关节型机械手设计【四自由度 圆柱坐标式液压驱动】【4张CAD图纸+PDF图】

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要求本设计能较鲜明地体现机电一体化的设计构思。所谓机电一体化，是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。尽管机电一体化的产品名目繁多，并由于它们的功能不同而有不同的形式和复杂程度，但做功的机械本体部分（包括动力装置）和微点自控制部分（包括信息处理）是最基本的、必不可少的要素。 本设计要求完成以下工作： 1、 拟定整体方案，特别是控制方式与机械本体的有机结合的设计方案。 2、 根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部和臂部的结构。 3、 各部件的设计计算。 4、 机械手工作装配图的设计与绘制。 5、 液压系统图的设计与绘制。 6、 编写设计计算说明书。 2 机械手的总体设计 2.1 工业机械手的组成 工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成的，各部关系如图2.1所示。 图2.1 机械手的组成 2.1.1 执行机构 1.手部 即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型(为回转型，因其结构简单）。手爪多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可用负压式或真空式的空气吸盘（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构型式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。 2.腕部 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位（即姿态）。它可以有上下摆动，左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动。如有特殊要求（将轴类零件放在顶尖上，将筒类、盘类零件卡在卡盘上等），手腕还可以有一个小距离的横移。也有的工业机械手没有腕部自由度。 3.臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手部的作用是带动手指去抓取物体，并按预定要求将其搬到预定的位置。手臂有三个自由度，可采用直角坐标（前后、上下、左右都是直线）,圆柱坐标（前后、上下直线往复运动和左右旋转），球坐标（前后伸缩、上下摆动和左右旋转）和多关节（手臂能任意伸屈）四种方式。 直角坐标占空间大，工作范围小，惯性大，其优点是结构简单、刚度高，在自由度较少时使用。圆柱坐标占空间较小，工作范围较大，但惯性也大，且不能抓取底面物体。球坐标式和多关节式占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体，多关节还可以绕障碍物选择途径，但多关节式结构复杂，所以也不常用。 2.1.2 驱动机构 有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。液动式的出力大，臂力可达 1000N 以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在 1mm 范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。 2.1.3 控制系统 有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁带磁盘、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特征。 2.2 关节型机械手的主要技术参数 1.抓重： 300N 2.自由度： 4个 3.坐标形式：圆柱坐标 4.手臂运动参数 运动名称 符号 行程范围 速度 伸缩 X 400mm 小于250mm/s 升 降 Z 300mm 小于70mm/s 回转 ψ 0°~210° 小于90 (°)/s 5.手腕参数 运动名称 符号 行程范围 速度 回转 ω 0°~180° 小于90 (°)/s 6.手指夹持范围：棒料，直径50~70mm，长度450~1200mm 7.定位方式：电位器设定，点位控制 8.驱动方式：液压（中、低压系统） 9.定位精度：±3mm 10.控制方式：可编程控制 2.3 圆柱坐标式机械手运动简图 经过考虑，本设计的机械手设计成如下简图形式： 图2.2 圆柱坐标式机械手 3 关节型机械手机械系统设计 3.1 手部 手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构多种多样，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而定的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。 根据设计要求，这里只讨论夹钳式的手部结构。 夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件。一般情况下，多采用两个手指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或放松。 平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适于夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。但这种手指结构比较复杂、体积大，要求加工精度高。根据设计要求，工件是圆盘，所以采用回转型手指，其张开和闭合靠手指根部（以枢轴支点为中心）的回转运动来完成。枢轴支点为一个的，称为单支点回转型；为两个支点的，称为双支点回转型。这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位误差。 本设计要求抓取棒料，故采用夹钳式手部。 3.1.1 夹紧力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是计算手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用力进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以及工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下式计算： 式中K——安全系数，通常取1.2~2.0; K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算 K2=1+ 其中a—运载工件时重力方向的最大上升速度； g—重力加速度，g ≈ 9.8m/s; a= ——运载工件时重力方向的最大上升速度； t——系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取。一般取0.03~0.5s。 K——方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。 G—被抓工件所受重力（N）。 3.1.2夹紧缸驱动力计算 如图是液压夹紧装置。手爪壳和缸壳连成一体，当压力油从液压缸右边油管进油时，活塞杆向左移动，推动手爪闭合；当压力油从液压缸左边进油时，拉动手爪张开。 缸的拉力（或推力）（N）为： 式中 D—活塞直径（）; ——活塞杆直径（）; ——驱动压力（）。 图3.1 液压缸驱动装置 3.1.3 两支点回转型手指的夹持误差分析与计算 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免差生手指夹持的定位误差，必须选用合理的手部机构参数，从而使夹持误差控制在较小的范围内。 图3.2 两支点回转型手指 若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有： 对于两支点回转型手爪（尤其当a值较大时），偏转角β的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的BE和B′E′边平行，抓不着工件。为了避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径，以∠BCD=90°为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即β为： －a） 工件平均半径 取手指为2倍的工件平均半径 =2=2×30mm=60mm 取V型夹钳的夹角2θ=120°，取a=12mm 则－a）==67.83° 计算==60×=19.61mm = =| =|57.09-54.60| =2.49mm 因为题目要求定位精度为±3mm,所以设计满足要求。 设计结果： a=12mm =60mm 2θ=120° = =55.56mm 3.1.4 紧缸的计算 1、设=1.5，=1.05，工件垂直方向的移动速度为0.07，机械手达到最高速度的响应时间为0.5S，α=45°，则 =1+=1+=1.01 =1.5×1.01×1.05×3=477.23N 2、驱动力计算 2209.57N 3、取η=0.85 =2599.49N 4、确定液压缸直径D ∵ 选取活塞杆直径d=0.5D，压力油工作压力p=30× ∴D=0.038m 根据液压缸内径系列（JB1086—67）选取液压缸内径为：D=40mm 则活塞杆直径为： d=40×0.5=20mm 3.2 腕部 手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是再臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。 手腕部件具有独立的自由度。一般手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动即可满足工作要求。目前，应用最广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度较小（一般小于 270o），并且要求严格密封，否则就很难保证稳定的输出扭矩。因此，在要求较大或转角的情况下，采用齿条齿轮传动或链轮以及轮系结构。 3.2.1 腕部设计的基本要求 1、力求结构紧凑、重量轻 腕部处于臂部的最前端，它连同手部的精、动载荷均由臂部承受。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 2、综合考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，有承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求以及具有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局。如应解决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题。 3、必须考虑工条件 对于高温作业和腐蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计是应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀、压力油的粘度恶化燃点，有关材料及电控元件的耐热性等）。根据以上几点，结合设计要求，设计出腕部的结构如图 3-2。其为典型腕部结构中具有一个自由度的回转缸驱动的腕部结构。直接用回转液压（气）缸驱动实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛采用。 图3.3用一个回转液压缸实现腕部旋转的结构 1——回转液压缸 2——手爪驱动液压缸 3——左进油管 4——手部油管 5——右进油管 6——固定叶片 7——回转轴 8——回转叶片 9——缸体 图3.3所示的为腕部结构，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从 B-B剖视图上可以看出，回转叶片（简称动片）用螺钉、销钉和转轴 7 连接在一起，定片 6则和缸体 9 连接。压力油分别由油孔 3、5 进出油腔，实现手部的旋转。旋转角的极限值由动片、定片之间允许回转的角度来决定（一般小于 270°），图示液压缸可以回转±90°。 图示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个油管。通向手部驱动液压缸的油管是从回转缸壁通过，然后通过一个环槽结构包围手部夹紧缸，腕部回转时，不论在哪个方位油路仍可保证畅通，这种布置可使油管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管（一根供手部油管，两根供腕部回转液压缸）由手臂内通过并经腕部回转缸壁分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。 3.2.2 腕部回转力矩的计算 腕部回转时，需要克服以下几种阻力。 1、腕部回转支承处的摩擦力矩 一般为了简化计算，取=0.1阻力矩 2、克服由于工件重心偏置所需的力矩 = 式中 e——工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）。 3、克服启动惯性所需的力矩 启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度ω及启动所用时间，按下式计算 或者根据腕部角速度 ω 及启动过程转过的角度φ启按下式： 式中 J工件 ——工件对手腕回转轴线的转动惯量（Nm）； J ——手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量（Nm）； ω ——手腕回转过程的角速度（1/s）； t启 ——启动过程中所需时间（s），一般取 0.05-0.3s； ——启动过程所转过的角度（rad）。 手腕回转所需的驱动力矩相当于上述三项之和。 如果手腕回转部分的转动惯量（ J+）不是很大时，手腕启动过程所产生的惯性力矩也不大，为了简化计算可以将计算力矩、适当放大，而省略掉 ，这时 ) 具体计算过程如下 设：（1）手爪、手爪驱动液压缸及回转液压缸转动件为一个等效圆柱体，高为30cm,直径为20cm,其所受重力为G=400N。 （2）摩擦阻力矩=0.1 （3）启动过程所转过的角度=15=0.262rad, 等速转动角速度ω=90=1.571 求 ==0.204 Nm ==4.362 Nm 代入 21.506Nm =0.1 =21.506 Nm 3.2.3 手腕回转缸的设计计算 回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力距，为了使该机械手具有更好的通用性，以及与相应的机构尺寸相吻合，设回转的基本尺寸如下： 回转缸内径 D=40mm 输出轴与动片连接处的直径d=10mm 动片宽度b=45mm 回转液压缸的工作压力p=3M ∴ 因为，所以是符合要求的。 3.3 臂部 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。 臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。 臂部的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。 由本机械手的总体设计可知该臂部分三部分：回转缸、伸缩缸和俯仰摆动液压缸。回转缸实现的是手臂旋转，伸缩缸实现的是手臂升降，俯仰缸实现的是手臂的俯仰。 3.3.1 手臂伸缩液压缸 3.3.1.1 伸缩液压缸的结构设计 经过整体考虑，手臂作直线运动的部分设计为双导向杆手臂伸缩机构，其图如下： 图3.4 双导向杆手臂伸缩机构 1——缸盖 2——导向杆 3——活塞 4——缸体 5——活塞杆 6——导向套 从图中可较清楚地看到手臂伸缩液压缸的结构；导向杆 2 在导向套内移动，以防手臂伸缩时的转动（小臂回转，手腕回转和手爪夹紧液压缸用的输油管道安装在其内）。 由于手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向管承受弯曲作用，活塞杆只受轴向的拉力和压力，故大大减少了活塞杆的受力，使传动平稳。 3.3.1.2 手臂伸缩液压缸的设计计算 3.3.1.2.1作水平伸缩直线运动液压缸的驱动力 式中 ——摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力。 ——密封装置处的摩擦阻力。 ——液压缸回油腔低压油液所造成的阻力。 ——启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。 1）的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。 图3.5 水平移动液压缸受力图 图3.5为双导向杆导向，其导向杆截面形状为圆柱面，导向杆对称配置在伸缩缸的两侧，启动时，导向装置的摩擦阻力较大，计算如下： 由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。 得 =0 得 = ∴ 式中 ——参与运动的零部件所受的总重力（含工作重力）（N）； L——手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支承前端的距离（m）; a——导向支承的长度（m）； ——当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。 对于圆柱面： =（1.27~1.57） ——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时； 钢对青铜：取=0.1~0.5 钢对铸铁：取=0.18~0.3 取=0.2，设手爪、手爪驱动液压缸及回转液压缸所受重力为G=400N，手臂伸缩液压缸所受重力为G=150N，则=400+150+300=850N，L=50mm，a=100mm，则 =0.2×1.3×850(=442N 2）的计算 不断密封圈其摩擦阻力不同，此处选用“Y”形密封圈。 =pπdl 式中 ——摩擦系数，=0.06~0.08 P——密封处的工作压力（）； d——密封处的直径（m） l——沿轴向的密封长度，相当于唇部的宽度（m）。 根据活塞杆的直径选“Y”形密封圈型号为B16407ACM，内径为16mm，唇部宽度为7mm，设密封处工作压力为2.5，则 =pπdl=0.07×2.5×π×0.016×0.007=61.58N 3）的计算 一般背压阻力较小，可按=0.05p,此处忽略不计。 4）的计算 0.7 式中 ——参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）（N）； g——重力加速度，取9.8m/; ——由静止加速到常速的变化量（m/s）； ——启动过程时间（s），一般取0.01~0.5s。 已知=0.07m/s，取=0.5s ∴ ==12.14N 手臂作水平直线运动液压缸的驱动力为 =12.14+442+61.58+0=515.72N 3.3.1.2.2 手臂作升降运动的液压缸驱动力 ±G 式中 ——摩擦阻力，如下图所示。=2f，取f=0.16 G——零部件及工件所受总重力。 其他阻力的计算与上相同，省略。 注意，须按h>0.32ρ计算不自锁的条件。 图3.6 手臂各部件重心位置图 3.3.1.3 伸缩液压缸的结构尺寸 3.3.1.3.1 液压缸内径的计算 图3.7双作用液压缸示意图 如图3.7所示，当油进入无杆腔 当油进入有杆腔 液压缸的有效面积： 固有 （无杆腔） （有杆腔） 式中 F——驱动力（N）； ——液压缸的工作压力（）； d——活塞杆直径（m）； D——液压缸内径（m）； ——液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取=0.95。 由总体设计知，手臂在收缩是液压油进入的有杆腔，取=0.95，则 由于前面的手部和腕部的液压缸内径都选的是40mm，为了使该机械手具有更好的通用性，这里也取D=40mm。 3.3.1.3.2液压缸壁厚计算 初选壁厚δ=5mm，则： 因为16>>3.2时属于中等壁厚，所以该壁厚属于中等壁厚，计算公式为： 式中 ——液压缸内工作压力（）； ——强度系数（当为无缝钢管时=1）； C——让管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值； D——液压缸内径（m）。 该钢臂为无缝钢管，则 =0.001mm 所以选取的壁厚满足条件。取标准液压缸外径为50mm，则壁厚为5mm。 3.3.1.3.3 塞杆的计算 活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求。对于杆长l大于直径d的15倍（即l>15d）的活塞杆还必须具有足够的稳定性。 ①按强度条件决定活塞杆直径d 0.002m 所以d=16mm是满足要求的。 ②活塞杆的稳定性校核 当活塞杆l>15d时，一般应进行稳定性校核。因为此处活塞杆长度为200mm，直径为16mm，200/16<15，所以这里不用进行活塞杆的稳定性校核。 3.3.1.3.4 螺钉的计算 为了保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距，查表知，间距应小于100mm，设螺钉数目为4个。 表3.1 间距与压力p的关系 工作压力（） 螺钉间距（mm） 0.1~1.5 <150 1.5~2.5 <120 2.5~5.0 <100 5.0~10.0 <80 在这种连接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷和预紧力之和 式中 = F——驱动力（N） Z——螺钉数目 p——工作压力（） ——预紧力=K K＝1.5~1.8 D——危险剖面直径（m） 螺钉的强度条件为 式中——计算载荷（N）； 抗拉许用应力（单位为） n=1.2~2.5 ——螺纹内径（mm） ——螺钉材料屈服极限 设螺钉的材料为45号钢，查得=360，经过计算得4.4mm，取螺钉型号为M5。 表3.2螺钉材料的屈服极限 钢号 10 Q215 Q235 35 45 40Cr 210 220 240 320 360 650~900 3.3.2手臂回转液压缸 3.3.2.1手臂回转液压缸结构设计 经考虑，手臂回转液压缸设计成如下形式： 图3.8 手臂回转液压缸 1——缸体 2——键 3——动片 4——左油孔 5——定片 6——右油孔 图3.8所示的手臂结构，采用一个回转液压缸实现旋转运动。从 A-A剖视图上可以看出，回转叶片（简称动片）用键 2 和转轴连接在一起，定片 5 和缸体 1用销钉和螺钉连接。压力油分别由油孔 4、6 进出油腔，实现手部的旋转。旋转角的极限值由动片、定片之间允许回转的角度来决定（一般小于 270°）。 3.3.2.2手臂回转时所需的驱动力矩 手臂回转时，需要克服以下几种阻力： 1、回转处的摩擦阻力，一般为了简化计算，取=0.1 2、启动惯性所需的力矩 式中——手臂回转部分对轴线的转动惯量（Nm） ——工件对回转轴线处的转动惯量（Nm） ——手臂回转过程的角速度（1/s） ——启动过程所转过的角度（rad） 具体计算过程如下： 设：①手爪、手爪驱动液压缸、手腕回转液压缸以及手臂伸缩液压缸等效为一个圆柱体，高40cm，直径为20cm，其所受重力为550N； ②摩擦阻力矩=0.1； ③启动过程所转过的角度=18°=0.314rad，等速转动角速度=90/s=1.57 转动惯量计算为： 在手腕部分已算过，（Nm） 代入： =0.1 3.3.2.3手臂回转液压缸的设计计算 回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力距，为了使该机械手具有更好的通用性，以及与相应的机构尺寸相吻合，设回转的基本尺寸如下： 回转缸内径 D=40mm 输出轴与动片连接处的直径d=10mm 动片宽度b=45mm 回转液压缸的工作压力p=3M ∴ 因为，所以是符合要求的。 3.3.2.4缸盖螺钉的计算 由于在计算手臂伸缩液压缸过程中已经行过缸盖螺钉的计算，此处的计算与上面相同，故不再赘述。 4 机械手的液压驱动系统 液压系统自 60 年代初到现在，已自机械手中获得广泛应用。它的优点是：动力大、力（或力矩）惯性比大、快速响应高、易于实现直接驱动等。 液压系统在机械手中所起的作用是通过电—液转换元件把控制信号进行功率放大，对液压动力机构进行方向、位置和速度的控制，进而控制机械手的手臂按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动液压缸。用于实现手臂的伸缩升降以及手腕、手臂的回转。 4.1 程序控制机械手的液压系统 这类机械手属于非伺服控制机械手，在只有简单搬运动作业功能的机械手中，常常采用简单的逻辑控制装置或编程控制，对机械手实现有限位的控制。这类机械手的液压系统设计与其它液压机械设计所考虑的问题大致相同，只是在以下方面须加以重视。 1）液压缸设计：在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件，以减少摩擦阻力，提高液压缸的寿命。 2）定位点的缓冲与制动：因机械手手臂的运动惯量较大，在定位点前要加缓冲与制动机构或锁紧装置。 3）对惯性较大的运动轴和接近机械手末端的腕部运动轴的液压缸两侧，最好加设安全保护装置，防止因碰撞过载损坏机械结构。 4.2 液压系统传动方案的确定 4.2.1各液压缸的换压回路 为便于机械手的自动控制，如采用可编程序控制器或微机进行控制，从总体方案设计中可知系统系统的压力和流量都不高，因此一般都选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效益。 液压机械手一般采用单泵或双泵供油，手臂伸缩、手臂俯仰、手臂旋转等机构采用并联供油，这样可有效降低系统的供油压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干扰，实现同步或非同步运动，换向阀需采用中位“O”型换向阀。 合本设计方案，所有液压缸都采用“O”型电磁换向阀，如图4.1所示： a) b) c) 图4.1 a) ——伸缩缸，b) ——升降缸，c) ——回转缸 4.2.2 调速方案 整个液压系统只用单泵或双泵工作，各液压缸所需的流量相差较大，各液压缸都用液压泵的全流量工作是无法满足设计要求的。尽管有的液压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速，用以保证液压缸的平稳运行。各缸可选择进油路或回油路节流调速，因为系统为中低压系统，一般适宜选用节流阀调速。 在一般情况下，机械手的各个部位是分别动作的，手臂回转缸、手腕回转缸和夹紧缸所需的流量较为接近，手臂伸缩缸的流量较大，这两组缸所需的流量相差较大，这样可以选择单泵供油系统，也可选择双泵供油系统，本设计选择单泵供油系统。 单泵供油系统要以所有液压缸中需流量最大的来选择泵的流量。优点是系统较为简单，所需的元件较少，经济性好。 图4.2 单泵供油系统 4.2.3 减速缓冲回路 通用工业机械手要求可变行程，在液压缸的起动和停止的过程中都需要缓冲。如图所示采用一个二位二通电磁换向阀和一个节流阀形成缓冲回路。当液压缸运动到希望点时，由位置检测装置发信号给主机，然后主机控制电磁阀 1YA 通电切断二位二通的通路，液压缸的回路改经节流阀回油箱，增大的回油路的阻力，使液压缸速度减慢，防止冲击达到缓冲目的，这种回路也适用于摆动缸。 图4.3回油节流缓冲回路 4.3 液压系统的合成 在上述主要液压回路选好后，再加上其它功用的辅助油路（如卸荷、测压等油路），就可以进行合并，完善为完整的液压系统，并编制液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表。 完整的液压原理图和电磁铁动作顺序表如下所示： 图4.4 完整的液压原理图 表4.1电磁铁动作顺序表 电磁铁 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 手臂伸缩 伸出 + + + + + + 伸出缓冲 缩回 缩回缓冲 手臂回转 正转 + + + + + + 正转缓冲 反转 反转缓冲 手臂升降 伸出 + + + + + + 伸出缓冲 缩回 缩回缓冲 手腕回转 正转 + + + + + + 正转缓冲 反转 反转缓冲 手爪 夹紧 + + 松开 原位卸荷 + 5 机械手的可编程控制 工业机械手的电器控制系统相当于人的大脑，它指挥机械手的动作，并协调机械手与生产系统之间的关系。机械手的工作顺序、应达到的位置，如手臂上下移动、伸缩、回转及摆动、手腕上下、左右摆动和回转、手指的开闭动作，以及各个动作的时间、速度等，都是在控制系统的指挥下，通过每一运动部件沿各坐标轴的动作按照预先整定好的程序来实现的。 不论自动电气控制装置复杂程度如何，对于生产线及各种功能的机械手来说，一般都要求电气控制系统按照预先规定的动作程序进行顺序控制。 随着工业生产的不断发展以及工业机械手技术的不断成熟，可编程控制器被广泛应用，它的优点是运行稳定、编程方法简单易学、功能强，性能价格比高、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强、无触点面配线，可靠性高，抗干扰能力强、系统的设计、安装、调试工作量少、维修工作量小，维修方便，体积小，能耗低。所以该机械手采用 PLC 控制。 5.1 输入输出触点的分配 5.1.1 行程开关的分配 1、推动手臂回转的回转液压缸 手臂正转限位：ST1 手臂反转限位：ST2 2、推动手臂升降的直动液压缸 手臂上升限位：ST3 手臂下降限位：ST4 3、推动手臂伸缩的直动液压缸 手臂伸出限位：ST5 手臂缩回限位：ST6 4、推动手腕回转的回转液压缸 手腕正转限位：ST7 手腕反转限位：ST8 5、推动手爪夹紧的直动液压缸 手爪松的夹紧缸开由结构限位限位，故不需要限位开关 5.1.2 手动按钮的分配 1、手臂回转控制 手臂正转：SB1 手臂反转：SB2 手臂回转缓冲：SB11 2、手臂升降控制 手臂上升：SB3 手臂下降：SB4 手臂升降缓冲：SB12 3、手臂伸缩控制 手臂伸出：SB5 手臂缩回：SB6 手臂伸缩缓冲：SB13 4、手腕回转控制 手腕正转：SB7 手腕反转：SB8 手腕回转缓冲：SB14 5、手爪夹紧控制 手爪夹紧：SB9 手爪松开：SB10 6、其他 启动：SB15 回原点：SB16 连续：SB17 点位控制：SB18 停止：SB19 5.1.3 输入输出继电器的分配 1、输入输出元件号均用八进制数表示，上述每一个行程开关和手动按钮都对应一个输入继电器，则输入触点分配如下： ST1-ST8:X0-X7(按顺序一一对应)。 SB1-SB17:X10-X32(按顺序一一对应)。 2、输出触点分配如下： 每个电磁阀对应一个输出继电器，则1YA－14YA：Y0-Y16 (按顺序一一对应)。 5.2 外部接线图 根据触点数目，此处选用FX2N-64型可编程控制器，外部接线图如图5.1所示： 图5.1 外部接线图 5.3 控制面板设计 此面板提供了一个人机交互的界面，当该机械手需要调试和维修的时候就会用到它。当然，当生产线有暂停的时候，也需要人为的停止和起动。所有的手动按钮都要设定在控制面板上。 图5.3 控制面板图 5.4 状态控制图 该机械手在每个周期内需要完成上料、进入下一工位、翻转工件、回到原点4个主要步骤，如图5.4所示 图5.4状态流程简图 将每一个主要步骤拆开来，可以得到状态流程详图，如图5.5所示： 图5.5状态流程详图 5.5梯形图 根据状态流程详图和外部接线图得出如下5.6所示梯形图 图5.6 梯形图 结 论 经过两个多月的马拉松式的紧张设计，随着这份《说明书》的收笔也即将告捷。回想起设计的过程，酸甜酸苦辣一言难尽。虽然时间的紧迫和就业的压力始终徘徊在设计的过程中，但毕竟收获的喜悦还是胜过了工作的幸劳。非常庆幸能在毕业之际交上一份令自己满意的答卷。 本次毕业设计课题内容覆盖面广。涉及到机械等主干课程，通过认真实习、调查、分析、研究、查阅大量参考资料，顺利地完成了此次的毕业设计。这次的设计中，我也发现自己在基础课和专业课上存在的缺陷，在周老师的悉心指导和同组同学的帮助下，我也逐渐地弥补自己的缺陷，努力将自己的设计做好。 通过此次毕业设计，我了解和掌握了机械手设计的基本要求、步骤、方法及应考虑的有关问题，并巩固和深化了大学四年中几乎所有专业知识，培养了科学的思维、工作方式和理论联系实际的能力，更是体会到了相互协作的工作精神，给即将踏上工作岗位的我们起到一次很好地实战练兵演习，为将来的工作打下基础。 在本次设计中，由谢卫容老师指导。谢老师老师工作细致，严谨治学，在设计中给予我了极大的帮助，指导我完成工作。谢老师教给我们一些做事的道理，在以后的生活工作中都是非常有用的，在此表示深沉地谢意！同时，借此机会谨向教诲过我的老师们表示深深地谢意；向在身后一如既往地支持我的父母表示深深地谢意；向在设计过程中关心和帮助我的同学表示深深地谢意！ 由于本人设计经验不足，不妥之处在所难免，水平亦有限，恳请各位老师批评指正。 致 谢 经过两个多月紧张的工作，我的毕业设计终于做完了。在这里，我首先要感谢我的毕业设计指导老师谢卫容老师。 我从今年4月份开始在武汉市海波钢结构工程有限公司工作，这里没有双休，并且经常加班，每天工作完后感觉很累，什么都不想做，所以毕业设计的进度很慢，这期间如果不是谢老师的督促和鼓励，我想我是很难完成这次毕业设计的。在刚拿到“关节型机械手”这个毕业设计题目的时候，我感觉一片茫然，不知道从哪里做起，这时谢老师给了我很大的帮助，她指导我该借哪些参考资料以及怎么做。由于公司里很少放假，所以我每次都是通过网络将我做的进度传给谢老师，从开题报告到毕业设计的初稿我都是这样传给谢老师，然后她再根据我做的提出修改意见，尽管这样很麻烦，但谢老师每次都尽心做好，这点让我相当敬佩。 机械手的设计要用到大学里所学的各种知识，所以我不光要感谢谢老师，还要感谢大学四年里我所有的任课老师和同学，是他们让我掌握了机械设计的各种基础知识。 最后，再次感谢谢老师、各位任课老师、同学和所有对我的毕业设计提供帮助的人，谢谢你们！ 参考文献 [1]李允文.工业机械手设计[M].北京：机械工业出版社，1996. 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