PLC控制的移置机械手的设计（全套含CAD图纸）
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制的移置机械手的设计 学 生： 摘 要 ： 机械手是在机械化、 自动化过程中发展起来的一种新型装置。它能模仿人手部分动作，按照预先设定的程序，轨迹或其他要求，实现抓取，搬运工件或操纵工具的机械化装置。 在现代生产中，机械手被广泛应用 于自动生产线 ，机器人的研究和生产已经成为高科技领域内，迅速发展起来的一门新兴的技术， 它促进了机械手的发展，使得机械手能更好与机械化、自动化 有机结合。 本文的移置机械手的设计，采取直角坐标式运动形式的机械手， 液压驱动的方式，通过 液压 缸，阀，油泵，油箱等实现运动。 同时 采用 控制油缸的进油，从而控制机械手的直线移置运动，进而实现其自动化，具有提高生产效率，实现实时控制的意义。 关键词 ： 机械手； 液压缸 ； 电磁换向阀 is of to in in s to by a In of in in a in a It of of of by so on to at LC to to So as to of of of 前言 题研究意义 随着现代科学技术的发展，机械手的应用也越来越广泛。 在机械工业中，大量应用于铸、锻、焊、冲、热处理、机械加工以及装配等工种。在其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有应用。 在机械工业中 ，应用机械手的意义可以概括如下： 1、 可以提高生产过程的自动化程度。 应用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换、以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。 2、 可以改善劳动条件，避免人身事故。 在高温、高压、低温、低压、噪声、臭味、有放射性物质的环境场合，用人手直接操作是很危险的甚至是不可能的。而应用机械手即可部分或者全部代替人完成作业，使劳动条件得以改善。 3、 可以减少人力，并便于有节奏的生产。 应用机械手代替人手进行作业，这是直接减少人力的一个侧面，同时 应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一方面。因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的生产。 4、 用 统来控制机械手，比一般的机械控制具有更好的稳定性，并且控制的精确度更高。 5、 运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间，从而能大幅提高劳动的生产率。 综上所述，有效地应用机械手， 是 使发展工业的必然趋势 。 源 1968 年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求； 1969 年，美国 数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器 14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称 世界上公认的第一台 1969 年，美国研制出世界第一台 1971 年，日本研制出第一台 1973 年，德国研制出第一台 1974 年，中国研制出第一台 发展 20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、 数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为 20 世纪 70 年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、 能及极高的性价比奠定了它在现代工业中 的地位。 20 世纪 80 年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20 世纪 80 年代至 90 年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期， 处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 统。 20 世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更 加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各 种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易 1。 作原理 当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段， 可编程逻辑控制器 ，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的 一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 一、输入采样阶段 在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依 次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 二、用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图 )。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按 先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其 被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存取 I/O 点。即使用 I/O 指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从 I/O 模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 三、输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间， 照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输 出。 能特点 可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。 一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的 路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如 ，实现生产过程的综合自动化。 二、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。 2 结构及基本配 置 和继电器控制系统类似， 辑部分和输出部分组成。 一般讲， 它们的组成是相同的，对箱体式 一块 I/示面板、内存块、电源等，当然按 按 I/模块式 块、 I/存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的 属于总线式开放型结构，其 I/O 能力可按用户需要进行扩展与组合。 构成 核心，起神经中枢的作用，每 台 按扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路 。 能 1) 用扫描方式（后面介绍）接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器 或数据寄存器； 2) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据； 3) 诊断电源和 工作状态及编程过程中的语法错误； 4) 在 a） 执行用户程序 产生相应的控制信号（从用户程序存储器中逐条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路） b） 进行数据处理 分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务 c） 更新输出状态 输出实施控制（根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等） 存储器 存储器 包括系统程序存储器、用户存储器、功能存储器。 1. 系统程序存储器 存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令、 解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数 不能由用户直接存取。 2. 用户存储器 :用户程序存储器 存放用户程序。即用户通过编程器输入的用户程序。 3. 功能存储器（数据区） 存放用户数据。 注意： 系统程序直接关系到 性能，不能由用户直接存取，所以，通常 品资料中所指的存储器形式或存储方式及容量，是指用户程序存储器而言。 与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的 数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是 可缺少的组成单元。 作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。 控制器指挥下工作。 存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 片实际上就是微处理器，由于电 路的高度集成，对 部的详细分析 已无必要，我们只要弄清它在 的功能与性能，能正确地使用它就够了。 种接口及设定或控制开关。一般讲， 电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式 主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接 I/O 模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。以对 设定起始工作方式、内存区等。 I/O 模块： 对外功能，主要是通过各种 I/O 接口 模块与外界联系的，按 I/I/其最大数受 受最大的底板或机架槽数限制。 I/，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 电源模块：有些 的电源，是与 块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为 模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24源以其输入类型有：交流电源，加的为交流 22010流电源，加的为直流电压，常用的为 24V。 底板或机架：大多数模块式 用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使 访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 外部设备 ： 外部设备是 统不可分割的一部分，它有四大类 1. 编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控 控制的系统的工作状况。编程器是 发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。 2. 监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或 通过画面监视数据。 3. 存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如 入器等。 4. 输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。 通信联网 ： 有通信联网的功能，它使 间、 上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的 产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有 口，通过双绞线、同轴电缆或 光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围 内交换信息。 当然， 间的通讯网络是各厂家专用的， 计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的 间、 选型 考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，采用 控制对象都必须在 统一控制下协同工作 ，所以 6点输入、 16点输出 )。三菱 列可编 程控制器是小型化，高速度，高性能的产品，是 列中最高档次的超小型程序装置。性能规格： 能规格运转控制方法 通过储存的程序周期运转 I/O 控制方法 批次处理方法（当执行 令时） I/O 指令可以刷新运转处理时间 基本指令： 秒 ， 指令编程语言 逻辑梯形图和指令清单 使用步进梯形图能生成 8000步内置 。 工作过程 A. 初始操作（上电处理） 先应确定自身的完好性。这就是接通电源后的初始操作（见图 ）。通电后，消除各元件的随机状态，进行清零或复位处理，检查 I/O 单元的连接是否正确（ I/O 总线）。再做一道题，使它涉及各种指令和内存单元，若解题时间在内，则自身完好（否则，系统关闭），解题结束，将监控定时器 位，才开始正式运行。 B. 运行 （顺序）周期循环扫描 扫描 按分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，顺序进行，这种分时操作的过程称“ 工作特点 集中输入，集中输出（小型 C. 1. 四大类操作 （ 1）公共操作 故障诊断及处理（自检），一般故障，只报警，不停机 （ 2） I/ 联系现场的数据输入及控制信号的输出 （ 3）执行用户程序 顺序循环扫描 （ 4）服务外设 2. I/ （教材 输入采样 三个阶段 执行用户程序 输出刷新 I/图 1所示 ： 图 1 I/O 处理过程图 / O 1） 数据输入 /输出 I/ （ 2） 输入映像存储器及其刷新 对应于输入端子状态的数据区 输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，经过输入调理电路（光电隔离、电平转换、滤波处理等）后进入输入缓冲器等待采样。没有 许” ，外界的输入信号是不能进入内存的。 当 样时，输入信号便进入输入映像存储器 刷新。接着进入程序的执行阶段，直至信号的输出。在此期间，输入映像存储器将现场与 离，无论输入信号如何变化，输入映像存储器中的内容保持到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新采样新的信号， 即：输入映像存储器每周期刷新一次。 这样，是否会影响对现场信息的反应速度？由于， 描周期一般仅几十 次采样之间的间隔时间很短，对一般的开关量而言，可以认为采样是连续的。 a. 输出映像存储器及其刷新 同理， 理的结果存放在输出映像存储器中，直至所有程序执行完毕，才将输出映像区的内容经输出锁存器（称为输出状态刷新）送到输出端子上驱动外部负载。 即：输出映像存储器 随时刷新 b. 输出锁存器 每周期刷新一次（刷新后 的输出状态一直保持到下一次刷新） 执行用户程序输入端子输入调理电路输入缓冲器输入映像存储器输出映像存储器输出锁存器输出驱动电路输出端子生 产 现 场输 入 信 号受 控元 件允 许（ 输 入 刷 新 ）允 许（ 输 出 刷 新 ） 同样，两次刷新的间隔仅几十 使考虑电路的电气惯性（延迟）时间，仍可认为输出是及时的。 c. 输入 /输出状态表 状态 I/ ，其内容是 注意 ：输入 状态表 采样时刷新 输出状态表 随时刷新（中间值和最终结果） 输出端子的接通或开断 输出锁存器决定 （ 3） 执行用户程序 a. 监控定时器 即监控定时器 常：执行完用户程序所需的时间应不超过 行程序前，复位 行程序开始 毕后立即复位 示程序执行正常。 异常：因某些原因，程序进入死循环，执行程序时间超出 序重新开始执行，同时复位 因偶然因素，则重 新执行程序将正常，否则，系统自动停止执行用户程序，切断外部负载， 并发出故障信号等待处理。 b. 执行用户程序 （ 3） 执行外设命令 每次执行完用户程序，输出后，就进入服务外设命令的操作，如没有外设命令，自动循环扫描。 3 机械手发展概况 机械手是机械、电子、计算机 压传动等多学科高新技术融合的成果，是当代技术进步的典型范例。机 、液压液力与气械手通常用作机床或其它机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用 于原子能部门操持危险物品的主从式操作手。 专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气压传动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视。 气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统已被接受。由于气动技 术与电子技术的结合，以及周边技术的成熟，在工业自动化领域里，气动机械手、气动机器人的实用性已经充分体现出来。因为气动伺服定位技术一出现，就受到工业界和学术界的高度重视，同时为气动机器人、气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分宽广的前景。 研制具有一定“感触”和“智力”的智能机器人。这种机器人，具有各种传感装置，并配备有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当起“大脑”，使它能“思考”、能“分析”、能“记忆”。用电视摄像机、测距仪、纤维光学传感器、导光管或其它光敏元件作为“眼睛”，在其“视野”的范围内能“ 看”。用听筒和声敏元件等作“耳朵”能“听”。用扬声器等作“嘴”能“说话”进行“应答”。用热电偶和电阻应变仪等作“触觉”能“感触”。用滚轮或双足式的行走机构作为“脚”来实现自动移位。这样的智能机器人，可以由人用特殊的语言对其下达命令，布置任务。受令后的智能机器人，即可根据现场环境的各种条件或信息，独立地“分析”和“判断”并自编或自变程序的进行工作；能够自找（选择）物件的方位，字调握力的大小，自找传送路线以避开障碍物。因此，它将成为“无人化”系统的重要组成环节之一 ，也将是世界科家研究的重点 1 。 械手 国内发展现状 在我国，汽车工业仍然是工业机械手主要的使用领域。但我国在工业机械手生产企业中，年产销量在 100 台以上、产值过 5000万元的规模企业非常少，国外大型公司年产量都达 5000到 10000 台，销售额为数十亿美元。工业机械手应用前景极为广阔。 虽然目前国内生产工业机械手的企业并不多，很多产品的生产技术还主要依靠进口，高科技的技术主要还掌握在国际龙头厂商手里。我国本土企业生产的机械手产品还主要流通在中低端市场，因此决定了很多本土生产企业在争夺市场时主要还是采取价格战。随着技术的进步，日臻成熟，会有更多的厂 商加入此行业。我国目前比较大的生产企业有上海 阳新松机器人自动化股份有限公司、柯马（上海）汽车设备有限公司、青岛欧地希机电 (青岛 )有限公司等。 我国机械手的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机械手的最大用户，也是最早用户。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接机械手的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始 寻求自动化焊接技术，焊接机械手逐渐崭露头角。铁路机车行 业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机械手的需求一直处于稳步增长态势。 我国国家“ 863”机械手技术主题自成立以来一直重视机械手技术在产业中的推广和应用，长期以来推进机械手技术以提升传统产业，利用机械手技术发展高新产业。 目前，政府正在使用各种办法加大中国装备制造业在市场中占据的份额，并提供优惠措施鼓励更多企业使用机械手及技术以提升技术水平。国内越来越多的企业在生产中采用了工业机械手，各种机械手生产厂家的销售量都有大幅度的提高。 械手的国外发展现状 在国外 机械制造业中机械手的应用非常的广泛，发展的非常快，目前主要应用于机床，横锻断压力机的上下料，以及点焊，喷漆等作业，它可以按照事先指定的工作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。如位移发生少许偏差时，即能更正和自行检测 ，重点是研究视觉功能和触觉功能，目前已经取得相当的成果。 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状变成视频信号，然后送给计算机 ，以便分析物体的种类，大小，形状以及位置，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，通过安装在手指内部的压力敏感元件产生触觉作用， 然后伸向前方，抓住工件。手指的抓力大小通过安装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调节握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配能力将进一步加强。 控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的 6 轴机器人发展到现在能够控制 21 轴甚至 27 轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的 界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本 瑞典国 网络通信功能：日本 德国 司的最新机器人控制器已实现了与线及一些网络的联 接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。 可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性 现在已达到5万小时，几冬天可以满足任何场合的需求。 更重要的是将机械手的 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 4 。 类机械手的比较 机械手的机械部分的设计都是大同小异，根据不同的工作要求设计出不同的机械执行部分，其根本 区别在于驱动部分的不同。目前机械手的驱动部分主要有四种 :液压驱动，气压驱动，电气驱动，以及机械驱动。其中液压，气压驱动最多，占到 90%，电动和机械驱动比较少。 液压驱动主要通过油缸，阀，油泵和油箱等实现传动。它利用油缸，加上齿轮，齿条实现直线运动，利用摆动油缸，马达和减速器，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，可以无级变速，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，成本比较高。 电气驱动采用的不多，现在都采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杆螺母机构，有的采用直线电动机，通用机械手则考虑采用布进电机，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，维护和使用方便，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所，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。 对比续表 2 续表 2 机械手结构选型表 构形式方案 特点 优缺点 结构简图 球坐标型 操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置 结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂 关节型 操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节 运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差 直角坐标型 作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置 结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率 较低 圆柱坐标型 操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置 结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高 根据以上比较，以及本论文的设计要求，本设计决定选用液压形式的驱动，来实现 X,Y, 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，工作速度等。控制系统可根据动作的要求，设计采用 数字控制设备，它首先要编制程序并加以存储，然后根据规定的程序，控制机械手进行动作。 4 总体方案的设计与分析 械手设计的总体方案 动通过 液压缸带动 手臂的伸缩来实现， 缩液压噶带动 手 臂的移动来实现， 样 通过 液压缸带动 移动来实现。 总体设计方案如下图的框图 : 图 1 总体设计方案图 he of a 计示意图如下： 图 2 总体设计 示意图 of a 指的夹紧力的计算 手指对工件的夹紧力可按下式计算： 1 2 3 . K K G k g f （ 1） 12 1 估算， a 为机械手在搬运工件过程的加速度，0a ，所以 2K 取 1， 3K 粗略取 4， G 根据设计取 5 1 . 5 1 0 . 9 5 6 . 7 5N k g f 机械手 执行系统 驱动系统 制系统 手 部 腕 部 臂 部 身机 身 液压元件 位置检测装置 记忆存储装置 手 部的设计示意图如下图所示： 图 3 手部设计示意图 of a 部驱动力 的计算 ： （ 2） 其中 50mm,a 取 60 取 取 30 臂结构设计 手臂结构采用大直径导向管的结构，采用导向管内部走油。 5 液压缸 主要参数的确定 紧缸夹紧力的计算 ： （ 3） 248P F g N 方向移动的受力计算 ： w f F F 擦阻力 ，fF f G（ 4） 22 1 5 0 36 . 7 56 0 2P 22 c o 2 5 P . 7 5 9 . 8 2 4 8 性力 ， V 包括工件），估算 30G 0 V m s 经验取 液压缸机械效率 启动伸手臂时， F（ 5） 0 . 1 3 0 3 . 0fF f G k g f 3 0 0 . 0 5 9 . 8 0 . 1 1 . 5 3 V g t k g f 3 1 . 5 3 4 . 5 3P k g f 4 . 5 3 9 . 8 4 4 . 3 9 抓取工件缩手臂时 向移动的受力计算 ： F M F F （ 6） 上升时，假设为未抓取工件，估算机身总重 G 为 70 下降时，已抓取工件， 由此可得： 7 0 5 0 1 2 0G k g f 负号表示力方向与选定方向相反 1 1 8 1 . 8 8 9 . 8 1 0 9 6 . 4 2 方向移动的受力 计算 ： 机身总重估算， 110G ，（不包括工件） （ 7） 0 . 1 7 0 7 0 0 . 0 5 9 . 8 0 . 1 7 0 8 0 . 5 78 0 . 5 7 9 . 8 7 8 9 . 5 8f M F F k g 5 0 3 0 8 0G k g f 0 . 1 8 0 8 . 08 0 0 . 0 5 9 . 8 0 . 1 4 . 0 88 4 . 0 8 1 2 . 0 81 2 . 0 8 9 . 8 1 1 8 . 3 8f G k g V g t k g fP k g 0 . 1 1 1 0 1 11 1 0 0 . 0 5 9 . 8 0 . 1 5 . 61 1 5 . 6 1 6 . 6 FF f G k g V g t k g fP k g f 0 . 1 1 2 0 1 2 0 0 . 0 5 9 . 8 0 . 1 1 3 0 1 1 1 . 8 8f m F F k g f 夹取工件后，机身总重估算为 160（ 8） 将以上结果整理如下表所示： 表 1 各方向运动负载表 况 负载值 X 方向 伸 方向 进 方向 升 液压系统主要参数计算 ： 择系统的工作 压力 各类液压设备由于各自的工作性能，工况特点 以及使用场合不同，系统的工作压力也不尽相同，在充分考虑系统所需流量，系统效率和性能，工作可靠性，工艺性和经济性等因素后，参考液压传动表 择 ，夹紧缸 ，伸缩缸 ，横移缸 定执行元件的几何参数 执行 元件的几何参数是指 液压缸的工作面积 A。液压缸的工作面积与缸内液压力及所需克服的负载之间的关系，可根据缸受力的平衡关系得出。 0 . 1 1 6 0 1 61 6 0 0 . 0 5 9 . 8 0 . 1 8 . 1 61 6 8 . 1 6 2 4 . 1 62 4 . 1 6 9 . 8 2 3 6 . 7 8 FF f G k g V g t k g fP k g 定夹紧缸机构尺寸 根据夹紧驱动力 248,由液压传动表 5 2 选取 ，选取液压缸的机械效率 得， 1 1 2A F P P（ 9） 式中，取回油背压2 0P,带入数据得， 圆整 取 : 232D ， 214d 按机械手册表 64，选取缸的外径 0 50D 机械手册表 3， 选活塞行程为 53由于此液压系统为低压系统，所以液压缸的缸筒 壁厚，活塞杆直径和固定螺栓的直径均不需要进行强度校核。 方向移动缸结构尺寸 前面以算出 1 8 . 3 8 , 0 . 5 ,F N P M a2P 取 2 a 圆整取 ： 32D ， 1 1 ， 0 42D 液压元件及选用表 0 方向横移缸机构尺寸计算 由前面计算可得， 22 3 6 . 7 8 , 0 . 2F N P M P a，带入得， 21 1 2 2 3 6 . 7 8 0 . 9 0 . 5 0 . 2 8 . 7 6A F P P c m （ 10） 2612122 4 8 0 . 9 0 . 5 1 0 5 . 542 6 . 40 . 5 1 3 . 2A c c c m 2111 1 8 . 3 8 0 . 9 0 . 5 0 . 2 4 . 3 842 3 . 61 1 . 8A c c md c m 14 3 3 . 4AD c m 圆整 取： 40D ， 20d ， 0 50D 取活塞杆行程为 35 Z 方向升降缸机构 尺寸计算 1 0 9 6 , 2 0 P a ， 计算得 ： 21 1 2 1 0 9 6 . 4 2 0 . 9 0 . 4 3 0 . 4 6A F P P c m （ 11） 圆整得， 70D ， 3 1 d ， 0 76D 活塞行程为 40 2 液压缸在不同工作阶段的压力，流量和功率值 in 载 F(N) 回油腔压力2P( 进
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