數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手畢業(yè)論文

1、1 緒論11.1選題背景11.2設(shè)計目的11.3發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢22液壓上下料機(jī)械手的設(shè)計方案32. 1機(jī)械手的概念32.2機(jī)械手的組成及工作原理32. 3機(jī)械手的總體設(shè)計42. 3. 1機(jī)械手的總體機(jī)構(gòu)的類型 42. 3.2具體采用方案52.4機(jī)械手主要部件的選用52. 4. 1機(jī)械手手爪的選用52.4.2機(jī)械手手腕的選用62.4.3機(jī)械手手臂的選用72.4.4機(jī)械手機(jī)身的選用82.5驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 82.6傳動結(jié)構(gòu)的選擇 92.7機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計103液壓系統(tǒng)的設(shè)計113.1液壓系統(tǒng)的概述113.2液壓系統(tǒng)的組成113.3液壓系統(tǒng)的基本控制回路 113.4液壓系統(tǒng)的總體設(shè)計123.4

2、. 1控制回路的設(shè)計 123.4.2液壓源系統(tǒng)的設(shè)計123.4.3繪制的液壓系統(tǒng)圖133.5液壓系統(tǒng)的簡單計算 133. 5.1油缸的主要類型與相關(guān)運(yùn)算 143. 5.2油泵的選擇183. 5.3油泵電動機(jī)功率的確定 184機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計 194. 1系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 194. 1. 1可編程控制器的概念194. 1.2plc的應(yīng)用領(lǐng)域194. 1.3plc系統(tǒng)的組成204.1.4plc的工作原理 21結(jié)論30致謝31參考文獻(xiàn)32摘要通過對機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、工業(yè)用微型計算機(jī)及其自動化等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，以及課外實(shí) 踐所學(xué)的知識，對數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了論述和分析，設(shè)計

3、 了一種液壓式圓柱坐標(biāo)形式的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手。此設(shè)計主要針對機(jī)械手的手爪、手 腕、手臂、機(jī)身等各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手控制系統(tǒng)（傳動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)）進(jìn)行了的 設(shè)計。同時對plc控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和設(shè)計計算。plc控制系統(tǒng)的分析 重點(diǎn)放在plc各硬件部分的設(shè)計和介紹、plc梯形圖的編寫上。此次設(shè)計的自動上下料機(jī) 械手采用液壓驅(qū)動，傳動平穩(wěn)，且易于控制，控制系統(tǒng)用plc作為控制器，優(yōu)化了機(jī)械手 群的控制系統(tǒng)。該機(jī)械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的 作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；液壓系統(tǒng)；plc控制系統(tǒng)；1緒論1.1選題背景近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高

4、以及工業(yè)自動化的快速發(fā)展，高效、高質(zhì)量、低成 本、低污染無疑成為了工業(yè)自動化所追求的目標(biāo)。其中機(jī)器人就代表了工業(yè)自動化的最高 水平。機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用，體現(xiàn)了一個企業(yè)先進(jìn)的加工制造能力和科研能力。同時它也 促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。由于機(jī)械 手能代替人類完成高危險、高強(qiáng)度，重復(fù)枯燥的工作，同吋可以連續(xù)長吋間生產(chǎn)，從而大 大的提高了生產(chǎn)效率，降低了人工生產(chǎn)成本，減輕了人類的勞動強(qiáng)度。因此機(jī)械手已經(jīng)越 來越廣泛的得到了應(yīng)用。一般機(jī)械手在機(jī)械行業(yè)中可用于零部件組裝、加工工件自動抓 取、上料、下料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等工作，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床以及組合機(jī)床

5、上 使用比較普遍。目前，機(jī)械手已經(jīng)發(fā)展成為一種非常成熟的機(jī)械加工輔助手段，同時也發(fā) 展成為了柔性制造系統(tǒng)fms和柔性制造單元fmc中一個重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械 手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元?？梢怨?jié)省龐大的工件輸送裝置及人工，結(jié) 構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)。機(jī)械手的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的搬運(yùn)方式，有效地改善了作業(yè)環(huán)境，提倡 零件加工數(shù)字化，信息化，少人化直至無人化管理，極大程度的保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，使現(xiàn) 代加工制造技術(shù)邁上了新的臺階。然而，目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平 與國外相比還有一定的差距，機(jī)械手應(yīng)用工程起步相對比較晚。因此，為了加快我國工業(yè) 自動化的步伐，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)

6、計是非常必要，也是十分具有意義的事。1.2設(shè)計目的眾所周知，一個國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力很大程度上取決于制造業(yè)的發(fā)展水平。上世紀(jì)，美國制 造業(yè)占世界制造業(yè)40%,2010年中國制造業(yè)第一次趕超美國（中國占19.8%,美國占19.4%）。 近幾年，美國、口本、韓國等國家紛紛將自己的制造產(chǎn)業(yè)搬回本國，準(zhǔn)備大力發(fā)展制造業(yè), 一場無硝煙的工業(yè)大戰(zhàn)即將開始。然而，我國大部分的工廠和企業(yè)仍然還是使用人工裝卸、 搬運(yùn)、包裝、打碼等。這些人工操作具有一定的危險性，在高強(qiáng)度的作業(yè)環(huán)境下人容易犯 錯，工作效率會大打折扣。這些已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動化的發(fā)展趨勢。為了加快工業(yè)自動 化的步伐，使其真正的走進(jìn)人們的生活，結(jié)合自己所學(xué)的

7、專業(yè)理論知識及課外實(shí)踐知識， 設(shè)計了一臺自動上下料機(jī)械手，其兼?zhèn)淙撕蜋C(jī)器的優(yōu)點(diǎn)，它可替代人從事危險、有害、有 毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn) 率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。1.3發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢fi前，國內(nèi)外各種機(jī)械手和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢 如下：1機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三 位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。2. 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于pc機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器 件集成度提高，控制柜口見小巧，采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性

8、、易操作性 和維修性。3機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、 焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺 等多傳感器的融合技術(shù)進(jìn)行決策控制；傳感器融合配置技術(shù)成為袴能化機(jī)器人的關(guān)鍵技 術(shù)。4關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè) 計；柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制 系統(tǒng)開發(fā)；5焊接、'搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化 研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。綜上所述可以概括為兩個方向：其一是機(jī)

9、械手的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn) 的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工和聯(lián)系，性價比高，在滿足工作要 求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元 件。世界工業(yè)機(jī)械手的數(shù)冃雖然每年在遞增，但市場是波浪式向前發(fā)展的。在新世紀(jì)的曙 光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險的勞動環(huán)境都需要用機(jī)器人代替人工。隨著機(jī) 器人應(yīng)用的深化和滲透，工業(yè)機(jī)械手在各行各業(yè)中還在不斷開辟著新用途。隨著電子技術(shù) 的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，這項(xiàng)技術(shù)將日益完善。2液壓上下料機(jī)械手的設(shè)計方案2. 1機(jī)械手的概念我國國家標(biāo)準(zhǔn)（gb/t12643 - 90）對機(jī)械手的定義：“具有和

10、人手臂和似的動作功能，可 在空間抓放物體，或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置?！睓C(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類。專用機(jī)械手：它作為整機(jī)的附屬部分, 動作簡單，工作對象單一，具有固定（有時可調(diào)）程序，使用大批量的自動生產(chǎn)。如自動生 產(chǎn)線上的上料機(jī)械手，自動換刀機(jī)械手，裝配焊接機(jī)械手等裝置。通用機(jī)械手：它是一種 具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的機(jī)械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中 小批量自動化牛產(chǎn)。它的工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。2. 2工業(yè)機(jī)械手的組成及工作原理2. 2. 1工業(yè)機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制部分所組成，各部分關(guān)系如下框圖

11、2. 1：控制機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)!a工件位置檢測裝置圖2.1工業(yè)機(jī)械手各部分關(guān)系圖執(zhí)行機(jī)構(gòu)：包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動部件所組成。 驅(qū)動機(jī)構(gòu)：有氣動，液動，電動和機(jī)械式四種形式?？刂葡到y(tǒng)：有點(diǎn)位控制和連續(xù)控制兩種方式。 機(jī)身：它是整個工業(yè)機(jī)械手的基礎(chǔ)。機(jī)械手功能：（1）它能部分的代替人工操作；（2）它能按照生產(chǎn)工藝的要求遵循一定的程序、吋間和位置來完成工件的傳送和裝 卸；（3）它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。2. 2. 2上下料機(jī)械手的工作原理上下料機(jī)械手是一種專用的工業(yè)機(jī)械手，其執(zhí)行程序一般是設(shè)計好的，一般只能進(jìn)行 簡單編程，所以機(jī)械手的動作是固定的，一種機(jī)械手只能

12、供送一種或有限的幾種物品，程 序控制系統(tǒng)相對比較簡單。供送料機(jī)械手可看做是一種無料槽、滑道的供送料機(jī)構(gòu)，它在一個位置（料槽）抓取 物品（工件），然后將其搬運(yùn)到另一個位置。其基木動作是：上料時，先由料槽中取出工 件，帶著工件到指定工位，將其放在工位上，返冋；卸料吋則從工位上取下工件，帶走，放到料箱屮。上料時一般有位置及方位要求，而卸料時一般無嚴(yán)格要求，所以上料是關(guān)鍵。要完成上述動作，上下料機(jī)械手的手爪必須到達(dá)兩點(diǎn)（取料點(diǎn)一料槽；放料點(diǎn)一加工 工位），這可通過機(jī)械手的手臂來實(shí)現(xiàn)。手爪必須做兩個動作（抓取料和放下料），這可 通過機(jī)械手的手爪閉合、張開來實(shí)現(xiàn)。方位要求一般通過機(jī)械手的手腕來滿足供送料要

13、求 的運(yùn)動，軌跡應(yīng)該是：直線下降一直線升起一平面圓弧擺動一直線下降。2. 3機(jī)械手的總體設(shè)計 2. 3. 1機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有四種：直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型 結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下：1. 直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是用三個和互垂直的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1. a。由于直 線運(yùn)動易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運(yùn)動位置精度高，但此種類型機(jī)械手的運(yùn)動 空間相對較小，如要達(dá)到較大運(yùn)動空間，則要求機(jī)械手的尺寸足夠大。直角坐標(biāo)機(jī)械手的 工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)。直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂

14、式，龍 門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。2. 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是用一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個肓線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1. bo其 工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運(yùn)作 業(yè)。3. 球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是由兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1. co其工 作空間是一個類球形的空間。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成木較低，但精度不很高，主要應(yīng)用 于搬運(yùn)作業(yè)。4. 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動是由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1. do相對機(jī)械手本體尺寸， 其工作空間比較大，動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機(jī)

15、械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣 泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手又分為水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩 種。a直角坐標(biāo)荃b圓柱坐標(biāo)型匚球坐標(biāo)埜6關(guān)節(jié)型種機(jī)器人坐標(biāo)形式2.3.2具體采用方案具體到本設(shè)計，因?yàn)榭紤]到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對機(jī)械手的具體要求，考慮在 滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，一件小成木、提高可靠度。該機(jī)械手的工作 中需要3種運(yùn)動，其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運(yùn)動，另一個為手臂的冋轉(zhuǎn)運(yùn)動, 綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)冃取為3,坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個轉(zhuǎn)動自由度兩 個一棟棟自由度，其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)比較簡單，手臂運(yùn)動范圍大，且有較高的定位準(zhǔn)確度。 機(jī)械手工作布局

16、圖如圖2-2所示。機(jī)械手工作布局圖圖2-22. 4機(jī)械手主要部件的選用2. 4. 1手爪2. 4.1.1機(jī)械手手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求手爪是用來進(jìn)行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的不同，分為 搬運(yùn)用、加工用、測量用等。搬運(yùn)用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運(yùn)的物 體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銃刀等加工工具的機(jī)械手附加裝置，用來進(jìn)行 相應(yīng)的加工作業(yè)；測量用手爪是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進(jìn)行測量及檢驗(yàn)作 業(yè)。機(jī)械手手爪設(shè)計有如下要求：(1) 機(jī)械手手爪是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)耍求來設(shè)計的。既根據(jù)其應(yīng)用場合設(shè)計手爪，在滿 足作業(yè)要求的前提下，機(jī)械手手爪還要求體積小、重

17、量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。(2) 機(jī)械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí) 現(xiàn)，從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)械手手爪，加之以快速更 換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的手爪去完成多種作業(yè)，以 考慮設(shè)計的經(jīng)濟(jì)效益。(3) 機(jī)械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不同的機(jī)械手，這就要 求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口(如法蘭)，使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。(4) 機(jī)械手手爪要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制。2. 4. 1.2設(shè)計具體采用方案手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類最常見的主要有夾 鉗式，本設(shè)計

18、主要考慮夾鉗式手部設(shè)計。夾鉗式手部是由手指，傳動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀的工件具 有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸，盤，套類零件，一般情況下多采用兩個手指。手部示意圖 如下：圖2-3手部示意圖2. 4. 2腕部2. 4. 2. 1腕部設(shè)計的基本要求手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào) 整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕具有獨(dú)立的自由度， 此設(shè)計手腕有繞x軸轉(zhuǎn)動和沿x軸左右擺動兩個自由度。手腕冋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)為冋轉(zhuǎn)油缸，擺 動也采用回轉(zhuǎn)油缸。他的結(jié)構(gòu)緊湊，靈活，自由度符合設(shè)計要求，它要求嚴(yán)格密封才能保 證穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩。（1

19、）腕部處于臂部的前端，它連同手部的動靜載荷均由臂部承受。腕部的結(jié)構(gòu)、重 量和動力載荷宜接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)動性能。因此在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié) 構(gòu)緊湊，重量輕。（2）腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)聯(lián)接和支承作用，除了保證力和運(yùn)動的要 求以及具有足夠的強(qiáng)度和剛度外還應(yīng)綜合考慮合理布局腕部和手部的連接、腕部自由度的 檢測和位置檢測、管線布置以及潤滑、維修調(diào)整等問題。（3）腕部設(shè)計應(yīng)充分估計環(huán)境對腕部的不良影響（如熱膨脹，壓力油的粘度和燃點(diǎn), 有關(guān)材料及電控電測元件的耐熱性等問題）。2. 4. 2. 2設(shè)計具體采用方案通過對數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對機(jī)械手

20、上 下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，腕部的結(jié)構(gòu)如 圖2-4所示，它可做與手臂垂直方向（例如y軸方向）橫移，還可以繞y軸或z軸冋轉(zhuǎn)。本次 設(shè)計，手腕回轉(zhuǎn)角度±115。,手腕回轉(zhuǎn)速度，v腕回二40。/so圖2-4腕部結(jié)構(gòu)2. 4. 3手臂2 4 3 手臂設(shè)計白勺基本要求手臂部件是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并帶 動它們作空間轉(zhuǎn)動。臂部運(yùn)動的目的：把手部送到空間范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。因此，臂部具有三個自由度才 能滿足基本要求：即手臂繞橫軸旋轉(zhuǎn)，左右冋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動。手臂的各種運(yùn)動由油缸驅(qū)動 和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從背部的受力情況分

21、析，它在工作屮既直接承受腕部，手部和工 件的靜動載荷，而且自身運(yùn)動又較多，故受力復(fù)雜。因而，它的結(jié)構(gòu)，工作范圍，靈活性 以及抓重大小和定位精度等都直接影響機(jī)械手的工作性能。機(jī)身是固定的，它宜接承受和傳動手臂的部件，實(shí)現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)等運(yùn)動。臂部要實(shí)現(xiàn) 所要求的運(yùn)動，需滿足下列各項(xiàng)基本要求：（1）機(jī)械手臂式機(jī)身的承載機(jī)械手臂式機(jī)身的承載能力，取決于其剛度，結(jié)構(gòu)上采用水平懸仲梁形式。顯然，仲 縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷變化，對于機(jī)械手 的運(yùn)動性能，位置精度和負(fù)荷能力等影響很大。為可提高剛度，盡量縮短臂桿的懸伸長度。（2）臂部運(yùn)動速度要高，慣性要小機(jī)械手臂的運(yùn)動速度是

22、機(jī)械手主要參數(shù)乙一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平，一般是根據(jù) 生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定。在一般情況，手臂回轉(zhuǎn)俯仰均要求均速運(yùn)動，w和w為常數(shù)）， 但在手臂的啟動和終止瞬間，運(yùn)動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終 止前的加速度不能太大，否則引起沖擊和振動。為減少轉(zhuǎn)動慣量的措施： 減少手臂運(yùn)動件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。 減少手臂運(yùn)動件的尺寸輪廓。 減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸）， 盡可能在前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作，并且驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。（3）手臂動作應(yīng)靈活為減少手臂運(yùn)動件z間的摩擦阻力，盡可能用滑動摩擦代替滑動摩擦。（4）位置精度要高一般說來，

23、直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制， 精度差；在手冊上加設(shè)定位裝置和自檢測機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度，檢測裝置最好裝 在最后的運(yùn)動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動，嚙合件的間隙。2. 4. 3. 2具體設(shè)計方案由于機(jī)械手手臂運(yùn)動為直線運(yùn)動，這里實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動是采用液壓驅(qū)動的活塞油缸。由 于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂機(jī)構(gòu)中應(yīng)用比較多。通過液壓缸的直 接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運(yùn)動件，而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，控制簡單， 易于實(shí)現(xiàn)計算機(jī)的控制。日前使用的機(jī)械手的臂力范圍較大，國內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械手的臂力最 小為0. 15n,最大為8000no本液壓機(jī)械手的臂力

24、為n臂=1650 （n）,安全系數(shù)k 一般可在 153,本機(jī)械手取安全系數(shù)k=2o定位精度為±1価。手臂伸長量150i,手臂回轉(zhuǎn)角度 ± 120° o手臂升降行程180mm,手臂水平運(yùn)動行程100mm。手臂伸縮速度,v臂伸二50 mm/s 手臂回轉(zhuǎn)速度，v臂回二40° /s,手臂升降速度，v臂升二50 mm/so2. 4. 4機(jī)身2. 4. 4.1機(jī)身設(shè)計的基本要求機(jī)身是直接支撐和傳動手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降，冋轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動的驅(qū)動 裝置或傳動件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)體的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動 愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜。

25、機(jī)身嫵可以是i古i定的，也可以是行走的，即可以 沿地面或架空軌道運(yùn)動。此次設(shè)計機(jī)身為地面軌道運(yùn)動式。它的驅(qū)動系統(tǒng)是步進(jìn)電機(jī)，再電動機(jī)后接了一個圓 錐圓柱齒輪減速器其輸出速度為1.2m/so在后是一個制動箱。其主要參數(shù)是由外部計算機(jī) 調(diào)整和控制，在很大程度上是由運(yùn)動學(xué)和軌跡運(yùn)動而去編制小車的運(yùn)行程序。2. 5驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 2.5.1驅(qū)動機(jī)構(gòu)的主要類型驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同，可分為以下四類：（1）氣壓傳動機(jī)械手氣壓機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其特點(diǎn)為：輸出力 大、易于保養(yǎng)、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單成木低。但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定

26、 性較差、沖擊力大、定位精度一般、抓取力小。（2）液壓傳動機(jī)械手液壓傳動機(jī)械手是以油液壓縮的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其特點(diǎn)為：輸出 力大、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏、抓取力大。但是這種機(jī)械手對密封性要求很高、 不易于保養(yǎng)與維護(hù)、受到液體木身的屬性影響，不宜在高溫或者低溫的環(huán)境下工作、油的 泄漏會導(dǎo)致對其工作性能產(chǎn)生很大的影響、油液過濾要求非常嚴(yán)格，成本高。（3）機(jī)械驅(qū)動機(jī)械手它是由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動的機(jī)械手，是一種附展于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，動力是由 工作機(jī)械提供的。其主要特點(diǎn)為：運(yùn)動精確，動作頻率大，定位精度高。但是結(jié)構(gòu)較大， 保養(yǎng)需求高。（4）電氣驅(qū)動機(jī)械手它是由電木丿lfi接驅(qū)動

27、執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其特點(diǎn)為 運(yùn)動速度快，行程長，定位精度高， 易于維護(hù)、使用方便、節(jié)能環(huán)保。但是其技術(shù)述不夠成熟、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本也較高。驅(qū) 動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分，工業(yè)機(jī)械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動 方案及其裝置。2. 5. 2具體設(shè)計方案在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素，機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要一定的定 位控制精度，因此采用步進(jìn)電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)。由于手臂采用液壓缸，故用液壓驅(qū)動。隨著機(jī) 床加工的工件的不同，手臂伸出長度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服 液壓缸進(jìn)行驅(qū)動。2. 6傳動結(jié)構(gòu)的選擇2. 6. 1工業(yè)機(jī)器人常用的傳動機(jī)構(gòu)形式（1）齒輪傳動機(jī)構(gòu)

28、在機(jī)器人中常用的齒輪傳動機(jī)構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳 動等。（2）諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、 回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。故在工業(yè)機(jī)器人系 統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪 產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運(yùn)動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒 輪傳動具有木質(zhì)上的差別。（3）螺旋傳動螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動變換為 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?；?/p>

29、以傳遞運(yùn)動為主的, 如機(jī)床工作臺的進(jìn)給絲杠。絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩 擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成木低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動 效率低（30%、40%）。后者雖然 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點(diǎn)是摩擦 阻力矩小、傳動效率高（92%98%）,其運(yùn)動平穩(wěn)，靈活度高。通過預(yù)緊，能消除間隙、提 高傳動剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑 簡單，因此滾珠絲杠在機(jī)器人中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用 于垂育方向傳動時，須附加自鎖機(jī)構(gòu)或制動裝置。（4）同步帶傳動同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈

30、輪鏈條傳動優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動，它在帶的工作 面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的 同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強(qiáng)力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。 同步帶具有傳動比準(zhǔn)確、傳動效率高（可達(dá)98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要 潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達(dá)40m/s）、傳動比可達(dá)10,結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故 在機(jī)器人屮使用很多。其主要缺點(diǎn)是安裝精度要求高、屮心距要求嚴(yán)格，同時具有一定的 蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。（5）鋼帶傳動鋼帶傳動的特點(diǎn)是鋼帶與帶輪間接觸面積尢是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結(jié)構(gòu)簡

31、單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低，驅(qū)動力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。（6）鏈傳動在機(jī)器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機(jī)器人末端的重量，_般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī) 安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機(jī)距離被傳動的腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，故采用精密套筒滾子 鏈來傳動。（7）鋼絲繩輪傳動鋼絲繩輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是帶輪較大、 安裝面積大、加速度不宜太高。2. 6. 2工業(yè)機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計的要求機(jī)器人是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)。除直接驅(qū)動型機(jī)器人以 外，機(jī)器人各聯(lián)桿及關(guān)節(jié)的運(yùn)動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動的。機(jī)器人 所采用的傳動機(jī)構(gòu)與

32、一般機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)相類似。常用的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)主要有螺旋轉(zhuǎn)動、 齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。由于傳動部件直接影響機(jī)器人的精度、穩(wěn)定性和 快速響應(yīng)能力，因此應(yīng)設(shè)計和選擇滿足傳動間隙小精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運(yùn) 動平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩人人、諧振頻率高以及與伺服電動機(jī)等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性 能相匹配等要求的傳動部件。2. 6. 3具體設(shè)計方案為了簡化結(jié)構(gòu)，同時提高精度。機(jī)械手腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，必須采用傳 動機(jī)構(gòu)來減速和增大扭矩。經(jīng)濟(jì)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動，為了保證比較高的精度， 盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，同時較大的降低電動機(jī)轉(zhuǎn)速，以使 機(jī)械手的運(yùn)

33、動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比，齒輪采用 高強(qiáng)大、高硬度的材料，高精度加工制動。2. 7機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)器人可以通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得 手臂本身可能達(dá)到平衡。關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂一般都需耍平衡裝置，一減小驅(qū)動器的負(fù)荷，同 時縮短啟動時間。2. 7.1機(jī)器人平衡機(jī)構(gòu)的形式通常，機(jī)器人所采用的平衡機(jī)構(gòu)主要有以下幾種：1. 配重平衡機(jī)構(gòu)這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)器人手臂的 慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機(jī)器人手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī) 構(gòu)。2. 彈簧平衡機(jī)構(gòu)彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)

34、簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。3. 活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)活塞式平衡系統(tǒng)有液壓和氣動兩種：液壓平衡小童平衡力大，體積小，有一定的阻尼 作用：氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆袑ｉT 的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價高，設(shè)計、安裝和調(diào)試都增加了難度，但是平衡 效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。2.7.2設(shè)計具體采用的方案因?yàn)楸驹O(shè)計機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及整個機(jī)械手的 設(shè)計和布局屮都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得 手臂本身盡可能達(dá)到平衡。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不

35、滿足，則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。3液壓系統(tǒng)的設(shè)計3. 1液壓系統(tǒng)的概述機(jī)械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機(jī)帶動油泵輸出 壓力油，是將電動機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié) 裝置等進(jìn)入油缸，推動活塞桿運(yùn)動，從而使手臂作伸縮、升降等運(yùn)動，將油液的壓力能乂 轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需 保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運(yùn)動的速度決 定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運(yùn)動著的壓力油的容積變化來傳遞動力 的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機(jī)械手的液壓傳動系統(tǒng)都

36、展于容積式液壓傳動。3. 2液壓系統(tǒng)的組成液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：(1) 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能, 用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。(2) 液動機(jī) 壓力油驅(qū)動運(yùn)動部件對外工作部分。手臂做肓線運(yùn)動，液動機(jī)就是手 臂伸縮油缸。也有冋轉(zhuǎn)運(yùn)動的液動機(jī)一般叫作油馬達(dá)，冋轉(zhuǎn)角小于360°的液動機(jī)，一般 叫作回轉(zhuǎn)油缸(或稱擺動油缸)。(3) 控制調(diào)節(jié)裝置各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序 閥等，各起一定作用，使機(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運(yùn)動。3. 3液壓系統(tǒng)的基本控制回路機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械手自由度

37、的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由 一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸 荷、運(yùn)動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運(yùn)動等。3. 3. 1壓力控制回路壓力控制回路是通過控制液壓系統(tǒng)的壓力，以滿足執(zhí)行元件對力和力矩要求的回路。 包括調(diào)壓、卸荷、減壓、平衡鎖緊等基本回路。本設(shè)計采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙 控口卸荷回路和單向順序閥做平衡閥實(shí)現(xiàn)任意位置鎖緊的回路為了使機(jī)械手手臂在移動過程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移， 可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關(guān)閉，使活塞停止運(yùn)動并鎖緊。本機(jī)械手采用單向順 序閥做平衡閥實(shí)現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。3.

38、3.2速度控制回路液壓機(jī)械手各種運(yùn)動速度的控制，主要是改變進(jìn)入油缸的流量q。其控制方法有兩類: 一類是采用定量泵，即利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進(jìn)入油缸或油馬達(dá)的流量；另一 類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機(jī)械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。根據(jù)各油泵的運(yùn)動速度要求，可分別采用li型單向節(jié)流閥、lci型單向節(jié)流閥或qi 型單向調(diào)速閥等進(jìn)行調(diào)節(jié)。節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點(diǎn)是：簡單可靠、調(diào)速范圍較人、價格便宜。其缺點(diǎn)是：有壓力和流 量損耗，在低速負(fù)荷傳動時效率低，發(fā)熱大。采用節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)速時，負(fù)荷的變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。 其原因是負(fù)荷變化會引起節(jié)流閥進(jìn)岀油口的壓差變化，因而使通過節(jié)

39、流閥的流量以至油缸 的速度變化。調(diào)速閥能夠隨負(fù)荷的變化而自動調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸的運(yùn)動速度不受負(fù) 荷變化的影響，對速度的平穩(wěn)性要求高的場合，宜用調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。3. 3.3方向控制回路在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達(dá)的運(yùn)動方向和接通或關(guān)閉油路，通常采用 二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號，控制電磁 鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達(dá)的油路換向，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動和正反向轉(zhuǎn)動。目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分為交流電磁閥（d型）和直 流電磁閥（e型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為220v （也有380v或36v）,直流電 磁閥的

40、使用電壓一般為24v （或110v）o這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能好， 換向吋間短，接線簡單，價廉，但是如吸不上吋容易燒壞，可靠性差，換向吋有沖擊，允 許換向頻率底，壽命較短。3. 4液壓系統(tǒng)總體設(shè)計此次設(shè)計的上下料機(jī)械手是以plc來控制整個液壓元件，通過控制液壓缸的電磁換向 閥而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動。至于機(jī)械手在空間的運(yùn)動和定位則由外部的電腦操作系 統(tǒng)完成，它主耍先進(jìn)行機(jī)器手的運(yùn)動學(xué)分析，動力學(xué)分析，軌跡規(guī)劃和編程。從而由上述 系統(tǒng)完成整個機(jī)械手在空間的行走，定位和重復(fù)定位等操作。3. 4. 1液壓執(zhí)行元件運(yùn)動控制回路的設(shè)計液壓執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動速度和運(yùn)動方向的控制是液壓回

41、路的核心問題。速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸岀的流量或者利用密封空間的容積變化來 實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)速方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速；方向控制是 用換向閥或是邏輯控制單元來實(shí)現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機(jī)組 合來實(shí)現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來 實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計的速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，利用用比較簡單的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)，而方向控 制采用電磁換向閥來實(shí)現(xiàn)。3.4. 2液壓源系統(tǒng)的設(shè)計液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一 般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于

42、系統(tǒng)的需油量，多 余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多 用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。油液的凈化裝置是液壓源屮不可缺的元件。一般泵的入口要裝粗濾油器，進(jìn)入系統(tǒng)的 油液根據(jù)要求，通過精濾油器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置 磁過濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。木設(shè)計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥vi來調(diào)定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的 潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過濾器，而在油泵的出口安裝精過濾器對循環(huán)的液壓油進(jìn)行凈化3. 4. 3繪制液壓系統(tǒng)圖本機(jī)械手的液壓系統(tǒng)

43、圖如圖31所示機(jī)械手的液壓系統(tǒng)原理它擁有垂育手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開 三個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中，泵由三相交流異步電動機(jī)m拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥vi調(diào)定；1dt的得失電決 定了動力源的投入與摘除。考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié) 流閥。當(dāng)5dt得電時，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥v5進(jìn)入柱塞缸，實(shí)現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當(dāng)6dt 失電吋，工作液體進(jìn)入柱塞缸中，實(shí)現(xiàn)手爪迅速松開。另外，由于機(jī)械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負(fù)荷重力作用方向一致，下降時 有使運(yùn)動速度加快的趨勢，為使運(yùn)動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的 安全性

44、，采用v2構(gòu)成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負(fù)載。3. 5液壓系統(tǒng)的簡單計算計算的主要內(nèi)容是，根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的輸出力和運(yùn)動速度，確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸 和所需流量、確定液壓系統(tǒng)所需的油壓與總的流量，以選擇油泵的規(guī)格和選擇油泵電動機(jī) 的功率。確定各個控制閥的通流量和壓力以及輔助裝置的某些參數(shù)等。-般會用到的油缸有活塞式油缸（往復(fù)直線運(yùn)動）和冋轉(zhuǎn)式油缸（可以使輸出軸得到 小于360°的往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動），及無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）。3.5.1油缸的主要類型與相關(guān)運(yùn)算3. 5.1.1雙作用單桿活塞油缸qj iqafv v3 ._y_ _ 一 _ -_ 1vi圖5

45、-2雙作用單桿活塞桿油缸計算簡圖流量、驅(qū)動力的計算當(dāng)壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度vi運(yùn)動時所需輸入油缸的流量q1為71q1 二 40d2vi對于手臂伸縮油缸：q1=o. 98cm3/s,對于手指夾緊油缸:qi=l. 02 cm3/s，對于手 臂升降油缸:qi=0. 83 cm7s油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力pi即油缸的驅(qū)動力為：71p1 二 4 d2p對于手臂伸縮油缸：pi二196n,對于手指夾緊油缸：p1二126n ,對于手臂升降油缸：pi=320n當(dāng)壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度v2運(yùn)動時所需輸入油缸的流量q2為：71q2 二 40 (d2-cf ) v2對于手臂伸縮油

46、缸：q2=0. 87cm3/s,對于手指夾緊油缸：q2=0. 96 cn?/s，對于手臂升降油缸：q2=0. 72 cm3/s油缸的有桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力p2即油缸的驅(qū)動力為:71p2 二4 (d2-d2 ) p 對于手臂伸縮油缸：p2二172n,對于手指夾緊油缸：p2=108n ,對于手臂升降油缸:p2=305n計算作用在活塞上的總機(jī)械載荷機(jī)械手手臂移動時，作用在機(jī)械手活塞上的總機(jī)械載荷p為p二p工+ p導(dǎo)+ p封+ p慣+ p回其屮p工為工作阻力p導(dǎo)為裝置處的摩擦阻力p封為密封裝置處的摩擦阻力p慣為性阻力p回為冋背壓阻力p = 83+125+66+80+208二562（n

47、）確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸 油缸內(nèi)徑的計算油缸工作時，作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與活塞桿上所 受的總機(jī)械載荷平衡，即p二pi （無桿腔）二p2 （有桿腔）油缸（即活塞）的直徑可由下式計算匡 /zd = 1. 13 v pi 厘米（無桿腔）對于手臂伸縮油缸：d=50mm,對于手指夾緊油缸:d=30mm ,對于手臂升降油缸：d=80mm ,對于立柱橫移油缸：d = 40mm或d = v 7ip 厘米（有桿腔） 油缸壁厚的計算:依據(jù)材料力學(xué)薄壁筒公式，油缸的壁厚（可用下式計算:p計d（二2匕厘米p計為計算壓力b油缸材料的許用應(yīng)力。對于手臂伸縮油缸：'二6nini,對于手指夾緊油缸：e =17

48、mm ,對于手臂升降油缸: § =16mm ,對于立柱橫移油缸：§二17mm 活塞桿的計算可按強(qiáng)度條件決定活塞直徑d?；钊麠U工作時主要承受拉力或壓力，因此活塞桿的強(qiáng) 度計算可近似的視為直桿拉、壓強(qiáng)度計算問題，即p即d v 厘米對于手臂伸縮油缸：d二30mm,對于手指夾緊油缸：d二15mm ,對于手臂升降油缸: d二50mm ,對于立柱橫移油缸:d二16mm3. 5.1.2無桿活塞油缸(亦稱齒條活塞油缸)v -i p_p 丹圖5-3齒條活塞缸計算簡圖流量、驅(qū)動力的計算7iddg5q =133當(dāng) d= 103mm, d=40min, 0=0. 95 rad/s 時q 二 952

49、n作用在活塞上的總機(jī)械載荷pp二p工+ p封+ p慣+ p回其中p工為工作阻力p封為密封裝置處的摩擦阻力p慣為慣性阻力p回為背壓阻力p = 66+108+208二382 (n)油缸內(nèi)徑的計算根據(jù)作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與總機(jī)械載荷的平衡條件，求得d = 45mm（厘米）3.5. 1.3單葉片回轉(zhuǎn)油缸在液壓機(jī)械手上實(shí)現(xiàn)手腕、手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的另一種常用機(jī)構(gòu)是單葉片回轉(zhuǎn)油缸，簡稱 回轉(zhuǎn)油缸，其計算簡圖如下：圖5-4回轉(zhuǎn)油缸計算簡圖（1）流量、驅(qū)動力矩的計算當(dāng)壓力油輸入回轉(zhuǎn)油缸，使動片以角速度血運(yùn)動時，需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量q為:q =400當(dāng) d二 100mm, d二35mm, b二35m

50、m, 0=0.95 rad/s 時q=0. 02m3/s回轉(zhuǎn)油缸的進(jìn)油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩m："（7）2 一 滬）m =8得 m 二 0 8 （n m）作用在動片（即輸出軸）上的外載荷力矩m m = m工+m封+ m慣+ m回 其中m工為工作阻力矩m封為密封裝置處的摩擦阻力矩m慣為參與回轉(zhuǎn)運(yùn)動的零部件，在啟動時的慣性力矩m回為回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背反力矩m = 2. 3+0. 85+1. 22+1. 08=5. 45 （n m）冋轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑的計算回轉(zhuǎn)油缸的動片上受的合成液壓力矩與其上作用的外載荷力矩相平衡，可得:d 二 30mm （厘米）3. 5. 2油泵的選

51、擇一般的機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，大多采用定量油泵，油泵的選擇主要是根據(jù)系統(tǒng)所需要的 油泵工作壓力p泵和最大流量q泵來確定。（1）確定油泵的工作壓力p泵 p 泵 m p + ap式屮 p油缸的最大工作油壓ap 壓力油路（進(jìn)油路）各部分壓力損失之和，其中包括各種元件的局部損失 和管道的沿程損失。p泵二 60*10"帕（2）確定油泵的q泵油泵的流量，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)個回路按設(shè)計的要求，在工作時實(shí)際所需的最大流量q最大, 并考慮系統(tǒng)的總泄漏來確定q泵二k , q最大 其中:k 一般取1. 101.25q泵二53升/分3.5.3油泵電動機(jī)功率的確定油泵的電動功率為pqn = 612 （千瓦）式中p油泵的最

52、大工作壓力q所選油泵的額定流量71油泵總效率n=7. 5 （千瓦）4機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計4.1系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計4.1.1可編程控制器的概念可編程控制器(programmable logical controller)簡稱plc。國際電工委員會(iec) 在1985年的plc標(biāo)準(zhǔn)草案第3稿中，對plc作了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn) 算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其 內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定吋、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令。并通過數(shù)字式、 模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都 應(yīng)按易于使工業(yè)

53、控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。”現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程是復(fù)雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同。plc 一經(jīng)出現(xiàn)就受到了 廣大工程技術(shù)人員的歡迎。plc具有如下特點(diǎn)：1、編程方法簡單易學(xué)。2、功能強(qiáng)，性能價格比高。3、碩件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)。4、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。5、系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少。6、維修工作量小，維修方便。7、體積小，能耗低。4. 1.2 plc的應(yīng)用領(lǐng)域plc的初期由于其價格高于繼電器控制裝置，使得其應(yīng)用受到限制。但最近十年來， plc的應(yīng)用面越來越廣，其主要原因是：一方面由于處理器芯片及有關(guān)元件的價格人大下 降，使得plc的成本下降；另一

54、方面plc的功能大大增加，能解決復(fù)雜的計算和通信問題。 目前plc在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、石油、化工、電力、機(jī)械制造、汽車、裝卸、 紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。plc的應(yīng)用范圍通常分成以下5種類型：1、順序控制這是plc應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是最適合plc使用的領(lǐng)域，它用來取代傳統(tǒng)的繼電器 順序控制。plc應(yīng)用于單機(jī)控制、多機(jī)控制、生產(chǎn)自動線控制等。例如：注塑機(jī)械、印刷 機(jī)械、訂書機(jī)械、包裝機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電 梯控制。2、運(yùn)動控制plc制造商目前已提供了拖動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，在多 數(shù)情況下，plc把描述口標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模塊，

55、其輸出移動一軸或數(shù)軸到冃標(biāo)位置，每 個軸移動時，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣龋３诌\(yùn)動平滑。相對來說，位置控制模塊比cnc裝置體積更小，價格更低，速度更快，操作更方便，3、過程控制plc還能控制大量的過程參數(shù)，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度等。ptd模塊 提供了使plc具有了閉環(huán)控制的功能，即一個具有pid控制能力的plc可用于過程控制。 當(dāng)過程控制中某個變量出現(xiàn)偏差時，p1d控制算法會計算出止確的輸出，把變量保持在設(shè) 定值上。4、數(shù)據(jù)控制在機(jī)械加工中，plc作為主要的控制和管理系統(tǒng)用于cnc和nc系統(tǒng)中，可以完成人量 的數(shù)據(jù)控制。5、通信控制plc的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程i/o的通信、

56、多臺plc之間的通信、plc和其他智能控制 設(shè)備（如計算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。plc與其他智能控制設(shè)備一起，可以 組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。4.1.3 plc的系統(tǒng)組成plc種類繁多，但其組成和工作原理基本相同。用plc實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算 法進(jìn)行輸入/輸出變換，并將這個變換給以物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。plc專為工業(yè)現(xiàn)場 應(yīng)用而設(shè)計，采用了典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由cpu、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸 入/輸出接口電路等組成。plc的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。援鈕選擇開關(guān)限位開關(guān)電源圖4-1 plc的結(jié)構(gòu)框圖1、中央處理單元（cpu）中央處理單元（cpu） 一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個 芯片內(nèi)。cpu通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸岀接口電路連接。2、存儲器plc的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。系統(tǒng)存儲器包括用來存放ehplc生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在