機身沿Z軸的升降運動設計【圓柱坐標式機械手】,圓柱坐標式機械手,機身沿Z軸的升降運動設計【圓柱坐標式機械手】,機身,升降,運動,設計,圓柱,坐標,機械手 寧XX大學 課程設計(論文) 機身沿Z軸的升降運動設計 【圓柱坐標式機械手】 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 摘 要 機械手是在在機械化、自動化生產過程中發(fā)展的一種新型裝置,使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置。機械手能代替人類、重復枯燥完成危險工作，提高勞動生產力,減輕人勞動強度。該裝置涵蓋了位置控制技術可編程控制技術、檢測技術等。本課題擬開發(fā)的物料液壓機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數(shù),可代替人工在高溫危險區(qū)進行作業(yè)，。 關鍵詞：機械手, 液壓機械手，抓取圓柱體，提升 31 Abstract The manipulator is a new device developed in the mechanization, automation of production process, a grasping and moving the workpiece function of automation device use. The manipulator can repeat boring to do dangerous work instead of humans,, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device covers the position control technology of programmable control technology, detection technology. The material of hydraulic manipulator this subject to the grasping be up in space objects, flexible, any changes to the relevant parameters according to the change and the movement flow requirements, but instead of manual operation in high risk areas,. Key Words: manipulator, hydraulic manipulator, 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 緒論 1 1.1課題背景及目的 1 1.2 本課題研究的目的和意義 2 1.3 液壓機械手概念 2 1.4 國內液壓機械手的研究 2 第2章 圓柱坐標式液壓機械手設計要求與方案 4 2.1 液壓機械手設計要求 4 2.2 基本設計思路 4 2.2.1 系統(tǒng)分析 4 2.2.2 總體設計框圖 4 2.2.3 液壓機械手的基本參數(shù) 5 2.3 液壓機械手結構設計 5 2.4 機械手材料的選擇 6 2.5機械臂的運動方式 6 2.6 液壓機械手驅動方式的選擇 7 2.7 動作要求分析 7 2.8 液壓機械手結構及驅動系統(tǒng)選型 8 第3章 機械手機械部分的設計計算 9 3.1夾持器要求及選型 9 3.1.1 手部設計計算 9 3.2 Z軸的升降運動設計計算 11 3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力 11 3.2.2 升降液壓缸計算 12 3.2.3 活塞桿的計算校核 14 3.2.4 液壓缸工作行程的確定 15 3.2.5 活塞的設計 16 3.2.6 導向套的設計與計算 16 3.2.7 端蓋和缸底的計算校核 17 3.2.7 缸體長度的確定 17 3.2.8 緩沖裝置的設計 17 3.2.9 液壓缸的選型 18 3.3機身結構的設計校核 19 3.4螺柱的設計與校核 19 3.5機械手的定位及平穩(wěn)性確定 21 3.5.1常用的定位方式 21 3.5.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 21 3.5.3液機械手運動的緩沖裝置 22 第4章 驅動系統(tǒng)設計 24 4.1腕部擺動液回路 24 4.2小臂伸縮缸液回路 25 4.3總體系統(tǒng)圖 26 總結 28 參考文獻 29 致 謝 30 第1章 緒論 1.1課題背景及目的 由于現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，在工業(yè)生產和日常生活中，液壓機械手技術得到了廣泛的應用。智能型液壓機械手的研究是近年來科學家同意致力的方向。式液壓機械手的人體模型，它可以模擬各種人類行為和人類的外部特征。未來的液壓機械手的管家將不是夢想。 根據(jù)不同的液壓機械手的結構，液壓機械手可以分為各種各樣的。輪式移動機械手，履帶式液壓機械手，機械手，行走液壓機械手等。值得一提的是，行走液壓機械手，他是近年來類機的一個重要研究成果。移動它最喜歡的動物甚至人類交談。這是一個非常復雜的自動化程度很高的運動。與傳統(tǒng)的輪式和履帶式液壓機械手相比，對環(huán)境的適應性。在工作空間很小，在崎嶇的道路上，樓梯等。不久的將來，這項技術將被廣泛使用。 在研究中，液壓機械的生產，對液壓機械手設計的計算機模擬中的應用是一個非常重要的過程。包括零件建模，裝配液壓機械手的仿真，與運動仿真。通過仿真，設計師可以觀察各機構的運動非常直觀，知道沒有干擾；可以了解各部件的受力，不同的模擬數(shù)據(jù)。該方法大大降低了開發(fā)時間和成本。 在學校的課程設計是機械設計制造及其自動化專業(yè)學習的最后一個環(huán)節(jié)，學習在大學四年的繼續(xù)深化和檢驗，具有實踐性和綜合性，是不是一個單一的其他替代方案，通過課程設計可以提高綜合能力的培養(yǎng)，是要去上班，提高實際工作能力起著非常重要的作用。為了實現(xiàn)以下目標： （1）的基本理論，基本知識和基本技能的綜合運用，提高分析和解決實際問題的能力。 （2）接受全面的培訓工程師必須，提高實際工作能力。為調查研究，文獻和數(shù)據(jù)收集和分析能力；設計和開發(fā)測試計劃能力；設計，計算和繪圖能力的提高；總結和撰寫論文的能力。 （3）的綜合素質和實踐能力的測試。 1.2 本課題研究的目的和意義 （1）通過對汽車后視鏡數(shù)控磨邊機的設計使我們得到對所學相關課程的綜合訓練； （2）傳統(tǒng)的玻璃手工上料，效率的低下，而且由于毛胚玻璃上有刺很容易刺傷工人需要一種自動的高精度自動傳輸系統(tǒng)。傳統(tǒng)的配料以人為主體，而人的操作總是有失誤的，并不如機器可靠。本設計，玻璃磨邊機自動上料系統(tǒng)效率高，反應快，確保玻璃磨邊機高質量進行工作。 （3）本設計的主要任務是把玻璃切割機生產的毛胚玻璃通過自動送料系統(tǒng)送到磨邊機上，然后在磨邊機上進行磨邊，深加工玻璃。 傳統(tǒng)夾緊機構對加工時的干涉太大，對生產量影響較大，設計一款新的夾緊機構，使得加工時間縮短，加工精度得到保證，生產量得到提高。 1.3 液壓機械手概念 目前，工業(yè)機械手的概念，世界是不統(tǒng)一，分類是不一樣的。國際標準化聯(lián)合國最近采用了美國機械手協(xié)會定義了工業(yè)機械手的組織：工業(yè)機械手是一種可編程的多功能操作裝置，可以改變行動計劃，完成各種工作，主要用于材料處理，工件傳送。 液壓機械手（機械手）是一臺自動執(zhí)行工作。它是一個產品的控制理論，先進的集成機械電子，計算機，材料和仿生。在工業(yè)，醫(yī)學，農業(yè)，建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要的應用。 液壓機械手是一種有代表性的，機械的和電子控制系統(tǒng)，自動化程度高的生產工具，在近50年的發(fā)展。在制造業(yè)中，液壓工業(yè)機械手技術已經(jīng)得到了廣泛的應用。這是一個高的自動化程度，改善勞動條件，保證產品質量和提高工作效率，發(fā)揮了非常重要的作用?？梢哉f，他是現(xiàn)代工業(yè)的技術革命。 執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手，腕，臂，底座，一個主要的運動系統(tǒng)。 主要由液壓機械手執(zhí)行系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。 手抓（或吸附，控股）和松開工件或工具的部分，由手指（或吸收），驅動元件和驅動元件。 1.4 國內液壓機械手的研究 工業(yè)液壓機械手的應用在日本有著悠久的歷史。在七十年代當工業(yè)液壓操縱器，然后經(jīng)過十年的發(fā)展，已在工業(yè)液壓機械手八十年代流行。他們的年工業(yè)產值迅速增加。1980達到一千億日元，1990至六千億日元。在2004達到了一兆和八千五百億日元。這表明工業(yè)液壓機械手在提高生產效率的重要性。 在國際上，各個國家都實現(xiàn)了工業(yè)液壓機械手的重要性。因此，工業(yè)液壓機械手訂單銳減。相比于2003 2002百分之十的增長的訂單。然后工業(yè)液壓機械手的需求量仍在上升。從2001到2006，超過90000的全球經(jīng)濟增長中的訂單。7%的平均年增長率。 國際工業(yè)液壓機械手的發(fā)展方向： 液壓機械手涉及多學科、多領域的知識。包括：計算機，電子，控制，人工智能，傳感器，通信和網(wǎng)絡，控制，機械等。液壓機械手的發(fā)展離不開主題。正是由于各學科整合的相互作用，創(chuàng)建一個自動化程度高，其。隨著科學技術的進步，在液壓機械手的應用范圍越來越廣泛；技術越來越高，功能更強大。它是液壓機械手的研究向小型化發(fā)展。液壓機械手將更多地進入人們的日常生活。總的發(fā)展趨勢是模塊化，標準化，智能化。 廣泛應用于工業(yè)液壓機械手，以提高質量和生產力，產品安全人員安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高生產效率，節(jié)約原材料的消耗，降低了生產成本，具有非常重要的作用。廣泛應用于工業(yè)液壓機械手的以人為本的原則，它的出現(xiàn)使人們的生活更方便、美好。液壓機械手工業(yè)是一個大型高新技術工業(yè)計算機，后車。現(xiàn)代軍事工業(yè)，液壓機械發(fā)展的市場前景是非常好的。從第二十世紀起，液壓機械行業(yè)的穩(wěn)步增長。在第二十世紀九十年代，液壓機械產品的開發(fā)和快速增長，年均增長率超過百分之十。在2004到百分之二十的記錄。亞洲液壓機械手的更多需求，年增長率高達百分之四十三。經(jīng)過40年的發(fā)展，應用工業(yè)液壓機械手的許多領域。生產中使用最廣泛的液壓機械手。如制造焊接，熱處理，表面涂層，加工，裝配，測試和倉庫，毛（沖壓，壓鑄，鍛坯等）等操作，代替人工操作的液壓機械手，極大地提高了生產效率。 第2章 圓柱坐標式液壓機械手設計要求與方案 2.1 液壓機械手設計要求 2.2 基本設計思路 2.2.1 系統(tǒng)分析 該機械手是實現(xiàn)生產過程自動化，提高勞動生產率的有力工具。為了在生產過程實現(xiàn)自動化，機械化，自動化的綜合技術經(jīng)濟分析的需要，從而判斷是否適當?shù)臋C械手。以完成機械手的設計，一般都要先做以下工作： （1）根據(jù)使用場合的機械手機械手的，明確的目標和任務。 （2）機械手的工作環(huán)境分析。 （3）對系統(tǒng)要求的分析，確定了機械手和方案的基本功能，如自由度的數(shù)目，機械手的運動速度，定位準確，抓住重。此外，根據(jù)抓斗液壓質量，形狀，尺寸和批量生產，以確定的形式和機械手的位置和握力的大小。 在這方面，我分析如下： （1）為手材料液壓機械設計問題，機械手是物料輸送機械手。雖然機械手的使用場合，也非常廣泛，涉及到材料的狀態(tài)，環(huán)境因素的作業(yè)線，比我的知識和能力，我選擇了材料液壓機械手的小對象處理非生產線。 （2）由于機械手我選擇的是材料的液壓機械手，小對象處理非生產線。因此，系統(tǒng)的工作環(huán)境下，機械廠，準確度高，故障率低，速度。 2.2.2 總體設計框圖 圖2 總體設計框圖 如圖2為總設計框圖，說明如下： (1) 控制系統(tǒng)：任務是根據(jù)機械手的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來的信號，控制機械手的執(zhí)行機構，使其完成規(guī)定的運動和功能。主要設計目標為CPU的選擇，CPU程序的編寫調試等。 (2) 驅動系統(tǒng)：驅動系統(tǒng)工作的驅動裝置。 (3) 機械系統(tǒng)：包括機身、機械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標形式，并計算得出具體結構。 (4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。 2.2.3 液壓機械手的基本參數(shù) 1. 機械手的最大液壓物料的重量是它的主參數(shù)。 2. 運動速度直接影響機械手的動作快慢和機械手動作的穩(wěn)定性，所以運動速度也是是物料物料液壓機械手的一個主要的基本參數(shù)。設計速度過低的話，會無法滿足機械手的動作功能，限制機械手的使用范圍。設計的速度過高又會加重機械手的負載并影響機械手動作的平穩(wěn)性。 3. 伸縮行程和工作半徑是決定機械手工作范圍及整機尺寸的關鍵，也是機械手設計的基本參數(shù)。 3.定位精度也是機械手的主要基本參數(shù)之一。機械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味著成本的增加。綜合考慮，該物料液壓機械手的定位精度設定定位精度±0.3mm。物料液壓機械手的各個部分的基本參數(shù)可以由上面已經(jīng)知道的物料液壓機械手各關節(jié)的行程和時間分配來決定。 2.3 液壓機械手結構設計 根據(jù)所設計的機械手的運動方式：機械臂的轉動，機械臂的升降。根據(jù)上文所說的，機械手按照坐標的分類情況，選擇圓柱坐標式機械手更為妥當。 2.4 機械手材料的選擇 機械手的材料應根據(jù)手臂的工作條件，滿足機械手的設計和制造要求。從設計思想，機械臂完成各種運動。因此，對材料的要求是為移動部件，它應該是輕質材料。另一方面，手臂振動經(jīng)常的運動過程中，這將大大減少它的運動精度。所以在材料的選擇上，綜合考慮的質量，剛度，阻尼的需要，從而有效地提高了機械臂的動力學性能。此外，機械手選材料和不同材料的一般結構。機械手是一種伺服機構，受控制，必須考慮其可控性。在臂的材料選擇，可控性和可加工性的材料，結構，質量性能的考慮。 總之，選擇一個機械臂的材料，應考慮強度，剛度，重量輕，彈性，耐沖擊，外觀和價格等因素。這里有幾個機械手使用的材料： （L）的高強度鋼，碳素結構鋼和合金結構鋼：這類材料的強度，特別是合金結構鋼的強度增加了4 ~ 5倍，彈性模量，抗變形能力，是最廣泛使用的材料； （2）鋁，鋁合金等輕合金材料的共同特點是重量輕，彈性模量E的小，但材料的密度小，與E／P比值還與鋼相比； （3）陶瓷：陶瓷材料具有良好的質量，但易碎，但處理不好，接頭需要特殊的設計與金屬零件。然而，日本已開發(fā)ARM陶瓷機械手用于高速機械手的樣品； 從機械手設計的角度來看，不需要負載能力在材料的選擇，也不需要高彈性模量和抗變形能力，除了要考慮到材料成本，加工和其他因素。在各種因素的措施，結合鋁合金的初步選擇的工作條件，如機械臂組件。 2.5機械臂的運動方式 機械手的運動形式有五種常見的SCARA型，直角坐標式極坐標型，聯(lián)合型和圓柱坐標。根據(jù)運動形式的選擇主要運動參數(shù)為基礎的結構設計。一種運動形式以滿足不同生產工藝的需要，可以采用不同的結構。選擇表格的具體位置，必須根據(jù)操作要求，工作地點，和液壓工作中心線方向的變化，比較和選擇。 這種機械手的定位2個肩關節(jié)和肘關節(jié)的1，2或3手腕方向。其中，繞垂直軸肩，另一個肩斜度。肩關節(jié)的兩個正交軸。平行于第二軸肩關節(jié)，考慮到機械手的工作特點，這就要求動作靈活，具有較大的工作空間，結構緊湊，占用空間小，關節(jié)式機械手的選擇。如圖所示。這種配置，動作靈活，工作空間大，干涉儀的最小空間機械臂操作，結構緊湊，占地面積小，關節(jié)相對運動部位易密封與防塵。但這種機械手運動學逆解比較復雜，難以確定的端元；態(tài)度不夠直觀，并在控制，計算量比較大。 圖3 常見的運動方式 2.6 液壓機械手驅動方式的選擇 機械手使用的驅動方式主要有液壓驅動，液壓驅動和電機驅動的四種基本形式。 但是，與液壓傳動相比，低功耗，能源，液壓傳動結構相對簡單的速度不易控制，精度不高。 油馬達驅動能量是簡單，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速變化的機制，高效，靈活的控制。 液壓驅動的特點是功率大，結構簡單，省去了減速裝置，響應速度快，精度高。但需要有液壓源，但也容易漏液。 首先，我會選擇驅動電機，但考慮到純機械結構的機械手的運動并不能達到理想的傳播效果。如果你使用液壓或液壓傳動機械臂的旋轉，必須與回轉液壓或旋轉液壓缸，結構比較復雜，不利于設計。 改進后的方案，將驅動方式分為兩個部分。其機械臂伸縮，升降機械手抓抓，采用液壓驅動方式。 2.7 動作要求分析 動作一：送 料 動作二：預夾緊 動作三：手臂上升 動作四：手臂旋轉 動作五：小臂伸長 動作六：手腕旋轉 預夾緊 手臂上升 手臂旋轉 手臂伸長 手臂轉回 手腕旋轉 圖2.2 液壓機械手動作簡易圖 2.8 液壓機械手結構及驅動系統(tǒng)選型 本課題所設計的液壓機械手為通用型的液壓機械手，其中坐標系為圓柱坐標系結構。驅動系統(tǒng)選用油馬達驅動和液壓驅動，油馬達驅動用于機座的旋轉和手臂的上下移動，液壓驅動用于手臂的伸縮和液壓機械手的夾取和翻轉[3]。 第3章 機械手機械部分的設計計算 3.1夾持器要求及選型 （1）不論是夾持或是吸附，末端執(zhí)行器需具有滿足作業(yè)要求的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度。 （2）應盡可能使末端執(zhí)行器結構簡單，緊湊、重量輕，以減輕手臂的負荷。專用的末端執(zhí)行器機構簡單，工作效率高，而能完成多種作業(yè)的萬能末端執(zhí)行器可能具有結構復雜、費用昂貴的缺點，因此提倡設計可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行 3.1.1 手部設計計算 (1)對手部設計的要求 (a)有適當?shù)膴A緊力 手部在工作時，應具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。 (b)有足夠的開閉范圍 夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好，如圖3.1所示。 (c) 力求結構簡單，重量輕，體積小 手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個機械手機構的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。 (d) 手指應有一定的強度和剛度 (e)其它要求： 因此送料，夾緊機械手機構，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。 (2)拉緊裝置[4] 如圖3.2所示：油缸右腔停止進油時，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進油時松開工件。 圖3.2示意圖 (a) 右腔推力為 設定活塞的直徑D=50mm,系統(tǒng)壓力P=1Mpa （3.1） =196.25N (b)根據(jù)鉗爪夾持的方位，查出當量夾緊力計算公式為： （3.3） 其中 N′=898N=784N，帶入公式2.2得： =(2150/50)（cos30o）2784 =3528N 則實際加緊力為 F1實際=PK1K2/η （3.3） 經(jīng)圓整F1=3500N 由公式得： a=50.5 mm b=72 mm (c)計算手部活塞桿行程長L,即 （3.4） =25×tg30o =23.1mm 經(jīng)圓整取l=25mm (d)確定“V”型鉗爪的L、β[3]。 取L/Rcp=3 （3.5） 式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3.6） 由公式（3.5）（3.6）得：L=3×Rcp=150 取“V”型鉗口的夾角2α=120o，則偏轉角β按最佳偏轉角來確定， 查表得： β=22o39′ 3.2Z軸的升降運動設計計算 3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力 表3-1 按負載選擇工作壓力[1] 負載/ KN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 工作壓力/MPa < 0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 ≥5 表3-2 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力[1] 機械類型 機 床 農業(yè)機械 小型工程機械 建筑機械 液鑿巖機 液機 大中型挖掘機 重型機械 起重運輸機械 磨床 組合 機床 龍門 刨床 拉床 工作壓力/MPa 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32 由表2-1和表2-2可知，初選液壓缸的設計壓力P1=1MPa 3.2.2 升降液壓缸計算 為了滿足速度相等，并減小液壓泵的流量，則液壓缸無桿腔與有桿腔的等效面積A1與A2應滿足A1=2A2（即液壓缸內徑D和活塞桿直徑d應滿足：d=0.707D。為防止切削后工件突然前沖，液壓缸需保持一定的回油背壓，并取液壓缸機械效率。則液壓缸上的平衡方程 故液壓缸無桿腔的有效面積： 液壓缸直徑 表1 液壓缸內徑系列GB/T2348-1980mm 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 500 按GB/T2348-1980，取標準值D=63mm；本來可以取50的，考慮不可預測的超載等因素，故在這取的略微大一些。 查《液傳動與控制手冊》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。 因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.5D=31.5mm 取d=32（標準直徑） 表2 活塞桿直徑系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 (1) 液壓缸缸體厚度計算 缸體是液壓缸中最重要的零件，當液壓缸的工作壓力較高和缸體內經(jīng)較大時，必須進行強度校核。缸體的常用材料為20、25、35、45號鋼的無縫鋼管。在這幾種材料中45號鋼的性能最為優(yōu)良，所以這里選用45號鋼作為缸體的材料。 式中，——實驗壓力，MPa。當液壓缸額定壓力Pn5.1 MPa時，Py=1.5Pn，當Pn16MPa時，Py=1.25Pn。 []——缸筒材料許用應力，N/mm。[]=，為材料的抗拉強度。 注：1.額定壓力Pn 額定壓力又稱公稱壓力即系統(tǒng)壓力，Pn=10MPa 2.最高允許壓力Pmax Pmax1.5Pn=1.2510=12.5MPa 液壓缸缸筒材料采用45鋼，則抗拉強度：σb=600MPa 安全系數(shù)n按《液傳動與控制手冊》P243表2—10，取n=5。 則許用應力[]==120MPa = =5.5mm ,滿足。所以液壓缸厚度取10mm。 則液壓缸缸體外徑為83mm。 3.缸筒結構設計 缸筒兩端分別與缸蓋和缸底鏈接，構成密封的壓力腔，因而它的結構形式往往和缸蓋及缸底密切相關[6]。因此，在設計缸筒結構時，應根據(jù)實際情況，選用結構便于裝配、拆卸和維修的鏈接形式，缸筒內外徑應根據(jù)標準進行圓整。 3.2.3 活塞桿的計算校核 活塞桿是液壓缸傳遞力的主要零件，它主要承受拉力、壓力、彎曲力及振動沖擊等多種作用，必須有足夠的強度和剛度。其材料取Q235鋼。 活塞桿直徑的計算[1] 查《液傳動與控制手冊》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。 因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.707D=88.375mm按GB/T2348—1993將所計算的d值圓整到標準直徑，以便采用標準的密封裝置。圓整后得： 取d=90（標準直徑） 表2 活塞桿直徑系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 按最低工進速度驗算液壓缸尺寸，查產品樣本，調速閥最小穩(wěn)定流量，因工進速度 為最小速度，則由式 （4-3） 本例=122.65625>1.25，滿足最低速度的要求。 2.活塞桿強度計算： <90mm （4-4） 式中 ————許用應力；（Q235鋼的抗拉強度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即活塞桿的強度適中） 3．活塞桿的結構設計 活塞桿的外端頭部與負載的拖動油馬達機構相連接，為了避免活塞桿在工作生產中偏心負載力，適應液壓缸的安裝要求，提高其作用效率，應根據(jù)負載的具體情況，選擇適當?shù)幕钊麠U端部結構。 4.活塞桿的密封與防塵 活塞桿的密封形式有Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。采用薄鋼片組合防塵圈時，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。為方便設計和維護，本方案選擇O型密封圈。 3.2.4 液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程長度可以根據(jù)執(zhí)行機構實際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標準值。液壓缸活塞行程參數(shù)優(yōu)先次序按表4-4中的a、b、c選用。 表4-4（a）液壓缸行程系列（GB 2349-80）[6] 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 表4-4（b） 液壓缸行程系列（GB 2349-80）[6] 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 表4-4（c） 液壓缸形成系列（GB 2349-80）[6] 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3400 3800 根據(jù)設計要求知快速接近工件，行程根據(jù)任務書要求，根據(jù)表3-8，可選取垂直方向液壓缸的工作行程為900mm，可選取水平方向液壓缸的工作行程為1000mm。 3.2.5 活塞的設計 由于活塞在液力的作用下沿缸筒往復滑動，因此，它與缸筒的配合應適當，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動壓力增大，降低機械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的配合表面；間隙過大，會引起液壓缸內部泄露，降低容積效率，使液壓缸達不到要求的設計性能。考慮選用O型密封圈。 3.2.6 導向套的設計與計算 1.最小導向長度H的確定 當活塞桿全部伸出時，從活塞支承面中點到到導向套滑動面中點的距離稱為最小導向長度[1]。影響液壓缸工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設計時必須保證液壓缸有一定的最小導向長度。根據(jù)經(jīng)驗,當液壓缸最大行程為L,缸筒直徑為D時,最小導向長度為: （4-5） 一般導向套滑動面的長度A，在缸徑小于80mm時取A=(0.6~1.0)D，當缸徑大于80mm時取A=(0.6~1.0)d.。活塞寬度B取B=(0.6~1.0)D。若導向長度H不夠時,可在活塞桿上增加一個導向套K(見圖4-1)來增加H值。隔套K的寬度。 圖4-1 液壓缸最小導向長度[1] 因此:最小導向長度，取H=9cm； 導向套滑動面長度A= 活塞寬度B= 2.導向套的結構 導向套有普通導向套、易拆導向套、球面導向套和靜壓導向套等，可按工作情況適當選擇。 3.2.7 端蓋和缸底的計算校核 在單活塞液壓缸中，有活塞桿通過的端蓋叫端蓋，無活塞桿通過的缸蓋叫缸頭或缸底。端蓋、缸底與缸筒構成密封的壓力容腔，它不僅要有足夠的強度以承受液力，而且必須具有一定的連接強度。端蓋上有活塞桿導向孔（或裝導向套的孔）及防塵圈、密封圈槽，還有連接螺釘孔，受力情況比較復雜，設計的不好容易損壞。 1.端蓋的設計計算 端蓋厚h為： 式中 D1——螺釘孔分布直徑，cm； P——壓力，； ——密封環(huán)形端面平均直徑，cm； ——材料的許用應力，。 2.缸底的設計 缸底分平底缸，橢圓缸底，半球形缸底。 3.2.7 缸體長度的確定 液壓缸缸體內部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還需要考慮到兩端端蓋的厚度[1]。一般液壓缸缸體長度不應大于缸體內經(jīng)的20~30倍。取系數(shù)為5,則液壓缸缸體長度：L=5*10cm=50cm。 3.2.8 緩沖裝置的設計 液壓缸的活塞桿（或柱塞桿）具有一定的質量，在液力的驅動下運動時具有很大的動量。在它們的行程終端，當桿頭進入液壓缸的端蓋和缸底部分時，會引起機械碰撞，產生很大的沖擊和噪聲。采用緩沖裝置，就是為了避免這種機械撞擊，但沖擊壓力仍然存在，大約是額定工作壓力的兩倍，這就必然會嚴重影響液壓缸和整個液系統(tǒng)的強度及正常工作。緩沖裝置可以防止和減少液壓缸活塞及活塞桿等運動部件在運動時對缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實現(xiàn)速度的遞減，直至為零。 當液壓缸中活塞活塞運動速度在6m/min以下時，一般不設緩沖裝置，而運動速度在12m/min以上時，不需設置緩沖裝置。在該組合機床液系統(tǒng)中，動力滑臺的最大速度為4m/min,因此沒有必要設計緩沖裝置。 3.2.9 液壓缸的選型 經(jīng)過比較，參考市場上的液壓缸類型，選擇一種可靠優(yōu)質的液壓缸產品的生產商—速易可（上海）有限公司http://www.tonab.net/about_us.asp。 速易可液動（上海）有限公司成立于2004年，從事于空油壓零組件和設備研 究、生產、銷售的自動化廠商，產品以『TONAB』品牌營銷國內外市場，產品主要有空液凈化組件、液動控制組件、液動執(zhí)行組件、輔助組件、空油壓設備，產 品廣泛應用于醫(yī)療器械、工業(yè)機械手、食品包裝機械、紡織機械、半導體設備、軌道交通、煙草機械、機床自動控制、真空搬運、汽車制造、教學培訓等行業(yè)。 速易可目前主要產品有：無桿液壓缸、滑臺液壓缸、止動液壓缸、回轉液壓缸、機械夾、回轉夾緊液（油）壓缸、導桿液壓缸、帶鎖液壓缸、雙軸缸、標準型液壓缸、控制閥、空液控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關液動輔助零組件。 根據(jù)上節(jié)計算，在這選擇YAM63. 3.3機身結構的設計校核 臂部和機身的配置形式基本上反映了液機械手的總體布局。本課題液機械手的機身設計成機座式，這樣液機械手可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉型液機械手。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋轉，從而達到了自由度的要求[7-9]。 3.4螺柱的設計與校核 螺桿是液機械手的主支承件，并傳動使手臂上下運動。 螺桿的材料選擇： 從經(jīng)濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。 螺距 P =6mm 梯形螺紋 螺紋的工作高度 h =0.5P （3.17） =3mm 螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （3.18） 螺桿強度〖11〗 （3.19） =30～50Mpa 螺紋牙剪切 =40 彎曲=45～55 (1)當量應力 (3.20) 式中 T——傳遞轉矩N·mm [σ]——螺桿材料的許用應力 所以代入公式（3.20）得： 6225025d12+11236≤900d16×1012 6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012 即16471pa＜535340pa 合格 (2)剪切強度 （旋合圈數(shù)） （3.21） （3.22） =206.8×103pa =0.206Mpa＜[τ]=40Mpa (3)彎曲強度 =0.48Mpa＜[σ]=45Mpa 合格 3.5機械手的定位及平穩(wěn)性確定 3.5.1常用的定位方式 機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊。當液機械手經(jīng)減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。 若定位前已減速，定位時驅動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復精度。一般可高于±0.5mm，若定位時關閉驅動油路而去掉工作壓力，這時液機械手可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低[12]。 3.5.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 液機械手能否準確地工作，實際上是一個三維空間的定位問題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。影響單個線量或角量定位誤差的因素如下： (1)定位方式 不同的定位方式影響因素不同。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關。 (2)定位速度 定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅動系統(tǒng)使運動部件適時減速。 (3)精度 液機械手的制造精度和安裝調速精度對定位精度有直接影響。 (4)剛度 液機械手本身的結構剛度和接觸剛度低時，因易產生振動，定位精度一般較低。 (5)運動件的重量 運動件的重量包括液機械手本身的重量和被抓物的重量。 運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。因此，設計時不僅要減小運動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。 (6)驅動源 液的壓力波動及電壓、油溫的波動都會影響液機械手的重復定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調節(jié)液措施。 (7)控制系統(tǒng) 開關控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關[13]。 本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位。 3.5.3液機械手運動的緩沖裝置 緩沖裝置分為內緩沖和外緩沖兩種形式。內緩沖形式有液壓缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。外緩沖形式有彈性機械元件和液緩沖器。內緩沖的優(yōu)點是結構簡單，緊湊。但有時安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點是安置位置靈活，簡便，緩沖性能好調等，但結構較龐大。 本課題所采用的緩沖裝置為液壓缸端部緩沖裝置。 當活塞運動到距液壓缸端蓋某一距離時能在活塞與端蓋之間形成一個緩沖室。利用節(jié)流的原理使緩沖室產生臨時背壓阻力，以使運動減速直至停止，而避免硬性沖擊的裝置，稱為液壓缸端部緩沖裝置[12-15]。 在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱為恒節(jié)流式液壓缸端部緩沖裝置。 設計液壓缸端部恒節(jié)流緩沖裝置時，（最大加速度）、（緩沖腔最大沖擊壓力）和（殘余速度）三個參數(shù)是受工作條件限制的。通常采用的辦法是先選定其中一個參數(shù)，然后校驗其余兩個參數(shù)。步驟如下： (1)選擇最大加速度 通常，amax值按液機械手類型和結構特點選取，同時要考慮速度與載荷大小。對于重載低速液機械手，- 取5m/s2以下，對于輕載高速液機械手，-取5～10 m/s2 (2)計算沿運動方向作用在活塞上的外力F 水平運動時： （3.23） =0.25×103×π×3.62-7 =138N (3)計算殘余速度Vr （3.24） m/s 第4章 驅動系統(tǒng)設計 自動送料機構的一種主要的控制形式。自動送料機構的運動速度和操作室根據(jù)液體的流量與壓力來確定，因而只要控制液的流量和壓力，就可以控制自動送料機構的運動速度和操作力，液壓力一般在5—140公斤/厘米范圍內，最大臂力可達160公斤以上。 主要優(yōu)點： (1)液執(zhí)行元件(馬達和液壓缸)結構緊湊，重量輕，功率小。 (2)可通過空液帶走大量熱能，保證機械的正常運行。 (3)液元件有直線位移式和旋轉式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過閥和泵的調節(jié)就能實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。 (4)響應速度比較快，能高速啟動，制動和反向，無后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強。 (5)液元件于其他驅動元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動等。 缺點:控制系統(tǒng)比較復雜，處理功率訊號的數(shù)學運算誤差，檢測，放大，測試和補償功能不如電子，機電裝置靈活簡便[4-6]。 4.1腕部擺動液回路 圖 4.1腕部擺動液回路 (1)腕部擺動缸液原理圖如圖4.6所示 (2)工作壓力: P=1Mpa 流量: Q=35ml/s 選取采用: 2FRM5-20/102調速閥 34E1-10B 換向閥 4.2小臂伸縮缸液回路 圖 4.2小臂伸縮缸液回路 (1)小臂伸縮缸液原理圖如圖4.2所示 (2)工作壓力: P =0.25Mpa 流量: Q =1000ml/s 選取采用： 2FRM5-20/102 調速閥 23E1-10B二位三通閥 4.3總體系統(tǒng)圖 圖 4.8 總體系統(tǒng)圖 (1)總體系統(tǒng)圖如圖4.8所示, (2)工作過程: 小臂伸長→手部抓緊→腕部回轉→小臂回轉→小臂收縮→手部放松 (3)電磁鐵動作順序表: 表4.2總體系統(tǒng)圖 元件 動作 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 小臂伸長 手部抓緊 腕部回轉 小臂收縮 手部放松 卸荷 - - - - - + + + + - - ± + - - - + ± - - + - - ± - - - - - ± (4)確電機規(guī)格： 液壓泵選取CB-D型液壓泵，額定壓力P =1Mpa，工作流量在32～70ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵， 因此：傳動功率 （4.15） 式中：η=0.8 （經(jīng)驗值） 所以代入公式（4.15）得： =16.7KN 總結 課程設計轉眼間就到了掃尾階段，在這幾個月的設計學習過程中，我取得了長足的進步。 在這次課程設計中，我收獲了很多，首先，對知識有了更深的了解，幾年的知識做了系統(tǒng)的回顧，圖書館使用培養(yǎng)獨立分析的知識，我學會了如何更好的利用網(wǎng)絡尋找信息解決問題的能力，以及信息使用，但也使我學會如何與同學討論問題。這是我未來的工作有很大的幫助， 我將繼續(xù)在未來的工作中，努力提高自己的水平。通過這次設計，我真的感到棘手的優(yōu)秀設計人員。在設計過程中，但在老師的幫助和自己的努力，終于使我成功地完成了設計。我經(jīng)常沒有足夠的知識來設計經(jīng)驗，有不足。這些問題有時會讓我無奈。雖然我的設計存在諸多不足，鍛煉自己分析問題，解決一般問題的能力，我希望通過這次課程設計，未來將從事的訓練，為將來的工作打好基礎，課程設計仿真。寫這個，對我的論文代表將接近結束。是四年的課程設計最后的大學課程，這將是教師和學生的復習，是否做的好的和壞的，這個過程也有經(jīng)驗。首先要感謝所有老師的標記，我真誠地接受您的指導，并希望得到你對我的努力。當我們不了解，你不會做，老師給了我們知識的補充；很明顯，我們更像是一個知識進入狀態(tài)，設計，工藝和畢業(yè)更注重的是自我鍛煉。我想如果大學四年沒有打下了堅實的基礎的課程設計，我們可能要完成課程設計變得非常困難。所有的老師，所以我在大學四年把我的課程設計，真誠的道聲謝謝！ 課程設計，歷時半年多，我閱讀了大量的文獻，查閱相關書籍很多；從沒有線索來尋找靈感，從不知如何開始大膽的嘗試，從教師向他們自己的獨立思考，終于完成了本課題的設計。我除了自己的努力工作的完成，也受到老師的細心指導，劉國光的老師總是在關鍵時刻，并及時督促我們的工作，嚴格要求我們，我們仔細檢查每個階段的任務；我要真誠的感謝給我的老師。 參考文獻 參考文獻 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Tsuzuki Journal of Materials Science 1999,p12-p44 [18] Xie,F；Tsutsui,JM ；Gao,L ；Zucker,IH ；Porter,TR Ultrasound in Medicine and Biology 2007,p55-p67 致 謝 本論文是在導師的悉心指導下完成的，我的課程設計的課題是液壓機械手的設計，這是一個我以前所沒有接觸的。我對它來說完全是一個陌生者，經(jīng)過指導老師的幫助和對參考資料的拜讀，我已經(jīng)對液壓機械手有了一定的了解。感謝老師對我的指導，使我課程設計順利完成。真誠感謝老師對我的課程設計的指導，以及感謝學院為我們提供的便利條件，使我們的課程設計如期完成。 課程設計是將大學所學的知識融合在一起，綜合運用所有的相關專業(yè)知識，是課本知識在實際中的應用。通過這次課程設計，使我的專業(yè)知識在原有的基礎上得到更加的鞏固和提高，這離不開老師和同學們的幫助。本設計分析是在老師的指導下完成的，在分析的過程中，尹長城老師給了我很大的鼓勵，在設計分析中引導我去思考了更多的設計思路，增強了我的學習能力，與我們一起討論問題，使我對分析有了更清晰明確的認識，使我受益非淺。 課程設計是我們專業(yè)知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會、從事職業(yè)工作前一個必不可少的過程?！扒Ю镏惺加谧阆隆保ㄟ^這次課程設計，我深深體會到這句千古言的真正含義。我今天認真地進行課程設計，學會腳踏實地地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎。 說實話，課程設計真是有點累。然而一著手清理自己的設計結果，仔細回味課程設計的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使我倦意頓消。雖然這是我剛學會走完的第一部，是我人生中的一點小小的勝利，然而它令我感到自己成熟了許多。 通過課程設計，使我深深體會到，干任何事都必須耐心、細致。課程設計過程中，許多計算有時不免令我感到有些心煩意亂；有時應為不小心計算出錯，只能毫不留情地重做。但一想起老師平時多耐心的教導，想到今后自己應當承擔的社會責任，想到世界上因為某些細小失誤而出現(xiàn)的令世人無比震驚的事故，我不禁時刻提醒自己，一定要養(yǎng)成一種高度負責、一絲不茍的良好習慣。 經(jīng)歷了課程設計，使我我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識是真正的貧乏，自己綜合運用所學專業(yè)知識的能力是如此的不足，幾年來學習了那么多的課程，今天才知道自己并不會用。想到這里，我真的有點心急了。 由于畢業(yè)時間的倉促，很多本來應該弄懂弄透的地方都沒有時間去細細追究來源，比如網(wǎng)格劃分的控制、坐標系的理解、求解器的選擇等，這使我明白了大學里學的只是一個大體上的方向，離實際應用還有太遠的距離。但我相信方向才是最重要的，因為方向確定了，就會用最少的精力做好事情，這對于我以后的工作至關重要。因為在實際生產生活中，要從事的工種是千差萬別的，只有從中找到自己最拿手，最有發(fā)展前途的崗位，個人才有更多的熱情，也最可能在自己的崗位做出一些貢獻。