液壓驅(qū)動機(jī)械手裝置

1、題目 四自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì)（第一、二、三階段） 小組成員姓名與學(xué)號楊駿威(3100104453) 黃 元 (3100101605) 姚津津(3100103253)馬韶君(3100100557) 年級與專業(yè) 機(jī)械電子工程1002班 所在學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)系 第一部分：機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、油缸設(shè)計(jì)與馬達(dá)選型一， 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)需求，我們小組的總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖：1、 機(jī)械臂設(shè)計(jì)需求（1）機(jī)械臂在0.6米全伸距下提供25kg的舉力（2）基座左右回轉(zhuǎn)、上下擺動90度（3）腕關(guān)節(jié)360度回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速835rpm，最大扭矩50Mm（4）手爪開合油缸最大抓力為100kg2、 總體方案為了實(shí)現(xiàn)需求的4個功能，我們使用了4個執(zhí)

2、行元件，分別是基座的擺動馬達(dá)，大臂的90度擺動缸，小臂的360度回轉(zhuǎn)馬達(dá)以及手爪上的薄型伸縮油缸。3、 自由度分配（1） 底盤一個轉(zhuǎn)動自由度，由液壓馬達(dá)驅(qū)動；（2） 機(jī)械臂垂直水平面上下一個擺動自由度，由液壓缸驅(qū)動；（3） 手腕一個轉(zhuǎn)動自由度，由液壓馬達(dá)驅(qū)動；（4）手爪部分由特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成，可直接通過液壓缸的直線運(yùn)動完成對物體的夾取與卸載。4、手爪部分的實(shí)物圖（在液壓缸配合下，可提供抓力符合要求的100kg）：二液壓油缸選型1、對液壓油缸進(jìn)行參數(shù)確定：液壓油缸實(shí)現(xiàn)手部抓取工作。末端要夾取25kg的物體，在末端要有4倍物重的夾緊力。受力分析得到：要使夾具在末端有100kg的夾緊力，油缸需要提

3、供等同于200kg的力?？紤]到液壓缸的效率，設(shè)，則：查找液壓設(shè)計(jì)手冊，選定工作壓強(qiáng)P=7Mpa.由公式：得到：, 帶入公式有：以有桿腔作為工作腔時：，其中在7Mpa時，取d=0.7D.解得：D=0.0296mm=30mm查找液壓設(shè)計(jì)手冊序號缸徑（mm）推力（KN）桿徑(mm)拉力（KN）壓力等級（MPa）壓力等級（MPa）71416212531.571416212531.51326111317202518489121417240718202631402071315202430226121418222825511121619242849101316203501427314149622510212

4、431374628919222834423281619242937367131520243046322445065789832163237495873得到：D=40mm，d=28mm.缸筒長度的確定：L=l+B+A+M+C.其中，最大工作行程l=100mm； 活塞寬度B=0.8D=32mm； 活塞桿導(dǎo)向長度A=0.8D=32mm； 活塞桿密封長度M=5mm； 其他長度C=11mm.缸筒總長度計(jì)算為L=180mm.2、對液壓油缸進(jìn)行參數(shù)確定油缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的俯仰運(yùn)動。全伸距為0.6m，為保證工作角度達(dá)到90度.機(jī)械結(jié)構(gòu)及受力分析:簡化圖如上所示，當(dāng)機(jī)械手平舉時，油缸要給的力最大。OB為最大伸距0.

5、6m，對O點(diǎn)取矩，得到：F=2598.1N考慮到液壓缸的效率，設(shè)，同油缸缸徑的確定方法，得到：D>=33.7mm。確定油缸的參數(shù)：P=7Mpa，D=40mm，d=28mm。油缸長度確定：如圖所示，AB為油缸運(yùn)動最長距離處，AB為油缸運(yùn)動最短距離處。b為油缸工作角。設(shè)油缸兩頭連接的桿長分別為a及0.707a。l=AB-AB,由幾何關(guān)系得到：求得：l=0.874a。3、根據(jù)以上計(jì)算進(jìn)行油缸選型油缸型號：薄型油缸油缸主要參數(shù)：（1）質(zhì)量7kg，（2）缸內(nèi)徑30mm，（3）行程40mm，（4）活塞桿直徑為10mm（5）使用壓力0.314MPa當(dāng)油缸內(nèi)壓力p=7MPa時，油缸所能輸出的拉力，大于所

6、需要的200kg，所以油缸滿足設(shè)計(jì)需求。假設(shè)：（1）被夾持物為25kg（2）手爪薄型油缸為7kg（3）手腕回轉(zhuǎn)擺線馬達(dá)為5.5kg（4）取大臂為10kg（5）取其他連接件與結(jié)構(gòu)件為10kg根據(jù)擺動缸轉(zhuǎn)軸的力矩平衡估算得，擺動缸型號：BMS-50型雙葉片擺動缸擺動缸主要參數(shù)如下：·質(zhì)量17.8kg，·排量173ml/r，·使用壓力16.3MPa經(jīng)計(jì)算，當(dāng)擺動缸內(nèi)壓力p>4MPa時，輸出力矩可以滿足需求。三， 液壓馬達(dá)選型這里主要用到了兩個馬達(dá)，分別是底座驅(qū)動液壓馬達(dá)與手腕旋轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達(dá)，在該場合下，我們的馬達(dá)轉(zhuǎn)速較低，需要提高傳動效率，降低工作壓力，另外，馬達(dá)排

7、量越大，工作壓力越低，低速穩(wěn)定性越好，這正是我們需要的。假設(shè)：整個裝置的凈重為20kg，夾取重物后重量為45kg。全伸距0.6m。 機(jī)械爪部分質(zhì)量為5kg，重心位置與夾取物重心位置重合。伸展寬度最大為0.2m，收縮夾取重物后寬度為0.1m，最大夾緊力為1000N，舉力為250N，機(jī)械手與重物間的平均滑動摩擦系數(shù)為0.1.1、首先對液壓馬達(dá)進(jìn)行參數(shù)確定：根據(jù)需求的最大扭矩為50N·m，（一）轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)速取20rpm。工作壓力取14MPa。當(dāng)抓緊力剛好夠夾取物體時，轉(zhuǎn)矩為2.5N· m，此時排量由計(jì)算公式Dm =T· 2pi/P，得到Dm=1.12ml；由流量

8、公式Q=n·Dm，得到Q=0.375ml/s。當(dāng)抓緊力為1000N時，轉(zhuǎn)矩為10N·m，Dm=4.48ml，Q=1.5ml/s當(dāng)達(dá)到最大扭矩時，Dm=22.4ml，Q=7.5ml/s。（二）轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)時最低轉(zhuǎn)速為8rpm時，工作壓力取14MPa，得到三種條件下的排量流量分別為：T=2.5N· m，Dm=1.12ml，Q=0.15ml/s；T=10N·m，Dm=4.48ml，Q=0.6ml/s；T=50N·m，Dm=22.4ml，Q=3ml/s。 最高轉(zhuǎn)速為35rpm時，工作壓力取14MPa，同樣得到三種條件下的排量流量分別為：T=2.5N

9、83; m，Dm=1.12mL，Q=0.65ml/s；T=10N·m，Dm=4.48mL，Q=2.63ml/s；T=50N·m，Dm=22.4mL，Q=13.13ml/s。綜上，手腕旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的排量范圍Dm在1.12ml至22.4ml。流量Q范圍在0.15ml/s至13.13ml/s之間。2、再對液壓馬達(dá)進(jìn)行參數(shù)確定：設(shè)工作壓強(qiáng)仍然為14MPa，整個裝置作用在底盤上的力為載荷的三倍75kg，底座采用滾動軸承支撐，與支撐臂的摩擦系數(shù)為0.04，底座中心與支撐臂極限工作點(diǎn)間距為0.6m，則作用在底座馬達(dá)上的扭矩為18N·m。底座轉(zhuǎn)速為10rpm。按照同樣的方法可以計(jì)算得

10、到馬達(dá)排量：Dm=8.07mL，Q=1.35ml/s。綜上可采用VICKERS/威格士BMP型擺線液壓馬達(dá)，數(shù)據(jù)如下：由參數(shù)與數(shù)據(jù)可得，兩液壓馬達(dá)均可選擇表中第一列的BMP-50型液壓馬達(dá)。二， 油路設(shè)計(jì)以及斷路保護(hù)設(shè)計(jì)（一）設(shè)計(jì)概述在液壓系統(tǒng)中，控制閥用來控制和調(diào)節(jié)工作液體的壓力高低、流量大小以及改變流量方向，能夠控制執(zhí)行元件的開啟、停止和換向，調(diào)節(jié)其運(yùn)動速度和輸出扭矩輸出力，并對液壓系統(tǒng)或液壓元件進(jìn)行安全保護(hù)。這次在上次完成 “五功能”機(jī)械手的執(zhí)行器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對機(jī)械手的控制閥組進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于控制閥組對液壓機(jī)械手的運(yùn)行速度以及液壓缸的流量等具有較大的影響，牽扯到機(jī)械手的穩(wěn)定性和實(shí)用性

11、的問題，因此控制閥組的設(shè)計(jì)需要保證液壓機(jī)械手不同關(guān)節(jié)（不同執(zhí)行器）在運(yùn)動中有合適的速度，保證液壓缸中進(jìn)出合適的流量使得系統(tǒng)安全等等問題。（二）設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)一回路能夠使得前述的四個執(zhí)行器都分別自如運(yùn)動，達(dá)到能夠需要的位移或者轉(zhuǎn)矩；2.設(shè)計(jì)旁路能夠使得系統(tǒng)能夠停留在原位置，避免出現(xiàn)機(jī)械手失效，造成損失；3.設(shè)計(jì)的閥組能夠控制執(zhí)行器具有適合其狀態(tài)的運(yùn)動速度；4.此設(shè)計(jì)只著重于所有閥組的設(shè)計(jì)（三）設(shè)計(jì)原理液壓控制閥一般控制執(zhí)行元件的開?；驌Q向，運(yùn)動速度或轉(zhuǎn)矩，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)。壓力控制閥用于控制或者調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)或回路壓力的閥，如溢流閥等；方向控制閥用于控制液壓系統(tǒng)中液流的方向及通斷，如單向

12、閥、換向閥等，此類閥一般屬于系統(tǒng)中關(guān)鍵閥；流量控制閥用于控制液壓系統(tǒng)中工作液體流量大小的閥，如節(jié)流閥、調(diào)速閥等。（四）每個回路中都采用液控單向閥來鎖住回路中的油，達(dá)到斷路保護(hù)的功能（五）設(shè)計(jì)方案1、主油路設(shè)計(jì)溢流閥：采用直動式溢流閥，用于油路過載保護(hù)。對于該系統(tǒng)，由于選定的泵的輸出壓力為1500psi（約為10.5Mpa），而在操作中采用單個元件運(yùn)動方式，則最大流量約為0.15L/s（9L/min），故選用溢流壓力：15Mpa；額定流量：10L/min。2、液壓馬達(dá)回路設(shè)計(jì)（基座旋轉(zhuǎn)油路設(shè)計(jì)）1、液壓馬達(dá)主要控制支座的回轉(zhuǎn)，輸出速度較小，其內(nèi)腔不會出現(xiàn)“氣穴”現(xiàn)象，故不需要與油箱連接的單向閥平

13、衡油壓；2、其所包含的控制閥有：調(diào)速閥（實(shí)現(xiàn)入口出口的共同調(diào)速，更穩(wěn)定）、換向閥；3、由之前執(zhí)行器設(shè)計(jì)所得到的數(shù)據(jù)可以確定各個控制閥的壓力流量數(shù)據(jù)：考慮安全因數(shù)n=1.52，得如下數(shù)據(jù)：額定流量L/min額定壓力Mpa換向閥形式調(diào)速閥01214換向閥1214三位四通3、液壓馬達(dá)回路設(shè)計(jì)（手腕旋轉(zhuǎn)油路設(shè)計(jì)）1、該馬達(dá)主要用來帶動手爪旋轉(zhuǎn)，所需流量功率均較??；2、其所包含的控制閥有：平衡閥、換向閥；3、由之前執(zhí)行器設(shè)計(jì)所得到的數(shù)據(jù)可以確定各個控制閥的壓力流量數(shù)據(jù)：考慮安全因數(shù)n=1.52，得如下數(shù)據(jù)：額定流量L/min額定壓力Mpa換向閥形式調(diào)速閥0614換向閥614三位四通4、油缸回路設(shè)計(jì)（手爪開合油路設(shè)計(jì)）1、油缸主要用來控制手抓開合，行程較短，而且要求速度較快，同時在達(dá)到設(shè)定壓力后會自動停止，故除了有調(diào)速閥還加入了一個節(jié)流閥用于控制壓力；2、其所包含的控制閥有：單向閥、節(jié)流閥、換向閥；3、由之前執(zhí)行器設(shè)計(jì)所得到的數(shù)據(jù)可以確定各個控制閥的壓力流量數(shù)據(jù)：考慮安全因數(shù)n=1.52，得如下數(shù)據(jù)：額定流量L/min額定壓力Mpa換向閥形式節(jié)流閥<210調(diào)速