加工中心机械手结构及控制部分设计概述.docx

加工中心机械手结构及控制部分设计概述-作者：-日期：摘 要机械手是自动换刀装置中主要工具，担负着把刀库中的刀具传送到主轴上，然后把主轴上不用的刀具快速返回刀库中。思路是用机械手的动作来实现对加工中心的换刀，机械手的转动是用回转液压缸运来完成的，它的动力是由驱动系统实现。加工中心自动换刀装置，一般是由刀库和机械手组成，它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益，自动换刀装置是加工中心的重要内容，各厂家保密，很少公开相关资料，尤其是机械手部分更是如此。这些机械手的拔刀、插刀动作，大都由油缸动作来完成。根据结构要求，可以采用油缸动，活塞固定；或活塞动，油缸固定的形式。整个机械手由机械臂伸缩机构，机械爪开合机构，回转机构及装卸刀具直线运动机构组成。关键词：加工中心；机械手；刀库；机械臂 Abstract Manipulator is automatically change tool device the main tool to exchange tool, it bears on the knife library on the tool to spindle, and then the spindle has used tool returns tasks on tool store. Design idea is to use robots to achieve the action machining center, the rotation of the manipulator change cutters are shipped turn hydraulic cylinder, its power is realized by drive system implementation. Machining center, the automatic cutter replacement device is usually composed by knife library and manipulator, it is the symbol of processing center, it is crucial to the success of the processing center link. So the processing center manufactures are developed rapidly next vigorously, high reliability of action, in order to be automatic cutter replacement device in the fierce competition and achieved good benefit, automatically change tool device is the core content of machining center, the manufacturers are confidential, seldom publicly about material, especially manipulator part is even more so. This manipulator, a sword, inserted knife action by oil cylinder action mostly to finish. According to the structural requirement, can use oil cylinder move, piston fixed; Or the piston move, oil cylinder fixed structure. The whole manipulator, by mechanical arm telescopic institution of mechanical claw opening-closing institutions, rotary institutions and loading and unloading tool linear motion mechanism composition.Key words: machining centre；manipulator；magazine tool；mechanical arm 目录 1绪论12机械手主要参数22.1主要参数22.2规格参数23机械手总体设计43.1机械手的布局形式43.2机械手的设计内容44机械手机构设计54.1机械手手部机构设计要求54.2机械手手部类型54.3机械手手臂的机构设计64.3.1手臂的直线运动机构74.3.2 手臂回转运动机构84.3.3导向装置85机械手主要部件设计计算105.1机械手装刀与卸刀伸缩时驱动计算105.1.1粗算机械手手部质量115.1.2计算单臂液压缸的质量:115.1.3手臂伸缩运动的惯性力145.1.4手臂伸缩时驱动力计算公式145.1.5转轴转动时驱动力矩的计算145.1.6计算丝杆驱动力矩196机械手液压系统设计226.1液压系统的简介226.2机械手液压系统的控制回路226.3液压系统的组成226.3.1压力控制回路226.3.2速度控制回路236.3.3方向控制回路246.4机械手液压传动系统246.5机械手手爪伸缩油缸设计246.5.1确定油缸直径246.6油缸臂原的设计256.6.1活塞杆的计算256.7手臂回转油缸选择256.8滑座伸缩油缸设计计算256.9活塞杆直径的计算266.10丝杠升降时液压马达参数，规格的选定266.11油缸的泄露与密封266.11.1机械手往复运动油缸的密封圈266.12.2回转油缸的密封与泄露266.13液传动机械手的缓冲与定位精度276.13.1机械手的运动平稳与定位精度276.13.2油缸缓冲装置276.13.3回转油缸缓冲装置276.13.4液压机械手定位276.14机械手液压控制阀的选择276.15管件的选择287机械手控制系统设计297.1pc控制范围与现象297.2确定pc控制图307.3可编程序控制器的维护和安装307.3.1pc安装避免的场合307.3.2连线30参考文献33总结34致谢351绪论 加工中心换刀机械手的设计实现手架伸缩和旋转，手指夹紧，手臂伸缩，自由度分析，系统设计，确定驱动机构，手指夹紧力的分析，关键部位的校核。能模仿人手和手臂的某些动作功能，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。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：1.机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。2.在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。3.可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。4.可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。5.宇宙及海洋的开发。2机械手主要参数2.1主要参数1、抓重 一般10公斤左右。2、自由度与坐标形式 根据具体情况。3、运动速度 根据生产拍节的长短，精度，生产平稳性。4、行程范围 坐标形式，抓重大小，使用性能，驱动方式有关，一般为5001000毫米内。2.2规格参数1、抓重 2、自由度与坐标形式 3、运动参数4、定位5、驱动6、手指的握力7、接受信号8、程序编程9、质量10、轮廓数据3机械手总体设计3.1机械手的布局形式加工中心自动换刀机械手是机床的一部分，所以存在机械手与机床的位置关系的合理性。本次设计为卧式加工中心机械手的设计。由于机床主轴水平放置，需要机械手将刀具直接送到机床主轴中心线上，机床的夹紧装置为立即夹紧。刀库为四排六十把刀，机械手需要放置在刀库和机床主轴之间，抓刀后回转180度，本设计机械手采用固定的落地式机械手。3.2机械手的设计内容1、机械手的移动形式机械手应该具备回转，上下移动，滑座和手臂的伸缩，所以四个自由度才能实现刀具从刀库移出精确定位到主轴上。如图3.1图3.1机械手运动简图2、机械手的坐标形式机械手位于机床刀具与主轴之间，所以需要占地面积较小，机构应该简单，然而主轴与刀具之间距离达到了1140毫米机械手回转中心在主轴与刀库中间，因此机械手的活动范围比较大，并且机械手的定位精度较高为了能够准确卸刀与装刀，综上所述，选用圆柱坐标比较合理。3、机械手的参数确定a、抓重 一般额定抓重有1，1.6，2.5，4，6.3，10，25，40，63，100参照基本关系确定抓重手部夹紧力的计算如图3.2 图3.2系统结构图按公式N=0.5G确定抓重。即:N=0.5X15=7.5kg=75N N-机械手夹紧力N G-刀具质量kg刀库中的刀具最大质量15kg，所以夹紧力G为75N，机械手手指的夹紧用弹簧实现，所以夹紧力为弹簧的拉伸力。按额定抓重选大于10kg的弹簧力的弹簧。机械手手部机构见机械图第四页。b、机械手自由度有4个，坐标形式为圆柱坐标形式。c、机械手行程 机械手升降行程1260mm，机械手手部伸缩最大行程195mm，滑座伸缩行程155mm，旋转回转角0180。d、机械手运动参数机械手速度范围如下:伸缩速度50mm/s500mm/s上升速度40mm/s500mm/s下降速度80mm/s800mm/s回转速度30/s90/s加速度 最大值5m/s2减速度 最大10 m/s2为了确保机械手运动平稳精确，机械手各部分速度上升速度0.3m/s 下降速度0.3m/s滑座伸缩0.2m/s 转轴回转60/s滑座伸缩0.2m/s 加速度2 m/s2回转角速度10rad/ s2f、机械手定位精度 定位精度0.2mm g、控制方式 可编程控制器h、位置检测 行程开关与微动开i、驱动方式 液压4机械手机构设计 4.1机械手手部机构设计要求手部设计要求:夹紧力适中，有足够的开合范围，不宜磨损工件，稳定变形小。机构简单，体积小，质量轻。并且手指有一定的刚度和强度。4.2机械手手部类型机械手手部简图如图4.1，采用了手指回转型弹簧传力机构。由活动抓1与固定抓7构成，并且活动抓1可以绕2进行回转，其中另一端在弹簧塞6作用下，支靠于销3上，调整螺钉5保持手部适当的夹紧力，锁紧销4使活动抓1牢固抓紧刀柄，为了防止刀具松动，锁紧销4可以轴向移动，放松活动抓1为了方便插刀或从刀柄V型槽中退出。成45一个手臂抓新刀，另一个手臂抓旧刀，手部的直线运由液压缸来实现。机械手采用了双臂交叉式机械手，它是由卸刀手和装刀手构成，二手臂可以往返运动，并交叉。图4.1机械手手部机构图4.3机械手手臂的机构设计机械手手臂的作用是将工件传送到指定位置上，手臂一般有3个自由度，手臂的伸缩，升降和回转。手臂的伸缩由滑座与直线运动液压缸实现的，手臂的升降是由立柱与驱动机构实现的，手臂的回转由导柱和摆动液压缸来实现的。因此机械手采用双臂交叉式机械系，如图4.2所示。 图4.2手臂结构图4.3.1手臂的直线运动机构直线运动机构 直线往返运动采用液压驱动的活塞缸，活塞缸优点体积下，质量轻传动平稳。机械手伸缩运动参考图纸第4页，机械手伸缩运动 液压缸采用活塞杆固定，液压缸带动机械手往返运动。油路通过回转架和支座引入液压缸。液压缸二端都有节流缓冲回路。液压油进入液压缸前腔与后腔时，刚体带动卡爪前后运动。前后位置有调整螺钉，可触动微型开关，方便执行下一个运动。机械手水平滑座伸缩由液压缸来完成的采用活塞固定，液压缸做直线运动，油路采用活塞杆内走管，为了减小工作油腔的体积，使结构紧凑。手臂升降机构采用滚珠丝杠螺母机构。滚珠丝杠螺母机构的优点有位移有较高的准确性，且为连续的接触，精度保持性好，传动冲击小，驱动力矩小，运动平稳，寿命长，无噪音，螺旋升角小，可将螺旋运动转化成直线运动。丝杠支撑一端采用角接触球轴承与止推轴承，承受轴向力，另外一端采用深沟球轴承。滚珠丝杠为内循环方式，内反向器实现滚珠循环，反向器采用圆柱键反向器。螺母内进出口装有挡珠器，螺母外装有套筒。滚珠丝杠消除间隙与预紧采用双螺母法。调整垫片厚度也可以用来消除间隙与预紧。4.3.2 手臂回转运动机构为了实现机械手手臂回转运动，机构一般选用叶片式回转油缸，连杆，链轮传动机构，齿轮转动机构等。机械手手臂采用单叶片回转油缸，优点回转角一般小于360结构简单，体积小，可以得到无极变速的回转运动。摆动液压缸的定片固定于缸盖上，隔板固定在刚体上，当有压力油通入后，在液压作用下液压缸带动转轴转动，转轴和液压缸用双键链接，左端和机械手回转固定，转轴正转180时碰触微动开关，发出信号，在完成下一个动作。转轴内部有四条油路通向回转架，引到卸刀手与装刀手中，采用内部走管使机构整齐紧凑。滚珠丝杠的制动采用牙嵌式定位离合器实现的，离合器与丝杠之间传递用齿轮来完成的，并且大小齿轮比为3:1,原因是为了与预先制定机械手升降从一排刀库换刀位置之间的距离为420mm，丝杠导程10mm，所以丝杠要转动42圈，大齿轮转动14圈。定位离合器上部和下部的端齿只有一个啮合位置，这样才能使丝杠准确听了在换刀位置。4.3.3导向装置机械手手臂进行伸缩与升降运动时，为保证手部准确方向，增加手臂刚度，防止手臂绕着轴线方式转到，使活塞杆不用承受较大的弯曲力矩，所以手臂机构采用导向装置。机械手升降运动的导向装置采用双导向柱形式，以便手臂受力均衡，装配在手臂升降机构两侧。水平滑座的伸缩运动的导向装置是V形导轨。V形导轨的精确度与导向性较高，当导轨有磨损后会自动下沉来补偿磨损量，导轨间隙的调整依靠导轨上的螺钉来完成。卸刀和装刀的液压缸伸缩运动的导向采用燕尾导轨。燕尾导轨优点接触面积小，间隙调整方便，可承受颠覆力矩。该导轨间隙采的调整采用沿导轨方向发布的四个调整螺钉来实现。5机械手主要部件设计计算5.1机械手装刀与卸刀伸缩时驱动计算机械手伸缩受力如图5.1机械手采用液压传动，忽略密封装置的摩擦阻力，系统背压力用一个参数表示图5.1机械手伸缩运动受力图式中: kf摩擦情况系数, kf=(1+2ll0)f0cosI启动运动时移动部件含有抓重的重心移动方向到导向装置前端或者是导向装置的前支撑中心距离。f摩擦系数I0导向装置宽度或者是到乡装置的后端支撑中心到钱支撑中心距离：ka工作情况系数，公式ka=ag+sin;a启动时手臂运动的最大加速度cm/s2;kp背压力情况系数，存在kp=1，不存在kp=-1;ks安全系数，ks=1.53,液压驱动时取较小值;t启动时间，t=0.010.53s;G包括抓重在捏的伸缩部分质量（kgf）;pec启动运动的惯性力，pe =GVgt;v伸缩运动的速度;g重力加速度:g=981cm/s2;伸缩运动的手臂轴线向上水平面以上倾斜角度;5.1.1粗算机械手手部质量图5.2粗算手部质量图粗算手部质量，机械手部按三角形计算，如5.2，高h=650mm，底长a=520mm，宽度94mm，密度=7.8103kg/m3质量m=abh=7.81030.520.650.50.094=120kg5.1.2计算单臂液压缸的质量: 粗计算时按图5.3所示，由于伸缩运动由液压缸的运动完成的，因此机械手伸缩时间承受摩擦力为液压缸同导轨和活塞之间的摩擦力。 图5.3液压缸活动构建的质量包括液压缸包括液压缸，机械手爪和刀具质量。液压缸质量:mt=7.8103(0.0352-0.0252) 0.3=4.4kg 图5.4手爪部分质量技术图手爪部分质量如5.4，手爪质量m2=7.81030.16 0.120.094=14kg刀具最大质量m3=12kg图5.5摩擦力计算图手臂伸缩运动摩擦力公式为： F1=(u1+u2)Mgsin其中：F1摩擦力u1 u2摩擦系数M活动件质量，M=m1+m2+m3因此：M=m1+m2+m3=4.4+14+12=30.4kgu1=0.06活塞与液压缸摩擦系数 u2=0.08液压缸与导轨摩擦系数=22.5机械手上升摩擦力： F1=(u1+u2)Mgsin=(0.06+0.08) 30.49.81sin22.5=15.98N与手臂运动方向相反的重量的分力公式： F2=Mgcos其中M=m1+m2+m3=30.4 =22.5F2=Mgcos=275N5.1.3手臂伸缩运动的惯性力 Pe=GVgt液压缸直线运动速度0.2m/s,启动时间0.2sPe=GVgt=30.49.810.29.810.2=30.4N5.1.4手臂伸缩时驱动力计算公式：Pd=kskp(kf+ka)G+peKa=ag+sin a=2m/s2 =22.5Ka=ag+sin=29.81+sin22.5=0.58液压系统存在背压,背压系数kp=1.1，安全系数ks=2移动部件质量：G=( m1+m2+m3)=30.49.81=298.2N惯性力pe=30.4N摩擦情况系数: kf=(1+2ll0)f0cos移动部件重心到导向装置前端距离I=140mm导向装置宽度l0=240mm导轨和液压缸间摩擦系数f=0.06 =22.5kf=（1+1402402）0.06cos22.5=0.12驱动力估算公式: Pd=kskp(kf+ka)G+pe=489.6N 有因素影响取Pd=500N5.1.5转轴转动时驱动力矩的计算转轴转动时驱动力矩计算式：Md=（1.21.1）（Mm+Mp+Mg）Nm。Mm转轴转动支撑处的摩擦力矩，公式：Mm=f2（N1D1+N2D2）Nm。f轴承摩擦系数，滑动轴承f=0.01，滚动轴承f=0.02。N1N2轴承处的支反力N。D1D2轴承直径。Mp克服工件重心偏置需要的力矩 Mp=GeNm。G工作质量。e偏心距。Mg克服腕部启动时需要的惯性力矩 Mg=JwtNm。t启动过程需要的时间。J腕部回转部件和回转轴心的转动惯量。w腕部回转角速度。驱动力矩计算简图5.65.6驱动力矩计算简图1.计算转动轴质量及相对转轴轴线的转动惯量 6.7计算简图如图6.7可按实体圆柱体计算，可参考机械图第2页，转轴质量：m=v=7.81030.3520.47=14.1kg相对轴线的转动惯力:J1=m2R2=14.120.0352=8.5710-3kgm22.计算机械手臂支架转动惯量 手臂支撑架的转动惯量计算图 图6.8图6.8转到惯量计算简图手臂支撑架形状可以简化为等腰三角形，质量120kg，手臂支架质心位置计算式h,=13h,其中b520mm,h=650所以h,=13650=210mm手臂支撑架转动惯量为：Jc=m4h2+3b272=120（40.652+30.522)72=2.7kgm2参照机械图第四页可知s=80mm。手架质心相对转轴中心线的转动惯量计算式：Jc，= Jc+me2=4.72kgm23.计算工件转动惯量可以简化成圆柱形，最大刀杆直径d=125mm，因此J2,=12m2R2=1212(0.1252)2=0.023kgm2工件对转轴中心线转动惯量计算式：工作中心线对转轴中心线的偏向距见图6.8：e=570mm于是J2= J2, +me2=0.023+12 0.57 2 =3.92kgm2估算回转部件对转轴中心线的转动惯量为：J= J1+ Jc，+J2=8.64 kgm2算出手腕回转运动启动时惯性力矩：Mg=Jwt w=0.52rad/s，t=0.5sMg=Jwt=9.04Nm（1）计算手腕转动件与工件偏重对转轴偏重力矩公式： U=G1e1+G2e2G1手腕转动件质量e1手腕转动件中心对转轴周县偏心距G2工件质量e2工件中心对转轴周县偏心距图5.8可知：e1=130mm e2=570mm偏重力矩up=G1e1+G2e212000.13+1200.57=224.4Nm（2）计算手腕转动轴在轴径处摩擦阻力矩：参照图6.8和机械图第2页和第四页可知L=300mm L1=220mm L3=150 DA=DB=35mm L2=120mm G1=1200N G2=120N G3=14.1NNA=G1l+l1+G2l+l2+G3(l-l3)l=58.75NNB=G2l1+G1l2-G3l3l=191.55N因此计算摩擦阻力矩，由于用的是滚动轴承，所以f=0.01Mm=f2(NADB+NBDA)= 120.01(587.20.035+191.550.035)=0.136Nm(3)计算驱动力矩：Md=1.2(Mm+Mp+Mg)=1.2(0.136+224.4+9.04)=280Nm(4)估算负载质量 伸缩油缸带动手臂的质量在计算的时候简化成矩形，见图5.9参考5.9与机械图第3页与第四页:b=140mm h=160mm l=520mm 估算其质量为：m=bhl=0.140.160.527.8103=90.8kg有机械图知伸缩活塞杆长380mm，直径为22mm，计算质量为：m杆=4d2 l=1.12kg由机械图知道回转轴的轴径为70mm，长为380mm，估算其值为：m轴=4d2 l=30.02kg由图6.9实际驱动质量减去此二部分质量m，=m- m杆- m轴=90.8-1.12-30.02=59.6kgm= m，+m1+m轴+m手 其中 m1工件最大反差m= m，+m1+m轴+m手=200.23kg(5)估算滑座伸缩驱动力，计算公式为：Pd=kskp(kf+ka)Gkf=(1+2ll0)f 参考机械图第2页l=155mm l0=540mm 由于导轨间摩擦力有润滑油，取f=0.06kf=（1+22155540）0.06=0094ka=ag a=2m/s2ka=ag=29.81=0.20 取kp=1.1 ks=1.8因此pd=1143.4N5.1.6计算丝杆驱动力矩1.丝杠计算载荷 FC=KFKHKlFm其中：KF载荷系数 取KF=1.2 KH硬座系数 取KH=1.12 Kl短行程系数 取Kl=1 Fm平均轴向载荷 Fm=2530N丝杠计算载荷为3400N2.丝杠额定动载荷Ga，=3nlh,1.67104FmGa，额定动载荷n丝杠转速 n=100r/minL,h运转寿命 h 设计寿命L,h=1.6105h Ga，=3nlh,1.67104Fm=31001.61051.67104Fm=28964N选用GQ50X10-B型，dm=50mm,螺距p=10mm 钢球直径Dw=5.95mm，螺旋升角=339,Ca=31200n,查表可知rs=0.52Dw=0.525.953=3.096mme=0.707(rs-Dw2)=0.084mm螺杠小直径：d1=dm+2e-2rs=43.98mm丝杠的驱动力矩：Tq=T1+T2+Tp其中：Tq丝杠驱动力矩 T1丝杠螺旋副摩擦力矩 T1=Fmdm2tg（+v）公式中：Fm作用于螺旋上轴向力 螺旋升角 =339, v当量摩擦角 v=8.4.T1=Fmdm2tg（+v）=3.886Nm支撑面的摩擦力矩：T2=Fmfd3+d44T2支撑面摩擦力矩f摩擦系数 取f=0.06 d3d4支撑面的内外径 d3=35mm d4=40mm 代入T2=Fmfd3+d44=2.85Nm偏重力矩图TP=hfdGh-承受偏重力矩支撑处的距离t启动过程需要的时间f-承受偏重力矩支撑处的静摩擦系数 取f=0.08d-丝杠直径 取d=0.05mG-回转部件总重量 取G=2530-升降部件重心到回转轴线距离 取=0.2mm参考机械图第一页可知：h=0.205mmP=hfdG=9.87Nm丝杠驱动力矩:Tq=T1+T2+Tp=16.6Nm5.丝杠稳定性验算:参考机械图第1页可知，丝杠的该行程I=1300mm稳定性公式:Fcr=2EIa(ul）2Fcr-临界载荷E-丝杠材料的弹性模量 取E=2.06105N/mm2Ia-危险截面的惯性矩Ia=1.84105N/mm4u-长度系数 取u=2Fcr=3.1422.061051.84105(21300)2=5.534104N有FcrFm=21.8 2.5-4安全6.丝杠刚度验算：公式 s=16T1S22Gd14+4FSEd12 其中 s-导程弹性变形量 s-导程 s=p=10mm G-螺杠材料变形模量 钢材料取G=8.33104N/mm2 d1-螺纹小径 取d1=44mm E-弹性模量 取E=2.06105N/mm2 s=16T1S22Gd14+4FSEd12=7.710-4mm ss=7.710-410=7.710-51.010-2mm 经检验刚度合格6机械手液压系统设计6.1液压系统的简介机械手液压传动是以有压力油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵的输出压力油，是将电动机供给机械能转换成油液压力能。压力油经过管道和一些控制调节的装置等进入油缸，推动活塞杆运动，使手臂作伸缩、升降的运动，油液的压力能转换成机械能。手臂在运动时所能克服摩擦的大小，及手部夹紧工件时所需要保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的运动速度取决于流入密封油缸中的油液容积的多少。这种借助于运动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属于容积式液压传动。6.2机械手液压系统的控制回路机械手的液压系统，根据机械手自由度的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基本控制回路组成。这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向，工作速度的调节以及同步运动等。6.3液压系统的组成液动机压力油驱动运动部件对外工作部分。手臂做直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角小于360的液动机，一般叫作回转油缸。油泵它供给液压系统压力油，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。控制调节装置各种阀类，如单向阀、节流阀、溢流阀、顺序阀、调速阀、减压阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动6.3.1压力控制回路调压回路在采用定量泵液压系统中，为控制系统最大工作压力，一般在油泵的出口附近设置溢流阀，用它来调节系统的压力，并将多余油液溢流回油箱。减压回路为了使机械手的液压系统局部压力降低或稳定，在要求减压的支路前串联上一个减压阀，以获得比系统压力更低压力。卸荷回路在机械手的各油缸不工作时，油泵电机还没停止工作的情况下，为减少油泵功率损耗，节省动力，降低系统发热，并使油泵在低负荷下工作，所以需要采用卸荷回路。此机械手主要采用二位二通电磁阀控制溢流阀的卸荷回路平衡与锁紧回路在机械液压的系统中，为了防止垂直机构因自重而任意下降，可采用平衡回路将垂直机构的自重给以平衡。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。本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路。油泵出口处接单向阀在油泵出口处接单向阀。其作用有二：第一是保护油泵。液压系统工作时，油泵向系统供应高压油液，以驱动油缸运动而做功。当一旦电机停止转动，油泵不再向外供油，系统中原有的高压油液具有一定能量，将迫使油泵反方向转动，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时间的联系，从而起到保护油缸的作用。第二是防止空气混入系统。在停机时，单向阀把系统能够和油泵隔断，防止系统的油液通过油泵流回油箱，避免空气混入，以保证启动时的平稳性。6.3.2速度控制回路液压机械手各种运动的速度的控制，主要是通过改变进入油缸的流量Q。控制方法有两类：一类，采用定量泵，利用调节节流阀通流截面来改变进入油缸或油的马达的流量；另一类，采用变量泵，改变油泵供油量。本机械手采用的使定量油泵节流调速回路。根据各油泵运动速度要求，分别采用LI型单向节流阀、LCI型单向节流阀或着QI型单向调速阀等进行调节。节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是：有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。采用节流阀进行节流调速时，负荷变化会引起油缸速度变化，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。调速阀能够随负荷的变化而自动饿调整和稳定所通过的流量，使油缸运动速度不受负荷变化的影响，对速度平稳性要求较高的场合，宜用调速阀实现节流来调速。6.3.3方向控制回路在机械手液压的系统中，为控制各油缸、马达运动方向和接通或关闭油路，常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和液动滑阀，由电控系统发出的电信号，控制电磁铁操纵阀芯的换向，使油缸及油马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。目前在液压系统中使用的电磁阀，按电源不同，可分为交流电磁阀（D型）和直流电磁阀（E型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为220V（也有380V或36V），直流电磁阀使用电压一般为24V（或110V）本机械手采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能较好，换向时间短，接线简单，并且价廉，但是当吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。6.4机械手液压传动系统液压系统图绘制是设计液压机械手的主要内容之一。液压系统图是各种液压元件为满足机械手动作要求的有机联系图。它通常由一些典型压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用的回路所组成。绘制液压系统图的一般顺序是：1.确定油缸和油泵，2.布置中间的控制调节回路和相应的元件，以及其他的辅助装置，从而组成整个液压的系统，并用液压系统图形符号，画出液压的原理图。6.5机械手手爪伸缩油缸设计6.5.1确定油缸直径 油缸直径设计计算式：D=1.13pp1mm p作用于活塞杠上总机械负载 p1油缸工作压力 D油缸内径液压系统压力由加工中心总回路压力确定，一般取值6.3N/mm2机械手总负载p=361N,考虑一些因素的影响，液压缸的负载扩大原来1.11.8倍，因此取p=3.611.5=541.5N 则公式:D=1.13pp1=43.61mm 根据JB826-66,取标准系列D=50mm 液压臂原的计算可按公式：=p4+D2D 其中： 液压缸臂厚 p计计算压力，p计=（1.21.3）P D油缸内径 =11.20 p计=1.2P=1.26.3=7.56N/mm2=p计D2=7.56 N/mm26.6油缸臂原的设计6.6.1活塞杆的计算活塞杆长度应该满足于杆强度要求与运动要求，当杆长大于直径15的杆，应该验算稳定性。活塞杆强度计算可以约等于直杆拉伸强度计算。即： =p4d2或d4p 其中： p活塞杆所受总的机械负载 d活塞杆直径 活塞杆材料许用应力 取=1N/mm2 d4p35.52mm 根据标准JB826-66,取标准值d=35mm 活塞杆长度与直径的比为ld=20035=5.715，因此不用检验稳定性 6.7手臂回转油缸选择 回转轴转动时油所需要的驱动力矩M驱=280Nm，查手册选用YM系列弹片回转油缸，参数: 工件压力：47MPa 排角：901430ml/r 扭矩：14588.6Nm 摆角：22304rad/s6.8滑座伸缩油缸设计计算 滑座伸缩所用驱动力为p=1413N 计算式: D=4pP1=1.13pP1=36.4mm 根据JB826-66可知，取标准D=40mm p计=1.2P=7.56MPa，=1100000N/mm2 =p计D2=7.37 ，取壁厚=8mm6.9活塞杆直径的计算 =p4d2 可知杆径d d4p p=1413 =1.2108N/mm2 d18.7mm 根据TB826-66,取标准d=22mm6.10丝杠升降时液压马达参数，规格的选定 油马达规格参数选定应根据工作需要，由已经计算出丝杠驱动力Tq=16.6Nm根据标准应选YM-A28B型叶片油马达，参数： 排量：28ml/r 输出扭矩：18.0Nm 转速:100 2000r/min 工作压力:6.3MPa6.11油缸的泄露与密封 液压机械手漏泄压力下降，导致工作不稳定。常用密封圈来完成密封，用来预压和在工作时由于油压的作用。6.11.1机械手往复运动油缸的密封圈 对于往复直线运动的油缸来说，泄露的主要原因是加工精度和光洁度不够和密封装置的不良。 活塞油缸的静密封主要用0型密封圈，当为动密封用0型和v型密封圈。 0型密封圈结构简单，摩擦小，密封良好，沟槽尺寸小的优点。 V型密封圈安装在活塞与缸体和活塞与缸盖的密封，注意支撑环必须面对压力油方向。6.12.2回转油缸的密封与泄露 机械手回转机构采用液压缸来实现，由于有间隙导致泄露，导致油液压力降低，使输出扭矩减小从而影响正常回转。 回转油缸的动片与缸壁用螺钉连接，应对动片的三个相对运动表面和一定固定连接表面进行密封。6.13液传动机械手的缓冲与定位精度6.13.1机械手的运动平稳与定位精度 平稳 指机械手从启动到正常工作速度再从正常工作速度经过制动后到停止运动的过程速度突变过程。定位精度 机械手重复搬运物件到实际位置和给定位置所产生误差。 为了保持稳定性和精度，应该设置缓冲装置。6.13.2油缸缓冲装置 活塞油缸缓冲装置由活塞端部的柱塞和缸盖的凹槽组成，当活塞运动到使柱塞渐渐被排入凹槽，并将存在于缓冲油腔内的油液经过柱塞和凹槽间的缝隙或节流孔渐渐排出，油液被排出时，产生缓冲压力，从而使活塞减速。 可调式油缸端部缓冲装置由单向阀和缓冲调节阀构成。当缓冲柱塞运动到封住环形槽时，缓冲油腔内的油液，缓冲调节阀流回油缸，启动时油液由单向7进入油腔，调节缓冲调节阀的螺钉，可以改变节流压力，从而到达缓冲目的。6.13.3回转油缸缓冲装置 摆动油缸端部缓冲装置易采用单向阀和节流阀组成。6.13.4液压机械手定位 它的定位一般有电气定位系统和机械定位，本次设计用电气定位系统，但回转轴回转由螺钉调节后定位，其他的采用行程开关来检查位置，从而来控制电磁阀的通断，最终切断油路从使机械手定位。6.14机械手液压控制阀的选择 为了调节各回路的流量以控制和改变执行元件的速度，回路均设有单向节流阀。方向控制阀由三位四通电磁换向阀构成。回路中为了控制油泵的输出压 力，安装有溢流阀。为了避免液压器件的突然换向引起的液压冲击及脉动压力和补偿系统的泄露。 电磁换向阀选用2400B8C型电磁换向阀，技术规格:电源电压:220V通径:10mm额定压力:14Mpa允许臂压:6.3Mpa额定流量:22l/min单向节流阀选用LDF型单向节流阀，技术规格: 质量:1.5kg 通径:10mm扭矩:120Nm最低调节压力:0.63.0Map为了延长使用时间，应该在回路中安装滤油器。滤油器选用线隙式滤油器，技术要求:型号:XUJI0X80通径:10mm流量:10I/min过滤情况:80um为了防止空气流入油泵和油泵停止转动时液压油流入油泵，因此装单向阀，单向阀选用DIFL10H1型，技术规格:通径:10mm额定流量:25I/min额定压力:21Map6.15管件的选择 运动部件中的管道选用胶管形式。7机械手控制系统设计本次机械手设计系统选用可编程器控制机械手运动pc优点组合灵活扩展方便抗干扰性强，可靠性高机构简单，使用方便控制程序可变，良好的柔性7.1pc控制范围与现象选用pc控制原因机械手环境较差，安全性也可靠性高，开关多机械手运动顺序：1. 主轴准停信号发出2. 机械手上升寻刀3. 刀库发信号4. 机械手停止在被选刀换刀位置5. 装刀手伸出抓刀6. 滑座伸出拔刀7. 装刀手缩回8. 滑座缩回9. 转轴正转10. 机械手上升到主轴换刀位置11. 卸刀手伸出拔刀12. 滑座伸出拔刀13. 卸刀手缩回14. 装刀手伸出15. 滑座缩回装刀16. 装刀手缩回17. 转轴反转18. 机械手下降归位机械手运动开关量顺序控制，由行程开关，接近开关作输入信号，电磁阀作为执行元件。7.2确定pc控制图 输入输出接线图可参照机械图，依据接线图，需要14个开关量检测点，控制11个开关元件，所以选用F1-60MRPC7.3可编程序控制器的维护和安装pc工作环境恶劣，干扰多，因此应该注意pc正确安装和维护7.3.1pc安装避免的场合:环境温度超过050度 相对温度超过85或则在露水凝聚（温度突变） 太阳直接照射 有腐蚀和易燃液体（氯化氢） 有大量铁粉或灰尘 平凡或者连续的工作 超过10g（重力加速度）冲击为了避免外部干扰可编程控制器应该远离高压电源与高压设备 ，它们之间距离至少200mm。可编程控制器垂直安装时，要严防导线头和铁屑从通风窗掉入可编程控制器内部造成短路使设备永久失效。7.3.2连线 60