機械手-數(shù)控機床自動夾持搬運裝置,機械手,數(shù)控機床,自動,夾持,搬運,裝置 畢業(yè)設計(論文)說明書 題 目： 數(shù)控機床自動夾持搬運裝置 的液壓系統(tǒng)設計 作 者： 學 號： 系 (院)： 專業(yè)班級： 指導者： 評閱者： 年 月  畢業(yè)設計（論文）中文摘要 數(shù)控機床自動夾持搬運裝置的液壓系統(tǒng)設計 摘 要：數(shù)控機床上專用于工件和零件的夾持和自動運轉的裝置，其運動自由度多，且有嚴格的動作順序要求。用液壓驅動可實現(xiàn)動作自動循環(huán)，利于自動化和高效率等要求。機械手用于各種工藝裝備上，其中包括組成柔性自動化系統(tǒng)的數(shù)控金屬切削機床。工業(yè)機器人裝備有自動可換夾持裝置，其中雙夾持器的裝置用來保證同時操作毛坯和在加工的零件。本設計主要針對機械手的液壓系統(tǒng)，確定液壓系統(tǒng)中各個部分的功能，并且對各種執(zhí)行元件進行計算分析，最終完成液壓原理圖。 關鍵詞：可換夾持裝置 液壓元件 雙夾持器 畢業(yè)設計（論文）外文摘要 Numerically Controlled Machine Tools Automatically Handling Devices Hydraulic Rescue System Design Abstract: Numerically controlled machine tools, spare parts and dedicated to her rescue and automatic operation of the device, the more freedom of movement and strict action sequence. Driven by hydraulic achievable moves automatically cycle for automation and high efficiency. Mechanical hand for various processes and equipment, including the digital automation system composed soft metal cutting machine tools. Industrial robots are equipped with automatic convertible rescue devices, including devices used to ensure that double-rescue devices at the same time and in the processing operation blank parts. The design of the hydraulic system mainly mechanical hand, identifying the functions of the various parts of the hydraulic system, and implementation of various components in the calculation of analysis, and ultimately complete hydraulic principles maps. Keywords: Convertible rescue devices ; Hydraulic components; Double-rescue vehicles  目 錄 1 概述……………………………………………………………………………………… 1 1.1課題背景……………………………………………………………………… 1 1.2課題內容………………………………………………………………………… 1 1.3課題的意義………………………………………………………………………… 2 1.4課題的創(chuàng)新點………………………………………………………………………… 2 2 機械手的功能設計…………………………………………………………………… 2 2.1機械手液壓系統(tǒng)的各部分功能…………………………………………………………… 2 2.2 機械手液壓系統(tǒng)的功能綜合…………………………………………………………5 2.3機械手電磁鐵動作循環(huán)表…………………………………………………………… 6 2.4 機械手液壓系統(tǒng)方案設計……………………………………………………… 6 3 機械手液壓系統(tǒng)機構設計計算……………………………………………………… 6 3.1負載分析………………………………………………………………………………… 6 3.2 液壓馬達的負載…………………………………………………………………………9 3.3 執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定…………………………………………………………………10 3.4 計算液壓缸各工作階段的工作壓力、流量、功率………………………………………11 3.5 擬定液壓原理圖………………………………………………………………………11 3.6選擇液壓元件………………………………………………………………………………12 3.7液壓缸基本參數(shù)的確定……………………………………………………………………14 3.8液壓缸結構強度計算和穩(wěn)定校驗…………………………………………………………17 3.9液壓傳動用油的選擇………………………………………………………………………22 4 驗算系統(tǒng)液壓性能………………………………………………………………………23 4.1壓力損失的驗算及泵壓力的調整…………………………………………………………23 4.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱和溫升驗算…………………………………………………………………26 4.3濾油器的選擇………………………………………………………………………………26 結論 …………………………………………………………………………………… 30 致謝 …………………………………………………………………………………… 31 參考文獻………………………………………………………………………………32 1概述 1．1 課題背景 現(xiàn)在工業(yè)機器人集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來，機器人技術極其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）、自動化工廠（FA）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的自動化工具。 廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可提高產(chǎn)品的質量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計算機、網(wǎng)絡技術一樣，工業(yè)機器人的廣泛應用正在日益改善著人類的生產(chǎn)和生活方式。 工業(yè)機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備，技術附加值很高，應用范圍很廣，作為先進制造業(yè)的支撐技術和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起著越來越重要的作用。國外專家預測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲委員會（UNECE）和國際機器人聯(lián)合會（IFR）的統(tǒng)計，世界機器人市場前景看好，從20世紀下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。進入20世紀90年代，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度較快，年增長率平均在10%左右。2004年增長率達到闖記錄的20%。其中，亞洲機器人增長幅度最為突出，高達43%。 在自動化生產(chǎn)領域中，工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的。工業(yè)機械手的是從工業(yè)機器人中分支出來的。 其特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)具有準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 機械手由執(zhí)行機構、驅動-傳動機構、控制系統(tǒng)、智能系統(tǒng)、遠程診斷監(jiān)控系統(tǒng)五部分組成。驅動-傳動機構與執(zhí)行機構是相輔相成的，在驅動系統(tǒng)中可以分：機械式、電氣式、液壓式和復合式，其中液壓操作力最大。 本課題是數(shù)控機床上專用于工件和零件的夾持和自動運轉的裝置，其運動自由度多，且有嚴格的動作順序要求、用液壓驅動可實現(xiàn)動作自動循環(huán)，利于自動化和高效率等要求。 1．2課題內容 本課題的基本內容是： 1）功能原理方案分析 2）液壓系統(tǒng)原理圖設計 3）液壓系統(tǒng)的計算 4）油箱與執(zhí)行元件工作圖設計 5）編寫計算說明書 1．3課題的意義 本課題所研究的數(shù)控機床的裝夾裝置屬于工業(yè)機器人這一范疇，對它的研究實際上就是對工業(yè)機器人的研究?，F(xiàn)在工業(yè)機器人集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來，機器人技術極其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）、自動化工廠（FA）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的自動化工具。 廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可提高產(chǎn)品的質量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計算機、網(wǎng)絡技術一樣，工業(yè)機器人的廣泛應用正在日益改善著人類的生產(chǎn)和生活方式。 隨著加工行業(yè)在我國的迅速發(fā)展，各行各業(yè)的自動化裝備水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，代替工人完成惡劣環(huán)境下危險、繁重的勞動。 1．4課題的創(chuàng)新點 采用手動換向閥變換夾持方式，既可以雙夾持也可以單夾持。 2機械手的功能設計 2．1機械手液壓系統(tǒng)的各部分功能 2.1.1 液壓站 圖2-1液壓站液壓原理圖 1．蓄能器 2精過濾器 3.壓力繼電器 4.減壓閥 5.冷卻器 6.液壓馬達 本設計應用液壓站供應小車，滑板和機器人手臂位移電液步進式驅動裝置以及手腕轉動、擺動機構和夾持器夾緊機構驅動裝置。同時液壓站能夠相應于在主干線恒壓下進入液壓系統(tǒng)的耗油量來自動變化可調泵的供給量。液壓站還進行油的冷卻，并能防止在斷路狀態(tài)下液壓系統(tǒng)中漏油。 2..1.2小車驅動裝置 圖2-2小車驅動裝置液壓原理圖 1.液壓馬達M1 2.單向閥 3.液壓分配器 4.步進電動機 小車的驅動裝置由液壓馬達M1和成套步進驅動系統(tǒng)組成。當信號傳遞到步進馬達M5時，其轉子通過螺旋傳動推動液壓分配器的滑閥，他連接著壓力管和溢流管與相應的液壓馬達腔。液壓馬達之間的連接使其在軸上的力矩方向相反，以保持在齒輪齒條傳動中的無隙嚙合。在電液步進驅動裝置的液壓馬達傳動時，其與分配器滑閥剛性相連的軸，使得滑閥回到初始位置，從而實現(xiàn)位置反饋。 手臂滑板移動用線性電液步進式驅動裝置和手臂擺動用線性電液步進驅動裝置是由步進電動機（M3和M4）、隨動分配器和液壓缸組成，液壓缸活塞桿內裝有位置反饋螺旋機構。在信號傳遞到步進電動機時，其轉子通過螺旋傳動推動液壓分配器滑閥，開啟進入液壓缸油通道。液壓缸活塞平行運動通過螺旋傳動變?yōu)榻z桿傳動，而通過齒輪傳動和螺旋副變?yōu)榛y軸向移動。單向閥的作用是用來防止液壓設備斷路時手臂桿件自然下垂。 2.1.3 機械手腕轉動（擺動） 圖2-3機械手手腕擺動（轉動）液壓原理圖 1.定位器 2.液壓缸 液壓操縱盤控制手腕轉動（擺動），取決于電磁鐵Y7或Y8及Y6，由取決于手腕（頭部）擺動方向的旋轉指令控制。此時定位器的活塞克服彈簧力向上運動，并通過杠桿推動隨動滑閥，開啟油道通路，油通過分配器P2到液壓馬達M2的腔內。此后，當液壓馬達達到所需的轉速時，信號進入電磁鐵斷路，從而使手腕固定和分配器P2斷路。液壓馬達轉速可以調節(jié)。 在指令傳遞到液壓滑閥上的分配器P3和P4時，液壓馬達M3使手腕轉動。在電磁鐵P4接通時，油在壓力下進入控制液壓缸左腔。此時電磁鐵Y5斷開，則活塞移動到極右位置，通過杠桿17推動隨動閥，并且開啟油通道，使油進入液壓馬達M3腔內。杠桿17的另一端安裝在手腕傳動部分的靠模保持接觸。這樣當手腕轉動一定角度時（例如在極右位置）杠桿17使隨動閥回到中間位置，且液壓馬達M3停止轉動。當電磁鐵Y5接通，Y4斷開，油在壓力下進入控制液壓缸右腔，而其左腔與排油孔相連；活塞移動到左邊位置，且液壓馬達M3將手腕轉動到靠模的相應突緣上。在電磁鐵Y2和Y5接通時，液壓缸2兩腔均與壓力管路相連，而由于活塞面積，使他停在套筒擋塊所確定的中間位置上。液壓馬達轉動手腕到靠模中間凸緣上。 2.1.4夾持器驅動裝置 圖2-4夾持裝置液壓原理圖 1.手動換向閥 2.單向閥 液壓缸的驅動裝置不但用于帶雙夾持器，又用于單夾持器。按夾持器型式，液壓操縱盤的閥式分配器用手動擺放在左面或右面的位置。用單夾持器工作時用液壓分配器P5進行控制。在接通電磁鐵Y2時，夾持器張開；而在斷開Y2時，夾持器產(chǎn)生壓緊動作。裝在液壓操縱盤上的單向閥防止在系統(tǒng)中壓力下降時，夾持器迅速松開。在雙夾持工作時，通過接通電磁鐵Y2或Y3來傳遞給每一只手臂的松開指令。當兩個磁鐵接通時（或斷開），夾持器同時被彈簧壓緊。 2．2 機械手液壓系統(tǒng)的功能綜合 總之，本次設計的機械手的總的功能如以下圖所示： 圖2-5機械手總功能示意圖 小車，滑板和機器人手臂位移電液步進式驅動裝置以及手腕轉動、擺動機構和夾持器夾緊機構驅動裝置都需要液壓系統(tǒng)來調控。 2．3機械手電磁鐵動作循環(huán)表 表2-1機械手工作狀態(tài)以及動作 控制目標 工作狀態(tài) 電 磁 鐵 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 液壓站 啟動 - 工作 + 夾持器傳動裝置 夾緊 + - + 松開 + + - 中間位置 + + + - 手腕（頭部）回轉傳動裝置 向右 + + - 向左 + - + 中間位置 + + + 停止 + - - 手腕（頭部）擺動傳動裝置 向右 + + + - 向左 + + - + 停止 + - - - 2.4 機械手液壓系統(tǒng)方案設計 液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸或液壓馬達。前者實現(xiàn)直線運動，后者實現(xiàn)回旋運動，對于單純并且簡單的直線運動或回轉運動機構，可以分別采用液壓缸或液壓馬達直接驅動。 根據(jù)設計目標及現(xiàn)有條件,在查閱有關資料和實物調研的基礎上,構建本機械手的總本設計方案如下: 1.設計成一個數(shù)控機床搬運機械手,用于將工件從工位I搬運到工位Ⅱ。 2.本機械手包含手指夾緊工件,手臂轉位,手指松開卸料,手臂復位四個基本動作,采用手動上下料等功能。 3.具備自動與手動操作兩種工作方式并能快速靈活地切換且互鎖.手動方式下操作者可以隨意地完成這四個基 本動作的任意組合;自動方式下機械手的一個工作循環(huán)包括夾緊,轉位,卸料,復位,能夠穩(wěn)定可靠地重復循環(huán)工作。 3機械手液壓系統(tǒng)機構設計計算 3．1負載分析 3．1．1載荷的組成和計算 如圖1表示一個以液壓缸為執(zhí)行元件的液壓系統(tǒng)計算簡圖。各參數(shù)標注圖上，其中Fw是作用在活塞桿上的外部載荷，F(xiàn)m是活塞與缸壁以及活塞桿遇導向套之間的密封阻力。作用在活塞桿上的外部載荷Fg，導軌的摩擦力Ff和由速度變化而產(chǎn)生的慣性力Fa。 圖3-1液壓缸受力簡圖 （1）工作載荷Fd 常見的工作載荷有作用于活塞桿上的重力、切削力、擠壓力等，這些作用力與活塞的運動方向相同為負相反為正。 （2）導軌摩擦載荷 摩擦阻力是指液壓缸驅動工作機構工作時所克服的機械摩擦阻力，對于機床來說，即導軌摩擦阻力，其值與導軌的形式，放置情況和運動狀態(tài)有關。 在機床上經(jīng)常使用的平導軌和V型導軌水平放置。 對于平道軌 ＝f× （3-1） 對于V型導軌 ＝f×/sin（Φ/2） （3-2） 式中Fn——作用在導軌上的法向力 Φ——V型導軌夾角 f——導軌摩擦因數(shù) 圖3-2 平導軌 圖3-3 V型導軌 本課題采用平軌，故： ＝f× f取滑動導軌（材料鑄鐵對鑄鐵）低速（v<10m/min）時的摩擦因數(shù)。 F＝0.1 ＝40×9.8＝392N 故：＝39.2 （3）慣性力 慣性力指運動部件在啟動或制動過程中的慣性力，其計算公式如下： （3-3） 式中m——運動部件的質量 a——運動部件的加速度 ΔV——啟動或制動前后的速度差 Δt——啟動或制動時間 一般機床運動取0.25~0.5s 進給運動取0.1~0.5s 故取Δt＝0.5s ＝40×0.8/0.5＝64N （4）重力 垂直或傾斜放置運動部件無平衡，其自重也是一種負載， ＝40×9.8＝392N （5）密封阻力 密封阻力指裝有密封件在相對移動中產(chǎn)生的摩擦力。它與密封類型、液壓缸的加工精度和油液的工作壓力有關。密封阻力難以計算，一般估算為 ＝（1-）×F （3-4） 式中 ——液壓缸的機械效率 一般取0.90~0.95 F——作用在活塞桿上的載荷 故 = / ——液壓缸的外載荷 （6）背壓力 它是指液壓回油路上的阻力。 （7）液壓港各個主要工作階段的總機械負載荷可按下列各式計算 啟動加速時＝（＋＋）/ 穩(wěn)態(tài)運動時＝（＋ ）/ 減速制動時＝（＋－）/ 將數(shù)值代入以上公式得： 啟動加速時＝（392＋39.2＋64）/0.9＝550.2N 穩(wěn)態(tài)運動時＝（392＋39.2）/0.9＝479.1N 減速制動時＝（392＋39.2－64）/0.9＝408N 3.2液壓馬達的負載 3.2.1工作載荷力矩Tg 常見的載荷力矩有被驅動輪的阻力距、液壓卷筒的阻力距等。 3.2.2軸頸摩擦力矩 ＝υGR N ．M （3-5） 式中 G——旋轉部件所受的重力 υ——摩擦系數(shù) R——旋轉軸的半徑 3.2.3慣性力矩Ta ＝J×ε＝J×Δω／Δt　　 N ．M （3-6） 式中ε——角加速度 rad/ Δω——角速度變化量 rad/s Δt　——啟動或制動的時間 s J＝GD/4g——回轉部件的轉動慣量 GD——回轉部件的分輪效應 3．3 執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定 3.3.1初選液壓缸的工作壓力 參考同類型組合機床，初定液壓缸的工作壓力為P1＝40×10Pa 3.3.2 確定液壓缸的主要結構尺寸 設動力滑臺的快進，快退速度相等，先采用缸體固定的單桿式液壓缸，快進時采用差動連接，并取無干腔有效面積為A1等與有桿腔有效面積的2倍，即A1＝A2。為了防止在鉆孔鉆通時滑臺突然前沖，在回油路中裝有背壓閥，初選背壓Pb＝8×10Pa。 查表可知：最大負載為工進階段的負載F＝22105N按此計算A1，則： A1＝＝ ＝6.14× ＝61.4cm 液壓缸直徑D＝＝＝8.84cm 由A1＝2A2可知活塞桿的直徑 d＝0.707D＝0.707×8.84＝6.25cm 按標準直徑算出 A1＝＝＝6.25cm A2＝ 按最底工進速度驗算液壓缸的尺寸，查產(chǎn)品樣本，調速閥最小穩(wěn)定流量 q＝0.05L/min 因工進速度V＝0.05m/min為最小速度。由公式得： A1＝ A1＝63.6cm>10cm滿足最底速度的要求。 3.4計算液壓缸各工作階段的工作壓力，流量，功率 根據(jù)液壓缸的負載圖和速度圖以及液壓缸的有效面積，可以算出液壓缸工作過程各階段的壓力，在計算時工進時的背壓力按Pb＝8×10Pa代入，快退時按 Pb＝5×10Pa 代入公式和計算結果如下表： 表3-1各工作階段的工作壓力，流量，功率 工作循環(huán) 計算公式 負載 進油壓力 回油壓力 所需流量 輸入功率 F(N) P(Pa) Pn (Pa) L/min P(KW) 差動快進 Pj＝ q＝v(A1－A2) P＝P 550.2 8.5×10 13.5×10 12.5 0.174 工進 479.1 38.5×10 8×10 0.32 0.021 快退 408 13.1×10 5×10 12.9 0.218 注：1.差動連接時，液壓缸的回油口到進油口之間的壓力損失ΔP＝5×10Pa，而 Pn＝P＋ΔP 2．快退時，液壓缸有桿腔進油。壓力為P，無桿腔回油，壓力為Pn。 3.5 擬定液壓系統(tǒng)原理圖 3.5.1 選擇液壓基本回路 1．確定調速方式及供油形式 在液壓缸的初步計算前，已經(jīng)確定了采用調速閥的進口節(jié)流調速，因此相應采用開式循環(huán)系統(tǒng)，這種調速回路具有較好的低速穩(wěn)定性和速度負載特性。 2．快速運動回路和速度換接回路 根據(jù)本設計的運動方式和要求，采用差動連接和雙泵供油，兩種快速回路來實現(xiàn)快速運動，即快進時，由大小泵同時供油，液壓缸實現(xiàn)差動連接。 采用二位三通電磁閥的速度換接回路，控制由快進轉為工進，與采用行程閥相比，電磁閥可直接安裝在液壓站上，由工作臺行程開關控制，管路較簡單，行程大小餓容易調整，另外采用液壓控制順序閥與單項閥來切斷差動油路，因此速度換接回路為形成和壓力聯(lián)合控制形式。 3．換向回路選擇 本系統(tǒng)對換向的平穩(wěn)性沒嚴格的要求，所以選用電磁換向閥的換向回路。為提高換向的位置精度，采用壓力繼電器的行程終點反程控制。 3.5.2 組成液壓系統(tǒng) 將選定的液壓回路進行組合，并做出休整，即組成液壓系統(tǒng)圖。 3.6選擇液壓元件 3.6.1選擇液壓泵 液壓系統(tǒng)的工作介質完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調速系統(tǒng)一般用定量泵供油，再無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調速系統(tǒng)多數(shù)是采用變量泵供油。對長時間所需油量較小的情況，可增設蓄能器作輔助油源。 工進階段液壓缸工作壓力最大。若取壓力損失＝5×10 Pa壓力繼電器可靠動作需要壓力差為5×10 Pa液壓泵最高工作液壓可按： 因此泵的額定壓力可取 Pa 工進所需的流量最小是0.32L/min，設備流量最小流量為2.5L/min，則小流量泵的流量按公式即 ＝2.85L/min 快進快退時液壓缸所需的最大流量是12.9L/min，則泵的總流量為： 即大流量泵的流量： 根據(jù)上面計算的壓力和流量，查產(chǎn)品樣本選用YB-4/12型的雙聯(lián)葉片泵，該泵的額定壓力為6.3MP，額定轉速為960r/min。 3.6.2電動機的選擇 系統(tǒng)為雙泵供油系統(tǒng)，其中小泵1的流量為： 大泵的流量為： 差動快進快退時兩個泵同時向系統(tǒng)供油，工進時，小泵向系統(tǒng)供油，大泵卸載，下面計算三個階段所需要的電動機功率P。 1.差動快進 差動快進時，大泵2m出口油經(jīng)單向閥與小泵匯合，然后經(jīng)單向閥2，三位五通閥3，二位三通閥4進入液壓缸大腔，大腔的壓力查樣本可知，小泵的出口壓力損失，于是計算可得小泵的出口壓力（總效率），大泵出口壓力（總效率）。電動機效率為： 2．工進 考慮到調速閥所需最小壓力壓力繼電器可靠動作所需壓力差因此工進時小泵的出口壓力而大泵的卸載壓力?。ㄐ”玫目傂剩╇妱訖C功率： 綜合比較 快退時所需功率最大，因此選用Y90l-6異步電動機，電動機功率1.1KW，額定轉速 910r/min. 3.6.3 選擇液壓閥 根據(jù)液壓閥在系統(tǒng)中最高的工作壓力與通過的最大流量，可選出這些元件的型號及規(guī)格，本設計中所有閥是壓力為63×10額定流量根據(jù)通過的流量是確定為10L/min，30L/min和63L/min三種規(guī)格。 表3-2液壓閥的流量、型號和規(guī)格 序號 元件名稱 通過流量（L/min） 額定流量（L/min） 額定壓力（MPa） 額定壓降（MPa） 型號、規(guī)格 1 過濾器 34.8 63 1.6 0.07 XU-A63×50 2 單向閥 34.8 30 6.3 <0.2 I-30B 3 溢流閥 3 30 6.3 Y-30B 4 節(jié)流閥 22.2 30 6.3 <0.3 L-30B 5 節(jié)流閥 3.78/2.4/1 10 6.3 <0.3 L-10B 6 三位四通電磁閥 22.2 30 6.3 <0.4 34D-30B 7 二位四通電磁閥 2.4 10 6.3 <0.4 24D-10B 8 二位二通電磁閥 3.78 10 6.3 <0.4 22D-10B 9 減壓閥 22.2 30 6.3 J-30B 10 三位四通電磁閥 3.78/0.96 10 6.3 <0.4 34D-10B 11 減壓閥 2.4 10 6.3 J-10B 3.7 液壓缸基本參數(shù)的確定 3.7.1 工作負載 液壓缸的工作負載是指工作機構在滿負載情況下，以一定的加速度啟動時對液壓缸產(chǎn)生的總阻力。 F=K （3-7） ——工作機構的要求的負載力； K——考慮缸本身的各種負載力的系數(shù)； K=1.2 F——缸的輸出力。 由原始參數(shù)F=1.83N, 則F=1.21.8310=2.210N 3.7.2 定活塞桿直徑 按簡單拉伸或壓縮的受力條件來確定活塞桿的直徑。 （3-8） ——材料的許用應力。 計算出的d 值如果太小，允許根據(jù)結構要求加大。若遇到明顯過細過長的活塞桿，活塞桿又受壓，則須按壓桿穩(wěn)定的條件來確定活塞桿直徑。 計算出的活桿直徑查GB2348-80圓整。 ==108.2 mm 圓整后,取桿徑d=110mm. 3.7.3 根據(jù)速比定出缸筒直徑D 速比根據(jù)工作機構的要求提出作為已知參數(shù)。若工作機構對無明顯要求可按表3-1選取。 表3-3速比的推薦值 1.06 1.12 1.25 1.4 1.6 2 2.5 5 缸內徑公式： 取=2， =155.56（mm） 計算出的D值按表3-3 圓整 表3-4 缸內徑D系列（GB2348-80）(mm) 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 圓整后取港的內徑D=160mm。 3.7.4 選擇設計壓力p 液壓件的額定壓力是在指定的運轉條件下液壓件能長期正常工作的壓力。又叫公稱壓力。 液壓件的工作壓力是指在真實系統(tǒng)中承受的壓力。若負載變化工作壓力的大小也會發(fā)生變化。系統(tǒng)的額定壓力可參照和現(xiàn)正設計的主機相同或類似的機器的系統(tǒng)壓力來選定缸的設計壓力。參見表3-5。 表3-5 各類主機常用系統(tǒng)壓力 主 機 類 型 系統(tǒng)壓力（MPa） 精加工機床 半精加工機床 精加工或重型機床 農業(yè)機械，小型工程機械、工程機械的輔助機構 液壓機、重型機械、超重機、大中型工程機械 0.8-2 3-5 5-10 10-16 20-32 表3-6 液壓缸公稱壓力系列（GB2346-80）(MPa) 0.63 1 1.6 2.5 4 6.3 10 16 25 40 本設計中選設計壓力為p=10MPa. 3.7.5 最小導向長度的確定 當活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點到導向套滑動面中點的距離稱為最小導向 長度 H（圖3-4）。 圖3-4 最小導向長度 H示意圖 如果導向長度過小，將使液壓缸的初始饒度增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此在設計時必須保證有一定的最小導向長度。 對于一般的液壓缸，其最小導向長度應滿足下式要求： （m） （3-9） 式中 L——液壓缸最大工作行程(m)； D——缸筒內徑（m）. 本設計中，L=1750mm=1.75m; D=160mm=0.16m. =0.1675m 符合要求。 3.8 液壓缸結構強度計算和穩(wěn)定校驗 3.8.1 缸筒外徑計算 缸內徑確定之后，由強度條件來計算缸筒壁厚，然后計算出缸筒的外徑，按JB2183-77或其它相應標準圓整為標準外徑。 1.缸筒壁厚的計算 (1)薄壁缸筒 缸筒壁厚與內徑D之比小于1/10者，稱為薄壁缸筒，壁厚按薄壁筒公式計算，則 (m) （3-10） 式中 p——液壓缸的最大工作壓力（Pa）; D——缸筒內徑（m）; ——缸筒材料的許用應力（Pa）; = ——缸筒材料的抗拉強度極限（Pa）; n——安全系數(shù)，一般取n=5. 本設計中：===47 MPa 圓整后，取 2.缸筒外徑的確定: 3.8.2 缸底厚度 缸底為平底時，可由材料力學中圓盤計算公式導出。 缸底厚度: 取 3.8.3 液壓缸的穩(wěn)定性和活塞桿強度的驗算 前面對活塞桿直徑僅按速比作了初步確定，活塞直徑還必須同時滿足液壓缸的穩(wěn)定性及其本身的強度要求。 1.液壓缸穩(wěn)定性驗算 根據(jù)材料力學概念，液壓缸的穩(wěn)定條件為 （N） （3-11） 式中 P——活塞桿的最大推力（N）; ——液壓缸穩(wěn)定臨界力（N）; ——穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取=2-4。 液壓缸的穩(wěn)定臨界力值與活塞桿和缸體的材料、長度、剛度以及兩端承狀況有關。一般l/d大于10以后就要進行穩(wěn)定校驗。 圖3-5 液壓缸的安裝形式和活塞桿計算長度 用歐拉公式計算 ==110/4=27.5 mm ==101.8 當時，由歐拉公式 （N） （3-12） 式中 ——活塞桿計算柔度（柔性系數(shù)）； ——長度折算系數(shù)，取決于液壓缸的支承在狀況，如圖4-5所示； l——活塞桿計算長度（即液壓缸安裝長度，m）； E——活塞桿材料的縱向彈性模數(shù)，E=20.59； i——活塞桿橫斷面回轉半徑， （m），其中A為斷面面積（）,I為斷面最小慣性矩（）。對圓斷面，； ——柔性系數(shù)（按表3-7選?。?， 表3-7 柔性系數(shù)表 材料 a b 鋼(A3) 鋼(A5) 硅鋼 鑄鐵 3100 4600 5890 7700 11.40 36.17 38.17 120 105 100 100 80 61 60 60 -- 本設計中，1，l=1.750m, E=20.59, I=iA = = =7.18 = =N 故=N,完全符合穩(wěn)定性要求。 3.8.4 活塞組件 活塞組件活塞和活塞桿。這部分的結構活塞和活塞桿的聯(lián)結，活塞桿頭部的結構兩方面的問題。根據(jù)工作壓力、安裝形式及工作條件的不同，活塞組件也有多種結構形式。 1.活塞與活塞桿的聯(lián)結 活塞和活塞桿的聯(lián)結可采用螺紋連接和非螺紋連接兩種形式。非螺紋連接常用于大工作壓力的場合，本設計中采用的是螺紋連接。 2.活塞桿頭部結構 活塞桿頭部直接和工作機械聯(lián)系，根據(jù)與負載連接的要求不同，活塞桿頭部主要有如下幾種結構：（1）單耳環(huán)不帶襯套式；（2）單耳環(huán)帶襯套式；（3）單耳環(huán)式；（4）雙耳環(huán)式；（5）球頭式；（6）外螺紋式；（7）內螺紋式。本設計中考慮到液壓缸和機械裝置的連接形式，采用單耳環(huán)帶襯套式的頭部結構。 3.8.5 密封裝置 液壓缸在工作時，缸內壓力較缸外的壓力高的很多；缸內的進油腔壓力較回油腔壓力也高的很多，這樣，油液就可能通過固定件的聯(lián)結處和相對運動的配合間隙處泄漏，這種泄漏既有內泄也有外泄，外泄不但使油液損失影響環(huán)境，而且有著火的危險。內泄則能使油液發(fā)熱，液壓缸的容積效率降低，從而使液壓缸的工作性能變壞。因此應最大限度的減少泄漏。 活塞和缸筒內壁之間的滑動和密封，目前主要有這樣幾種方案：第一種方案是靠活塞直接與缸壁接觸滑動，密封由O型圈來實現(xiàn)，這種方案構造簡單摩擦阻力小，但密封壽命低，而且工藝要求高；第二種方案是采用V型密封圈，這種密封圈的特點是可以支承一定的徑向力，但活塞運動時的磨擦阻力大；第三種方案是目前工程機械上用的最普遍的一種，活塞上套一個用耐磨材料（尼龍或聚四氟乙烯）制成的支承環(huán)，用以代替活塞與缸壁的磨擦，可降低摩擦系數(shù)和提高液壓缸的壽命，它不起密封作用，密封靠一對小Y型密封圈，本設計即采用第三種方案。 3.8.6 緩沖裝置 液壓缸一般都設有緩沖裝置，特別是活塞運動速度較高和運動部件較大時，為了防止活塞在行程終點與缸蓋或缸底發(fā)生機械碰撞，引起噪聲、沖擊，甚至造成液壓缸或被驅動件的損壞，則必須設置緩沖裝置。 a)固定節(jié)流孔緩沖器 b)節(jié)流槽緩沖機構 c)溢流閥緩沖機構 圖3-6 節(jié)流緩沖裝置 本設計中采用的緩沖裝置為溢流閥的緩沖裝置，如果不考慮溢流閥的壓力超調值，則該緩沖裝置為恒壓等減速緩沖裝置。優(yōu)點是隨運動部件的質量和初速度V。的不同，緩沖壓力可以調節(jié)。 3.8.7 油管的選擇 根據(jù)選定的液壓閥連接油口尺寸確定管道尺寸。液壓缸進出油管按輸出，排出的流量來計算。由于系統(tǒng)液壓缸差動連接快進快退時，油管內通油量最大其實際流量為泵的額定流量的兩倍達32L/min，則液壓缸進出油口直徑d按產(chǎn)品樣本，選用內徑為15mm，外徑為19mm的10號冷拔鋼管。 3.8.8 油箱容積的確定 取油箱的有效容積為泵每分鐘排除液體體積的1.2倍，上述的有效容積是指油箱中油所占據(jù)的容積，其實際含義是系統(tǒng)正常工作時油箱中的油所占據(jù)的容積，和系統(tǒng)中的油全部流回油箱所占的容積，這兩部分之總和，油箱的總容積是指油箱的有效容積和油箱中空氣所占據(jù)的容積的總和，空氣的體積約為油箱總容積的10%。 本設計中，液壓泵的流量為230L/min，即每分鐘流量為230升。 圓整后取280升。 擬定油箱的長、寬、高為。 3.9液壓傳動用油的選擇 油液在液壓系統(tǒng)中實現(xiàn)潤滑與傳遞動力的雙重功能,必須根據(jù)使用環(huán)境和目的慎重選擇。 3.9.1 工作介質的選擇 根據(jù)液壓工作介質的使用要求，選取L-HL型液壓油。該液壓油的特征和主要應用：本產(chǎn)品為精制礦物油，并改善其防銹和抗氧性的潤滑油，常用于低壓液壓系統(tǒng)，也可適用于要求換油期較長的輕負荷機械的油浴式非循環(huán)潤滑系統(tǒng)。 3.9.2 介質粘度的選擇 液壓系統(tǒng)所有元件中，以液壓泵的轉速最高，壓力大，溫度較高。一般應根據(jù)液壓泵的要求來確定液壓油的粘度。根據(jù)表3-8選擇L-HL46。 表3-8液壓油的粘度 名稱 粘度（/s） 工作壓力 （MPa） 工作溫度 （℃） 推薦用油 允許 最佳 齒輪泵 4～220 25～54 12.5以下 5～40 L-HL32, L-HL46 40～80 L-HL46, L-HL68 10～20 5～40 L-HL46 ,L-HL68 40～80 L-HL46 ,L-HL68 16～32 5～40 L-HL32, L-HL68 40～80 L-HL46, L-HL68 4驗算系統(tǒng)液壓性能 4.1壓力損失的驗算及泵壓力的調整 1．工進時壓力損失的驗算和小流量泵壓力的調整 工進時管路中的流量僅為0.32L/ min,因此流速很小，所以沿程損失和局部壓力損失都非常小，可以忽略不計。這時進油路上僅考慮調速閥的壓力損失，回油路只有背壓閥的壓力損失，小流量泵的調整壓力應等于工進時液壓缸的工作壓力P加上進油 口的壓力差，并考慮繼電器的動作需要則： 即小流量的溢流閥口按此壓力調整。 2．快退時的壓力損失驗算及大流量泵卸載壓力的調整 因快退時液壓缸無桿腔的回油量是進油量的2倍，其壓力損失比快進時的大，因此必須計算快退時的進油路與回油路的壓力損失，以便確定大流量泵的卸載壓力。 進油管和回油管長度均為l=1.8mm，油管直徑，通過的油量為進油路回油路 液壓系統(tǒng)選用L-HL46號液壓油，考慮最底工作溫度為15℃。由手冊查出此時油的運動粘度，油的密度，液壓系統(tǒng)元件采用集成塊式的配置形式。 1） 確定油流的流動狀態(tài)，按公式 （3-13） 式中 v——平均流速（m/s）; d——油管內徑（m） ——油的運動粘度（cm/s） q——通過的流量（m） 則進油路中油流的雷諾數(shù)為： 回油路中液流的雷諾數(shù)為： 由上可知進出油路中的流動都是層流。 2）沿程壓力損失由下面公式可以算出進油路和回油路的壓力損失 在進油路上，流速， 則壓力損失為： 在回油路上，流速為進油路的兩倍即v=3.02m/s，則壓力損失為 3）局部壓力損失 由于采用集成塊式的液壓裝置，所以只考慮閥類元件和集成塊內的壓力損失。通過各閥局部壓力損失可得見表（3-9）： 表3-9各閥的壓力損失 序號 元件名稱 通過流量（L/min） 額定流量（L/min） 額定壓降（MPa） 壓降（MPa） 型號、規(guī)格 1 過濾器 34.8 63 0.07 0.021 XU-A63×50 2 單向閥 34.8 30 <0.2 0.2 I-30B 3 溢流閥 3 30 Y-30B 4 節(jié)流閥 22.2 30 <0.3 0.16 L-30B 5 節(jié)流閥 3.78/2.4/1 10 <0.3 0.043 0.017 0.003 L-10B 6 三位四通電磁閥 22.2 30 <0.4 0.22 34D-30B 7 二位四通電磁閥 2.4 10 <0.4 0.023 24D-10B 8 二位二通電磁閥 3.78 10 <0.4 0.057 22D-10B 9 減壓閥 22.2 30 J-30B 10 三位四通電磁閥 3.78/1 10 <0.4 0.057 0.004 34D-10B 若取集成塊進油路的壓力損失 回油路的壓力損失為 則進油路和回油路總的壓力損失為 快退時液壓缸負載F＝1053N；則快退時液壓缸的工作壓力為 由此可算出快進時泵的工作壓力為 因此大流量泵卸載閥10的調整壓力應大于12.38。 4.2 液壓系統(tǒng)發(fā)熱和溫升驗算 在整個工作循環(huán)中，工進階段所占用的時間最長，所以系統(tǒng)的發(fā)熱主要是工進階段造成的，故按工進工況驗算系統(tǒng)溫升。 工進時液壓系統(tǒng)輸出功率如前面計算 工進時液壓缸的輸出功率 系統(tǒng)總的發(fā)熱功率為 已知油箱的容積V＝280L＝280則油箱的近似散熱面積為 A＝0.065 假定通風良好，取油箱散熱系數(shù)G＝15則可得油箱溫升為 設環(huán)境溫度T＝25℃，則熱平衡溫度為 所以油箱散熱基本可以達到要求。 4.3 濾油器選擇 液壓傳動系統(tǒng)中的液壓油不可避免的含有各種雜質，如水銹、鑄沙、焊渣、鐵屑、涂料、油漆皮和棉紗屑等；還有從外部進入的雜質，如經(jīng)加油口、防塵圈等處進入的灰塵；工作過程中產(chǎn)生的雜質，如密封瀝青質、碳渣等。上述雜質混入液壓油后，隨著液壓油的循環(huán)作用，將到處起破壞作用，嚴重妨礙液壓系統(tǒng)的正常工作。如：使液壓元件中相對運動部件之間的很小間隙以及節(jié)流小孔和縫隙卡死或堵塞；破壞相對運動部件之間的油膜，劃傷間隙表面，增大內部泄露，降低效率，增加發(fā)熱；加劇油液的化學作用，使油液變質。根據(jù)生產(chǎn)實際統(tǒng)計，液壓系統(tǒng)的故障中有75%以上是由于液壓油中混入雜質造成的。因此，維護油液的清潔，防止油液的污染，對液壓系統(tǒng)十分重要。 4.3.1 濾油器的要求 一般濾油器主要由濾芯和殼體組成，由濾芯上的無數(shù)細小間隙或小孔構成油液的通流面積。因此，當混入油液中的雜質的尺寸大于這些微小間隙或小孔時，被阻隔從油液中濾清出來。由于不同的液壓系統(tǒng)有著不同的要求，而要完全濾清混入油液中的雜質是不可能的，有時也是不必苛求的。因此，對濾油器的要求，應根據(jù)具體情況來定，其基本要求包括： 1.能滿足液壓系統(tǒng)對過濾精度的要求 濾油器的過濾精度，是指油液通過濾油器是時，濾芯能夠濾除的最小的雜質的顆粒度的大小，以直徑d的公稱尺寸表示。顆粒度越小，濾油器的過濾精度越高。一般將濾油器分成四類：粗的（d>0.1mm）、普通的（d>0.01mm）、精的（d>0.005mm）、特精的（d>0.001mm）。不同的液壓系統(tǒng)，對濾清器的過濾精度要求如下表： 表4-1 濾清器的過濾精度要求 系統(tǒng)類別 潤滑系統(tǒng) 傳動系統(tǒng) 隨動系統(tǒng) 特殊要求系統(tǒng) 壓力(Pa) 0--25 ≤70 >70 ≥350 ≤210 ≤350 顆粒度（mm） ≤0.1 ≤0.025-0.05 ≤0.025 ≤0.005 ≤0.005 ≤0.001 2. 能滿足液壓系統(tǒng)對過濾能力的要求 濾油器的過濾能力，是指在一定壓差下，允許通過濾油器的最大流量。一般用濾油器的有效過濾面積（濾芯上能通過的油液的總面積）來表示。對濾油器過濾能力的要求，應結合濾油器在系統(tǒng)中的安裝位置來考慮。如安裝在液壓泵吸油管路上的濾油器，其過濾能力應為液壓泵流量的兩倍以上。 3. 濾油器的材料應具有一定的機械強度，保證在一定的工作壓力下不會因液壓力的作用而受到破壞 4. 在一定的工作溫度下，應能保證性能穩(wěn)定，有足夠的耐久性 5. 有良好的抗腐蝕能力 6. 結構盡量簡單，尺寸緊湊 7. 便于清洗維護，便于更換濾芯 8. 造價低廉 4.3.2 濾油器的種類 濾油器按過濾精度分粗、普通、精、特精四類。 濾油器還可按濾芯的結構分類 1. 網(wǎng)式濾油器，油液流經(jīng)此濾油器時，由濾網(wǎng)上的小孔起濾清作用。 2. 線隙式濾油器，濾芯由金屬絲繞制而成，依靠金屬絲間的微小間隙來過濾混入油 液中的雜質。 3. 紙質濾油器，濾芯為多層酚醛樹脂處理過的微孔濾紙，由微孔濾掉混入油液中的雜質。 4. 磁性濾油器，依靠永久磁鐵，利用磁化原理來濾除混入油液中的鐵屑。 5. 燒結式濾油器，濾芯為顆粒狀青銅粉末等金屬粉末壓制燒結而成，利用顆粒之間 的微孔濾去混入油液中的雜質。 6. 不銹鋼纖維濾油器，濾芯為不銹鋼纖維壓制制成，由纖維絲之間的間隙濾掉混入 油液中的雜質，這種濾油器的過濾精度高，可承受200bar的壓差，可以清洗，但因為濾芯價格昂貴，一般液壓系統(tǒng)并不采用，只推薦在高壓伺服系統(tǒng)中應用。 7. 合成樹脂濾油器，濾芯由一種無機纖維經(jīng)液態(tài)樹脂浸滯處理制成。由于微孔很小、 牢度很大，因此過濾精度高，且能承受210bar的壓差。 4.3.3 線隙式濾油器 如圖 4-1 所示，線隙式濾油器的濾芯由銅絲（d=0.4mm）繞成，依靠銅絲間的微小間隙來濾除混入油液中的雜質。線隙式濾油器分為壓油管路用線隙式濾油器和吸油管路用線隙式濾油器兩種。 圖 4-1 線隙式濾油器 圖示為壓油管路用線隙式濾油器，有外殼1；當用于吸油管路時不用外殼，濾芯部分2直接進入油液中。壓油管路用線隙式濾油器的過濾精度分0.03 mm和0.08mm 兩類，壓力損失小于0.6bar；吸油管路用濾油器的過濾精度分0.05mm和0.1mm兩類，壓力損失小于0.2bar。 線隙式濾油器結構簡單，通油能力大，過濾精度比網(wǎng)示濾油器高，缺點是不易清洗，一般用于低壓回路或輔助回路。 4.3.4 濾油器在液壓系統(tǒng)中的安裝位置和維護 安裝位置 濾油器的連接形式有板式、管式和法蘭式三種，可以安裝在液壓泵的吸油管路上、壓油管路上、回油路上、輔助泵的輸油路上、支流管路上或單獨過濾。 本課題中濾油器安裝在液壓泵的吸油管路上，如圖4-2 ，將粗濾油器裝在液壓泵的吸油管路上，主要目的是保護液壓泵免遭較大顆粒雜質的直接傷害。為了不置影響液壓泵的吸油能力，裝在吸油管路上的濾油器的通油能力應大于液壓泵流量的兩倍。濾油器應經(jīng)常清洗，以免過多增加液壓泵的吸油能力。 圖4-2 濾油器安裝位置 結 論 這次畢業(yè)設計，我主要對機械手液壓系統(tǒng)進行設計。機械手有下列基本組成部分：小車，滑板和機器人手臂位移電液步進式驅動裝置以及手腕轉動、擺動機構和夾持器夾緊機構驅動裝置。而液壓系