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注塑机上下料机械手设计【四自由度】【机+PLC】【6张图纸】

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活塞杆.dwg---(点击预览)

注塑机上下料机械手设计说明书.doc---(点击预览)

机械手装配图.dwg---(点击预览)

机械手手部和腕部装配图.dwg---(点击预览)

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关键词：: 注塑机上下机械手设计自由度 plc 图纸

资源描述：

注塑机上下料机械手设计

36页 14000字数+说明书+6张CAD图纸

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回转缸体.dwg

夹紧缸.dwg

机械手手部和腕部装配图.dwg

机械手装配图.dwg

注塑机上下料机械手设计说明书.doc

活塞杆.dwg

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内容摘要.........................................................1

关键词.........................................................1

Abstract.........................................................1

Key word.........................................................1

第1章绪论......................................................2

1.1机械手概述...............................................2

1.2机械手的组成和分类.......................................2

1.3课题的提出及主要任务.....................................4

第2章机械手的设计方案...........................................6

2.1机械手的座标型式与自由度和工作范围.......................6

2.2 机械手的手部结构方案设计.................................7

2.3 机械手的手臂结构方案设计.................................7

2.4机械手的驱动方案设计.....................................7

2.5 机械手的控制方案设计.....................................7

2.6机械手的主要参数.........................................7

2.7机械手的技术参数列表.....................................8

第3章手部结构设计..............................................10

　　　　 3.1手部设计................................................10

3.2手部夹紧液压缸的设计....................................11

第4章手臂结构设计..............................................15

4.1手臂伸缩................................................15

4.2手臂升降和回转部分......................................16

4.3手臂伸缩液压缸的设计....................................16

4.4 液压系统主要参数........................................19

4.5液压系统图..............................................25

第5章机械手的控制系统..........................................28

5.1 可编程序控制器的选择及工作过程..........................28

5.2可编程序控制器的使用步骤................................29

5.3机械手可编程序控制器控制方案............................29

第6章致谢......................................................33

第7章参考文献..................................................34

内容摘要：本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构;设计了机械手的手臂结构。设计出了机械手的液动系统，绘制了机械手液压系统工作原理图。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。

　　　关键词：机械手，液动，可编程序控制器(PLC)

Abstract ：In this paper, hands on mechanical design of an overall program to determine the coordinates of the robot type and degree of freedom to determine the technical parameters of the manipulator. At the same time, the design of the mechanical hand gripping the hand-type structure; designed robot arm structure. Designed hydraulic manipulator system manipulator drawn schematic diagram of hydraulic system.The use of programmable logic controller to control the robot, select the appropriate PLC model, based on workflow manipulator developed a PLC control program, the mechanical hand to draw timing diagrams and ladder work and preparation that can be controller programmed control procedures.

　　　 Key words: mechanical hand, hydraulic, programmable logic controller (PLC)

1.3课题的提出及主要任务

1.3.1课题的提出

随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，注塑及的生产过程中，往往工件、材料的上下要人工完成，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。

　　　现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个优点:

　　　(1)液压传动能方便地实现无级调速，调速范围大。

　　　(2)在相同功率情况下，液压传动能量转换元件的体积较小，重量较轻。

(3)工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向。

　　　(4)便于实现过载保护，而且工作油液能使传动零件实现自润滑，故使用寿命长。

　　　(5)操纵简单，便于实现自动化。特别是和电气控制联合使用时，易于实现复杂的自动工作循环。

（6）液压元件易于实现系列化、标准化和通用化。

1.3.2课题的主要任务

本课题将要完成的主要任务如下:

　　　(1)机械手为注塑机机械手，因此它是专用机械手.

　　　(2)选取机械手的座标型式和自由度

　　　(3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手臂等部件的设计。手部设计成夹持式手指来抓取工件

　　　(4)液压传动系统的设计

　　　本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括液动元器件的选取，液动回路的设计，并绘出液动原理图。

　　　(5)机械手的控制系统的设计

本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。

　2.6机械手的主要参数

1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为10公斤，高速动作时抓重减半。

　　　2、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。

　　　该机械手最大移动速度设计为1m/s，最大回转速度设计为1000°/s，平均移动速度为lm/s，平均回转速度为900°/s。

　　　机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。

　　　除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为400mm,最大工作半径约为1300mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为240(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。

　　　定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5～±lmm

2.7机械手的技术参数列表

一、用途:

　　　用于注塑机上下料。

二、设计技术参数:

　　　1、抓重

　　　　10公斤 (夹持式手部)

　　　2、自由度数

　　　　4个自由度

　　　3、座标型式

　　　　　圆柱座标

　　　4、最大工作半径

　　　　　1300mm

　　　5、手臂最大中心高

　　　　　1200mm

　　　6、手臂运动参数

　　　　　伸缩行程 400mm

　　　　　伸缩速度 300mm/s

　　　　　升降行程 200mm

　　　　　升降速度 300mm/s

　　　　　回转范围 0°～ 240°

　　　7、手指夹持范围

　　　　工件: 80～150mm

　　　8、定位方式

　　　　行程开关或可调机械挡块等

　　　9、定位精度

　　　　　士0.5mm

　　　10,缓冲方式

　　　　液压缓冲器

　　　11.驱动方式

　　　　液压传动

　　　12、控制方式

　　　　点位程序控制(采用PLC) 　　　

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内容简介：: Xxx大学2009 届毕业设计注塑机上下料机械手论文作者姓名：_ _ 所在院系：_机电工程学院_所学专业：机械制造与自动化指导老师：_ _ _论文完成时间：_2009年月日_ 目录内容摘要.1 关键词.1 Abstract.1 Key word.1 第1章绪论.2 1.1机械手概述.2 1.2机械手的组成和分类.2 1.3课题的提出及主要任务.4 第2章机械手的设计方案.6 2.1机械手的座标型式与自由度和工作范围.6 2.2 机械手的手部结构方案设计.7 2.3 机械手的手臂结构方案设计.7 2.4机械手的驱动方案设计.7 2.5 机械手的控制方案设计.7 2.6机械手的主要参数.7 2.7机械手的技术参数列表.8 第3章手部结构设计.10 3.1手部设计.10 3.2手部夹紧液压缸的设计.11 第4章手臂结构设计.15 4.1手臂伸缩.15 4.2手臂升降和回转部分.16 4.3手臂伸缩液压缸的设计.16 4.4 液压系统主要参数.19 4.5液压系统图.25 第5章机械手的控制系统.28 5.1 可编程序控制器的选择及工作过程.28 5.2可编程序控制器的使用步骤.29 5.3机械手可编程序控制器控制方案.29 第6章致谢.33 第7章参考文献.34内容摘要：本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构;设计了机械手的手臂结构。设计出了机械手的液动系统，绘制了机械手液压系统工作原理图。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。关键词：机械手，液动，可编程序控制器(PLC) Abstract ：In this paper, hands on mechanical design of an overall program to determine the coordinates of the robot type and degree of freedom to determine the technical parameters of the manipulator. At the same time, the design of the mechanical hand gripping the hand-type structure; designed robot arm structure. Designed hydraulic manipulator system manipulator drawn schematic diagram of hydraulic system.The use of programmable logic controller to control the robot, select the appropriate PLC model, based on workflow manipulator developed a PLC control program, the mechanical hand to draw timing diagrams and ladder work and preparation that can be controller programmed control procedures. Key words: mechanical hand, hydraulic, programmable logic controller (PLC) 第1章绪论第2章 1.1机械手概述工业机器人由操作机、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。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.1.2机械手的组成和分类1.2.1机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。图1-1机械手的组成方框图(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱、机座等部件，有的还增设行走机构。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。(三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。(四)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。1.2.2机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:(二)按驱动方式分机械手可分为液压传动机械手、气压传动机械手、机械传动机械手、电力传动机械手。本设计是液压传动机械手的设计。1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.3课题的提出及主要任务1.3.1课题的提出随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，注塑及的生产过程中，往往工件、材料的上下要人工完成，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个优点:(1)液压传动能方便地实现无级调速，调速范围大。(2)在相同功率情况下，液压传动能量转换元件的体积较小，重量较轻。 (3)工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向。(4)便于实现过载保护，而且工作油液能使传动零件实现自润滑，故使用寿命长。(5)操纵简单，便于实现自动化。特别是和电气控制联合使用时，易于实现复杂的自动工作循环。（6）液压元件易于实现系列化、标准化和通用化。1.3.2课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下:(1)机械手为注塑机机械手，因此它是专用机械手.(2)选取机械手的座标型式和自由度(3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手臂等部件的设计。手部设计成夹持式手指来抓取工件(4)液压传动系统的设计本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括液动元器件的选取，液动回路的设计，并绘出液动原理图。(5)机械手的控制系统的设计本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。第2章机械手的设计方案对液动机械手的基本要求是能快速、准确地搬运工件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计液动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，增强专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械手是注塑机专用液动上下料机械手，专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点。2.1机械手的座标型式与自由度和工作范围按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。图2-1所示为机械手的手臂的运动示意图和工作范围图。图 2-1 机械手的运动示意图和工作范围图2.2 机械手的手部结构方案设计为了适应注塑机，把机械手的手部结构设计成夹持式手部，可以准确的夹取工件。2.3 机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由液压缸来实现。2.4机械手的驱动方案设计由于液压传动系统的工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向，因此选用液压传动系统。2.5 机械手的控制方案设计考虑到机械手的专用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.6机械手的主要参数 1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为10公斤，高速动作时抓重减半。2、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为1m/s，最大回转速度设计为1000/s，平均移动速度为lm/s，平均回转速度为900/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为400mm,最大工作半径约为1300mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为240(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5lmm2.7机械手的技术参数列表一、用途:用于注塑机上下料。二、设计技术参数:1、抓重10公斤 (夹持式手部)2、自由度数4个自由度3、座标型式圆柱座标4、最大工作半径1300mm5、手臂最大中心高1200mm6、手臂运动参数伸缩行程 400mm伸缩速度 300mm/s升降行程 200mm升降速度 300mm/s回转范围 0 2407、手指夹持范围工件: 80150mm8、定位方式行程开关或可调机械挡块等9、定位精度士0.5mm10,缓冲方式液压缓冲器11.驱动方式液压传动12、控制方式点位程序控制(采用PLC) 第3章手部结构设计为了使机械手的专用性更强，把机械手的手部结构设计成夹持式手部 3.1手部设计3.1.1手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。3.1.2设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示.3.2手部夹紧液压缸的设计1、手部驱动力计算本课题液动机械手的手部结构如图3-1所示，其工件重量G=10公斤，“V”形手指的角度2=120，b=120mm， R=24mm,摩擦系数为f=0.10 。图3-1 齿轮齿条式手部(1) 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: （3-1）(2) 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: 所以：=490（N）（3-2）(3) 实际驱动力: （3-3）因为传力机构为齿轮齿条传动，故取=0.94 ，并取=1.5.若被抓取工件的最大加速度取a=g 时，则: （3-4）所以：所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为1563N。2、液压缸的直径本液压缸属于单向作用液压缸。根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为: （3-5）式中: 活塞杆上的推力，N弹簧反作用力，N液压缸工作时的总阻力，NP液压缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算: （3-6）（3-7）（3-8）式中: 弹簧刚度，N/mL 弹簧预压缩量，mS活塞行程，md弹簧钢丝直径，mD弹簧平均直径，mD弹簧外径，m n 弹簧有效圈数G 弹簧材料剪切模量，一般取G=79.4X 1 护Pa在设计中，必须考虑负载率几的影响，则: （3-9）由以上分析得单向作用液压缸的直径: （3-10）代入有关数据，可得：（3-11）（3-12）所以：（3-13）查有关手册圆整，得D=65 mm由d/D=O.20.3，可得活塞杆直径:d=(0.20.3)D=1319.5 mm圆整后，取活塞杆直径d=18 mm校核，按公式有: 其中=120MPa, F=750N则:d (4490/120)=2.28 18 满足设计要求。3、缸筒壁厚的设计缸筒直接承受油液压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: （3-14）式中: 6 缸筒壁厚 mmD液压缸内径，P实验压力，取P=1.5PPa材料为 : ZL3, =3MPa代入己知数据，则壁厚为: = =6.5 mm取=7.5 mm，则缸筒外径为:D=65+7.52 =80 mm。第4章手臂结构设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由液压缸来实现。4.1手臂伸缩4.1.1结构设计手臂的伸缩是直线运动，实现直线往复运动采用的是液压驱动的活塞液压缸。由于活塞液压缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用比较多。同时，液压驱动的机械手手臂在进行伸缩(或升降)运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。在本机械手中，采用的是单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向性。4.1.2手臂伸缩驱动力的计算图4-1所示为活塞液压缸驱动手臂下伸时的示意图。在单杆活塞液压缸中，由于液压缸的两腔有效工作面积不相等，所以左右两边的驱动力和压力之间的关系式不一样。当压力油输入工作腔时，驱使手臂前伸(或缩回)，其驱动力应克服手臂在前伸(或缩回)起动时所产生的惯性力，手臂运动件表面之间的密封装置处的摩擦阻力，以及回油腔压力(即背压)所造成的阻力，因此，驱动力计算公式为:P驱 = P惯 + P摩 + P密 + P背 N （4-1）式中:P惯手臂在起动过程中的惯性力(N);P摩摩擦阻力(包括导向装置和活塞与缸壁之间的摩擦阻力)(N);P密密封装置处的摩擦阻力(N)，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不同。P背液压缸非工作腔压力(即背压)所造成的阻力(N)，若非工作腔与油箱相连时，则 P背 =0 手臂作水平伸缩时所需的驱动力: 图4-1 手嘴伸出时的受力状态4.2手臂升降和回转部分4.2.1结构设计手臂升降装置由转柱、升降缸活塞轴、升降缸体、碰铁、可调定位块、定位拉杆、定位块联接盘和导向杆等组成。实现机械手手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。在本机械手中，手臂回转装置由回转缸体、转轴、定片、回转定位块、回转中间定位块等组成。当油液通过管路分别进入手臂回转液压缸的两腔时，推动动片连同转轴一同回转，转轴通过平键而带动升降液压缸活塞轴、定位块联接盘、导向杆、定位拉杆、升降缸体和转柱等同步回转。因转柱和手臂用螺栓连接，故手臂作回转运动。手臂回转液压缸采用矩形密封圈来密封，密封性能较好，对液压缸孔的机械加工精度也易于保证。4.3手臂伸缩液压缸的设计1驱动力计算根据手臂伸缩运动的驱动力公式:F=Ff + （4-2）其中，由于手臂运动从静止开始，所以v=v, 摩攘系数:设计液压缸材料为ZL3，活塞材料为45钢，查有关手册可得f=0.17.质量计算:手臂伸缩部分主要由手臂伸缩液压缸、手臂回转液压缸、夹紧液压缸、手爪及相关的固定元件组成。液压缸为标准液压缸，根据中国气动元件厂的产品样本可估其质量，同时测量设计的有关尺寸，得知伸缩部分夹紧物体时其质量为70kg，放松物件后其质量为55kg.接触面积:S=O.5m2 则上料时： F=F + = =1540（N）下料时： F=F + = =935(N) 考虑安全因素，应乘以安全系数K=1.2则上料时: F=15401.2=1850 (N)下料时: F=9351.2=1120 (N)2、液压缸的直径根据双作用液压缸的计算公式: （4-3）（4-4）其中: F活塞杆伸出时的推力，NF活塞杆缩入时的拉力d活塞直径，mm P液压缸工作压力，Pa代入有关数据，得:当推力做功时: （4-5） = =108.5(mm)当拉力做功时:D=(1.011.09)4F/ =(1.011.09) =92.12(mm) 圆整后，取D=100mm 3、活塞杆直径的计算根据设计要求,此活塞杆为空心活塞杆，目的是杆内将装有3根伸缩油管。因此，活塞杆内径要尽可能大，假设取d=70mm, d=56mm.校核如下:(按纵向弯曲极限力计算)液压缸承受纵向推力达到极限力F以后，活塞杆会产生轴向弯曲，出现不稳定现象。因此，必须使推力负载(液压缸工作负载F与工作总阻力F之和)小于极限力F。该极限力与液压缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。有关公式为: （4-6）式中: L活塞杆计算长度，mK活塞杆横截面回转半径，空心杆，md空心活塞杆内孔直径，mA活塞杆横截面面积，空心杆，mf材料强度实验值，对钢取f=2.110Paa系数，对钢a=1/5000代入有关数据，得: = =573(KN)推力负载为: 代入有关数据，得: = =3142(N) 所以，安全。设计符合要求。4,缸筒壁厚计算根据公式：（4-7）式中P为实验压力，取P=1.5P=0.610Pa材料为ZL3，则=3MPa，则： = =10 mm，故取=10 mm4.4 液压系统主要参数4.4.1液压缸和液压马达的设计计算一、液压缸的设计计算1.初定液压缸工作压力液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素：(1)各类设备的不同特点和使用场合。(2)考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选得高1些，则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高。所以，液压缸的工作压力的选择有两种方式：1是根据机械类型选；二是根据切削负载选。如表4-1、表4-2所示。表4-1 按负载选执行文件的工作压力负载/N50005001000010000200002000030000300005000050000工作压力/MPa0.811.522.5334455表4-2 按机械类型选执行文件的工作压力机械类型机床农业机械工程机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPaa2358810101620322.液压缸的流量计算液压缸的最大流量： qmax=Avmax (m3/s) （4-8）式中：A为液压缸的有效面积A1或A2(m2)；vmax为液压缸的最大速度(m/s)。液压缸的最小流量： qmin=Avmin(m3/s) 式中：vmin为液压缸的最小速度。液压缸的最小流量qmin，应等于或大于流量阀或变量泵的最小稳定流量。若不满足此要求时，则需重新选定液压缸的工作压力，使工作压力低1些，缸的有效工作面积大1些，所需最小流量qmin也大1些，以满足上述要求。流量阀和变量泵的最小稳定流量，可从产品样本中查到。二、液压马达的设计计算1.计算液压马达排量液压马达排量根据下式决定： vm=6.28T/pmmin(m3/r) （4-9）式中：T为液压马达的负载力矩(Nm)；pm为液压马达进出口压力差(N/m3)；min为液压马达的机械效率，1般齿轮和柱塞马达取0.30.35，叶片马达取0.80.3。2. 计算液压马达所需流量液压马达的最大流量： qmax=vmnmax(m3/s) （4-10）式中：vm为液压马达排量(m3/r)；nmax为液压马达的最高转速(r/s)。4.4.2 液压元件的选择一，液压泵的确定与所需功率的计算1.液压泵的确定(1)确定液压泵的最大工作压力。液压泵所需工作压力的确定，主要根据液压缸在工作循环各阶段所需最大压力p1，再加上油泵的出油口到缸进油口处总的压力损失p，即 pB=p1+p （4-11） p包括油液流经流量阀和其他元件的局部压力损失、管路沿程损失等，在系统管路未设计之前，可根据同类系统经验估计，1般管路简单的节流阀调速系统p为(25)105Pa，用调速阀及管路复杂的系统p为(515)105Pa，p也可只考虑流经各控制阀的压力损失，而将管路系统的沿程损失忽略不计，各阀的额定压力损失可从液压元件手册或产品样本中查找，也可参照表4-3选取。表4-3 常用中、低压各类阀的压力损失(pn)阀名pn(105Pa)阀名pn(105Pa)阀名pn(105Pa)阀名pn(105Pa)单向阀0.30.5背压阀38行程阀1.52转阀1.52换向阀1.53节流阀23顺序阀1.53调速阀35 (2)确定液压泵的流量qB。泵的流量qB根据执行元件动作循环所需最大流量qmax和系统的泄漏确定。多液压缸同时动作时，液压泵的流量要大于同时动作的几个液压缸(或马达)所需的最大流量，并应考虑系统的泄漏和液压泵磨损后容积效率的下降，即qBK(q)max(m3/s) （4-12）式中：K为系统泄漏系数，1般取1.11.3，大流量取小值，小流量取大值；(q)max为同时动作的液压缸(或马达)的最大总流量(m3/s)。采用差动液压缸回路时，液压泵所需流量为： qBK(A1-A2)vmax(m3/s) 式中：A 1，A 2为分别为液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积(m2)；vmax为活塞的最大移动速度(m/s)。当系统使用蓄能器时，液压泵流量按系统在1个循环周期中的平均流量选取，即 qB=ViK/Ti （4-13）式中：Vi为液压缸在工作周期中的总耗油量(m3)；Ti为机器的工作周期(s)；Z为液压缸的个数。(3)选择液压泵的规格：根据上面所计算的最大压力pB和流量qB，查液压元件产品样本，选择与PB和qB相当的液压泵的规格型号。上面所计算的最大压力pB是系统静态压力，系统工作过程中存在着过渡过程的动态压力，而动态压力往往比静态压力高得多，所以泵的额定压力pB应比系统最高压力大25%60%，使液压泵有1定的压力储备。若系统属于高压范围，压力储备取小值；若系统属于中低压范围，压力储备取大值。(4)确定驱动液压泵的功率。当液压泵的压力和流量比较衡定时，所需功率为： p=pBqB/103B (kW) （4-14）式中：pB为液压泵的最大工作压力(N/m2)；qB为液压泵的流量(m3/s)；B为液压泵的总效率，各种形式液压泵的总效率可参考表4-4估取，液压泵规格大，取大值，反之取小值，定量泵取大值，变量泵取小值。表4-4 液压泵的总效率液压泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵总效率0.60.70.650.800.600.750.800.85在工作循环中，泵的压力和流量有显著变化时，可分别计算出工作循环中各个阶段所需的驱动功率，然后求其平均值，即 p= （4-15）式中：t1，t2，tn为1个工作循环中各阶段所需的时间(s)；P1，P2，Pn为1个工作循环中各阶段所需的功率(kW)。按上述功率和泵的转速，可以从产品样本中选取标准电动机，再进行验算，使电动机发出最大功率时，其超载量在允许范围内。二、阀类元件的选择1.选择依据选择依据为：额定压力，最大流量，动作方式，安装固定方式，压力损失数值，工作性能参数和工作寿命等。2.选择阀类元件应注意的问题(1)应尽量选用标准定型产品，除非不得已时才自行设计专用件。(2)阀类元件的规格主要根据流经该阀油液的最大压力和最大流量选取。选择溢流阀时，应按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，应考虑其最小稳定流量满足机器低速性能的要求。(3)一般选择控制阀的额定流量应比系统管路实际通过的流量一些，必要时，允许通过阀的最大流量超过其额定流量的20%。三、管道的选择1.油管类型的选择液压系统中使用的油管分硬管和软管，选择的油管应有足够的通流截面和承压能力，同时，应尽量缩短管路，避免急转弯和截面突变。(1)钢管：中高压系统选用无缝钢管，低压系统选用焊接钢管，钢管价格低，性能好，使用广泛。(2)铜管：紫铜管工作压力在6.510MPa以下，易变曲，便于装配；黄铜管承受压力较高，达25MPa，不如紫铜管易弯曲。铜管价格高，抗震能力弱，易使油液氧化，应尽量少用，只用于液压装置配接不方便的部位。(3)软管：用于两个相对运动件之间的连接。高压橡胶软管中夹有钢丝编织物；低压橡胶软管中夹有棉线或麻线编织物；尼龙管是乳白色半透明管，承压能力为2.58MPa，多用于低压管道。因软管弹性变形大，容易引起运动部件爬行，所以软管不宜装在液压缸和调速阀之间。 2.油管尺寸的确定(1)油管内径d按下式计算： d= （4-16）式中：q为通过油管的最大流量(m3/s)；v为管道内允许的流速(m/s)。1般吸油管取0.55(m/s)；压力油管取2.55(m/s)；回油管取1.52(m/s)。(2)油管壁厚按下式计算：pd/2 （4-17）式中：p为管内最大工作压力；为油管材料的许用压力，=b/n；b为材料的抗拉强度；n为安全系数，钢管p7MPa时，取n=8；p17.5MPa时，取n=6；p17.5MPa时，取n=4。根据计算出的油管内径和壁厚，查手册选取标准规格油管。四、油箱的设计油箱的作用是储油，散发油的热量，沉淀油中杂质，逸出油中的液压体。其形式有开式和闭式两种：开式油箱油液液面与大液压相通；闭式油箱油液液面与大液压隔绝。开式油箱应用较多。1.油箱设计要点(1)油箱应有足够的容积以满足散热，同时其容积应保证系统中油液全部流回油箱时不渗出，油液液面不应超过油箱高度的80%。(2)吸箱管和回油管的间距应尽量大。(3)油箱底部应有适当斜度，泄油口置于最低处，以便排油。(4)注油器上应装滤网。(5)油箱的箱壁应涂耐油防锈涂料。2.油箱容量计算油箱的有效容量V可近似用液压泵单位时间内排出油液的体积确定。 (4-18)式中：K为系数，低压系统取24，中、高压系统取57；q为同1油箱供油的各液压泵流量总和。五、滤油器的选择选择滤油器的依据有以下几点：(1)承载能力：按系统管路工作压力确定。(2)过滤精度：按被保护元件的精度要求确定。(3)通流能力：按通过最大流量确定。 (4)阻力压降：应满足过滤材料强度与系数要求。表 4-5滤油器过滤精度的选择系统过滤精度(m)元件过滤精度(m)低压系统100150滑阀1/3最小间隙70105Pa系统50节流孔1/7孔径(孔径小于1.8mm)100105Pa系统25流量控制阀2.530140105Pa系统1015安全阀溢流阀1525电液伺服系统5高精度伺服系统2.54.5液压系统图图4-1液压系统图1 过滤器，2（16）截止阀，3 单向定量液压泵，4 溢流阀，5 回转液压马达，6（12）平衡阀，8(11)可调节流阀，9（10）液压缸，14夹紧缸，15压力表，17不可调节流阀 1转台回转支路回转支路的执行元件是一个大转矩液压马达，它能双向驱动转台回转。马达由手动换向阀A控制正、反转，其油路为进油路：液压泵-A-回转马达回油路：回转马达-A-B-C-D-油箱2手臂的升降支路手臂升降支路的执行元件是一个液压缸，它的伸缩运动驱动手臂的上、下移动。液压缸由手动换向阀B控制上、下移动，其油路为进油路:液压泵-A-B-平衡阀6中的单向阀-液压缸无杆腔回油路：液压缸有杆腔-B-C-D-油箱3手臂的伸缩支路手臂伸缩支路的执行元件是一个液压缸，它的伸缩运动驱动手臂的左、右移动。液压缸由手动换向阀C控制左、右移动，其油路为进油路：液压泵-A-B-C-平衡阀12中的单向阀-液压缸无杆腔回油路：液压缸有杆腔-C-D-油箱4手抓的夹松支路手抓夹松支路的执行元件是一个液压缸，它的伸缩运动驱动手臂的夹松。液压缸由手动换向阀D控制上、下移动，其油路为进油路：液压泵-A-B-C-D-液压缸上腔回油路：液压缸下腔-D-油箱4.4.4液压系统的主要特点 1系统中采用了平衡回路，能保证机械手工作可靠，操作安全。 2采用三位四通手动换向阀，不仅可以灵活方便地控制换向动作，还可通过手柄操纵来控制流量，以实现节流调速。在工作中，将此节流方法与控制发动机转速的方法结合使用，可实现各工作部件微速动作。 3换向阀串联组合，不仅各机构的动作可以独立进行，而且在轻载作业时，可实现起升和回转复合动作，以提高工作效率。第5章机械手的控制系统5.1 可编程序控制器的选择及工作过程5.1.1 可编程序控制器的选择目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。5.1.2 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时， CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。第二阶段是处理输入信号阶段。在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。5.2可编程序控制器的使用步骤在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时，通常以七个步骤进行:(1)系统设计即确定被控对象的动作及动作顺序。(2) I/0分配即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号.此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。(3)画梯形图它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。 (4)助记符机器程序相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。(5)编制程序即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。(6)调试程序即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件。(7)保存程序调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。 5.3机械手可编程序控制器控制方案5.3.1系统简介控制对象为圆柱座标液动机械手。它的手臂具有三个自由度，即水平方向的伸、缩;竖直方向的上、下;绕立柱的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末端执行装置机械手，还可完成抓、放功能。5.3.2操作面板布置图5-1为操作面板布置图。接通I0.9是单操作方式。按加

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