機(jī)械制造及自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-液壓機(jī)械手直線運(yùn)動(dòng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓機(jī)械手直線運(yùn)動(dòng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系 部 ： 機(jī) 械及自動(dòng)化系 專 業(yè)： 機(jī) 械制造及自動(dòng)化 班 級(jí)： 機(jī) 制 09321 姓 名： 學(xué) 號(hào) ： 聯(lián)系電話： 指導(dǎo)老師 ： 目錄 摘要 . 1 緒論 . 2 第一章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 4 . 4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù) . 4 工況分析 . 4 . 5 確定系統(tǒng)最大工作壓力 . 5 液壓缸有效工作面積 . 5 系統(tǒng)最大流量 . 5 計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸 . 5 液壓執(zhí)行元件實(shí)際工作壓力 . 6 . 6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的確定 . 6 升降缸動(dòng)作回路 . 6 伸縮缸動(dòng)作回路 . 7 夾緊缸動(dòng)作回路 . 7 系統(tǒng)安全方案 的制定 . 7 . 7 . 8 液壓泵及電動(dòng)機(jī)的選擇 . 9 確定油箱的有效容積 . 9 系統(tǒng)部分液壓元件的選擇 . 9 第二章 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 10 制系統(tǒng)控制要求 . 10 構(gòu)要求 . 11 藝過(guò)程 . 1 制要求 . 11 . 13 . 13 型 . 13 輸出接線圖及相關(guān)圖表 . 13 . 15 整體設(shè)計(jì) . 15 手動(dòng)控制程序 . 15 自動(dòng)操作程序 . 16 輸出顯示程序 . 18 第三章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 20 1 機(jī)械手的發(fā)展 . 20 2 機(jī)械手手抓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 21 3 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì) . 22 4 腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 22 5 動(dòng)力臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 23 6 控制系統(tǒng)的選擇 . 23 7 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) . 24 8 機(jī)械手的動(dòng)作示意圖 . 25 致謝 . 26 參考文獻(xiàn) . 27 附錄 . 28 1 摘要 機(jī)械手 模仿人的手部動(dòng)作 ,按給定程序 ,軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓 取 ,搬運(yùn)和 操作的自動(dòng)裝置 在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí) ,對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程及工作情況進(jìn)行分析 ,可以算出各執(zhí)行元件的最大負(fù)載 F,運(yùn)動(dòng)速度 等一系列參數(shù) 系統(tǒng)最大工作壓力 p 和最大流量1pp=p + m 然 后確定各執(zhí)行元件的工作壓力 ,流量和有效工作面積 . 3個(gè)液壓缸的尺寸 查機(jī) 械設(shè)計(jì)手冊(cè)可以選用標(biāo)準(zhǔn)系列的液壓缸 在擬定液壓系統(tǒng)圖時(shí) ,充分考慮了各執(zhí)行元件所需要的條件以及各個(gè)階段對(duì)系統(tǒng)的需求 系統(tǒng)中設(shè)置了調(diào)速回路 ,保壓回路 ,平衡回路和安全措施等 . 在本系統(tǒng)中充分考慮到了機(jī)械手的工況 ,在選擇各液壓回路時(shí)也充分考慮到了背壓 ,慣性沖擊力 ,管路壓力損失等對(duì)液壓系統(tǒng)帶來(lái)的影響 也可以在系統(tǒng)中加上回轉(zhuǎn)回路 ,這樣可以讓機(jī)械手更加靈活 此液壓系統(tǒng)也可用于各種搬運(yùn)以及起重設(shè)備中 . 關(guān)鍵 詞 :液壓 械手 2 緒論 機(jī)械手 能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能 ,用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置 能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全 金、電子、輕工和原子能等部門(mén) 繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái) ,配合機(jī)械手工作 加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐 史 和 前景 . 機(jī)械手是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 ,機(jī)械手研究始于 20世紀(jì)中期 ,隨著計(jì)算機(jī) 和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展 ,特別是 1946 年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái) ,計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步 ,向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展 大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展 ,又為機(jī)器人的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ) 核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì) ,在這一需求背景下 947年開(kāi)發(fā)了遙控機(jī)械手 ,1948年又開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手 1954 年美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念 ,并申請(qǐng)了專利 ,該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié) 作示教 ,機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn) 1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手鉚接機(jī)器人 962 年美國(guó) 司推出的“ 司推出的“ . 從 94 年美國(guó)開(kāi)發(fā)出 “ 虛擬軸機(jī)床 ” 以來(lái) ,這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一 ,紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域 0 年代 “ 七五 ” 科技攻關(guān)開(kāi)始起步 ,在國(guó)家的支持下 ,通過(guò) “ 七五 ” 、 “ 八五 ” 科技攻關(guān) ,目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù) ,控制系 統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù) ,運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù) ,生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件 ,開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人 ;其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線 (站 )上獲得規(guī)模應(yīng)用 ,弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離 ,如 :可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品 :機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚 ,應(yīng)用領(lǐng)域窄 ,生產(chǎn)線系統(tǒng) 3 技術(shù)與國(guó)外比有差距 ,當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求 “ 一客戶 ,一次重新設(shè)計(jì) ” ,品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供 貨周期長(zhǎng)、成本也不低 ,而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃 ,搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì) ,積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 ,我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在 “863” 計(jì)劃的支持下 ,也取得了不少成果 ,其中最為突出的是水下機(jī)器人 ,6000m 水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平 . 4 第一章 :液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1. 對(duì)液壓系統(tǒng)的分析 a) 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù) 負(fù)載最大壓力 80上下最大行程 200伸出最大行程 500伸出最大速度 35s 泵工作時(shí)的各缸最高壓力伸縮缸1 ,夾緊缸2P 4升降缸3P b) 分析 工況 根據(jù)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù) ,對(duì)主機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行分析即負(fù)載分析和運(yùn)動(dòng)分析 ,確定負(fù)載和速度在整個(gè)工作循環(huán)過(guò)程中得變化規(guī)律 以及確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)即工作壓力 和最大流量 . 啟動(dòng)階段 ： (1) 加速階段 ： m (2) 恒速階段 ： (3) 制動(dòng)階段 ： m (4) 式中 為重力 ,若工作中執(zhí)行元件水平放置 ,則 s s nF f F ,取 , d nF f F , 摩 擦 系 數(shù) 取 . mF m g v t . v 為速度變化量 , t 為啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間 . 5 2. 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) a) 根據(jù)機(jī)械手 伸出，上升，夾緊時(shí)的最大壓力 和系統(tǒng)損失壓力p，確定 系統(tǒng)的最大工作壓力： 1 p + = 4 . 5 + 0 . 5 = 5 ( M P a ) (b) 液壓缸有效工作面積： 264F m a x 8 1 0A 0 . 0 2 ( )p 5 1 0 0 . 8 m (1.2)c) 系統(tǒng) 最大流量q )： 3 33m a 0 . 0 2 3 5 1 0 0 . 7 1 0 / 4 2( / m i n )m a xV (d) 計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸 1) 確定 升降 缸的活塞及活塞桿的直徑 升降 缸最大載荷時(shí) ,為 受壓使 產(chǎn)品 下降和提升產(chǎn)品 0工作 在受壓和拉伸狀態(tài) 1 4 4 0 . 0 2 0 . 1 6 ( )3 . 1 4 (式 4)根據(jù)液壓手冊(cè) ,取標(biāo)準(zhǔn)系列 D ,取 / , 即活塞桿直徑為 : 10 . 7 0 . 7 0 . 2 0 . 1 4 ( )d D m (式 5)根據(jù)液壓手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)系列 ,取 ) 2) 伸縮缸的活塞及活塞桿的直徑 伸縮缸直接控制機(jī)械手臂的伸出和縮回 ,主要承受縱向力 (彎矩 ),軸向力較 小所以對(duì)活塞缸的強(qiáng)度要求較高 ,而對(duì)缸的伸出壓力并不需要很大 . 伸縮缸移動(dòng)最大載荷為其伸出頂緊之時(shí) ,缸的回油流量雖經(jīng)節(jié)流閥 ,但流量極小 ,故背壓視為零 322 614 4 3 0 1 0 0 . 1 0 9 ( )3 . 1 4 3 . 2 1 0 .(式 6) 根據(jù)液壓機(jī)械手冊(cè) ,取2 ,取 / , 6 即活塞桿直徑為 : 0 . 8 0 . 8 0 . 1 2 0 . 0 9 6 圓整標(biāo)準(zhǔn)系列 ,取 ). 3) 確定夾緊缸的活塞及活塞桿直徑 夾緊缸最大載荷時(shí) ,根據(jù)工況分析 ,機(jī)械手指夾緊產(chǎn)品 至于不會(huì)讓產(chǎn)品滑落 . 其活塞直徑為 : 333 634 4 6 0 1 0 0 . 1 3 8 ( )3 . 1 4 4 1 0 (式 7)圓整標(biāo)準(zhǔn)系列取 即活塞桿的直徑為 : 0 . 7 0 . 1 5 0 . 1 0 5d 根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè) ,取標(biāo)準(zhǔn)系列 e) 液壓執(zhí)行元件實(shí)際工作壓力 : f) 執(zhí)行元件名稱 載荷 (背壓力 (工作壓力 (升降缸 80 縮缸 30 緊缸 60 3. 制定系統(tǒng)方案 根據(jù)該液壓系統(tǒng)的主機(jī)工作要求和工況分析 個(gè)液 壓缸 ,伸縮缸 ,升降缸 ,夾持缸 ,液壓系統(tǒng)采用單泵供油 . 為了保證多缸運(yùn)動(dòng)互不干擾 ,實(shí)現(xiàn)同步或非同步運(yùn)動(dòng) , 換向閥采用中位機(jī)能為“ O”型換向閥 各缸所需流量相差較大 ,因此各缸選擇節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)速 系統(tǒng)還設(shè)置了鎖緊保壓回路 以防止斷電 ,失壓等意外發(fā)生 . 行機(jī)構(gòu)的確定 本系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)作均為直線運(yùn)動(dòng) ,各直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用單活塞桿雙作用 液壓缸直接驅(qū)動(dòng) . 降缸 動(dòng)作回路 表一 7 升降缸要求實(shí)現(xiàn)平穩(wěn) ,可靠上升和下降 其運(yùn)動(dòng)方向直接 由電液換向閥直接驅(qū)動(dòng) 另外 ,為防止垂直防止的液壓缸及其工作部件因自行下 落或在下行云多功能藏獒功能因自重造成失控失速 ,特別在升降缸動(dòng)作回路中采用外控式順序閥來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡控制 限制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度 ,由于外控式順序閥不但具有很好的密封性 ,能起到對(duì)活塞很長(zhǎng)時(shí)間的鎖緊定位作用 保證了活塞下降速度的穩(wěn)定性不受載荷變化影響 . 縮缸動(dòng)作回路 在機(jī)械手臂伸出和縮回的過(guò)程中 ,運(yùn)動(dòng)速度也較快 ,平穩(wěn)性要求也不高 ,故只 采用了單向節(jié)流閥來(lái)調(diào)速 ,也能設(shè)置一定的背壓 . 緊缸動(dòng)作回路 . 手 指夾緊缸夾緊工件后不受系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響 ,保證牢 固地夾緊工件 ,采用了液控單向閥 鎖緊回路 . 統(tǒng)安全方案 本系統(tǒng)為保證安全生產(chǎn) ,在溢流閥的遠(yuǎn)程調(diào)控口設(shè)置了一個(gè)兩位兩通的 手動(dòng) 換向閥 ,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)意外時(shí) ,可以直接用手動(dòng)換向閥打開(kāi)溢流閥的遠(yuǎn)程調(diào)控口 ,直接讓系統(tǒng)卸荷 該液壓系統(tǒng) 在整個(gè)工作循環(huán)中徐友亮變化較大 ,另外在夾緊后又要求有較長(zhǎng) 時(shí)間的保壓 但是在需要快速運(yùn)動(dòng)時(shí)可以采用蓄能器和泵同時(shí)供油 . 液壓系統(tǒng)圖見(jiàn)附錄 機(jī)械手原位 手臂伸出 手臂下降 手指夾緊 手臂縮回 手臂下降 手指松開(kāi) 手臂上升 圖 8 4. 液壓系統(tǒng)工作原理 1. 按下啟動(dòng)按鈕后，泵啟動(dòng) 給系統(tǒng)供油，同時(shí) 1電。閥 1處左位，油液通 過(guò)單向閥，缸 1 左腔進(jìn)油，控制機(jī)械手臂伸出。當(dāng)活塞伸出碰到定位擋塊 ，左腔持續(xù)進(jìn)油，回路壓力升高，當(dāng)油液壓力達(dá)到壓力繼電器 (調(diào)定壓力時(shí)，壓力繼電器 作。 1電，液壓閥 1處中位，缸 1鎖緊。同時(shí)使 3得電。 2. 閥 2 處左位，油液經(jīng)過(guò)節(jié)流閥 .，缸 2 下油腔進(jìn)油， 當(dāng)回路壓力達(dá)到順序的 開(kāi) 啟壓力時(shí)，順序閥打開(kāi)，控制機(jī)械手下降， 當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到下極限位置碰到定位擋塊 時(shí)，液壓缸 2內(nèi)持續(xù)進(jìn)油，回路壓力升高，當(dāng)油液壓力達(dá)到壓力繼 電器 動(dòng)作。 5電。 3. 閥 3 處左位，油液經(jīng)過(guò)單向閥進(jìn)入液壓缸 3的左腔?？刂茩C(jī)械手手指夾緊工 產(chǎn)品 ，當(dāng)活塞碰到行程開(kāi)關(guān) ， 5電，閥 3處中位。同時(shí) 4電。 4. 閥 2 處右位油液經(jīng)過(guò)右邊的單向閥流入缸 2的上腔，控制機(jī)械手上升，當(dāng)缸 2的活塞運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，壓力繼電器 作，控制 4電，閥 2處中位，同時(shí) 2電， 5. 閥 1 處右位，油液經(jīng)過(guò)單向閥進(jìn)入液壓缸 1的右腔，控制機(jī)械手縮回，當(dāng)活 塞 運(yùn)動(dòng)到左端極限位置時(shí) ,液壓繼電器 控制 3電 . 6. 閥 2 處左位，油液經(jīng)過(guò)節(jié)流閥，缸 2下油腔進(jìn)油，當(dāng)回路壓力達(dá)到順序閥的 開(kāi)啟壓力時(shí)，順序閥打開(kāi)，控制機(jī)械手下降，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，液壓缸2 內(nèi)持續(xù)進(jìn)油，回路壓力升高，當(dāng)油液壓力達(dá)到壓力繼電器 作。同時(shí) 6 得電。 7. 閥 3 處右位，夾緊缸在液壓力下縮回，機(jī)械手指在彈簧張力下自動(dòng)回位，從 而使機(jī)械手松開(kāi)工件。當(dāng)液壓缸 3 退回碰到1制 2電，從而使得液壓缸 1上升（即復(fù)原位），等待下一個(gè)循環(huán)。 4. 液壓元件 的 計(jì)算與選擇 液壓泵及電動(dòng)機(jī)的選擇 液壓泵的最大工作壓力： 1 4 . 5 0 . 5 5 ( )pp p M P a 根據(jù)系統(tǒng)工況，最大流量 確定液壓泵的最大供油量 m kqm a x 1 . 2 4 2 5 0 . 4 ( L / m i n )q 考慮到系統(tǒng)泄漏的修正系數(shù)，取 k . 根據(jù)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)工況可 確定液壓泵的類型，然后根據(jù)算出的 p 和 照 產(chǎn)品樣本，即可選擇液壓泵的規(guī)格和型號(hào) . 在整個(gè)工作循環(huán)中，液壓泵的工作壓力和流量比較穩(wěn)定 ,則液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率為 635 1 0 5 0 . 4 1 0 5 . 2 5 ( )0 . 8 6 0k w 選用標(biāo)準(zhǔn) 電動(dòng)機(jī) . 確定油箱的有效容 積 已知所選泵的總流量為 ),這樣液壓泵沒(méi)分鐘排出來(lái)壓 力油 的體積為 m ,根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè) ,取 a=5,算出有效面積為 : 35 0 . 0 5 0 . 2 5 ( )V a q m 部分液壓系統(tǒng)元件 列表 元件名稱 公稱流量濾油器 40溢流閥 63電磁換向閥1 22電磁換向閥2 25電磁換向閥3 40液控單向閥 40壓力繼電器單向節(jié)流閥 30單向順序閥 00 第二章 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 制要求 械結(jié)構(gòu)在圖 2，機(jī)械手的所有動(dòng)作均采用液壓驅(qū)動(dòng)。它的上升 /下降，左 移 /右移和夾緊 /放松均采用雙線圈三位電磁閥推動(dòng)液壓缸完成。當(dāng)某個(gè)電磁閥線圈通電時(shí)，就一直保持當(dāng)前的機(jī)械動(dòng)作，直到相反動(dòng)作的線圈通電為止。例如當(dāng)下降電磁閥通電后，機(jī)械手下降，即使線圈再斷電后，仍保持當(dāng)前的下降動(dòng)作狀態(tài)，直到上升電磁閥線圈通電為止。夾緊 /放松電磁閥處中位具有保持前一個(gè)動(dòng)作的功能。 為了保證動(dòng)作準(zhǔn)確到位，機(jī)械手上安裝了壓力繼電器 (視為限位開(kāi)關(guān)） 別對(duì)機(jī)械手進(jìn)行下降、上升、右行、左行等動(dòng)作的限位，并給出了動(dòng)作到位的信號(hào)。另外，還安裝了光電開(kāi)關(guān) 責(zé)監(jiān)測(cè)工作臺(tái) B 上的工件是否已移走 ,從而產(chǎn)生無(wú)工件信號(hào) ,為下一個(gè)工件的下放做好準(zhǔn)備 . 藝過(guò)程 機(jī)械手的動(dòng)作順序、檢測(cè)元件和執(zhí)行元件的布置如圖 2示。機(jī)械手的初始位置在原位，按下起動(dòng)按鈕后，機(jī)械手將依次完成：手臂伸出 手臂下降 手臂夾緊 手臂上升 手臂縮回 手臂下降 手臂松開(kāi)手臂上升 8 個(gè)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手一個(gè)周期 的動(dòng)作。機(jī)械手的下降、上升、右移、左移的動(dòng)作轉(zhuǎn) 換靠限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制，而夾緊放松動(dòng)作的轉(zhuǎn)換是由時(shí)間繼電器來(lái)控制的 . 圖 2械手的工作示意圖 11 為了保證安全，機(jī)械手右移到位后，必須在工作臺(tái) B 上無(wú)工件時(shí)才能下降。若上一次搬到右工作臺(tái)上的工件尚未移走，則機(jī)械手應(yīng)自動(dòng)暫停等待。為此設(shè)置了一只光電開(kāi)關(guān)，以檢測(cè)“無(wú)工件”信號(hào)。 制要求 工作臺(tái) A、 制。機(jī)械手要求按一定的順序動(dòng)作，其流程圖如圖 2 起動(dòng)時(shí)，機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始順序動(dòng)作。停止時(shí)，機(jī)械手停止在現(xiàn)行工步上。 2圖 2 12 重新起動(dòng)時(shí)，機(jī)械手按停止前的動(dòng)作繼續(xù) 進(jìn)行。 為滿足生產(chǎn)要求，機(jī)械手設(shè)置有手動(dòng)工作和自動(dòng)工作兩種方式，而自動(dòng)工作方式又分為單步、單周和連續(xù)工作方式。 1) 手動(dòng)工作方式：利用按鈕對(duì)機(jī)械手每一步單獨(dú)進(jìn)行控制，例如，按“上升”按鈕，機(jī)械手上升；按“下降”按鈕，機(jī)械手下降。此種工作方式可使機(jī)械手置原位。 2) 單步工作方式：從原點(diǎn)開(kāi)始，按自動(dòng)工作循環(huán)的工序，每按一下“起動(dòng)”按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后自動(dòng)停止。 3) 單周期工作方式：按下起動(dòng)按鈕，從原點(diǎn)開(kāi)始，機(jī)械手按 工步自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，停在原位。 4) 連續(xù)工作方式：機(jī)構(gòu)在原位時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)構(gòu)自動(dòng)連續(xù)地執(zhí)行周期動(dòng)作。當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手保持當(dāng)前狀態(tài)。重新恢復(fù)后機(jī)械手按停止前的動(dòng)作繼續(xù)進(jìn)行。 2. 輸入、輸出分析 根據(jù)控制要求分析，系統(tǒng)為開(kāi)關(guān)量順序控制系統(tǒng)。 輸入共有 14 個(gè)開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)和一個(gè) 4位多檔轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)：起動(dòng)按鈕、停止按鈕、下降按鈕、上升按鈕、左移按鈕、右移按鈕、夾緊按鈕、松開(kāi)按鈕、上限位、下限位、左限位、右限位、無(wú)工件檢測(cè)和模式選擇開(kāi)關(guān)。 輸出共有 6 個(gè)開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)：下降電磁閥、上升電磁閥、左移電磁 閥、右移電磁閥、夾緊 /松開(kāi)電磁閥和原位顯示。 3. 控制程序容量估計(jì) 從控制要求來(lái)看出，系統(tǒng)為開(kāi)關(guān)量循環(huán)控制系統(tǒng)，每個(gè)工作循環(huán)共有 10 步，每一步只是完成一些簡(jiǎn)單動(dòng)作，程序比較簡(jiǎn)單， 200 步內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)。 4. 型 根據(jù)控制要求分析， 制系統(tǒng)選用 司的 列 24和 輸入、輸出端子電氣接線圖如圖 2示。 13 5. 畫(huà)出輸入、輸出接線圖及相關(guān)的圖紙 圖 控制系統(tǒng) 部接線 14 根據(jù)電路要求，輸入、輸出地址分配見(jiàn)表 2 輸入 輸出 符號(hào) 地址 功能 符號(hào) 地址 功能 動(dòng) 降 限 緊，松開(kāi) 限 升 限 移 限 移 工件檢測(cè) 位顯示 止 動(dòng) 步 周期 續(xù) 降 升 移 移 緊 松 位 表 2入、輸出地址分配 15 6. 設(shè)計(jì)程序 體設(shè)計(jì) 手動(dòng)程序和自動(dòng)程序分別編成相對(duì)獨(dú)立的子程序模塊，通過(guò)調(diào)用指令進(jìn)行功能選擇。當(dāng)工作方式選擇開(kāi)關(guān)選擇手動(dòng)工作方式時(shí)， 通，執(zhí)行手動(dòng)工作程序；當(dāng)工作方式選擇開(kāi)關(guān)選擇自動(dòng)方式（單步、單周、連續(xù)）時(shí)， 別接通，執(zhí)行自動(dòng)控制程序。整體設(shè)計(jì)的梯形圖（主程序）如圖 2示。 動(dòng)控制程序 手動(dòng)操作不需 要按工序順序動(dòng)作，可以按普通繼電器接觸器控制系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)。手動(dòng)控制的梯形圖見(jiàn)子程序 O。手動(dòng)按鈕 升、右移、左移、夾緊、松開(kāi)、各個(gè)動(dòng)作。為了保持系統(tǒng)的安全運(yùn)行，設(shè)置了一些必要的連鎖保護(hù)，其中左右移動(dòng)的控制環(huán)節(jié)中加入了 為機(jī)械手只有處于上限位置（ ）時(shí)才允許左右移動(dòng)。手動(dòng)控制的程序如圖 2示。 2 16 動(dòng)操作程序 機(jī)械手的自動(dòng)操作流程圖如圖 2示。對(duì)于順序控制可用多種方法進(jìn)行編程，用移位寄存器也 很容易實(shí)現(xiàn)這種控制功能，轉(zhuǎn)換的條件由各行程開(kāi)關(guān)及定時(shí)器的狀態(tài)來(lái)決定。 機(jī)械手的夾緊和松開(kāi)動(dòng)作的控制原則，可以采用壓力檢測(cè)、位置檢測(cè)或按照時(shí)間的原則進(jìn)行控制。本例題用定時(shí)器 制夾緊時(shí)間， 制放松時(shí)間。其工作過(guò)程分析如下。 1) 機(jī)構(gòu)處于原位，上限位和左限位行程開(kāi)關(guān)閉合， 通，移位寄存器首位 “ 1”， 出原位顯示，機(jī)構(gòu)當(dāng)前處于原位。 2) 按下啟動(dòng)按鈕， 通，產(chǎn)生移位信號(hào)，使移位集訓(xùn)期右移一位， 1”（同時(shí) 復(fù)為零）， 電， 出下降信號(hào)。 2 17 3) 下降至下限位，下限位開(kāi)關(guān)受壓， 通，移位寄存器右移一位，移位結(jié)果使 “ 1”（其余為零）， 通，夾緊動(dòng)作開(kāi)始，同時(shí) 通，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。 4) 經(jīng)延時(shí)， 點(diǎn)接通，移位寄存器又右移一位，是 “ 1”（其余為零）， 通，機(jī)構(gòu)上升，由于 1，夾緊動(dòng)作繼續(xù)執(zhí)行。 5) 上升至上限位，上限位開(kāi)關(guān)受壓， 通，寄存器再右移一位， 1（其余為零）， 通，機(jī)構(gòu)右行。 6) 右行至右限位， 通，將寄存器中“ 1”移到 電，機(jī)構(gòu)再次下降。 7) 下降至下限位，下限位開(kāi)關(guān)受壓，移位寄存器又右移一位，使 1(其余為零）， 位，機(jī)構(gòu)松開(kāi)，放下搬運(yùn)零件同時(shí)接通 時(shí)器，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。 8) 延時(shí)時(shí)間到， 合點(diǎn)閉合，移位寄存器右移一位， “ 1”（其余為零）， 次得電上升。 9) 上升至上限位，上限位開(kāi)關(guān)受壓， 合，移位寄存器右移一位， 1”（其余為零）， “ 1”，機(jī)構(gòu)左行。 左行至原位后，左限位開(kāi)關(guān)受壓， 通，寄存器仍右移 一位， 1”（其余為零 ),一個(gè)自動(dòng)循環(huán)結(jié)束。 自動(dòng)操作程序中包含了單周或連續(xù)運(yùn)動(dòng)。程序執(zhí)行單周或連續(xù)取決于工作方式選擇開(kāi)關(guān)，當(dāng)選擇連續(xù)方式時(shí)， “ 1”。當(dāng)機(jī)構(gòu)回到原位時(shí)，移位寄存器自動(dòng)復(fù)位，并使 “ 1”。同時(shí) 合，又獲得一個(gè)移位信號(hào)，機(jī)構(gòu)按順序反復(fù)執(zhí)行。當(dāng)選擇單周期操作方式時(shí)， “ 0”。當(dāng)機(jī)構(gòu)回到原位時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)構(gòu)自動(dòng)動(dòng)作一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期后停止在原位。 18 出顯示程序 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)主要包括上升、下降、左行、右行、夾緊、松開(kāi)，在控 制程序中 別控制左右下降， 制夾緊， 制松開(kāi)， 別控制右、左運(yùn)行， 位顯示。設(shè)計(jì)輸出梯形圖如圖 2 圖 2 19 圖 2出顯示程序 20 第三章 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1. 機(jī)械手 工作的分析 機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。 機(jī)械手由以下結(jié)構(gòu)： 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng) 控制系統(tǒng) 智能系統(tǒng) 遠(yuǎn)程診斷監(jiān)控系統(tǒng)，五部分組成。 機(jī)械手的設(shè)計(jì)構(gòu)想是 以人的手為基礎(chǔ)，以機(jī)械拉來(lái)實(shí)現(xiàn)人的動(dòng)作，它的動(dòng)作由以下三部分來(lái)實(shí)現(xiàn)： 1、肩的前后動(dòng)作 2、肘的上下動(dòng)作 3、腕 (手 )的動(dòng)作 驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可以分 :機(jī)械式、電氣式、液壓式和復(fù)合式，本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì) 液壓復(fù)合式的控制。 控制系統(tǒng)采用西門(mén)子 制。本設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)形式 :前后、上下兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，均由液壓伺服系統(tǒng)控 該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可以給操作臂一個(gè)信號(hào)的動(dòng)力反饋系統(tǒng)。該工作臂類似一個(gè)伸縮儀。在方位、肩部和肘部上的軸直接控制位置，利用主臂控制速度。在機(jī)械手的 操作柄有一個(gè)按鈕來(lái)控制工作頭（降低、翻轉(zhuǎn)、傾斜和抓住的裝置）?？刂葡到y(tǒng)的特性是可以使操縱器以一定的速度和精確性進(jìn)行工作。 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)是基于模組塊系統(tǒng)上的，模組塊系統(tǒng)適合于提高移動(dòng)的速度或特殊類型的工作。在設(shè)計(jì)上考慮維修的簡(jiǎn)單性。維修的人員需要具備一定的資格，應(yīng)能處理一般的機(jī)械設(shè)備的問(wèn)題或通常液壓件的安裝。 工業(yè)機(jī)械手傳輸在末端工具上的力或負(fù)載的感覺(jué)到操作者的手中 (動(dòng)力反饋 )“動(dòng)力反饋”的意思是在機(jī)械手臂末端上的力有一小部分反饋到操作柄。減少比率意味著操作者必須用 2公斤的力才能將工具額定的負(fù)載舉起。 對(duì)于動(dòng)力反饋，操作者有機(jī)會(huì)感覺(jué)在方位、肩部和肘部的軸的負(fù)載改變的不同情況 (慣性和加速 21 度 )。通過(guò)提供額外的力，操作 者可以優(yōu)先確定使用的力和搬運(yùn)的路徑，目的是為了獲得一個(gè)快慢速 . 2. 機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 手爪是用來(lái)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(cè)量用等。 本次設(shè)計(jì)主要是針對(duì)搬運(yùn)用，而 搬運(yùn)用手爪是指各種夾持裝置，用來(lái)抓取或吸附被搬運(yùn)的物體 。 一般工業(yè)機(jī)械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型；按夾持方式來(lái)分，有外夾式和內(nèi)撐式 兩種。 機(jī)械手手腕是機(jī)械手操作機(jī)的最末端，與手爪相連接，它與機(jī)械手手臂配合，使手爪在空間運(yùn)動(dòng)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。 圖 爪的機(jī)械機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 22 3. 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì) 臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 機(jī)械手的手臂在工作時(shí)，要承受一定的載荷，且其運(yùn)動(dòng)本身具有一定的速度，因此，機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)需要遵循以下設(shè)計(jì)要求： 1 工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長(zhǎng)度有密切的關(guān)系，因此手臂尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)合理，一般滿足其工作空間即可。 2 為了提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能 在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。 械手手臂的結(jié)構(gòu) 該機(jī)械手采用直角坐標(biāo)系式結(jié)構(gòu)方式，該種結(jié)構(gòu)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)獨(dú)立，不會(huì)受到其他方向運(yùn)動(dòng)的影響，所以該機(jī)械手運(yùn)動(dòng)更加符合本次題目要求。 考慮到本機(jī)械手采用液壓控制，綜合各方面決定將機(jī)械手臂的上下臂都采用液壓缸來(lái)代替，機(jī)械手爪的張、合也用液壓缸來(lái)控制，這三個(gè)分別為機(jī)械手的上臂、下臂以及手爪的輔助部分。 4. 腰座結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì) 機(jī)械手的腰座，就是機(jī)械手的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，承受了機(jī)械手的全部重量。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械手腰 座結(jié)構(gòu)時(shí)，有以下設(shè)計(jì)要求： 由于腰座要承受機(jī)械手全部的重量和載荷，因此，機(jī)械手腰座的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力它對(duì)機(jī)械手末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度。 腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。要有可靠的定位基準(zhǔn)面和調(diào)整機(jī)構(gòu)。且腰座要安裝在足夠大的基面，以保證機(jī)械手在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。 23 5. 動(dòng)力臂的機(jī)械構(gòu)造 動(dòng)力臂由上臂和一個(gè)較底臂 (下臂 )連接組成，它建立一個(gè)軸的支撐上。在垂直面的運(yùn)動(dòng)是上臂的水平運(yùn)動(dòng)和下臂的上下運(yùn)動(dòng)疊加而獲得的。上、下臂的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)液壓缸 直接控制，手爪的運(yùn)動(dòng)是由液壓缸與一個(gè)鉸鏈機(jī)構(gòu)來(lái)控制。通過(guò)橫梁和和肘部零件的連接保持最終配置部件的位置恒定不便。這樣上臂和下臂的運(yùn)動(dòng)各自具有獨(dú)立的方向。 6. 控制系統(tǒng) 本機(jī)械手采用液壓控制和 種控制方式并用，相輔相成。液壓控制主要是利用電磁閥和液壓缸。 機(jī)械手的控制運(yùn)用 程來(lái)控制， 體積小功能強(qiáng)大所著稱，它不但可以很容易的完成順序邏輯，運(yùn)動(dòng)控制，定時(shí)控制，記數(shù)控制，數(shù)字運(yùn)算，數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通過(guò)輸入輸出接口建立與各類生產(chǎn)機(jī)械數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，而從實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。 工作 方式為掃描加中斷，這既可保證它能有序地工作，避免繼電控制系統(tǒng)常出現(xiàn)的 冒險(xiǎn)競(jìng)爭(zhēng) ，其控制結(jié)果總是確定的；而且又能應(yīng)急處理急于處理的控制，保證了 應(yīng)急情況的及時(shí)響應(yīng)，使 可靠地工作 可靠性好，它的平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)以上；出了故障平均修復(fù)時(shí)間也很短，幾小時(shí)以至于幾分鐘即可 在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的極限位置都裝有位置開(kāi)關(guān)，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到位時(shí)觸碰開(kāi)關(guān)同時(shí)將信號(hào)傳替到 過(guò) 控制下一個(gè)動(dòng)作。 24 該系統(tǒng)并裝有壓力傳感器，它將負(fù)載信號(hào)輸送到電 子控制器，起到動(dòng)壓反饋的作用，它將改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性（如：穩(wěn)定性等） 7. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以選擇液壓驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)和伺服電機(jī)作為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但是根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求選擇液壓系統(tǒng)作為本次的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手具有很大的抓取能力，可抓取質(zhì)量達(dá)上百公斤的的物體，油壓可達(dá) 7壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封性要求高，不宜在高溫和低溫現(xiàn)場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。 圖 3 25 8. 機(jī)械