液壓控制機(jī)械手設(shè)計(jì)課設(shè)

1、- 29 -摘 要本文對(duì)工業(yè)機(jī)械手爪搬運(yùn)零部件進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的形式及自由度，進(jìn)行了相應(yīng)的受力分析與校核。驅(qū)動(dòng)部分運(yùn)用了液壓系統(tǒng)，計(jì)算了液壓缸及液壓泵等重要元件的具體參數(shù)和規(guī)格?？刂撇糠诌\(yùn)用單片機(jī)系統(tǒng)控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，通過行程開關(guān)及電磁閥的閉合控制了機(jī)械手的動(dòng)作順序。說明書中繪制出了機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)裝配圖及相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)出了機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，繪制了機(jī)械手液壓系統(tǒng)工作原理圖。利用單片機(jī)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，選取了合適的AT89S51型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定了單片機(jī)控制方案，畫出了機(jī)械手的工作時(shí)PCB原理圖，并編制了C語言的控制程序。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；液壓系統(tǒng)；單片機(jī)目 錄1 機(jī)

2、械手設(shè)計(jì)任務(wù)書 3 1.1 綜合設(shè)計(jì)目的.3 1.2 題目要求.3 1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容安排.32 機(jī)械手概述 4 2.1 機(jī)械手主要參數(shù).5 2.2 手爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).53 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)10 3.1 液壓系統(tǒng)簡介.10 3.2 液壓缸選擇.12 3.3 機(jī)械手夾持工件原理設(shè)計(jì).17 3.4 機(jī)械手伸縮及左右移動(dòng)液壓回路.18 3.5 總體系統(tǒng)圖.204 單片機(jī)實(shí)時(shí)液壓回路控制21 4.1 主要設(shè)計(jì)思路.21 4.2 行程開關(guān)及其原理.24 4.3 壓力開關(guān)及其原理.25 4.4 單片機(jī)控制流程圖.255 綜合設(shè)計(jì)總結(jié).286 參考文獻(xiàn).291 機(jī)械手設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1 綜合設(shè)計(jì)目的1、綜合應(yīng)用專業(yè)課

3、程的基本理論和基本知識(shí)，初步建立工程項(xiàng)目的獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。2、培養(yǎng)查閱技術(shù)文獻(xiàn)和資料、使用數(shù)據(jù)手冊(cè)、進(jìn)行綜合計(jì)算、繪制規(guī)范的技術(shù)圖紙、撰寫完整的技術(shù)報(bào)告的能力。3、培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)、認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度、以及創(chuàng)新能力。1.2 題目要求：1、機(jī)械手在專用機(jī)床及自動(dòng)線上應(yīng)用十分廣泛，主要用于搬運(yùn)或裝卸零件的重復(fù)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手各動(dòng)作由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，并由電磁閥控制。2、具體動(dòng)作順序是：原位伸出夾緊縮回左移伸出放松縮回右移 原位3、機(jī)械手實(shí)現(xiàn)夾持實(shí)心長方體外形工件，尺寸范圍：300X200X200mm 材料密度為7800kg/m31.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及安排：1、熟悉任務(wù)，查閱資料。2

4、、根據(jù)夾持對(duì)象的尺寸特征和重量，確定機(jī)械手的主要尺寸和形式，寫出設(shè)計(jì)依據(jù)。3、根據(jù)動(dòng)作順序，確定所需要執(zhí)行原件的數(shù)量，并畫出液壓（或氣壓）系統(tǒng)的工作原理圖，要求換向閥選用電磁閥，寫出電磁鐵的動(dòng)作順序表。4、確定液壓系統(tǒng)的工作壓力，并根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和流量確定執(zhí)行元件的主要尺寸，以及所需動(dòng)力元件、輔助件、控制元件的型號(hào)。5、畫出機(jī)械手裝配圖，3號(hào)圖紙。6、寫出電磁鐵的動(dòng)作順序表，4號(hào)圖紙。7、整理設(shè)計(jì)說明書，答辯。2、機(jī)械手概述工業(yè)機(jī)器人手爪由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特

5、別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制

6、造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)比較簡單，專用性等方面得到越來越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技

7、術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。2.1機(jī)械手的主要參數(shù)1、主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)得情況機(jī)械手抓重為G= 917 N。2、基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為1m/s，平均移動(dòng)速度為0.5m/s，說明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均

8、速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400(應(yīng)大于180否則需安裝多只手臂)，又由于該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為土0.5±l2.2 手爪結(jié)構(gòu)

9、設(shè)計(jì)2.2.1手爪選擇概述手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒有手掌，只有自身的運(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計(jì)各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，這里采用滑槽杠桿式。2.2.2設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問題1、應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力

10、）在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。2、手指間應(yīng)有一定的開閉角兩個(gè)手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同的工件，應(yīng)按最大寬度的工件考慮。3、應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶V形面的手指，以便自動(dòng)定心；而長方形工件長多采用板式手爪。4、應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)

11、度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。5、應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。2.2.3 機(jī)械手指形狀設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中夾持的工件為長方體,所以手爪的形狀設(shè)計(jì)成與工件相似的形狀，運(yùn)用夾板式的手指可以增加與工件的接觸面積，同時(shí)受力過程中不易變形。為了增大摩擦力在手指的位置加上易拆裝的硬橡膠，這樣不僅可以增加摩擦力，更可以在夾持零件形狀有所誤差時(shí)，根據(jù)橡膠的彈性擠壓力可以很好的解決因工件尺寸不一導(dǎo)致手指夾持時(shí)出現(xiàn)一定偏角的情況。手指部位為了增加摩擦系數(shù)，且方便跟換，這里在夾持接觸的地方用橡膠制作夾頭 ，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知橡膠

12、的摩擦系數(shù)為：鋼-硬橡膠 摩擦因數(shù) 0.36。初步設(shè)計(jì)得機(jī)械手爪的形狀如圖2-1，手爪通過拉銷作用于滑槽，從而形成一個(gè)減力力臂，根據(jù)杠桿定理可以計(jì)算出該機(jī)構(gòu)的布局合理性。圖2-1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)示意圖2.2.4 手指受力計(jì)算及分析1、受力分析根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)械手的原理對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的受力分析，不僅可以提高系統(tǒng)的可靠性，還可以得出薄弱的環(huán)節(jié)從而進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。受力分析圖如圖2-2. 圖2-2 滑槽杠桿式手部受力分析2、動(dòng)作原理說明圖2-3滑槽受力機(jī)構(gòu)如圖2-3所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿連同圓柱銷一起往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓柱銷在滑槽內(nèi)推拉手指杠桿從而可撥動(dòng)兩個(gè)手指各自繞其支點(diǎn)（手指上的矯銷）作相對(duì)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到

13、實(shí)現(xiàn)手指的夾緊與松開的動(dòng)作。2、夾緊力與N與驅(qū)動(dòng)力A的關(guān)系（傳力比）當(dāng)手指處于夾緊工件的狀態(tài)時(shí)，圖2-2中滑槽杠桿的傾斜角為滑槽曲線與回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線的夾角，此時(shí)稱為夾緊狀態(tài)的傾斜角。由于左右兩手指的對(duì)稱性，在液壓缸的驅(qū)動(dòng)力A的作用下，每個(gè)滑槽杠桿受力相等。在不計(jì)摩擦力的情況下有 P1=P2=A2cos （2-1） 根據(jù)各力對(duì)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)O的力矩平衡條件，同樣在不計(jì)摩擦力的情況下可得 N*b=P1*acos=A2cos*acos （2-2）其中： acos為杠桿動(dòng)力臂；即驅(qū)動(dòng)力對(duì)滑槽的作用力至支點(diǎn)O的垂直距離b為杠桿阻力臂，即夾緊力至支點(diǎn)O的垂直距離于是傳力比為 NA=a2bcoscos （2-3）由

14、此可知當(dāng)ab為定值時(shí)，將決定這一機(jī)構(gòu)的增力大小，增大則 NA 值增大，但， 的增大會(huì)將使驅(qū)動(dòng)行程增大，同時(shí)手部結(jié)構(gòu)也將增大。本機(jī)構(gòu)中a為工件的寬度的一半為100mm, b為杠桿阻力臂，設(shè)計(jì)的長度為200mm故ab=1/33、運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作范圍滑槽杠桿可對(duì)稱于兩支點(diǎn)的連線上下擺動(dòng)。假設(shè)處于極限行程時(shí)有 cosmax=almax lmax為 滑槽桿的最大長度 為了避免滑槽杠桿與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)發(fā)生干擾，一般應(yīng)使 lmax<2a即 cosmax>0.5 max<60 一般取=30°40°。這里取角=30度。根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為: A=2ba*（cos）2*

15、N （2-4）根據(jù)手指夾持工件的方位，計(jì)算握力:機(jī)械手實(shí)現(xiàn)夾持實(shí)心長方體外形工件，尺寸范圍：300X200X200mm, 材料密度為7800kg/m3則 m=*v=7800X0.3X0.2X0.2=93.6kg 故重力為G=m*g=93.6 X 9.8=917 N 由受力分析可知 N*u=G2 其中u為摩擦系數(shù) （2-5）手指部位為了增加摩擦系數(shù)，且方便跟換，這里在夾持接觸的地方用橡膠制作夾頭 ，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知橡膠的摩擦系數(shù)為：鋼-硬橡膠 摩擦因數(shù) 0.36 則產(chǎn)生的擠壓力 N=1274 牛 因?yàn)?ab=1/2 則 驅(qū)動(dòng)力為A=2ba*（cos）2*N=2750 N （2-6） 為了考慮工

16、件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動(dòng)以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力A實(shí)際應(yīng)按以下公式計(jì)算，即： A實(shí)際=AK1K2/ （2-7）式中 手部的機(jī)械效率，一般取0.850.95；取0.90 K1安全系數(shù)，一般取1.22, 取1.5 K2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計(jì)，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，g為重力加速度。K2=1+1000/98101.1故 A實(shí)際=2750×1.5×1.1÷0.90=5040N由此可知機(jī)械手爪對(duì)工件夾緊時(shí)液壓缸所需的推力為5040N,由此為設(shè)計(jì)依據(jù)可以進(jìn)一步確定出液壓缸的型號(hào)規(guī)格的參數(shù)，

17、并進(jìn)一步對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 液壓系統(tǒng)簡介機(jī)械手的液壓傳動(dòng)是以有壓力的油液作為傳遞動(dòng)力的工作介質(zhì)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵輸出壓力油，是將電動(dòng)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(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而使手臂作伸縮、左右移動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時(shí)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(dòng)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(dòng)著的壓力油的容積變化來傳遞動(dòng)力的液壓傳動(dòng)稱為容積式液壓傳動(dòng)，機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)都屬于容積式液壓

18、傳動(dòng)。 3.1.1液壓系統(tǒng)的組成1、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成： 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動(dòng)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(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)工作。 液壓馬達(dá) 壓力油驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件對(duì)外工作部分。手臂做直線運(yùn)動(dòng)，液動(dòng)機(jī)就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液動(dòng)機(jī)一般叫作油馬達(dá)，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動(dòng)機(jī)，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動(dòng)油缸）。 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(dòng)。2、機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制回路機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是

19、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(dòng)的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運(yùn)動(dòng)等。2、壓力控制回路 1） 調(diào)壓回路 在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。2）卸荷回路 在機(jī)械手各油缸不工作時(shí)，油泵電機(jī)又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動(dòng)力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負(fù)荷下工作，所以采用卸荷回路。此機(jī)械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路。 3） 減壓回路 為了是機(jī)械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路前串聯(lián)一個(gè)減壓閥

20、，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。 4） 平衡與鎖緊回路 在機(jī)械液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機(jī)構(gòu)因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機(jī)構(gòu)的自重給以平衡。3、速度控制回路調(diào)速的方式主要由以下3種：1）節(jié)流調(diào)速：采用定量泵供油，由流量控制閥調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的流量來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。2）容積調(diào)速：通過改變變量馬達(dá)的排量來實(shí)現(xiàn)調(diào)速3）容積節(jié)流調(diào)速：采用壓力反饋式變量泵供油，配合流量控制閥進(jìn)行節(jié)流來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，又稱聯(lián)合調(diào)速4、多缸控制回路1）順序動(dòng)作回路：可以使幾個(gè)執(zhí)行元件按一定的順序依次動(dòng)作，或同步動(dòng)作2）同步回路：能保證液壓系統(tǒng)中的兩個(gè)或多個(gè)液壓缸克服負(fù)載、摩擦阻力、泄露、制造質(zhì)量和結(jié)構(gòu)上的差異，在運(yùn)動(dòng)中位移相同或相同速

21、度運(yùn)動(dòng)。3）多缸快慢互不干擾回路 3.2液壓缸的選擇 圖3.1 手爪液壓缸受力分析圖由于需要驅(qū)動(dòng)機(jī)械手爪的夾緊且驅(qū)動(dòng)力所表現(xiàn)出來的是拉力形式，故在設(shè)計(jì)中采用單向作用氣缸。受力分析及結(jié)構(gòu)示意如上圖，根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出拉力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力及夾緊時(shí)的負(fù)載，由機(jī)械手的夾持可知進(jìn)油腔為有杠腔 F=F1+Ft （3-1）F=4(D2-d2)*P1 （3-2）式中: 活塞桿上的負(fù)載力，N彈簧反作用力，N P1液壓缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算: （3-3） （3-4） （3-5）式中: 彈簧剛度，N/mL 彈簧預(yù)壓縮量，mS活塞行程，md彈簧鋼絲直徑

22、，mD彈簧平均直徑，mD彈 簧外徑，m n 彈 簧 有效 圈數(shù)G 彈簧 材料剪切模量，一般取G=79.4X 109 Pa在設(shè)計(jì)中，必須考慮液壓缸效率的影響，則: 4(D2-d2)*P1*=F1+Ft （3-6） 液壓缸工作效率，在這里液壓缸的彈簧反作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于荷載力，故可忽略不計(jì)由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 在這里液壓缸的彈簧反作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于荷載力，故可忽略不計(jì) D2-d2 = F1 P1*×4 （3-7） 表1.1 按荷載選擇工作壓力因?yàn)楣ぷ鬏d荷為5040N，故取工作壓力在1.52Mpa, 取 p1=1.6Mpa 表1.2 按工作壓力選取d/D由上兩個(gè)表知d/D取0.50.5

23、5之間 取 d/D=0.50由前知，夾緊缸為單作用彈簧復(fù)位液壓缸，根據(jù)機(jī)械手臂滑槽的長度可知夾緊工件時(shí)的行程為35mm，則選擇液壓缸行程在35mm 以上的。初步可以算的 D=76.02mm 取整得D =80mmd=0.52D=0.50x80=40mm 取整d=40mm故夾緊時(shí)實(shí)際所需的工作壓力為 p=FA=5040(D2-d2)4 = 1.2Mpa由前知，夾緊缸為單作用彈簧復(fù)位液壓缸，根據(jù)機(jī)械手臂滑槽的長度可知夾緊工件時(shí)的行程為35mm，則選擇液壓缸行程在35mm 以上的。缸體采用45鋼，由JB1068-67 表1.3 液壓缸外徑系列 （mm）注：1、液壓缸工作壓力<6Mpa; 2、液壓

24、缸鋼體材料為45鋼的無縫鋼。根據(jù)液壓缸外徑系列表，查得可取缸筒外徑105mm，則 t= 14.5mm3.2.1缸體結(jié)構(gòu)及驗(yàn)算驗(yàn)算缸壁厚是否符合要求：因?yàn)?tD>0.1則理論缸壁厚為 t>npyD2b （3-8）式中： D缸筒內(nèi)徑 py-液壓缸的計(jì)算壓力，py=（1.25-1.50）p取py=1.35p=1.35X1.2=1.62Mpa n-安全系數(shù)，n=5 缸筒材料的抗拉強(qiáng)度屈服點(diǎn)，45號(hào)鋼為600MPa 故t>5.13mm由此可知該壁厚符合要求3.2.1活塞杠強(qiáng)度的校驗(yàn)校核，按公式 （3-9）有: 其中=120MPa, F=5040N則:d (45040/120)=7.31

25、 40滿足設(shè)計(jì)要求綜上計(jì)算可知可以選取機(jī)械手爪的液壓缸的參數(shù)為：3.2.3缸筒端部聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算缸筒端部與手指是用螺釘聯(lián)接，聯(lián)接圖如下：圖3.2 螺釘聯(lián)接圖螺紋處的拉應(yīng)力： （3-10） 螺紋處的剪應(yīng)力： （3-11）則合成應(yīng)力： （3-12）則知螺紋連接處安全可靠。 其中：K擰緊螺紋的系數(shù)，取K=3 螺紋連接處的摩擦系數(shù)， 螺紋外徑， 螺紋底徑， Z螺釘數(shù)量，Z=43.3機(jī)械手夾持工件液壓原理設(shè)計(jì)圖 3.3手部抓取缸液壓原理圖3.3.1調(diào)壓回路：工作過程由于壓力比較大，故選取了調(diào)壓回路對(duì)機(jī)械手夾持工件的設(shè)計(jì)。在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥，

26、用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。3.3.2原理說明：該液壓圖運(yùn)用了調(diào)壓回路控制手指對(duì)工件的夾持與放松，圖中用先導(dǎo)式溢流閥1和直動(dòng)式遠(yuǎn)程調(diào)壓閥2組成，閥1起安全作用，閥2起調(diào)壓作用，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)壓。閥2也可以用直動(dòng)式比例溢流閥代替，實(shí)現(xiàn)比例控制。能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)壓，使機(jī)械手能適應(yīng)不同的工作環(huán)境液壓缸夾緊時(shí)油路的工作壓力最大為1.2Mpa,若取進(jìn)油路總壓力損失P=5×105Pa，則液壓泵最高工作壓力可以算出： Pp=P1+p=1.7Mpa （3-13）采用裕度法即提高安全系數(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性，故選取泵的額定壓力為 Pe=2Mpa液壓圖中的先導(dǎo)式溢流閥1起安全作用，故選擇控制壓

27、力為2MPA的溢流閥直動(dòng)式遠(yuǎn)程調(diào)壓閥2控制的壓力為1.7MPA3.2.3采用元件選擇： 1、Y2-H先導(dǎo)式溢流閥, 壓力范圍0.68mpa,額定流量 40-1250 Lmin-12、Y-H直動(dòng)式遠(yuǎn)程調(diào)壓閥, 壓力范圍0.68mpa, 額定流量 2 Lmin-13、DFY型單向閥，壓力范圍2131.5MPa，額定流量10-260 Lmin-14、WEH型三位五通閥換向電磁閥，壓力范圍 31.5mpa, 額定流量 75-1250 Lmin-13.4 機(jī)械臂伸縮及左右移動(dòng)缸液壓回路 圖3.4 伸縮及左右液壓控制回路圖 3.4.1調(diào)速回路：這里采用調(diào)速回路，能方便的根據(jù)需要調(diào)節(jié)手臂移動(dòng)的速度，更能適應(yīng)

28、多變的加工環(huán)境要求。節(jié)流調(diào)速回路由定量泵、溢流閥、流量控制閥和執(zhí)行元件等組成。這里的連接方式為進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路，將節(jié)流閥串聯(lián)在液壓泵與液壓缸之間液壓原理圖如圖 3.3所示3.4.2原理說明：控制機(jī)械手臂的伸出縮回、左右移動(dòng)等動(dòng)作順序時(shí)，這里采用了行程開關(guān)控制電磁換向閥的順序動(dòng)作回路，這種回路可以通過電控系統(tǒng)任意的改變動(dòng)作順序，方便靈活，應(yīng)用廣泛。同時(shí)原理圖還采用了進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路，它能通過改變流量控制閥閥口的開度，調(diào)節(jié)與控制進(jìn)入執(zhí)行元件的流量，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)工作速度調(diào)節(jié)3.4.3各元件的選用說明： 1、手臂移動(dòng)的液壓缸： 根據(jù)設(shè)計(jì)可知手臂伸縮及左右移動(dòng)的兩個(gè)液壓缸為非受力缸，其只負(fù)責(zé)控制機(jī)

29、械手臂的移動(dòng)受力不大，但移動(dòng)的行程較大。 設(shè)計(jì)液壓缸需要負(fù)載的重量為：工件的重量，機(jī)械手自身的重量 M=M工件+M自重 （3-14）故選用規(guī)格為 的液壓缸2、液壓泵的選擇：液壓缸夾緊時(shí)油路的工作壓力最大為1.2Mpa,若取進(jìn)油路總壓力損失P=5×105Pa，則液壓泵最高工作壓力可以算出： Pp=P1+p=1.7Mpa （3-15）采用裕度法即提高安全系數(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性，故選取泵的額定壓力為 Pe=2Mpa剛體的伸縮及左右移動(dòng)為快速移動(dòng)過程根據(jù)設(shè)計(jì)要求得V=0.5m/s可計(jì)算出泵的流量最大值為Q1=V*A油缸缸有桿腔的面積A= 4(D2-d2)=3.8×10-3m2 則

30、Q1=114 Lmin-1取一定的安全系數(shù)u=1.4;知液壓泵的最大流量為：160Lmin-1 額定工作壓力為：2Mpa根據(jù)表1.4可以選取液壓泵的型號(hào)為：VDF-DF-12/12系列的液壓泵 表1.4 液壓泵型號(hào)參數(shù)3、元器件規(guī)格選用： Y2-H型直動(dòng)式溢流閥, 壓力范圍0.68mpa,額定流量 40-1250 Lmin-1QDFT型調(diào)速閥，最大工作壓力21mpa，額定流量 42-240 Lmin-1WEH型三位五通閥換向電磁閥，壓力范圍 31.5mpa, 額定流量 75-1250 Lmin-13.5 總體系統(tǒng)圖總體系統(tǒng)圖如下：圖 3.5總液壓控制系統(tǒng)圖3.5.1工作過程原位伸出夾緊縮回左移

31、伸出放松縮回右移 原位3.5.2電磁鐵動(dòng)作順序表電磁鐵通電順序表如下：4 單片機(jī)實(shí)時(shí)液壓回路的控制4.1 主要設(shè)計(jì)思路：本控制設(shè)計(jì)的思路圍繞在AT89S52單片機(jī)的控制上，分別由位置行程開關(guān)、壓力感應(yīng)開關(guān)的輸出的狀態(tài)值作為單片機(jī)端口輸入從而觸發(fā)輸出端口對(duì)液壓系統(tǒng)中的液壓電磁閥的得電與斷電控制，實(shí)行各液壓缸的動(dòng)作要求。4.1.1單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)的組成及原理單片機(jī)的全稱為：單片微型計(jì)算機(jī)也就是說將計(jì)算機(jī)的所有功能都集成在一塊芯片內(nèi)的芯片都可以稱之為單片機(jī)相當(dāng)于就是一塊集成IC，內(nèi)部包含中央處理器CPU、程序存儲(chǔ)器ROM、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、I/O口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、外部中斷、串行通信等內(nèi)部結(jié)構(gòu)以單片機(jī)為核

32、心，再配合其它外部電路組成的控制系統(tǒng)稱為單片機(jī)系統(tǒng)4.1.2 AT89S52單片機(jī)的基本特性1）8 位的 CPU，片內(nèi)有振蕩器和時(shí)鐘電路,工作頻率為 024MHz2）片內(nèi)有 256字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM3）片內(nèi)有 8K字節(jié) 程序存儲(chǔ)器 ROM4）4個(gè)8位 的并行I/O口（P0、P1、P2、P3）5）1個(gè) 全雙工串行通訊口6）3個(gè)16位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T0、T1、T2）7）可處理 6個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí) 各引腳功能：P0.0P0.7:8位數(shù)據(jù)口和輸出低8位地址復(fù)用口(復(fù)用時(shí)是雙向口；不復(fù)用時(shí)也是準(zhǔn)雙向口)P1.0P1.7: 通用I/O口（準(zhǔn)雙向口）P2.0P2.7: 輸出高8位地址（用于

33、尋址時(shí)是輸出口；不尋址時(shí)是準(zhǔn)雙向P3.0P3.7: 具有特定的第二功能（準(zhǔn)雙向口）4.1.3 AT89S52單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖 圖4.1 AT89S52單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖4.1.4單片機(jī)的最小系統(tǒng) 圖 4.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖4.2 行程開關(guān)及其原理圖4.3 行程開關(guān)行程開關(guān)，是一種常用的小電流主令電器。利用生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的碰撞使其觸頭動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)接通或分?jǐn)嗫刂齐娐?，達(dá)到一定的控制目的。通常，這類開關(guān)被用來限制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的位置或行程，使運(yùn)動(dòng)機(jī)械按一定位置或行程自動(dòng)停止、反向運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)或自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)等。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開關(guān)

34、時(shí)，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關(guān)可以安裝在相對(duì)靜止的物體（如固定架、門框等，簡稱靜物）上或者運(yùn)動(dòng)的物體（如行車、門等，簡稱動(dòng)物）上。當(dāng)動(dòng)物接近靜物時(shí)，開關(guān)的連桿驅(qū)動(dòng)開關(guān)的接點(diǎn)引起閉合的接點(diǎn)分?jǐn)嗷蛘邤嚅_的接點(diǎn)閉合。由開關(guān)接點(diǎn)開、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂齐娐泛蜋C(jī)構(gòu)的動(dòng)作。4.3 壓力開關(guān)及其原理壓力開關(guān)是一種簡單的壓力控制裝置，當(dāng)被測(cè)壓力達(dá)到額定值時(shí)，壓力開關(guān)可發(fā)出警報(bào)或控制信號(hào)。壓力開關(guān)的一般工作原理：是當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力高于或低于額定的安全壓力時(shí)，感應(yīng)器內(nèi)膜片瞬時(shí)發(fā)生移動(dòng)，通過連接導(dǎo)桿推動(dòng)開關(guān)接頭接通或斷開，當(dāng)壓力降至或升額定的恢復(fù)值時(shí)，膜片瞬復(fù)位，開關(guān)自動(dòng)復(fù)位，或者簡單的說是當(dāng)被測(cè)壓力超過額定值時(shí)，彈性元件的自由端產(chǎn)生位移，直接或經(jīng)過比較后推動(dòng)開關(guān)元件，改變開關(guān)元件的通斷狀態(tài)，達(dá)到控制被測(cè)壓力的目的。壓力開關(guān)采用的彈性元件有單圈彈簧管、膜片、膜盒及波紋管等。 開關(guān)元件有磁性開關(guān)、水銀開關(guān)、微動(dòng)開關(guān)等。 壓力開關(guān)主要類別包括常開式和常閉式。主要特點(diǎn)是：1、采用英制管螺紋快速接頭或銅管焊接式安裝結(jié)構(gòu)，安裝靈活，使用方便，無需特殊的