课程设计报告(20010--2011年度第二学期)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0803班学号： 200804000819 学生姓名：吴海龙指导教师：杨晓红、杨化动、花广如设计周数：两周成绩：日期：2012年 1月12日目录一、主要内容 (1)二、机械手总体方案设计 (1)1、主要技术参数 (1)2、机械手动作过程 (2)3、机械手原理设计简图 (2)4、机械手各部方案设计 (3)三、机械手结构设计 (3)1、手部结构设计 (3)2、腕部结构设计 (6)3、臂部结构设计 (9)4、立柱结构设计 (14)四、机械手整体装配及其零件二维图生成 (17)五、液压回路原理图 (22)六、电气控制原理图 (22)七、心得体会 (23)八、参考文献 (23)一、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1、 主要技术参数图2 潜水泵外形图2、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——下降——夹紧——上升——水平旋转90——臂收缩——竖直旋转90——下降——上升——竖直逆转90——臂伸出——水平逆转90——下降——松开——上升 3、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3、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：①腕部的回转运动，实现两旋转；②臂部、手部的水平移动；③机身的上下移动。
（1）、手部主要功能：夹紧、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回转液压缸。
（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PLC 程序即可实现，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；手指处考虑到损坏因素，选用V 形块夹紧； 2、尺寸设计及校核V 形手指的角度 1202=ϑ，mm R mm b 70200=>=,摩擦系数为10.0=f (1) 根据手部结构的传动采用齿条传动，其驱动力为:Rb p 2=N(2)根据手指夹持工件的方位，可:N=fG=0.1*700=70N 所以Rb p 2=N=420N(3)实际驱动力:η21K K pp ≥实际因为传力机构为齿轮齿条传动，故取94.0=η，并取5.11=K 。
若被抓取工件的最大加速度取g a 3=时，则:412=+=ga K所以)(268194.045.1420N p =⨯⨯=实际所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为2681N 。
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1D =40mm,半径R=20mm 的液压缸的尺寸满足使用要求即可,压强P ’=2.84MPa,设计使用压强MPa P 3=, 则驱动力： 2R P F π⋅=)(376802.014.310326N =⨯⨯⨯=P 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mm d 20=校核，按公式][)4//(21σπ≤d F 有:5.0])[/14(σπF d ≥其中，[σ]MPa 120=，N F 26811= 则:5.0)120/26814(⨯⨯≥πd2075.16≤=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:][2/σδp DP =式中:6- 缸筒壁厚，mmD- 液压缸内径，mmpP - 实验压力，取P P p 5.1=Pa材料为:4钢,[σ]=120MPa 代入己知数据，则壁厚为:][2/σδp DP =)(4)101202/(10165.14066mm =⨯⨯⨯⨯⨯=取mm 4=δ，则缸筒外径为:)(4824401mm D =⨯+=根据液压缸活塞行程系列参数系列（GB2349—80）选择液压缸行程L=80mm 。
最小导向长度H 应满足条件： H>L/20+D/20=25/2+40/2=32.5mm 取H=35mm缸盖滑动支承面的长度l 1=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摆动液压缸来实现 （2）设计计算及校核要求：回转±90º 角速度W=45º/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 。
①计算扭矩M1设重力集中于离手指中心100mm 处，即扭矩M1为：M1=F³S （3.9） =70³9.8³0.1=68.6（N²m ）②油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩M 2F=5kg S=10cm带入公式3.9得M2=F ³S=5³9.8³0.1 =4.9（N²m ） ③摆动缸的摩擦力矩M 摩 F 摩=300（N ）（估算值） S=20mm （估算值） M 摩= F 摩³S=6（N ²m ） ④摆动缸的总摩擦力矩MM=M1+M2+ M 摩=79.5（N ²m ） （3.10） ⑤由公式T=P³b（ΦA1²-Φmm ²）³106/8 （3.11） 其中： b —叶片密度，这里取b=3cm ； ΦA1———摆动缸内径, 这里取ΦA1=10cm ； Φmm ———转轴直径, 这里取Φmm =3cm 。
所以代入（3.11）公式 P=8T/b （ΦA1²-Φmm ²）³106=8³30.5/0.03³（0.1²-0.03²）³106 =0.89Mpa 又因为W=8Q/（ΦA1²-Φmm ²）b 所以Q=W （ΦA1²-Φmm ²）b/8φA1=（π/4）（0.1²-0.03²）³0.03/8 =0.27³10-4m ³/s=27ml/s根据M 和Q 选择YMD60液压马达⑥尺寸设计液压缸长度设计为mm b 86=,液压缸内径为1D =70mm,半径mm R 35=,轴径mm D 202=,半径mm R 10=, 压强MPa P 4=,则力矩： 2)(22r R pb M -=).(6.322)026.0048.0(86.0104.0226m N =-⨯⨯=⑦尺寸校核（1）测定参与手腕转动的部件的质量kg m 101=,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径mm r 40=的圆盘上，那么转动惯量：221r m J =204.0102⨯==0.008（2.m kg ）工件的质量为70kg ,质量分布于长mm l 350=的棒料上，那么转动惯量：).(714.01235.07012222m kg ml J c =⨯==假如工件中心与转动轴线不重合，对于长mm l 350=的棒料来说，最大偏心距mm e 1751=，其转动惯量为:).(86.2175.070714.022211m kg e m J J c =⨯+=+=惯MtJ J ∆+=ω)(1).(07.281.04/)86.208.0(m N =+=π（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M 偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，01=e ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线mm e 803=,则：=偏M11e G +33e G).(408.010501010m N =⨯⨯+⨯⨯=（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为摩M ，对于滚动轴承01.0=f ，对于滑动轴承f =0.1，1d ，2d 为手腕转动轴的轴颈直径，mm d 301=, mm d 202=,A R ,B R 为轴颈处的支承反力，粗略估计N R A 300=,N R B 150=,摩M=)(212d R d R fB A +=)03.015002.0300(201.0⨯+⨯=).(05.0m N（4）回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M 封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。
在此处估计封M 为摩M 的3倍，封M=3⨯摩M=05.03⨯ =).(15.0m N∴摩偏惯驱MMMMM+++==15.005.0407.28+++ =).(27.32m NM M 〈驱∴设计尺寸符合使用要求，安全。
同理选用YMD120液压马达做另一旋转腕3、 手臂结构设计（1）材料的选择1）要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒还要求有良好的抗热性能，取铸钢为材料。
2）缸筒毛坯，普通采用退火的冷拔或热处理。
（2）对缸筒的要求1）有足够的的刚度，能长期承受最高工作压力及短期动态，试验压力不至于导致永久的变形。
2）有足够的的刚度，能承受活塞的侧向力和安装的的反作用力而不致产生弯曲。
3）内表面的一活塞的密封件的摩擦力的作用下，能长期工作而磨损少于公差等级及形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。
4）需焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊接上法兰盘接头后，不致于产生裂纹或过大的变形。
(3) 液压缸的设计计算1）驱动力作的确定 根据公式W F F P g m q ±+=Kgf 式中 m F ——各支承处的摩擦力，320N g F ——启动时惯性力，900N W ——运动部件的总重量，1400N ±——上升为正，下降为负 所以N P q 3120=2）液压缸内径D 和活塞杆直径d 的确定 因为是单活塞杆，所以由公式fcF p d DF P D +-+=22212)(44ππ（2—1）试中 1p ——液压缸工作压力，初算时可取系统的工作压力，2.7MPa 2p ——液压缸回油腔的背压力，初算时无法准确酸楚算出，可根据表2—2估计Dd——活塞F ——工作循环中最大的外负载；fcF ——液压缸密封处摩擦力，它的精确值不易求得，常用液压缸的机械效率cmη进行估算。