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论文在线分享-直角坐标液压机械手的设计

2021-05-22 10:05:09

  伴随着全世界的科技在不断的进步,人们也在各个相关行业不断地深入探索,需要追求的地方越来越少,越来越微小,也越来越困难,所以许多恶劣的环境状态下以及位置领域的探索我们需要借用工业机械人去达到人类所不能触及的地方及领域,因此对机械手的要求也越来越高。

  本次所设计的是三个维度的直角坐标型机械手,使用液压系统进行驱动,直角三个自由度运动分别为X轴和Y轴的伸缩运动,以及Z轴的升降运动。第一章主要阐述机械手的发展及对它的定义;第二章阐述了此次机械手总的方案的设定;第三、四、五章分别阐述了机械手液压缸尺寸的计算以及其各个部分驱动力的计算;第六章阐述了剩下的液压元件以及电动机的具体选择;第七章阐述了对液压系统和其余零部件的校核;第八章为本次设计的不同部分,利用simscape对这个系统进行仿真度的建模;第九章是对设计出的成品进行方方面面的分析;最后第十章进行了总结。

  以工业进行机器人生产的研究工作是在二十世纪五十年代初是由美国人领先提出的机器人概念,就在这短短的几十年的时间里得到了非常快速高效的发展,前后历经实验室的研究、生产场所的实际应用、技术的发展以及应用推广等等几个阶段[1]。到目前为止,所有工业机器人已经迈入商业化和产业化阶段,在世界各个领域和生产企业已经广泛的.使用,为各个行业的迈入自动工业化发展提供了更为广.阔的前景。工业机器人在组装、搬运、码货、焊接、点焊、涂喷等各个领域均有应用。工业生产机器人的使用使企业生产效率以及产品质量有了大幅度的提高,并且人工开支的降低,使得工业机器人的技术的附加值有了巨大e提高,应用领域广阔,是先进产业发展过程中不可缺失的高瑞制造技术装备。我国从二十世纪七十年代己经开始进行工业机器人的白主研究发展工作,历经几十年的艰苦奋斗己经有了显著的进步,但是对于关键零部件的研究己及生产、机器人应用己及推广等几个方面还表现的较伪落后,国内的科研单位和企业研究己及制造的机器人在很多方便还有特加强,比如可靠性和工作性能2-3]。

  得意于国内外专家学者前期对机器人技术的大量研究工作,使得机器人技术发展块速,主要包晗以下几个方面的研究:

  (1)机器人的机械构造学的研究:作为研究机器人特重要一部分,主要是利用现代数学工具研究机器人运动yj构造关系。

  (2)机器人的运动学己及动力学研究:运动学主要是.研究机器人运行机构.的空间坐标和位置关系的.变换w,根据得到坐标关系建立关于机器人w运动学的方程,并进行正向己及逆向两类运动学方程的求解;而研究机器人的动力学主要mui是为了解决如何控制机械手关节驱动力矩,并且跟据机器人的结构、动力学等关系建立方程[4]。

  (3)路程行径规划和运行轨迹控制:机器人想要完成程序指定的动作,就需要提前为其设定好动作路径,并使用合适的程序来进行轨迹的跟踪,确保控制精确度。

  (4)机器人的控制系统:工业机器人大多都有多个运动轴,要完成相应动作,多轴之间s需要相互协调才能完成,另外多个机器人hx同时运行也需要进行相互之间的协调,而完成这些工作都需要依靠稳定的控制系统。

  (5)传感技术:机器人在实际云行过程中要感知白身运行情况己及外界环境,然后根据感知所锝数据做出相应的动作,机器人传感技术注要研究爱力情况、触觉己及外界光电感应等等,另外机器人的可视性技术的研究也是近年来的研究热点,其中很关键的一点是对图像的识别与处理。

  如图所示,工业机械手的结构形式多种多样,可以分为多个类型,有直角坐标型、圆柱坐标型、全关节型、水平关节型等[5]。其中全关节型机械手因其自由度高,灵活性J强、结构密集紧凑,被广泛应用于各类场所。如果按照驱动方式来进行划分,那么机械手可分为四类:电机驱动、气压驱动y、液压驱动己及机械驱动。早期机器人技术研究发展的阶段,大功率交流伺服电机e应用技术还不是很完善,而且机器人机械手的传动大多堵数是采取连杆结构和曲柄结构,导致驱动方式基本都是采用气压驱动和液压驱动来完成[6]。机械传动部件随加工精度不断的提高更新换代也随着日渐成熟,伺服电机驱动技术也有大幅度提升以及伺服电机应用技术日渐发展成熟L,电气驱动的机械手他逐步占据成为主流市场。但是在要求防爆等级比较高、力矩输出较大的场合,液压驱动和气压驱动机械手依然会得到广泛使用。液压驱动机械手具备有以下几个特点:驱动力和驱动力矩比较大,反应速度较好,可调速度范围大,所以应用在臂力较大且运动速度缓慢的工作场所[7]。机器人的控制e方式普通都采用采用闭环控制和开环控制,在使用步进电机作为驱动方式时经常采用开环控制,而使用伺服电机最为驱动方式时主要采用闭环控制方式来做的机器人的控制系统[8]。

  图1-1机械手坐标形式

  1.2机械手的发展及意义

  从国际机器人联合会G出的年度统计数据来看出,最近这些年工业机器人市场需求增多,随之而来的销售量也呈较大幅度的增长,特别是在2011年至2013年,这期间的增长率超过了30%,增长趋势尤为明显。所以现代机械智能化、信息化是现阶段全球工业格局的方向发展。特别是在亚洲、美洲等多个国家和地区的工业机器人的发展已经达到了很高的水准。由此不难看出,现在很多发展中国家对工业生产机器人的需求率高,但是产出率低的情况十分明显,工业机器人的市场有很大的进步延伸空间。

  就我国现阶段发展来看,我国对机器人的要求越来越多,每年对工业机器人的生产及配备需求,在世界都位居前列。从2012年开始,我国就积极i开展工业机器人的研发工作,机器人的销售额度每年也是以大约36%的增幅在快速的增长。

  2013年12月我国在发布的关于工业机器人产业发展趋势《工信部关于推进工业机器人产业发展的指导意见》书中提到,到2020年我国计划完成工业机器人及相关产业结构体系的建立,也就是说大规模投入工业机器人领域,使我国在生产、销售、安装使用工业机器人这些领域成为全世界第一。

  从客观角度来说,为了提高竞争力,树立品牌效应,我国的企业就必须通过长期研究发展、实践应用,和不断的技术创新,来提高自身企业的核心镜争力,从而打破国外对这一领域先进技术的垄断,以此达到工业机器人在我国得以长远发展的战略目标[9]。

  1.3机器人的主要技术参数

  自由度:为了让机构的位置得以确定,必需设定自由的广义坐标数量,就是机构具备设定的活动能力时所给出的自由活动参数的数量。

  工作精度:是使用密度、正确度、准确度这三个参数进行衡量的机器人的定位精度和重复定位精度。定位精度:是指机器人设计理论计算得到的理想位置与机器人按照设计能够达到的实际位置之间的差异数值。重复定位精度:在相同的设计要求下,机器人执行相同的命令重复相同的动作,在某一个目标位置所得到数值的差异程度。

  工作速度:是指机器人移动速度以及运行速度,这是是要求各个方向的。

  工作范围:是指机器人能在设定范围内能达到的范围极限,主要是末端执行器所能达到的最大距离和最大角度。

  承载能力:是指机器人的工作承重能力,主要是在工作状态的任何位置所能承受的最大重力[10]。

  1.4机械手的组成

  执行、驱动和控制机构这三大部分是机械手的主要组成部分。

  1.4.1控制机构

  机械手动作控制的核心部分是机械手的控制机构,为了实现多种运动动作和加工轨迹要对机械手各个轴进行协调控制。控制要素主要包括工作进行的顺序、指定到达的位置、动作所需的时间、运动时候的速度、加速减速等。机械手的控制有丙种:点位控制和连续轨迹控制伪[11]。

  根据动作设定的需要,控制管理系统可以进行针对性的设定,并使用数字顺序来进行控制。首先要储存编制好的程序的,然后再按照原则要求的流程,操控机械设备完成工作流程的存储,方式主要有两种:分离存储和集中存储。分离存储是将信息存储在两种及己上的存储装置内,主要是存储各种控制程序的信息。比如存储在插销板、凸轮转鼓的是顺序信息;存储在时间继电器、定速回转鼓里的是位置信息;集中存储是将各类相关的信息都存储在一种存储装置内,比如磁带、磁鼓等介质。这种方式需要在连续控制的情况下使用,主要是使用于一些必须同时控制的场合,比如顺序、位置、时间、速度等。

  其中插销板主要是用于需要在某些场合,可以迅速切换程序。需要更换程序的时候,只需要更换插销板九可以了,并且同一个插销板可以反复多次使用;穿孔带容纳程序的长度如果没有发生错误是不受任何限制的,反之就需要全部更换;穿孔卡的信息储存容量是有限的,但优势是方便于更换以及保存;需要较大的存储容量时,可以使用磁蕊己及磁鼓。根据实际程序动作的要求的复杂程度和程序所需的精确程度来确定最终选择哪一种控制元件。另外求教再现型控制系统可以针对动作难度比较高且比较复杂的机械手。而小型计算机或微处理机控制的系统和数字化控制系统可以针对更复杂的机械手。应用的最为广泛控制系统以插销板为主,然后就是凸轮转鼓。它装有很多个凸轮够成,且每一个凸轮独立分配给一个运动轴,转鼓运动一周便是完成一个循环。

  1.4.2执行机构

  机座、手臂、手腕和终端操作器是机械手的执行机构

  (1)机座:机器人基座一般分成两类:固定式和行走式,工业生产中以固定式居多。但随着越来越多危险,人类难以企及的事业的发展(比如海洋勘探,宇宙探索,化学能源等),移动机器人和自动行走机器人应收越来越广泛。

  (2)手臂:手臂在机器人执行机构中起着比较重要的作用,主要是用来抓取物件放置到指定的地方。机械手臂能实现所有的动作,主要是由两个机构配合实现:驱动机构和传动机构。所以它不仅要承受自身机座,手臂,手腕和终端操作器的重量,还要承受抓取的物件的重量。所以手臂的自身重量,结构构造,工作幅度,定位的精确性以及手臂的自身灵活性都是影响机器人工作性能的直接要素。

  (3)手腕:如同人类手腕连接手掌与手臂的作用一样,机器人的手腕对连接终端操作器和手臂也起着很重要的作用,它的主要作用是终端操作器在抓取工件时,可以自由调节和改变终端操作器的方向,使终端操作器可以满足更多的要求,完成多样化复杂化的动作。

  (4)终端操作器:机器人的末端操作器相当于人的手,主要用于生产过程中抓取、吸附工业生产时所用的专业工具进行生产;如喷枪、扳手、锤子、焊具等。它主要模仿人类的手部动作来进行工作,并且他存在的位置也如同人类的手一样,位于机器人手臂的最前端。根据生产用具的不同(重量,尺寸,形状,材质),机器人终端操作器的样式也分多种类型,大致可以分为:吸附式、夹取式、专用专业型、仿人手的灵巧型[12]。

  1.4.3驱动机构

  驱动机构是给与机械手能量进行工业生产的重要部件。分为多种驱动方式,这里主要提及四种方式:电气驱动;液压驱动;气压驱动和机械驱动。

  (1)电气驱动:是目前使用最常见也是最方便的方式。因其供应方便,响应速度较快,驱动产生的力量大,信号稳定、传动处理方便,并可以有多种灵活方案的特点被广泛采用。驱动电机一般都是采用步进电机或者是直流伺服电机(AC)作为主要的传动装置。但是很多时候都需要额外增加减速机构(如谐波传动、齿轮传动等),因为电机的运转速度比较快。但是目前有一部分机械手会选择转速比较低,无减机构的大转矩的电机进行直接驱动,大幅提高控制精度的同时还简化的驱动机构。

  (2)液压驱动:液压驱动式机械手的驱动系统有:液动机(各种油缸、油马达)、伺服控制阀、液压油泵及液压油箱等部件,通常是驱动机械手以及执行机构进行生产。它的抓举能力非常大甚至能达到好几百公斤以上,其主要特点是:结构紧凑、耐冲击性较好、抗震动及防爆性能良好并且动作平稳。但同时对液压元件的加工精度和密封性就有很高的要求,否则一旦漏油,将会造成工作场地及环境污染。

  (3)机械驱动:机械驱动适用于动作固定单一的生产场合。一般用凸轮连杆机构就可以实现。其特点是:动作可靠,速度快,低成本,但灵活性差,不适合调整[13]。

  (4)气压驱动:气压驱动的驱动系统有:气缸、气阀、气罐、空气压缩机等部件,优点是:气源供应方便、供应速度很快、供应起源的结构比较简单、造价也比较低、维修方便快捷。但是也有缺点:很难对速度进行控制,因气压无法设置太高而影响了抓举能力[14]。

  1.5本次毕业设计研究内容

  本次设计的研究内容是三个维度的直角坐标型机械手,使用液压系统进行驱动。首先通过对机械手进行初步的分析以得出初版本的设计,然后大致确定了坐标轴的位置与摆放,明确其后续设计运用到的运动方式;再通过对液压系统的计算确定液压缸的大小,行程和他所处的位置;接着建模、校验、确定设计的合理性;剩下来的就是选择其余液压元件的类型和型号;同时,本次设计使用simscape进行仿真建模;最后对以上得出的所有的结果进行归类总结,完成设计。

  2机械手的总体方案

  2.1总体设计要求

  本次所设计的是三个维度的直角坐标型机械手,使用液压系统进行驱动,直角坐标三个自由度运动份别为X轴和Y轴的伸缩运动,以及Z轴的升降运动。整体设计相对简单,仅要求三个自由度,simscape的仿真建模和合理的布局才是本次设计要重点关注的地方。

  2.2直角坐标型机械手的特点及分类

  关节型机械手和直角坐标机械手是工业机器人中最为广泛应用的,前者模仿人类手臂动作,结构复杂,控制系统难度也比较大。而后者是根据相互垂直的直角坐标系进行分布,三根轴X、Y、Z在空间中依照设定的控制逻辑协调运行11,在三维空间实现运动的灵活性。不同的场合需要应用不同结构形态的机械手112,而选择合适的机械手需要根据实际情况考虑多种因素来进行选择,主要影响的因素有:系统成本、系统载荷能力、系统运行速度、系统的复杂性等。日常工业生产中最常使用的直角坐标型机械手有龙门式和悬臂式两种。

  龙门式直角坐标机械手,以X轴方向两条移动导轨为支撑,Y轴横跨X轴并与其相互垂直,Z轴垂直于X、Y,三轴相互垂直构成平面,终端执行机构搭载于Z轴之上,可以沿Z轴进行上下移动。

  悬臂式直角坐标机械手,需要其悬臂式Y轴具有足够的强度才能防止变形甚至下沉,因为悬臂Y轴只有一端与X轴相连,另一端是悬空的。并且因为要防止Y轴的变形,所以要尽可能的减轻自身的重量,所以Y轴无法设计太长,导致他的触及长度受到限制。

  本次方案选取的是较为简单的直角坐标型机械手,机械手的升降由底座部分来控制,Y轴的伸缩由手臂部分控制,X轴的伸缩由手腕部分控制,手爪选取夹钳式取料手。

  2.3液压系统的构成及优点

  液压传动又称为流体传动,是通过液压油传递能量传递和对系统进行控制的一种传动方式。各种元件组成不同的基本回路,再将若干个基本回路组合成具备某些控制功能的传动系统,然后进行能量的传递、转换和控制,这就是液压传动。

  液压传动大范围应用于矿山机械、冶金机械、农业机械、汽车、船舶、飞机等领域,主要得益于它重量轻、体积小、结构紧凑,容易进行无极调速和实现标准化、系列化、通用化等的优点。液压系统有多种样式,但究其根本,从能量转换这一点来说,它们的工作原理和组成基本相同[15]。

  液压系统主要由下列五大部分组成。

  (1)能源装置:这里的能量装置是液压泵,为系统提供压力油,工作原理是把机械能转换成液压能。

  (2)执行元件:是一种输出装置,就是把液压能转化成机械能进行输出,液压缸和液压马达也都属于执行元件。

  (3)控制元件:控制和调节系统中油的流量、流向和油液压力的装置,如常见的有溢流阀、节流阀和换向阀等都属于控制元件。

  (4)辅助元件:除了以上三种以外的元件,作为辅助,确保液压系统的正常运转。如油箱、过滤器、油管、蓄能管等等。

  (5)传递介质:传递能量的流体,就是液压油[16]。

  图2-1液压系统驱动简易原理图

  上图中1,3,5均为三位四通换向阀,2,4,6均为单杆活塞缸。1,2实现Z轴方向的上下移动,3,4实现X轴方向的前后移动,5,6实现Y轴的左右移动。以1,2为例,先接通三位四通换向阀的左边,使油液从左端进入2的下端,从而推动2的单杆向上运动,实现Z轴的上移。再接通三位四通换向阀的右端,使油液从右端进入2的上端,2下端的油液从1的左端进入油箱,从而实现Z轴的下移。

  2.4机械手的技术参数

  (1)抓重58.8N,所抓棒料直径为70mm,手爪张开时最远距离110mm左右,夹持速度为0.5m/s

  (2)自由度:3

  (3)坐标形式:直角坐标型

  (4)最大伸缩:1500mm

  (5)最大升降:2000mm

  (6)手臂运动参数

  X轴伸缩行程:500mm

  Y轴伸缩行程:500mm

  Z轴升降行程:800mm

  (7)驱动方式:液压驱动

  (8)定位精度:

  3手爪部分的设计计算

  夹紧装置是手爪实现张开和闭合的动力装置,而手部的主要设计依据是手爪的夹紧力。手爪的设计需要满足一些要求:

  (1)手爪抓物的力度要适中,过大过小都不行,力度大了会损坏工件,力度小了可能抓不住工件,导致工件的松动和脱落。

  (2)手爪在抓取和放开工件的过程中,张合需要一定的角度,避免抓不住或者抓不到的情况。

  (3)手爪在抓取工件时的夹持精度要有保证。

  本次设计使用的抓取工件是圆柱形物体,所以选用匹配的手爪能保证设计的成功,这里面夹持型手爪适用于抓取这种工件,其形式为滑槽式两支点杠杆回转式结构。

  3.1受力分析及结构的选择

  图3-1机械手爪结构简图图3-2 O点受力分析图

  图3-3手爪受力分析图

  在夹紧液压缸的驱动下,轴承插销向上运动的拉力为F,两手爪的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2,力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2。由物理学知识可知,F1和F2的合力应与F的大小相同,因此得到

  (3-1)

  因为所以,又因,得

  (3-2)

  当F一定时,角越大,也随之增大,取=300。

  3.2夹紧力的计算

  工件所受的夹紧力可按下列公式计算

  (3-3)

  式中:

  ----安全系数,取1.5

  ----工件情况系数,取1.1

  ----方位系数,取3.5

  ----被抓工件负载58.8N

  3.3夹紧液压缸驱动力的计算

  根据上述驱动力与夹紧力公式得

  手爪的机械效率η取0.85,则

  (3-4)

  3.4夹紧液压缸的尺寸设计

  夹紧液压缸为单作用缸,压力油只能作用于一个腔,那么另一个方向只能依靠外力来进行运动。本次设计通过复位弹簧来实现手爪的张开。

  (3-5)

  式中---液压缸活塞直径

  ---液压缸活塞杆直径

  P---液压缸驱动力

  选取工作压力P=1.5Mpa,活塞杆直径=0.5

  取=40mm。

  活塞杆直径

  4升降部分的设计计算

  4.1升降液压缸驱动力的计算

  (1)重力负载Fg

  升降缸的工作载荷包括自身重力和所夹持工件的重力,方向取决于活塞运动方向。

  取总重量=306kg

  (4-1)

  (2)惯性负载Fm

  (4-2)

  (3)摩擦负载Ff

  对机械手手臂重心做估计:P=0.65m,h=0.8m

  (4-3)

  (4-4)

  取μ=0.2,代入得

  (4-5)

  由于垂直升降缸负载较大,取安全系数K=2,保护系统。

  (4-6)

  4.2升降液压缸的尺寸设计

  图4-1升降液压缸简图

  (4-7)

  F=2238.52N。选择工作压力P1=2Mpa。背压力P2=0.3Mpa。

  取升=100mm,活塞杆直径升=0.6=60mm。

  4.3升降缸缸筒壁厚

  液压缸缸筒壁厚按下式计算:

  (4-8)

  式中:-------试验压力,取2Mpa

  -------缸筒内径,为100mm

  -------许用应力,取20Mpa

  -------系数,取1

  故缸筒壁厚

  取壁厚=7mm。

  4.4升降缸最小导向长度

  压缸初始挠度变大。因此对于一般的液压缸来说,其最小导向长度应当满足

  (4-9)

  式中:L------液压缸最大行程

  ------缸筒内径

  取L=800mm,缸筒内径=100mm,代入上式。

  取升降缸最小导向长度H=90mm。

  5伸缩部分的设计计算

  5.1伸缩液压缸驱动力的计算

  伸缩缸的驱动力中重力负载Fg=0N,其他负载计算与升降缸相差不多。

  (1)X轴伸缩缸

  惯性负载

  摩擦负载

  (2)Y轴伸缩缸

  惯性负载

  摩擦负载

  5.2伸缩液压缸的尺寸设计

  图5-1伸缩液压缸简图

  5.3伸缩缸缸筒壁厚

  伸缩液压缸缸筒壁厚与升降液压缸的计算方式相同,代入式4-8计算。

  (1)X轴伸缩缸

  试验压力取1.5Mpa,缸筒内径为32mm,许用应力取10Mpa取系数取1。

  故缸筒壁厚

  取X轴伸缩缸壁厚=4mm。

  (2)Y轴伸缩缸

  试验压力取1Mpa,缸筒内径为25mm,许用应力取3Mpa取系数取0.5。

  故缸筒壁厚

  取Y轴伸缩缸壁厚=10mm

  5.4伸缩缸最小导向长度

  伸缩缸的最小导向长度计算遵照式4-9,与升降缸相同。

  (1)X轴伸缩缸

  X轴伸缩缸的行程L=500mm,缸筒内径=32mm

  取X轴伸缩缸最小导向长度H=45mm。

  (2)Y轴伸缩缸

  Y轴伸缩缸的行程L=500mm,缸筒内径=25mm

  取Y轴伸缩缸最小导向长度H=40mm。

  6液压系统的方案

  6.1各个液压缸所需流量

  (6-1)

  式中----液压缸有效作用面积(m2)

  ----活塞与缸体的相对速度(m/s)

  表6-1各液压缸工作所需流量

  执行元件名称工况运动速度结构参数流量(L/s)

  升降液压缸上升0.5m/s A1=0.005027m2 0.628

  下降0.5m/s A2=0.003770m2 0.471

  X轴伸缩缸伸出0.5m/s A1=0.000804m2 0.402

  缩回0.5m/s A2=0.000603m2 0.3015

  Y轴伸缩缸伸出0.5m/s A1=0.000491m2 0.2544

  缩回0.5m/s A2=0.000368m2 0.184

  夹紧缸夹紧0.5m/s A=0.000942m2 0.471

  6.2各个液压缸实际工作流量

  (6-2)

  式中F----液压缸实际工作载荷(kN)

  P2----回路背压力(Mpa)

  (1)升降液压缸的实际工作压力

  (2)X轴伸缩缸的实际工作压力

  (3)Y轴伸缩缸的实际工作压力

  (4)夹紧缸的实际工作压力

  6.3液压元件的选择

  6.3.1液压泵的选择

  液压系统中去,驱动液压执行元件对外做功。

  1、确定液压泵的最大工作压力Pp:

  (6-3)

  ΣΔP是液压泵到执行元件的管路损失,取ΣΔP=0.5MPa。

  2、液压泵流量的确定

  (6-4)

  式中K是系统泄漏系数,取K=1.2;

  代入公式,得到液压泵流量:

  3、选择液压泵的规格

  为了使液压泵有一定压力储备,所选液压泵的额定压力一定要比最大工作压力大。选择:

  齿轮泵:CB-B160,额定流量160L/min,额定压力2.5Mpa,额定转速1450r/min,容积效率,总效率,压力脉动,驱动功率7.2kw。

  6.3.2其他液压元件的选择

  根据所求出的流量和压力,从而选取其余液压元件。

  图6-1液压系统原理图

  表6-2其余液压元件的选择

  序号元件名称型号规格

  3齿轮泵CB-B160 2.5Mpa、160L/min

  4、11、21、23单向阀I-25B 6.3Mpa、25L/min

  5溢流阀Y-63B 6.3Mpa、63L/min

  2、6过滤器XU--25200

  7蓄能管

  8压力表

  9、17、20三位四通电磁换向阀6.3Mpa、25L/min

  10顺序阀X—B25B 2.5Mpa、25L/min

  12、18、22、24调速阀L-25B 6.3Mpa、25L/min

  14二位三通电磁换向阀6.3Mpa、25L/min

  15压力继电器

  6.3.3油管内径的计算

  按计算

  表6-3各管理油管直径的选择

  管路名称通过流量

  (L/s)允许流速

  (m/s)油管内径

  (m)实际取值

  (mm)油管外径

  (mm)

  液压泵吸油管2.66 1.0 0.0581 60 70

  液压泵排油管2.66 4.5 0.0274 30 40

  升降缸进油管1.0 4.5 0.0168 18 26

  升降缸回油管1.0 2.0 0.0252 26 34

  Y轴伸缩缸进油管0.4 4.5 0.0106 12 18

  Y轴伸缩缸回油管0.4 2.0 0.0160 16 24

  X轴伸缩缸进油管0.4 4.5 0.0106 12 18

  X轴伸缩缸回油管0.4 2.0 0.0160 16 24

  夹紧缸进油管0.017 4.5 0.0022 6 10

  系统回油管2.66 2.0 0.0411 42 52

  6.3.4确定油箱有效容积

  初步确定油箱有效容积

  (6-5)

  式中----液压泵每分钟排出压力油的容积(m3)

  ----经验系数,取a=3

  已知所选择的液压泵的流量为160L/min,也就是说液压泵每分钟排出的压力油的体积为0.16m3/min。代入上式得

  6.3.5电动机的选择

  取电动机额定转速为1440r/min,那么泵的实际流量

  (6-6)

  取液压泵总效率,则电动机的功率

  (6-7)

  查表可得,选取电动机型号为Y132S2-4,额定功率7.5kw,满载转速1440r/min。

  7液压系统的性能验算及校核

  7.1液压系统压力损失的验算

  计要求。

  液压系统中的压力损失包括油液通过管道时的沿程压力损失、局部压力损失和流经阀类等元件时的局部损失。即

  (7-1)

  上式中沿程压力损失和局部压力损失的计算公式为

  (7-2)

  (7-3)

  式中、-----直管长度和内径;

  -----液流平均速度;

  -----液压油的重度;

  -----沿程阻力系数和局部阻力系数,其值可从有关手册中查出。

  流经标准阀类等液压元件时的压力损失值与其额定流量、额定压力损失和实际通过的流量有关,有近似关系式为

  (7-4)

  式中和的值可从产品目录或样本上查出。

  在液压系统工作循环过程中,不同动作阶段的压力损失也是不同的。

  当已知液压系统的全部压力损失后,就可以确定溢流阀的调整压力,它必须大于工作压力和总压力损失之和。即

  (7-5)

  (1)升降缸的压力损失

  沿程阻力系数取0.118,液压油的重度为8800,根据《机械机械设计手册》,取局部阻力系数为0.4。

  沿程压力损失

  局部压力损失

  局部损失

  故满足要求。

  (2)X轴伸缩缸的压力损失

  沿程阻力系数取0.054,其余的同上。

  沿程压力损失

  局部压力损失

  局部损失

  故满足要求。

  (3)Y轴伸缩缸的压力损失

  沿程阻力系数取0.034,其余的同上。

  沿程压力损失

  局部压力损失

  局部损失

  故满足要求。

  7.2液压系统总效率的验算

  (1)根据系统的压力损失确定管路的压力效率,又称为管路的当量机械效率。即

  (7-6)

  (2)管路系统中各个阀的泄露量和溢流量之和称为管路系统的容积损失,用表示。则管路系统的容积效率为

  (7-7)

  当系统中无蓄能器时,为最大工作流量;当有蓄能器时,为平均工作流量;液压缸为差动连接时,应包括从液压缸小腔返回的流量。

  (3)管路系统的总效率为

  (7-8)

  (7-9)

  式中-------液压泵的输入功率;

  -------液压系统总的能量损失;

  -------液压泵的总效率;

  -------管路系统的总效率;

  -------液压缸或液压马达的总效率。

  7.3液压系统发热温升的计算

  液压系统在工作过程中会损失一部分的能量,这部分的能量会转化成热能,使液压系统的油温升高从而导致很多不良后果。主要会出现两个比较严重的问题:①油温上升,油液粘度下降,增加液压油泄露风险,容积效率降低;②油温上升导致油液形成胶状物质,胶装物质的增多加大堵塞元件内部的小孔和缝隙的概率,导致液压系统不能正常工作。因此,关于液压系统发热升温的这一情况,设计的时候就必须进行严格验算,并予以有效的控制方案。不同的油,对应的不同的条件,它所能承受的最高温也不尽相同。[17]

  液压系统的总发热量的计算公式为

  (7-10)

  式中------液压系统的实际输入功率,即液压泵电动机的实际输出功率;

  ------系统的总效率,为0.68。

  液压系统所产生的热量,主要分两部分,一部分升高油液和系统的温度,另一部分经过冷却后散发到空气中。当两者热量相等时,就维持到了一个热平衡状态,油温不再上升,而稳定在某一温度值上。

  当产生的热量全部被冷却表面所散发时,即

  (7-11)

  式中------散热系数,当通风很差时为8.59.32,当通风良好时为15.1317.46,当风扇冷却时为23.3,当循环水冷却为110.5147.6,取16;

  ------油箱散热面积;

  ------液压系统油液的温升。

  由式可得

  (7-12)

  计算时,如果油箱三边的结构尺寸比例为1:1:11:2:3,而且油位为油箱高的0.8倍时,其散热面积的近似计算公式为

  (7-13)

  式中-------油箱有效容积,由上文求得,为

  7.4液压缸壁厚的校核

  液压缸壁厚根据其材料以及壁厚大小与液压缸内径的比值范围,选择不同的校核公式。

  当时,按材料力学薄壁圆筒公式验算壁厚

  (7-14)

  当时,可用下式

  (7-15)

  当时,可用下式

  (7-16)

  式中-------缸筒内径

  -----缸筒内的最高工作压力;

  ------缸筒材料的许用应力。

  (1)升降缸壁厚校核

  因,代入式7-14得

  故满足要求

  (2)Y轴伸缩缸壁厚校核

  因,代入式7-16得

  故满足要求

  (3)X轴伸缩缸壁厚校核

  因,代入式7-15得

  故满足要求

  8simscape建模与仿真

  8.1CA图纸绘制

  8.2三维模型的建立

  8.3simscape建模与仿真

  9产品分析

  9.1产品经济性分析

  产品是人类使用和消耗以此来维持现实生活,以及开展社会实践和社会活动中所需要的物质资源。因此,设计的需要对产品生产出来以后能产生的经济价值,以及生产这个产品过程中消耗的原材料进行考量。

  产品的功能主要有必要功能和衍生功能这两种。其中,必要功能是大部分用户所需要的,而衍生功能多数情况下所需甚少。因此,考虑产品的经济价值和生产成本,应该去掉非必要的功能,保留并且完善必要功能,是必要功能的功效发挥到最佳状态每一次提高产品本身的内在价值。根据调查表明,“产品合适”这一原则是实现产品自我价值和控制制造成本最基础的原则,也是最重要的手段。本次液压机械手在设计之初就考虑到这一原则,尽可能的减少了不必要的衍生功能,确保必要功能的最佳状态,以尽可能的满足生产需要,降低了制造成本,也实现了三自由度的前提下,尽可能的减少一些不必要的功能,在生产制造上尽可能的节省空间,从而降低总体成本。

  要提高产品的经济性和市场竞争力可以通过设计及以下方式来降低成本:①结构设计合理,加工简单快捷方便就是降低材料成本及人工成本。②零件选用统一标准且生产批量越大采购成本也就越低,尽量让加工类型相似的零件尺寸做到相同且可以互换使用,也就大大降低了零部件成本。③保证产品整体构造的合理性和设计参数的合理性,整体结构参数也是决定生产成本和产品品质的关键点。产品成本以及耐用性在设计过程中应考虑如何平衡这两个关键点的利弊,结构参数成为了决定这个平衡点的重要指标。④尽可能的采用批量化生产,提高产量,方便后勤维修更换,并且降低成本,质量有保障。⑤将零部件模块化,流水线式批量生产,并且可以反复使用。⑥设计的时候考虑产品的快速拆卸性能,以便产品损坏或者损耗后进行损耗件的替换,减少浪费,降低成本,方便回收再利用。

  本次机械手设计,基本可选用标准件(只有极少部分需要特殊件),包括液压元件和其他各元件,设计之初考虑的选材均是常用的生产材料,这样方便生产和后续的保养维修。机械手的各衔接点也均使用螺丝等连接,不固定部件,以便拆卸养护。螺丝螺帽等辅助元件的选择以市场标准件为准。

  再按照市场大概的价格对机械手的价格进行粗略的估计。

  表9-1机械手各部分价位表

  名称数量单价名称数量单价

  齿轮泵1 680单向阀4 64

  溢流阀1 190过滤器2 170

  蓄能器1 2160压力表1 650

  三位四通电磁换向阀3 1285两位三通电磁换向阀1 1230

  顺序阀1 155调速阀4 226

  续表9-1

  名称数量单价名称数量单价

  压力继电器1 130液压缸3 560

  机座3 360电动机1 1244

  螺钉螺栓40 3.5铸铁306kg 15

  通过计算得该机械手大概成本为19284元。

  9.2产品安全性分析

  机械手的设计初衷就是为了方便生产产品,所以对其在生产过程中的安全性尤为注重,保证生产的可行性只是必然要求,还要确保生产过程中不产生危害。本次设计在密封装置这一环节尤其注重,确保不会发生油液泄露的情况,因为在进出油口及端盖密封处添加密封圈来防止液压油的泄露。在保证机械手生产可行性和安全性的基础上,提高机械手的生产效率,以确保机械的高效有序的生产。

  与直接安全措施不同,间接安全措施是有效防控危险产生的一个重要措施。当机械手出现设备故障时,就需要间接安全措施发挥作用,这个时候需要报警装置发挥作用,,在温度、压强等数据异常的情况下能够及时做出预警,防止出现意外。另外加装安全防护装置可以有效的避免机械手因速度过快、承重超过载荷、油缸发生爆裂等情况造成的意外情况。

  液压驱动系统在运行过程中要有溢流阀,它可以确保液压系统的工作压力恒定,并将液压泵多余的流量溢流回液压油箱。为了保证在工作过程中液压系统压力的恒定并将剩余液压油溢流回到油箱,为了确保液压油泵能够持续工作,控制元件压力继电器可以完成此项功能。在液压泵出口安装单向阀门,是为了防止液压系统在不过做的时候通过液压泵倒流的液压油,影响到液压系统正常工作。另外一个方面是在液压泵不工作时防止系统内部的油液倒流并通过液压泵返回油箱。其余的单向阀还被用来分隔油路来防止干扰,并且有的和其他阀并联组成复合阀。

  总而言之压压机械手在设备安全控制,要求设计人员和生产人员要加强对机械的安全性有深入探讨及研究。设备的安全得益于设计师在设计之初对使用环境进行综合考量,采用直接安全措施、间接安全措施和标识措施来对设备的安全性进行评估。