立式精锻机自动上料机械手及其控制系统设计

扬州市职业大学 毕业设计（论文）设计（论文）题目：立式精锻机自动上料机械手 及其控制系统设计系 别：机 械 工 程 系专 业：机械制造与自动化 班 级 09机械（2）班 姓 名： 唐 国 军 学 号： 0901010224 指导老师： 南 丽 霞 完成时间： 12 年 05 月 目 录摘 要1第一章 绪论21.1 机械手的基本概念21.2 机械手的分类及简史21.2.1机械手的分类31.2.2机械手的简史41.3 机械手的应用简况51.4 机械手的发展趋势51.5 机械手的组成61.5.1.执行机构61.5.2.驱动机构71.5.3.控制系统81.6 应用机械手的意义8第二章 系统设计方案102.1 机械手的设计参数102.2 机械手的工艺流程112.3 机械手的总体结构112.4 机械手的工作过程112.5 机械手的座标型式与自由度选择132.6 机械手的手部结构方案设计132.7 机械手的手腕结构方案设计132.8 机械手的手臂结构方案设计132.9 机械手的驱动方案设计132.10 机械手的控制方案设计13第三章 机械手结构设计143.1机械手手部设计计算143.1.1手部设计要求143.1.2拉紧装置设计153.2腕部设计计算163.2.1计算扭矩M1173.2.2油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩M2173.2.3摆动缸的摩擦力矩M摩173.3手臂伸缩机构设计183.4机身和机座的设计计算203.4.1电机的选择203.4.2减速器的选择213.4.3螺杆的设计与校核22第四章 机械手的液压系统设计244.1 液压系统简介244.1.1 液压系统的工作原理244.1.2 液压传动的工作特性244.1.3 液压系统的组成244.1.4 液压系统的优、缺点254.1.5 液压传动的主要缺点：254.2自动上料机械手液压系统264.2. 1机械手的动作顺序264.2.2液压控制原理264.3大臂升降油缸设计计算304.3.1 工作载荷的计算304.3.2主要尺寸的确定304.4 液压缸主要部件的设计和材料选择314.4.1 缸筒314.4.2 活塞324.4.3 缸盖及活塞杆导向套324.5 液压缸的缓冲、排气与密封32第五章 机械手的PLC控制设计335.1 PLC的简介335.1.1PLC的基本组成335.1.2 PLC的工作过程365.2 可编程序控制器的选择及工作过程385.2.1 可编程序控制器的选择385.2.2 可编程序控制器的工作过程385.3机械手控制系统设计395.3.1 PLC控制系统设计395.3.2 PLC程序设计41总结51参考文献52摘 要本文介绍了立式精锻机自动上料机械手与其它设备的配置关系及工作过程，并对机械手的动作进行了分析，详细论述了机械手总体方案的设计，特别是对实现预期要求动作的各种方案进行了比较分析，进而得出最终方案。根据手臂的动作要求，采用圆柱坐标型机械手；机械手的自由度数为四个，它们是大臂的升降和回转运动，小臂的伸缩运动，手腕的回转运动；机械手手部结构采用两支点回转型；机械手驱动方式采用液压驱动。控制方式为点位程序控制。本次设计主要进行大臂升降及回转机构设计、手臂及伸缩结构设计、手部结构设计，并且对液压系统进行理论分析和比较。关键词：双作用式油缸；点位控制；液压系统；结构设计1第一章 绪论机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。1.1 机械手的基本概念机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。我国国家标准(GB/T 12643-90)对机械手的定义;“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。1.2 机械手的分类及简史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。1.2.1机械手的分类（一）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的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”。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。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:可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)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，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。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。(三)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。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。1.2.2机械手的简史械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。1.3 机械手的应用简况现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。1.4 机械手的发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.5 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图：1.5.1.执行机构（1）手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。本课所指的机械手仅需开闭手指。机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。本课所做的机械手采用二指形状。（2）手臂手臂有无关节和有关节手臂之分本课所做的机械手的手臂采用无关节臂手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。(如图1.5.1所示) 图1.5.11.5.2.驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。1.5.3.控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。1.6 应用机械手的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：1.以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。2.以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3.可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势第二章 系统设计方案2.1 机械手的设计参数抓重：60kg；自由度数：4个；坐标形式：圆柱坐标；最大工作半径：1700毫米；手臂最大中心高：2300毫米；手臂运动参数；手臂伸缩范围：0500毫米手臂伸缩速度：伸出176毫米每秒；缩回233毫米每秒；手臂升降范围：0600毫米；手臂升降速度：上升102毫米每秒；下降152毫米每秒；手臂回转范围：00 2000 (实际使用为950)；手臂回转速度：630每秒；手腕运动参数：手腕回转范围:001800；手腕回转速度：2010每秒；手指夹持范围： 30-120毫米；缓冲方式及定位方式：手臂伸缩：伸出时由行程开关适时切断油路，手臂缓冲，缩回时由行程开关控制返回终了位置。手臂升降：上升时是靠可调碰铁触动行程开关而发信，使电液换向阀变为“o”型滑阀机能，切断油路而实现缓冲定位，下降时靠油缸端部节流缓冲，由行程开关控制终了位置。手臂回转：采用行程节流阀（双向使用）减速缓冲，用定位油缸驱动定位销而定位。手腕回转：采用行程开关发信，切断油路滑行缓冲，死挡块定位。驱动方式：液压控制方式：点位程序控制2.2 机械手的工艺流程待料（起始位置；手爪闭合；待夹料立放）插定位销手臂前伸手爪张开手爪夹料手臂上升手臂缩回手腕回转180度拔定位销手臂回转95度插定位销手臂前伸手爪松料手爪闭合手臂下降手腕反转（复位）拔定位销手臂复位待料卸荷2.3 机械手的总体结构本机械手系统由执行系统、驱动系统和控制系统组成。执行系统包括手部、手臂、手腕。驱动系统包括动力源、控制调节装置和辅助装置组成。控制系统由程序控制系统和电气系统组成。2.4 机械手的工作过程立式精锻机和自动上料机械手等的配置如图2-4-1所示。被加热的坯料由运输车2送到上料位置后，自动上料机械手3将热坯料搬运到立式精锻机1上锻打，其成品锻件由下料机械手4送立式精锻机上取下并送到转换机械手5上，转换机械手先把锻件翻转90成水平位置，由丙烷切割装置6将两端切齐，切割完毕，转换机械手5的手臂再水平回转87，将锻件水平放置到下料运输装置7上，运送到车间外面的料仓处进行冷却。自动上料机械手3在此精锻生产线上可以完成取料、喂料和变换工位等动作。522.5 机械手的座标型式与自由度选择按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。2.6 机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。2.7 机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。2.8 机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)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移。手臂的各种运动由液压缸来实现。2.9 机械手的驱动方案设计由于液压压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用液压压传动方式。2.10 机械手的控制方案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。第三章 机械手结构设计3.1机械手手部设计计算3.1.1手部设计要求1、有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。2、有足够的开闭范围夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。 图3-1 机械手开闭示例简图3、力求结构简单，重量轻，体积小手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。4、手指应有一定的强度和刚度5、其它要求因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。3.1.2拉紧装置设计如图4.1.2-1所示：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。图3-2油缸示意图1、右腔推力为FP=（4）DP （3.1）=（4）0.52510=4908.7N2、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：F1=（2ba）（cos）N （3.2） 其中 N=498N=392N，带入公式3.2得：F1=（2ba）（cos）N =(2150/50)（cos30）392 =1764N则实际加紧力为 F1实际=PK1K2/ （3.3）=17641.51.1/0.85=3424N经圆整F1=3500N3、计算手部活塞杆行程长L,即L=（D/2）tg （3.4） =25tg30 =23.1mm经圆整取l=25mm4、确定“V”型钳爪的L、。取L/Rcp=3 （3.5）式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3.6）由公式（2.5）（2.6）得：L=3Rcp=150取“V”型钳口的夹角2=120，则偏转角按最佳偏转角来确定，查表得：=22395、机械运动范围（速度）（1）伸缩运动 Vmax=500mm/sVmin=50mm/s（2）上升运动 Vmax=500mm/sVmin=40mm/s（3）下降Vmax =800mm/sVmin =80mm/s（4）回转Wmax=90/sWmin=30/s所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s 6、手部右腔流量Q=sv （3.7）=60r=603.1425=1177.5mm/s7、手部工作压强P= F1/S=3500/1962.5=1.78Mpa （3.8） 3.2腕部设计计算腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求：回转90角速度W=45/s以最大负荷计算：当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，长度l=650mm。3.2.1计算扭矩M1设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩M1为：M1=FS （3.9）=109.80.2=19.6（NM） 工件 F S F S F图3-3 腕部受力简图3.2.2油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩M2F=5kg S=10cm带入公式3.9得M2=FS=59.80.1 =4.9（NM） 3.2.3摆动缸的摩擦力矩M摩 F摩=300（N）（估算值）S=20mm （估算值）M摩= F摩S=6（NM）4、摆动缸的总摩擦力矩MM=M1+M2+ M摩=30.5（NM） （3.10）5.由公式（4.2）T=Pb（A1-mm）106/8 （3.11）其中： b叶片密度，这里取b=3cm；A1摆动缸内径, 这里取A1=10cm；mm转轴直径, 这里取mm=3cm。所以代入（3.11）公式P=8T/b（A1-mm ）106=830.5/0.03（0.1-0.03）106=0.89Mpa又因为W=8Q/（A1-mm ）b所以 Q=W（A1-mm）b/8A1 =（/4）（0.1-0.03）0.03/8 =0.2710-4m/s =27ml/s3.3手臂伸缩机构设计手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。 机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。手臂的伸缩速度为200m/s行程L=500mm1、手臂右腔流量，公式（3.7）得： Q=sv=20040=1004800mm/s=0.1/10m/s=1000ml/s2、手臂右腔工作压力，公式（3.8） 得： P=F/S （3.12）式中：F取工件重和手臂活动部件总重，估算 F=10+20=30kg， F摩=1000N。所以代入公式（3.12）得： P=（F+F摩）/S =（309.8+1000）/40 =0.26Mpa3、绘制机构工作参数表如图3.3-1所示：图3-4机构工作参数表4、由初步计算选液压泵所需液压最高压力 P=1.78Mpa所需液压最大流量 Q=1000ml/s选取CB-D型液压泵（齿轮泵）此泵工作压力为10Mpa，转速为1800r/min，工作流量Q在3270ml/r之间，可以满足需要。5、验算腕部摆动缸：T=PD（A1-mm）m106/8 （3.13）W=8v/（A1-mm）b （3.14）式中： m机械效率取： 0.850.9v容积效率取： 0.70.95所以代入公式（3.13）得：T=0.890.03（0.1-0.03）0.85106/8 =25.8（NM）T<M=30.5（NM）代入公式（3.14）得：W=（82710-6）0.85/（0.1-0.03）0.03 =0.673rad/sW</40.785rad/s因此，取腕部回转油缸工作压力 P=1Mpa 流量 Q=35ml/s圆整其他缸的数值：手部抓取缸工作压力P=2Mpa 流量Q=120ml/s小臂伸缩缸工作压力P=0.25Mpa 流量Q=1000ml/s3.4机身和机座的设计计算机身的直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂，机身既可以是固定式的，也可以是行走式的,臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手的总体布局。本课题机械手的机身设计成机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。3.4.1电机的选择机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。（1）、带动臂部升降的电机： 初选上升速度 V=100mm/s P=6KW所以n=（100/6）60=1000转/分选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如图4.4.1-1 Y90S-4电动机技术数据所示：型号额定功率KW满载时堵转电流堵转转矩最大转矩电流A转速r/min效率%功率因素额定电流额定转矩额定转矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.2图3-6 Y90S-4电动机技术数据（2）、带动机身回转的电机：初选转速 W=60/s n=1/6转/秒=10转/分由于齿轮 i=3减速器 i=30所以n=10330=900转/分选择Y90L-6型笼型异步电动机电动机采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如图3-7 Y90L-6电动机技术所示：图3=7 Y90L-6电动机技术3.4.2减速器的选择减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。用来降低转速和增转矩，以满足工作需要。初选WD80型圆柱蜗杆减速器。WD为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。蜗杆的材料为38siMnMo调质蜗轮的材料为ZQA19-4中心矩a=80Msq=4.011 （3.15）传动比I=30传动惯量0.26510kgm3.4.3螺杆的设计与校核螺杆是机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。螺杆的材料选择：从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。螺距 P=6mm 梯形螺纹螺纹的工作高度 h=0.5P （3.16）=3mm螺纹牙底宽度 b=0.65P=0.656=3.9mm （3.17）螺杆强度 = s/35 （3.18）=150/35=3050Mpa螺纹牙剪切=40弯曲b=4555（1）、当量应力 (3.19)式中 T传递转矩Nmm螺杆材料的许用应力 所以代入公式（4.19）得：= （42009.8/d1）+3（2009.80.6/0.2d1） = （2495/ d1）+3（61.2/ d1）3050106=（2495/ d1）+3（61.2/ d1）90025001012 =6225025/d14+11236/d1690025001012=6225025d12+11236900d161012=62250250.0292+112369000.02961012即16471pa535340pa合格（2）、剪切强度Z=H/P=160/6 （旋合圈数） （3.20）=F/d1bz （3.21） =2009.8/0.0293.9（160/6）10-3 =206.8103pa =0.206Mpa=40Mpa（3）、弯曲强度b=3Fh/d1b2z =32009.83/2.93.92（160/6） =0.48Mpa=45Mpa合格第四章 机械手的液压系统设计液压系统相对于机械传动来说，是一门新兴的技术。人类使用水力机械及液压技术虽然已有很长的历史，但是液压技术在机械领域中得以应用并取得迅速发展则是本世纪，特别是第二次世界大战以来的事。由于液压传动具有许多突出的优点，因而目前已广泛的应用在工、农业机械、机床、交通运输、路地行走设备、船舶控制、火炮控制、飞机、导弹等各方面。4.1 液压系统简介4.1.1 液压系统的工作原理所谓液压系统就是以液体为介质，依靠运动者的液体的压力能来传递力的。液压系统工作是，液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能：油液被输送到液压缸（或液压马达）后，又由液压缸（或液压马达）把油液的压力能变为直线式（或回转式）的机械能输出。液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开。液压系统必须满足其执行元件在力和速度方面的要求。4.1.2 液压传动的工作特性液压系统工作是外界负载越大（在有效承压面积一定的前提下）所需要的压力也越大，反之亦然。因此液压系统的由压力（简称系统的压力，下同）大小取决于外界负载。负载大，系统压力大；负载小，系统压力小；负载为零，系统压力为零。另外，活塞或工作台的运动速度（简称系统的速度，下同）取决于单位时间通过节流阀进入液压缸中油液的体积即流量。流量越大（在有效承压面积一定的前提下）系统的速度越快，反之亦然。流量为零，系统的速度亦为零。液压系统的压力和外在负载，速度和流量的这两个关系称作液压传动的两个工作特性。4.1.3 液压系统的组成液压系统由以下五个部分组成：（1）动力元件 它是将原动机输入的机械能转换为液压能的装置。液压泵即为动力元件。（2）执行元件 它是将液体的压力能转换为机械能的装置，以驱动部件。液压缸和液压马达即为执行元件。（3）控制调节元件 控制调节元件是指各种阀类元件，它们的作用是控制液压系统中油液的压力、流量和方向，以保证执行元件完成预期的工作运动。（4）辅助元件 辅助元件是指油箱、油管、管接头、滤油器、压力表、流量表等。（5）工作介质 在液压系统中使用液压油（通常为矿物油）。4.1.4 液压系统的优、缺点液压系统与机械、电力等传动相比。有以下特点：（1）能方便的进行无级调速，调速范围大。（2）体积小，、重量轻、功率大。一方面，在相同输出功率的前提下，其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏，这对于液压自动控制系统有重要的意义。另一方面，在体积或重量相近的情况下，其输出功率大，能传递较大的扭矩或推力（如万吨水压力等）。（3）控制和调节简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。（4）可实现无间隙传动，运动平稳。（5）因为传动介质为油液，故液体元件有自我润滑作用，使用寿命长。(6）液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和推广使用。（7）可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载，从而失去了中间的减速装置，使传动简化。4.1.5 液压传动的主要缺点：（1）漏 由于作为传动介质的液体是在一定的压力下，有时是在较高的压力下工作的，因此在有相对运动的表面间不可避免要产生泄漏。同时，由于油液并不是不可以压缩的，油管等也回产生弹性变形，所以液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合。（2）震 液压传动中的“液压冲击和空穴现象”会产生很大的震动和噪声。（3）热 在能量转换和传递过程中，由于存在机械摩擦、压力损失、泄漏损失，因而易使油液发热，总效率降低，故液压传动不宜远距离转动。（4）液压传动性能对温度比较敏感，故不宜在高温及低温下工作。液压传动装置对油液的污染也较敏感，故要求有良好的过滤设施。（5）液压元件加工要求高一般情况下又要求有独立的能源（如液压泵站），这些可能使产品成本提高。（6）液压系统出现鼓故障时不宜追查原因，不宜迅速排除。综上所述，液压传动由于其优点比较突出，故在工、农业各个部门获得广泛的应用。它的某些缺点随着生产技术的不断发展、提高，正在逐步得到克服。由于液压传动相对于机械传动有以上几个突出的优点，所以确定机械手的前伸后退、左转右转、夹紧放松三部分动作用液压传动来实现。4.2自动上料机械手液压系统4.2. 1机械手的动作顺序机械手的动作顺序：待料（起始位置；手爪闭合；待夹料立放）插定位销手臂前伸手爪张开手爪夹料手臂上升手臂缩回手腕回转180度拔定位销手臂回转95度插定位销手臂前伸手爪松料手爪闭合手臂下降手腕反转（复位）拔定位销手臂复位待料卸荷。上述动作均由电磁换向阀实现，用行程开关和时间继电器、步进选线器等电器控制电磁铁线圈通断电，使电磁铁按程序动作，实现液压系统的自动控制。4.2.2液压控制原理此系统选用功率N=7.5千瓦的电动机，带动双联叶片泵YB-35/18，公称压力为63公斤/厘米，流量为35升/分+18升/分=53升/分，系统压力调节为30公斤力/厘米，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；手臂及手腕的回转油缸和手爪松紧夹用的拉紧油缸及手臂回转定位油缸工作时，只有小泵供油，大泵自动卸荷。手臂前伸、升降、回转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。升降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，这样采用单向顺序阀克服机身（全部参与升降运动的部件）自重，防止了下滑，性能稳定可靠。手爪夹紧油缸支路装有液控单向阀（1Y-25B），使手爪夹紧工件时不受系统压力波动的影响（尤其是系统压力下降时，压力油缸内的压力油不能反向流动），保证手爪夹持工件牢靠，当反向进油时，油液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，定位所用的定位油缸支路的压力需比系统压力低，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公斤力/厘米，同时还给电液换向阀（34DY-63B）的控制油路供油。液压系统的双联叶片泵的卸荷，均用二位二通的换向阀（22D-10B）打开溢流阀（Y-18-J和Y-35-J）来实现，空载卸荷不致使油温升的太高。系统中的三个单向阀（两个I-25和一个I-40），其中一个单向阀（I-25）和单向阀（I-40）是在油泵停止工作时，防止液压系统的油液倒流而进入空气，否则影响再启动时油缸工作的平稳性。另一个单向阀是为了将需要的油液量大小不同的主油路分开，同时在大泵自动卸荷时，不使大泵卸荷油路影响小泵的工作油路。先介绍其动作循环如下：当电动机起动时，带动双联叶片泵回转，油液从油箱中通过网式滤油器，经过叶片泵被送到工作油路中去，如果机械手还未起动，则油液通过二为二通电磁阀（电磁铁12DT和13DT有电）进行卸荷。当棒料由运输车运到上料位置时。由于1100度的热棒料使光电继电器发出电信号，经步进选线器跳步，使机械手开始按程序动作，此时卸荷停止（二位二通电磁阀和电磁铁断电）。电磁铁5DT通电，压力油进到定位油缸左腔进行定位动作，定位后此支油路系统压力升高，压力继电器发出电讯号，经步进选线器跳步使电磁铁7DT通电，电液换向阀变成通路，压力油经油泵和单向阀，通过电液换向阀右边的通道，进入手臂伸缩油缸的右腔，使缸体前伸运动（因活塞杆固定），手臂前伸到适应位置，装在手臂上的碰块碰行程开关发出电讯号，经过步进选线器跳步和时间继电器，延时使电磁铁8DT通电，手爪张开；手臂靠惯性滑行到待上料的中心位置，在延时结束时，8DT断电，手爪夹紧棒料；并同时发讯、跳步，使电磁铁1DT通电，压力油从工作油路经电液换阀右边通过，单向调速阀的单向阀及单向顺序阀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1DT断电，电液换向阀复位成“O”型滑阀机能状态；并发出电讯号经步进选线器跳步，使电磁铁6DT通电，电液换向阀右边接通油路，压力油从电液换向阀右边通过，经过单向调速阀的单向阀，进入手臂伸缩油缸右腔，使手臂缩回。当手臂上的碰铁碰行程开关，使6DT断电，并发出电讯号和跳步，使3DT通电，则换向阀右边接通油路，压力油通过QI的单向阀进入手腕回转油缸一腔，使手腕回转180度，手腕上的碰铁碰行程开关，使10DT断电，换向阀复位成“O”型滑阀机能状态，同时亦使5DT断电，定位油缸复位（拔销）；压力继电器复位，发出电讯号，并经步进选线起跳步，使电磁铁9DT通电，电磁换向阀右边通路接通油路，压力油经QI的单向阀进入手臂回转油缸一腔，使手臂回转95度。当手臂的回转碰铁碰行程开关，使3DT断电，换向阀复位成“O”型滑阀机能状态；并发出电讯号，经步进选线器跳步，使5DT通电，定位油缸工作，插定位销，压力继电器发出电讯号，经步进选线器跳步，使电磁铁7DT通电，手臂前伸；当手臂将棒料送到工作台和夹头轴线前的适当距离处，并发出电讯号、步进选线器跳步、使工作机夹头下降，行程开关发信，通过时间继电器使夹头闭合，将棒料夹牢，电控系统发讯，经步进选线器跳步，时间继电器延时使8DT通电，机械手手爪松开，延时到8DT断电手爪闭合，并发出电讯号，步进选线器跳步，电磁铁6DT通电，手臂缩回，当手臂碰铁碰行程开关时，6DT断电（下降停），并发出电讯号、跳步，使11DT通电，电磁换向阀的左边通道接通油路，压力油经QI的单向阀进入手腕回转油缸的另一油腔，使手腕反转180度；手腕上的碰铁碰行程开关，使7DT断电，并发出电讯号，步进选线器跳步，使电磁铁4DT通电，电磁换向阀左边的通道接通油路，压力油经QI的单向阀和行程节流阀进入手臂回转油缸的另一油腔，使手臂反转90度（机械手复位）。当手臂上的回转碰铁碰行程开关时，4DT断电（机械手停在原始位置上），并发出电讯号、步进选线器跳步，使12DT和13DT通电（两个油