1、毕业设计题目数控机床上料机械手设计学院机电工程学院专业班级机械电子工程180108班指导教师姓名2022年6月6日毕业设计摘要随着科技的演进和发展，机械手已经成为工程行业的热门话题。机械手作为一种通用的自动化设备，广泛应用于工业生产中。目前的机械手之所以不能较好的达到性能与造价的平衡，是因为工业生产中使用的大型输送类机械手载荷较大。为了达到其足够的安全性能，这类机械手体积较大，造价昂贵。在中小型企业生产中，机械手体积较小，与此同时也降低了机械手自身的强度，不能搬运重量较大的工件。在本设计中，通过分析不同的机械手设计，简单地选择机械手结构，以使较小的机械手能够承受较高的负载。在本设计中，采用液压
2、系统来控制手部的运动，而导杆设计附在手背上，有效地增加了机械手的刚度，采用步进电机转动腰部可保证良好的精度，采用PLC控制机械手运动，通过闭环伺服系统，可满足实时定位要求。关键词：机械手；PLC；液压系统-I -闫奇：数控机床上料机械手设计AbstractWiththeevolutionanddevelopmentoftechnology,manipulatorshavebecomeahottopicintheengineeringindustry.Asageneralautomationequipment,manipulatorsarewidelyusedinindustrialproduc
3、tion.Thereasonwhythecun*entmanipulatorcannotachieveagoodbalancebetweenperformanceandcostisbecausethelarge-scaleconveyingmanipulatorusedinindustrialproductionhasalargeload.Inordertoachievesufficientsafetyperformance,suchmanipulatorsarerelativelybulkyandexpensive.Intheproductionofsmallandmedium-sizede
4、nterprises,themanipulatorissmallinsize,andatthesametimereducesthestrengthofthemanipulatoritself,andcannothandleheavyworkpieces.Inthisdesign,byanalyzingdifferentmanipulatordesigns,themanipulatorstructureissimplyselectedsothatthesmallermanipulatorcanwithstandhigherloads.Inthisdesign,thehydraulicsystem
5、isusedtocontrolthemovementofthehand,andtheguiderodisdesignedtobeattachedtothebackofthehand,whicheffectivelyincreasestherigidityofthemanipulator.Thesteppermotorisusedtorotatethewaisttoensuregoodaccuracy,andthePLCisusedtocontrolthemovementofthemanipulator.Throughtheclosed-loopservosystem,thereal-timep
6、ositioningrequirementscanbemet.KeyWords：ManipulatorPLCHydraulicsystem-# -闫奇：数控机床上料机械手设计目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1 选题背景11.2 设计目的11.3 国内外研究趋势和现状21.4 主要研究内容3第2章设计方案论证42.1 机械手整体结构设计42.1.1 机械手结构类型介绍42.1.2 设计具体方案52.2 机械手腰座结构设计52.3 机械手手臂结构设计62.4 机械手腕部结构设计62.5 机械手末端执行器结构设计62.5.1 机械手末端执行器的运动和驱动方式72.5.2 真空发生器选定
7、及吸着响应时间计算82.6 机械手传动结构设计102.7 驱动装置设计10271液压驱动设计102.7.1 气动驱动系统102.7.2 电气驱动系统102.8 机械手平衡机构11第3章系统分析与计算123.1 液压系统相关计算123.1.1 液压系统方案概述123.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路123.1.3 选择液压源133.1.4 液压系统原理分析133.1.5 液压系统参数计算143.1.6 液压元件计算173.1.7 液压系统设计方案检验183.2 电机计算183.2.1 电机参数计算方法183.2.2 确定电机型号21第4章机械手控制方案224.1 机械手控制分析与硬件选择22
8、4.1.1 机械手工作流程224.1.2 机械手操作面板设置224.1.3 控制器的选型234.1.4 控制系统原理分析244.1.5 PLC外部接线设计254.1.6 /O分配表254.2 控制系统软件设计26结论27致谢28参考文献29附录APLC梯形图31-# -长春工业大学毕业设计第1章绪论在毕业设计的过程中，因对机械手不是很了解，所以利用互联网查了相关资料,对机械手有了初步的了解，又分别对腰部、手臂等部位进行了特殊的设计。在驱动机械手结构方面，机械手手臂做直线运动，采用液压控制系统来实现。本次设计还需要编写机械手控制系统来控制机械手，确定以电气控制为主导方案，绘制了工作流程图和电气连
9、接图，以达到毕业设计的要求。1.1 选题背景机械手是一种自动化设备，可以模拟人手的运动，通过旋转关节来实现人手无法完成的动作。机械手主要用于抓取或移动自动化产品中的工件。在过去的几年里，在高校和主要研究人员的努力下，我国致力于自主研发机械自动化设备山。机械手在制造和加工生产中承担的工作量逐渐增多，研究设计更完善的机械手，解放人力是自动化研究的趋势。如今，在我国制造业比较发达的城市，机械手广泛应用于工厂车间的生产工作中。人们将数控机床与机械手系统组合成一个柔性加工单元，非常适用于中小型批量生产，操作灵活，同时又避免了可能因为人工失误对工作造成的负面的影响。另一方面，机械手操作简便，又可以重复进行
10、加工动作，使员工快速投入生产。当操作人员在流水线上按照标准程序进行上料等所有生产过程时，机械收操作确保了统一的结果，使工作更加美观。当机械手出现问题时只需要拆卸和修理机械手。不影响机器的正常运行，方便维修。因此，自动化机器的生产在当今企业的生产车间中变得越来越普遍，越来越多的轻量化行业开始关注机器人领域。对制造业来说，随着人工成本的越来越高，机械智能化生产是一个必然的发展趋势。对于将来进入机械行业的我,这次毕业设计将是一个宝贵的经验。1.2 设计目的目前，我国大部分工厂的生产线上用数控机床装载零件仍然是手工的，需要大量的劳动力。生产力低下，并且存在一定的风险，无法再开发.自动化生产的势头日益渐
11、增。为提高工作效率，降低成本，在合理的生产系统中完善生产线，以满足现代机械行业的自动化生产需求,根据具体的生产工艺，结合机床结构，采用机械手技术，设计上料机械手替代体力劳动以提高劳动生产率。该机械手通常与数控机床相结合,最终形成一条生产线，以实现加工过程的自动化和无人化该设计需要将机械设计和制造知识与机械和电气控制相结合，以开发用于在流水生产操作中加工工件的机械手。通过这种设计，可以更好地达到机械工程与制造和机长春工业大学毕业设计电一体化设计专业学生所需的知识水平，并考验我们的能力。该设计的主要目标是实现机械和电气的有机结合。有必要对液压和步进电机进行适当的计算和校核，并绘制适当的图纸。1.3
12、 国内外研究趋势和现状20世纪中叶，随着人类社会的发展，人们开始思考可以代替人类完成复杂任务的机械工具1958年，英德伯格和德洛尔共同制造了世界上第一台机械手，工业生产中使用的实际机械手，这些机械手很快在工厂进行了测试并成功完成了工作。于是，机械手开始出现在大众视野中，机械手研究作为一种新趋势迅速被吸引。1960年代，美国联合控制公司研制出新型球坐标机械手，大力鼓励新型机械手的出现助。从此之后，美国公司万能制动开始设计研究机械手口”。同年，创新机械有限公司开发出点定位机械手，点定位固定，精度好。未来将根据这两种机械手的结构设计生产出许多型号。例如，喷漆机械手和弧焊机械手。1975年，第一个为集
13、成而设计的计算机控制系统是由美国大学和尤美特公司开发的。但是当时的操纵成本很高，很多公司都负担不起这么高的价格。于是，很多中小企业开始自主研发一些简单的机械手,企业研究加速，提升了整个时代的机机械手技术。日本看好机器人的前景向将美国的机器人技术引进其他国家，并投入大量精力研究机器人与工业生产的结合。日本的虽然人力短缺，但是机器人的使用日本的制造业发生了显着的变化。1987年，我国首次独立创造了一台机械手我国很多省份都开始研究工业机器人。在我国第七个五年计划中A国家政府支持的研究项目。机械手在短短几年内完成了拉丝、装箱、拆箱等。同时，我国还专门打造了一些机械手最重要的部位，比如轴承、腰座等等“”
14、90年代体制革命后，我国凭自己的努力逐渐拉近和外国的距离20如今，控制系统是机械手的发展的另一大趋势I人们倾向于直接通过计算机来控制机械手的操作，通过特定的程序控制22，这使得同种类型的机械手均可以实用相同的控制程序来完成工作，计算机控制还提高了器件集成度Ml,最直观的体现在机械手的控制柜从沉重的铁柜变得日渐小巧，使得控制系统便于操作，易于维修。现如今，机械手适用场合越来越多。例如，机械手可以代替人在恶劣的环境来完成工作25,传感器是感知机械手外部环境的重要组成部分。如何设计出更优的方案，只有通过传感器更灵活地调整机械手的运行状态，也就是提高机械手的智能化程度。虽然传统的运动传感器被广泛使用，
15、但它们对外部环境的反馈过于独特。为了使机械手更好地适应外部环境并完成工作【261,人们开发了不同的传感器。视觉、功率灵敏度和远程控制许多机器人采用了各种传感器组合技术mi,这些技术组合了多个传感器，使机器自动化工具更加灵敏和智能.I。总而言之，机械手发展有两大方面，其一是，越来越智能化的机械手，其二是,机械手机械结构向模块化发展29%我国作为生产大国，机械手的市场需求巨大，研究前景巨大。先进的生产技术和工厂管理技术。未来的市场一定是智慧的广泛普及，自动化电机概念的引入对于未来占领有利的市场非常重要ML1.4 主要研究内容本设计基于以下原则。首先，机械手的运动必须符合上料工作的要求。二是简化结构
16、，使用标准和通用设备，同时保证加工要求。这个设计是一个完整的设计，需要将四年的本科学习在设计中尽可能广泛地应用。对于绘图，需要使用适当的绘图软件来绘装配图、接线图写出控制程序。凝聚自己对工作的热情，以坚强而坚定的态度做好各项工作，完成毕业设计。9第2章设计方案论证2.1 机械手整体结构设计2.1.1 机械手结构类型介绍有四种常见的机械手。根据坐标定位方式的不同，有直角坐标型、柱坐标型、球坐标型。除了三个协调机械手外，还有一个关节机械手的主要特点如下：(1)直角坐标式机械手机械手的形状是根据矩形范围内的点进行线性运动，其结构如图2.1(a)。在一个矩形位置，很容易识别每个点的坐标，所以这个直角坐
17、标器具有位置简单准确的优点l311o这类机器人的操作距离小，以保持高精度的特性。这种由直角坐标确定的机械手结构尺寸比其他类型机械手大。作为工厂中常见的大型悬臂式，龙门式搬运机一般用于搬运大型货物，故采用这种定位方式1321。(2)圆柱坐标式机械手圆柱坐标机械手的腰部可以灵活旋转Ri,手臂可以直线来回移动。圆柱坐标形状可以提供更好的定位精度，一般用于在圆柱空间内输送工件。如图2.1(b)所示。(3)球坐标式机械手结构球坐标机械手可以在腰部和肘部旋转的同时其手臂也可以直线运动，完成伸缩。该机械手总体上简单但精确一般。球坐标机械手结构如图2.1(c)。它的运动空间是一个球体3久(4)关节型机械手结构
18、关节机械手在肘关节的结构和水平和垂直连接方面更加逼真13叫它的自由度较高,且具有三个旋转自由度，其结构如图2.1(d)所示。因为所有动作都是做旋转运动，所以这种机械手非常灵活，不像直角坐标机械手那么大，工作空间也更大。因此，这类机器人广泛应用于焊接、涂装等小型行业1361。图2.1四种坐标形式的机械手2.1.2设计具体万案工件运输托盘图2.2机械手工作布局图己加工工件机械手可以移动的工件的最大长度为200mm,最大重量为6kg。绘制了机械手操作模式的示意图。直观地展示了机械手的运作方式。工件在装配线上沿一个方向移动。机械手在固定点旋转，将工件从流水线输送到机床上。2.2机械手腰座结构设计确定了
19、机械手的整体机构和性能，然后针对机械手的各个主要部分进行系统设计。目前大部分机械手都靠步进电机来完成腰部的旋转动作37，其传动比为l：120o其腰部具体结构设计如图2.3所示，为减小腰部轴径的尺寸，减小齿轮间隙形成的误差，所以采用高精度齿轮。图2.3腰座结构图2.3机械手手臂结构设计机械手是类人机械。它的手臂基本上由两部分组成。垂直提升臂就像人的大臂,水平臂就像人的手腕由1。在设计上，有三种方式可以实现机械手的直线运动，分别是气动、液动和电气驱动。在本次设计中，加工工件的最大重量为6Kg,重量较大，为了保证不会因重量破坏机械手的性能，决定采用液压方式控制所有手臂的运动来保证其获得足够的抗弯强度
20、。液压系统具有较高的刚性和驱动力网假设设计合理，只需选择足够大的油缸直径以通过验证并支撑机械手完成工作。液压系统结构简单，易于编写控制程序。如果选择大缸径液压缸来保证刚度，那么设计的机械手会比较笨重。为了让小臂承受更小的弯矩和增加稳定性，可以在缸体周围安装两个导杆，与活塞杆在横截面上形成三角形排布。为了使大臂结构轻巧，可以在缸体周围均匀增加四个导杆，这样既可以增加缸体强度，又可以使大臂更加美观。2.4机械手腕部结构设计机械手腕位于手臂上。设计应该减轻手腕本身的重量。一般来说，驱动结构不应该直接安装在手腕上，通过对物理知识的分析，显然这样可以让手臂更加弯曲。所以采用驱动装置直接安装在手臂上，并使
21、用分离传动系统进行机械手腕控制。机械腕负责在机械手和手臂之间传递力，所以必须有足够的强度。因此，材料应为高强度合金。在这种设计中，手腕的运动没有自由度，以简化结构和控制机构。事实证明，这种设计完全可以达到上下移动工件的目的。具体的腕部结构如图2.4所示。水平液压缸支承板oo执行手爪手臂手爪联结梁图2.4机械手手腕结构2.5机械手末端执行器结构设计机械手末端执行器简称机械手手爪，因为手爪结构复杂，种类繁多，所以机械手手爪的结构决定了机械手的功能及用途。2. 5.1机械手末端执行器的运动和驱动方式机械手手爪有三种驱动形式，分别是气动，电机驱动和液压驱动14支本次设计中，因为液压驱动重量轻具和压缩性
22、好的优点，决定采用液压驱动。手爪在抓取工件时会具备一定的柔性，通过负压吸盘吸附工件来完成抓取动作。吸盘吸力公式(2.1)。式中：吸盘吸力E=60M。是吸盘直径(cvn),是使用的吸盘数，本机械手手爪安装盘数量为2；K是吸盘起动时的安全系数，可取Ki=1.5。吸盘在吸附工件时的工作系数22。当吸盘底部垂直于工件表面，即从侧面吸附时，&=0.1,当吸盘底部平行于工件表面吸附时，&=1。综上仆=0.5。代入数据算出吸盘直径O=5cz,吸盘参数如表2.1所示。表2.1吸盘参数表吸盘直径。Gmn)吸持面积(c/n2)吸盘垂直提升力(N)(-0.03MP”)吸盘垂直提升力(N)(-0.06MP)100.7
23、853.146.83131.335.3211.57162.018.0417.49203.1412.5627.32254.9119.6442.72328.0432.1669.954012.650.4109.65019.678.4170.5机械手爪有两个吸盘，直径为50加。经过查询相关资料142，得知使用真空吸盘时有如下要求：1 .真空吸盘在工作时负载重量不能超过其理论吸附力的40%,超过这个范围有超载的危险，容易造成工件滑落。2 .真空吸盘在吸附工作中应保持真空压力不变。3 .当吸盘到达使用寿命时，要及时更换，防止吸盘吸附力下降，造成危险。设吸盘内真空度为P,真空发生器最大真空度为A,想要获得足
24、够的吸力，P与Pv关系如公式(2.2)所示。0.63WP0.95匕(2.2)选用Z058s型真空发生器，其最大真空度P、=0.04MRz,P=0.75Pv。2.5.2真空发生器选定及吸着响应时间计算从真空阀开始排气到真空发生器达到足够的真空度，使得吸盘具备足够的吸力吸附工件，这段时间被称为吸盘的吸附响应时间兀设吸盘开始排压到95%P、，的时间为T,压力降到63%P、,的时间为，不与A有如下关系。(=箸，7；=37；(2.3)V是真空发生器至吸盘的连接管容积，L是连接管长度，为了减小误差，应尽量缩短连接长度阳，连接管长L为2z,管内径为4加，管容积V按公式(2.4)计算。710(2.4)x42x
25、2=0.025(A)4000取真空发生器吸入流量。1和通过连接管吸入流量。2的较小者Q，单位Limin。连接管吸入流量时间由图2.5查得T=1.41710图2.5真空响应时间曲线edlAIdMKHm根据要求吸盘响应时间T应小于1s,将以上数据代入公式(2.5)。八1.41x60V一.、/“、Q=2.115(/min)(2.5)故平均吸入流量Q=2A5L/min,真空发生器最大吸入流量Qe在机械手吸附工件无大流量通过的情况下有公式(2.6)。Qi=CqQ.(2.6)通常情况下与=0.5,则真空发生器最大吸入流量Qe。Q,=2Q.=2x2.115=4.23(L/min)(2.7)选取ZH05BS型
26、真空发生器，其喷管喉部半径为0.05mm,ZH05BS真空器最大吸入流量Qb=5L/mina故实际吸附响应时间A为。60VECqQ),一，60x0.0251.41x5x0.50.846(5)(2.8)ZH05BS真空器连接管内径d=4,”加，长度为2m，真空器管长与有效截面积的关系如图2.6所示，由图得知该真空管有效截面积S=5,Cq是连接管吸入流量系数，通过连接管的平均吸入流量0,按公式（2.7）计算。7,=11.1C0S=11.1x0.5x5=27.75/min)(2.9)真空发生器平均吸入流量为。=2.115（加证）,Qp。，所以本连接管能满足真空器要求，有足够的吸附能力。图2.6真空器
27、管长与有效截面积的关系供给阀选用VZ300H型，在压力管道中，可以满足常规的反向阀设计要求。其有效截面积比真空发生器吸头截面积大4倍，连接真空发生器供气口的管道内径不应小于4倍直径，否则压力损失非常高。分流阀选择VX2类型。在真空回路中，选择的换向阀必须能够在真空中工作。因此，使用截止式或膜流式结构。真空过滤器类型选择ZFA100,空气压缩机选择工作压力0.04MPa,容积流量3疝，型号为Z-0.12/7的空气压缩机。2.6机械手传动结构设计在在这种设计中，手臂传送机构是通过液压系统实现的。液压系统是动力元件,缸体也是机械手臂的一部分，无需设计其他传动方式。电机驱动控制着机械手腰部旋转，为了增
28、大电机传递的扭矩，可以在腰部和电机间设置传动机构，为了减小齿轮间隙的误差，选择高精度齿轮传动系统，齿轮采用合金材料既满足强度高，又可以保证稳定性，还可以在低速平稳的状态下出阿迪给腰部较大的扭矩(传动比1:120)。2.7驱动装置设计2.7.1液压驱动设计(1)液压系统设计特点液压缸的设计：为了提供良好的密封性能和提高液压缸的使用时间，采用橡胶与塑料组成的复合材料，这种材料具有较小的摩擦系数。定位点的设计：为了防止机械手在高速运动下惯性较大冲出行程，在机械手移动极限位置加缓冲与制动机构。为了防止因惯量较大造成碰撞损坏液压缸，所以在液压缸外部安装保护装置。(2)机械手液压伺服系统特点液压伺服系统控
29、制着机械手点位或轨迹。不同的液压阀和马达可以组合在不同的动力机构中1的。液压元件作为驱动装置同时往返于控制系统。作为能量转换装置的滑阀能将机械信号转化为液压信号进行输出，活塞运动受液压缸的指令，输出位移信号的同时也反馈给滑阀阀体，组成一个闭环系统液。压马达和液压缸可以完全分离或组合。若采用分体式结构，应减少连接管长度，以防出现较大误差。2.7.2气动驱动系统气压驱动以压缩空气为工作介质，结构与液压系统十分相似。气动驱动的优点是操作干净、维护方便、结构通俗易懂、响应迅速，受到许多中小型企业的青睐。2.7.3电气驱动系统机械手采用电机驱动，齿轮比大、扭矩大、惯量小、体积小、功率大、操作方便、输出功
30、率大、控制方便。根据工作负载和操作者的工况,选择适合的电机，只要驱动轴的运动，结合负载、功率等数据，系统地计算出适合性能和扭矩、惯量，步进电机就是这样选择的，最后长春工业大学毕业设计根据接收到的数据计算选择PLC发出的电脉冲信号来控制步进电机的转动，通过改变输出脉冲频率可以改变转子转速，达到调速的目的。2. 8机械手平衡机构坐标机械手可以使用一组独特的参数来实现平衡阳1。关节型机械手需要额外的设备来保持平衡，该设计在准备机械手的布局时考虑了平衡问题，但如果实际工作不能正常工作，则设置另一种平衡方法，例如简单的弹簧机构。II长春工业大学毕业设计第3章系统分析与计算2.1 液压系统相关计算2.1.
31、1 液压系统方案概述手臂由液压装置驱动，液压系统通过液压缸中的油流转换能量。推动活塞运动，活塞带动手臂做直线运动液压装置有两种。第一种是推动活塞通过油液的液压缸，使执行元件进行往复直线运动。另一种类型是释放扭矩并控制元件旋转的液压马达。二者有很大的区别，区别如表3.1所示。表3.1液压装置特点及适用场合适用场合双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复场合单活塞杆液压缸有效工作面积大往返不对称的直线运动，差动双向不对称连接可实现快进柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其它外力返回摆动缸单叶片式小于360,小于360的摆动双叶片式小于180,小于180的摆动齿轮马达结构简单、价格便宜高转速、低转矩的回转运
32、动叶片马达体积小、转动惯量小高速低转矩、动作灵敏的回转运动摆线齿轮马达运动平稳、转矩大、转速范围大转矩的回转运动宽径向柱塞马达转速低，结构复杂，输出转矩低速大转矩回转运动大考虑机械手的动作，本次设计需要在空间上为机械手定位提供三个自由度，分别为圆周转动自由度，水平手臂水平自由度，垂直手臂垂直自由度，电机驱动腰部转动，利用单活塞液压缸实现直线上的往返运动。2.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路上文己经确定液压控制元件，接下来进行其动力学控制方面的设计。通过换向阀控制方向，使用定量泵控制流量调速。参考同类设计，采用电磁换向阀改变活塞杆运动方向，使用节流阀调速。2.1.3 选择液压源液压装置通过工
33、作介质推动活塞运动，液压源通过液压泵为工作介质加压，使工作介质进入或流出缸体。针对不同的液压系统一般有两种选择，小功率系统使用定量泵，这种液压系统要准备充足的供油，多余油可以通过阀门返回油箱，稳定油压的同时控制速度。大功率调速则多采用变量泵。含有杂质的油液会妨碍液压系统的性能，造成液压马达等重要元件的磨损，降低液压系统的使用寿命1461。因此，要在液压源设计中加入油液净化装置，在泵的入油口安装粗滤油器，为了保证油液质量，至少需要两次过滤，即在系统内部进行精度更高的二次过滤。对于进入油箱的某些金属杂质，使用磁过滤器进行清除，同时根据液压系统的工作外部条件，是否有温度的变化等其他影响因素，来决定是
34、否需要加入冷却措施。在本设计中，供应装置选择为定量泵，溢流阀用于控制缸内的油流量。在泵入口处安装粗过滤器和出油口安装精过滤器。3. 1.4液压系统原理分析液压系统原理如图3.1所示。感应式位移传感器了水平伸缩缸 帽电液伺服时水平液压缸控制手臂伸缩，垂直液压缸控制机械手升降，机械手的手臂夹具上安装了吸盘，通过吸盘加紧或放松工件。图中，电动机M为定量泵提供动力，输出油液，在通路上装有溢流阀，当系统油量需求减小时，多余油经溢流阀VI回流，稳定定量泵进出口油压，使整个液压系统稳定工作，通过电磁铁的得失电来控制电源开关。另外，机械手在垂直方向受到工件自重影响，有向下的重力加速度，为了减小重力加速度对机械
35、手保持稳定速率运动造成影响，减小机体结构晃动，造成危险，在控制垂直升降的液压缸回路中多安装一个溢流阀V2,这样当系统受到重力影响时，缸内需要油液提供的压力会降低，此时多余的油会流经V2,在一定程度上平衡排油的压力。机械手爪在抓取与放下工件时，手抓的开合速度不同，在抓取工件时需要缓慢收缩手爪，放下时需要快速离开工件，所以在控制手爪的液压回路中使用了两个节流阀,电磁铁5DT控制节流阀V5,电磁铁6OT控制节流阀V6,V5与V6的调速效果不同，V5负责减缓机械手抓取速度，V6负责加速机械手放松速度。4. 1.5液压系统参数计算利用公式算出液压系统相关参数，先计算压力与流量，查阅设计手册选择参数符合的
36、液压元件。（1）计算缸体总载荷液压缸所受总机械载荷按公式（3.1）计算。F=FW+Fm+Fsf+Ff+Fb（3.1）式中，/w是水平方向上的载荷，因为缸体在轴向上不受明显的拉力或压力，因此在本次计算中水平方向载荷为0；是活塞在缸内运动时所受的阻力；尼尸是缸内密封需要的力；片是导向装置转向时所受的摩擦阻力；凡-是缸内回油时所受的背压阻力；计算FmE按公式（3.2）计算。式中，M是需要通过液压缸移动的物体的总质量，在本次计算中设为lOOKg；g是重力加速度，本次取98/2；口是调速系统调整的速度大小,-0.02心;f是机械手启动时间和制动时间，在本次计算中取0.2s。将以上所得数据代入公式（3.2
37、）得：F/1.02N（3.3）计算Fsf用/按公式（3.4）计算。%=P/A（3.4）式中，当液压缸空载运动时，液压缸活塞对抗自身与缸体的摩擦力所需的压力pj=0.2MPa,4是进油腔有效工作面积。代入公式（3.4）求得机械手启动时缸内密封所需要的力为：A=0.28x10-2加2弓=565N（3.5）活塞运动时：A=0.14x10-2加2,283N（3.6）1A/计算用在机械手手臂上安装了导杆增加手臂强度，导杆和导套之间的摩擦力按公式（3.7）计算。Ff=Gf（3.7）式中，手爪和工件重量总和G=Mg=980N,动摩擦系数/=0.1。带入公式（3.7）计算。Ff=9SN（3.8）计算回油阻力按
38、公式（3.9）计算。Fh=AA（3.9）式中Pb为回油背压，一般为0.3M/V0.5MP”，本次计算取0.3MP,”4是缸内有活塞杆的一侧的面积,因两侧差动比分析记为2,A2=0.0014加2；代入（3.9）,算得A=424M将上面计算得到的数据一起带入公式（3.1）,可以算出活塞所受的总机械载荷F=10882Vo（2）手爪驱动力计算手爪夹紧力N要达到公式（3.10）给出的条件：NNkKkg（3.10）N是手爪夹持力，心是安全系数，取值范围1-2；比为动力载荷系数，机械手的运动具有较大的惯量，动载荷系数的=2,角是方向系数,在机械手计算时要考虑在内，查表选取依=1；Gi是被抓取的工件自重，本次
39、计算中为60N；带入计算公式（3.10）计算。N=120N(3.11)理论驱动力如公式(3.12)计算。式中，P是手爪运动需要的驱动力；b是手指顶端施加夹持力的点距离手指底端回转中心的垂直距离=48的，齿轮分度圆半径H=3的；N是手指夹持力，N=120N；齿轮传动效率=0.925。按公式(3.12)计算得：P=377N(3.13)计算驱动力按公式(3.14)计算。kkFFc=(3.14)7式中M是安全系数，此处选1.1,自是结合了机械手外部工作环境等其他因素引入计算中的一个数据，此处选1.2；带入公式(3.14)计算得：.=920N(3.15)因为液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有：F
40、=PrA(3.16)式中，Pg为液压缸工作压力，A为缸体面积，4=0.0003根2,经计算所需压力为3MPa.(3)液压缸体参数确定机械手空载状态与工作状态负载差距较大，要具有足够的抗弯能力与强度。最直接提高刚度的方式是选用合适的缸径，可以保证系统有足够的刚度，使机械手能够安全稳定的运行。再通过设计合适的调速系统使机械手满足运行所要求的速度，通过合理的调压元件构成调压回路来保证液压缸工作压力恒定。经过查找相关资料，分析与选择后，确定了液压缸的参数。水平伸缩缸安装在机械手的水平伸缩手臂，水平方向主要受自身活塞与缸体的摩擦阻力，无其他显性载荷。因为机械手手爪夹紧工件，手爪受到工件与自身的重力，反映
41、在缸体上，缸体在手爪所在的位置显然会受到一个向下的弯矩，弯矩使缸体发生一定程度的弯曲形变，在机械手的活动空间内，水平距离大于垂直距离，水平缸体承受的弯矩大于垂直缸体承受的弯矩，故需要选择抗弯能力更大的液压缸。使用了两个导向杆，增加了活塞的行程，增大了刚度。使用更加科学的排布，将两个导向杆与活塞杆对称排列，大大增加了结构稳定性。表3.2水平伸缩液压缸参数缸内径mm壁厚mm杆直径mm行程mm工作压力MPa6010254001垂直液压缸主要受轴向力，作为一种液压执行机构，可以很容易满足轴向所需的驱动力，关键问题是垂直液压缸受到比较大的倾覆力矩，怎样设计出合理的结构帮助它对抗倾覆，与水平液压缸一样采用
42、了导杆，用四根导杆将缸体围住，有效提高了稳定性。表3.3垂直伸缩液压缸参数缸内径mm壁厚mm杆直径mm行程mm工作压力MPa6010254001（4）液压缸强度校核当0/541（）时，缸筒厚度按公式（3.17）校核。(3.17)。是缸筒内径,Py是缸筒能承受的最大压力，当缸体额定压力Pn小于16MPa时,试验压力取值为Py=1.5Pn。b为许用应力，它的取值由公式（3.18）得出。cr=1-（3.19）VW厂是活塞杆受力，杆的许用应力按公式（3.20）计算。司=4/1.4（3.20）代入数据，公式（3.19）成立，活塞杆强度满足使用条件。3.1.6液压元件计算（1）液压泵参数计算实际工作压力泵
43、实际工作压力按公式（3.21）计算。Pp=Pi+DPi（3.21）式中0是理论工作压力，取4MPa,泵位于进油回路中调速时，范围是0.5MPa-l.5MPa,本次计算取IMPa。代入公式（3.21）得到实际工作压力:p=Pi+=4+1=5MPa（3.22）计算泵的流量泵的流量按公式（3.23）计算。%,=K*ax3.23）式中，查相关资料得知泄露因数K一般取1.1泵最大流量0nax=3.14加。经过计算得到结果如下：qp=1.1x3.14=3.454L/min（3.24）计算泵电机功的率电机功率按公式（3.25）计算，泵最大流量如皿=3.14血，泵实际工作压力Pp=5MPa,是泵工作效率，77
44、=0.8,将数据代入公式（3.25）。(3.25)(3.26)p_P/Mmaxg30得到液压泵电机功率为：PG=0.654Kw根据算出的工作压力与流量，查表选择合适的元件。（2）辅助元件选择查设计手册，选择参数合适的油管。泵最大流量为3.14加，选择。6出油管，定量泵工作时，系统吸油量大于出油量，需要更粗的吸油管，因此吸油管选。8吸油管，其他链接油管选姬油管。计算油箱容量油箱容量一般为泵流量的3-5倍。在本设计中，选择了容量为泵流量五倍的油箱,算得油箱容积为：V=5%=5x3.2=16L（3.27）3.1.7液压系统设计方案检验确定了液压系统原理，选定了液压执行元件后，因为本次设计的液压系统并
45、不复杂，在本次设计中不用进行压力损失检验。本次设计的液压系统属于小功率系统，所选油箱体积较大，没有较严重的发热情况，不再需要进行油箱温升检验。3.2电机计算3.2.1电机参数计算方法（1）如果传动负载在直线上（通过滚珠），则与电机相关的负载按以下公式计算。负载额定功率6x1047(3.28)负载加速功率负载力矩p；gd；n；“3577x1034(3.29)负载惯量G02/一2兀Nm(3.30)起动时间(4)2兀Nm(3.31)制动时间t=(GD%+GD：)Nm“375(-7；)(3.32)tJGd+gdMd375(0+7；)(3.33)（2）若传动负载作回转运动时,负载额定功率为：TN负载加速功率负载力矩Pq-955077gd；n；a3577X103/a(3.34)(3.35)负载惯量GO?T-N/(3.36)起动时间GDi=(*GD；(3.37)制动时间t1(GDj+GR)Nm“375(7；-7；)(3.38)（GDGD：）Nm（3.39）“375（7；-7；）表3.4电机计算数值与单位符号名称单位PoPaNlNmVlT：TpTlGD：GDjGD1f额定功率Kw加速功率Kw负载轴转速r/min电机轴转速r/m
