数控技术毕业设计（论文）-机械手直线运动的液压系统制作

数控技术毕业设计（论文）-机械手直线运动的液压系统制作

湖北科技职业学院毕业论文题目：机械手直线运动的液压系统制作学号：姓名：系别：机电工程系专业班级：数控二班指导教师：2012年4月10日第39页共40页\n湖北科技职业学院目录摘要2绪论31机械手的概述41.1机械手的组成41.2机械手的分类61.3国内外发展状况72机械手的设计方案82.1机械手的准备工作82.2手部结构92.2.1驱动力的计算102.2.2腕部的结构112.2.3臂部的结构142.2.4导向装置152.3臂部运动驱动力计算173机械手的液压部分193.1液压系统简介193.2液压系统的组成193.3机械手液压系统的控制回路193.3.1压力控制回路193.3.2速度控制回路203.3.3方向控制回路203.4机械手的液压传动系统203.5上料机械手的动作顺序203.6自动上料机械手液压系统原理介绍213.7机械手液压系统的简单计算234机械手的PLC控制设计294.1可编程序控制器的选择及工作过程294.1.1可编程序控制器的选择294.1.2可编程序控制器的工作过程294.2可编程序控制器的使用步骤294.3机械手可编程序控制器控制方案30结论36致谢37参考文献38第39页共40页\n湖北科技职业学院机械手直线运动的液压系统制作摘要:本文简要地介绍了工业机器人的概念机械手的组成和分类,机械手的简略发展。介绍了机械手的功能、组成、分类，也说明了机械手的自由度和座标型式，同时确定了机械手的技术参数,分别设计出了机械手的结构和驱动机构，夹持式手部结构以及吸附式手部结构,设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩,设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。设计出了机械手的液压系统，绘制了机械手液压系统工作原理图，并应用简单的计算确定了系统的正确性。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。关键词：工业机器人机械手液压系统第39页共40页\n湖北科技职业学院绪论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各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。第39页共40页\n湖北科技职业学院1机械手的概述1.1机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。图1-1机械手的组成方框图1)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。①手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式.第39页共40页\n湖北科技职业学院②手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。③手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下：手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。④立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。⑤行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。⑥机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。2)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。3)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。4)位置检测装置第39页共40页\n湖北科技职业学院控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。1.2机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。1)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种：①专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。②通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。2)按驱动方式分①液压传动机械手：是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。②气压传动机械手：是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。③机械传动机械手：即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。④电力传动机械手：即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。3)按控制方式分①点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。第39页共40页\n湖北科技职业学院②连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.3国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:第39页共40页\n湖北科技职业学院在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。2机械手的设计方案2.1机械手的准备工作1）臂力的确定目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。本液压机械手的臂力为N臂=1650（N），安全系数K一般可在1.5~3，本机械手取安全系数K=2。定位精度为±1mm。2）工作范围的确定机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下：手腕回转角度±115°手臂伸长量150mm手臂回转角度±115°手臂升降行程170mm手臂水平运动行程100mm3）确定运动速度机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。液压上料机械手要完成整个上料过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求：①给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间；②伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。③在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。液压上料机械手的各运动速度如下：手腕回转速度V腕回=40°/s手臂伸缩速度V臂伸=50mm/s手臂回转速度V臂回=40°/s手臂升降速度V臂升=50mm/s立柱水平运动速度V柱移=50mm/s手指夹紧油缸的运动速度V夹=50mm/s4）手臂的配置形式第39页共40页\n湖北科技职业学院机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用机座式。机座式结构多为工业机器人所采用，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部也可以安装行走机构，已扩大其活动范围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大。5）位置检测装置的选择机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。本机械手采用行程开关式。利用行程开关检测位置，精度低，故一般与机械挡块联合应用。在机械手中用行程开关与机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也是最多的。6）驱动与控制方式的选择机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。控制系统也有不同的类型。除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的PLC控制。2.2手部结构手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。设计时应考虑的几个问题①应具有足够的握力（即夹紧力）在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。②手指间应有一定的开闭角两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。③应保证工件的准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带‘V’形面的手指，以便自动定心。④应具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。⑤应考虑被抓取对象的要求应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。第39页共40页\n湖北科技职业学院2.2.1驱动力的计算1.手指2.销轴3.拉杆4.指座图1滑槽杠杆式手部受力分析如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根据销轴力平衡条件∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0P=2P1cosαP1=P/2cosα销轴对手指的作用力为p1′。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即∑m01(F)=0得P1′h=Nb因h=a/cosα所以P=2b(cosα)N/a式中a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°～40°。这里取角α=30度。这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。V第39页共40页\n湖北科技职业学院形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即：P实际=PK1K2/η式中η——手部的机械效率，一般取0.85~0.95；K1——安全系数，一般取1.2~2K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒动加速度为1000毫米/秒，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式N=0.5G把已知条件代入得当量夹紧力为N=49（N）由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式P=2b(cosα)N/a得P=P计算=2×45/27(cos30°)×49=122.5(N)P实际=P计算K1K2/η取η=0.85,K1=1.5,K2=1+1000/9810≈1.1则P实际=122.5×1.5×1.1/0.85=238(N)2.2.2腕部的结构腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点：①结构紧凑，重量尽量轻。②转动灵活，密封性要好。③注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题④要适应工作环境的需要。另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为±115°.如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。第39页共40页\n湖北科技职业学院图2机械手的腕部结构驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算：M驱=M惯+M偏+M摩（N.m）式中M驱——驱动手腕转动的驱动力矩M惯——惯性力矩（N.m）M偏——参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩（N.m）M摩——手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩（N.m）第39页共40页\n湖北科技职业学院图3腕部回转力矩计算图（1）摩擦阻力矩M摩M摩=（N1D1+N2D2）（N.m）式中f——轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.02，滑动轴承取f=0.1；N1、N2——轴承支承反力（N）；D1、D2——轴承直径（m）由设计知D1=0.035mD2=0.054mN1=800NN2=200NG1=98Ne=0.020时M摩=0.1*（200*0.035+800*0.054）/2得M摩=2.50（N.m）（2）工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏M偏=G1e（N.m）式中G1——工件重量（N）e——偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M偏为零当e=0.020，G1=98N时M偏=1.96（N·m）（3）腕部启动时的惯性阻力矩M惯①当知道手腕回转角速度时，可用下式计算M惯M惯=（J+J工件）（N·m）式中——手腕回转角速度（1/s）T——手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运动）J——手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kg·m）J工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量（kg·m）按已知计算得J=2.5，J工件=6.25，=0.3m/m,t=2第39页共40页\n湖北科技职业学院故M惯=1.3（N·m）②当知道启动过程所转过的角度时，也可以用下面的公式计算M惯：M惯=（J+J工件）（N·m）式中——启动过程所转过的角度（rad）;——手腕回转角速度（1/s）。考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些，可取M=1.1∽1.2（M惯+M偏+M摩）（N.m）M=1.2*（2.5+1.96+1.3）=6.9（N.m）2.2.3臂部的结构臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求：①刚度要大为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。②导向性要好为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。③偏重力矩要小所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。④运动要平稳、定位精度要高由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。1）手臂直线运动机构机械手手臂的伸缩、升降及横向移动均属于直线运动，而实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。2）手臂伸缩运动这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。由于活塞油缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多。如下图所示为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端，当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆2（即手臂）作往复直线运动。导向杆3在导向套4内移动，以防止手臂伸缩时的转动（并兼做手腕回转缸6及手部7第39页共40页\n湖北科技职业学院的夹紧油缸用的输油管道）。由于手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。可用于抓重大、行程较长的场合。图4双导向杆手臂的伸缩结构2.2.4导向装置液压驱动的机械手手臂在进行伸缩（或升降）运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向装置。它根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆和其他的导向装置，本机械手采用的是双导向杆导向机构。双导向杆配置在手臂伸缩油缸两侧，并兼做手部和手腕油路的管道。对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如图4所示，对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如图4所示，在导向杆1的尾端用支承架4将两个导向杆连接起来，支承架的两侧安装两个滚动轴承2，当导向杆随同伸缩缸的活塞杆一起移动时，支承架上的滚动轴承就在支承板3的支承面上滚动。第39页共40页\n湖北科技职业学院图5双导向杆手臂结构1）手臂的升降运动如图5所示为手臂的升降运动机构。当升降缸上下两腔通压力油时，活塞杠4做上下运动，活塞缸体2固定在旋转轴上。由活塞杆带动套筒3做升降运动。其导向作用靠立柱的平键9实现。图中6为位置检测装置。图6手臂升降和回转机构图2）手臂回转运动实现手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。本机械手采用齿条缸式臂回转机构，如图6所示，回转运动由齿条活塞杆8驱动齿轮，带动配油轴和缸体一起转动，再通过缸体上的平键9带动外套一起转动实现手臂的回转。3）手臂的横向移动如图6所示为手臂的横向移动机构。手臂的横向移动是由活塞缸5第39页共40页\n湖北科技职业学院来驱动的，回转缸体与滑台1用螺钉联结，活塞杆4通过两块连接板3用螺钉固定在滑座2上。当活塞缸5通压力油时，其缸体就带动滑台1，沿着燕尾形滑座2做横向往复运动。图7手臂横向移动机构2.3臂部运动驱动力计算计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，要把臂部所受的全部负荷考虑进去。机械手工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等。1）臂水平伸缩运动驱动力的计算手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。其驱动力Pq可按下式计算：Pq=Fm+Fg(N)式中Fm——各支承处的摩擦阻力；Fg——启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算：Fg=a(N)式中W——手臂伸缩部件的总重量（N）；g——重力加速度（9.8m/s）;a——启动过程中的平均加速度（m/s），第39页共40页\n湖北科技职业学院而a=(m/s)△v——速度变化量。如果手臂从静止状态加速到工作速度V时，则这个过程的速度变化量就等于手臂的工作速度；△t——启动过程中所用的时间，一般为0.01∽0.5s。当Fm=80N,W=1098（N），△V=500mm/s时，Pq=80+×=80+112=192(N)2）臂垂直升降运动驱动力的计算手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力Fm和惯性力Fg之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力Pq可按下式计算：Pq=Fm+Fg±W(N)式中Fm——各支承处的摩擦力（N）；Fg——启动时惯性力（N）可按臂伸缩运动时的情况计算；W——臂部运动部件的总重量（N）；±——上升时为正，下降时为负。当Fm=40N，Fg=100N，W=1098N时Pq=40+100+1098=1238（N）3）臂部回转运动驱动力矩的计算臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于启动过程一般不是等加速度运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驱动力矩Mq可按下式计算：Mq=1.3(Mm+Mg)(N·m)式中Mm——各支承处的总摩擦力矩；Mg——启动时惯性力矩，一般按下式计算：Mg=J(N·m)式中J——手臂部件对其回转轴线的转动惯量（kg·m）;——回转手臂的工作角速度（rad/s）;△t——回转臂启动时间（s）当Mm=84(N·m)，Mg=8=32(N·m)Mq=1.31×16=150.8(N·m)对于活塞、导向套筒和油缸等的转动惯量都要做详细计算，因为这些零件的重量较大或回转半径较大，对总的计算结果影响也较大，对于小零件则可作为质点计算其转动惯量，对其质心转动惯量忽略不计。对于形状复杂的零件，可划分为几个简单的零件分别进行计算，其中有的部分可当作质点计算。第39页共40页\n湖北科技职业学院3机械手的液压部分3.1液压系统简介机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。液压传动系统的工作原理：液压传动是以有压力传动的油液作为传动动力的介质，液压泵把电动机供给的机械能转换成油液的液压能，油液输入液压缸后，又通过液压缸把油液的液压能转变成驱动工作台运动的机械能。3.2液压系统的组成液压传动系统主要由以下几个部分组成：①油泵它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。②液动机压力油驱动运动部件对外工作部分。手臂做直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角小于360°的液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸）。③控制调节装置各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。3.3机械手液压系统的控制回路机械手的液压系统，根据机械手自由度的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基本控制回路组成。这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。3.3.1压力控制回路①调压回路在采用定量泵的液压系统中，为控制系统的最大工作压力，一般都在油泵的出口附近设置溢流阀，用它来调节系统压力，并将多余的油液溢流回油箱。②卸荷回路在机械手各油缸不工作时，油泵电机又不停止工作的情况下，为减少油泵的功率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在低负荷下工作，所以采用卸荷回路。此机械手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。③减压回路为了是机械手的液压系统局部压力降低或稳定，在要求减压的支路前串联一个减压阀，以获得比系统压力更低的压力。④平衡与锁紧回路在机械液压系统中，为防止垂直机构因自重而任意下降，可采用平衡回路将垂直机构的自重给以平衡，为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而发生位移，可采用锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路。⑤油泵出口处接单向阀第39页共40页\n湖北科技职业学院在油泵出口处接单向阀。其作用有二：第一是保护油泵。液压系统工作时，油泵向系统供应高压油液，以驱动油缸运动而做功。当一旦电机停止转动，油泵不再向外供油，系统中原有的高压油液具有一定能量，将迫使油泵反方向转动，结果产生噪音，加速油泵的磨损。在油泵出油口处加设单向阀后，隔断系统中高压油液和油泵时间的联系，从而起到保护油缸的作用。第二是防止空气混入系统。在停机时，单向阀把系统能够和油泵隔断，防止系统的油液通过油泵流回油箱，避免空气混入，以保证启动时的平稳性。3.3.2速度控制回路液压机械手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量Q。其控制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。本机械手采用定量油泵节流调速回路。根据各油泵的运动速度要求，可分别采用LI型单向节流阀、LCI型单向节流阀或QI型单向调速阀等进行调节。节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是：有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。采用节流阀进行节流调速时，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起节流阀进出油口的压差变化，因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化。调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量，使油缸的运动速度不受负荷变化的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调速阀实现节流调速。3.3.3方向控制回路在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油缸及油马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（D型）和直流电磁阀（E型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为220V（也有380V或36V），直流电磁阀的使用电压一般为24V（或110V）。这里采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能好，换向时间短，接线简单，价廉，但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。3.4机械手的液压传动系统液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要内容之一。液压系统图是各种液压元件为满足机械手动作要求的有机联系图。它通常由一些典型的压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用回路所组成。绘制液压系统图的一般顺序是：先确定油缸和油泵，再布置中间的控制调节回路和相应元件，以及其他辅助装置，从而组成整个液压系统，并用液压系统图形符号，画出液压原理图。3.5上料机械手的动作顺序本液压传动上料机械手主要是从一个地方拿到工件后，横移一定的距离后把工件给立式精锻机进行加工。它的动作顺序是：待料（即起始位置。手指闭合，待夹料立放）→插定位销→手臂前伸→手指张开→手指夹料→手臂上升→手臂缩回→立柱横移→手腕回转115°→拔定位销→手臂回转115°→插定位销→第39页共40页\n湖北科技职业学院手臂前伸→手臂中停（此时立式精锻机的卡头下降→卡头夹料，大泵卸荷）→手指松开（此时精锻机的卡头夹着料上升）→手指闭合→手臂缩回→手臂下降→手腕反转（手腕复位）→拔定位销→手臂反转（上料机械手复位）→立柱回移（回到起始位置）→待料（一个循环结束）卸荷。上述动作均由电控系统发信控制相应的电磁换向阀，按程序依次步进动作而实现的。该电控系统的步进控制环节采用步进选线器，其步进动作是在每一步动作完成后，使行程开关的触点闭合或依据每一步动作的预设停留时间，使时间继电器动作而发信，使步进器顺序“跳步”控制电磁阀的电磁铁线圈通断电，使电磁铁按程序动作（见电磁铁动作程序表）实现液压系统的自动控制。3.6自动上料机械手液压系统原理介绍图8机械手液压系统图液压系统原理如图8所示。该系统选用功率N=7.5千瓦的电动机，带动双联叶片泵YB-35/18，其公称压力为60×10帕，流量35升/分+18升/分=53升/分，系统压力调节为30×10帕，油箱容积选为250升。手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时两个油泵同时供油；手臂及手腕的回转和手指夹紧用的拉紧油缸以及手臂回转的定位油缸工作时只有小油泵供油，大泵自动卸荷。手臂伸缩、手臂升降、手臂回转、手臂横向移动和手腕回转油路采用单向调速阀（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程节流，因而速度可调，工作平稳。第39页共40页\n湖北科技职业学院手臂升降油缸支路设置有单向顺序阀（XI-63B），可以调整顺序阀的弹簧力使之在活塞、活塞杆及其所支承的手臂等自重所引起的油液压力作用下仍保持断路。工作时油泵输出的压力油进入升降油缸上腔，作用在顺序阀的压力增加使之接通，活塞便向下运动。当活塞要上升时，压力油液经单向阀进入升降油缸下腔而不会被顺序阀所阻，这样采用单向顺序阀克服手臂等自重，以防下滑，性能稳定可靠。手指夹紧油缸支路装有液控单向阀（IY-25B），使手指夹紧工件时不受系统压力波动的影响，保证保证手指夹持工件牢靠。当反向进油时，油箱通过控制油路将单向阀芯顶开，使回油路接通，油液流回油箱。在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低，为此在定位油缸支路前串有减压阀（J-10），使定位油缸获得适应压力为15—18×10帕，同时还给电液动滑阀（或称电液换向阀，34DY-63B）来实现，空载卸荷不致使油温升高。系统的压力由溢流阀来调节。此系统四个主压力油路的压力测量，是通过转换压力表开关（K-3B）的位置来实现的，被测量的四个主油路的压力值，分别从压力表（Y-60）上表示出来。下面以上料机械手的一个典型动作程序为例，结合图8来说明其动作循环。当电动机启动，带动双联叶片泵3和8回转，油液从油箱1中通过网式滤油器2和7，经过叶片泵被送到工作油路中去，如果机械手还未启动，则油液通过二位二通电磁阀5和10（电磁铁11DT和12DT通电）进行卸荷。当热棒料到达上料的位置后，由于1150℃的热料使光电继电器发出电信号（或经过人工启动），经过步进选线器跳步，使机械手开始按程序动作。此时卸荷停止（二位二通电磁阀5和10的电磁铁断电），电磁铁8DT通电，压力油进到定位油缸的无杆腔进行定位动作。定位后此支油路系统压力升高，压力继电器40发出电信号，经过步进选线器跳步使电磁铁1DT通电，电液换向阀25从“O”型滑滑机能状态变成通路，压力油泵从3和8经单向阀6、14和13，经过电液换向阀25右边通道进入手臂伸缩油缸的右腔，使活塞杆带动导向杆作前伸运动（因活塞缸固定），手臂前伸到适当位置，装在手臂上的碰铁碰行程开关发出电信号，经步进选线器和时间继电器延时，是电磁铁3DT通电，手指张开；手臂靠惯性滑行，手指移到待上料的中心位置。在延时结束时，3DT断电，手指夹紧料；并同时发信、跳步，使电磁铁4DT通电，压力油从工作油路39经电液换向阀33右边通道、单向调速阀34的单向阀及单向顺序阀35的单向阀进入手臂升降油缸的下腔，推动手臂上升。在手臂上升到预定位置，碰行程开关，使电磁铁4DT断电，电液换向阀33复位成“O”型滑阀机能状态，发出电信号经步进选线器跳步，使电磁铁2DT通电，电液换向阀25左边接通油路，压力油通过电液换向阀25左边通道，经过单向调速阀26的单向阀进入受臂伸缩油缸左腔使受臂缩回。同时发信、跳步，使电磁铁13DT通电，压力油通过电液换向阀41的左腔，推动手臂横向移动。当横向移动机构上的碰铁碰到行程开关，使13DT断电，并发出电信号经步进选线器跳步使6DT通电，则换向阀18右边接通油路，压力油通过单向调速阀19的单向阀进入手腕回转油缸一腔，使手腕回转115°，手腕上的碰铁碰行程开关使6DT断电，换向阀18复位成“O”型滑阀机能状态，同时亦使8DT断电，定位油缸复位（拔销）；压力继电器复位，发出电信号。经步进选线器跳步，使电磁铁9DT通电，换向阀28右边通道接通油路，压力油经QI（31）的单向阀进入手臂回转油缸一腔使手臂回转115°。当手臂的回转碰铁碰行程开关使9DT断电，换向阀28复位成“O”型滑阀机能状态；并发出电信号。步进选线器跳步，使8DT通电，定位油缸17动作，插定位销，压力继电器40发出电信号经发出电信号。经步进选线器跳步，使电磁铁1DT通电，手臂前伸；当手臂将棒料送到立式精锻机的夹头轴线前的适当距离，手臂的碰铁碰行程开关，1DT第39页共40页\n湖北科技职业学院断电，手臂靠滑行和定位螺钉使手臂将棒料送到夹头轴线处；并发出电信号、跳步使12DT通电，大泵卸荷，手臂处于“中停”位置，同时发出电信号使立式精锻机启动，夹头下降，行程开关发信，通过时间继电器使夹头闭合将棒料夹牢，精锻机电控系统发信，给机械手电控系统，经过选线器跳步，时间继电器延时使3DT通电，机械手手指松开（同时，精锻机的电控系统发信使夹头提升），延时到3DT断电，手指闭合，并发出电信号，步选器跳步，2DT通电，手臂缩回。当手笔碰铁碰到行程开关时，2DT断电（手臂缩回停）；并发出电信号和跳步，使5DT通电，电液换向阀33的左边通道接通油路，压力油经QI（36）的单向阀进到升降缸的上腔，使手臂下降，当升降导套上的碰铁碰行程开关时，5DT断电（手臂下降停）；并发出电信号和跳步，使7DT通电，换向罚18的左边通道接通油路，压力油QI（20）的单向阀进入手腕回转油缸的另一腔，使手腕反转115°,手腕上的碰铁碰行程开关，使7DT断电并发出电信号、跳步，使8DT断电（拔定位销），压力继电器复位发出电信号、跳步，使10DT通电，换向阀28左边通道接通油路，压力油经QI（29）的单向阀进入手臂回转油缸的另一腔，使手臂反转115°（机械手复位）。当手臂上的回转碰铁碰行程开关时，10DT断电，并发出信号，跳步，使14DT通电，立柱回移（回到原位，机械手回到原来位置）；步进选线器跳步，使11DT和12DT通电（两个油泵同时卸荷），机械手的动作循环结束。3.7机械手液压系统的简单计算计算的主要内容是，根据执行机构所要求的输出力和运动速度，确定油缸的结构尺寸和所需流量、确定液压系统所需的油压与总的流量，以选择油泵的规格和选择油泵电动机的功率。确定各个控制阀的通流量和压力以及辅助装置的某些参数等。在本机械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往复直线运动）和回转式油缸（可以使输出轴得到小于360°的往复回转运动）及无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）。图9双作用单杆活塞杆油缸计算简图流量、驱动力的计算当压力油输入无杆腔，使活塞以速度V1运动时所需输入油缸的流量Q1为Q1=DV1对于手臂伸缩油缸：Q1=0.98cm/s，对于手指夹紧油缸：Q1=1.02cm/s,第39页共40页\n湖北科技职业学院对于手臂升降油缸：Q1=0.83cm/s油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P1即油缸的驱动力为：P1=Dp1对于手臂伸缩油缸：p1=196N，对于手指夹紧油缸：p1=126N，对于手臂升降油缸：p1=320N当压力油输入有杆腔，使活塞以速度V2运动时所需输入油缸的流量Q2为：Q2=（D-d）V2对于手臂伸缩油缸：Q1=0.87cm/s，对于手指夹紧油缸：Q1=0.96cm/s,对于手臂升降油缸：Q1=0.72cm/s油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P2即油缸的驱动力为：P2=（D-d）p1对于手臂伸缩油缸：p1=172N，对于手指夹紧油缸：p1=108N，对于手臂升降油缸：p1=305N计算作用在活塞上的总机械载荷机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷P为P=P工+P导+P封+P惯+P回其中P工为工作阻力P导导向装置处的摩擦阻力P封密封装置处的摩擦阻力P惯惯性阻力P回背压阻力P=83+125+66+80+208=562(N)确定油缸的结构尺寸①油缸内径的计算油缸工作时，作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即P=P1（无杆腔）=P2（有杆腔）油缸（即活塞）的直径可由下式计算D==1.13厘米（无杆腔）对于手臂伸缩油缸：D=50mm，对于手指夹紧油缸：D=30mm，对于手臂升降油缸：D=80mm，对于立柱横移油缸：D=40mm第39页共40页\n湖北科技职业学院或D=厘米（有杆腔）②油缸壁厚的计算：依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算：=厘米P计为计算压力油缸材料的许用应力。对于手臂伸缩油缸：=6mm，对于手指夹紧油缸：=17mm，对于手臂升降油缸：=16mm,对于立柱横移油缸:=17mm③活塞杆的计算可按强度条件决定活塞直径d。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，即=≦即d≧厘米对于手臂伸缩油缸：d=30mm，对于手指夹紧油缸：d=15mm，对于手臂升降油缸：d=50mm,对于立柱横移油缸:d=16mm无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）第39页共40页\n湖北科技职业学院图10齿条活塞缸计算简图①流量、驱动力的计算Q=当D=103mm,d=40mm,=0.95rad/s时Q=952N②作用在活塞上的总机械载荷PP=P工+P封+P惯+P回其中P工为工作阻力P封密封装置处的摩擦阻力P惯惯性阻力P回背压阻力P=66+108+208=382（N）③油缸内径的计算根据作用在齿条活塞上的合成液压力即驱动力与总机械载荷的平衡条件，求得:D=（厘米）D=45mm单叶片回转油缸在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸，简称回转油缸，其计算简图如下：第39页共40页\n湖北科技职业学院图11回转油缸计算简图①流量、驱动力矩的计算当压力油输入回转油缸，使动片以角速度运动时，需要输入回转油缸的流量Q为：Q=当D=100mm,d=35mm,b=35mm,=0.95rad/s时Q=0.02m/s回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M：M=得M=0.8(N·m)②作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩MM=M工+M封+M惯+M回其中M工为工作阻力矩M封密封装置处的摩擦阻力矩M惯参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩M回回转油缸回油腔的背反力矩M=2.3+0.85+1.22+1.08=5.45(N·m)③回转油缸内径的计算回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得：D=（厘米)第39页共40页\n湖北科技职业学院D=30mm4）油泵的选择一般的机械手的液压系统，大多采用定量油泵，油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工作压力p泵和最大流量Q泵来确定。①确定油泵的工作压力p泵p泵≧p+△p式中p——油缸的最大工作油压△p——压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元件的局部损失和管道的沿程损失。p泵=60*10帕②确定油泵的Q泵油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量Q最大，并考虑系统的总泄漏来确定Q泵=KQ最大其中K一般取1.10—1.25Q泵=53升/分③确定油泵电动机功率NN=（千瓦）式中p——油泵的最大工作压力Q——所选油泵的额定流量——油泵总效率N=7.5（千瓦）4机械手的PLC控制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。第39页共40页\n湖北科技职业学院4.1可编程序控制器的选择及工作过程4.1.1可编程序控制器的选择目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATICN5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P型可编程序控制器。4.1.2可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。第二阶段是处理输入信号阶段。在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。4.2可编程序控制器的使用步骤在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时，通常以七个步骤进行:1)系统设计即确定被控对象的动作及动作顺序。2)I/0分配即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号.此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。第39页共40页\n湖北科技职业学院3)画梯形图它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。4)助记符机器程序相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。5)编制程序即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。6)调试程序即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件。7)保存程序调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。4.3机械手可编程序控制器控制方案1）系统简介控制对象为圆柱座标气动机械手。它的手臂具有三个自由度，即水平方向的伸、缩;竖直方向的上、下;绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末端执行装置—机械手，还可完成抓、放功能。以上动作均采用气动方式驱动，即用五个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈，对应两个相反动作)分别控制五个气缸，使机械手完成伸、缩、上、下、旋转及机械手抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条，使气缸的直线运动转化为旋转运动。这样，可用PLC的8个输出端与电磁阀的8个线圈相连，通过编程，使电磁阀各线圈按一定序列激励，从而使机械手按预先安排的动作序列工作.如果欲改变机械手的动作，不需改变接线，只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六个动作末端均放置一限位开关，以检测动作是否到位，如果某动作没有到位，则出错指示灯亮。2）工业机械手的工作流程\当按下机械手启动按钮之后，机械手有如下动作:先右转至右限位开关动作(1DT通电)→下降至下限位开关(5DT通电)→手腕逆时针转动90°(7DT通电)→手臂伸长至限位开关(3DT通电)→检查有无物品，若有物品，手爪抓紧(9DT通电)→手臂收缩至限位开关(4DT通电)→上升至上限位开关(6DT通电)→左转至左限位开关动作(2DT通电)→手腕顺时针转动90°(8DT通电)→手臂伸长至最长(3DT通电)→手爪松开(IODT通电)→延时T→手臂收缩最短(4DT通电)。至此，一个工作循环完毕。3）机械手工作如图7-1所示。4）I/0分配根据系统输入输出点的数目，选用OMRONC28P它有16个输入点，标号为0000^0015表7-1I/0分配输入输出第39页共40页\n湖北科技职业学院启动0000手臂左转0500停止0001手臂右转0501手抓抓紧0002手臂伸长0502左转限位开0003手臂收缩0503右转限位开关0004手臂上升0504伸长限位开关0005手臂下降0505收缩限位开关0006手腕逆转0506上升限位开关0007手腕顺转0507下降限位开关0008手抓抓紧0508逆转限位开关0009手抓放松0509顺转限位开关0010物品检测00115）梯形图设计根据机械手的逻辑时序图及1/0分配，画出控制梯形图，如附图所示。由梯形图可以看出:①手臂左转的条件:左转不到位(0003为OFF)，收缩到位(0006为ON),上升到位(0007为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，手爪抓紧(0002为ON),无右转命令(0501为OFF).②手臂右转的条件:右转不到位(0004为OFF)，上升到位(0007为ON),收缩到位(0006为ON)，手腕顺转到位(0010为ON)，手爪放松(0002为OFF),无左转命令(0500为OFF).③手臂伸长的条件:伸长不到位(0005为OFF)，无收缩命令(0503为OFF)，并且满足下列条件之一:1)右转到位(0004为ON)，下降到位(0008为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，手爪放松(0002为OFF);2)左转到位(0003为ON)，上升到位(0007为ON)，手腕顺转到位(0010为ON)，手爪抓紧(0002为ON).④手臂收缩的条件:收缩不到位(0006为OFF)，无伸长命令(0502为OFF)，并且满足下列条件之一:1)右转到位(0004为ON)，下降到位(0008为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，手爪抓紧(0002为ON);2)左转到位(0003为ON)，上升到位(0007为ON)，手爪抓紧(0002为ON)，手腕顺转到位(0010为ON).⑤手臂上升的条件:上升不到位(0007为OFF)，无下降命令(0505为OFF)，收缩到位(0006为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，手爪抓紧(0002为ON)，右转到位(0004为ON).⑥手臂下降的条件:下降不到位(0008为OFF)，无上升命令(0504为OFF)，右转到位(0004为ON)，收缩到位(0006为ON)，手腕顺转到位(0010为ON)，手爪放松(0002为OFF).⑦手腕逆转的条件:逆转不到位(0009为OFF)，无顺转命令(0507为OFF)第39页共40页\n湖北科技职业学院，右转到位(0004为ON)，收缩到位(0006为ON)，下降到位(0008为ON),手爪放松(0002为OFF).⑧手腕顺转的条件:顺转不到位(0010为OFF)，无逆转命令(0506为OFF)，左转到位(0003为ON)，收缩到位(0006为ON)，上升到位(0007为ON),手爪抓紧(0002为ON).⑨手爪抓紧的条件:手爪未抓到物品(0002为OFF)，无放松命令(0509为OFF)，并且满足下列条件之一:1)右转到位(0004为ON)，伸长到位(0005为ON)，下降到位(0008为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，检测到有物品(0011为ON),2)左转到位(0003为ON)，伸长到位(0005为ON)，上升到位(0007为ON)，手腕顺转到位(0010为ON)⑩手爪放松的条件:手爪抓紧(0002为ON)，无抓紧命令(0508为OFF),并且满足下列条件之一:1)左转到位(0003为ON)，伸长到位(0005为ON),上升到位(0007为ON)，手腕顺转到位(0010为ON).2)左转到位(0003为ON),上升到位(0007为ON)，手腕顺转到位(0010为ON)，收缩到位(0006为ON).另外，当按下停止按钮时，手臂停止动作，即手臂停止在不定的位置。梯形图12第39页共40页\n湖北科技职业学院6）机械手控制程序机械手控制程序表4-1地址指令数据地址指令数据0000LD00000038AND0007OR1000AND0010ANDNOT0001AND0002OUT1000ANDNOT0006LD1000ORLDIL（02）ANDNOT0502LDNOT0003OUT0503AND0006LD0006AND0007AND0009AND0009AND0002AND0002AND0004ANDNOT0501ANDNOT0007OUT0500ANDNOT0505LDNOT0004OUT0504AND0007LD0004AND0006AND0006AND0010AND0010ANDNOT0002AND0002ANDNOT0500ANDNOT0008OUT0501ANDNOT0504LD0004AND0505AND0008AND0004AND0009ANDNOT0006第39页共40页\n湖北科技职业学院ANDNOT0002ANDNOT0008LD0003OUT0003AND0007AND0009AND0010AND0507AND0002ANDNOT0506ORLDANDNOT0003ANDNOT0005OUT0006机械手控制程序：机械手控制程序表4-2地址指令数据地址指令数据0076AND0009AND0011LD0003AND0005AND0007AND0010ORLDANDNOT0002ANDNOT0509OUT0508LD0003AND0007AND0010ANDAND0002LD0508ORLD0509ANDNOTTIME01OUT1001LD1001TIM00LD0003AND0005第39页共40页\n湖北科技职业学院AND0007AND0010LD0003AND0007AND0010ORLDAND0002ANDNOT0508OUT0509LDNOTTIME00AND1001ORLDILC03END01结论经过几个月的奋斗终于顺利完成毕业设计，本次设计的是液压通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广，该机械手可以选择配置普通的夹持手指，以抓取一般工件;也可更换喷射式气流负压吸盘，以吸附玻璃、墙地砖等板料及光盘、磁盘等薄型不透气工件，使机械手的用途更多，使用范围更广。另外，该机械手既可以用于搬运小型零件，也可供教学、实验使用。采用液压传动，动作均匀平稳，操作简单、方便，寿命长，便于自动控制，液压传动可以方便灵活地布置传动机构，易于实现过载保护，同时成本低廉。机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。在开始做毕业设计前，我认真阅读了毕业设计指导书，对所学电气液压技术进行仔细的回想与分析，从而在设计前有一个清晰的思路，也为我的设计打下了基础，使我的开题报告能顺利的完成。开题报告完成后，接着开始进行正文的撰写，设计也就正式开始了，首先对机械手进行总体设计，如、进行臂部、腕部、的设计，在综合分析上，让我们巩固了在大一大二时学的机械制造、机械制图、机械设计、电气控制，是我更好把各专业课相结合起来去完成毕业设计。随着毕业设计做完，也将意味我的大学生活即将结束，但在这段时间里面我觉得自己是努力并愉快的。在繁忙的的日子里面，曾经为解决技术上的问题，而去翻我所学专业的书籍，经过这段时间我真正体会了很多，也感到了很多。在这次毕业设计中，给我最大的体会就是熟练的理论知识来源我们平时对专业知识的掌握程度。比如，我们对液压泵的选用以及对各个参数的设定我们必须清楚。在设计中得到了老师和小组同学的指导与帮忙，非常感谢！回顾这一个月的设计历程，太多的感想和心得是无法用文字来表达的。每次在遇到难点问题并通过自己的不断努力克服难关时，那份成就感，那种喜悦之情是别人无法体会到的。第39页共40页\n湖北科技职业学院致谢在此论文撰写过程中，要特别感谢我的导师陈幼新指导与督促，同时感谢他的谅解与包容。求学历程是艰苦的，但又是快乐的。感谢我的班主任王雅琴老师，谢谢她在这三年中为我们全班所做的一切，她不求回报，无私奉献的精神很让我感动，再次向他表示由衷的感谢。在这四年的学期中结识的各位生活和学习上的挚友让我得到了人生最大的一笔财富。在此，也对他们表示衷心感谢。感谢我的室友们，从遥远的家来到这个城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。三年了，仿佛就在昨天。三年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。我们在一起的日子，我会记一辈子的。本文参考了大量的文献资料，第39页共40页\n湖北科技职业学院参考文献[1]武同振，赵宏珠，吴国华.液压支架配套图集.北京：中国农业大学出版社，1993.[2]丁绍南.液压支架设计.世界图书出版社.1996.[3]郑丰东.电气液压技术.北京工业大学出版社.2000.[4]刘延俊.液压与气压传动.机械工业出版社.1999.[5]蔡春源.机电液设计手册.东北大学出版社.1997.[6]程居山.矿山机械.机械工业出版社.1995.[7]吴宗泽,罗圣国.机械工业设计手册.高等教育出版社.1999.[8]雷天觉.新编液压工程手册.北京机械工业出版社.1996.[9]吴相宪,王正为,黄玉堂.实用机械设计手册.中国矿业大学出版社.1997[10]林建业.液压传动设计手册.上海人民出版社.1995[11]李玉琳.液压元件与系统设计.北京航空航天大学出版社.2002[12]雷中范.液压传到系统.机械工业出版社.1989[13]陆元章.现代机械设备设计手册.机械工业出版社.1996[14]蔡春源.机电液压设备手册.机械工业出版社.1990第39页共40页\n湖北科技职业学院湖北科技职业学院毕业综合实践成绩评定表系（部）：机电工程系专业：数控姓名曾江波毕业综合实践成绩班级数控二班班学号课题名称机械手直线运动的液压系统制作指导教师评语评定成绩签名：年月日答辩︵评审︶小组评语第39页共40页\n湖北科技职业学院答辩（评审）成绩组长签名：年月日注：1．毕业设计（论文）成绩=指导教师评定成绩×60%＋答辩成绩×40%。2．本表格一式三份，一份系（部）留存，一份教务处备案，一份随学生档案。第39页共40页