题目四自由度机械手的设计（第一、二、三阶段）小组成员姓名与学号杨骏威(3100104453)黄元(3100101605)姚津津(3100103253)马韶君(3100100557)年级与专业机械电子工程1002班所在学院机械工程学系第一部分：机构设计、油缸设计与马达选型一，机构设计根据需求，我们小组的总体机构设计原理图：1、机械臂设计需求（1）机械臂在0.6米全伸距下提供25kg的举力（2）基座左右回转、上下摆动90度（3）腕关节360度回转，转速8~35rpm，最大扭矩50Mm（4）手爪开合油缸最大抓力为100kg2、总体方案为了实现需求的4个功能，我们使用了4个执行元件，分别是基座的摆动马达⑤，大臂的90度摆动缸③，小臂的360度回转马达⑥以及手爪上的薄型伸缩油缸④。

3、自由度分配（1）底盘一个转动自由度，由液压马达⑤驱动；（2）机械臂垂直水平面上下一个摆动自由度①，由液压缸①驱动；（3）手腕一个转动自由度②，由液压马达⑥驱动；（4）手爪部分⑨由特殊的机械结构构成，可直接通过液压缸的直线运动完成对物体⑩的夹取与卸载。

4、手爪部分的实物图（在液压缸配合下，可提供抓力符合要求的100kg）：二．液压油缸选型1、对液压油缸④进行参数确定：液压油缸④实现手部抓取工作。

末端要夹取25kg 的物体，在末端要有4倍物重的夹紧力。

受力分析得到：要使夹具在末端有100kg 的夹紧力，油缸需要提供等同于200kg 的力。

考虑到液压缸的效率，设=0.8η，则：200kg9.8/2450F N kg Nη=•=查找液压设计手册，选定工作压强P=7Mpa. 由公式：2,/4FP S D S π==• 得到：4F D P π=,带入公式有：64424500.02121710F D m mm P ππ====⨯g g 以有杆腔作为工作腔时：24d FD P π=+，其中在7Mpa 时，取d=0.7D.解得：D=0.0296mm=30mm 查找液压设计手册序号缸径（mm）推力（KN）杆径(mm)拉力（KN）压力等级（MPa）压力等级（MPa）7 14 16 21 25 31.5 7 14 16 21 25 31.51 32 6 11 13 17 20 25 184 8 9 12 14 172 40 7 18 20 26 31 40 20 7 13 15 20 24 3022 6 12 14 18 22 2825 5 11 12 16 19 2428 4 9 10 13 16 203 50 14 27 31 41 49 62 25 10 21 24 31 37 4628 9 19 22 28 34 4232 8 16 19 24 29 3736 7 13 15 20 24 304 63 22 44 50 65 78 98 32 16 32 37 49 58 73 得到：D=40mm，d=28mm.缸筒长度的确定：L=l+B+A+M+C.其中，最大工作行程l=100mm；活塞宽度B=0.8D=32mm；活塞杆导向长度A=0.8D=32mm；活塞杆密封长度M=5mm；其他长度C=11mm.缸筒总长度计算为L=180mm.2、对液压油缸⑥进行参数确定油缸⑥实现机械手的俯仰运动。

全伸距为0.6m，为保证工作角度达到90度.机械结构及受力分析:简化图如上所示，当机械手平举时，油缸要给的力最大。

OB为最大伸距0.6m，对O点取矩，得到：F=2598.1N考虑到液压缸的效率，设=0.8η，同油缸④缸径的确定方法，得到： D>=33.7mm 。

确定油缸④的参数： P=7Mpa ， D=40mm ， d=28mm 。

油缸长度确定：如图所示，AB 为油缸运动最长距离处，A ’B 为油缸运动最短距离处。

b 为油缸工作角。

设油缸两头连接的杆长分别为a 及0.707a 。

l=AB-A ’B,由几何关系得到：22a +0.5a -2a 0.707a cos135AB =o g g求得：l=0.874a 。

L l B A M C 0.88200+32+5+12=225mm =++++=⨯3、根据以上计算进行油缸选型油缸④型号：4030-SD -CX ⨯薄型油缸 油缸④主要参数： （1）质量7kg ，（2）缸内径30mm ， （3）行程40mm ，（4）活塞杆直径为10mm （5）使用压力0.3~14MPa当油缸内压力p=7MPa 时，油缸所能输出的拉力()()[]kg F 4701010103041105232361≈⨯-⨯⨯⨯⨯=--π，大于所需要的200kg ，所以油缸满足设计需求。

假设：（1）被夹持物为25kg （2）手爪薄型油缸为7kg（3）手腕回转摆线马达为5.5kg （4）取大臂为10kg（5）取其他连接件与结构件为10kg 根据摆动缸转轴的力矩平衡估算得，mm kg M o ⋅=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=2315022510100102905.5470760025m N ⋅=232摆动缸③型号：BMS-50型双叶片摆动缸 摆动缸③主要参数如下： ·质量17.8kg ， ·排量173ml/r ，·使用压力1~6.3MPa经计算，当摆动缸内压力p>4MPa 时，输出力矩可以满足需求。

三， 液压马达选型这里主要用到了两个马达，分别是底座驱动液压马达⑤与手腕旋转驱动马达⑥，在该场合下，我们的马达转速较低，需要提高传动效率，降低工作压力，另外，马达排量越大，工作压力越低，低速稳定性越好，这正是我们需要的。

假设：整个装置的净重为20kg ，夹取重物后重量为45kg 。

全伸距0.6m 。

机械爪部分质量为5kg ，重心位置与夹取物重心位置重合。

伸展宽度最大为0.2m ，收缩夹取重物后宽度为0.1m ，最大夹紧力为1000N ，举力为250N ， 机械手与重物间的平均滑动摩擦系数为0.1.1、首先对液压马达⑥进行参数确定：根据需求的最大扭矩为50N ·m ，（一）转速不可调节时，转速取20rpm 。

工作压力取14MPa 。

当抓紧力刚好够夹取物体时，转矩为2.5N · m ，此时排量由计算公式Dm =T · 2pi/P ，得到Dm=1.12ml ；由流量公式Q=n ·Dm ，得到Q=0.375ml/s 。

当抓紧力为1000N 时，转矩为10N ·m ，Dm=4.48ml ，Q=1.5ml/s 当达到最大扭矩时，Dm=22.4ml ，Q=7.5ml/s 。

（二）转速可调节时①最低转速为8rpm时，工作压力取14MPa，得到三种条件下的排量流量分别为：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。

②最高转速为35rpm时，工作压力取14MPa，同样得到三种条件下的排量流量分别为：T=2.5N·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。

综上，手腕旋转马达的排量范围Dm在1.12ml至22.4ml。

流量Q范围在0.15ml/s 至13.13ml/s之间。

2、再对液压马达⑤进行参数确定：设工作压强仍然为14MPa，整个装置作用在底盘上的力为载荷的三倍75kg，底座采用滚动轴承支撑，与支撑臂的摩擦系数为0.04，底座中心与支撑臂极限工作点间距为0.6m，则作用在底座马达上的扭矩为18N·m。

底座转速为10rpm。

按照同样的方法可以计算得到马达排量：Dm=8.07mL，Q=1.35ml/s。

综上可采用VICKERS/威格士BMP型摆线液压马达，数据如下：由参数与数据可得，两液压马达均可选择表中第一列的BMP-50型液压马达。

二，油路设计以及断路保护设计（一）设计概述在液压系统中，控制阀用来控制和调节工作液体的压力高低、流量大小以及改变流量方向，能够控制执行元件的开启、停止和换向，调节其运动速度和输出扭矩输出力，并对液压系统或液压元件进行安全保护。

这次在上次完成“五功能”机械手的执行器设计的基础上，继续对机械手的控制阀组进行设计。

由于控制阀组对液压机械手的运行速度以及液压缸的流量等具有较大的影响，牵扯到机械手的稳定性和实用性的问题，因此控制阀组的设计需要保证液压机械手不同关节（不同执行器）在运动中有合适的速度，保证液压缸中进出合适的流量使得系统安全等等问题。

（二）设计要求1.设计一回路能够使得前述的四个执行器都分别自如运动，达到能够需要的位移或者转矩；2. 设计旁路能够使得系统能够停留在原位置，避免出现机械手失效，造成损失；3. 设计的阀组能够控制执行器具有适合其状态的运动速度；4. 此设计只着重于所有阀组的设计（三）设计原理液压控制阀一般控制执行元件的开停或换向，运动速度或转矩，并对整个系统进行安全保护。

压力控制阀用于控制或者调节液压系统或回路压力的阀，如溢流阀等；方向控制阀用于控制液压系统中液流的方向及通断，如单向阀、换向阀等，此类阀一般属于系统中关键阀；流量控制阀用于控制液压系统中工作液体流量大小的阀，如节流阀、调速阀等。

（四）每个回路中都采用液控单向阀来锁住回路中的油，达到断路保护的功能（五）设计方案1、主油路设计溢流阀：采用直动式溢流阀，用于油路过载保护。

对于该系统，由于选定的泵的输出压力为1500psi（约为10.5Mpa），而在操作中采用单个元件运动方式，则最大流量约为0.15L/s（9L/min），故选用溢流压力：15Mpa；额定流量：10L/min。

2、液压马达⑤回路设计（基座旋转油路设计）1、液压马达⑤主要控制支座的回转，输出速度较小，其内腔不会出现“气穴”现象，故不需要与油箱连接的单向阀平衡油压；2、其所包含的控制阀有：调速阀（实现入口出口的共同调速，更稳定）、换向阀；3、由之前执行器设计所得到的数据可以确定各个控制阀的压力流量数据：''P=n n n 1.5-2Q n Q P P Q =⨯⨯≈计算计算计算计算其中、，、为执行器的设计数据考虑安全因数n=1.5—2，得如下数据：额定流量L/min 额定压力Mpa 换向阀形式调速阀 0—12 14 换向阀1214三位四通3、液压马达⑥回路设计（手腕旋转油路设计）⑥1、该马达主要用来带动手爪旋转，所需流量功率均较小；2、其所包含的控制阀有：平衡阀、换向阀；3、由之前执行器设计所得到的数据可以确定各个控制阀的压力流量数据：''P=n n n 1.5-2Q n Q P P Q =⨯⨯≈计算计算计算计算其中、，、为执行器的设计数据考虑安全因数n=1.5—2，得如下数据：额定流量L/min 额定压力Mpa 换向阀形式调速阀 0—6 14 换向阀614三位四通4、油缸④回路设计（手爪开合油路设计）④1、油缸④主要用来控制手抓开合，行程较短，而且要求速度较快，同时在达到设定压力后会自动停止，故除了有调速阀还加入了一个节流阀用于控制压力；2、其所包含的控制阀有：单向阀、节流阀、换向阀；3、由之前执行器设计所得到的数据可以确定各个控制阀的压力流量数据：''P=n n n 1.5-2Q n Q P P Q =⨯⨯≈计算计算计算计算其中、，、为执行器的设计数据考虑安全因数n=1.5—2，得如下数据：额定流量L/min 额定压力Mpa 换向阀形式节流阀 <2 10 调速阀 0—2.4 10 换向阀2.410三位四通5、油缸③回路设计（大臂升降油路设计）③1、油缸③在整个机械手中受力最大，而且由于油缸回程时受到较大的重力影响，故需要设计与油箱连接的单向阀平衡油压；2、其所包含的控制阀有：单向阀、换向阀等；3、由之前执行器设计所得到的数据可以确定各个控制阀的压力流量数据：''P=n n n 1.5-2Q n Q P P Q =⨯⨯≈计算计算计算计算其中、，、为执行器的设计数据考虑安全因数n=1.5—2，得如下数据：额定流量L/min 额定压力Mpa 换向阀形式单向阀 <5 10 调速阀 0—18 10 换向阀1810三位四通。