數(shù)控機床上下料機械手畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　題目 數(shù)控機床上下料機械手 </p><p>　　專業(yè)班級 </p><p>　　姓名 </p><p>　　所屬助學(xué)

2、單位 </p><p>　　2015 年 9 月 5 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 選題背景1</p><p>　　1.2 設(shè)計目的1</p>&

3、lt;p>　　1.3 發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢2</p><p>　　2 液壓上下料機械手的設(shè)計方案3</p><p>　　2.1機械手的概念3</p><p>　　2.2 機械手的組成及工作原理3</p><p>　　2.3 機械手的總體設(shè)計4</p><p>　　2.3.1 機械手的總體機構(gòu)的類型4&l

4、t;/p><p>　　2.3.2 具體采用方案5</p><p>　　2.4 機械手主要部件的選用5</p><p>　　2.4.1 機械手手爪的選用5</p><p>　　2.4.2 機械手手腕的選用6</p><p>　　2.4.3 機械手手臂的選用7</p><p>　　2.4.4

5、機械手機身的選用8</p><p>　　2.5 驅(qū)動機構(gòu)的選擇8</p><p>　　2.6 傳動結(jié)構(gòu)的選擇9</p><p>　　2.7 機器人手臂的平衡機構(gòu)設(shè)計10</p><p>　　3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計11</p><p>　　3.1 液壓系統(tǒng)的概述11</p><p>　　3

6、.2 液壓系統(tǒng)的組成11</p><p>　　3.3 液壓系統(tǒng)的基本控制回路11</p><p>　　3.4 液壓系統(tǒng)的總體設(shè)計12</p><p>　　3.4.1 控制回路的設(shè)計12</p><p>　　3.4.2 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計12</p><p>　　3.4.3 繪制的液壓系統(tǒng)圖13</p&g

7、t;<p>　　3.5 液壓系統(tǒng)的簡單計算13</p><p>　　3.5.1油缸的主要類型與相關(guān)運算 14</p><p>　　3.5.2油泵的選擇 18</p><p>　　3.5.3 油泵電動機功率的確定 18</p><p>　　4 機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計19</p><p>　　4.1

8、 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計19</p><p>　　4.1.1 可編程控制器的概念19</p><p>　　4.1.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域19</p><p>　　4.1.3 PLC系統(tǒng)的組成20</p><p>　　4.1.4 PLC的工作原理21</p><p><b>　　結(jié) 論30<

9、/b></p><p><b>　　致 謝31</b></p><p><b>　　參考文獻32</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　通過對機械設(shè)計基礎(chǔ)、工業(yè)用微型計算機及其自動化等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，以及課外實踐所學(xué)的知識，對數(shù)控機床

10、上下料機械手各部分機械結(jié)構(gòu)和功能進行了論述和分析，設(shè)計了一種液壓式圓柱坐標形式的數(shù)控機床上下料機械手。此設(shè)計主要針對機械手的手爪、手腕、手臂、機身等各部分機械結(jié)構(gòu)以及機械手控制系統(tǒng)（傳動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)）進行了的設(shè)計。同時對PLC控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)進行了理論分析和設(shè)計計算。PLC控制系統(tǒng)的分析重點放在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

11、，優(yōu)化了機械手群的控制系統(tǒng)。該機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)進行作業(yè)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機械手；液壓系統(tǒng)；PLC控制系統(tǒng)；</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 選題背景</b></p><p>　　近

12、年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高以及工業(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。其中機器人就代表了工業(yè)自動化的最高水平。機器人的研發(fā)與應(yīng)用，體現(xiàn)了一個企業(yè)先進的加工制造能力和科研能力。同時它也促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。由于機械手能代替人類完成高危險、高強度，重復(fù)枯燥的工作，同時可以連續(xù)長時間生產(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

13、強度。因此機械手已經(jīng)越來越廣泛的得到了應(yīng)用。一般機械手在機械行業(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)控機床以及組合機床上使用比較普遍。目前，機械手已經(jīng)發(fā)展成為一種非常成熟的機械加工輔助手段，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。把機床設(shè)備和機械手共同構(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。機械手

14、的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的搬運方式，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)</p><p><b>　　1.2 設(shè)計目的</b></p><p>　　眾所周知，一個國家經(jīng)濟實力很大程度上取決于制造業(yè)的發(fā)展水平。上世紀，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

15、年，美國、日本、韓國等國家紛紛將自己的制造產(chǎn)業(yè)搬回本國，準備大力發(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、包裝、打碼等。這些人工操作具有一定的危險性，在高強度的作業(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，使其真正的走進人們的生活，結(jié)合自己所學(xué)的專業(yè)理論知識及課外實踐知識，設(shè)計了一臺自動上下料機械手，其兼?zhèn)淙撕蜋C器的優(yōu)點，

16、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。</p><p>　　1.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢</p><p>　　目前，國內(nèi)外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：</p><p>　　1.機械結(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、減速機、檢測系

17、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)造機器人整機。</p><p>　　2.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和維修性。</p><p>　　3.機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、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，

18、而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)進行決策控制；傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機器人的關(guān)鍵技術(shù)。</p><p>　　4.關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)；</p><p>　　5.焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機械手產(chǎn)品的標準化、通

19、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。</p><p>　　綜上所述可以概括為兩個方向：其一是機械手的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復(fù)雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(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、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。</p><p>　　世界工業(yè)機械手的數(shù)目雖然每年在遞增，但市場是波浪式向前發(fā)

20、展的。在新世紀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)境都需要用機器人代替人工。隨著機器人應(yīng)用的深化和滲透，工業(yè)機械手在各行各業(yè)中還在不斷開辟著新用途。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和科技的不斷進步，這項技術(shù)將日益完善。</p><p>　　2 液壓上下料機械手的設(shè)計方案</p><p><b>　　2.1機械手的概念</b></p><p>　

21、　我國國家標準(GB/T12643–90)對機械手的定義：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體，或進行其它操作的機械裝置?！?lt;/p><p>　　機械手可分為專用機械手和通用機械手兩大類。專用機械手：它作為整機的附屬部分，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)線上的上料機械手，自動換刀機械手，裝配焊接機械手等裝置。通用機械手：它是一種具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可

22、變、動作靈活多樣的機械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)。它的工作范圍大，定位精度高，通用性強，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。</p><p>　　2.2 工業(yè)機械手的組成及工作原理</p><p>　　2.2.1工業(yè)機械手的組成</p><p>　　工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動機構(gòu)和控制部分所組成，各部分關(guān)系如下框圖2.1：</p><p&

23、gt;　　圖2.1 工業(yè)機械手各部分關(guān)系圖</p><p>　　執(zhí)行機構(gòu)：包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走機構(gòu)等運動部件所組成。</p><p>　　驅(qū)動機構(gòu)：有氣動，液動，電動和機械式四種形式。</p><p>　　控制系統(tǒng)：有點位控制和連續(xù)控制兩種方式。</p><p>　　機身：它是整個工業(yè)機械手的基礎(chǔ)。</p>&

24、lt;p><b>　　機械手功能：</b></p><p>　?。?）它能部分的代替人工操作；</p><p>　?。?）它能按照生產(chǎn)工藝的要求遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；</p><p>　?。?）它能操作必要的機具進行焊接和裝配。</p><p>　　2.2.2上下料機械手的工作原理<

25、;/p><p>　　上下料機械手是一種專用的工業(yè)機械手，其執(zhí)行程序一般是設(shè)計好的，一般只能進行簡單編程，所以機械手的動作是固定的，一種機械手只能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。</p><p>　　供送料機械手可看做是一種無料槽、滑道的供送料機構(gòu)，它在一個位置（料槽）抓取物品（工件），然后將其搬運到另一個位置。其基本動作是：上料時，先由料槽中取出工件，帶著工件到指定工位，將

26、其放在工位上，返回；卸料時則從工位上取下工件，帶走，放到料箱中。上料時一般有位置及方位要求，而卸料時一般無嚴格要求，所以上料是關(guān)鍵。</p><p>　　要完成上述動作，上下料機械手的手爪必須到達兩點（取料點—料槽；放料點—加工工位），這可通過機械手的手臂來實現(xiàn)。手爪必須做兩個動作（抓取料和放下料），這可通過機械手的手爪閉合、張開來實現(xiàn)。方位要求一般通過機械手的手腕來滿足供送料要求的運動，軌跡應(yīng)該是：直線下降—直

27、線升起—平面圓弧擺動—直線下降。</p><p>　　2.3機械手的總體設(shè)計</p><p>　　2.3.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型</p><p>　　工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)形式主要有四種：直角坐標結(jié)構(gòu)，圓柱坐標結(jié)構(gòu)，球坐標結(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，分別介紹如下：</p><p>　　1. 直角坐標機械手結(jié)構(gòu)特點</p>

28、<p>　　直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.a。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運動位置精度高，但此種類型機械手的運動空間相對較小，如要達到較大運動空間，則要求機械手的尺寸足夠大。直角坐標機械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)。直角坐標機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2. 圓柱坐標機械手結(jié)構(gòu)特點&

29、lt;/p><p>　　圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.b。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機械手構(gòu)造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運作業(yè)。</p><p>　　3. 球坐標機械手結(jié)構(gòu)特點</p><p>　　球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.c。其工作空間是一個類球形的空間。這種機

30、械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高，主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。</p><p>　　4. 關(guān)節(jié)型機械手結(jié)構(gòu)特點</p><p>　　關(guān)節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1.d。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機械手又分為水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。</p>

31、<p>　　2.3.2 具體采用方案</p><p>　　具體到本設(shè)計，因為考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，一件小成本、提高可靠度。該機械手的工作中需要3種運動，其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運動，另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運動，綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為3，坐標形式選擇圓柱坐標形式，即一個轉(zhuǎn)動自由度兩個一棟棟自由度，其特點是：結(jié)構(gòu)比較簡

32、單，手臂運動范圍大，且有較高的定位準確度。機械手工作布局圖如圖2-2所示。</p><p>　　2.4機械手主要部件的選用</p><p><b>　　2.4.1手爪</b></p><p>　　2.4.1.1機械手手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求</p><p>　　手爪是用來進行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的不

33、同，分為搬運用、加工用、測量用等。搬運用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機械手附加裝置，用來進行相應(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，用來進行測量及檢驗作業(yè)。</p><p>　　機械手手爪設(shè)計有如下要求：</p><p>　?。?）機械手手爪是根據(jù)機械手作業(yè)要求來設(shè)計的。既根據(jù)其應(yīng)用場合設(shè)計手爪，在滿

34、足作業(yè)要求的前提下，機械手手爪還要求體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。</p><p>　?。?）機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，甚至很難實現(xiàn)，從工業(yè)實際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機械手手爪，加之以快速更換裝置，以實現(xiàn)機械手的多種作業(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)濟效益。</p><p>　?。?）機械手手爪的通用性。通用性是

35、指有限的手爪，可適用于不同的機械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標準化。</p><p>　　（4）機械手手爪要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。</p><p>　　2.4.1.2設(shè)計具體采用方案</p><p>　　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)計主要考慮夾鉗式手部設(shè)計。

36、</p><p>　　夾鉗式手部是由手指，傳動機構(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：</p><p>　　圖2-3 手部示意圖</p><p><b>　　2.4.2 腕部</b></p><p>　　2.4.2.1 腕部設(shè)計

37、的基本要求</p><p>　　手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，適應(yīng)性更強。手腕具有獨立的自由度，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。手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(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，它要求嚴格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　（1）腕部

38、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)、重量和動力載荷直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運動性能。因此在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。</p><p>　?。?）腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔聯(lián)接和支承作用，除了保證力和運動的要求以及具有足夠的強度和剛度外還應(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。</p><p

39、>　　（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，有關(guān)材料及電控電測元件的耐熱性等問題）。</p><p>　　2.4.2.2設(shè)計具體采用方案</p><p>　　通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(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

40、如Y軸方向）橫移，還可以繞Y軸或Z軸回轉(zhuǎn)。本次設(shè)計，手腕回轉(zhuǎn)角度±115°，手腕回轉(zhuǎn)速度，V腕回 = 40°/s。</p><p>　　圖2-4 腕部結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　2.4.3 手臂 </b></p><p>　　2.4.3.1手臂設(shè)計的基本要求</p><p>　　手臂

41、部件是機械手的主要執(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。</p><p>　　臂部運動的目的：把手部送到空間范圍內(nèi)的任意一點。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)，左右回轉(zhuǎn)和俯仰運動。手臂的各種運動由油缸驅(qū)動和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從背部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的靜動載荷，而且自身運動又較多，故受力復(fù)雜。因而，它的結(jié)構(gòu)，工作范圍，靈活

42、性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機械手的工作性能。</p><p>　　機身是固定的，它直接承受和傳動手臂的部件，實現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)等運動。臂部要實現(xiàn)所要求的運動，需滿足下列各項基本要求：</p><p>　　（1）機械手臂式機身的承載</p><p>　　機械手臂式機身的承載能力，取決于其剛度，結(jié)構(gòu)上采用水平懸伸梁形式。顯然，伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度逾差，而

43、且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷變化，對于機械手的運動性能，位置精度和負荷能力等影響很大。為可提高剛度，盡量縮短臂桿的懸伸長度。</p><p>　?。?）臂部運動速度要高，慣性要小</p><p>　　機械手臂的運動速度是機械手主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(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)俯仰均要求均速運動，（v和w為常數(shù)），但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，

44、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。</p><p>　　為減少轉(zhuǎn)動慣量的措施：</p><p>　?、贉p少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強度材料。</p><p>　?、跍p少手臂運動件的尺寸輪廓。</p><p>　?、蹨p少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸），<

45、;/p><p>　　盡可能在前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作，并且驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。</p><p>　　（3）手臂動作應(yīng)靈活</p><p>　　為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動摩擦代替滑動摩擦。</p><p><b>　?。?）位置精度要高</b></p><p>　　一般說來，直角和圓

46、柱坐標式機械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機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構(gòu)，能較好的控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動，嚙合件的間隙。</p><p>　　2.4.3.2具體設(shè)計方案</p><p>　　由于機械手手臂運動為直線運動，這里實現(xiàn)直線往復(fù)運動是采用液壓驅(qū)動的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂機構(gòu)中應(yīng)用比較多

47、。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)行運動件，而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。目前使用的機械手的臂力范圍較大，國內(nèi)現(xiàn)有的機械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓機械手的臂力為N臂 =1650（N），安全系數(shù)K一般可在1.5~3，本機械手取安全系數(shù)K=2。定位精度為±1mm。手臂伸長量150mm，手臂回轉(zhuǎn)角度±120°。手臂升降行程180mm，手臂水平運動行

48、程100mm。手臂伸縮速度 ，V臂伸 = 50 mm/s手臂回轉(zhuǎn)速度， V臂回 = 40°/s，手臂升降速度， V臂升 = 50 mm/s。</p><p><b>　　2.4.4機身</b></p><p>　　2.4.4.1機身設(shè)計的基本要求</p><p>　　機身是直接支撐和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降，回轉(zhuǎn)或俯仰等運動

49、的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構(gòu)成機體的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜。機身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運動。</p><p>　　此次設(shè)計機身為地面軌道運動式。它的驅(qū)動系統(tǒng)是步進電機，再電動機后接了一個圓錐圓柱齒輪減速器其輸出速度為1.2m/s。在后是一個制動箱。其主要參數(shù)是由外部計算機調(diào)整和控制，在很大程度上是由運動學(xué)和軌跡運動而去編制

50、小車的運行程序。</p><p>　　2.5驅(qū)動機構(gòu)的選擇</p><p>　　2.5.1驅(qū)動機構(gòu)的主要類型</p><p>　　驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機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：</p><p>　?。?）氣壓傳動機械手</p><p>　　氣壓機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。

51、其特點為：輸出力大、易于保養(yǎng)、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單成本低。但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差、沖擊力大、定位精度一般、抓取力小。</p><p>　?。?）液壓傳動機械手</p><p>　　液壓傳動機械手是以油液壓縮的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其特點為：輸出力大、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏、抓取力大。但是這種機械手對密封性要求很高、不易于保養(yǎng)與維護、受到液體本身的屬

52、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格，成本高。</p><p>　?。?）機械驅(qū)動機械手</p><p>　　它是由機械傳動機構(gòu)驅(qū)動的機械手，是一種附屬于工作主機的專用機械手，動力是由工作機械提供的。其主要特點為：運動精確，動作頻率大，定位精度高。但是結(jié)構(gòu)較大，保養(yǎng)需求高。</p><p>　　（4）

53、電氣驅(qū)動機械手</p><p>　　它是由電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其特點為：運動速度快，行程長，定位精度高，易于維護、使用方便、節(jié)能環(huán)保。但是其技術(shù)還不夠成熟、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本也較高。驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分,工業(yè)機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。</p><p>　　2.5.2具體設(shè)計方案</p><p>　　在分析了具體工

54、作要求后，綜合考慮各個因素，機械手腰部的旋轉(zhuǎn)運動需要一定的定位控制精度，因此采用步進電動機來實現(xiàn)。由于手臂采用液壓缸，故用液壓驅(qū)動。隨著機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行驅(qū)動。</p><p>　　2.6 傳動結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　2.6.1工業(yè)機器人常用的傳動機構(gòu)形式</p><p><b&g

55、t;　　齒輪傳動機構(gòu)</b></p><p>　　在機器人中常用的齒輪傳動機構(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。</p><p><b>　　諧波齒輪傳動</b></p><p>　　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、效率高等

56、一系列優(yōu)點。故在工業(yè)機器人系統(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動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質(zhì)上的差別。</p><p><b>　　（3）螺旋傳動</b></p><p>　　螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。螺旋

57、傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)龋挥幸詡鬟f運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。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、制造成本低，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)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%~98%），其運動平穩(wěn)，靈活度高。通過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進給精度和重復(fù)定位精度高。

58、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；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構(gòu)或制動裝置。</p><p><b>　?。?）同步帶傳動</b></p><p>　　同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動，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

59、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確、傳動效率高（可達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40m/s）、傳動比可達10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機器人中使用很多。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，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。</p><p>&l

60、t;b>　?。?）鋼帶傳動</b></p><p>　　鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅(qū)動力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。</p><p><b>　?。?)鏈傳動</b></p><p>　　在機器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機器人末端

61、的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關(guān)節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。</p><p><b>　?。?)鋼絲繩輪傳動</b></p><p>　　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。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。</p><p>　　2.6.2工業(yè)機器

62、人傳動機構(gòu)設(shè)計的要求</p><p>　　機器人是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運動機構(gòu)。除直接驅(qū)動型機器人以外，機器人各聯(lián)桿及關(guān)節(jié)的運動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機械傳動機構(gòu)進行驅(qū)動的。機器人所采用的傳動機構(gòu)與一般機械的傳動機構(gòu)相類似。常用的機械傳動機構(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

63、、重量輕、運動平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。</p><p>　　2.6.3 具體設(shè)計方案</p><p>　　為了簡化結(jié)構(gòu)，同時提高精度。機械手腰部回轉(zhuǎn)運動采用步進電機驅(qū)動，必須采用傳動機構(gòu)來減速和增大扭矩。經(jīng)濟分析比較，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

64、的降低電動機轉(zhuǎn)速，以使機械手的運動平穩(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,齒輪采用高強大、高硬度的材料，高精度加工制動。</p><p>　　2.7 機器人手臂的平衡機構(gòu)設(shè)計</p><p>　　直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機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到平衡。關(guān)節(jié)機器人手臂一般都需要平衡裝置，一減小驅(qū)動器的負荷，同時縮短啟動時間。</

65、p><p>　　2.7.1 機器人平衡機構(gòu)的形式</p><p>　　通常，機器人所采用的平衡機構(gòu)主要有以下幾種：</p><p><b>　　1.配重平衡機構(gòu)</b></p><p>　　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，但增加了機器人手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機器人手臂的不平衡力矩比較小的情況下

66、采用這種平衡機構(gòu)。</p><p><b>　　2.彈簧平衡機構(gòu)</b></p><p>　　彈簧平衡機構(gòu)，機構(gòu)簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。</p><p>　　3.活塞推桿平衡機構(gòu)</p><p>　　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

67、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。</p><p>　　2.7.2 設(shè)計具體采用的方案</p><p>　　因為本設(shè)計機械手采用圓柱坐標型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及整個機械手的設(shè)計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題，通

68、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到平衡。若實際工作中平衡結(jié)果不滿足，則設(shè)置彈簧平衡機構(gòu)進行平衡。</p><p><b>　　3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計</b></p><p>　　3.1液壓系統(tǒng)的概述</p><p>　　機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)。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉(zhuǎn)換成油液的

69、壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機械能。手臂在運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，機械手的液壓傳動系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動。</p>

70、<p>　　3.2液壓系統(tǒng)的組成</p><p>　　液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：</p><p>　?。?） 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉(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。</p><p>　?。?） 液動機 壓力油驅(qū)動運動部件對外工作部分。手臂做直線運動，液動機就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運動的液動

71、機一般叫作油馬達，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動機，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動油缸）。</p><p>　?。?） 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，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運動。</p><p>　　3.3液壓系統(tǒng)的基本控制回路</p><p>　　機械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機械手自由度的

72、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、運動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運動等。</p><p>　　3.3.1 壓力控制回路</p><p>　　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

73、回路和單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路</p><p>　　為了使機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，使活塞停止運動并鎖緊。本機械手采用單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。</p><p>　　3.3.2 速度控制回路</p><p>　　液壓機械手各種運動速度的控制，主要是改變進

74、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入油缸或油馬達的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。</p><p>　　根據(jù)各油泵的運動速度要求，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)速閥等進行調(diào)節(jié)。</p><p>　　節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調(diào)速范圍較大、價格便宜。其缺點是：有

75、壓力和流量損耗，在低速負荷傳動時效率低，發(fā)熱大。</p><p>　　采用節(jié)流閥進行節(jié)流調(diào)速時，負荷的變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負荷變化會引起節(jié)流閥進出油口的壓差變化，因而使通過節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。</p><p>　　調(diào)速閥能夠隨負荷的變化而自動調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸的運動速度不受負荷變化的影響，對速度的平穩(wěn)性要求高的場合，宜用調(diào)速閥實現(xiàn)節(jié)流調(diào)

76、速。</p><p>　　3.3.3 方向控制回路</p><p>　　在機械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達的運動方向和接通或關(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，使油缸及油馬達的油路換向，實現(xiàn)直線往復(fù)運動和正反向轉(zhuǎn)動。</p><p>　　目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分

77、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），直流電磁閥的使用電壓一般為24V（或110V）。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能好，換向時間短，接線簡單，價廉，但是如吸不上時容易燒壞，可靠性差，換向時有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。</p><p>　　3.4液壓系統(tǒng)總體設(shè)計</p><p>　　此次設(shè)計的上下料機械手是以P

78、LC來控制整個液壓元件，通過控制液壓缸的電磁換向閥而實現(xiàn)機械手各個關(guān)節(jié)的運動。至于機械手在空間的運動和定位則由外部的電腦操作系統(tǒng)完成，它主要先進行機器手的運動學(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)完成整個機械手在空間的行走，定位和重復(fù)定位等操作。</p><p>　　3.4.1液壓執(zhí)行元件運動控制回路的設(shè)計</p><p>　　液壓執(zhí)行元件確定后，其運動速度和運動方向的控制是液

79、壓回路的核心問題。</p><p>　　速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現(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現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現(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現(xiàn)。 </p><p>　　本設(shè)計的速度的控

80、制主要采用節(jié)流調(diào)速，利用用比較簡單的節(jié)流閥來實現(xiàn)，而方向控制采用電磁換向閥來實現(xiàn)。</p><p>　　3.4.2 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　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

81、供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。</p><p>　　油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。一般泵的入口要裝粗濾油器，進入系統(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。</p><p>　　本設(shè)計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來調(diào)定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈，避免

82、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)的液壓油進行凈化</p><p>　　3.4.3 繪制液壓系統(tǒng)圖</p><p>　　本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3-1所示</p><p>　　它擁有垂直手臂的上升、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)行機構(gòu)。</p><p>　　其中，泵由三相

83、交流異步電動機M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調(diào)定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。</p><p>　　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5DT得電時，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進入柱塞缸，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當6DT失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪迅速松開。</p><p>　　另外，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力

84、作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，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，以平衡重力負載。</p><p>　　3.5液壓系統(tǒng)的簡單計算</p><p>　　計算的主要內(nèi)容是，根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)所要求的輸出力和運動速度，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

85、電動機的功率。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。</p><p>　　一般會用到的油缸有活塞式油缸（往復(fù)直線運動）和回轉(zhuǎn)式油缸（可以使輸出軸得到小于360°的往復(fù)回轉(zhuǎn)運動），及無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）。</p><p>　　3.5.1 油缸的主要類型與相關(guān)運算</p><p>　　3.5.1.1 雙作用單桿活塞油缸<

86、/p><p>　　圖5-2 雙作用單桿活塞桿油缸計算簡圖</p><p>　?、?流量、驅(qū)動力的計算 </p><p>　　當壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度V1運動時所需輸入油缸的流量Q1為</p><p><b>　　Q1 = DV1</b></p><p>　　對于手臂伸縮油缸：Q1=0.98c

87、m/s， 對于手指夾緊油缸：Q1=1.02 cm/s ,對于手臂升降油缸：Q1=0.83 cm/s </p><p>　　油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P1即油缸的驅(qū)動力為：</p><p><b>　　P1 = Dp</b></p><p>　　對于手臂伸縮油缸：P1=196N， 對于手指夾緊油缸：P1=126N ，對于手臂升

88、降油缸：P1=320N</p><p>　　當壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度V2運動時所需輸入油缸的流量 Q2 為：</p><p>　　Q2 = （D-d）V2</p><p>　　對于手臂伸縮油缸：Q2=0.87cm/s， 對于手指夾緊油缸：Q2=0.96 cm/s ,對于手臂升降油缸：Q2=0.72 cm/s </p><p>　　油缸

89、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：</p><p>　　P2 = （D-d）p</p><p>　　對于手臂伸縮油缸：P2=172N， 對于手指夾緊油缸：P2=108N ，對于手臂升降油缸：P2=305N</p><p>　?、?計算作用在活塞上的總機械載荷</p><p>　　機械手手臂移動時，作用在機械手活塞

90、上的總機械載荷P為</p><p>　　P = P工 + P導(dǎo) + P封 + P慣 + P回</p><p>　　其中P工 為工作阻力</p><p>　　P導(dǎo) 為裝置處的摩擦阻力</p><p>　　P封 為密封裝置處的摩擦阻力</p><p><b>　　P慣 為性阻力</b></p&g

91、t;<p><b>　　P回 為回背壓阻力</b></p><p>　　P = 83+125+66+80+208=562(N)</p><p>　?、?確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸</p><p>　?、?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械載荷平衡，即 P = P1（無桿腔） = P2 （有桿

92、腔）</p><p>　　油缸（即活塞）的直徑可由下式計算</p><p>　　D = = 1.13 厘米 （無桿腔） </p><p>　　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 = 厘米（有桿腔） </p><p>　?、?油缸壁厚的

93、計算：</p><p>　　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><p><b>　　= 厘米 </b></p><p><b>　　P計 為計算壓力</b></p><p>　　油缸材料的許用應(yīng)力。</p><p>　　對于手臂伸縮油缸： =6mm，

94、 對于手指夾緊油缸： =17mm ，對于手臂升降油缸： =16mm , 對于立柱橫移油缸: =17mm</p><p><b>　?、?活塞桿的計算</b></p><p>　　可按強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，因此活塞桿的強度計算可近似的視為直桿拉、壓強度計算問題，即</p><p><b>　　= ≦

95、 </b></p><p><b>　　即 d ≧ 厘米</b></p><p>　　對于手臂伸縮油缸：d =30mm， 對于手指夾緊油缸：d =15mm ，對于手臂升降油缸：d=50mm , 對于立柱橫移油缸:d=16mm</p><p>　　3.5.1.2 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）</p><p>

96、;　　圖5-3 齒條活塞缸計算簡圖</p><p>　?、帕髁俊Ⅱ?qū)動力的計算</p><p><b>　　Q = </b></p><p>　　當D=103mm,d=40mm,=0.95 rad/s時</p><p><b>　　Q = 952N</b></p><p>　

97、　⑵ 作用在活塞上的總機械載荷P</p><p>　　P = P工 + P封 + P慣 + P回</p><p><b>　　其中P工為工作阻力</b></p><p>　　P封 為密封裝置處的摩擦阻力</p><p><b>　　P慣 為慣性阻力</b></p><p>&

98、lt;b>　　P回 為背壓阻力</b></p><p>　　P = 66+108+208=382（N）</p><p><b>　　⑶ 油缸內(nèi)徑的計算</b></p><p>　　根據(jù)作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與總機械載荷的平衡條件，求得</p><p><b>　　D = （厘米

99、）</b></p><p><b>　　D = 45mm</b></p><p>　　3.5.1.3單葉片回轉(zhuǎn)油缸 </p><p>　　在液壓機械手上實現(xiàn)手腕、手臂回轉(zhuǎn)運動的另一種常用機構(gòu)是單葉片回轉(zhuǎn)油缸，簡稱回轉(zhuǎn)油缸，其計算簡圖如下：</p><p>　　圖5-4回轉(zhuǎn)油缸計算簡圖</p>&

100、lt;p>　?、?流量、驅(qū)動力矩的計算</p><p>　　當壓力油輸入回轉(zhuǎn)油缸，使動片以角速度運動時，需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量Q為：</p><p><b>　　Q = </b></p><p>　　當D=100mm,d=35mm,b=35mm, =0.95 rad/s時</p><p><b>　　Q

101、=0.02m/s</b></p><p>　　回轉(zhuǎn)油缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩M：</p><p><b>　　M = </b></p><p>　　得 M = 0.8 (N·m)</p><p>　?、?作用在動片（即輸出軸）上的外載荷力矩 M </p>

102、;<p>　　M = M工 +M封 + M慣 + M回</p><p>　　其中 M工為工作阻力矩</p><p>　　M封 為密封裝置處的摩擦阻力矩</p><p>　　M慣 為參與回轉(zhuǎn)運動的零部件，在啟動時的慣性力矩</p><p>　　M回 為回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背反力矩</p><p>　　M = 2

103、.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (N·m) </p><p>　　⑶ 回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑的計算</p><p>　　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：</p><p>　　D = </p><p>　　D = 30mm（厘米)</p><

104、p>　　3.5.2油泵的選擇 </p><p>　　一般的機械手的液壓系統(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。</p><p>　?、?確定油泵的工作壓力P泵 </p><p>　　P泵 ≧ p + △p </p><p>　　式中 p ——油缸的最大工作油壓</

105、p><p>　　△p ——壓力油路（進油路）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><p>　　P泵 = 60*10帕</p><p>　?、?確定油泵的 Q泵 </p><p>　　油泵的流量，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)個回路按設(shè)計的要求，在工作時實際所需的最大流量Q最大，并考慮系統(tǒng)的總泄漏來確定</p><

106、;p>　　Q泵 = K ，Q最大 </p><p>　　其中：K一般取1.10—1.25</p><p><b>　　Q泵=53升/分</b></p><p>　　3.5.3 油泵電動機功率的確定</p><p><b>　　油泵的電動功率為 </b></p><p>

107、<b>　　N = （千瓦）</b></p><p>　　式中 p——油泵的最大工作壓力</p><p>　　Q——所選油泵的額定流量</p><p><b>　　——油泵總效率</b></p><p><b>　　N=7.5（千瓦）</b></p><p

108、>　　4 機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　4.1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計</p><p>　　4.1.1可編程控制器的概念</p><p>　　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標準草案第3稿中，對PLC作了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子

109、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)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令。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)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計?！?lt;/p><p>　　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。P

110、LC具有如下特點：</p><p>　　1、編程方法簡單易學(xué)。</p><p>　　2、功能強，性能價格比高。</p><p>　　3、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強。</p><p>　　4、可靠性高，抗干擾能力強。</p><p>　　5、系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少。</p><p&g

111、t;　　6、維修工作量小，維修方便。</p><p>　　7、體積小，能耗低。</p><p>　　4.1.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　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)元件的價格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增加，能解

112、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：</p><p><b>　　1、順序控制</b></p><p>　　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)用于單機控制、多機控制、生產(chǎn)自動線

113、控制等。例如：注塑機械、印刷機械、訂書機械、包裝機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制。</p><p><b>　　2、運動控制</b></p><p>　　PLC制造商目前已提供了拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，在多數(shù)情況下，PLC把描述目標位置的數(shù)據(jù)送給模塊，其輸出移動一軸或數(shù)軸到目標位置，每個軸移動時，位置控制模塊保持

114、適當?shù)乃俣群图铀俣龋３诌\動平滑。</p><p>　　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，</p><p><b>　　3、過程控制</b></p><p>　　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。PID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P

115、LC可用于過程控制。當過程控制中某個變量出現(xiàn)偏差時，PID控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設(shè)定值上。</p><p><b>　　4、數(shù)據(jù)控制</b></p><p>　　在機械加工中，PLC作為主要的控制和管理系統(tǒng)用于CNC和NC系統(tǒng)中，可以完成大量的數(shù)據(jù)控制。</p><p><b>　　5、通信控制</b>&