工业机械手和控制设计.doc

安徽广播电视大学毕业设计(论文) 分校名称 安徽广播电视大学 教学点名称 开放教育学院 年级名称 2011 秋 专业名称 机械设计制造及其自动化（本科） 课题名称 机器人机械手设计 学生姓名 赵联鹏 指导教师 李晓龙 目录序言.3一 机械手设计资料.31.1原始数据.41.2工作要求.4二绪论.42.1机械手概述42.2机械手的分类42.3机械手的组成72.4应用机械手的意义. 9三总体技术方案及系统组成.103.1系统组成.103.2总体技术方案.10四机械手的液压部分.124.1液压系统的工作原理.124.2液压传动的工作特性.134.3液压系统的组成.134.4液压系统的优缺点.14五回转装置的总体组成及结构设计.145.1执行件.145.2传递件.155.3控制系统.15六装置的组成及结构设计.166.1行走装置的组成.16七机械手的电气设计.187.1设计思路.187.2电气方案的选择.187.3方案的选定.247.4检验.247.5电气元件的选择.24八机械手的PLC设计.258.1 PLC简介.258.2 PLC设计.25九电气改进方案33十设计总结34十一心得体会35十二参考文献36序言随着生活水平的不断提高，生产发展的要求等，不断地向机械产品提出更高的要求，要满足这些需要必须研制开发大量的新产品，随着我国与世界其他国家的联系越来越紧密和贸易的发展，要求我国的机械产品具有国际竞争能力，以创造性的设计出符合市场需要，具有强大竞争能力的新机械产品，使我国机械行业能够迅速摆脱落后的状态作为一名机电专业的学生，在历经两年的大专学习过程中我认真学完了学校规定的所有必修课，较充分地掌握了基础课和专业课的知识，并且将自己所学到的知识运用于实践中-毕业设计。 毕业设计是对我两年来所学知识的一次检验，是一次对我掌握知识的总的汇总，同时也是对自身价值的一次体现。所以我把做好毕业设计当作大学两年来的最大挑战，我要尽自己所能把它做好做完善一机械手设计资料1.1原始数据负载重量“5KG重复定位精度：1mm自由度：3（Z轴的移动，R轴的平动，Q轴的转动）各轴最大运动速度：Z轴上下：200mm/sQ轴回转：30/SR轴伸缩：200mm/s各轴最大运动范围：Z轴上下：550mmQ轴回转：90R轴伸缩：400mm1.2工作要求机械手的工艺流程：机械手原位-机械手前伸-机械手上升-机械手抓取并夹紧-机械手后退-机械手前进（小车）-小车停止-机械手左转90-小车后退-退至原位二.绪论2.1机械手概述工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现在机械制造生产系统中一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门新兴的学科机械手工程。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人民所认识：其一、它能部分的代替人操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，回忆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核污染的场合，应用的更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。2.2机械手的分类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之外，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，成为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。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，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外成“Mechaanical Hand，”它是为主机服务的，由主机驱动：除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞笑第一类通用机械手，国外称为机械人。本课题所做的机械手是属于第三类专用机械手1.简史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。它的结构是：机体上安装一回转长臂，顶部装有磁块的工件抓放机构，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基础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）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Versatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降、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-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，手工装配作业，定位误差可小于1毫米。联邦德国机械制造业是从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。联邦德国KnKn公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年美国引进两种机械手后，大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，到1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制，改进的方向主要是降低和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，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。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。并逐渐发展成为柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System）重要一环。2应用简况机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手有以下特点：（1）对环境的适应性强 能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。（2）机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。（3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。（4）机械手特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性生产的需要。 有资料统计得：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。 机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人劳动强度。 国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零部件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。 采用机械手进行装配更是目前研制的重点，国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连接在一起，能确定零件的方位，达到镶装的目的。3.发展趋势随着工业技术的发展，工业机器人与机械手的应用范围不断扩大，其技术性能也在不断提高。在国内，应用于生产实际的工业机械手特别是示教再现性机械手不断增多，而且计算机控制的也有所应用。在国外应用于生产实际的工业机械手多为示教再现型机械手，而且计算机控制的工业机械人占有相当比例。带有“触觉”，“视觉”等感觉的“智能机械手”正处于研制开发阶段。带有一定智能的工业机械手是工业机械手技术的发展方向。机械手的优点如下：1工业机械手性能不断提高(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。2机械结构向模块化、可重构化发展。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械手产品问市。 3工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，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机械手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、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、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虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。 6当代遥控机械手系统的发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机械手化机械开始兴起。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。我国的工业机械手从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，目前己基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，生产了部分机械手关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机械手;其中有130多台套喷漆机械手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，我国的工业机械手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械手约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械手产业，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、成本也不低，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、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机械手和特种机械手在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机械手，6000m水下无缆机械手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、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。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用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，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。2.3机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，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也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。1.执行机构（1.）手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。本课题所做的机械手仅需开闭手指。机械手手部的机构是模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自有关节三种。手指的数量又可分为二指、三指和四指等，其中以二指用得最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状的尺寸的夹头，以适应操作需要。本课题所做的机械手采用二指形状。（2.）手臂手臂有无关节和关节手臂之分。本课题所做的机械手的手臂采用无关节手臂。手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。总括机械手的运动，离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、交流伺服马达、支流伺服马达和步进马达等。躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。2.驱动机构驱动机构主要由四种：液压驱动、气压驱动、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、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、油马达加工轮、齿条实现直线运动；摆动油缸、没马达与减速器、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，成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，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，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。电气驱动采用的不多。现在都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；直线运动则用电机带动丝杆螺母机构；有的采用直线电动机。通过机械手则考虑采用步进电机、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、使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式，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靠，速度高、成本低；缺点是不易调整。本课题所做的机械手采用电动机带动丝杆螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松方面。3.控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。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，控制机构手进行工作。2.4应用机械手的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多地被应用。在机械工业中，铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。其它部门，如：轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可言概括如下：1.以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。2.以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪音、臭味、有放射性或其他毒性污染以及工件空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3.可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人手进行工作，这事直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这事减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都装有机械手，以减少人力和更准确的控制生产地节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。 三.总体技术方案及系统组成3.1系统组成本机械手系统由机体，传送机构，动力源和控制装置四部分组成。其中机体由小车及本体等部分组成；传送机构主要由伸缩臂及抓取机构组成；动力源由液压驱动和机械驱动两种形式构成；控制装置主要由自动控制和手动控制两部分组成。3.2总体技术方案毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来，并进行灵活应用。现在的发展趋势是机电一体化，因此我们毕业设计是要将我们将“机”、“电”、“液”三者结合起来。“机”即指机械。机械手的动作过程可分为五部分，即机械手的上升下降、机械手的前伸后缩、机械手的夹紧放松、机械手的左转右转、小车的前进后退。在这五部分中，我们靠机械完成机械手的上升下降动作，即本课题所作的机械手采用电动机带动丝杆螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。滚珠螺旋传动是在丝杆螺母滚道之间放入适量的滚珠，是螺纹间产生滚动摩擦。丝杆传动是，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。滚珠螺旋传动与滑动传动或其他直线运动副相比，有以下特点：（1.）传动效率高一般滚珠丝杆副的传动效率达85%-98%，为滑动丝杆副的3-4倍。（2.）运动平稳滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，低速时无爬行。（3）能够顶紧顶紧后可消除间隙产生过盈，提高刚度和传动精度。同时增加的摩擦力矩相对不大。（4）工作寿命长滚珠丝杆螺母副的摩擦表面为高硬度（HRC58-62）、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的4-10倍以上。（5）定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杆副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过顶紧进行预拉伸的补偿的热膨胀可达到较高的定位精度和重复定位精度。（6）同步性好用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。（7）可靠性高润滑密封装置结构简单，维修方便。（8）不自锁用于垂直运动，必须在系统中附加自锁或制动装置。（9）经济性差，成本高由于结构工艺复杂，故制造成本高。价格往往以mm计。经过计算，选择如下：电动机型号：Y802-2功率：1.1W丝杆型号：Tr40*71动作分析工业机械手的机械机构是指它的执行系统，是机械手抓持工作、进行操作及各种运动的机械部件。机械部件主要包括手部，手臂前伸后缩部分，手臂上下升降部分，腰转部分以及机座和行走机构。2手部手部：包括械杆手指，单相作用式握紧油缸等。其工作原理是：物体进入手指后，拉杆受油缸作用，通过拉杆带动杠杆手指回转，实现握紧和松开工作。3手臂的前后伸缩部分手臂的前后伸缩部分由直线油缸带动实现。当直线油缸工作时，通过活塞杆行程的变化，完成手臂的伸缩运动。4手臂的上升下降部分手臂的上下升降部分是由电动机，丝杆传动副，立柱等部分组成。当电动机工作时，通过连轴机转动丝杆，由于丝杆螺母受到立柱的径向传动限制，使得螺母及手臂架只能做上下运动。5腰转部分腰转部分主要由转盘和回转油缸组成。当压力油进入回转油缸时，回转油缸的回转轴回转，通过活塞杆的伸缩带动转盘的转动，从而实现机械手的左右转动。6行走机构行走机构主要由电动机，齿轮，链轮等组成。当电动机工作时，通过齿轮，链轮的传动，带动小车的轮子运动，从而实现行走。四.机械手的液压部分“机、电、液”中的“液”即指液压系统。液压传动相对于机械运动来说，是一门新兴的技术。人类使用水力机械及液压技术虽然已有很长的历史，但是液压技术在机械领域中得以应用并取得迅速发展则是本世纪，特别是第二次世界大战以来的事。由于液压传动具有许多突出的优点，因而目前已广泛地应用在工、农业机械、机床、交通运输、陆地行走设备、船舶控制、火炮控制、飞机、导弹等各方面。4.1液压系统的工作原理所谓液压系统就是以液体为介质，依靠运动着的液体的压力能来传递动力的。液压系统工作是，液压泵把电机传来的回转式机械能转变成油液的压力能；油液被输送到液缸内（或液压马达）后，又由液缸（或液压马达）把油液的压力能转变为直线式（或回转式）的机械能输出。液压系统中的油液是指在受调节、控制的状态下进行工作的，因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开。液压系统必须满足其招待元件在力和速度方面的要求。、4.2液压传动的工作特性液压系统工作是，外界负载大（在有效承压面积一定得前提下）所需的压力也越大，反之亦然，因此，液压系统的油压力（简称系统的压力，下同）大小取决于外界负载。负载大，系统压力大；负载小，系统压力小；负载为零，系统压力为零。另外，活塞或工作台的运动速度（简称系统的速度，下同）取决于单位时间通过节流阀进入液压缸中的油液体积即流量。流量越大（在有效承压面积一定的前提下）系统的速度越快，反之亦然。流量为零，系统的速度亦为零。液压系统的压力和外在负载，速度和流量的这两个关系称作液压传动的两个工作特性。4.3液压系统的组成液压系统由以下一个部分所组成：1.动力元件 它是将电动机输入的机械能转换为液压能的装置。液压泵即为动力元件。2.执行元件 它是将液体的压力能转换为机械能的装置，以驱动工作部件。液压缸和液压马达即为执行元件。3.控制调节元件 控制调节元件是指各种阀类元件，它们的作用是控制液压系统中的油液的压力、流量和方向，以保证执行元件完成预期的工作运动。4.辅助元件 辅助元件是指油箱、油管、管接头、滤油器、压力表、流量表等。5.工作介质 在液压系统中使用液压油（通常为矿物油）。6.能方便地进行无极调速，调速范围大。7.体积小、重量轻、功率大。一方面，在相同输出功率前提下，其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏，这对于液压自动控制系统有重要意义。另一方面，在体积或重量相近的情况下，其输出功率大，能传递较大的扭矩或推力（如万吨水压力等）。4.4液压系统的优缺点液压系统与机械、电力等传动相比。有以下特点：1. 控制和调节简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。2. 可时下无间隙传动，运动平稳。3. 因传动介质为油液，帮助液压元件有润滑作用，使用寿命长。4. 液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便与设计、制造和推广使用。5. 可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载，从而少去了中间的减速装置，使传动简化。液压传动的主要缺点是：1.漏 由于作为传动介质的液体是在一定得压力下，有事时在较高压力下工作的，因此在相对运动表面间不可避免要产生泄漏。同时，由于油液并不是绝对不可以压缩，油管等也会产生弹性变形，所以液压传动不宜用在传动比要求较严格场合。2.振 液压传动中的“液压冲击和空穴现象”会产生很大的振动和噪声。3.热 在能量转换和传递过程中，由于存在机械摩擦、压力损失、泄露损失，因而易使油液发热，总效率降低，故液压传动不宜远距离传动。4.液压传动性能对温度比较敏感，一般不宜在高温及低温下工作。液压传动装置对油液的污染亦比较敏感，故要求有良好的过滤设施。5.液压元件加工要求高，一般情况下又要求有独立的能源（如液压泵站），这可能使产品成本提高。6.液压系统出现故障时不宜追查原因，不已迅速排除。综上所述，液压传动由于优点比较突出，一般在工农业各个部门获得广泛的应用。它的某些缺点随着生产技术的不断发展、提高，正在逐步得到克服。由于液压传动下个对机械传动有以上几个突出的优点，所以确定机械手的前伸后退、左转右转、夹紧放松这三个部分动作用液压传动来实现。五、回转装置的总体组成及结构设计5.1执行件回转装置主要由执行件、传递件、驱动件及控制系统四大部分组成。本设计选用的回转台与传递件-链轮共用的一个长平建的心轴。驱动件驱动传递件-链轮转动，链轮通过共用键将回转运动直接传递给与心轴联接的回转台，并使之旋转。5.2传递件本课题中机械手要求作间歇往复回转运动，因此考虑采用回转曲线传动。回转传动可分为齿轮传动、带传动和链传动。齿轮传动虽然效率高，工作可靠，寿命长结构紧凑，圆周速度及功率范围广，但制造和安装精度要求较高，不能缓冲，无过载保护作用，低精度时噪声大。由于本课题中机械手回转精度要求不高，因此不予考虑。带传动虽然结构简单，制作成本低，传动平衡，噪声小，能缓冲吸振，有过载保护，但由于是摩擦运动，传动比不恒定，传动效率低，外廓尺寸较大，带的使用寿命较短。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小、体积大。由于空气的可压缩性大很难实现之间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为减少停机时产生的冲力，气压系统装有速度控制机构或缓冲减震机构。电气驱动采用的不多。现在都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合。一把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。液压驱动主要是通过由油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、油马达加工轮、齿条实现直线运动；摆动油缸、油马达与减速器、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、可无极变速，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，成本较高。本课题设计采用液压驱动。利用液压缸带动链轮、链条实现回转运动。设计配用液压总站，与回转装置并排于小车之上。5.3控制系统机械手控制系统要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。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。六、装置的组成及结构设计6.1行走装置的组成行走装置主要由执行件、传递件、驱动件及控制系统四大部分组成。1执行件本设计选用驱动件驱动传递件-齿轮、链轮传动，通过齿轮传动降低转速，通过链轮传动带动小车运动，从而实现小车的行走。2传递件本课题中要求小车作行走运动，因此考虑采用齿轮和链轮的传动来实现。传动可分为齿轮传动、带传动和链传动。齿轮传动的传递功率和速度、范围很广，传动比准确、可靠，传动效率比较高，工作可靠，寿命长，结构紧凑，圆周速度及功率范围广。但制造和安装精度要求高，不能缓冲，无过载保护作用，低精度时噪声大。由于高速级转速较快，空滤较高，由于齿轮具有上述优点，考虑通过齿轮的传动达到降速的目的。带传动虽然结构简单，制作成本低，传动平衡，噪声小，能缓冲吸振，有过载保护，但是由于是摩擦传动，传动比不恒定，传动效率较低，外廓尺寸较大，带的使用寿命较短。与带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，工作可靠，具有准确的平均传动比，传动效率较高，在传递相同情况下，结构较为紧凑，链条张紧力小，作用于链轮的力也小，链传动能够在低速重载的条件下使用。与齿轮传动相比链传动制造和安装精度要求较低，在远距离传动中，链传动结构简单而轻便。链传动的主要特点是不能保持恒定的瞬时传动比，传动中有周期性的动载荷和齿合冲击，不适合载荷变化很大盒急速反向转动的场合。而在本设计工作要求中，载荷变化很小，且是小车慢速前进，并非急速反向运动。因此行走装置中的运动传递设计先用齿轮和链传动。按齿轮传动的工作条件，可以分为开式齿轮传动和闭式齿轮传动。开式齿轮传动，如在农业机械、建筑机械及其他简单机械中，齿轮完全暴露，外界杂物容易侵入，不能保证良好的润滑，传动安装精度较低，只宜用于低速转动。半开式齿轮传动装置有简单的防护罩，也有油池，但任不能严密防止外界杂物侵入，润滑不良。闭式齿轮传动，如汽车、现代机床上所采用的，齿轮封闭在严密的箱体内，保证良好的润滑，各轴的安装精度及系统的刚度都比较好，能保证良好的齿合精度。所以本课题中的齿轮传动采用闭式齿轮传动。链传动对各种恶劣工作条件的适应性较强，在机械制造业中应用很广，主要用于工作可靠，传动中心距较大的场合。链传动按用途可分为传动链、起重链和牵引链。起重链和牵引链用于区中运输机械。在一般机械传动中常用的是传动链。传动链的主要类型有滚子连和齿形链。滚子连结构简单，成本较低，应用很广。因此本设计采用滚子链。3驱动件驱动件主要由四种：气压驱动、电气驱动、机械驱动和液压驱动，其中以液压、气动用的最多，占90%以上；电动、机械驱动较少。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等、一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单那，成本低。缺点是出力小、体积大。由于空气的可压缩性很大难以实现之间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为减少停机时产生的冲力，气压系统装有速度控制机构或缓冲减震机构。电气驱动采用的不多。现在都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。通用机械手则考虑才有那个同一形式的动力，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合。一般采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。液压驱动主要是通过由油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、油马达加工轮、齿条实现直线运动；摆动油缸、油马达与减速器、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、可无极变速、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，成本较高。本课题设计采用电机驱动。利用电动机带动涡轮减速器转动，通过链轮和轴的公用键实现小车的行走运动。设：小车重量为300KG，小车的最大速度为10M/min=0.17M/s，小车小链轮的齿数为Z1=15齿，选涡轮减速器的减速比为i1=1:30，电动机的转速为1500转/分。则：小链轮转速为n1=1500/30=50转/分，小车轮子直径为225mm。则：小车轮子的转速n1=V/L=10/0.225*3.14=14.15转/分，大链轮与小链轮的转速比i2=50/14.15=3.53，则：大链轮的齿Z2=51齿，取Z1=15，i1=30,Z2=51,i2=3.4,查表得：K15=4.8097，K51=16.2441，ctg180/15=16.2133，选用链条P=12.7，滚子直径d=7.95mm，所以：小链轮的中径d1=K15*P=61.08MM小链轮顶圆da1=p(0.54+ctg180/Z1)=66.6mm小链轮根圆df1=da1-d1=53.13mm链条的速度V=Z1*n1p/60*1000=0.16m/s大链轮中径d2=206.3mm大链轮顶圆da2=212.77mm大链轮根圆df2=204.82mm链轮公差：孔dk H8 顶圆da h11 宽b1 h14小链轮z=15 p=1.27轴承选型：406查表得：钢轮缘在钢轨上的摩擦系数f=0.242，则小车的推动力F=300*9.8*0.242=711.5N转矩T=F*L=711.5*61.08/2*1000=21.73N*m选用WB100-WD-29-0.55(KW)的单机摆线针轮减速器功率P=0.55KW 输出许可力矩T100N*m链条：链号08A q=0.6Kg/m p=12.7采用摆线针轮减速器传动效率高、运转平衡、噪音低、能正反转、高速轴承和低速轴承在同一轴线上安装方便、使用可靠、寿命长。七、机械手的电气设计7.1设计思路根据课题要求机械手必须完成前伸、后退、上升、下降、左转、右转、放松、夹紧、小车的前进与后退等十个动作。其中前伸、后退、左转、右转、夹紧、放松这几个动作用液压缸带动机械手来实现。上升和下降用电动机带动齿轮与链条，再传到轮子来实现。7.2电气方案的选择方案1：机械手的前伸、后退、左转、右转、夹紧、放松由液压电动机带动液压泵通过三个三位四通电磁阀分别带动三个液压缸来实现以上的动作。KM1控制液压电动机的起停，为了不使控制电路过于复杂，因此不使用液压电动机的下反转来控制油路。电磁继电器YA1控制机械手的前伸，YA2控制机械手的后退，YA3控制机械手的抓紧，YA4控制机械手的放松，YA5控制机械手的左转，YA6控制机械手的右转，KM2控制电动机的正转以带动机械手的上升，KM3控制电动机的反转以带动机械手的下降。各个动作的到位及动作之间的关联由行程开关来控制。行程开关SQ1用来限制机械手的前伸，SQ2用来限制机械手的后退，SQ3用来限制机械手的左转，SQ4用来限制机械手的的右转，SQ5用来限制机械手的上升，SQ6用来限制机械手的下降，SQ7用来限制机械手的放松，SQ9用来限制小车的前进，SQ10用来限制小车的后退，由于考虑到行程开关长期使用后会产生一定得定位误差，会使夹紧动作不可靠，而使用压力继电器KP来限制机械手的夹紧动作本方案的电气控制请参见原理图。SA作为手动和自动控制之间的切换开关。SB0作为总停按钮。当SA打在自动控制处时，按下SB2使KW1得电，液压电动机工作，同时KM3使整个控制线路处于准备状态。按下SB12使YA1得电自锁，机械手开始工作，手臂前伸到位后碰到行程开关SQ1使YA1失电，前伸停止，同时，KM2得电，使机械手开始上升，到位后碰到行程开关SQ5，使KM2失电，上升停止，同时，YA5得电，机械手开始抓取物体并夹紧，当夹紧力达到一定数值时表示对物体的夹紧已经可靠，压力继电器工作使YA5断电机械手保持夹紧状态，同时使YA2得电，机械手开始后退，后退到位后碰到行程开关SQ2使YA2断电，后退停止，同时使KM4得电小车前进，前进到位后碰到行程开关SQ9，使KM4失电，前进停止，同时，使YA3得电机械手开始左转，左转到位后碰到行程开关SQ3使YA3断电，左转停止，同时使YA1得电，机械手再次前伸，再碰到行程开关AQ1后YA1断电，前伸停止，同时KM3得电，机械手开始下降，下降代为后碰到行程开关SQ6使KM3断电下降停止，同时YA6得电，机械手开始松开放物，使之松开到一定位置时碰到行程开关SQ8使断电，松开停止，同时使YA2得电，机械手开始后退，后退到位后碰到行程开关SQ2使YA2断电，机械手停止后退，同时使YA4得电，机械手开始右转，右转到位后，碰到行程开关SQ4使KM5得电，小车后退，当后退到位时碰到行程开关SQ10使后退停止，同时，KA15得电，整个控制电路断电，机械手的一个工作流程完成。当药进行点动调整或进行故障处理时，可以把SA切换到点动状态，按下SB4机械手则点动前伸，按下SB6机械手则点动抓取物体，按下SB20机械手则点动后退，按下SB22机械手则点动右转，按下SB7小车则点动前进，按下SB11则点动后退。本方案的机械手的松开和夹紧控制中使用了三位四通阀。当机械手处于夹紧物体并保持状态时，由于油路处于断开状态使油缸得不到供油，而油路中又有一定得损耗，这样会使油缸得不到供油，而油路中又有一定得损耗，这样会使夹紧状态不可靠。并且在控制线路中没有对初始动作（机械手前伸）限位保护，当意外停电后再次得点时，无论机械手处于何种工作状态，按下SB2按钮都会使机械手从初始状态开始工作，这样就使机械手在工作中存在种种安全隐患。此外控制线路中仅仅加入了单步调整按钮，当机械手在工作中遇到意外断电后再次工作时，只能从初始状态开始新的工作，无法从当前状态继续工作。这些问题都会给使用者带来不便和危险，因此本人在方案2中给予了改进。方案2：机械手的上升和下降任由一台液压泵带动两个三位四通阀来实现。机械手的夹紧和放松由液压泵带动一个二位四通阀来实现。当液压泵工作而YA5失电时，夹紧回路始终有油供给，是机械手始终处于夹紧状态，这种失电夹紧状态使得机械手的夹紧动作更加可靠。方案2的电气控制线路图如电气原理图所示，整个电气控制线路采用顺序控制。个接触器功能如下：KM1液压泵起停KM2电动机正转，机械手上升KM3电动机反转，机械手下降KM4电动机正转，小车前进KM5电动机反转，小车后退中间继电器功能如下：KA0控制YA1KA2控制YA5KA6控制YA2KA8控制YA3KA14控制YA4KA15总停控制KA16机械手启动限位控制KA4夹紧KA1、KA3、KA5、KA7、KA10、KA11、KA20、KA30均为机械手各步预动作控制。各个电磁继电器功能如下：YA1机械手前伸YA2机械手后退YA3机械手左转YA4机械手右转YA5机械手放松各开关、按钮及行程开关功能如下：SA机械手自动、手动切换开关SB0接触器控制线路失电SB1液压泵停止工作SB2液压泵启动，中间继电器控制线路得电SB3电动机停止工作SB4中间继电器失电SB4、SB6、SB9、SB11、SB18、SB19、SB20、SB21、SB22为间步启动按钮，其功能将在单步启动控制中详述。SQ1前伸限位SQ2后退限位SQ3左转限位SQ4右转限位SQ5上升限位SQ6下降限位SQ7松开限位KP夹紧限位SQ9前进限位（小车）SQ10后退限位（小车）机械手显示电路：KL1线路通电KL2液压泵工作KL3机械手上升KL4机械手下降KL5小车前进KL6小车后退KL7机械手前伸KL8机械手后退KL9机械手左转KL10机械手右转KL11机械手放松因为在机械手的工作流程过程中，有两次前伸，两次松开、两次后退动作，并且动作前后执行的动作不相同，为了进行区分，在控制线路中串如互锁触点和采用顺序控制。当机械手第一次前伸上KA0得电，是KA1得电，为机械手上升做准备。此时KA10控制线路中的常开触点KA0也闭合，但由于常开触点KA9为闭合，而使KA10未得电，机械手未做下降准备。当机械手第二次前伸时，由于KA9首先得电，使KA10得电，为机械手下降做好准备。此时KA1控制线路中由于常闭触点KA10打开，是KA1无法得电，机械手未做上升准备。当机械手第一次公开时，KA2得电，使中间继电器KA12控制线路处的常开触点KA2闭合，但由于与其串联的常开触点KA11未得电闭合，因此KA12不得电。保证了松开到位后机械手不会后退，当机械手第二次松开时，由于KA11已经得电，其常开触点已经闭合，KA12得电，使后退动作处于准备状态。第一次后退时KA6处于得电状态，常开触点均闭合。KA7得电，使左转处于准备状态。但中间继电器KA13控制线路中由于常开触点KA12还未得电闭合，使KA13无法得电，以导致机械手为处于右转准备状态。以保证机械手后退到位后，不会发生左转和右转电磁阀同时得电的情况。当机械手第二次后退时，由于KA12已经得电闭合，使KA13得电的同时也使KA7不得电，确保了机械手的右转动作处