件主要分三維繪圖和二維繪圖兩大類，由于現(xiàn)在三維繪圖軟件還發(fā)展的不太成熟，國內(nèi)公司主要應用三維繪圖在外觀設計和產(chǎn)品造型方面。而我所設計的機械手處于結構的設計，用二維繪圖軟件才能更好的表示出整個系統(tǒng)的結構和尺寸。國內(nèi)市場比較活躍的二維繪圖軟件有：美國AutoDesk公司AutoCAD、華工開目公司的KMCAD、北航華正的CAXA、華軟公司的InteCAD。因為CAXA不僅具有繪圖方便、操作簡單、運行消耗的資源小等優(yōu)點，更因為它的種類齊全的國際標準件圖庫，靈活的剖面線設置使得越來越多的企業(yè)應用此軟件。正是因為此原因，我說設計的機械手采用CAXA2007r1（測試版）的開發(fā)環(huán)境進行計算機繪圖。 2.6本章小結 本章對機械手所采用的關鍵技術及設計思想進行了介紹。首先詳細說明液壓的基本原理和方法，接著分別介紹了機械設計技術和計算機繪圖技術的方法原理，并初步介紹了機械原理、機械設計、精度設計、工程材料等方面的基礎知識，同時分析了CAXA繪圖的優(yōu)點及整個設計的開發(fā)環(huán)境。為下面幾章的機械手詳細設計做好了鋪墊。 4 機械手系統(tǒng)總體方案設計 3.1引言 機器手是典型的機電一體化產(chǎn)品，根據(jù)機械手所要完成的要求，合理的分配機械、電子、硬件、軟件各部分所承擔的任務和功能，對提高系統(tǒng)的整體性能、結構簡化、成本降低起著舉足輕重的作用。因此，對軸類零件二維運輸機械手采用系統(tǒng)的觀點進行整體功能分析，可以實現(xiàn)結構優(yōu)化，是實現(xiàn)經(jīng)濟性、靈活性和高可靠性系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)和關鍵步驟。 3.2機械手任務要求 該機械手運用在電鍍生產(chǎn)線上，為了提高勞動生產(chǎn)率，加快產(chǎn)品的生產(chǎn)速度與工人工作的安全性，要求三支機械手同步運動，當?shù)谝恢C械手把軸類零件從上料機構搬運到電鍍槽內(nèi)時，第二支機械手負責把軸內(nèi)零件從電鍍槽搬運到清洗槽內(nèi)，而第三支機械手則把零件從清洗槽搬運到下料機構中，最后整個工序完成。三支機械手在生產(chǎn)線上要求同步運動，即機械手每次運動都要完成如下動作： 下降——夾緊——上升——平移——下降——松開——返回 機械手的設計參數(shù)與要求如下： （1）機械手能夾持軸類零件的直徑為?30——?60mm。 （2）機械手能進行上下運輸運動，其最大行程為300mm。 （3）機械手能進行左右運輸運動，其行程為100mm——1500mm。 （4）工件重量30Kg，工件長度為400mm。 （5）完成一次運輸時間小于20秒鐘。 （6）機械手使用年限為20年。（按每年250天，每天16小時計算） 3.3機械手手部結構設計 機械手手部結構是軸類零件二維運輸機械手最終的執(zhí)行機構，是工業(yè)機器人、機械手生產(chǎn)線賴以實現(xiàn)各種運動的實體，機械結構的布局、類型、傳動方式以及驅(qū)動系統(tǒng)的設計直接關系著其工作性能。專業(yè)機械手屬于工業(yè)機器人的一種，其機械結構按坐標形式主要有直角坐標型、球坐標型、圓柱坐標型、SCARA型和關節(jié)型等。 （1）直角坐標型機器人操作臂的優(yōu)點是結構簡單、剛度高，三個關節(jié)的運動相互獨立，其間沒有禍合，不影響末端手爪的姿態(tài)，不產(chǎn)生奇異狀態(tài)，運動和控制都比較簡單；缺點是占地面積大，動作范圍小，操作靈活性差。 （2）球坐標機器人和圓柱坐標機器人占地面積小，工作空間較大，在空間中的定位也比較直觀，但是它們的移動關節(jié)不容易防護，極坐標型機器人也存在移動關節(jié)不易防護的問題，它們多用于一些特殊的作業(yè)環(huán)境。 （3）SCARA型機器人的主要特點是結構輕便，響應快，最適用于在垂直方向完成零件的裝配作業(yè)。 （4）關節(jié)型機器人操作臂的優(yōu)點是結構緊湊，占地面積小，動作靈活，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，工作空間大；缺點是進行控制時計算量比較大，確定末端執(zhí)行部件的位姿不直觀。 綜上所述，關節(jié)型機器人雖然運動學分析比較復雜，控制難度大，但與其它型式機器人相比操作靈活性強，因而它的應用日益廣泛。 針對該軸類零件二維運輸機械手，為了使它具有一定的操作靈活性和較好的使用性能，在結構設計上采用圓柱坐標型。整個機器人系統(tǒng)設計為3個自由度，將運動分解為兩部分:移動部分和操作部分。移動部分占2個自由度，包括上下移動機構和前后移動機構，這兩個自由度相互垂直，其間無禍合，可以有效的進行控制。操作部分有1個自由度，即為機械手夾緊和放松機構。機械手手部結構采用連桿杠桿式結構，如圖3－1所示。 圖3－1 機械手手部結構設計 3.4驅(qū)動系統(tǒng)性能分析及方案設計 機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設計往往要受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時還要考慮價格因素的影響以及所能達到的技術水平。目前機器人的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電氣驅(qū)動三種形式。氣動系統(tǒng)具有結構簡單、動作迅速，可在惡劣的環(huán)境中工作，但氣動裝置也存在噪聲問題，只適用于精度要求不高的點位系統(tǒng)中。電氣驅(qū)動系統(tǒng)具有精度高、控制準確、響應迅速快等優(yōu)點，但控制較復雜、結構復雜、成本較高。而壓驅(qū)動系統(tǒng)能夠提供較大的驅(qū)動壓力和功率，具有結構簡單、性能穩(wěn)定、無級變速等特點，液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)響應速度快，可達到較高的定位精度和剛度，常用于要求提供較大驅(qū)動力矩、對移動性能要求差的大功率機器人系統(tǒng)中。綜合考慮各種因素，這里設計的電鍍生產(chǎn)線運輸機械手系統(tǒng)運用液壓驅(qū)動，建立一個液壓站為整個生產(chǎn)線提供動力支持。 液壓驅(qū)動系統(tǒng)裝配圖見設計圖紙部分第2張：電鍍自動線液壓站裝配圖。 3.5傳動系統(tǒng)設計 3.5.1傳動方式概述 傳動裝置的作用主要是將驅(qū)動元件的動力傳遞給機器人相應的執(zhí)行部件，以實現(xiàn)各種預定的運動。目前常用的傳動方式有:皮帶輪傳動、鏈條傳動、齒輪齒條傳動、蝸輪蝸桿傳動、行星齒輪傳動、諧波減速傳動、螺旋傳動等機械傳動方式以及液體傳動、電氣傳動等。諧波齒輪傳動具有體積小、結構緊湊、效率高、能獲得大的傳動比等優(yōu)點，但存在扭轉(zhuǎn)剛度較低且傳動比不能太小的缺點。行星齒輪傳動具有結構緊湊、效率高的優(yōu)點是用于中等減速比傳動，但存在齒輪間隙，難以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)過程中精確位置要求，因此限制了它的廣泛應用。蝸輪蝸桿機構常用于要求有大的傳動比且傳動過程中要求機構自鎖的場合，這種方式安全性能高，但同樣存在齒側間隙，而且效率較低。皮帶輪傳動可以實現(xiàn)過載保護，可是存在彈性滑動，和鏈傳動一樣使用一段時間后易松弛，傳動運轉(zhuǎn)過程中還產(chǎn)生動載荷，因此，二者常用于傳動精度要求不高的場合。滾珠絲杠傳動具有傳動效率高、摩擦阻力小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)且能夠有效消除傳動間隙，無傳動“爬行”現(xiàn)象和不自鎖等優(yōu)點，但是價格較高。相對機械傳動，液壓傳動能進行無級調(diào)速、可在極低的速度下傳遞出很大的力、體積小、質(zhì)量輕、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，應用較為廣泛。 3.5.2機械手移動部分傳動 由于在電鍍生產(chǎn)線上，機械手移動精度要求不是很高，但需要三支機械手同步運動，要傳遞的力很大，在滿足性能的基礎上考慮到經(jīng)濟性要求，所以，移動機構選用液壓傳動，由活塞液壓缸來承擔將油液壓力轉(zhuǎn)換為機械手的直線移動。 由于升降移動行程較短，故采用單桿移動液壓缸就能滿足要求；而機械手的前后移動由于行程為1500mm，距離較長，故需采用液壓缸套筒的結構，液壓油先推動油缸內(nèi)缸套筒移動，當內(nèi)缸套頂住一個凸臺后，內(nèi)缸套不動，液壓油繼續(xù)推動活塞桿移動，實現(xiàn)二級移動，即節(jié)約了液壓缸的制造成本，又節(jié)省了液壓缸的空間占位面積。 機械手移動部分傳動設計，見設計圖紙第4張：機械手前后移動液壓缸；第5張：機械手升降移動液壓缸。 3.5.3機械手夾持部分傳動 考慮到機械手的零件為軸類零件，工件重量30Kg，工件長度為400mm，需要兩支機械手手爪均部于軸的兩側，實現(xiàn)同步運動，且機械手抓起零件后，在空中運輸需要保持機械手的夾緊狀態(tài)。用液壓傳動系統(tǒng)，可以直接用閥類元件控制兩支機械手手爪的同步運動并進行夾緊，夾緊油缸要求體積小，但活塞運動速度快，保證夾緊時間小于1s。 機械手夾持部分傳動設計見設計圖紙第6張：機械手手部結構設計。 3.6機械手總裝配置 根據(jù)以上的設計方案，繪制出電鍍生產(chǎn)線運輸機械手總體配置方案如下圖所示： 圖3－2 機械手總體配置圖 整個機械手電鍍生產(chǎn)線包括上料機構、下料機構、液壓站、電鍍槽、清洗槽、機體支座、支撐柜空中行架、機械手、液壓缸等部件組成。在此機械手電鍍生產(chǎn)線上，三支機械手同步運動，當?shù)谝恢C械手把軸類零件從上料機構搬運到電鍍槽內(nèi)時，第二支機械手負責把軸內(nèi)零件從電鍍槽搬運到清洗槽內(nèi)，而第三支機械手則把零件從清洗槽搬運到下料機構中，實現(xiàn)三個零件同時工作，節(jié)省了人力，大大提高了工作的效率。 3.7本章小結 本章主要針對電鍍生產(chǎn)線上，軸類零件二維運輸機械手的性能要求和工作特點，對機械手的機械結構、傳動方式、液壓驅(qū)動以及總裝配置等問題進行了整體分析和方案設計，確定連桿杠桿式的機械結構形式，采用液壓驅(qū)動和傳動技術，用液壓缸和液壓站來構建整個電鍍自動生產(chǎn)線，并簡單介紹了整個生產(chǎn)線的工作步驟。系統(tǒng)方案的確定為后文液壓系統(tǒng)的設計、液壓缸的設計和液壓站的設計提供了根本條件。 4 機械手結構分析 4.1引言 機械手的結構是整個電鍍生產(chǎn)線的重點，它是與零件直接接觸的重要部件，機械手的結構設計好壞，直接影響到整個系統(tǒng)的功能要求能否滿足。機械手的結構設計包括夾持部分、行走部分、缸體部分等組成，下文將分別從這幾個方面進行介紹。 4.2機械手夾持部的力學分析 機械手采用連桿杠桿式的結構設計，手爪內(nèi)部用鑲塊進行連接，裝入不同大小的鑲塊，就能實現(xiàn)對不同直徑軸的夾緊，其結構簡圖如下圖4－1所示： 圖4－1 機械手手部結構簡圖 在此機械手中，手爪的夾緊力靠a、b、c、Ф四個參數(shù)來設定，其力N、P的計算公式如下： P= （4.1） P——機械手外作用力； N——機械手對零件的夾緊力； 因為軸類零件重量為30Kg，重力G＝m×g＝30×10＝300N，根據(jù)公式： G＝μN （4.2） 查表得，將其μ＝0.28；G＝300N；代入公式（4.2）中，得：N＝300/0.28＝1071N，根據(jù)我所設計得機械手夾持結構得尺寸，有b＝40mm；c＝22mm；a＝15°；?＝60°，將其代入公式（4.1）中，得 P＝＝＝940N＝0.94KN 機械手外作用力P＝0.94KN，即為機械手夾緊油缸的外作用力。 4.3機械手行走機構的設計 機械手要能實現(xiàn)在空中的前后移動，首先需要在空中固定一個導軌，通過導軌，利用滾輪在導軌的移動來實現(xiàn)機械手的前后移動?？臻g行架用兩根槽型鋼焊接固定在圓柱立柱上，滾輪采用三角的型式，中間夾住導軌，使其運動平穩(wěn)。導軌和行架用螺釘連接，中間螺釘起連接固定的作用，兩邊的螺釘起調(diào)整導軌相對位置及保證導軌平行的作用。由于前后移動油缸固定在空中行架上，液壓缸的動作通過帶動拉桿的前后移動，而拉桿與機械手的行走機構套在一起，實現(xiàn)機械手的前后移動，故在機械手的行走機構上兩端要裝上拉桿套。如圖4－2所示，為機械手的行走機構。 圖4－2 機械手行走機構 4.4機械手總體結構 通過以上的分析，該機械手的總體結構包括空中行走機構、機械手升降移動油缸、機械手夾緊油缸和機械手的夾持部四個大的部件，將其組裝成一體后就形成了一部完整的機械手。 機械手的行走機構與升降移動液壓缸的法蘭蓋采用四個螺栓均勻布置進行連接，使其升降移動液壓缸穩(wěn)定的放置在機械手行走機構的下方；而升降油缸與夾緊油缸中間用一塊連接板，用內(nèi)六角圓柱頭螺釘使活塞桿和連接板固定，用六角頭螺栓使連接板和夾緊油缸的法蘭蓋固定，這樣使夾緊油缸與升降油缸連接成為了一個整體。夾緊油箱的另一端法蘭蓋用長板的結構，直接與機械手的手爪部結構連接在一起。如圖4－3所示，為機械手總體結構示意圖。 圖4－3 機械手總體結構示意圖 4.5本章小結 本章通過對機械手的行走機構、手部結構、升降油缸和夾緊油缸進行分析，并對這四部分進行連接，形成機械手的總體結構，并用簡單的示意圖進行表示，清楚的描述了機械手的總體結構。 5 液壓系統(tǒng)設計 5.1引言 液壓系統(tǒng)是整個機械手設計的核心，液壓系統(tǒng)設計的好壞，直接影響到整個機械手系統(tǒng)的工作性能，本章將重點介紹機械手液壓系統(tǒng)的設計。對液壓系統(tǒng)進行設計，要按照一定的方法和步驟，首先了解系統(tǒng)的功能結構、工作循環(huán)及對液壓系統(tǒng)的主要要求，其次對液壓系統(tǒng)進行分析、計算及效驗，最后分析液壓站的結構特點，并作出總結。 5.2液壓系統(tǒng)工況分析 5.2.1液壓系統(tǒng)的組成 機械手生產(chǎn)線系統(tǒng)，采用液壓傳動系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)若能正常工作必須由以下五部分組成： (1)動力裝置。它是把原動機輸入的機械能轉(zhuǎn)換為液體壓力能的能量轉(zhuǎn)換裝置，一般由電動機和液壓系組成，其作用是為液壓系統(tǒng)提供壓力油。 (2)執(zhí)行元件。它是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，其作用是在壓力油的推動下輸出力和速度(直線運動)，或力矩和轉(zhuǎn)速(回轉(zhuǎn)運動)。這類元件包括各類液壓缸和液壓馬達。 (3)控制調(diào)節(jié)元件。它是能控制或調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中油的壓力、流量或方向，以保證執(zhí)行裝置完成預期工作的元件。這類元件主要包括各種液壓閥，如溢流閥、節(jié)流閥以及換向閥等。 (4)輔助元件。輔助元件是指油箱、蓄能器、油管、管接頭、濾油器以及流量計等。這些元件分別起散熱、貯油、蓄能、輸油、連接、過濾、測量壓力和測量流量等作用，以保證系統(tǒng)正常工作，是液壓系統(tǒng)不可缺少的組成部分。 (5)工作介質(zhì)。它在液壓傳功及控制中起傳遞運動、動力的作用。工作介質(zhì)為液壓油或其它合成液體。 5.2.2系統(tǒng)達到的功能要求和技術指標 運輸機械手是對零件進行搬運以及正確放置為目的的設備，在自動生產(chǎn)線上具有重要的用途。該機械手的各動作是由液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)的，完成機械手的上升運動、前后移動、夾緊和放松三對運動的六個動作。工人在操作臺前，使用不同的按鈕實現(xiàn)本機械手的各個動作。 機械手運用在電鍍生產(chǎn)線上，要求三支機械手同步運動，當?shù)谝恢C械手把軸類零件從上料機構搬運到電鍍槽內(nèi)時，第二支機械手負責把軸內(nèi)零件從電鍍槽搬運到清洗槽內(nèi)，而第三支機械手則把零件從清洗槽搬運到下料機構中，最后整個工序完成。機械手由液壓和電氣配合實現(xiàn)的動作循環(huán)要求如圖5－1所示： 圖5－1 機械手動作循環(huán)圖 通過機械手的以上動作分析，分別用三個液壓油缸來實現(xiàn)機械手的三對動作。分別稱作：前后移動油缸、升降油缸和夾緊油缸。根據(jù)設計要求，機械手的設計參數(shù)如圖5－2所示。 序號 設計參數(shù) 1 機械手能夾持軸類零件的直徑為?30——?60mm。 2 機械手能進行上下運輸運動，其最大行程為300mm。 3 機械手能進行前后運輸運動，其行程為100mm——1500mm。 4 工件重量30Kg，工件長度為400mm。 5 完成一次運輸時間小于20秒鐘。 6 機械手使用年限為20年。（按每年250天，每天16小時計算） 圖5－2 機械手設計參數(shù) 5.3液壓系統(tǒng)參數(shù)計算 5.3.1確定液壓缸負載力 設液壓缸工作循環(huán)中最大外負載為F，根據(jù)液壓設計手冊中，液壓缸負載公式及各參數(shù)意義為： F= （5.1） R——液壓缸外作用力，單位KN； ——液壓缸總效率； 通過查表，在額定壓力下的液壓缸，總效率為=0.9~0.95，取=0.93，升降移動液壓缸所受外作用力R=5.56KN，代入公式（5.1）得： F===5.98KN＝5980N 夾緊油缸和前后移動油缸的外作用力分別為0.94KN、34.31KN，帶入公式2－1中，對各油缸的負載情況進行計算，對出如圖5－3所示的數(shù)據(jù)。 液壓缸類型 液壓缸外作用力R（KN） 液壓缸負載力F（KN） 前后移動液壓缸 14.78 15.89 升降移動液壓缸 5.56 5.98 機械手夾緊液壓缸 0.94 1.01 5－3 各油缸的外作用力和負載力 5.3.2確定液壓缸主要尺寸 5.3.2.1初選液壓系統(tǒng)壓力 系統(tǒng)壓力選定得是否合理，直接關系到整個系統(tǒng)設計的合理程度。在液壓系統(tǒng)功率一定的情況下，若系統(tǒng)壓力選得過低，則液壓元器件、液壓輔件的尺寸和重量就增加，系統(tǒng)造價也相應增加；若系統(tǒng)壓力選得較高，則液壓設備的重量、尺寸會相應降低，但制造精度等要求也相應的提高。根據(jù)液壓設計手冊中的工作壓力表，初步選定液壓系統(tǒng)的工作壓力為PP＝5MPa。 5.3.2.2液壓缸主要尺寸 液壓缸的主要尺寸包括液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿的外徑兩個主要的尺寸，設液壓缸的內(nèi)徑用D表示，塞桿的外徑用d表示，根據(jù)液壓設計手冊中，單活塞桿液壓缸內(nèi)徑的計算公式及各參數(shù)的意義為： （5.2） P1——液壓缸工作壓力，初算時可取系統(tǒng)工作壓力PP，單位MPa； P2——液壓缸回油腔背壓力，單位MPa； d／D——活塞桿外徑與液壓缸內(nèi)徑之比； F——液壓缸負載，單位N； 通過查表，確定P1＝5MPa，P2＝0.4MPa，d/D=0.5，機械手升降移動油缸的負載力F＝5980N,代入公式（5.2）得： ＝40.33mm 機械手夾緊油缸的負載力F＝1010N，帶入公式（5.2）得： ＝17.27mm 機械手橫移油缸得負載力F＝15890N，帶入公式（5.2）得： ＝63.09mm 活塞桿直徑可由d/D值算出，由計算所得得D與d值分別按液壓設計手冊表中圓整到近似得標準直徑，以便采用標準的密封元件。由于機械手的前后移動油缸最大行程為1500mm，考慮到活塞桿的加工過程中，此長活塞桿加工困難，不易制造，故采用雙級油缸結構，內(nèi)缸套內(nèi)徑取63mm，根據(jù)設計，外油缸取100mm。各功能液壓缸的油缸內(nèi)徑D和活塞桿外徑選取值如圖5－4所示。 液壓缸類型 液壓缸內(nèi)徑D（mm） 活塞桿外徑d（mm） 前后移動液壓缸 100 32 升降移動液壓缸 40 22 機械手夾緊液壓缸 18 8 圖5－4 各液壓缸的D和d的取值 對選定后的液壓缸內(nèi)徑D，必須進行最小穩(wěn)定速度的驗算。要保證液壓缸節(jié)流腔的有效工作面積A，必須大于保證最小穩(wěn)定速度的最小有效面積Amin，即A>Amin，由公式： Amin＝ （5.3） ——流量閥的最小穩(wěn)定流量； ——液壓缸的最低速度，由設計要求給定； 用機械手夾緊油缸進行最小穩(wěn)定速度驗算，qmin是由產(chǎn)品樣本查得調(diào)速閥L-10B的最小穩(wěn)定流量為0.05L/min，由于夾緊時間取1s，根據(jù)設計要求，vmin＝20m/min。夾緊油缸D=18mm，d＝8mm，代入公式（5.3），得： Amin＝cm2＝2.5cm2 A＝＝×182＝2.64 cm2 可見上述不等式能滿足，液壓缸能達到所需低速。 5.3.2.3計算各液壓缸工作時所需流量 查液壓設計手冊，液壓缸的流量計算公式及各參數(shù)的意義為： （5.4） ——液壓缸的流量，m3/min； D——液壓缸內(nèi)徑，m； V——活塞桿的運動速度，m/min； 根據(jù)公式（5.4），代入各參數(shù)數(shù)值，計算出機械手前后移動和升降移動工作所需的流量Q前后、Q上下為： Q前后＝π×D2×v/4＝3.14×0.0632×18÷4＝0.05608m3/min＝56.08L/min Q上下＝π×D2×v/4＝3.14×0.042×10÷4＝0.01256m3/min＝12.56L/min 5.3.3液壓泵與電動機的確定 5.3.3.1泵的工作壓力的確定 考慮到正常工作中進油管路有一定的壓力損失，所以泵的工作壓力為： PP＝P1+∑△P （5.5） PP——液壓泵最大工作壓力，MPa； P1——執(zhí)行元件最大工作壓力，MPa； △P——進油管路中的壓力損失； 初始計算時，壓力損失△P在簡單系統(tǒng)下，可取0.2—0.5MPa；在復雜系統(tǒng)下，可取0.5－1.5MPa。這里機械手液壓系統(tǒng)中選取0.4MPa，并將P1=5MPa，△P＝0.4MPa 代入公式（5.5），得： PP＝P1+∑△P=5+0.4=5.4MPa 上述計算得的是系統(tǒng)的靜壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡階段出現(xiàn)的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外，考慮到一定的壓力貯備量，并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力Pn應滿足Pn≥(1.25～1.6)PP。中低壓系統(tǒng)取小值，高壓系統(tǒng)取大值，機械手液壓系統(tǒng)中，按中低壓系統(tǒng)取小值，則： Pn＝1.3×5.4＝7.02MPa 5.3.3.2泵的流量確定 液壓設計手冊中，液壓泵的最大流量公式為： Q≥ （5.6） Q——液壓泵的最大流量，L/min； ——同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值，L/min； ——系統(tǒng)泄漏系數(shù)； 一般取系統(tǒng)泄漏系數(shù)＝1.1~1.3，現(xiàn)?。?.2。由于機械手升降移動油缸有三個同時運動，故流量之和為3×Q上下＝37.68 L/min。因此取前后移動液壓缸的流量為56.08L/min，代入公式（5.6），得：Q＝1.2×56.08L/min ＝67.29L/min 5.3.3.3選擇液壓泵的規(guī)格 根據(jù)以上算得的液壓泵最大工作壓力PP和液壓泵的最大流量Q，查找液壓設計手冊中的液壓泵型號規(guī)格，現(xiàn)選用CB-50型齒輪泵。該泵的參數(shù)如圖5－5所示。 類別 型號 排量（mL/r） 壓力（MPa） 轉(zhuǎn)速（r/min） 特點 生產(chǎn)場 額定 最高 額定 最高 齒輪泵 CB-50 50 10 12.5 1450 1650 鋁合金殼，浮動軸套結構 長江液壓件廠 合肥液壓件廠 圖5－5 液壓泵的參數(shù) 5.3.3.4電動機的選定 選擇與液壓泵相匹配的電動機，首先需要計算電動機的額定功率，查液壓設計手冊，根據(jù)公式，即 P= （5.7） P——電動機額定功率，KW； PS——泵的額定壓力，MPa； Q——泵的額定流量，L/min； ψ——轉(zhuǎn)換系數(shù)； ηp——液壓泵的總效率。 根據(jù)以上的液壓泵的參數(shù)，將ηp=0.81，ψ=0.7，Q＝50mL/r×1450 r/min＝