工业机械手液压系统设计文档格式.docx

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分析整个循环过程，确定系统工作原理图，根据系统参数要求选择标准的液压元件，完成液压系统的装配图。

液压集成块作为现在液压系统的主要部件，当前液压集成块应用开发受到了国内外液压界的广泛重视，液压集成块的CAD的研究与开发已为液压工程设计提供了有力的支持，在对机械手液压系统集成块设计过程中，能够与实际的加工工艺相结合。

并且对现在的液压集成块的CAD技术有很好的认识。

关键词：

工业机械手，驱动，集成块，原理

DesignofTheIndustryManipulator

Abstract:

Thistextintroduceupperandlowermaterialspenddesignprocessofmanipulator,itincludetowholejobrequirementsandanalysisofsituationofsystemmainly,confirmthewholestructuraldesignsystematicinhydraulicpressurethroughtheworkingcourseofthesystem.Analysewholecyclicalprocess,confirmsystematicoperationprinciplepicture,requirethehydraulicpressurecomponentofthestandardforselectionaccordingtosystematicparameter,finishtheinstallationdiagramsystematicinhydraulicpressure.Hydraulicpressureintegratepieceasnowmainpart,hydraulicpressureofsystem,hydraulicpressureatpresentintegratepiecesofapplicationanddevelopmentreceivedomesticandinternationalhydraulicpressureextensiveattentionofcircle,hydraulicpressureintegrateresearchanddevelopmentofCADofpiecealreadyoffereffectivesupportforengineeringdesignofthehydraulicpressure,whiledesignthesystemintegrationoneofhydraulicpressureofthemanipulator,cancombinewithrealprocessingtechnology.AndCADintegratingonetothepresenthydraulicpressurehasverygoodunderstanding.

Keyword:

Industrymanipulator,Drive,Hydraulicmanifoldblock,Elements

引言

工业机器人一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、某些家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机）、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

第一章机械手设计要求分析

1.1设计目的和要求

上下料用机械手能在不同高度与不连续的工作台之间实现机械零件的重复取放，代替人工劳动，减轻了人工劳动强度，提高了自动化水平和劳动生产率，保证了产品和工人的质量与安全。

1.2.机械手简介与分析

1.上下料用机械手采用圆柱坐标的结构形式，主要的组成部分有：

升降机构，回转机构，手臂伸缩结构等，在这三中机构中采用液压驱动传动方式，能保证机械手的整体结构的紧凑性，运动平稳以及可以方便的实现无级调速。

2.如图所示，机械手在工作过程中需三种运动，其中手臂的伸缩和立柱的升降为两种直线运动，而手臂的回转为圆周运动，所以采用圆柱坐标形式。

其特点是，结构简单，手臂运动范围大，有较高的定位准确度。

图1机械手运动坐标形式

3.机械手的工作范围

机械手在水平方向上的伸缩范围为至两个不同高度的工作台的距离，手臂伸缩总行程为500mm，手臂回转的运动范围为90度，立柱升降的垂直方向的距离为两工作台的高度差，总行程为200mm

第二章液压系统设计

2.1.根据工作要求确定一个工作循环周期的运动过程

1.手臂位于初始位置

（1）

2.手臂伸长至工作台

（1）

3.手指抓取工件（延时20s，确保工件被抓住）

4.手臂缩回

5.立柱升高至所需高度，至工作台

（2）

6.手臂回转角度α，至位置

（2）

7.手臂伸长并释放工件（延时20s，确保工件被成功释放）

8.手臂缩回

9.手臂回转角度—α，至位置

（1）

10.立柱下降高度至工作台

（1）

图2上下料机械手运动位置示意图

图3上下料机械手工作行程范围示意图

工作行程范围：

角度0-240度；

手作工作范围200mm；

高度工作范围200mm

2.2据工作循环过程确定系统工况分析图，确保工作运动中的动作连续性

图4机械手运动循环工况分析图

2.3拟订液压系统的工作原理图

2.3.1.根据整个系统的工作完成步骤，选择合适的液压缸。

伸缩运动和升降运动选择单杆活塞液压缸，回转运动选择摆动液压缸，保证整个系统能够达到稳定的运动效果。

2.3.2.液压回路的选择

确定液压执行元件以后，根据设备的共组特点和工作要求确定对主要性能起决定性影响的主要回路，机械手液压系统主要有针对伸缩运动，升降运动和回转运动的三个主要运动回路。

2.3.3.对以上的液压元件和液压回路进行综合

液压回路的综合就是把选择的液压回路放在一起，进行归并整理，增加必要的液压元件和辅助回路，确定完整的液压传动系统。

同时注意：

a.尽量简化系统机构，减少不必要的液压元件使用；

b.保证整个液压系统运动动作的可靠，安全，没有元件与机构之间的相互干涉问题的存在；

c.尽可能的去提高系统的工作效率，减少不必要的功耗的浪费；

d.尽可能采用标准通用的液压元件。

综合以上的动作，原理以及元件，绘制液压系统原理图。

下图为本机械手液压系统的工作原理图：

图5上下料机械手液压系统的工作原理图

（注：

上图中的s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7为行程控制开关）

2.4根据整个系统的液压元件需求选择标准的液压元件

机械手液压系统的主要液压元件选择包括：

油箱，滤油器，油泵，溢流阀，减压阀，单向阀，电磁换向阀，单向节流阀，以及相应的电器开关等

主要液压元件规格如下表：

压力表

KF3—E3B

节流阀

L—10H

三位四通电磁换向阀

34—H10B

单向阀

AJ—H10B

减压阀

JF3—10B

两位四通电磁换向阀

24—H10B

（安装方法参照液压系统工作原理图）

2.5液压缸尺寸的确定及安全强度的校核

根据设计的参数要求，确定合理的液压缸尺寸

2.5.1.伸缩液压缸的设计计算

由于工件相对于整个系统较小，并且工件运动为水平运动垂直于重力方向和摩擦力方向，所以对于运动过程来说负载较小，故不进行负载分析。

伸缩液压选择单杆式活塞缸

工作行程为500mm

由于此工业机械手属于小型的工程机械，故选初始压力P=10Mpa

试取q=30L/min

V1=100mm/s（活塞伸出的速度）

V2=130mm/s（活塞缩回的速度）

则：

A=q/V1=50cm2

=

由于

故

=40mm

取标准CHSG01-01/De速比1.337

=80mm

2.5.2工作腔面积

2.5.3活塞稳定性较核

活塞工作总行程S=500mm活塞杆直行

e/d=500/400=12.5

10需进行稳定性校核

由材料力学中有关公式，根据液压缸一端支承一端

链取末端数据

=2活塞杆选用普通碳钢，则：

材料强度实验值f=4.9

Pa，

=85

因为

所以它的载荷

当取安全系数为

=4时

所以满足稳定性要求

则对于伸缩而言则取缸径

=80mm

杆半径

求液压缸流量：

2.摆动缸计算

回转角度

液压缸和工作压力

则输出压力

取q=30L/min

故取b=30mm

=70mm

=50mm

故可驱动基于手臂的回转运动

3.升降机构设计计算

由于手臂伸缩机构与摆动机构等重量全载与升降机构，故算的

选液压缸工作压力P=10MPa工作负载

=2500N

取

=100mm

=50mm

取V=50mm/s则耗时约为4s

第三章.集成块的设计

3.1设计分析

在整个液压系统中，由于整个系统由若干个液压阀有机组合在一起的，各个液压阀之间的连接方式主要有：

管式连接，板式连接，集成式连接。

集成式连接又可以分为集成块式连接，叠加阀式连接，插装锥阀式连接。

由于管式连接结构分散，尤其对于复杂的液压系统，占据空间很大，管路交错，接头较多，装卸维修困难，并且在接头处容易造成油液的泄露与空气的渗入，有时会产生噪音和震动。

板式连接一般油管较多，而且易在两板之间形成间隙，出现漏油，串腔等问题。

而集成块式连接是集成式连接中的一种，即借助于集成块把标准式的板式连接的液压元件连接起来，它是一种代替管路把元件连接起来的六面连接体，在连接体内根据各控制油路设计出需要的油路通道，液压阀装在集成块周围。

集成块的上下面是块与块的结合面，在结合面上加工有相同位置的压力油孔P，回油孔T，泄露油孔L，以及安装螺栓孔。

集成块与装在周围的阀类元件之间组成一个集成块组，可以完成一定典型回路的功能。

将所有的集成块组叠加在一起，就可以构成整个集成块式的液压传动接系统。

在所有的集成块组的下面应该有底板结构，底板上有压力油孔P，回油孔T，泄露油孔L等，通过底板来实现集成块组与油泵和油箱的连接，在所有的集成块组上面还应该有顶盖结构，在顶盖上可以安装压力表开关，以便于测量系统中各连接点或者某一油路的压力情况，这种集成方式的优点是它的机构紧凑，占地面积小，易于装卸和维修，并且具有标准化和系列化产品。

以选用组合，因而被广泛用于各种中高压液压系统和各种中低压液压系统中，但是对于它的设计，工作量比较大，加工工艺复杂，不能任意修改等缺点。

下面就简单的集成块举一个例子。

包括三维造型的线形结构和实体结构。

（如下图）

图6集成块三维造型的线形结构

图7集成块的三维实体造型

3.2根据具体的要求进行设计计算

上下料用的机械手液压系统的集成块设计系统见集成块装配图，它包括地板块，升降机构控制集成块，回转机构控制集成块，伸缩机构控制集成块以及顶盖等五个集成块组成。

下面针对整个系统中的伸缩缸液压控制回路集成块为例子，具体说明整个集成块的设计计算过程：

为了能满足整个循环的工作要求，则该回路共需四个液压元件，有相关手册查得它们的型号和规格，以及安装底板在安装这些元件时候应考虑的油孔的相对位置情况等

a．减压阀

型号：

JF3-10B

通径：

Φ10

连接底板标准：

GB8100-AG-06-2-A

外型尺寸：

84mm*61mm

安装螺栓孔和油孔的相对位置如下：

b．单向阀

AJ-H10B

AJ型直角单向阀板式连接

60mm*90mm

c．三位四通电磁换向阀

弹簧对中型代号O

34-H10B

规格：

流量40L/min

公称压力31.5Mpa

换向频率60次/min

电压AC220V50Hz±

10%

DC12V24V±

功耗AC40W

DC42W

安装螺栓孔和油孔的相对位置如下：

d．单向节流阀

L-H10

板式连接

130mm*90mm

3.3下面为集成块的设计步骤

1．根据上面查得的标准，做液压元件样板，根据阀的油孔和外型尺寸确定液压集成块的外型尺寸，以及阀体在集成块某一面上所占的空间。

2．确定通道的孔径，集成块上的公用通道，即压力油孔P，回油孔T，泄露油孔L，以及四个安装孔，压力油孔由液压泵流量决定，本回路流量约为30L/min

则取压力油孔的孔径为Φ12mm，回油孔和泄露油孔也取孔径为Φ12mm。

直接与液压元件连接的液压油孔由选定的液压元件规格确定，由于所选液压阀的通径都为Φ10mm，则统一取孔径为Φ12mm，方便加工。

而孔与孔之间的连接孔（即工艺孔）也取Φ12，并且要求用螺塞在集成块表面堵死，不允许堵孔用的螺塞对其他的液压元件和结合面有干涉作用。

3．集成块上液压元件的布置，把做好的液压元件样板在集成块各个视图上进行布局，有的液压元件需要连接板，则样板以连接板为准。

在布局时应该避免电磁换向阀两端的电磁铁与其他部分或元件想干涉，液压元件的布置应以在集成块上加工的孔最少为最佳。

如图5所示，孔道相通的液压元件应该尽可能布置在同一水平面上，或在直径d的范围内（如图5a），

否则要钻中间油孔（如图5b，c），不通油孔之间的最小壁厚h必须进行强度校核（如图5d）。

液压元件在水平上的孔道若与公共油孔相通，则应尽可能地布置在同一垂直位置或在直径d的范围（如图5a，b），否则要钻中间孔道（如图6c），集成块前后与左右连接的孔道应相互垂直，不然也要钻中间孔道（如图6d）。

设计专用集成块时，要注意其高度应该比装在其上的液压元件最大横向尺寸大，以避免上下集成块上的液压元件相互干涉，影响集成块组之间的紧固问题。

图8液压元件在垂直面内的孔道关系

4．集成块上液压元件布置程序。

电磁换向阀布置在集成块的前面和后面，先布置垂直位置，后布置水平位置，要避免电磁换向阀的固定螺孔与阀口通道、集成块固定螺孔相通。

液压元件泄漏孔可考虑与回油孔合并。

水平位置孔道可分为三层进行布置。

根据水平孔道布置的需要，液压元件可以上下左右移动一段距离，具体可参见图6。

溢流阀的先导阀部分可伸出集成块外，有的元件如单向阀，可以横向布置。

图9液压元件在水平面内的孔道关系

由于集成块内部油道很多，而且连接方式比较复杂，这样就给内部孔道的设计和校核带来了一定的麻烦。

在做整个集成块设计的过程中首先要了解整个液压回路所需要的液压元件，然后考虑合适的结构布局，在外观上，尽量避免在一个面上安装两个多个占地面积比较大的液压元件，这样会给集成块内部孔道的设计带来很多麻烦，还有要注意液压元件外型上的干涉问题，有的液压元件基本参数的调节要靠手动来完成，也就是说在液压元件的外型空间以外有足够的空间，从而实现对它的调节。

在内部孔道设计上，要注意如图8和图9中要注意的情况。

就拿

来说，首先确定压力油孔P，回油孔T，泄露油孔L和连接螺栓孔的位置，然后选择液压回路需要的液压元件：

减压阀，单向控制阀，三位四通电磁换向阀和节流阀等，首先放置减压阀的底面模板于集成块一面，在放置的过程中要注意使减压阀的进油孔道与压力油孔P连接方式要尽可能简单并且容易加工，然后考虑减压阀的出油孔道加工深度，综合考虑单向阀的孔道位置关系，在合适的减压阀外部空间以外放置单向阀的底板模型，确定单向阀的孔道位置，同时要考虑整个液压回路各个液压元件之间的孔道连接关系综合考虑孔道的设计。

之后在集成块另一表面放置电磁换向阀，孔道设计同样要考虑加工简单，结构合理，外型布局合理等因素，然后在一面放置节流阀，设计过程同上。

然后综合考虑孔道以及外型关系，确定合理的液压集成块的合理尺寸，以及内部孔系结构。

3.4液压集成块的加工工艺

随着液压系统向高压化，高精度化发展，系统的结构型式也向着集成化的方向发展，在这种趋势下尤其显示出液压集成块的优越性。

集成块加工质量的好坏直接影响到系统和设备的工作性能。

集成块在设计时应合理布置油道，尽可能节省工艺孔。

集成块的选料：

当工作压力<

6.3Mpa时，集成块可以采用铸铁HT20-40，推荐相邻孔间距δ=5mm；

工作压力>

=6.3Mpa时，集成块可以采用45#或35#钢材锻件或厚板材，且相邻孔间距δ为6～7mm。

集成块的加工工艺过程为：

1）下料一般每边至少留2mm以上的加工余量；

2）铣六面每边留0.2～0.4mm磨量；

3）磨六面至图纸尺寸保证两对应面不平行度不大于0.03mm，两相邻面垂直度小于0.05mm；

4）钳划线并钻各孔，表面精确度Ra=12.5um。

对孔径适宜需要者，可攻丝。

钻孔遇有相交时应考虑油液流动方向，避免产生涡流和冲击性震动，如图7所示；

5）车对需要镗孔或车螺纹的各孔进行车（镗）加工；

6）钳去除毛刺铁屑，保证清理干净。

目前针对不同形状的零件和不同的材质以及部位已经有多种不同的去毛刺方法和设备，针对集成块主要有以下两种方法：

a）.震动式去毛刺，主要用于精加工前，热处理后进行去毛刺处理，除锈，除氧化皮及锐边倒角处理；

b）柔性毛刷去毛刺，针对集成块加工中各个油孔，台阶孔，直角棱边出现的毛刺，在精加工后使用毛刷进行光整，加工效果好；

7）焊堵焊工艺孔并且打磨平整。

可用螺塞堵孔，堵塞和工艺孔的过盈量在0.02～0.04mm之间，堵塞和孔均留45度的焊接坡口，坡口深3mm，焊接牢固，不得有裂缝，磨平焊渣，也可以用螺塞加密封垫圈旋紧堵住工艺孔，注意外型不要对其他的元件干涉；

8）磨将各个表面磨至所要求的粗糙度要求；

9）清洗对于高精度的集成块，清洗要跟随每一道工序进行，这样才能保证整个元件的清洁度。

10）表面处理镀镉或镀锌

在装配前要进行粗洗和精洗。

1）粗洗主要清除附在零件表面的各种颗粒污染物，腐蚀物，油脂等，常用的方法有：

a.洗涤液浸泡，刷洗，冲洗，可以除去灰尘残留颗粒物，油脂等；

b.碱性液浸泡，冲洗，可以除去灰尘，油脂，可溶性金属氧化物；

c.酸性液浸泡，冲洗，可以除去氧化皮，锈蚀物，有机物和无机物质；

d.溶剂浸泡，刷洗，可以除去油脂，润滑液，有机物等；

e.机械清洗，清除表面沾附的污染物。

2）精洗由于集成块表面清洁度要求极高，所以要进行精洗，精洗的清洁度可以达到表面残留一个分子层的污染物，常用的精洗方法有两种：

a）蒸汽浴洗将被清洗零件放置在加热的溶剂蒸气中，蒸汽在零件表面冷凝从而将污染物洗去；

b）超声波清洗它是一种有效的清洗方法，将集成块浸泡在盛有清洁溶剂的超声波槽中，利用超声波清除集成块表面的污染物。

装配和试验

加工完所有的零件后，在清洁的环境进行集成块系统的装配，以防止元器件的锈蚀或受环境的污染，装配后的集成块的进出油口用螺塞加组合密封垫圈进行密封。

装配后的产品需要进行压力试验和功能试验，耐压试验需要按国家标准进行，试压时间在10分钟左右，各个接头处不得有油液泄露，不允许有其他异常现象，功能实验根据不同功能要求进行。

第四章液压集成块CAD技术

利用CAD的三维实体造型功能，可以将液压集成块自动设计结果，即集成块外部元件布局和内部孔道布局的集成方案，在CAD图形库中自动生成集成块的三维结构图和装配图，在CAD的三维浏览工具的支持下，可以实现对集成块内部结构图和装配图的多方位，多角度的观察，进而对检验方案结果及优劣程度进行改造。

其中，液压集成块三维装配图生成需要液压元件图形库的支持。

在液压集成块设计应用开发中仍拘泥于产品的设计结果信息建模，而在孔道校验绘图软