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毕业设计论文院 系：XX学院姓 名：专 业：机械设计学 号：4200209320XXX指导教师：XX老师XX大学X学院2021年9月毕业设计论文任务书应由学生本人按指导教师下达的任务认真誊写姓名 专业 机械设计 指导教师 XXX 学号 4200209320214 入学时间 2021.09 网站院系 机械学院 一、课题名称二、课题内容三、课题任务要求四、同组设计者五、主要参考文献1 陈绍龙，刘怀平.从选粉浓度解读高效转子选粉机技术：文献，盐城：科行建材环保公司，20042 许林发.建筑材料机械设计一.武汉：武汉工业大学出版社，19903 潘孝良.硅酸盐工业机械过程及设备.武汉：武汉工业大学出版社，1993 4 叶达森.粉碎与制成.北京：中国建筑工业出版社，19925 .6 7 8 9 刘景洲.水泥机械设备安装、修理及典型实例分析.10 刘铁忠.TLS系列组合式选粉机的开发.水泥技术，19991：1916 数字化手册编委会.机械设计手册(软件版)R2.0.17 .浙江：浙江大学出版社，200218 武汉建筑材料工业学院等学校.建筑材料机械及设备.北京：中国建筑工业出版社，198019 徐锦康.机械设计.第2版.北京：机械工业出版社，200220 吴一善主编.粉碎学概论.武汉：武汉工业大学出版社，199321 沈世德.机械原理.北京：机械工业出版社，2002指导教师签字 教研室主任签字 年 月 日此任务书装订时放在毕业设计报告第一页目录 1Abstract.1摘 要1第 一 章 前 言4工业机器人4工业机器人简介41.1.2世界机器人的开展41.1.3我国工业机器人的开展51.2工业机械手61.2.1简史61.2.2应用简况71.2.3国内外机械人开展趋势71.3机械手的组成和分类91.3.1机械手的组成91.3.2机械手的分类111.4本课题研究的主要内容及意义111.4.1 课题 七杆二自由度机械手设计内容及根本要求111.4.2重点研究的问题：111.4.3 本次设计的意义11第 二 章 机械 械结构的设计计算122.1 机械 构的分析与设计- 12 -2机械手的自由度- 12 -2坐标形式- 13 -2机械手的机构简图以及部件尺寸- 13 -2机械手总体方案的比拟15第 三 章 平衡臂机械手总体设计方案153.1 机械手总体系统的设计153.2液压机械手液压系统的工作原理153.3液压系统的组成原理163.4液压传动机械手的特点163.5机械手的动作顺序173.6平衡臂机械手总体布局方案确实定18第 四 章 液压系统的设计184.1 液压系统控制回路的比拟选择184.2 液压系统工作原理图204.3 液压系统执行元件的比拟选择214.4液压系统动力装置的计算选择224.4.1大臂上双作用活塞式油缸的流量计算及驱动泵的要求224.4.2带动手部夹紧油缸的流量计算及驱动泵的要求234.4.3水平伸缩油缸的流量计算及驱动泵的要求244驱动泵和驱动电机的选择264.5液压系统控制装置的计算选择264.6液压系统辅助装置的计算选择274.7集中配置液压装置284.7.1液压泵站的集成配置294.7.2液压控制装置的集成配置29第 五 章 PLC控制回路的设计315.1电磁铁动作顺序3132355.4 PLC与现场器件的实际连接图365.5梯形图375.6指令程序38结束语.42参考文献.43附录一 英文文献翻译44附录二 英文文献原文48平衡臂机械手的设计之PLC逻辑顺序控制和液压系统设计摘要：本次设计的液压传动机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的根本理论、根本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图、PLC控制系统原理图。机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸，手腕回转采用回转油缸，立柱的转动采用齿条油缸，机械手的升降采用升降油缸，立柱的横移采用横向移动油缸；在PLC控制回路中，采用的PLC类型为FX2N，当按下连续启动后，PLC按指定的程序，通过控制电磁阀的开关来控制机械手进行相应的动作循环，当按下连续停止按钮后，机械手在完成一个动作循环后停止运动。本设计拟开发的上料机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。关键词：机械手、液压、控制回路、PLCThe design of the hydraulic manipulator Abstract The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ；The PLC control circuit use the type of FX2N PLC .When pressed for commencement ，PLC in accordance with the prescribed procedures ，through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign.The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger workpieces .Keywords Manipulator 、Hydraulic、Control Loop 、PLC第 一 章 前 言1.1 工业机器人1.11工业机器人简介几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话?阿鲁哥探险船?中的青铜巨人泰洛斯Taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻鼓励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活泼在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。工业机器人由操作机机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反响和分析判断能力，又有机器可长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工 业以及非产业界的重要生产和效劳性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 国外机器人领域开展近几年有如下几个趋势：1. 工业机器人性能不断提高高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。2机械结构向模块化、可重构化开展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。3工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向开展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。4机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人那么采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演开展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。6当代遥控机器人系统的开展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.1.3 我国工业机器人的开展有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，开展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的开展做出卓越的奉献。我国的工业机器人从80年代“七五科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五、“八五科技攻关，目前已根本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了局部机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线站上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、本钱也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863方案的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等根底技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的开展根底。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面那么刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的根底上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五后期立于世界先进行列之中。工业机械手工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已经成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成局部。这种新技术开展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手的迅速开展是由于它的积极作用正日益为人们认识：其一，它能局部地代替人工操作；其二，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大得改善人工的劳动条件，显著得提高劳动生产效率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温，高压，粉尘，噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的开展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械，记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子，军事工业，先是通过操作机来完成特顶的作业，后来开展到用无线电寻好操作机械手来进行月球的探测等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要负数于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为Mechanical Hand，它是为主机效劳的，有主机驱动；除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机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。她的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的根底上又试制一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate即万能自动。同年，美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatrap机械手，原意是灵活搬运。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工大学联合研制一种叫Unnimation-Viearm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。到目前为止，日本是工业机械手开展最快，应用最多的国家。但是，目前的机械手大局部还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式为开环式，没有识别能力；改良的方向主要是减低本钱和提高精度。第二代机械手设有微型电子计算机控制系统，具有视觉，触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反响，使机械手具有感觉机能。第三代机械手机器人那么能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步开展成为柔性制造系统FMSFlexible Manufacturing System和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一环。就国内机械工业，铁路 部门应用机械手的简况，介绍如下：热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了实现高效率和工作平安，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更加需要采用机械手操作冷加工方面 冷加工方面机械手主要采用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成局部。更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联结和重要手段。拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的开展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、去除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。 采用机械手进行装配更是目前研制的重点，国外已研究采用摄象机和里的传感装置和微型计算机联系在一起，能确定零件的方位，到达镶装的目的。在普及第一代工业机器人的根底上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人也占有一定比重(占日本1998年安装台数的10%，销售额的36% )。 机械结构 以关节型为主流，80年代创造的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的1/3。应3K和汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。CAD , CAM等技术己普遍用于设计、仿真和制造中。控制技术 大多采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流。驱动技术 80年代开展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术应用于工业机器人中。新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中;在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。应用智能化的传感器 装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种以上传感器，有些机器人留了多种机器人接口。通用机器人编程语言 在ABB公司的20多个型号产品中，采用了通用模块化语言RAPID。最近美国机器人空间技术公司开发了Robot Script V.10通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器URC的Win NT/95环境下。该语言易学易用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。网络通讯方式 大局部机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3%，其他采用RS-232, RA-422, RS-485等通讯接口。高速、高精度、多功能化 目前，最快的装配机器人最大合成速度为16. 5m/s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达80m/ s;而另一种并联结构的NC机器人，其位置重复精度达limo 90年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向开展。集成化与系统化 当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统开展。百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造，为工业机器人系统化的开展推波助澜。随着计算机技术的不断向智能化方向开展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在FMS, CIMS系统中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向开展，以适应“敏捷制造(Agile Manufacturing)，满足多样化、个性化的需求，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。我国的工业机器人从80年代“七五科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五、“八五科技攻关，目前己根本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了局部机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人:其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距:在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球己安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一位客户，一次重新设计，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、本钱也不低，而目质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。 我国的智能机器人和特种机器人在“86“方案的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人技术居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等根底技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的开展根底。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面那么刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的根底上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五后期立于世界先进行列之中。国内主要是逐步扩大应用范围，重点开展铸锻，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，相应地开展通用机械手，有条件的还要研制示教型机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。更为主要的是将机械手和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。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大局部组成。一、执 行 机 构1手部手部安装在手臂的前端，手臂的内孔装有传动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕、开闭手指。 机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。2手臂 手臂有无关节臂和有关节臂之分。目前采用的手臂几乎都是无关节臂。手臂的作用是引导手指准确得抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由读都需要精确的定位。3躯干躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。二、驱 动 系 统 驱动机构主要有四种：液压驱动、气体驱动、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、油泵和油箱实现传动。它的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需配备压力源，系统复杂，本钱较高。气动驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。它的优点是气源方便，维护简单，本钱低。缺点是出力小，体积大。尤其空气的可压缩性大，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，气压系统的装有速度控制机构或缓冲减震机构。电器驱动都采用三相感应电机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动那么用电机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。电气驱动的优点是动力源简单；维护、使用方便。一般只用于动作固定的场合。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开，工作速度高，本钱低；缺点是不易于调整。三、控 制 系 统机械手控制的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续诡计控制两种。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。程序的存储方式分为别离存储和集中存储两种。对于动作复杂的机械手机械人，采用示教再现型控制系统。更复杂的机械手机械人那么采用数字控制系统、小型计算器或微处理机控制的系统。一、按 用 途 分 类1. 专用机械手 专用机械手是专为一定设备效劳的，简单、使用，目前在生产中运用的比拟广泛。它一般只能完成一、二种特定的作业。如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序，适应多种作业的需要。2. 通用机械手 通用机械手是在专用机械手的根底上开展起来的。它能对不同物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动话装置。它的动作程序可以按照工作需要来改变，大概是采用顺序控制系统。通用机械手又分简易型、示教再现型和只能机械手、草中式机械手等几种。二、按控制型式分类点位控制型机械手的运动诡计是空间二个点之间的连接。控制点书越多，性能越好。它根本能满足于各种要求，结构简单。绝大局部机械手是点位控制型。这种机械手的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间中作极其复杂的动作。工作性能完善，但控制局部比拟复杂。控制方式分为开关式和伺服式两种。1.4.1 课题 七杆二自由度机械手设计内容及根本要求设计一个机械手，用于工厂机床边抓取圆棒料和饼类零件，实现从地面到机床卡盘和从机床卡盘到地面的运动。最大活动半径 2m 最大活动高度 2m 回转活动范围 0360 最大抓取重量 40kg 抓取规格 棒料120mm，盘类300mm动力：尽可能采用机械传动、电磁力或气动。必要时可以采用液压，但不宜使用高压液压设备。 工作量要求：1整套机械手图纸含外构件、标准件汇总含电器图、PLC图 2使用说明书 3设计说明书 4英文翻译成汉文5000字： 机械、机构、机电一体化功能零部件；机械手、机械夹持、运动传递和动力传送。强电电控、弱电电控、弱电反响、PLC控制。本次设计的对象是湖南省湘潭江麓机械所设计制造的七杆机械手，主要是对此机械手进行实体改造。我们这次设计主要是针对此机械手，而且还要对机械手的整体布局及工作原理和过程做一些介绍。在外型上，我们要解决的问题主要是我们设计出来的实体要和实物相同或相近。在大的方面，一个机械手可以分为大臂、小臂和手爪手腕等局部。而手腕局部是我们所重点要求的，对其中的每一个零件、部件及组合体的尺寸和形体都有严格的要求，因为江麓的机械手是有人力动作局部的，而且没有手腕，取而代之的是一个吊钩，为了将其改造成为可自动抓取的机械手，每个零件的配合都要很考究。而油路的布置也要合理。整体要整齐美观。机构实用且经济。第 二 章 平衡臂机械 械结构的设计计算 机械手要像人的手一样完成各种动作是比拟困难的。因为人的手指、手长、手腕、手臂由十九个关节所组成，并具有27个自由度，而生产实践中机械手不需要这么多自由度。下面按机械手所具有的主运动和辅助运动来分析其自由度。手臂和立柱的运动成为主运动，因为它们能改变抓取工件在空间的位置。手腕和手指的运动成为辅助运动，因为手腕的运动只能改变被抓取工件的方位，而手指的夹放运动不能改变工件的位置和方位，故它不计为自由度数，其他运动都算作自由度数。 这次参考了江麓机械厂的机械手，在确定了被抓取工件所在的空间位置，及将工件搬运到规定的位置时所需要的运动。得知我们改造的机械手包括了大臂的回转和升降两个运动，而将要设计的手腕的自由度仅仅是为了配合手臂完成工件的预定装卸方位要求加以增设的，故只算成两个自由度。 图一由图可知，此机械手在XY平面内有回转运动，且在Z方向和X方向有直线运动，故做出它的运动轨迹图，由于存在了平安工作区域，应选了300度旋转范围，如下： 图二自由度数多少是衡量机械手技术水平的指标之一，自由数越多，可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广，但是响应的带来了技术难度大，控制系统和机械结构复杂，机械手本身的体积和重量增加，本钱高和维修困难。自由度少，通用性越差，但是技术上容易到达，结构简单，使用和维修方便。所以在此次设计中，二自由度已经足够，没有必要盲目的参加自由度。如一图所示的机械手，其手臂的运动由两个直线运动和一个回转所组成，即沿X轴的伸缩，沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。这种坐标型式的机械手成为圆柱坐标式机械手。它与指教坐标式相比拟，占地面积大而活动范围大，结构较为简单，并能到达较高的定位精度，因此得到广泛的应用。 图三在江麓机械厂的实地测绘，要进行改造的机械 构简图如上图所示 。为一个七杆二自由度机械手。其各部件的尺寸如下：杆件一250mm杆件二1250mm杆件三250mm杆件四1250mm杆件五1250mm 此机械手的尺寸恰能满足回转半径1m3m和提升工件高度2m的要求，所以在这次设计过程中不做改动。由图一计算其他尺寸：图中虚线所示位置就是当机械手将工件举到最高时候的位置，实线所示的位置就是机械手在地面高度抓取工件的位置。设计手臂在这两个位置时，杆件与水平所成的角度都为30。那么Ae长度等于250=125mm，bf长度也为125mm，bC长度等于BC=250=125mm，cc产度等于bc-bC=250-125=125mm，Bb长度等于BC=250=216mm，所以确定Aa等于Ae+bf+Bb=125+125+216=466mm。即为大臂升降油缸的行程取l=500mm。其工作高度即离地面高度为H=2458mm，其支撑点b离地面的高度H2=1708mm，其B点的高度为H3=1925mm。第 三 章 平衡臂机械手总体设计方案31机械手总体系统的设计综合考虑了几种驱动方式的优缺点，由于要求的抓取重量较大40公斤，生产节拍较长，为了得到较大的输出力和握力，还要求传动平稳，所以我们决定采用液压驱动的方式。此机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供应的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转化成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中的油掖的容积的多少。这种借助于酝酿动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都是属于容积式液压传动。 本次设计的液压机械手，相当于一台专用液压自动机械，由执行机构，液压系统、电气控制三大局部组成。液压传动系统概括如下：图四3.3液压系统的组成原理 由上图可知，液压系统由以下几个主要局部组成：1.油泵 它供应液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。2. 液动机 压力油驱动运动局部对外工作的局部。如：做回转运动的液压马达，做回转角度为360度的回转油缸，控制手臂伸缩的伸缩油缸。 3.控制调节装置 如单向阀、溢流阀、换向阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等。各起一定的作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所需要的运动。 4 辅助装置 如油箱、滤油器、蓄能器、管路和管接头以及压力表等。 机械手采用液压传动比拟采用气压传动有如下特点： 1. 能得到较大的输出力或力矩 一般要得到2070公斤/厘米的油液压力是比拟方便的，而通常工厂的压缩空气均为46公斤/厘米。因此，在活塞面积相同的条件下，液压机械手可比气动机械手负荷大得多。目前，液压机械好艘搬运重量即抓重已达800公斤，而气动机械手一般搬运重量小于30公斤。2. 液压传动滞后现象小，反响较灵敏，传动平稳 与空气相比，油液的压缩性极小，所以传动的滞后现象小，传动平稳。气压传动虽易于得到较高速度如1米/秒以上，但空气粘性比油低、传动中冲击较大，不利于精确定位。3.输出力和运动速度控制较容易 输出力和运动速度在一定的油缸结构尺寸下，主要决定于油液的压力和流量，通过调节相应的压力和流量控制阀，能比拟方便地控制输出功率。4 可到达较高的定位精度 目前一般液压机械手，在速度低于400毫米/秒、抓重较轻时，采用适宜的缓冲措施和定位方式，定位精度可到达10.02毫米。假设采用电液伺服系统控制，不仅定位精度高，而且可连续任意定位，适用于高速、重负荷的通用机械手。 但是，液压传动也有其缺点： 1系统的泄漏难以防止，影响工作效率和系统的工作性能。工作要求越高，对密封装置和配合件制造精度的要求就越高。 2油液的黏度对温度的变化很敏感，当温度升高时，油的黏度即显著降低，油液黏度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量。另外在高温田间下工作时，必须注意油液着火等危险。 我们设计的机械手是一个上下料的机械手，它的工作流程简图如下：图五上述动作均由电控系统发信号控制相应的电磁换向阀，按程序依次步进动作而实现的。该电控系统的步进控制环节采用步进选线器，其步进动作是在每一步动作完成后，使行程开关的触点闭合或依据每一步动作的预设停留时间，使时间继电器动作而发信，使步进器顺序“跳步控制电磁阀的电磁铁线圈断通电，使电磁铁按程序动作实现液压系统的自动控制。 图八上图所看到的方案是本人了解了各种资料和参考了机械实物所设计的初步方案。平衡臂机械手工作时要一个稳定的根底且不需移动，所以该地基设计为嵌入水泥地里，这样的平衡性和稳定性好。本次设计我们没将伸缩油缸和回转油缸放置在同一个立柱中，因为如果这样放置，一个是装配时十分不方便，二个是在机械手夹持工件进行回转时，回转中心将更加远离回转油缸的中心，那样对支撑轴的扭矩将增大，且对立柱的弯曲应力更大，机械手的寿命将缩短。所以，我们设计的是将伸缩油缸和液压站用支撑板固定在远离工件的立柱的另侧，这样，当机械手回转时，回转中心将比拟靠近回转油缸的回转中心，这样，即减少了支撑轴的弯曲应力，又可以使的机械手在装配和设置油管路线时更加方便。横向扩展一下，本人联想到深圳沙田海港的集装箱的起吊手臂，它在空间运行的时候，保证了集装箱的水平放置，那样手臂的设计将更加复杂。本人设计的机械手，在空间的运动位置是不定的，那么在横向伸缩的导杆中参加一个伸缩油缸，用来精确控制工件被夹取后在空间中的运动位置。第 四 章 液压系统的设计1压力控制回路 1.调压回路 为了控制系统的最大工作压力，一般都在油泵的出口附近设置溢流阀，用它来调节系统压力即油泵的工作压力，并将多余的油液流回油箱。因它还能在液压系统过载时被翻开，使油液排回油箱，以保证系统的平安，其回路如下图： 2.卸荷回路 在机械手各 油缸不工作的时候，油泵电机又不停止工作的情况下，为减少油泵的功率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在低负荷下工作，可采用卸荷回路。本系统是不需要保压的卸荷回路，所以都采用二位四通电磁阀M型中位机能的卸荷回路。当油缸停止运动时，二位四通电磁阀PT相连，使油泵输出油液经二位四通阀流回油箱，油泵卸荷。 3.顺序控制回路 机械手为了保证动作的先后顺序，除了用电器控制系统如采用行程控制和时间控制实现顺序控制外，也可由液压系统的顺序控制回路来实现。在本系统设计中，机械手的动作全部由电气来控制。故在此不做赘述。 4.平衡与锁紧回路 在机械手液压系统中，为了防止垂直机构因为自重和工件的重量而任意下降，可采用平衡回路将垂直机构的辎重给以平衡。为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而发生位移，可采用锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。如下图： 采用了单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路。当手指夹紧油缸1带动重物停在上升位置时，换向阀2的电磁铁线圈全部断电时，由于顺序阀3的调整压力大于手指参与运动的部件的自重G所产生的背压，油缸1的下腔油液被封死，因而手臂不会因自重而下降，并锁紧在任意位置上。2速度控制回路液压机械手隔膜总运动速度的控制，主要是改变进入油缸或油马达的流量Q。我设计的是采用定量泵，所以利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量。采用节流调速的优点是：简单可靠，调速范围较大，价格廉价。其缺点是：有压力和流量损耗，在低速低负荷传动时效率低，发热大。而且采用节流阀进行节流调速了，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起节流阀进出油口的压差变化，因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化。3同步控制回路这个机械手，要求以同样的速度或同样的位置进行动作，即实现同步动作。但实际上，由于每个油缸所受的负荷不同，漏损和摩擦力不一样，以及油缸内径的加工误差，都会造成油缸速度或位置的不同步。为了使油缸尽可能近于同步，除了提高油缸尺寸的精度外，还可采用并联调速同步回路。当要求两油缸做同步运动时，两个调速阀的通过流量要调整得相当。这种同步方法十分简单，但是它的同步精度受到油温变化、调速阀的精度、系统中的泄漏等影响。.4方向控制回路 在机械手液压系统中，为了控制各油缸、油马达的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油缸及液压马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。直流电磁铁换向冲击小，寿命长，允许换向频率高，不会因过载而烧坏，工作可靠，但是启动动力小，换向时间长，需要整流设备，费用大。交流电磁铁起动性能好，换向时间短，接线简单，价格低廉，但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率低，寿命较短。此外，电磁阀由于受到电磁吸力较小的限制，它的流量一般是在63升/分以下。5油泵出口处接单向阀 其作用有二：第一是保护油泵。油泵向系统提供高压油液，以驱动油缸运动而做功。当一旦电动机停止转动，油泵不再向外供油，系统中原有的高压油液具有一定的能量，将迫使油泵往反方向转动，结果产生噪音，加速油泵的磨损。在油泵出油口处加设单向阀后，隔断系统中高压油液和油泵之间的联系，从而起到保护油泵的作用。第二是防止空气混入系统。在停机时，单向阀把系统和油泵隔离，防止系统的油液通过油泵流回油箱，防止空气混入，以保证启动的平稳性。42液压系统工作原理图列动作顺序表如下：电磁铁动作1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA9YA10YA手指夹紧+手腕逆时回转+大臂上升+大臂逆时回转+大臂下降+水平臂伸出+手腕顺时回转+手指松开+水平臂缩回+大臂顺时回转+液压执行元件的比拟选择1大臂回转油缸 由于大臂摆度要求在300度左右，综合考虑选择单叶片式摆动液压缸，查设计手册选择YM1.43-304，其最大摆角可到达304度，外形尺寸为416X340X167.5,重量为46m/Kg。 优点：结构简单紧凑，轴向尺寸小，重量轻，安装方便，便于整机布局，机械效率高。 缺点：密封比拟困难，加工复杂，俩端盖受压面积大，刚度难以保证，不平衡径向力较大。2大臂伸缩油缸 由前面计算选择双作用单活塞杆活塞式液压缸，额定压力是25Mpa，活塞杆外径是60mm，缸筒内径为80mm，行程是500 mm。3水平伸缩油缸 选择双作用单活塞杆活塞式液压缸，额定压力是20Mpa，活塞杆外径是14mm，缸筒内径为20 mm，行程是125 mm。4手腕回转油缸 根据回转转矩选择单叶片式摆动液压缸 YM3.7-180。5手指伸缩油缸 根据前面的计算选择双作用单活塞杆液压缸，额定压力是20Mpa，活塞杆外径是14mm，缸筒内径为20 mm.。及驱动泵的要求一油缸的流量的计算因为活塞两端的有效工作面积不相等，所以两边的流量和速度、驱动力之间的关系式不一样。当压力油输入有杆腔时，使活塞以速度运动时，所需输入油缸的流量Q为： Q=式中d活塞杆直径厘米；Q输入有杆腔的流量升/分；活塞的移动速度米/分。=3米/分算的Q二驱动油缸的油泵的压力和流量要求1确定油泵的工作压力Pp+ 公斤/厘米式中 P油缸的最大工作压力 公斤/厘米 压力油路即进油路各局部压力损失之和，其中包括各种元件的局部损失和管道的沿程损失，即 = 公斤/厘米 一般液压机械手的管路都不很长，压力损失主要是通过各元件的局部压力损失。各种元件的局部损失，列表如下：阀的名称局部压力损失，公斤/厘米单向阀行程阀1.52换向阀23节流阀2.53调速阀35背压阀23因此，油泵的工作压力P可简单估算如下： P=p+1.1 公斤/厘米2确定油泵的流量QQ=KQ 升/分式中 Q是在系统中同时工作的各个并联油缸以最大速度运动时所需要的总流量，升/分；K算的：Q=12.3 升/分流量计算及驱动泵的要求一夹紧工件时所需的流量手指夹紧工件时，夹紧缸活塞移动L=75毫米，其运动时间t=1.5S由机械手的动作也派时间得之，所以夹紧活塞移动的平均速度为： =5厘米/秒夹紧缸在1.5秒时间内夹紧工件时，所需的每分钟流量Q为： Q=二带动夹紧油缸的油泵的压力和流量要求 Pp+(1.051.15)，所以p为： P=58.5+1.5=63公斤/厘米因为Q=KQ所以Q流量计算及驱动泵的要求一油缸的流量的计算因为活塞两端的有效工作面积不相等，所以两边的流量和速度、驱动力之间的关系式不一样。 当压力油液进入无杆腔的时候，活塞以速度运动，此时所需输入油缸的流量Q为： Q=当压力油液进入有杆腔的时候，活塞以速度运动，此时所需输入油缸的流量Q为：Q=式中d活塞杆直径厘米；Q输入有杆腔的流量升/分；活塞的移动速度米/分。算的Q二驱动油缸的油泵的压力和流量要求1确定油泵的工作压力Pp+ 公斤/厘米式中 P油缸的最大工作压力 公斤/厘米 压力油路即进油路各局部压力损失之和，其中包括各种元件的局部损失和管道的沿程损失，即 = 公斤/厘米 一般液压机械手的管路都不很长，压力损失主要是通过各元件的局部压力损失。各种元件的局部损失，列表如下：阀的名称局部压力损失，公斤/厘米单向阀行程阀1.52换向阀23节流阀2.53调速阀35背压阀23因此，油泵的工作压力P可简单估算如下： P=p+1.1 公斤/厘米2确定油泵的流量QQ=KQ 升/分K算的：Q一选择液压泵由于各局部缸体对驱动泵的流量以及工作压力各不相同，流量总和为24.2升/分采用变量泵，查手册选择YBXpa最高压力为7Mpa压力调节范围为2.07Mpa额定转速1450 r/min转速范围为6001800r/min。重量为10公斤。二确定油泵的功率 N= kW式中 p为油泵的最大工作压力 公斤/厘米Q是所选油泵的额定流量 升/分为油泵的总效率可取三选择驱动电机根据驱动油泵的功率N=2.4kW选择电机：电动机型号为Y100L24，此电动机的根本技术参数为额定功率为3kW,转速为1420r/min。根据所绘制的液压原理图，计算分析通过各液压阀的最高压力和最大流量，选择各液压阀的型号规格，列表如下：序号元件名称通过流量L/min型号规格4单向阀246二位四通电磁换向阀23424DO-B10H-TZ7节流阀20LDF-B10C8单向阀210液控单向阀14节流阀20LDF-B10C15单向阀16液控单向阀20单向阀2017节流阀LDF-B10C27节流阀LDF-B10C22背压阀23节流阀LDF
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