伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計目 錄中文摘要與關(guān)鍵詞.I英文摘要與關(guān)鍵詞.II第一章 緒論.11.1 課題目的.11.2 課題意義.11.3 國內(nèi)外相關(guān)研究動態(tài).21.4 本文的主要研究內(nèi)容.4第二章 上下料機械手的總體設(shè)計方案.62.1 機械手的組成.62.2 機械手的設(shè)計.62.2.1 機械手的機構(gòu)原理.62.2.2 設(shè)計要求72.2.3 總體方案的擬定.72.2.4 機械手的主要設(shè)計參數(shù).82.3 本章小結(jié).9第三章 機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計.103.1 工況分析.103.1.1 手臂伸縮缸工況分析.103.1.2 手臂俯仰缸工況分析.123.1.3 手臂升降缸工況分析143.1.4 夾緊缸工況分析173.1.5 機械手腕部俯仰缸工況分析.193.2 初選系統(tǒng)工作壓力.223.3 液壓缸的設(shè)計.233.3.1 手腕液壓缸尺寸的設(shè)計.233.3.2 手腕俯仰缸的設(shè)計263.3.3 手臂伸縮缸的設(shè)計.26伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計3.3.4 手臂俯仰缸的設(shè)計.263.3.5 手臂升降缸的設(shè)計.263.4 機身擺動液壓馬達的選擇.263.5 本章小結(jié)27第四章 油泵與液壓控制閥的選擇.284.1 基本回路的選擇.284.2 液壓元件的選擇.284.2.1 液壓泵的選擇.284.2.2 液壓閥及過濾器的選擇.294.3 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定.314.4 液壓系統(tǒng)電磁鐵動作順序334.5 本章小結(jié)34第五章 液壓其它元件的選擇.355.1 液壓輔助元件的選擇原則.355.2 油管的選擇.355.3 電動機的選擇.365.4 油箱的選擇.375.4.1 容積的確定375.4.2 外形尺寸的確定.385.4.3 油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計.385.5 本章小結(jié).40結(jié) 論.41參考文獻.42致 謝.44伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計中文摘要與關(guān)鍵詞摘 要：隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)越來越受到廣泛關(guān)注，在工業(yè)生產(chǎn)日益現(xiàn)代化的今天，機器人的使用變得越來越普及。本課題是為普通車床配套而設(shè)計的上下料機械手。工業(yè)機械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術(shù)設(shè)備，對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進一步發(fā)展起著重要作用。本課題是一個機械、液壓緊密的實用性項目，文中首先針對機械手的工作要求以及五自由度要求確定了一個總體設(shè)計方案然后系統(tǒng)的對其工況，所選用的液壓缸進行了設(shè)計與分析，對相應(yīng)的油箱，閥等進行了選擇，畫出了系統(tǒng)原理圖跟電磁鐵的動作順序表。同時還應(yīng)用 AutoCAD 技術(shù)畫出機械手的相應(yīng)的液壓部件。最后，總結(jié)了全文，指出了機械手的改進措施、應(yīng)用前景和發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：機械手，液壓系統(tǒng)，自由度伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計I英文摘要與關(guān)鍵詞 Abstract：With the development of modern science and technology, robot technology has become more and more attention, in today's increasingly modernized industrial production, the use of robots become more and more popular. This topic is designed for ordinary lathe and manipulator. Industrial manipulator is the inevitable outcome of the industrial production, it is a part of imitating human upper extremity function, according to the reservation request artifacts or hold the tools to manipulate automation technology and equipment, to achieve industrial production automation, plays an important role in promoting the further development of industrial production. This topic is a mechanical and hydraulic closely the practical project, this paper firstly for the manipulator work demands as well as the degree of freedom to determine an overall design scheme and system of its working conditions, the selection of hydraulic cylinder design and analyzed, the corresponding fuel tanks, valves, etc on the choice, draw the system principle diagram and the electromagnet action sequence table and application technology of AutoCAD draw the corresponding hydraulic components of the manipulator. Finally, summarized the full text, points out the improvement measures, the application prospect and development direction of the manipulator.Keywords: manipulator，hydraulic system，freedom伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計0第一章 緒論1.1 課題目的為了全面復習以及綜合運用大學四年所學的理論、基礎(chǔ)及專業(yè)知識，加強對液壓傳動應(yīng)用的認識，為畢業(yè)后從事工程技術(shù)和科研工作奠定基礎(chǔ)。同時機械手是一種能模仿人手部分動作，按照預定的程序，軌跡及其他要求，實現(xiàn)抓取，搬運工作或操作工具的自動化機械裝置，它是工業(yè)機械人的一個重要分支。隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合機器人所代替。機械手可以減省工人、提高效率、降低成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)、安全性好、提升工廠形象。對于多自由度機械手的優(yōu)點是:動作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取靠近機座的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作.隨著生產(chǎn)的需要，對多自由度手臂的靈活性，定位精度及作業(yè)空間等提出越來越高的要求。多自由度手臂也突破了傳統(tǒng)的概念，其自由度數(shù)量可以從一個到多個，其外形也不局限于像人的手臂，而根據(jù)不同的場合有所變化，1.2 課題意義機器人應(yīng)用情況是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。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)各，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手” 。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。這種全自動機械手工作效率更高，大大節(jié)省了勞動力，伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計1隨著時代的進步這種全自動物料搬運機械手將是未來發(fā)展的主要方向。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手” ，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.3 國內(nèi)外相關(guān)研究動態(tài)國內(nèi)：我國的工業(yè)機械手是從 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步,在國家的支持下,通過“七五” 、 “八五”科技攻關(guān),目前已經(jīng)基本掌握了機械手操作機的設(shè)計制造技術(shù),控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù),運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù),生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆，孤焊，點焊，裝配，搬運等機器人，其中有 130 多臺噴漆機器人如圖 1-1 所示：圖 1-1 噴漆機器人 圖 1-2 孤焊機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用同時我國的孤焊機器人如上圖 1-2 所示，這種機器人已經(jīng)應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，我國的工業(yè)機械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定距離。如：可靠性低于國外產(chǎn)品，機械手應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距。影響我國機械手發(fā)展的關(guān)鍵平臺因素就是其軟件，硬件和機械結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外使用的多是定位控制的機械手，沒有“視覺”和“觸覺”反饋。為使機械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零部件，它由視覺傳感器輸入三伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計2個視圖方向的視覺信息，通過計算機進行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工件。為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件滑落下來，一般采用兩種方法：一是檢測把握物體手臂的變形，以決定適當?shù)奈樟?；另一種是直接檢測指部與物件的滑動位移，來修正握力。其應(yīng)用方面有： ①熱加工方面。熱加工是高溫、危險的體力勞動，采用機械手操作可以實現(xiàn)高效率和安全工作，如對少量、低速以及人力不能勝任的作業(yè)的實現(xiàn)。在鍛造、鑄造、熔煉等工業(yè)，機械手的應(yīng)用能進一步發(fā)揮設(shè)備的生產(chǎn)能力，安裝了機械手的操作機可實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，取代了人工喂料等操作，大大提高了生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量。②冷加工方面。冷加工方面的機械手主要用于一些配件及零件加工時上下料以及刀具安裝的過程，將其應(yīng)用于一些數(shù)控機床和加工生產(chǎn)線以及自動線上，成為了設(shè)備、機床上下工序聯(lián)接的重要手段。同時，也在加工生產(chǎn)自動線上采用臂式機械手作為聯(lián)接工序、運送工件的重要設(shè)備。③在裝、拆、修方面。眾所周知，拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)體力勞動較重的部門，采用機械手可以拆裝三通閥、分解制動缸、組裝輪對、清除石棉等，大大減低了勞動強度。在采用機械手進行裝配方面也是應(yīng)用的一大熱點，與傳感裝置、計算機的配合能對零件方位進行確定，能達到鑲裝的目的。國外：在國外的機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應(yīng)用較多。發(fā)展較快，一般的工業(yè)機械手技術(shù)相當成熟，預計在 2005 年到 2008 年間，全球工業(yè)機器人銷量預計年均增長 6 1％，到 2008 年增至 12 1 萬臺。國外機器人的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更，如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測。另外，機械手的應(yīng)用和發(fā)展，大大促進了智能機器人的研制，其中重點領(lǐng)域是仿人機器人的研究。日本在 2000 年研制出了一臺真正具有世界影響的仿人機器人 Asimov 如圖 1-3 所示：伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計3圖 1-3 仿人機器人 Asimov 圖 1-4 HUBO 機器人機器人 Asimov 的誕生促進了各種各樣仿人機器人的研究，開辟了一個仿人機器人的發(fā)展。此后，同本還推出了一個為期 5 年的“仿人機器人在實際環(huán)境中運行的關(guān)鍵技術(shù)研究和發(fā)展計劃” ，這個實用性項目此后，是在日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜臺研究所于 2005 年 1月開發(fā)、然后由川田等公司生產(chǎn)的 HRP-2 機器人基礎(chǔ)上進行的。另外，韓國、美國等國家相繼推出了各種類型的仿人機器人。2004 年 12 月 27 日，韓國先進科技研究所(KAIST)發(fā)表 HUBO 機器人如上圖 1-4 所示。美國軍方正在開發(fā)機器人士兵，專家預測這至少需要30 年時間。機器人杯足球賽(Robocop 1)始于 2002 年，組織者預期到 2050 年仿人機器人足球隊可以擊敗人類的世界杯冠軍隊。許多人還期望仿人機器人進入家庭成為真下的機器人仆人。這些都是長遠的目標，需要為其付出不斷的努力。1.4 本文的主要研究內(nèi)容本文的主題是伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計，此上下料機械手包括機座，機身，手臂，手腕跟手抓?？偣灿形鍌€自由度能實現(xiàn)機身的旋轉(zhuǎn)，大臂的升降跟伸縮，大臂的俯仰，手抓的閉合與開啟。對此要想系統(tǒng)的對本機械手完成設(shè)計主要研究內(nèi)容如下：（1）對上下料機械手的工況進行分析其中包括對各液壓缸的負載進行分析與計算，畫出各缸的負載圖與速度圖。伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計4（2）上下料機械手完成手臂上下俯仰、手臂的正反向回轉(zhuǎn)、以及手爪的開啟和閉合等動作要求。要完成這些動作就要對手臂上下俯仰缸，手臂伸縮缸，以及控制手抓開啟與閉合的相關(guān)液壓缸的尺寸進行研究與計算。（3）對上下料機械手的相關(guān)動作要求的研究給出相關(guān)的液壓系統(tǒng)的電磁元件動作循序表和上下料機械手相應(yīng)的液壓系統(tǒng)原理圖。（4）根據(jù)上下料機械手的液壓系統(tǒng)科學合理的選擇合適的油泵與液壓系統(tǒng)的控制閥。（5）對液壓其他元件的設(shè)計與選擇，其中包括液壓油箱，管道的設(shè)計。伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計5第二章 上下料機械手的總體設(shè)計方案2.1 機械手的組成機械手 [1]由三大部分（機械部分、傳感部分、控制部分）六個子系統(tǒng)（驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)）組成。機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：機器人的機械結(jié)構(gòu)又主要包括末端操作器、手腕、手臂、機身（立柱） 。驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動器是把從動力源獲得的能量變換成機械能，使機器人各關(guān)節(jié)能夠工作的裝置，常見的驅(qū)動形式有步進電機驅(qū)動、直流電機驅(qū)動、交流電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動以及近些年出現(xiàn)的一些特殊的新型驅(qū)動（例如超聲波驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、靜電驅(qū)動等） ?？刂葡到y(tǒng)：機器人的控制方式多種多樣，根據(jù)作業(yè)任務(wù)不同，主要可分為點位控制方式（PTP） 、連續(xù)軌跡控制方式（CP） 、力（力矩）控制方式和智能控制方式。2.2 機械手的設(shè)計2.2.1 機械手的機構(gòu)原理本處討論的上下料機械手有機身的旋轉(zhuǎn)、手臂的伸降、手臂的俯仰、手臂的伸縮、手腕的俯仰、夾緊物料、放松物料等動作。其示意圖如圖 2-1 所示：伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計6圖 2-1 上下料機械手的示意圖2.2.2 設(shè)計要求該機械手可看作由五個自由度構(gòu)成的機構(gòu)，五自由度分別為機身旋轉(zhuǎn)，手臂升降俯仰，手臂水平伸縮，手腕俯仰，手抓的開啟與閉合。整個機械手的工作循環(huán)為：初始位姿→手臂向上運動→手臂前伸→手臂上仰→手腕上仰→手爪夾緊→抓住物體→機身轉(zhuǎn)動→手臂向下運動→手臂回伸→手臂下俯→手腕下俯→手抓分開→放下物體→機身回轉(zhuǎn)回到初始位姿。 2.2.3 總體方案的擬定考慮本機械手工作要求的特殊情況，本設(shè)計采用懸臂式五自由度的機械手： 自由度 [2]具體分配如下：（1） 手臂回轉(zhuǎn)自由度。擬采用液壓馬達來實現(xiàn)，液壓馬達通過齒輪傳動通過帶動與之相連的缸體也發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機身的回轉(zhuǎn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。（2） 手臂俯仰自由度。機器人的手臂俯仰運動，一般采用活塞油（氣）與連桿機構(gòu)聯(lián)用來實現(xiàn)。設(shè)計中擬采用單活塞桿液壓缸來實現(xiàn)，缸體采用尾部耳環(huán)與機身連接，而其活塞桿的伸出端則與手臂通過鉸鏈相連。其行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計7（3） 手臂伸縮自由度。由于油缸或氣缸的體積小，質(zhì)量輕，因而在機器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。設(shè)計中擬采用單活塞桿液壓缸來實現(xiàn)，其伸縮行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。（4） 手腕俯仰自由度。擬采用液壓缸來實現(xiàn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。（5） 手爪的抓取自由度。擬采用液壓缸來實現(xiàn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。2.2.4 機械手的主要設(shè)計參數(shù)擬設(shè)計的機械手工作參數(shù)見表 2-1。表 2-1 機械手的設(shè)計參數(shù)參數(shù)項 數(shù)值抓取重物質(zhì)量（kg） 16靜摩擦因數(shù) sf 0.2動摩擦因數(shù) d快進速度 v快 進 7m/s快退速度 快 退 0工進速度 v工 進 6/s手臂伸縮缸行程 L2夾緊液壓缸行程 10m手臂俯仰缸行程 63手臂升降缸行程 L手腕俯仰缸行程 20機械效率 m?.95伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計82.3 本章小結(jié)本章首先通過對課題要設(shè)計的機械手的大致結(jié)構(gòu)示意圖給出，通過其結(jié)構(gòu)示意圖確定機械手的動作要求，然后確定要實現(xiàn)這種動作要求所采取的的總體方案。最后根據(jù)設(shè)計要求給出所要設(shè)計的上下料機械手的主要參數(shù)。以上就給以后的設(shè)計提供了一個清晰，明朗的設(shè)計思路。伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計9第三章 機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計3.1 工況分析3.1.1 手臂伸縮缸工況分析1、手臂伸縮缸速度循環(huán)圖 根據(jù)液壓機系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)表 2-1 手臂伸縮缸滑塊行程為 2000mm，可以得到手臂伸縮缸的速度循環(huán)圖如圖 3-1 所示。圖 3-1 手臂伸縮缸速度循環(huán)圖2、手臂伸縮缸負載分析手臂伸縮采用雙作用液壓缸 [21]實現(xiàn)，臂部作水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還在克服啟動過程中的慣性力。其驅(qū)動力 可按式（3.1）計算：F伸 縮（3.1）/famF???伸 縮 （ ）式中： ——各支承處的的摩擦阻力（ ） ，其大小可按式（3.2）估算：f N（3.2）()fG伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計10式中： ——運動部件所受的重力（ ） ；GN——外載荷作用于導軌上的正壓力（ ） ，其大小可按式（3.3）計算：NF（3.3）NFG??手 部 手 腕工 件——摩擦系數(shù)，靜摩擦因數(shù) ；動摩擦因數(shù) ；f =0.2f靜 =0.1f動——啟動過程中的慣性力（ ） ，其大小可按式 3.4 計算：aF（3.4）aGvFgt??總式中： ——重力加速度，取 ；g29.8m/s——速度變化量（ ） 。如果臂部從靜止狀態(tài)加速到工作速度 時，則這v? v個過程的速度變化量就等于臂部的工作速度?！獑踊蛑苿訒r間（ ） ，一般為 。對輕載低速運動部件取小值，t s0.1~5s對重載高速部件取大值，行走機械一般取 。m/vt??經(jīng)過計算得：()=0.2(98+1624)=9NfsFG???手 部 手 腕16.87.9avgt?總????=0.+196245.8=163fdaNFF???()/(3)/.Nfm?伸 縮3、手臂伸縮缸負載循環(huán)圖手臂伸縮缸工作循環(huán)各階段外負載如表 3-1 所示。表 3-1 伸縮缸工作循環(huán)負載工作循環(huán) 外負載啟動 /fsmF??309.5N快進 ??da?24工進 f伸 縮 6.伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計11快退 ??/fdamF???294N注：“ ”表示啟動時的靜摩擦力， “ ”表示啟動后的動摩擦力。sf df手臂伸縮缸各階段負載循環(huán)如圖 3-2 所示。圖 3-2 手臂伸縮缸負載循環(huán)圖3.1.2 手臂俯仰缸工況分析1、手臂俯仰缸速度循環(huán)圖 根據(jù)液壓機系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)表 2-1 機械手臂俯仰缸活塞行程為 630mm，得到俯仰缸的速度循環(huán)圖如圖 3-3 所示。伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計12圖 3-3 俯仰缸速度循環(huán)圖2、俯仰缸負載分析當手臂從水平位置成仰角 時或從 角度恢復為水平時的加速或減速過程，鉸接活塞?桿 [6]的載荷 （即俯仰直線缸驅(qū)動力）達到最大。其在垂直方向上的最大線速度為F俯 仰，加速時間為 ，由于升降過程一般不是等加速運動，故最大驅(qū)動力矩要=0.7msv=0.1st比理論平均值大一些，一般取平均值的 1.3 倍 [4]。則手臂俯仰油缸載荷可按式（3.5）計算：（3.5）1.3FMa??俯 仰式中： ——手臂俯仰缸所支撐的重量（ ） ，由下式可得：Mkg??=10+236=1kg??手 腕 手 指手 臂 工 件——手臂俯仰缸的活塞桿的加速度( )；a m/s.71616.2N0aGvFgt???總經(jīng)過計算得： ??3=.=751M俯 仰3、俯仰缸負載循環(huán)圖伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計13俯仰缸工作循環(huán)各階段外負載如表 3-2 所示。表 3-2 俯仰缸工作循環(huán)負載工作循環(huán) 外負載啟動 fsF?忽略不計快進 a?俯 仰 19N快退 俯 仰 75注：“ ”表示啟動時的靜摩擦力， “ ”表示啟動后的動摩擦力。fsFfdF手臂俯仰缸各階段負載循環(huán)如圖 3-4 所示。圖 3-4 俯仰缸負載循環(huán)圖3.1.3 手臂升降缸工況分析1、手臂升降缸速度循環(huán)圖 根據(jù)液壓機系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)表 2-1 機械手臂俯仰缸活塞行程為 630mm，得到升降缸的速度循環(huán)圖如圖 3-5 所示。伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計14圖 3-5 升降缸速度循環(huán)圖2、升降缸負載分析手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力 [20]和慣性力 [20]之外，還要克服臂部運動部fFaF件的重力，故其驅(qū)動力 可按式(3.6)計算：F（3.6）faG??升（3.7）f降式中 ——各支承處的摩擦力 ；fF??N——啟動時慣性力 可按臂伸縮運動時的情況計算；a——臂部運動部件的總重量 ；G??當 ， ， 時=40NfF1a=470N??+16F升 降3、升降缸負載循環(huán)圖升降缸工作循環(huán)各階段外負載如表 3-3 所示。伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計15表 3-3 升降缸工作循環(huán)負載工作循環(huán) 外負載啟動 fsF?忽略不計快進 升 160N快退 降 4升降缸各階段負載循環(huán)如圖 3-6 所示。圖 3-6 升降缸負載循環(huán)圖 3.1.4 夾緊缸工況分析（1） 夾緊缸速度循環(huán)圖 根據(jù)液壓機系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)表 2-1 中機械手夾緊缸活塞行程為 160mm，得到夾緊缸的速度循環(huán)圖如圖 3-7 所示。伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計16圖 3-7 夾緊缸速度循環(huán)圖（2） 夾緊缸負載分析手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩） ，以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力 [21]可按式（3.8）算：NF（3.8）123KG?式中： ——安全系數(shù)，通常取 ；1 .~0——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？筛鶕?jù)式（3.9）估算：2（3.9）21aKg??其中： ——重力加速度 ( )；gm/s——運載工件時重力方向的最大上升加速度，可根據(jù)式（3.10）計算：a（3.10）maxvt?響伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計17——運載工件時重力方向的最大上升速度，maxv max=70/sv——系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般取 。t響 .3~5s——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定。3K=0.9~1——被抓取工件所受重力（ ） 。GN計算可得： 1230.7/35=.1+1.06.8=N98NFKG?????????手指夾緊由單作用液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)，則手指夾緊缸的載荷為： 6NF夾 緊 =0.2193.fsG??手 指fd手 指 .72014NavFgt???手 指（3） 夾緊缸負載循環(huán)圖夾緊缸工作循環(huán)各階段外負載如表 3-4 所示。表 3-4 夾緊缸工作循環(huán)負載工作循環(huán) 外負載啟動 fsF?39.2N快進 sda?16快退 s .夾緊缸各階段負載循環(huán)如圖 3-8 所示。伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計18圖 3-8 夾緊缸負載循環(huán)圖3.1.5 機械手腕部俯仰缸工況分析（1）手腕俯仰缸速度循環(huán)圖 根據(jù)液壓機系統(tǒng)設(shè)計參數(shù) 2-1 此機械手手腕俯仰缸滑塊行程為 200mm，可以得到手臂伸縮缸的速度循環(huán)圖如圖 3-9 所示。圖 3-9 手腕俯仰缸速度循環(huán)圖（2）手腕俯仰缸負載分析手腕俯仰采用液壓缸實現(xiàn)，液壓缸作水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計19油缸與活塞之間的摩擦阻力及導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還在克服啟動過程中的慣性力。其驅(qū)動力可 [20]可按式（3.11）計算：F伸 縮??/famF???伸 縮（3.11）式中： ——各支承處的的摩擦阻力（ ） ，其大小可按式 3.12 估算：fFN()fNFG??（3.12）式中： ——運動部件所受的重力（ ） ；G——外載荷作用于導軌上的正壓力（ ） ，其大小可按式（3.13）計算：NFN（3.13）NFG??手 部 手 腕——摩擦系數(shù)，靜摩擦因數(shù) ；動摩擦因數(shù) ；f =0.2f靜 =0.1f動——啟動過程中的慣性力（ ） ，其大小可按式（3.14）估算：aF（3.14）aGvFgt??總式中： ——重力加速度，取 ；g29.8m/s——速度變化量（ ） 。如果臂部從靜止狀態(tài)加速到工作速度 時，則這v? v個過程的速度變化量就等于臂部的工作速度?！獑踊蛑苿訒r間（ ） ，一般為 。對輕載低速運動部件取小值，t s0.1~5s對重載高速部件取大值，行走機械一般取 。=m/vt?經(jīng)過計算得：()0.2(196+4)8NfsFG???手 部 手 腕497=35.8avgt?總 ????0.1+9624=53fdaF???手 腕 手 指伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計20()/=(53+)/0.93NfdamF???伸 縮（3）手腕俯仰缸負載循環(huán)圖手腕俯仰缸工作循環(huán)各階段外負載如表 3-5 所示。表 3-5 主缸工作循環(huán)負載工作循環(huán) 外負載啟動 /fsmF??103N快進 ??fda?9工進 f伸 縮 46快退 /fdamF??3N注：“ ”表示啟動時的靜摩擦力， “ ”表示啟動后的動摩擦力。sf df手腕俯仰缸各階段負載循環(huán)如圖 3-10 所示。圖 3-10 手腕俯仰缸負載循環(huán)圖伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計213.2 初選系統(tǒng)工作壓力工作壓力 [21]的選擇要根據(jù)載荷大小和設(shè)備類型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟條件及元件供應(yīng)情況等的限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對某些設(shè)備來說，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看也不經(jīng)濟；反之，壓力選得太高，對泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設(shè)備成本。一般來說，對于固定的尺寸不太受限制的設(shè)備，壓力選低一些，行走機械重載 [6]設(shè)備壓力要選得高一些。選擇可參考表 3-6 和 3-7。表 3-6 按載荷選擇工作壓力 [5]載荷/KN 50工作壓力 /MPa0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 ≥5表 3-7 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力 [6]機械類型 磨床組合機床龍門刨床拉床農(nóng)業(yè)機械小型工程機械建筑機械液壓鑿巖機液壓機大中型挖掘機起重機械起重運輸機械工作壓力/MPa 0.8～2 3～5 2～8 8～10 10～18 20～32從各方面綜合考慮，根據(jù)計算所得的數(shù)據(jù)，搬運機械手的工作壓力選擇為 。8MPa3.3 液壓缸的設(shè)計本次設(shè)計的機械手的主要部件即為液壓缸，總體結(jié)構(gòu)尺寸即為液壓缸尺寸。一般來說液壓缸是標準件,但有時也需來自行設(shè)計,故需了解其主要尺寸的計算。對于活塞缸，缸的直徑是指缸的內(nèi)徑。缸的內(nèi)徑 和活塞桿直徑 可根據(jù)最大總負載和選取的工作壓Dd力來確定。伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計223.3.1 手腕液壓缸尺寸的設(shè)計手指夾緊采用的是單作用活塞缸，根據(jù)其載荷力大小進行液壓缸尺寸設(shè)計。(1) 液壓缸內(nèi)徑及活塞桿外徑的確定圖 3-11 為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態(tài)，圖 3-2 為活塞桿工作在受拉狀態(tài)?；钊麠U受壓時可根據(jù)式（3.15）計算：圖 3-11 活塞桿受壓示意圖（3.1512-WFpA??）活塞桿受拉時可根據(jù)式（3.16）計算：圖 3-12 活塞桿受拉示意圖（3.16）121/-WFpA??式中： ——無桿活塞桿有效作用面積（ ） ；21/4AD?? 2m——有桿活塞桿有效作用面積（ ） ；2(-)d——液壓缸工作腔壓力， 1P8MPa——背壓力，液壓缸回油腔壓力，其值根據(jù)回路的具體情況而定，初算2時可參照表 3-8，此處選取背壓 2=0p——油缸內(nèi)徑（ ） ；Dm——活塞桿直徑（ ） 。d伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計23表 3-8 執(zhí)行元件背壓力 [7]系統(tǒng)類型 背壓力/ MPa簡單系統(tǒng)或節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2～0.5回油路帶調(diào)速閥系統(tǒng) 0.4～0.6回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng) 0.5～1.5用補油泵的閉式回路 0.8～1.5回油路較復雜的工程機械 1.2～3回油路較短，且直接回油箱 可忽略不計對單活塞桿缸，無桿腔 [17]進液體或氣體時，不考慮機械效率，可根據(jù)式(3.17)計算：（3.17）214-()FdpD??有桿腔進液體或氣體時，不考慮機械效率，可根據(jù)式(3.18)計算：（3.18）22114(-)-dp???這時，上面兩式便可簡化，即無桿腔進液體時：14FDp??（3.19）有桿腔進油時：（3.20）214FDdp???若綜合考慮排液對活塞產(chǎn)生的背壓，活塞和活塞桿處密封及導套產(chǎn)生的摩擦力，以及運動件質(zhì)量產(chǎn)生慣性力等的影響，一般取機械效率 ?；钊麠U的桿徑 可根據(jù)0.95cm??d工作壓力選取，見表 3-9。表 3-9 按工作壓力選取 d/D[9]工作壓力/ MPa≤5.0 5.0～7.0 ≥7 伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計24/dD0.5～0.55 0.62～0.70 0.7 當液壓缸的往復速度比有一定要求時，桿徑 可由式(3.21)計算。 d（3.21）-1D??液壓缸的速比 過大會使無桿腔 [7]產(chǎn)生過大的背壓，速度比 過小則活塞桿太細，穩(wěn)? ?定性不好。推薦液壓缸的速度比 如表 3-10 所示。?表 3-10 按速比要求確定 d/D[9]往復速比 ?1.15 1.25 1.33 1.46 1.61 2/dD0.3 0.4 0.5 0.55 0.62 0.71經(jīng)過計算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)徑 ， 活塞桿直徑 。按照=96mD=67.mdGB/T2348-1993[21]標準，圓整其值為 ，活塞桿直徑 。100缸筒是液壓缸中最重要的零件,它承受液體作用的壓力,其臂厚[21] 需進行計算?；?塞桿受軸向壓縮負載時，為避免發(fā)生縱向彎曲，還要進行壓桿穩(wěn)定性驗算。中、高壓缸一般用無縫鋼管作缸筒，大多數(shù)屬薄壁，即 ，其最薄處的壁厚410qv??用材料力學薄壁圓筒下式計算壁厚，即：（3.22）max2pD????式中： ——缸筒內(nèi)最高工作壓力 ；p??MP——缸筒材料的許用應(yīng)力 ，?abpn??（3.23）式中： ——材料的抗拉強度，查文獻 [21] 得 ；b?610MPa——安全系數(shù)，當 時一般取 ；當 時，稱為厚壁筒，高壓缸的n10D??=5nD??缸筒大都屬于此類。計算可得夾緊液壓缸壁厚 =m伸縮臂式上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計253.3.2 手腕俯仰缸的設(shè)計手腕俯仰采用的單作用活塞缸，由工況分析知其載荷力大小。同理，經(jīng)過計算可得伸縮液壓缸的液壓缸內(nèi)徑 ，活塞桿直徑 。按照 GB/T2348-1993[21]標=85mD65.md?準，圓整其值為 ，活塞桿直徑 ，壁厚 。9070=10?3.3.3 手臂伸縮缸的設(shè)計手臂伸縮機構(gòu)采用的雙作用活塞缸，由工況分析知其載荷力大小。同理，經(jīng)過計算可得伸縮液壓缸的液壓缸內(nèi)徑 ，活塞桿直徑 。按照 GB/T2348-=145mD=10.5md1993[21]標準，圓整其值為 ，活塞桿直徑 ，壁厚 。60 36?3.3.4 手臂俯仰缸的設(shè)計手臂俯仰機構(gòu)采用的雙作用活塞缸，由工況分析知其載荷力大小。同理，經(jīng)過計算可得俯仰液壓缸的液壓缸內(nèi)徑 ，活塞桿直徑 。按照 GB/T2348-=10mD=70.md1993[21]標準，圓整其值為 ，活塞桿直徑 ，厚 。28?3.3.5 手臂升降缸的設(shè)計手臂俯仰機構(gòu)采用的雙作用活塞缸，由工況分析知其載荷力大小。同理，經(jīng)過計算可得俯仰液壓缸的液壓缸內(nèi)徑 ，活塞桿直徑 。按照 GB/T2348-=10mD=75.2md1993[21]標準，圓整其值為 ，活塞桿直徑 ，厚 。8?3.4 機身擺動液壓馬達的選擇臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩,應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計算。回轉(zhuǎn)動時,由于起動過程中不是等加速運動,所以最大驅(qū)動力矩比理論上平均值大一些，計算時一般取 1.3 倍。計算時還要考慮液壓馬達的機械效率 ，驅(qū)動m???0.9~力矩按式(3.24)計算：（3.24）1.3()/famTT???手 臂式中： ——摩擦力矩( 包括各支承處的摩擦力矩) （ ） ；fT MA——起動時慣性力矩（ ） ，一般按式(3.25)計算:a MA