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机械创新设计题目可重构液压机械手设计学院机械自动化学院班级机工0910班学号200903130275姓名王旭摘要机器人的使用在21世纪广为流传 没有一个单一的部门，不使用机器人系统在开展技术工艺机械手是模仿人类的手部动作，可实现自动抓斗和执行，这是一个自动装置在严峻的环境造和单调，频繁操作机械臂是用来代替人，因此得到越来越广泛的应用一般情况下，机械手正四个部分，执行机构，驱动系统，控制系统和检测设备组成，智能机器人的感觉系统和智能系统机械手作为整个可重构液压机器人的执行部分，拥有重要的意义研究人员都希望机械手结构简单可靠，抓取力大，易于控制，拥有较高的控制精度目前，许多研究者己对常规机械手、欠驱动机械手等作了许多的理论与实验研究，但目前的机械手一般机构复杂、很难控制因此，如何实现一种既能简化机构与控制，又能较好地取放物体的机器人手已成为国内外研究者的重要研究课题和主流方向之一本设计采用液压转角伺服技术，这使得机械手抓取力得到了很大的提高，同时也使得整个机械手的控制精度有了很大的保证在设计中通过对液压转角伺服阀，舵机，微控制器，编码器，油道及接口进行了集成，同时对结构进行相应优化设计，使得机械手满足了可重构性整个机械手爪通过齿轮和螺纹传动，增加了传动的平稳性和抓取力矩使得抓取平稳可靠本文通过三维建模软件Pro/Engineer进行伺服阀与机械手爪的结构设计与优化，运动仿真，有限元分析，并对个结构进行了详细的强度校核实验结果证明，液压转角伺服阀响应快、运动平稳性好、运动精度高，带动机械手手爪抓取力强，抓取精度高关键词可重构；液压转角伺服阀；抓取力目录TOC\o1-3\h\z\u前言11概述
21.1设计题目及参数要求
21.2液压系统原理图22机械手结构原理33液压转动伺服阀设计
43.1液压转角伺服阀原理
43.2阀的结构尺寸设计
63.
2.1缸体的设计
63.
2.2油道设计
63.
2.3轴承的计算与选用
63.
2.4输入接口模块设计
83.
2.5端盖结构设计84传动结构设计
104.1锥齿轮的设计校核
104.
1.1确定锥齿轮类型、精度等级、材料及齿数
104.
1.2按齿面接触强度设计
104.
1.3按齿根弯曲强度设计
124.2滑动螺旋的设计与校核
144.
2.1确定螺杆传动的最小直径
144.
2.2梯形螺纹结构尺寸的确定
144.
2.3梯形螺纹结构尺寸校核
144.3传输轴结构设计校核165键的校核
205.1输入轴键的校核
205.2传输轴键的校核206其它零件的选取
216.1六角螺钉
216.2轴端挡圈及螺钉
216.3螺栓螺母217机械手的运动仿真
227.1基于pro/e的三维建模
227.2运动仿真
227.3轨迹规划方案
237.4动态模拟
247.5干涉检查258机械手抓的静态分析
268.1机械手抓的受力分析
268.2三维建模静力分析26结束语29参考文献30前言机器人技术的发展使得机器人的能力不断提高，机器人应用的领域和范围正在不断扩展，人们希望机器人能完成更加复杂的任务通过重新编程，机器人能很容易地完成许多不同的任务，然而一台机器人能完成任务的范围却受其自身的机械结构限制对于给定任务，可根据任务要求来选择机器人的最佳结构对于一些不可预知的作业任务或不断变化的作业，就无法选择机器人的最佳结构，需要应用许多具有不同运动学和动力学特性的机器人来完成作业任务，这种做法往往耗资巨大，甚至于不可行因此，需要使用一种能根据任务要求改变自身构型的机器人来完成不可预知的作业任务可重构机器人的研究正是在此类应用背景下开始的可重构模块化机器人系统是由一组具有标准连接接口的模块组成，这些模块能够根据特定的任务要求而被快速装配成不同构型的机器人现代工业生产的环境与任务是多变的，需要采用能够快速适应任务的制造系统可重构模块化机器人的特点恰恰满足了现代化生产的这种需求，提高了工作效率，降低了成本可重构液压机器人因输出力矩大精度高而广泛受到国内外的别是发达国家的关注可重构液压机器人的研究目前已经成为机器人研究的一个重要方向并已取得一些重要的成果但是目前要想在可重构液压机器人领域取得重大突破，必须解决一些瓶颈问题，如尺寸过大、运动不解耦、阀芯控制力矩大且径向力不平衡等问题液压伺服技术具有传动平稳、无需减速器就能实现大力矩传动、调速范围大、单位功率重量仅为电机的1/
10、易于控制等优点国内外有多家单位在机器人液压伺服技术进行了相应的研究在许多实际应用中，为了适应高精度地取放操作对象，常要求机器人手具有较高的定位取放能力，以代替人手繁重的复杂劳动目前，许多研究者己对常规机械手、欠驱动机械手等作了许多的理论与实验研究，但目前的机械手一般机构复杂、很难控制因此，如何实现一种既能简化机构与控制，又能较好地取放物体的机器人手已成为国内外研究者的重要研究课题和主流方向之一本课题主要对一种通过以液压转角伺服阀提供大转矩的动力源，从而实现机械手手爪的抓取文章对液压转角伺服阀进行相关设计同时对机械手手爪的结构尺寸进行了设计研究1概述
1.1设计题目及参数要求设计题目可重构液压机械手设计主要技术参数及要求
1、设计液压机械手，设计中应用液压转角自伺服技术，让机械手的抓取力矩大于150N.m，尽量减小尺寸较小的关节空间中需要集成油道，电源线，微控制模块，转角伺服模块及对外的标准接口等元器件，需用三维造型软件进行优化设计与仿真
2、液压系统最大工作压力5MPa
1.2液压系统原理图本液压系统为一开式回路，由液压泵、电磁溢流阀、蓄能器、液压转角伺服阀及相关辅件组成系统原理图见图
1.1图
1.1液压系统原理图2机械手结构原理本设计机械手通过以液压转角伺服阀作为动力源，通过液压转角伺服阀提供的扭矩，带动锥齿轮A转动，将动力传递到另一锥齿轮B，锥齿轮B与丝杆同轴，丝杆将力矩传递到手抓，从而带动机械手手爪抓取物件该设计的主要工作就是两个方面，一是对液压转角伺服阀进行设计，二是对机械手手爪结构进行设计，然后对设计机械手进行运动和力的仿真，得到想要的动态和静态性能三是对齿轮，螺纹传动，进行强度校核，进行有限元分析，校核强度是否满足要求机械手原理图如图
2.1图
2.1机械手结构原理图3液压转动伺服阀设计
3.1液压转角伺服阀原理伺服阀随动阀套的设计与缸体结合，为减小关节尺寸，油道，电源线，微控制模块嵌入到缸体内，此种方法已经有应用的先例，加拿大EngineeringServicesInc.ESI公司生产的MRRModularreconfigurablerobotseries模块化可重构机器人，将油道约束在关节内，有效地精简了机器人的机构尺寸，避免了不必要的干涉，扩大了工作空间由于液压传动技术对于直线传动上比较容易实现，旋转运动需要经过一定的机械机构才能得以实现，而转角伺服技术极好的解决了这一难题本文提出了一种阀芯径向力平衡的阀芯阻力小盲区小的液压转角伺服阀，这种液压转角伺服阀是一种基于转动阀芯结构原理的旋转式伺服阀，它由电动机直接驱动该技术是将伺服技术和电机控制结合起来，用小尺寸小力矩的电机通过液压伺服技术控制大力矩的液压关节，利用液压伺服阀中的转角伺服技术，无需减速机构，减小关节尺寸在液压转角伺服技术中用舵机产生控制角度，舵机体积小、力矩大，舵机本身就具有转角内反馈控制，控制起来也方便，一定占空比脉宽对应一定的转角拟定的液压转角伺服阀的截面图如图
3.1所示当阀芯（即C块）逆时针转过一个角度，使高压油口P口接通A腔，则A腔为高压油，B腔为低压油，压差推动随动阀套（即D块）逆时针旋转，当旋转的角度和阀芯一致后，阀芯的P油口被闭合，则旋转停止因此伺服阀可以由较小的力控制阀芯，进而控制随动阀套的旋转由于叶片的限制，旋转角度范围为，当初始位置为叶片对称位置时，范围为图
3.1中E块为摆动缸缸体，D块为随动阀套，C块为伺服阀芯ab图
3.1液压转角伺服阀液压转角伺服阀的伺服过程如下:起初令伺服阀芯与随动阀套处于中位状态，当压力油液经油道到达伺服阀芯C后，由于伺服阀芯与随动阀套在中位，液压系统中的工作油路和回油油路被伺服阀芯与随动阀套关闭，油液不能进入摆动缸，摆动缸中的油液被密闭起来，摆动缸自锁见图
3.1a当给舵机发出一转角信号后，舵机逆时针转过一角度，如图
3.1b此时伺服阀芯与随动阀套之间的阀口被打开，压力油液流进摆动缸的A腔另一腔B腔与回油油路相通随动阀套在压差作用力下顺时针转动，并通过输出轴带动负载转动随着随动阀套的转动，其与伺服阀芯之间的开口度逐渐变小，直至关闭，从而实现随动阀套对伺服阀芯的位置跟踪，旋转方向反之亦然液压转角伺服阀阀芯截面图如图
3.2所示，该液压转角伺服阀阀芯在一定的工作范围内阀口开度连续，且开口面积与旋转阀芯转动角度成正比，增益恒定，流量连续，抗污染能力强，可靠性高，控制灵敏，且阀芯受力平衡，角度伺服精度高阀芯上有4个沿圆周均布，开口形状相同的阀口，2个高压油口P口和2个回油口T口，P口和T口是对称于圆心的阀口，2个P口中心线的连线与2个T口中心线的连线垂直正交随动阀套上有4个与之对应的台肩，4个台肩刚好能切断4条油路，这4个台肩沿随动阀套圆周均布，每2个相对的台肩中心线的连线垂直正交且在随动阀套的每2个台肩的正中间有一个油口，沿随动阀套圆周均布着4个油口，这4个油口的顺序为A口、B口、A口、B口随动阀套中A口和B口是对称于圆心的阀口，2个A口中心线的连线与2个B口中心线的连线垂直正交随动阀套和转角伺服阀阀芯处于中位时，2个A口中心线连线与2个P口中心线的连线或2个T口中心线的连线成45°图
3.2液压转角伺服阀芯
3.2阀的结构尺寸设计
3.
2.1缸体的设计缸体壁厚取大于
7.5mm，缸底部厚度大于10mm，而油道外径需要大于6mm，因此，油道可以设计在缸壁中缸体壁厚，最终取
7.5mm底部厚度取10mm，吸油管道=6mm，压油管道=3mm，回油管道=4mm
3.
2.2油道设计随动阀套（以下简称阀套）在摆动缸中被压油驱动旋转，需要与阀芯和缸体有良好的配合，同时又需要输出转矩液压油通过滑环，从缸体进入阀套，还需要进入阀芯，由阀芯控制油的走向当阀芯转动时，阀套可以立即跟随转动，因此图中阀套与阀芯的接口半径一致，需要精密的配合以保证密封滑环上的高压油类似柱塞泵中柱塞上的均压槽，同时导通油路，且润滑接触面，利于阀套转动此处高压油道经径向对称的两个管道进入阀芯，此设计在于使阀芯受力平衡，两方向上的高压油压力平衡，因此阀芯不易卡死高压油进入阀芯后，分三个油口导通至工作腔，目的是使油液流动顺畅，保证转角伺服阀的旋转速度和精度
3.
2.3轴承的计算与选用阀套与缸体之间存在相对旋转运动在其间安装轴承，根据设计要求，此转角液压缸的旋转范围为，旋转速度为，轴承受径向载荷由于随动阀套需要较高的旋转精度，因此选择精度性较高的圆柱滚子轴承圆柱滚子轴承系列中，NUP型（内圈单挡边带平挡圈的圆柱滚子轴承）的特性是
（1）承载能力大，额定动载荷比
1.5~3；
（2）能承受较小的双向轴向载荷；
（3）能限制轴和外壳的双向轴向位移；
（4）属分离型轴承，安装、拆卸非常方便；
（5）极限转速高因此，选择NUP型轴承由于轴承的使用状况转速10r/min，要求寿命1500h，计算轴承所受载荷，根据公式
3.1式中C——基本额定动载荷计算值（N）；P——当量动载荷（N）；——寿命因数，按系列表选取；——速度因数，按系列表选取；——力矩载荷因数，力矩载荷较小时=
1.5，力矩载荷较大时=2；——冲击载荷因数，按系列表选取；——温度因数，此处可取1；——轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定动载荷（N）；——轴承尺寸及性能表中所列轴向基本额定动载荷（N）查表得=
1.390=
1.435取2=
1.5=1而
3.2式中——径向动载荷系数，此处取1；——轴向动载荷系数，此处取1；——径向载荷（N）；——轴向载荷（N）所以对于低速旋转轴承应将动静载荷分别计算，静载荷径向
3.3式中——基本额定静载荷计算值（N）；——安全因数，查机械设计手册表得，此处可取3；——当量静载荷（N）；——轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定静载荷（N）；——轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定静载荷（N）查设计手册
[9]中的圆柱滚子轴承系列表，选取型号NUP209E，内径，外径，宽度；；所以此处所选的轴承合适
3.
2.4输入接口模块设计可重构液压机器人关节模块，需要有统一的接口，使其在不同的关节模块之间可以互换调用此基础模块，即旋转关节模块的输入接口，设计如图
3.4和图
3.5所示，中心的孔道是控制电线通道，对称的两个孔道是油道周围六个螺栓孔图
3.4输入接口模块背面图
3.5输入接口模块正面
3.
2.5端盖结构设计该端盖要作为缸筒的外端盖，同时也有与机械手手爪连接根据液压设计手册，端盖厚度的计算如下
3.4式中——法兰在缸筒最大内压下做承受的轴向压力（N）；——法兰上孔中心到外径上的距离（m），这里取15mm；——法兰外圆半径（m）这里取
57.5mm因此，取法兰厚度不小于10mm，足够将控制线路的孔道设计在法兰中，如上面叙述4传动结构设计
4.1锥齿轮的设计校核已知通过输入轴传递转矩T=40N·m，转速n1=
30.00r/min设定锥齿轮1（主动齿轮，下面正文中全部称为齿轮1），锥齿轮2（从动齿轮，下面正文中全部称为齿轮2）原动机载荷特性SF=均匀平稳，工作机载荷特性WF=轻微振动，预定寿命H=30000小时
4.
1.1确定锥齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）选用直齿锥齿轮传动，齿轮配合为外啮合2）由于整个机械手速度不高，故全部选用6级精度（GB10095--88）.3）材料及热处理 齿面啮合类型GFace=硬齿面 热处理质量级别Q=MQ齿轮1材料及热处理Met1=20Cr表面淬火 齿轮1硬度取值范围:58～63HRC齿轮1硬度:60HRC 齿轮2材料及热处理Met2=40Cr表面淬火齿轮2硬度取值范围:58～63HRC齿轮2硬度60HRC4）齿轮基本参数由此选齿轮1齿数Z1=19传动比i=
1.26齿轮2齿数Z2=Z1×i=19×
1.26=
23.94则Z2取
244.
1.2按齿面接触强度设计根据文献
[21]，得出设计计算公式10-9a进行试算，即（
4.1）确定公式内的各系数1）试选齿轮载荷系数Kt=
1.02）齿轮1传递的转矩T=40N·m3）由文献
[20]表10-7选取齿宽系数Φd=1/34）由文献
[20]表10-6查得材料的弹性影响系数ZE=
189.8MPa1/25）由文献
[21]表查得节点区域系数6）由文献
[20]图10-21d查得齿轮1的接触疲劳强度极限σHlim1=1300Mpa；齿轮2的接触疲劳强度极限σHlim2=1300Mpa7）由文献
[20]式10-13计算应力循环次数N1=60n1jLh=60×30×30000=
5.4×107由文献
[20]图10-191取得KHN1=KHN2=
1.38）计算接触疲劳许用应力取失效概论为1%，安全系数S=
1.4，由文献
[20]式10-12得
（2）计算1）试算齿轮1分度圆直径d1t，代入[σH]中较小的值=
55.23mm2）计算圆周速度ν=
0.0868m/s3）由文献
[21]，图
8.7按6级精度查得动载荷系数KV=
1.
0.4）由文献
[21]，表
8.3查得使用系数KA=
1.
0.由文献
[21]图
8.11查得齿向载荷分布系数=
1.
10.计算载荷系数K=KVKA=
1.
10.4）修正小齿轮1分度圆直径d1=mm=57mm模数=3mm为标准模数，由于结构需要，使两齿轮轴线的中心距足够的大，暂取m=
3.5，为标准模数5）大端分度圆直径d1=mz1=
66.5mmd2=mz2=84mm6）齿锥顶距R=7）齿宽b=ΦdR=
53.4861/3=
17.8mm取b=20mm
4.
1.3按齿根弯曲强度设计由文献
[21]式（
8.46）
4.2确定公式内的各计算数值1Kb，m，Φd同前；2圆周力Ft可由文献
[21]式（
8.40）算得Ft===
1443.6N3齿形系数YF和应力修正系数Ys由文献
[21]式（
8.33）coscos由文献
[21]式（
8.38）得Zv1=Zv2=由文献
[21]图
8.19得YF1=
2.62，YF2=
2.40由文献
[21]图
8.19得Ys1=
1.54，Ys2=
1.654计算弯曲许用应力由文献
[21]式（
8.38）得（
4.3）由文献
[21]图
8.28f、b查得弯曲疲劳极限应力弯曲疲劳寿命系数==
1.0；由文献
[21]表
8.7得疲劳安全系数S=
1.4，得=450MPa故=
117.47MPa=
115.2MPa按照这样的设计，各方面的强度都满足要求，同时也让齿轮在受到冲击载荷时也能有较大的余量d2=Z2×m=20×2=40mm
4.2滑动螺旋的设计与校核由上一级锥齿轮传动的，螺杆传动的力矩T2=T1u=40N·m=
50.53N·m.轴的材料选45号钢，查表的材料的许用扭转切应力，不考虑转矩的影响，故降低需用应力取36MPa
4.
2.1确定螺杆传动的最小直径1）按扭转强度计算有材料力学可知，轴受转矩作用时，不考虑转矩的影响，故降低需用应力取其强度条件为（
4.4）故2）由于轴上还要键槽，设有两个键槽，则轴的直径增大10%，则=
21.19mm取mm
4.
2.2梯形螺纹结构尺寸的确定梯形螺纹的小径d1=d0+
0.12d0=
24.64mm，取d1=25mm，由GB/T
5796.3—2005得，选取M36，则梯形螺纹的基本尺寸为螺距P=10mm，中径d2=31mm，大径D4=37mm，小径d3=25mm.
4.
2.3梯形螺纹结构尺寸校核滑动螺纹的失效形式有；螺纹磨损，螺杆断裂，螺纹牙根剪断和弯断，螺杆很长时还可能失稳一般常根据抗磨损条件或螺杆受压面强度条件设计螺杆尺寸，对其它失效形式进行校核计算螺旋的基本尺寸:由梯形牙侧角=15o，钢对钢滑动速度Vs
0.05m/s，当量摩擦因素f，取
0.11，则，当量摩擦角=arctan
0.11=
6.280，每个螺纹的扭矩T3=T2/2=
25.27N•m.螺纹升角=arctan=arctan=
22.320则，螺纹轴向载荷F==N=
2989.6N1）耐磨性计算螺纹的磨损多发生在螺母上磨损与螺纹工作表面的压强，滑动速度，工作表面的粗糙度及润滑状况等因素有关，其中最主要的是压强所以，耐磨性计算主要是限制螺纹工作表面的压强，以防止过度磨损螺纹的耐磨条件为（
4.5）其中轴向载荷为F螺母旋合高度为H，螺距为p螺纹的工作高度为h，承压面积为A，螺纹工作面上的压强为Ps可引用系数=H/d
2.对于梯形螺纹，h=
0.5p，螺纹的中经d2根据文献
[21]表
5.3，钢对钢低速，取[P]=10MPa取=2则，螺纹的中经d2=mm=
9.78mm=31mm满足耐磨性要求2）螺杆强度计算对于梯形螺纹d1（
4.6）其中螺杆螺纹小径为d1，螺杆材料的许用应力为[]根据文献
[21]表
5.9查得[]=80MPa，螺杆所受轴向力为F则d1=mm=
7.71mm满足强度要求3）螺纹牙强度计算因螺母材料的强度低于螺杆，所以螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母上可将展开后的螺母螺纹牙看做一悬臂梁螺纹牙根部的剪切强度校核计算式为（
4.7）螺纹牙根部的弯曲强度校核计算式为其中，螺母螺纹大径为d，，螺纹牙的工作高度为h，旋合数z=
4.4，螺纹牙根部厚为b=
0.65p，螺母材料的许用切应力为[]取60MPa，螺母材料的许用弯曲应力为[]b取70MPa则，=
0.899MPa=60MPa，=
2.075MPa=70MPa故螺纹牙强度满足要求
4.3传输轴结构设计校核有上面的计算可知，d0t=20mm，d0=22mm选取轴材料为40Cr，调质处理轴的结构设计
（1）拟定轴上零件的装配方案
（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度图
4.1轴的各段直径和长度1）轴的最小直径显然是安装轴承处的直径，为了安全起见，取轴承处直径d1=20mm初步选择滚动轴承因为轴承只受到径向的力作用，故选用深沟球轴承根据轴承直径d1=20，选取轴承7004C；其尺寸为d×D×B=20mm×42mm×12mm2）轴各段直径长度长度直径
11.5mm20mm
3.5mm25mm2mm22mm98mm37mm2mm22mm11mm25mm21mm22mm20mm20mm轴的总长度169mm轴的段数83）轴上零件的定位轴向定位，左轴承安装在外壳轴承安装位上，右边用轴肩定位，左右手抓用弹性挡圈定位，齿轮2左端用轴肩定位，右端通过轴套定位，同时支撑在右轴承的内圈，外圈用外壳定位周向定位，滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证，由此选轴的直径尺寸公差为m6，齿轮与轴的周向定位采用平键连接，由文献
[22]查得平键截面b×h=6mm×6mm，长度取14mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为4）确定轴上的圆角和倒角尺寸参考文献
[20]表15-2，取轴端倒角为1×45°，各轴肩处的圆角半径见图5）求轴上的载荷首先根据轴的结构图（图
4.1）做出轴的计算简图在确定轴承的支点位置，由于是角接触球轴承，由GB/T296得7004C轴承力作用点距外环原边的距离
10.2mm，根据轴的计算图做出轴的弯矩图和扭矩图（图
4.2）图
4.2轴的弯矩图和扭矩图图从轴多的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出，齿轮啮合的中线是轴的危险截面现将计算出的危险截面处的MH、MV及M的值列于下表表
4.1危险截面处的MH、MV及M的值载荷水平面H垂直面V支反力FFNH1=
976.6N，FNH2=
324.2NFNV1=
1045.4N，FNV1=
1045.4N弯矩MMH=
51958.3N·mmMV=
58660.1N·mm总弯矩M==
52288.5N·mm扭矩TT=T25%25000=
2526.5N·mm6）按照弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面以及上表的数据，以及轴双向旋转，扭转切应力为对称循环应力，取α=1，轴的计算应力
59.35MPa前面选取轴材料为40Cr，调质处理，由文献
[21]表15-1查得[σ-1]=70MPa因此σ[σ-1]，故安全轴的结构图如图
4.3图
4.3轴结构简图5键的校核键的材料选用45钢，进行调制处理，具有很强的抗扭性能，工作在轻微冲击下，键的许用挤压应力=120MPa键的主要失效形式为，键，轴槽和轮毂三者强度最弱的工作面被压溃其强度条件为（
5.1）其中T为传递的转矩，d为轴的直径，l为键的工作长度，k为键与毂槽的接触高度，取为h/
25.1输入轴键的校核由输入轴的直径20mm，T1=40N·m由GB/T1096-2003，选取A型键，=，得故强度不满足要求改选C型键，=，得故强度满足要求
5.2传输轴键的校核由输入轴的直径22mm，T1=
50.53N·m由GB/T1096-2003，选C型键，=，得故强度满足要求6其它零件的选取
6.1六角螺钉在缸体与密封盖之间需要根据缸体尺寸，壁厚为8mm，缸体外径为91mm，所用材料为45钢，，取安全系数为St=2，查机械设计手册选择螺钉GB/T
70.1M5×16
[11]选定后进行强度校核螺钉轴向力
6.1螺钉受力面积
6.
26.3强度满足要求其中FS为单个螺钉所受轴向力；A为单个螺栓受力面积；为单个螺钉所受应力
6.2轴端挡圈及螺钉输入轴的轴向固定采用轴端挡圈，可以承受较大的轴向力GB/T
894.1螺钉GB/T5780M
56.3螺栓螺母在本设计中，连杆部分连接、端盖的连接需要使用螺栓连接根据关节尺寸及为了方便加工，统一选择M5的螺栓螺母螺栓GB/T5782M5×25，螺栓GB/T5782M5×40，螺母GB/T6170M5
[11]7机械手的运动仿真由上面的计算可知，机械手的最大抓紧力Fmax=
2989.6N，传输力矩Ts=
25.27N·m，最大抓取力矩Tmax=Fmaxl=
2989.
60.14N·m=
418.5N·m由梯形螺纹的螺距P=10mm，条数n=4，则导程S=Pn=40mm，转角自伺服阀转角的范围为1650，则单只机械手的位移A1=故机械手，开合范围0-58mm，手指伸出长度为111mm，最大抓紧力Fmax=
2989.6N
7.1基于pro/e的三维建模
（1）由上面的计算可知机械手各零件的基本尺寸，要是利用Pro/e中的拉伸、旋转、扫描等基本操作，建立工作装置三维实体模型，其中轴承，可以使用简化画法
（2）各部件的装配与连接先可将上下箱体装配好后，第一个装配，选择缺省模式，系统默认为不动件其中销钉连接其运动副自由度为1，零件可沿销钉所在轴线旋转适合机械手中各个转动部件（如安装轴承）的运动方式，定义完成后系统会自动产生一个“轴对齐”的位置约束另外还需要定义一个“平移”约束来定义安装的轴向位置，通常可以取轴承端面和轴或者孔的一个面使用“对齐”属性选择“重合”齿轮连接其运动副自由度为需要定义两个齿轮的各自的“运动轴”，对应的主体中的齿轮、托架和节圆直径
7.2运动仿真在机械手爪部分按照设计要求有1个自由度，对应1个舵机进行控制，所以在运动仿真中需要定义1处伺服电机，而因为每个舵机需要正反2个方向转动故需要在机构（Mechanism）模块中用到伺服电动机定义（ServoMotorDefinition），如图
7.1图
7.1伺服电机定义
（1）伺服电机伺服电机是机构仿真中的旋转动力原件一般定义在旋转运动副上如机械手的舵机的位置通过设置其属性可以定位其转动的速度或者加速度如安装所用的各舵机的速度设置为60°/s
（2）分析设置和运行可以设置测量结果例如当我们需要得到手爪末端的的位置和速度曲线时，可以分别在测量定义中添加位置和速度并选好对应的测量点和坐标系然后通过运行可以得到测量结果和回放动画
7.3轨迹规划方案对机械手从一点到另一点的移动轨迹做出了严格的控制而在此之前运用Pro/E中插入迹曲线选定需要控制的端点如机械手爪的末梢点和定义伺服电机就可以绘制出其三维的运动轨迹如图
7.2图
7.2机械手的运动轨迹
7.4动态模拟图
7.3机械手运动前图
7.4机械手抓持时
7.5干涉检查干涉检查的目的是分析机械手工作装置个传动机构可能出现的运动干涉及“死点”位置，这是保证工作装置能正常工作的必要条件Pro/engineer动态模拟自动检测各杆件在运动过程中的干涉问题，效率高，准确度好，解决了传统设计中的难题，使杆件干涉问题在设计过程中得到了有效的解决在Pro/engineer环境中干涉检查的步骤是1）选择“Mechanism”中的“回放”命令系统弹出“回放”对话框，在结果集中选择运动名称，选择干涉模式的“全局干涉”和“包括面组”选项2）单击“播放当前结果集”，进行全局干涉检查分析如果各杆件在运动中出现干涉，Pro/engineer就会提示，并将干涉区加亮显示，以便设计者检查修改通过Pro/engineer环境中的全局干涉检查判断机械手工作时不存在干涉问题8机械手抓的静态分析Pro/ENGINEER是集CAD/CAM/CAE于一体的大型设计软件，Pro/MECHANICAPro/M是其中的一个常用模块，Pro/MECHANICAStructure是集静态、动态结构分析于一体的有限元模块，主要运用于结构分析，能够模拟真实环境为模型施加约束及载荷，测算模型的应力、应变、位移等参数，实现静力、模态、疲劳等分析
8.1机械手抓的受力分析机械手抓在工作的过程中，主要有螺杆传递转矩，给左右手抓各一个轴向力，左右两手手抓所受的轴向力大小相等，方向相反在螺旋传动时，计算出机械手抓的轴向力F=
2989.6N当机械手夹持住物体时，机械手下端与螺杆相对静止，且相互挤压，上端受到物体的弹力，因此可以机械手抓的受力简化成悬臂梁
8.2三维建模静力分析机械手抓的材料选取为45钢，选取机械手抓的内螺纹面为约束面，机械手抓的载荷F=
2989.6N如图
8.1图
8.1机械手抓通过创建网格，运行设计研究，可得到结构构件在载荷等外力作用下产生的应力、应变、位移等的分布应力分布如图
8.2，由图可知最大应力故，材料的满足应力要求图
8.2应力分布位移分布如图
8.3，应变分布如图
8.4，由图可知最大应力，最大应变，在弹性内的形变，且对工况影响不大故，材料满足形变要求图
8.3位移分布如图
8.4应变分布通过静力分析，增加机械手抓螺纹底部厚度，增大机械手抓夹持处平面的过渡，可大大提高机械手的承载性能，为结构的强度、刚度、稳定性优化服务结束语可重构模块化机器人系统具有便捷的可重构性和广泛的适应性，其模块化不仅面向制造者，也面向用户，用户可按照需求进行构型设计本设计对以液压转角伺服阀做动力的机械手的结构和原理进行设计优化，对机械手的抓取力和可重构性进行了叫全面的设计改进设计主要有以下一些优点
1.结构简单可靠，适用性广；
2.标准接口，很适合作为可重构液压机器人的关节以实现快速重构的目的；
3.用内油道代替液压软管避免与工件缠绕，或与周围物体相碰而造成事故，并使得结构紧凑；；
4.油道设计巧妙可以在旋转运动中传递液压油；
5.构型方案可以根据实际要求进行灵活选取；
6.采用舵机提供角度输入，体积小力矩大，且本身就具有角度内反馈控制，控制起来十分方便与此同时也存在一些不足
1.由于使用单叶片，空间受到限制；
2.由于考虑工艺性，设计时正开口死区存在±2°；
3.油道的工艺性有待提高；
4.手爪运动时为带旋转的平动，对抓取稳定性有一定的影响这次毕业设计也暴露出自己专业知识的很多不足之处比如缺乏综合应用专业知识的能力，对机械个元件设计不熟练，对元件的性能特性不够了解等等在今后的学习工作中，我一定会以这次设计过程做借鉴，努力提高自己的专业水平，改正自己的不足，为做一个合格的机械从业人员而努力参考文献
[1]潘存云，温熙森.渐开线环形齿球齿轮传动原理与运动分析机械工程学报2005415:1～
9.
[2]MeassonYDavidOLouveauFetal.Technologyandcontrolforhydraulicmanipulato-rs[J].FusionEngineeringandDesign20039:29～
134.
[3]朱兴龙周骥平颜景平.一种新型的三自由度垂直相交运动解耦液压伺服关节的设计中国机械工程1321:1824～
1826.
[4]梁锡昌王光建郑小光.基于螺旋机构的旋转作动器研究航空学报2003，
43.82～
285.
[5]蒋林，陈新元，赵慧等.基于液压转角伺服的液压关节研究，机电工程程2011283:265-
268.
[6]朱兴龙，周骥平.运动解耦机理分析与解耦关节设计中国机械工程2005168，674～677
[7]杨振中周骥平朱兴龙.解耦型液压伺服肩关节的虚拟设计与分析，机械设计与研究，200723674～
77.
[8]裘建新，叶桦，姜少杰．ADAMs对长幅外摆线行星传动的动力学仿真[J]．机械设计，2004，211248～49．
[9]李军，刑俊文，覃文洁．ADAMs实例教程[M]．北京北京理工大学出版社，2002．11～
12.
[10]李增刚．ADAMS入门详解与实例[M]．北京国防工业出版社，
2007.
[11]成大先主编.机械设计手册第2卷[M].第五版.化学工业出版社，
2007.雷天觉主编.液压工程手册，北京机械工业出版社，
1988.
[12]陈奎生主编.液压与气压传动[M].武汉理工大学出版社.
2001.
[13]卢菊仙，李树立，焦宗夏.一种有限角度旋转式电液伺服阀液压气动与密封20054:40～
42.
[14]成大先主编.机械设计手册第4卷[M].第四版.化学工业出版社.
2002.50～760
[15]杨培元等.液压系统设计简明手册.北京机械工业出版社，2003
[16]芮延年.机器人技术及其应用.北京化学工业出版社，2008
[17]DUBUSAGDAVIDAONOZAISAFetal.Assessmentofawaterhydraulisjointforremotehandlingoperatingsinthedivertorregion[J].FusionEngineeringandDesign2008831845～1849
[18]NIEMINENAPESQUEASMUHAMMADAetal.WaterhydraulicmanipulatorforfailsafeandfaulttolerantremotehandlingoperationsatITER[J].FusionEngineeringandDesign2009841420～1424
[19]MEASSONYDAVIDOLOUVEAUFetal.Technologyandcontrolforhydraulicmanipulateors[J].FusionEngineeringandDesign200369129～134
[20]濮良贵，纪名刚.机械设计.北京高等教育出版社，
2006.
[21]王黎钦，陈铁鸣.机械设计.哈尔滨哈尔滨工业大学出版社，
2010.致谢本毕业设计是在我的指导老师蒋林老师的悉心指导下完成的蒋林老师渊博的学识、严谨的治学态度使我受益匪浅、终身难忘；同时也为我的学习提供了许多帮助，使我能够顺利地完成毕业设计在此，我向蒋林老师表示衷心的感谢和诚挚的敬意另外，我衷心地感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友们，感谢你们在我毕业设计期间给予的帮助和启示本文所开展的研究工作得到了湖北省自然科学基金项目“基于液压转角伺服的可重构液压机器人技术研究2010CDB03405”以及国家自然科学基金易控转角自伺服的内置小型化可重构液压关节技术研究61105086的资助，在此表示感谢通过此次毕业设计，让我把学过的专业知识集中起来，并且进一步的将知识运用到实践中去，进行系统的学习与运用，使理论与实践结合起来，增长了我的见识，丰富了我的所学另外还提高了我绘制工程图及应用分析软件和Word软件的能力祝愿所有给予我关心和帮助的老师、同学身体健康，万事如意!。
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