毕业设计（论文）-曲轴搬运机械手机电系统设计（含全套CAD图纸） .doc

黑龙江工程学院学院本科生毕业设计部分原因，说明书已删除部分，完整版说明书，cad图纸，联系153893706第1章 绪论1.1 工业机器人（机械手）的概述1.1.1 工业机器手的发展现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。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。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部安装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之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）。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式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（unimaton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、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-vic-arm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，定位误差可小于1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米。德国机器制造业是从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。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。瑞士retab公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制。它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，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则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。并逐步发展成为柔性制造系统fms(flexible manufacturing system)和柔性制造单元(flexible manufacturing cell)中重要一环。随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范围还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造等领域中。1.1.2 工业机器人的分类 表1.1 机器人分类分类名称简要解释操作型机器人能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统程控型机器人按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作示教再现型机器人通过引导或其他方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行工作数控型机器人不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业感觉控制型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作适应控制型机器人机器人能适应环境变化，控制自身的行为学习控制型机器人机器人能“体会”工作经验，具有一定的学习能力，并能将所“学”的经济用于工作中智能机器人以人工智能决定其行为的机器人关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。一般的分类方式如上表1.1所示：1.1.3 工业机械手的应用工业机械手是伴随工业生产和科学技术的发展，特别是电子计算机的广泛应用而迅速发展起来的一门新兴技术装备。它综合应用了机械，电子，自动控制等先进技术以及物理，生物等学科的基础知识，以实现机械化与自动化的有机结合而广泛应用在工业生产的各个部门。工业机械手是工业生产发展中的必然产物。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件和握持工具进行操作的自动化技术装备。这种新颖技术装备的出现和应用，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用，因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。工业上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构形式亦各有不同，技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂，手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地，重复循环地进行工作。此外，还有些非自动化的装备，具有与人体上肢类似的部分动作，结构上与工业机械手是一致的，亦可归属于工业机械手的范畴。例如，早期就有一种由人直接用绳索牵引进行操作的随动机械手和近期发展起来的由人工进行操作的机械手（如平衡吊），以及一些就近按扭控制和遥控的非自动的单循环的机械手等。实践证明，工业机械手可以代替人的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期，频繁，单调的操作，采用机械手是有效的；此外，它还能在高温，低温，深水，宇宙，放射性和其他有毒，污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。1.2 国内外发展的状况国内工业机器人市场具有如下特征：（1）国内汽车业。汽车制造业属于技术、资金密集型产业，也是自动化程度要求高、竞争相当激烈的行业。可以说，汽车工业的发展史近几年我国工业机器人增长的主要原动力之一。（2）沿海经济发达地区。国内相当数量的企业技术实力得到很大提高，生产设备更新换代，为了更好地适应市场经济发展的需要，提高生产率，提高产品质量和企业竞争力，改善工人劳动条件，企业对工业机器人的需求不断增加。（3）外商独资企业、中外合资企业。外商独资或中外合资企业自动化程度一般比较高，导致工业机器人的需求量较大。（4）国内一些现代化水平比较高的企业。国内一些汽车厂、军工企业、船舶行业等。1.3 本课题的预期结果在生产实践中，常常需要将上料、加工、卸料等工序进行合理的安排，组成一条自动流水加工线。但在流水线上加工时，需要许多工人搬运工件，有时劳动强度较大。当生产效率很高时，为了减少工人数量，改善工人的劳动条件，提高劳动生产率这就需要使自动线上工件搬运自动化。于是针对这一问题就提出了要研制一种通过电气控制的搬运机械手来代替工人实现工件的搬运上线，并且能满足定位和重复定位精度。用搬运机械手来代替工人搬运工件可以减轻工人的劳动强度，减少自动线上的工人数目，减轻工作量，同时也提高了生产效率并且精度也得到了保障。而事实上，在生产领域真正用来加工的时间一般不大于整个生产时间的10，大部分时间是用在了工件的搬运、装夹等辅助工序上。从这个方面可以看出研制一种自动化搬运机械手的迫切性和重要性，它能大大提高生产的效率。 第2章 机械手的总体设计2.1 设计要求某生产线上搬运工件原由人工完成, 劳动强度大、生产效率低。为了提高生产线的工作效率, 降低成本, 使生产线发展成为柔性制造系统, 适应现代自动化大生产, 针对具体生产工艺, 利用机器人技术, 设计用一台搬运机械手代替人工工作。该机械手能完成如下的动作循环：手臂前伸手指夹紧抓料手臂上升手臂缩回机身回转手腕回转手臂下降手臂前伸手指松开手臂缩回机身回转复位手腕回转复位待料。工作对象为50100mm，重量为4060kg的曲轴，定位精度为1。2.2 机械手的总体设计方案2.2.1 机械手的组成及各部分关系机械手由三大部分（机械部分、液压部分、控制部分）六个子系统（驱动系统、机械结构系统、液压系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统）组成。机械结构系统：机器人的机械结构又主要包括末端操作器、手腕、手臂、机身（立柱）、机座。驱动系统：驱动器是把从动力源获得的能量变换成机械能，使机器人各关节工作的装置，常见的驱动形式有步进电机驱动、直流电机驱动、交流电机驱动、液压驱动、气压驱动以及近些年出现的一些特殊的新型驱动（例如超声波驱动、磁致伸缩驱动、静电驱动等）。控制系统：机器人的控制方式多种多样，根据作业任务不同，主要可分为点位控制方式（ptp）、连续轨迹控制方式（cp）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。2.2.2总体设计任务(1) 结构形式的设计: 机械手常见的运动形式有1）直角坐标型2）圆柱坐标型3）球坐标（极坐标）型4）关节型（回转坐标）型5）平面关节型五种。圆柱坐标型是由三个自由度组成的运动系统，工作空间为圆柱形，它与直角坐标型比较，在相同的空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。直角坐标型，其运动部分的三个相互垂直的直线组成，其工作空间为长方体，它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，结构简单，但机体所占空间大，灵活性较差。球坐标型，它由两个转动和一个直线组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩，其工作空间图形唯一球体，它可以做上下俯仰动作并能够抓取地面上的东西或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作范围大的特点，但是结构比较复杂。关节型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个自由度都是回转关节，这种机器人一般由和大小臂组成，立柱与大臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰运动，小臂作俯仰摆动，其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的工件。平面关节型，采用两个回转关节和一个移动关节，两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节控制上下运动。这种机器人在水平方向上有柔顺度，在垂直方向上有较大的刚度，它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合中小规格零件的插接装配。综上，本次设计中采用圆柱回转坐标型。 (2) 自由度的确定：自由度(degrees of freedom),指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端操作器的开合度。在运动形式上分为为直线运动p，旋转运动r。自由度数的多少反映了这种机械手能完成动作的复杂程度，根据对机械手必须完成的动作的研究，设计四个自由度的机械手即可完成所规定的工作任务。从机座到手腕，关节的运动方式为旋转-直线-直线-旋转，即rppr型。(3) 驱动方式的选择:1）驱动系统有液压驱动2）气压驱动3）电机驱动4）机械联动四种，其中液压驱动和气压驱动较为通用。液压驱动：结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐振动、防爆性好。而且液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。气压驱动：具有速度快、系统结构简单、造价较低、维修方便、清洁等特点，适用于中小负载的系统中，但对速度很难进行精确控制，且气压不可太高，所以抓举能力较低，难于实现伺服控制。电机驱动：步进或伺服电机可用于程序复杂、运动轨迹要求严格的小型通用机械手； 异步电机、直流电机适用于抓重大、速度低的专用机械手；电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，控制方式灵活，安装维修方便。但控制性能差，惯性大，不易精确定位。机械联动：动作可靠，动作范围小，结构比较复杂，适用于自由度少、速度快的专用机械手。并且，同其他转动方式相比较，传动功率相同时，液压传动装置的重量轻，体积紧凑，可实现无级变速，调速范围大。运动件的惯性小，能够频繁顺序换向，传动工作平稳，系统容易实现缓冲吸着震，并能自动防止过载。与电气配合，容易实现动作和操作自动化，与微电子技术和计算机配合，能够实现各种自动控制工作。液压元件基本已经上系列化、通用化和标准化，利于cad技术的应用、提高工效，降低成本。容易达到较高的单位面积压力，较小的体积可获得较大的出力（推力或转距）。液压系统介质的可压缩性小，工作较平稳，可靠，并可实现较高的位置精度。液压传动中，力，速度和方向比较容易实现自动控制。液压装置采用油液做介质，具有防锈性和自润滑效能，可以提高机械效率，使用寿命长。综上，本次设计采用液压驱动。(4) 控制方式的选择:1）点位控制方式（ptp）2）连续轨迹控制方式（cp）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。点位控制的特点是只控制工业机器人末端执行机构在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹不做任何规定。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需时间。由于其控制方式易于实现，常应用于上下料、搬运、点焊等工业机器人。连续轨迹控制的特点是连续的控制工业机器人末端执行器在作业空间的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度要求内运动，而且速度可控，轨迹光滑且运动平稳。这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端操作器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。常用于弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人。力（力矩）控制方式常用于准确定位并要求使用适度的力或力矩来完成装配、抓放物体等工作。智能控制方式是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库相应做出决策。采用智能控制技术的机器人具有较强的环境适应性及自学能力，技术难度及成本要求都比较高。 综上，本次设计采用点位控制。 另外该机械手的动作是有顺序要求的，控制系统采用电气控制机械手实现设计要求的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。 综合上述，此次采用电-液伺服点位控制，可以很好的完成自动线工作。2.3 总体设计方案拟定因为本机械手工作范围大，位置精度要求高。考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设计采用悬臂式四自由度的机械手，如下图2.1所示： 1-机座 2-机身 3-俯仰手臂 4-手臂 5-手腕 6-手指图2.1 机械手总体结构简图机座：起支撑机身的作用，同时与地面通过地脚螺栓固定承受着机械手整体的比较大的压力。由于体积大，所以用铸造，铸造材料为铸铁。此处已删除部件在运动时对缸底或端盖的冲击，在它们的行程终端能实现速度的递减，直至为零。通常是通过节流作用，使液压缸运动到端点附近时形成足够的内压，降低液压缸的运动速度，以减小冲击。其工作原理是使缸筒低压腔内油液全部或部分通过节流把动能转化为热能，热能则由循环的油液带到液压缸外。本设计中采用的缓冲装置是可变节流槽式的缓冲装置。这种缓冲装置是在缓冲柱塞上开由浅到深的三角节流沟槽，节流面积随着缓冲行程的增大而逐渐减少，缓冲压力变化平缓。5.3.6 液压缸的排气装置为使液压缸运动稳定，在新装上液压缸之后，必须将缸内的空气排出。排气的方法之一是使液压缸反复运动，直到运动平稳。但更可靠的方法是在液压缸上设置排气塞（排气阀），排气塞的位置一般放置在液压缸的端部，双作用液压缸则应设置两个排气塞。如果排气阀设置不当或者没有设置，压力油进入液压缸后，缸内仍会存在空气，由于空气具有压缩性和滞后扩张性，会造成液压缸和整个液压系统在工作中的振动和爬行，影响液压缸的正常工作。为了避免这种现象，除了防止空气进入液压系统外，必须在液压缸上安设排气阀，因为液压缸是液压系统的最后执行元件，会直接反映出残留空气的危害。对于速度要求较高的液压缸和大型液压缸需要专门设置排气装置，如排气塞、排气阀等。对于要求不是很高的液压缸，往往不需要设计专门的排气装置，而是将油口布置在缸筒的最高处，这样也能使空气随着油液排往油箱，再从油箱逸出。本设计采用后者。5.4 制定基本方案设计合理的液压系统才能确保全面、可靠地实现设计任务书中规定的各项技术指标，通常做法是先选定系统类型，分别选择各项要求的基本回路，最后再将各基本回路组合成完整的液压系统。由于影响液压系统方案的因素很多，设计中仍主要靠经验来完成。5.4.1 基本回路的选择1）压力源回路：压力源回路又称动力源回路，其功能是向液压系统提高满足执行机构需要的压力和流量。压力源回路是由油箱、油箱附件、液压泵、电动机（发动机）、安全阀、过滤器、单向阀等组成。设计中采用高低压双联泵液压源回路。2）压力控制回路：压力控制回路是以控制系统及各支路压力，使之完成特定功能的回路。压力控制回路的种类很多，在一个工作循环的某一段时间内各支路均不需要新提供的液压能时，考虑采用泄卸荷回路；当某支路需要稳定的低于动力油源的压力时，应考虑减压回路；当载荷变化较大时，应考虑多级压力控制回路；当有惯性较大的运动部件时容易产生冲击时，应考虑缓冲或制动回路；在有升降运动部件的液压系统中应考虑平衡回路等。本设计中采用通常将调压、限压回路与油源回路合并考虑。3）速度控制回路：液压系统原理图的核心是调速回路，调速方案和调速回路对其它回路的选择具有决定性的影响。本系统是功率较小的，故选用简单的进油路节流阀调速。同样的道路选用单泵供油，力求较好的经济性。在机械手的升降缸采用单伸出杆时，为了使往复运动速度一致时要采用两个单向节流阀来实现。若只用一个节流阀调速时，则应将节流阀放到换向阀下面，并按有杆腔进油达到最大允许速度，但仍然符合设计要求。4）方向控制回路：控制执行元件的启动、停止或改变运动方向或控制液流通断或改变方向均需采用方向控制回路。实现方向控制的基本方法有：阀控主要是采用控制阀分配液流；泵控是采用双向定量泵或双向变量泵改变液流的方向和流量；执行元件控制是采用双向液压马达来改变液流方向。本设计中采用阀控。5.5 液压元件的选择5.5.1 液压泵的选择油泵作为液压系统的动力元件，是液压系统的心脏，它把原动机（电动机、柴油机等）输入的机械能（转矩和角速度）转换为液压能（压力和流量）输出，为执行元件提供压力油。液压泵的性能好坏直接影响到液压系统的工作特性和可靠性，在液压传动中占有及其重要的地位。液压泵按排量能否改变分为定量泵和变量泵；按进、出油口的方向是否可变分为单向泵和双向泵；按运动构件的形状和运动方式分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵。选用液压泵的原则和根据有： (1)是否要求变量：要求变量选用变量泵，其中单作用叶片泵的工作压力较低，仅适用于机床系统。 (2)工作压力：目前各类液压泵的额定压力都有所提高，但相对而言，柱塞泵的额定压力最高。 (3)工作环境：齿轮泵的抗污染能力最好，因此特别适于工作环境较差的场合。 (4)噪音指标：属于低噪音的液压泵有啮合齿轮泵、双作用叶片泵和螺杆泵，后两种泵是瞬时理论流量均匀。 (5)效率：按结构形式分，轴向柱塞泵的总效率最高；而同一种结构的液压泵，排量大的总效率高；同一排量的液压泵，在额定工况（额定压力、额定转速、最大排量）时总效率最高，若工作压力低于额定压力或转速低于额定转速、排量小于最大排量，泵的总效率将下降，甚至下降很多。因此，液压泵应在额定工况（额定压力和额定转速）或接近额定工况是条件下工作。 目前在机械手上多数采用齿轮泵和叶片泵，而从流量特性来看，多数是采用定量泵。设计中采用pv2r双联叶片泵。已知系统压力为8mpa，选取pv2r12，查机械设计手册表20-5-33选取其前泵排量v1为33ml/r，后泵排量v2为12ml/r，其允许最高转速1800r/min，最低转速750r/min。该泵使用普通液压油时前泵的最高使用压力为14mpa，后泵为16mpa，满足系统要求的8mpa。前泵的流量： （5.4）式中： 泵的排量（）；泵的额定转速（）。后泵的流量： （5.5）式中： 泵的排量（）；泵的额定转速（）。 5.5.2 液压泵所需电机功率的确定 （5.6）式中： 油泵所需要的电动机功率； 油泵的最大工作压力（）； 油泵最大流量（）； 油泵总效率，一般叶片泵0.750.85；齿轮泵0.60.8；柱塞泵0.750.9。前泵所需电机功率：kw 后泵所需电机功率：kw5.5.3 液压阀的选择液压阀的作用是控制液压系统的油流方向、压力和流量，从而控制整个液压系统的全部功能，如系统的工作压力，执行机构的动作程序，工作部件的运动速度、方向，以及变换频率，输出力或力矩等等。液压阀的性能是否可靠，是关系到整个液压系统能否正常工作的问题。液压阀的分类有：1）压力控制阀：主要控制执行机构输出力或输出转矩的大小，并确定液压泵及整个液压系统的工作负载，在过载时起到保护系统的作用。2）流量控制阀：根据执行机构运动速度的要求供给所需流量。3）方向控制阀:控制油流的通、切断或改变油流的方向，以控制执行机构的运动方向等。三类阀还可以相互组合，成为复合阀，以减少管路的连接，式结构更为紧凑，提高系统效率。液压传动系统，选择合适的液压阀，是使系统设计合理，性能优良，安装简便，维修容易，并保证该系统正常工作的重要条件。根据本液压的设计要求，液压阀的选择按定压力和额定流量大于系统最高工作压力和通过该阀的最大流量的原则。选择换向回路的核心是选择换向阀的形式，以实现对于换向精度及换向平稳性的要求。一般来说，换向性能要求高，应选用机动换向阀或液动换向阀，若对于换向性能无特别要求，应选用电磁阀。根据本设计液压系统要求，夹紧缸换向选用两位两通电磁阀，其他缸全部选用三位四通电磁换向阀。为防止俯仰缸因自重自由下滑和伸缩缸在仰起一定角度后的自由下滑，都采用单向顺序阀来平横。为保证夹紧缸夹持工件的可靠性，选用液控单向阀保压和锁紧。手臂升降缸为立式液压缸，为支承平衡手臂运动部件的自重，采用了单向顺序阀的平衡回路。5.5.4 液压辅助元件的选择原则（1）蓄能器：蓄能器在液压系统中是用来储存、释放能量的装置。其可作为辅助液压源在短时间里提供一定数量的压力油，满足系统对速度、压力的要求。（2）滤油器：过滤器的功能是清除液压系统工作介质中固体污染物，使工作介质保持清洁，延长元器件的使用使用寿命、保证液压元件工作性能可靠。选择过滤器需考虑如下几点：1）根据使用目的选择过滤器的种类，根据安装位置情况选择过滤器的安装形式。2）过滤器应具有足够打的通油能力，并且压力损失要小。3）过滤精度应满足液压系统或元件所需的清洁度要求。4）滤芯使用的滤材应满足所使用工作介质的要求，并且有足够的强度。5）过滤器的强度及压力损失是选择时需重点考虑的因素，安装过滤器后会对系统造成局部压降或产生背压。6）滤芯的更换及清洗应方便。7）应根据系统需要考虑选择合适的滤芯保护附件。8）结构应尽量简单、紧凑、安装形式合理。9）价格低廉。1）管道尺寸的确定1.管道内径计算： （5.7）式中： 通过管道内的流量（）； 管内允许流速（）；根据所得的内径尺寸，按下表标准系列选取相应的管子。 表5.3 软管内径尺寸系列2.53.256.381012.5161920（22）2531.538405051表5.4 硬管外径系列45681012（14）16（18）20（22）25（28）32（34）38*40（42）502.管道壁厚计算： （5.8） 式中： 管道内最高工作压力（）； 管道内径（）； 管道材料的需用应力（），； 管道材料的抗拉强度（）； n安全系数，对钢管来说，p7mpa时，取n=8；p17.5mpa时，取n=4。管头连接螺纹根据油管外径选取。2）液压缸进出油口直径的确定缸的进出油口直径可用下式求得： （5.9）式中： q液压缸配管内的流量； v液压缸配管内液体的平均流量（一般取v=45m/s）。计算得出的数值并按液压的相关标准进行圆整，如表5.5所示：表5.5 各液压缸进出油口直径 进出油口直径液压缸（mm）俯仰摆动直线油缸m272手臂伸宿液压缸m332手指夹紧液压缸m2725.5.5 油箱容量的确定在确定油箱尺寸时，一方面要满足系统供油的要求，还要保证执行元件全部排油时，邮箱不能溢出，以及系统中最大可能充满油时，油箱的油位不低于最低限度。根据油箱容量的经验公式： （5.10）式中： 液压泵每分钟排除压力油的容积（m3）； 经验系数，见下表5.6。表5.6 经验系数a系统类型行走机械低压系统中压系统锻压系统冶金系统a12245761210计算可得油箱容量： l选用规格为250l的油箱。5.5.6 液压原理图液压系统各执行机构的动作均由电控系统发信号控制相应的电磁换向阀或电液动换向阀，按程序依次步进动作，液压系统的工作顺序是由控制各个液压缸换向阀的电磁铁的得失电来工作的。 液压工作的原理（如图5.1所示：）液压的系统由两个双联泵1、2为主要供油系统，液压油通过泵分别进入到手臂回转缸、手臂伸缩缸、手指加紧缸、手腕回转缸、定位缸。然后通过电磁铁的得断电对图中电磁阀进行控制，控制各个部分液压缸的工作，从而实现对手臂回转、手臂伸缩、手指加紧、手腕回转、定位。图中5、6、7、8、9为单向控制阀的作用是防止油液倒流，图中11、13、15、17、18、23、24为单向调速阀，主要作用是调节液压缸内油的流速，从而保证工作平稳进行。图5.1 液压原理图执行机构的定位和缓冲是机械手工作平稳可靠的关键。从提高生产率来说，希望机械手正常工作速度越快越好，但工作速度越高，启动和停止时的惯性力矩就越大，这不仅会影响到机械手的定位精度，严重时还会损伤机件。因此为达到机械手的定位精度和运动平稳性的要求，一般在定位前要采取缓冲措施。 该机械手手指夹紧由压力传感器控制力度，保证工件不被抓伤也不会在搬运过程中掉落；手臂伸缩和手臂俯仰由行程开关适时发信号，提前切断油路滑行缓冲并定位；手臂回转、手腕回转由挡铁定位保证精度，端点到达前发信号切断油路。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，控制方式可分为点位控制和连续控制两种，目前以点位控制为主，占90%以上。本设计中机械手的控制可采用电气进行顺序点位控制。它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体积小、质量轻、耗电省等特点。为了增强机械手使用的灵活性，可将机械手的工作方式设置为手动和自动两种方式，其中自动方式又包括连续、单周期、单步这几种工作方式。5.6本章小结本章主要介绍机械手液压设计，包括选液压元件、液压马达、最重要的就是液压系统的控制原理图，根据原理图控制机械手的运动，将液压与机械的运动结合在一起。液压系统稳定，对机械手工作性能有很大的提高。使机械手在液压的驱动下平稳的运动。第6章 电气控制系统的设计6.1 电气控制的概述电气控制电路也称电器控制电路或继电接触控制电路，是指由常用低压电器（控如制开关、按钮、限位开关、断路器、接触器、继电器等）组成的控制电路，属于开关量逻辑控制电路。电器控制电路具有电路简单、价格低廉、逻辑关系清便于维修、控制功率大等优点。即便在当前可编程控制器（plc）应用十分广泛的情况下，也离不开这些常规的低压控制电器。可编程控制器沿袭和发展了电气控制电路的控制原理和方法，由于二者的控制方法和原理基本上是一致的，因此掌握好电气控制电路的控制原理是学习可编程控制器控制原理的基础。6.2 控制电路6.2.1 控制电路的组成电气控制电路根据逻辑关系可以分成3个组成部分。1输入元件、2中间逻辑元件、3输出元件。输入元件：控制电路的输入逻辑变量，用于对电路的控制，可分为主令元件和检测元件。主令元件是人向控制电路发布控制指令的元件，如按钮、开关等。检测元件是电路和电气控制设备本身向控制电路发布控制指令的元件，用于对电路和电气控制设备的某些物理量（如行程距离、温度、转速、压力、电流等）的检测。常用的检测元件有行程开关、热继电器、电流继电器、速度继电器等。中间逻辑元件：控制电路的中间逻辑变量，用于对电路中变量的逻辑变换和记忆等作用，常用的中间逻辑元件有中间继电器、通用继电器、时间继电器及计数器等。输出执行元件：用于对电路控制结果的执行，是控制电路的输出逻辑变量。可分为有记忆功能和无记忆功能两种，有记忆功能的输出执行元件常用的有接触器、继电器等，无记忆功能的输出执行元件常用的信号灯、报警器、电磁铁、电磁阀、电动机等。电气电路由主电路部分和控制电路部分组成。6.2.2 继电器的选择继电器的选择要注意4点：1按使用环境选型；2按输入信号不同选择继电器种类；3输入参量的选定；4根据负载情况选择继电器触点和种类。1使用环境条件主要指温度（最大与最小）、湿度（一般指40摄氏度下的最大相对湿度）、低气压（使用高度1000米以下可不考虑）、振动和冲击。此外，尚有封装方式、安装方法、外形尺寸及绝缘性等要求。由于材料和结构不同，继电器承受的环境力学条件各异，超过产品标准规定的环境力学条件下使用，有可能损坏继电器，可按整机的环境力学条件或高一级的条件选用。.对电磁干扰或射频干扰比较敏感的装置周围，最好不要选用交流电激励的继电器。选用直流继电器要选用带线圈瞬态抑制电路的产品。那些用固态器件或电路提供激励及对尖峰信号比较敏感地地方，也要选择有瞬态抑制电路的产品。2按输入信号是电、温度、时间、光信号确定选用电磁、温度、时间、光电继电器，这是没有问题的。这里特别说明电压、电流继电器的选用。若整机供给继电器线圈是恒定的电流应选用电流继电器，是恒定电压值则选用电压继电器。3与用户密切相关的输入量是线圈工作电压（或电流），而吸合电压（或电流）则是继电器制造厂控制继电器灵敏度并对其进行判断、考核的参数。对用户来讲，它只是一个工作下极限参数值。控制安全系数是工作电压（电流）/吸合电压（电流），如果在吸合值下使用继电器，是不可靠的、不安全的，环境温度升高或处于振动、冲击条件下，将使继电器工作不可靠。整机设计时，不能以空载电压作为继电器工作电压依据，而应将线圈接入作为负载来计算实际电压，特别是电源内阻大时更是如此。当用三极管作为开关元件控制线圈通断时，三极管必须处于开关状态，对6vdc以下工作电压的继电器来讲，还应扣除三极管饱和压降。当然，并非工作值加得愈高愈好，超过额定工作值太高会增加衔铁的冲击磨损，增加触点回跳次数，缩短电气寿命，一般，工作值为吸合值的1.5倍，工作值的误差一般为10%。4触点组合形式和触点组数应根据被控回路实际情况确定。常用的触点组合形式见表6。动合触点组和转换触点组中的动合触点对，由于接通时触点回跳次数少和触点烧蚀后补偿量大，其负载能力和接触可靠性较动断触点组和转换触点组中的动断触点对要高，整机线路可通过对触点位置适当调整，尽量多用动合触点。6.2.3 接触器的选择接触器是一种用来接通或切断交，直流电路和控制电路的自动控制电器。接触器不仅可以接通和切断电路，还具有欠电压释放保护，零压保护。接触器是自动控制系统中应用最多的一种电器。 接触器是一种主触电常开，三极的，以空气作灭弧介质的电磁式交流接触器。当我们在选择接触器的时候，我们应该根据主触头的额定电压和额定电流以及接触器吸引线圈的电压来选择。接触器选择要点：1.主触头的额定电压和额定电流。通常选择接触器触头的额定电压大于或等于负载回路的额定电压，主触头的额定电流不低于规定负载电路的额定电流，一般按1.3倍选择。2.接触器吸引线圈的电压。一般直接选用一相对地电压220v或直接选用380v。接触器的触头数量，种类应满足控制线路的要求。 接触器使用中注意的事项：1. 安装时，接触器的地板应与地面垂直，倾斜度应小于5度。 2.励磁线圈电压应为85%105%.操作频率应在允许范围内。 3.铁芯上短路环应完好.铁芯、衔铁端面接触良好、无异物.触点表面接触良好，有一定的超程和耐压力。 4.接触器安装时，应注意孔的位置，以便于散热。6.2.4 断路器低压断路器是配电系统中主要的保护电器之一，也是功能最完善的保护电器，其主要作用是作为短路、过载、接地故障、失压以及欠电压保护。根据不同需要，低压断路器可配备不同的继电器或脱扣器。脱扣器是低压断路器总体的一个组成部分，而继电器，则通过与低压断路器操作机构相连的欠电压脱扣器、分励脱器来控制低压断路器。低压断路器一般由脱扣器来完成其保护功能。6.3 电气系统的设计及原理控制方式为点位程序控制。程序设计采用开关预选方式，机械手的自动循环采用步进继电器控制。步进动作时由每一个动作完成后，使行程开关st的触点闭合而发出信号，或依据每一步的动作预设停留时间。发信指令完成由相应的中间继电器k来实现，受发指令的完成方式为机械手相应动作结束的同时使步进继电器再动作，复位指令完成是给相应的中间继电器通电，是机械手回到工作准备状态。机械手除能实现自动循环外，还设有调整电路，可通过手动按钮sb进行单个动作调试。液压泵的供油与卸载和每步动作之间的相应关系由控制电器保证。只有在2k、3k、4k、5k、6k、7k、8k、9k、10k等九个中间继电器全部不通电（所有液压缸不动作）时中间继电器12k才通电（即任一液压缸动作），12k则断电，小泵停止卸载；中间继电器2k、3k、5k、6k、中任意一个通电（即手臂升降、手臂伸缩），大泵停止卸载。手臂定位与手臂回转由继电器互锁。在定位插销后，定位缸压力上升，压力继电器k升压发令，一方面由常开触点接通手臂升降、手臂伸缩、手指松夹、手腕回转等部分的自动循环电气线路，另一方面由常闭触点断开手臂回转的电气线路。同时，在定位缸用电磁铁12ya的线圈两边串联有中间继电器9k和10k(手臂回转)的常闭触头和11k（定位插销）的常开触头。这些互锁措施保证了任何情况下手臂回转只在拔定位销之后进行。因机械手工作环境存在金属粉尘，在电磁铁的线圈两边各串联了一个中间继电器的常开触头，用以保证继电器断电后常开触头可靠脱开，液压缸及时停止工作。6.4 电气系统的控制顺序本设计中电气控制原理（如图6.1）：主电路开关闭合接通电路，电路中fu熔断器串联在电路中起到保护电路的作用，kr热继电器起到保护作用，主电路通过变压装置感应控制电路，同样控制电路中也有fu熔断器起到保护电路的作用，首先连接个电源信号灯，按下sb2按钮，km得电，主电路通电带动电机。中间继电器2k、3k、5k、6k、4k、7k、8k、9k、10k全不得电时中间继电器12k才通电，使电磁铁1ya、2ya通电，两泵卸载。手臂升降控制：当2k得电，3y接通后得电，电磁铁3ya得电，电液换向阀右边接通，使手臂上升，当3k得电，4y接通后得电，电磁铁4ya得电，电液换向阀左边接通，使手臂下降。手臂伸缩控制：当5k得电时，5y接通后得电，电磁铁5ya得电，电液换向阀右面接通，使手臂向前伸展，当6k得电时，6y接通后得电，电磁铁6ya得电，电液换向阀左面接通，使手臂向回收回，手臂旋转控制：当9k得电时，7y接通后得电，电磁铁7ya得电，电磁阀向右边接通，使手臂顺时针旋转，当10k得电时，8y接通后得电，电磁铁8ya得电，电磁阀向左边接通，使手臂逆时针旋转，手指夹紧控制：当4k得电时，9y接通后得电，电磁铁9ya 得电，电磁铁向右边接通，使机械手手指张开，不通电时手指由弹簧控制处于夹紧状态。手腕旋转控制：当7k得电，10y接通后得电，电磁铁10y得电，电磁阀右边接通，使手腕顺时针旋转，当8k得电，11y接通后得电，电磁铁11y得电，电磁阀左边接通，使手腕逆时针旋转。还可以通过调整电路，将手动控制与自动控制相结合，通过整流电路连接至步进器，由步进器计数，每一个动作完成后，通过时间继电器延时一小段时间，再这段时间后，再进行下一步的工作，直到整个一个工作循环结束后。电路中有一个启动开关和一个急停按钮。液压缸伸缩的长短由行程开关st控制，中间继电器来控制电磁铁继而控制电磁阀，电路中中间继电器的输出电压应该与电磁铁电磁阀的工作电压相匹配，这样电路中的中间继电器才能控制电磁铁，保证电路的正常工作。手动控制由按钮来控制，按下按钮一步一步的按顺序的工作。手动或自动通过开关接通到不同的位置上。图6.1机械手电气控制图6.5 本章小结 本章主要介绍电气控制部分，电气控制液压系统中的电磁换向阀，使机械手自动运动。实现机械手自动化生产，自动、手动都能顺利实现，加大了机械手的竞争力。电气控制主要介绍些基本元件，电气控制原理图，根据电气控制原理图一步一步实现机械手的自动化控制。结 论本文设计了一个程控型机器人代替人工工作，实现两条生产线之间曲轴的搬运。本次设计的主要任务是完成机械手结构方面以及其液压驱动系统方面的设计，主要工作包括：（1）通过查阅有关资料，简单介绍了国内外机器人（机械手）的历史及发展概况，介绍了目前机器人的几种分类形式，列举出了在生产、生活上和高科技领域中几种常见的机器人。（2）根据本课题的给定的依据，提出了采用四自由度关节型机械手的方案，经过分析和论证，证明了这种结构的可以满足工作要求。（3）对机械手的驱动力和力矩进行计算，根据液压驱动的特点和实际工作需要，提出采用液压驱动的方案，并通过比较、择优，证明这种驱动方案是最佳的。（4）根据实际的工作要求，选取适宜的液压元件并对其进行校核，最终确定所需液压元件的尺寸、材料等，并画出了各主要部件的机械结构图。（5）根据实际工作条件、对机械手动作进行规划，将机械手动作设计为顺序动作，并拟用电气来实现对其的顺序控制，并提出了手动、自动、单步、单周期、连续循环等几种工作模式以适应不同的操作需求，使系统满足不同工作条件下的需要。（6）在研究过程中发现在机械手领域还存在一些具有挑战性的问题，需要进一步的研究和探索，诸如如何根据不同的工作环境和要求，对机械手的物料要求、动作顺序、工作范围进行改进。参考文献1闻邦椿. 机械设计手册(第5版)m. 北京：机械工业出版社. 2010.2原魁.工业机器人发展现状与趋势j.工厂自动化.2009.第1期.34383周寿明，邓成良.可用于生产线的工业机器人研究j.科技创新导报.2