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1、华先号课程设计报告（2014-2015年度第一学期）名称：专业课程设计题目：潜水泵试压机械手设计院系：机械工程及自动化班级：机械1103班学生姓名：任璐指导教师：杨晓红、花广如设计周数：两周成绩：日期：2015年1月21日目录一、主要内容1二、机械手总体方案设计11、序言12、形态学矩阵及终方案23、主要技术参数24、机械手动作过程35、机械手原理设计简图36、机械手各部方案设计4三、机械手结构设计51、手部结构设计52、腕部结构设计73、臂部结构设计104、立柱结构设计175、底部底盘设计21四、机械手整体装配21五、液压回路原理图22六、电气控制原理图26七、心得体会27八、参考文献27一
2、、主要内容潜水泵试压机械手设计。本机械手是为潜水泵试压服务的。潜水泵生产过程中，需要进行试压测漏检验，其具体过程是：（参看图1）#二、机械手总体方案设计2.1序言轨迹或其他要工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序,求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。它在二十世纪五十年代就已用于生产，是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置，开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化，随着应用范围的不段扩大，现在用来夹持工具和完成一定的作业。实践证明它可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率。本次专业课程设计的任务是设计潜水
3、泵试压机械手。本机械手是为潜水泵试压服务的，潜水泵生产过程中，需要进行试压测漏检验，使用该机械手可以实现自动化检验，可大大减少工人的劳动强度，并且大大提高检验的效率。2.2 潜水泵机械手的形态学矩阵分功能可能的解法123456A（动力源）液压泵B（移位传动）齿轮传动液压传动链传动连杆传动C（手腕回转机构）摆动缸四槽外槽轮机构D（手臂传动机构）活塞油（气）缸活塞缸齿轮齿条叶片式回转缸连杆传动E手部夹钳式取料手滑槽式杠杆回转型手多指灵巧手弹性力手抓摆动式手抓F腕部单自由度二自由度三自由度G臂部直线往复运动手臂回转运动手臂俯仰运动H机身直线升降运动水平往复运动I底座固定式机座滑动式机座J（控制）PC
4、L控制电气控制组合总数：1*4*2*5*5*3*3*2*2*1*1=7200通过分析，确定三个可行方案：方案一：A1+B2+C1+D2+E1+F2+G1+H1+I2+J1+J2方案二：A1+B2+C2+D1+E2+F2+G1+H1+I1+J1+J2方案三：A3+B2+C1+D2+E1+F2+G2+H1+I1+J1+J2方案四：A1+B2+C2+D1+E1+F2+G2+H1+I2+J1+J2比较可知，方案三为最佳方案。2.3 主要技术参数抓取重量70kgf手腕运动参数回转运动，回转角90,液压驱动PLC控制手臂运动参数水平移动，最大可移动0.5米，液压驱动PLC控制机身运动参数上下移动，最大可移
5、动0.5米，液压驱动PLC控制自由度4个（2个移动，2个回转）定位精度10mm控制方式电器控制（PLC驱动方式液压kgf/cm22.4 机械手的动作过程机械手将潜水泵拿起，在空中沿运输线方向旋转90o,由人工将高压空气管接头与潜水泵连接好，并通入高压空气，然后机械手将潜水泵按图1所示方向放入水槽中，观察两分钟，确认有无漏气现象后，在将潜水泵拿出水槽，拆去高压空气管接头，并按原位置将潜水泵放回到运输线上。管接头的装拆应在运输线上方进行，装拆过程各需20秒之内完成，运输线每隔5分钟向前运送一个潜水泵。设计动作过程：启动一一水平左移一一夹紧一一水平旋转90一臂收缩一一竖直旋转90一一下降一一上升一一
6、竖直逆转90一一臂伸出一一水平逆转90-一下降一一松开一一水平右移2.5 、机械手原理设计简图由动作要求和实际生产检验的综合考虑，初步拟定机械手结构示意图如下：系统工作原理图2.6 机械手各部方案设计由结构简图可看出，该机械手有4个自由度：腕部的回转运动，实现两旋转；臂部的水平移动；机身的上下移动。(1)、手部主要功能：火紧、放松驱动方式：液压驱动为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，使用夹持式手部。(2)、腕部主要功能：水平、竖直两个方向各旋转(90)驱动方式：液压考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。另外，为
7、使立柱减少高度，竖直方向也旋转。因此，手腕设计成两回转结构，实现手腕回转运动的机构为摆动液压缸。(3)、臂部主要功能：水平移动(伸长、缩短)、旋转驱动方式：液压(4)、机身主要功能：上下移动驱动方式：液压(5)、机械手的驱动方案设计由于液压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用液压传动方式。(6)、机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC1序即可实现，非常方便快捷。三、机械手结构设计1、手部结构设计因为夹取的潜水泵较重，选用齿轮齿条方式传力；手指
8、处考虑到损坏因素，选用V形块夹紧；2、尺寸设计及校核因为钢与铸铁之间的摩擦系数范围是：f=0.050.12;且根据课程设计指导书：V形手指白角度23=1201b=200mmaR=70mm,这里取摩擦系数为f=0.10(1)根据手部结构的传动采用齿条传动,其驱动力为:p=2bNR(2)根据手指夹持工件的方位,可得握力计算公式N=K1*K2*K3*G（V型）取K3=0.5得：N=1.2*3*0.5*700=840N所以2bp=N=4800NR(3)实际驱动力：K1K2p”因为传力机构为齿轮齿条传动，故取”=0.94,并取茁=1,20若被抓取工件的最大加速度取a=g时，则：犬口=1=2g所以p(实际
9、)=4800*1.2*2/0.94=5106N所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为5106NO根据液压原件产品样本选择型号为HSG*01-40/d*Ed的液压缸(4)尺寸校核液压缸内径D1=40mm半径d=20mmj液压缸的尺寸满足使用要求即可，压强P=5106/(3.14*D1*D1-3.14*d1*d1)=5.42MPa,设计使用压强P=6MPa,则驱动力：F=P*-：d2一_6一,_2=6103,140.02=7536NP实际F所以液压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。活塞杆直径d=20mm校核，按公式F1/(2/4)a有：d_(4F1/二二)0,5其中，r=120MPa,F1=5106
10、N则:d-(45106/二120)0,5=7.36=20满足实际设计要求(5)缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空液压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算：、.=DPp/2R式中:6-缸筒壁厚，mmD-液压缸内径，mmPp-实验压力，取Pp=1.5PPa材料为:45钢/仃=120MPa代入己知数据，则壁厚为：、二DPp/2二=1.5mm校核：=3mm/D=0.075L/2+D/2=100/2+40/2=70mm取H=70mm缸盖滑动支承面的长度li=0.8D=0.8*40=32mm采用端盖直接导向方式2、腕部结构设计(1)腕部旋转采用单叶片式
11、摆动液压缸来实现(2)设计计算及校核要求：回转士90o角速度W=40/s以最大负荷计算：当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重70kg,长度l=350mm计算扭矩M1设重力集中于离手指中心100mmt,即扭矩M1为：M1=F所以代入(3.11)公式P=8T/b(A12-mm2)X106=8X34.7/0.03X(0.12-0.032)X106=1.02Mpa又因为W=8Q/(A12-mm2)b所以Q=W(A12-m2)b/8小A1=(兀/4)(0.12-0.032)X0.03/8=0.27X10-4m3/s=27ml/s根据M和Q查表21-5-108选才?YMD6旅压马
12、达尺寸设计查表可得对应尺寸:ADD1D2D3D4L1L2L390度125*125曲25420十20牙100v100364615L4=116L5=132尺寸校核(1)测定参与手腕转动的部件的质量m1=10kg,分析部件的质量分布情况,质量密度等效分布在一个半径r=40mm的圆盘上，那么转动惯量：10 0.0422/ .2、=0.008 (kg.m )m 12Jc工件的质量为70kg,质量分布于长l=350mm的棒料上，那么转动惯量:12700.35212一_，一2、=0.714(kg.m)假如工件中心与转动轴线不重合，对于长1=350mm的棒料来说，最大偏心距e=175mm,其转动惯量为：.2J=Jcme1一_2=0.714700.1752=2.86(kg.m)M惯=(J+J1)/二/4二(0.082.86)0.1=28.07(N.m)(2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为Mm,考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，e=0,夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线e=80mm,则:M偏=G+G333=101005100.08=4(N.m)(3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩，对于滚动轴承f=0.01,对于滑动轴承f=0.1,di,d2为手腕转动轴的轴颈直径，d1=30mm,d2=20mm,Ra,Rb为轴颈处的支承反力，粗略估计也二360N,%
