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1、齿轮搬运液压机械手及控制系统设计摘要随着工业自动化的发展，对齿轮搬运机械手的精准度和专业化有了越来越高的要求，因此针对单个生产步骤的齿轮搬运机械手进行专门化的设计也成为重要的研究方向之一。为提高齿轮搬运机械手的自动化程度和工作效率，本文针对齿轮搬运机械手的结构、驱动方式和控制系统进行了研究。首先，阐述了课题的研究背景，介绍了齿轮搬运机械手在结构方面和驱动方式的研究现状，分析了生产中齿轮搬运机械手的发展趋势，简述了本文的设计对象和设计要求。其次，通过对整体机构的分析，选取适合的手部、腕部、臂部和机身结构，并对手部、腕部、臂部及机身进行受力分析，设计和计算其具体尺寸，使用Solidworks软件建
2、立三维模型。然后，对各个油缸的尺寸进行设计，选取合适的型号，并根据油缸的设计参数计算油缸工况，根据工况对液压元件进行选择和计算，设计整体液压系统图，利用CAD绘图软件绘制完整的液压系统图，并制定液压系统工艺循环动作顺序，使机械臂可以精准的对工件完成指定的动作流程。最后，基于三菱FX2N-48MR控制器设计完成了PLC控制系统图，根据机械臂的指定动作设计完整的动作顺序，利用CAD绘图软件完成各器件和PLC的连线图以及各部分梯形图。关键词：机械手；齿轮搬运；液压系统；PLC控制ABSTRACTWiththedevelopmentofindustrialautomation,theprecision
3、andspecializationofgearhandlingmanipulatorsareincreasinglyrequired.Therefore,thespecializeddesignofgearhandlingmanipulatorsforasingleproductionstephasbecomeoneoftheimportantresearchdirections.Inordertoimprovetheautomationdegreeandworkingefficiencyofthegearhandlingmanipulator,thestructure,drivingmode
4、andcontrolsystemofthegearhandlingmanipulatorarestudiedinthispaper.Firstly,theresearchbackgroundofthesubjectisdescribed,theresearchstatusofgearhandlingmanipulatorinstructureanddrivingmodeisintroduced,thedevelopmenttrendofgearhandlingmanipulatorinproductionisanalyzed,andthedesignobjectanddesignrequire
5、mentsofthisarticlearebrieflydescribed.Secondly,throughtheanalysisofthewholemechanism,theappropriatehand,wrist,armandfuselagestructuresareselected,andtheforceonthehand,wrist,armandfuselageisanalyzed,thespecificdimensionsaredesignedandcalculated,andthethree-dimensionalmodelisestablishedbySolidworkssof
6、tware.Then,thesizeofeachcylinderisdesigned,theappropriatemodelisselected,theworkingconditionofthecylinderiscalculatedaccordingtothedesignparametersofthecylinder,thehydrauliccomponentsareselectedandcalculatedaccordingtotheworkingcondition,theoverallhydraulicsystemdiagramisdesigned,thecompletehydrauli
7、csystemdiagramisdrawnbyusingCADdrawingsoftware,andtheprocesscycleactionsequenceofthehydraulicsystemisformulated,sothatthemechanicalarmcanaccuratelycompletethespecifiedactionflowfortheworkpiece.Finally,basedonMitsubishiFX2N-48MRcontroller,thePLCcontrolsystemdiagramisdesigned,thecompleteactionsequence
8、isdesignedaccordingtothedesignatedactionofthemechanicalarm,andCADdrawingsoftwareisusedtocompletetheconnectiondiagramofeachdeviceandPLCandladderdiagramofeachpart.Keywords:Manipulator；Geartransport;Hydraulicdrive;PLCcontrol第I章绪论1 齿轮搬运机械手的研究背景及意义1 齿轮搬运机械手的研究现状2 齿轮搬运机械手结构的研究现状2 齿轮搬运机械手驱动方式的研究现状4 齿轮搬运机械手
9、的发展趋势5 课题研究及内容6 本章小结7第2章机械手的结构设计95.1 手部结构的设计9 手部结构的选取9 手部结构的受力计算105.2 腕部结构的设计12 腕部结构的选取12 腕部回转力矩计算125.3 臂部结构的设计155.4 机身结构的设计16 机身升降结构设计16 机身回转结构设计185.5底座及整体平衡性设计195.6本章小结21第3章液压传动系统设计234.1 液压系统油缸设计23(1) 伸缩油缸的设计与计算23(2) 做升降运动的油缸驱动力25(3) 回转油缸内径D的计算25(4) 2液压系统油缸工况计算304.3液压系统的设计334.4液压元件的选择和计算354. 5本章小结
10、38第4章电气控制系统设计394.3 PLC的组成和分析394.4 PLC的选型404.5 PLC控制系统设计404.6 6本章小结46第5章总结与展望475. 1总结475. 2展望47参考文献49致谢51附录53第1章绪论齿轮搬运机械手的研究背景及意义近年来，随着工业化的快速发展，机械手的应用也越来越广泛。机械手结合了机械电子技术、自动化控制技术、信息感应技术，近年来人工智能的高速发展，也为机械手领域的进步提供更大的空间。机械手不仅是现今工业生产中重要的现代化设备，更是机械领域一直以来热门的研究课题。齿轮搬运机械手的需求也日益增加，大型机械上的齿轮安装、车间的齿轮工件搬运以及一些机密仪器上
11、的齿轮的精准安装，由于重量大、安装精度要求高、易损坏等特点，需要在工作时用到辅助机械手或者全自动机械手进行装配，由于齿轮工件大多尺寸固定并且产品单一，在装配时大多采用专用机械手，针对单一或者一定尺寸范围的齿轮工件。随着越来越快的工业化进程，对于齿轮搬运机械手的精准性和专业性也有着更高的要求，则对控制系统以及驱动系统的要求也越来越高。由于工业化的高速发展，工作的劳动强度与产品的质量要求越来越高，随之也产生了以下的一些问题：(1)工作环境较差，加工时产生的噪音较大，可吸入颗粒物较多，对人体的伤害大，在某些特定环境中容易出现危险威胁人身安全，例如矿洞作业会出现塌方，爆破巨石时容易出现误伤；(2)工件
12、体积大以及重量大，人工搬运无法实现；(3)在工厂生产线中，机床加工的危险性较大，车间安全隐患较多，工人安全难以保证；(4)工件的艺要求越来越高，纯手动或半自动的设备无法保证工件要求的平整度以及批量生产的工件稳定性。以上问题都表明研究更高的自动化程度的机械手时非常必要的，所以加强驱动系统的精准控制程度以及机械手控制的自动化程度是非常重要的研究方向，为了提高机械手的专业化程度，可以针对单一工件的某一个操作动作专门设计特定作用的机械手，多个机械手组合完成整条流水线的装配工作。基于以上情况，本课题针对齿轮工件的装配中的装配环节设计了专业型的机械手，设计配套的驱动系统，结合电气控制系统设计PLC控制程序
13、，精准的完成齿轮搬运的完整动作。此方法也适用于其他抓取型的齿轮搬运机械手的设计完善。齿轮搬运机械手的研究现状我国现在的搬运机械手研究方向主要为人工智能化机械手的研发、模块化以及可重构性、基于PC机的开放型控制器研究、多传感器信息融合与配置技术。国外的机械手研发比较领先，实力雄厚，欧美国家以及日本的机械手产品水平也被全球作为一种标准。现今国外的机械手研究方向主要为利用有限元分析、模态分析以及仿真对机械手进行优化；将并联机构与机械手进行结合，实现高精度控制和加工处理，日本FANUC公司以及法国COMAU公司已经完成了相关技术的产品开发；利用多传感器检测位置信息完成机械手的装配工作，提高工作精度和工
14、作效率，瑞典ABB公司和德国REIS公司也已推出相关产品；完成控制系统和计算机网络化的配套连接，研发标准化机械设备；应用微电子技术和和集成电路提高稳定性与运作速度。回齿轮搬运机械手结构的研究现状在结构方面，主要以手部以及机身主体的结构形状为主要研究方向。手部结构安装于机械手的手臂末端，是直接作用于工件的装置，手部结构在对整体的机械手运动学性能以及尺寸设计又有着关键作用。询现在的机械手手部结构大致分为三类:机械手部、特殊手部、通用手部。机械手部为利用开闭式的机械结构，来对工件进行抓取。这种结构多为按齿轮抓取部位形状形成凹陷或V型槽，如图1-1所示，或者类似于三爪卡盘的结构，以及使用连杆使手指两端
15、进行相对运动完成对工件的夹取的结构。此类结构的优点是结构简单、工作效率高、对于工件的抓取稳定性较好，缺点是作用对象较为单一具有局限性。回华侨大学的黄诗展、葛文鹏设计的机械手手爪采用了用V型块对工件进行抓取定位的结构。日本FUJI公司则设计了一款连杆带动手指开闭的机械手手部进行对工件的码放抓取。特殊手部常见的有两种：气吸式、磁吸式，气吸式即为在手部形成真空或者负压状态再进行对工件的抓取吸附，优点是吸附可靠、吸附力较大、结构简单、成本较低。磁吸式手部结构即利用电磁吸盘的磁性对工件进行抓取，优点为不需要制造真空环境，缺点在于只能作用于有磁性的工件。23图17机械手部通用手部为近似人体手部形状的结构，
16、一般有2-5个手指，利用手指间的协调性，实现多自由度的抓取运动，可完成较高难度的动作要求。优点是抓取性能好、运动性能高，其缺点是对手部设计中结构的力学关系、控制系统、稳定关系等要求较高。如美国波士顿公司研发的AtlaS机器人，手部有跟人体一致的结构，可完成抓取杯子，提取重物的动作。本课题是针对单一齿轮工件的抓取研究，所以选择机械手部结构进行设计研究。在机身主体结构方面可从坐标形式进行分类，可分为直角坐标形式、圆柱坐标形式、球面坐标形式，关节坐标形式。直角坐标形式即这类机器人的手部的空间位置变化通过三个互相垂直的轴线移动完成，优点为结构简单、编程难度低、运动速度快、定位精准度高；缺点是灵活性较差
17、，必须使用导轨，且导轨维护较难密闭性较差，机构占地大，惯性较大回增加额外驱动力。主要代表为龙门式结构，如图1-2所示。国内布洛尔智能科技有限公司研发的焊接机器人运用了这种坐标形式。圆柱坐标形式两个移动和一个转动完成手部的空间位置移动，可实现机身转动、升降和臂部的伸缩运动。优点为控制精度高、结构紧凑；缺点为结构较大、手臂不能到达机身底部。球面坐标形式为机械手做伸缩运动，在垂直平面内做绕底座的水平转动，运动轨迹为一个球面。其优点为机械结构较小、结构紧凑；缺点为具有一定的平衡图1-2龙门式机构机械手图1-3川崎安川码垛机器手问题，运动避障性能较差。主要的代表产品为美国Unimation公司研发的Un
18、imation系列机器人，机身的转动及手臂的伸缩都由液压驱动完成。关节式坐标形式由底座、大臂、小臂组成，是一种仿人体结构的拟人化机器人。优点为结构性好、灵活度较高、关节密封性好、驱动力损失较小。缺点为运动中存在平衡问题，机身及手臂全伸出状态时刚度较低。日本川崎安川码垛机械手采用的就是这种坐标形式，如图1-3所示。对比各机身结构的优缺点，本课题选取圆柱坐标与关节式坐标形式结合的机身结构形式，这样可以解决圆柱坐标形式下手臂末端不能到达底部的问题，也能很好的解决关节式坐标形式下机身的运动平衡问题。 齿轮搬运机械手驱动方式的研究现状现在常见的驱动方式有液压驱动、气压驱动以及电机传动。液压驱动是通过油液
19、产生的压力转化为驱动力执行机构运动的传动方式，如图1-4为一台龙门液压机。优点为性能平稳、灵活度高、结构紧凑、驱动力大，缺点是对密封要求性较高，且不适宜高低温环境下工作。可以增加电液伺服系统提高工作的精度，扩大工作范围。新光有限公司的搬运机械手采用的就是液压传动系统，提高了更高的稳定性和效率。昆明工学院的谭世荣、袁子杰设计的液压机械手，属于液压机械类的液压机械手,专用于方块状零件的抓取。图4龙门液压机气压传动是以压缩空气产生压力转化为驱动力执行机构运动的传动方式，其特点为压力来源简便、动作迅速、成本较低、适应大部分工作环境，缺点为驱动力小，且工作速度稳定性较差。例如重庆达瑞森通实业有限公司的陈
20、科宇设计的用于柴油机加工的多功能气压机械手，利用气压传动方式传递动力，完成柴油机加工中的各项操作。电机传动是利用电机将电能转化为机械能的传动方式，其优点是压力来源较为简便，电机功率高可产生较大的驱动力，自动化程度高，缺点为装置成本较高，结构较复杂。日本川崎研发搬运机器人RSOlON使用的就是电机传动的方式。本课题为工厂齿轮搬运机械手设计，考虑稳定性和机构制作成本问题，以及对抓取工件的重量进行参考，选取液压传动方式作为本设计的主要驱动方式。 齿轮搬运机械手的发展趋势随着工业化程度的提高，齿轮搬运机械手的应用也越来越广泛，在现有的基础上对其的研究也越来越广泛，其中主要的研究方向有高精度重复定位、机
21、械手机构模块化、节能型机械手的研发、提高机电一体化程度。高精度重复定位：精度指的是在一个机械手运动中到达指定位置的精准度，重复定位精度就是指多次完成指定动作后的精准度误差值，为减小这一数值即提高机械手的精度，提高机械手的电子控制技术的结合应用与研发，是未来发展的重要趋势。机械手机构模块化：即将机械手的各部分结构分划模块，可以针对不同的齿轮工件替换各模块的结构，提高机械手的灵活性以提高机械手的功能性，进一步提升机械手的应用范围，这也是未来的重要发展方向。节能型机械手的研发：节能减排以及可持续发展是21世纪的发展主题之一，使用不需油液润滑的工件，节省油液，或者研发新型的环保润滑液代替油液，简化结构
22、，降低由复杂机构产生的摩擦力和驱动机构形体重量的动力。提高机电一体化程度：随着电子控制技术的发展，控制方式由开环控制转动带有反馈的闭环控制，可以提高控制的精度以及减少控制元件的使用，这将是将来的研究的重要方向。除此之外，研发智能化的机械手，通过多传感器检测进行定位以及反馈接收，得到反馈接收到的信息调节动作，是近年来较为新兴的研究方向。例如使用视觉探测器测定末端执行器的动作，检测误差后及时进行调整；使用压力传感器来检测夹持器末端夹持力的大小，对驱动机构的输出进行调节。这一方向的研究与完善可以更高程度的解放生产力，从根本上实现无人化生产。课题研究及内容本课题设计的机械手是针对特定的齿轮的，用以完成
23、齿轮搬运的动作。设计要求如下：能实现自动抓取产品并按照既定程序将产品搬运至机床装夹位置，辅助员工进行产品的装夹操作，抓取产品为某高速动车组齿轮箱用主动齿轮，其图纸分别如图1-5所示。其中总高度351.5mm,最大外径177.7mm,重量约19kgo机械手的抓取部分为齿轮的长轴端根部位置，直径为70mm,机械臂需要实现以下基本功能（按动作顺序排列）：抓取产品，垂直方向提升产品，将产品由竖直状态转为水平状态水平方向进给，将产品输送至外圆磨床装夹位置，机床装夹（本动作与辅助机械臂无关)，松开产品，辅助机械臂推出。具体操作如下：(1)抓取产品。产品放置于地面，长端朝上。(2)垂直提升产品。提升高度为1
24、.2米，时间5so(3)机械臂水平(绕Z轴)转向120。，将产品由物料放置区上方转移至机床装夹部位，然后将产品旋转90,由竖直状态转变为水平状态，总时间不超过15so(4)水平方向进给约40Omm,时间8s,将产品送至机床装夹的固定位置。(5)机床装夹，机械臂无需动作。(6)松开产品，机械臂退出约40Omm后，按原路径返回至待机位置。因为工件齿轮的重量较大，所需要达到的精度较高，平稳性也要求较高，所以选择液压传动方式，而本设计是针对特定齿轮的搬运工作，即为专用机械手。本设计的主要内容为：根据工件的尺寸参数以及操作要求，对机械手的各机械臂尺寸设计计算以及进行受力分析；根据各机械臂的所需的驱动力，
25、对伸缩油缸以及回转油缸进行了设计计算;根据动作的具体步骤，设计了专门的液压系统，对液压系统的各个液压元件进行工况计算，完成设计选择；针对液压控制系统设计电气控制系统，控制机械手按顺序完成相应的动作;建立机械手三维模型。本章小结本章先对搬运机械手的研究背景及现状进行描述，阐述了齿轮搬运机械手的发展现状，提出一些随着工业化的发展而产生的问题。基于这些问题，提出设计专用机械来解决这些问题。其次，介绍了齿轮搬运机械手的手部结构和机身机构设计的研究现状，对搬运机械手的发展趋势进行相应的分析阐述。最后对本课题需要的完成的设计任务进行具体介绍，确定课题的研究内容。第2章机械手的结构设计3.1 手部结构的设计
26、3.1.1 手部结构的选取机械手的结构一般由末端执行器、臂部、机身、底座组成。手部是搬运机械手中重要的组成部分之一，它是机械手的末端执行部分，用于抓取工件。一般来说的话，机械手爪从类型上可以分为以下几种：夹钳式、气吸式、电磁式。一般抓取圆柱体用的是夹钳式，夹钳式加紧的机械手爪又可以分为：滑槽杠杆型、连杆杠杆型、弹簧杠杆式、移动型、平面移动型。因为本课题是针对特定的单个齿轮进行操作作业，所以下面内容会针对这个情况设计相应尺寸的手部夹取结构，本设计的采用滑槽杠杆式夹钳结构，这种手部的结构简单，具有动作灵活,手指开闭角度大等特点。常见的滑槽杠杆式手部结构如图2-1,图2-2为立体模型图，在过O点的拉
27、力P作用下，P1、P2为两指滑槽对拉杆产生的反力,其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2,并指向O2点,P1和P2的延长线交OiO2于A与B(b)图2-1滑槽杠杆式受力分析图2-2手部立体模型图所以有Fx=OP1=P2(2-1)EFy=OnP=P(2-2)12cOS6ZZM)I(尸)=OnPh=2Vb(2-3)P=-COSOf2b2P=cosaNa(2-4)(2-5)式中:a一手指的回转支点到对称中心线的距离(mm);*工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角；由以上公式可得，当拉力P固定不变时，。角数值的增大会导致握力N的增大，但是。角度不宜过大，不然会导致拉杆的导程过长，且手
28、指部分的尺寸也回增大，影响稳定性，因此，建议一般取附30。40。经设计a取50mm,b取60mm,取30o,h=120mm,即为工件自重19kg,即186.2N,计算可得P=2x60cos230q1S6.2=335.16(N)503.1.2 手部结构的受力计算(1)握力的计算设计手部驱动力的主要依据是手部的握力，即根据被夹取工件的重力、夹取方式、受力状态，计算手部夹取结构的机械效率，利用公式计算出实际所需的驱动力。根据前面设计的手部结构、被夹取工件的重力以及受力状态分析，其实际的驱动力P实际应按下式计算：P实际(2-6)式中：P一计算出的驱动力矩；L手部的机械效率，一般取0.850.95；&一
29、安全系数，一般取1.2-2；K2工作情况系数，可近似估算：(=1+3,其中a为被抓取工件运动时-g的最大加速度,g为重力加速度(g=9.8ms2)o所以取=0.90,Kl=I.5,a=4.8ms,则有48K=1+_=1.4929.815149P实际335.16xJ:=832.3(N)0.9(2)夹紧缸驱动力计算夹紧装置是通过驱动力使手指结构完成开闭动作的结构，本课题采用液压驱动方式提供驱动力，采用单作用活塞液压缸体，活塞与拉杆固连，通过油液的进出推动活塞杆，进而带动手指执行结构。手指采用常闭状态，油液进入时，活塞杆推动手指，松开工件，油液流出时，活塞杆拉动手指，夹紧工件。则此时缸的拉力(或推力
30、)(单位：N)为11CP拉=14Q22d2)p(2-7)式中：D活塞直径(mm)；d-活塞杆直径(mm)；p一驱动流体压力(MPa)。夹紧缸驱动力即为手部所需握力，即为P实际=832.3N.整体结构使用45钢,密度为7.85gcm3(20)o手部质量计算，根据手部外形尺寸参数得手部的体积为：15x15x10=225Omm3601010=6000mm38x5x60X2=4800mm335260=230907mm32250+4800+6000+23097=243237mm3=243.237cm3计算手部质量为243.237X7.85=1909.4g=1.909kg3.2腕部结构的设计3.2.1腕部
31、结构的选取腕部结构为手部和臂部的连接的部分，它的主要作用为调整夹持工件的空间位置，即进行转动或者上下摆动，使末端执行器夹持的工件改变空间位置，以达到相应动作要求。本设计的腕部动作要求只有回转，所以只需要选择具有单自由度的回转缸驱动的腕部结构即可，直接用回转油缸驱动实现腕部的回转运动,具有结构紧凑、灵活等优点。油液进入油腔推动动片，动片固连腕部回转中轴，中轴转动带动手部的回转，工件随之进行转动。3.2.2腕部回转力矩计算腕部的回转油缸的驱动需要克服推动动片产生的惯性力，以及动片和油缸接触、转动轴与密封装置产生的摩擦力，还有回转时产生的偏重力矩，通过对腕部回转时的受力情况进行分析，根据具体的尺寸可
32、以计算得到回转油缸的驱动力。腕部受力分析如图2-3所示。腕部转动时所需的驱动力矩可按下式计算，即M驱=M惯+偏+/摩+M封(Nm)(2-8)式中：驱动腕部转动的驱动力矩(Nm);M贯惯性力矩(Nm)；M偏参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、腕部回转红的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩(Nm)；加摩一一腕部转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩(Nm);“封一一腕部回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩（Nm）o图2-3腕部回转受力分析图腕部加速动动时所产生的惯性力矩M惯。若腕部启动过程按等加速运动，腕部转动时的角速度选取B(rads),启动过程所用的时间为At(三),则M惯=(J+/
33、2m)At(2-9)若腕部转动的角速度为何启动过程所转过的角度为A9(rad),则M惯=(J+J2)(Nm)2A。(2-10)式中：人参与腕部转动的部件对转动轴线的转动惯量(依/);J?工件对腕部转动轴线的转动惯量(依).腕部转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏M偏=GIel+G3e3(Nm)O-II)式中：Gi工件的重力(N);e工件的重心到转动轴线的偏心距(m);G3腕部转动件的重力(N);e3腕部转动件的重心到转动轴线的偏心距(m)。腕部转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M摩“fM摩=EAd2+RBdI)(2-12)式中：也、d2腕部转动轴的轴颈直径(m);f轴承摩擦系数,对于滚动轴
34、承f=0.01,对于滑动轴承f=0.1;RARb轴颈处的支承反力(N)。可按腕部转动轴的受力分析求解：ZmA(F)=OnRB=皿昔上汕(N)(2-13)ZmB(JF)=OnRA=G(I+l)+G2(l+ip+G3(lT3-(N)(2-14)式中：G2一手部的重力(N)1、IpI2I3各部分长度回转缸的动片与缸体、处密封装置的摩擦阻力矩又封，根据具体的密封装置类型进行分析计算。如果回转产生的回转力矩以及转动惯量不是很大时，可简化计算，即驱=1.1(摩+偏+封)(八%m)(2-15)腕部回转的参数计算：转动时长At=5s,转动角为90,所以b0.05rads,腕部尺寸设计为：L=60mm,R=40
35、mmo可得质量为mw=67rx827.85=947Og=9Alkg根据公式，可得肠惯=(2.4x10-3+.3xl()-2)吧=1.54x10(Nm)5M扁=18.625103+186.2X310-3=0.6517(m)M摩=626.7x30x10-3+397.420103)=0.134(m)2M封=1.6105+8.3W5=9,9X10-5(nm)河海大学本科毕业设计Al惯、封可忽略不计，可得M驱=1.1(0.6517+0.134)=0.864(Nm)3.3臂部结构的设计臂部是机械手的重要组成部分，它的作用时连接机身与腕部、末端执行器，并带动二者改变空间位置，已完成动作，它可以实现的功能有收
36、缩、延伸、摆动、回转。臂部运动是为了把手部夹持的工件送到整体空间的任意位置。臂部要求可以完成水平方向的伸缩运动，此时需要考虑工件夹取时，臂部伸出后，由于工件自身的重力以及臂部伸出部分的自重会产生向下的压力，如果臂部结构的刚度不足，会导致臂部伸出部分发生塑性变形，使臂部的结构失去或者条件。所以本设计选取双导向杆手臂伸缩结构，臂部的伸缩油缸外另添加两根导向杆，使液压缸内的活塞杆只受拉力或压力，由导向杆来承受工件及腕部手部产生的下压力。为防止导向杆悬伸部分的弯曲变形.在导向杆尾部还增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。支承架的两侧安装两个滚动轴承，使运动更为平稳。臂部的外形主要为油缸的包裹进行设计，且
37、符合整体的机械手装配的要求。设计臂部的前半部分为长方体结构，与机身连接部分设计为一个圆盘状结构，后半部分需要与机身辅助油缸连接，所以设计一个延伸结构完成连接臂部外形如下图2-4o图2-5为臂部及机身受力分析图。图2-4小臂外形图设计参数为Li=I000mm,a=l00mm,b=1OOmm,则mi可算得m=1000100100X7.85W3=78500g=78.5kg按设计要求，L=100mm,a=100mm,/Li=0.4,=0.05,p=5MPa,d=5mm,l=lmm,v=0.05ms,t=8s,驱动力P驱为：“2x100+100P摩=0.4=1.2(Nm)100尸封=0.05X357.1
38、XTZX5X1=280.5(Nm)P惯=0.1X29.37X9.825=0.18(N加)8图2-5臂部及机身受力分析图3.4机身结构的设计机身利用升降油缸及俯仰油缸完成升降动作、俯仰动作、回转动作。机身的驱动油缸连接在机身上，机身整体下方设置一个转动油缸，完成机身的回转动作，并在回转油缸下方设计一个可以固定的底座，用于安装机械手。3.4.1机身升降结构设计机身需要完成对臂部结构的支撑，以及带动臂部结构进行升降和俯仰运动，所以需要针对这两个功能设计一个主要油箱进行升降运动，其结构如图2-6o另外设计一个连接于臂部尾端的辅助油缸，完成臂部的俯仰运动，其结构如图2-7所示。图2-6机身升降结构三维图
39、图2-7机身辅助结构三维图升降结构外形设计参数为L=700mm,R=30mm,则mi可算得m=700X302117.85W3=37732g=37.7kg按设计要求，L=850mm,a=300mm,=0.4,=0.05,p=3MPa,d=3mm,l=lmm,v=0.05ms,t=IOs,驱动力P驱为：八2850+300cP摩=0.4=2.67(Nm)300尸封=0.05156.5X/3X1=73.75(Nm)P惯=0.1186.37X9.825=0.09(N加)10尸驱=26Z73.75+0.09+1863.7=1944.2(nm)0.95辅助结构外形设计参数为L=600mm,R=100mm,则
40、mi可算得m=60010027.85103=295983g=148.0kg按设计要求，L=400mm,a=600mm,=0.4,z=0.05,p=8MPa,d=7mm,l=lmm,v=0.12ms,t=IOs,驱动力P驱为：尸摩=2l0.16=0.32(Nm)尸封=0.05X280.1X/7X1=308(Nm)O12P惯=0.1x186.37X9.8c_=2.19(N加)10尸驱=0.32+您+2.19+1863.7=2192.7(Nm)2.4.2机身回转结构设计此外机身还需要完成一个回转运动，本设计采用的机身下增加一个回转液压缸的方案实现机身的回转运动，其臂部回转时的受力状态如图2-8,机身
41、的受力分析图可见图2-5oG3GlG2图2-8臂部回转时的受力状态驱动臂部回转的力矩M驱应该与臂部启动时所产生的惯性力矩M惯及各密封装置处的摩擦阻力矩M封相平衡，则有AI驱=M惯+Ai封+AI回(2-16)M惯=JOe=JoB(Nm)(2-17)t式中：A0一1转缸动片角速度变化量，在启动过程AaB(rads)；t一启动过程的时间(三)；J。一臂部回转部件及工件对回转轴线的转动惯量(kg11?);M回一回转油缸回油腔的背压反力矩(Nm)DI2.3b(D2-d2)M回=10bp回闰。=10P回(2-18)P回一回油腔的压力(即背压)(MPa)。回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成压力矩即
42、为驱动力矩M驱：3d2-3b(D-d2)M驱=1012bppd片10P(Nm)(2-19)根据设计要求有：=0.033rads,t=0.5s,b=50mm,b=25mm,=0.1,P回取IOMPa,d=40mm,Ap=5mm,p三100mm,根据计算可得0033M惯=JM=41.6-y=2.74(Nm).50(2-042)M0=W3-20(Nm)8n2_042“驱=2.74+3314(加封忽略不计)200(D2-0.42)9C“驱=W340=D2-0.42联立式子可得驱二7475N。底座及整体平衡性设计整体性机构中的底座部分设计为工字形结构，底座三维模型如图2-9,底座内置回转油缸，底部设置一
43、片带有安装孔的底板，便于安装，上方则设计有连接升降油缸以及辅助油缸的固连部分，可以实现绕轴转动，满足油缸的运动要求，底座外形如2-7所示。底座外形尺寸为：H=200mm,R=150mm,a=100mm,b=300mm,h=100mm可得质量为mi=20015027.85103=110976.7g=lllkgm2=3001001007.85IO-3=23550g=23.5kgm=mi+m2=111+23.5=124.5kg关于平衡性的问题解决方案为：在手部抓取工件时，利用机身辅助油缸提供向下的拉力，以平衡由抓取工件后机身小臂产生的下拉力，进而保持机构的整体平衡。至此整体的机身结构设计已经完成，手
44、部结构、臂部、机身结构以及底座通过SolidWorkS软件绘制机械手的三维模型如图2-10所示。图2-9底座外形图图240机械手三维模型本章小结本章根据设计要求，确定了手部、臂部及机身的整体结构设计方案，选取了机械手结构，并对滑槽式夹钳型手部结构设计了手部结构的外形尺寸，对夹取工件后的手部结构进行受力分析，得出了手部所需的握力以及手部夹取液压油缸的驱动力。确定了腕部结构的设计，即利用一个回转油缸完成回转动作并设计了腕部结构的外形尺寸。臂部选取了双导向杆型结构，保证臂部的稳定性，确定了机身升降油缸与回转油缸的位置关系，并确定了机身与回转油缸的传动方式。对臂部的整体做受力分析，计算臂部的驱动力，设
45、计了臂部的外形尺寸，并通过驱动力计算得到臂部伸缩油缸的具体尺寸，进而选择了相应型号的液压油缸。设计计算了机身的外形尺寸、升降油缸以及俯仰油缸的驱动力。最后，设计了可固定的底座并分析抓取工件后整体机械手结构的平衡性问题。第三章液压传动系统设计液压控制系统是使用液压泵将机械能转化为压力，对液压油缸输入或输出液压油，推动或者拉动活塞杆，完成执行器动作。利用换向阀控制油液的输入输出及流向，使活塞杆实现运动，从而使得执行器做出不同行程、不同方向的动作，以达到不同的需求。设计整体的液压系统，利用各个回路完成液压缸的进油出油控制，并保护好各个液压元件。计算液压系统各液压缸的工况，选择合适的液压元件，这也是液
46、压控制系统中重要的部分。2.1 液压系统油缸设计2.1.1 伸缩油缸的设计与计算(1)做水平伸缩直线运动油缸的驱动力油缸活塞运动时会产生相应的惯性力，以及接触部分产生的摩擦力，密封结构产生的阻力，加上需要克服的负载力，这些需要克服的力的总和即为油缸需要提供的驱动力。油缸活塞的驱动力P为P=JP摩+P回+JP惯(3-1)式中：P摩一摩擦阻力(N);P密一密封装置处的摩擦阻力(N);P回一回油腔产生的背压力，P回二0.05P；P惯一活塞杆上受到的平均惯性力(N)o根据3-1图计算各力：图3-1水平移动油缸受力图摩擦力的计算公式为:G总L=RbaG总+Rb=RaP=P+P=UR+RR(2L+a摩a摩b摩ab式中：G总一参与运动的零部件的总重力(包括被抓取工件)(N)：L一臂部参与运动的零部件的总重心C到导向支承前端的距离：a导向支承的长度(III);一当量摩擦系数,其值与导向支承的截面形状有关，取0.4o密封处的摩擦阻力P密是伸缩油
