6135柴油机油泵凸轮轴自动生产线送料机械手设计_毕业设计

辽宁科技大学毕业设计论文任务书课题名称6135柴油机油泵凸轮轴自动生产线送料机械手设计设计类论文类生产实际科研实际社会实际其它来源课题类别课题来源毕业设计论文要求、设计参数、各阶段实践安排、应完成的主要工作等1设计要求1机械手装配图一张2机械手零件图三张五张3设计计算说明书一份4全部设计图纸用CAD完成2设计参数1抓重3KG2自由度数3个3手臂前后移动1800MM上下升降350MM横移50MM3各阶段安排、应完成的主要工作第1周查阅资料，设计方案确定第2周电机计算与选择第3周手部等执行部件计算第45周装配图绘制第67周典型零件图绘制第89周整理说明书并准备答辩第10周答辩指导教师签字于克强2012年3月30日院长系主任签字年月日6135柴油机油泵凸轮轴自动生产线送料机械手设计摘要随着工业自动化的发展，工业机械手的应用越来越普遍，已被广泛地应用于各行各业中。本文主要针对用于油泵凸轮轴自动线上，在相邻工位间搬运工件的机械手即油泵凸轮轴加工自动线送料机械手进行设计。首先，简要介绍了机械手的基本概念、机械手的组成和分类，以及工业机械手的简史和发展趋势。其次，本文通过油泵凸轮轴加工自动线送料机械手的动作分析，确定了机械手的坐标形式、自由度和驱动机构，确定了机械手的主要技术参数；完成了油泵凸轮轴自动线送料机械手的总体方案设计。再次，完成了机械手的手部、臂部和机身的结构设计。最后，通过对机械手的动作行程分析，设计了可满足机械手循环动作要求的液压系统原理图。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；凸轮轴；液压系统；PLC设计THEDESIGNOF6135DIESELENGINEOILPUMPCAMSHAFTAUTOMATICPRODUCTIONLINEFEEDINGMANIPULATORABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFINDUSTRIALAUTOMATION,THEINDUSTRIALMANIPULATORSAREUSEDWIDELYTHEYAREAPPLIEDINKINDSOFINDUSTRYTHEMAINIDEAOFTHISARTICLEISTHEDESIGNOFMANIPULATORTOMOVINGWORKPIECESBETWEENADJACENTWORKINGPOSITION,THATISTHEDESIGNOFAUTOMATICPRODUCTIONLINEFORCAMSHAFTPUMPFEEDINGMANIPULATORFIRSTLY,THEBASICCONCEPTOFTHEROBOTISINTRODUCEDBRIEFLY,THECOMPOSITIONANDCLASSIFICATIONOFROBOT,THEDEVELOPMENTHISTORYOFINDUSTRIALROBOTSANDDEVELOPMENTTRENDSOFINDUSTRIALROBOTSSECONDLY,TOANALYZINGTHEPROCESSOFAUTOMATICPRODUCTIONLINEFORCAMSHAFTPUMPFEEDINGROBOT,THECOORDINATESFORM，THENUMBEROFFREEDOMANDDRIVEMECHANISMOFMANIPULATORAREDETERMINED,THEMAINTECHNICALPARAMETERSOFMECHANICALHANDISIDENTIFIED,ANDTHEOVERALLDESIGNOFAUTOMATICLINEFEEDPUMPCAMSHAFTMECHANICALHANDISCOMPLETEDTHIRDLY,THESTRUCTUREDESIGNOFHAND,ARMANDBODYARECOMPLETEDFINALLY,THROUGHANALYZINGTHEMOVEMENTOFMECHANICALHAND,THESCHEMATICDIAGRAMOFHYDRAULICSYSTEMTOMEETTHEREQUIREMENTSOFMANIPULATORSLOOPMOVEMENTISDESIGNEDTHEWORKOFTHEMANIPULATORTIMINGDIAGRAMANDLADDERDIAGRAMAREDRAWACCORDINGTOWORKFORTHEPROCESSOFPLCCONTROLSCHEME,ANDWORKINGOUTPLCCONTROLPROCEDURESKEYWORDMANIPULATOR，CAMSHAFT，HYDRAULICSYSTEM，PROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLC目录1绪论111工业机械手在生产中的应用112工业机械手的组成113工业机械手的分类2131按驱动方式分类2132按手臂坐标分类3133按用途分类314工业机械手的发展现状315研究意义42总体设计方案的论证521机械手的总体设计5211机械手的结构形式5212本次设计采用的方案622主要技术参数的确定623机械手的配置和工作原理73送料机械手的结构设计及校核931送料机械手的总体机构932手部结构的设计9321手部结构的分类9322手部设计应注意的问题9323本次设计采用的手部结构10324手部设计的计算1133手臂结构设计12331手臂的配置形式12332手臂的组成和作用13333手臂设计应注意的问题13334手臂升降油缸设计的计算14335手臂横移油缸的设计计算194液压驱动系统设计2241液压系统的组成2242液压系统的主要特点2243液压系统传动方案的确定23431各液压缸的换向回路23432调速方案24433减速缓冲回路25434控制元件方向阀、压力阀2544液压系统的合成和完善2645液压系统的计算285控制系统的设计2951PLC的组成2952PLC的特点2953系统的整体设计分析30531输入/输出点地址分配31532PLC接线图31533控制面板3254PLC编程梯形图3355系统调试34结束语36致谢37参考文献381绪论近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地用于锻压、冲压、铸造、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著地优点而得到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业上产自动化的一个重要手段，国内外都很重视它的应用和发展。11工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上是不连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。目前在我国机械手常用于完成的工作有注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温溶液等等。12工业机械手的组成现代工业机械手一般由控制系统、驱动系统、位置检测系统及执行机构等组成。控制系统，是机械手系统的核心部分，其主要作用是使得工业机械手能够按照预定的动作正确地完成每一个动作。目前工业机械手的控制系一般都包括主控系统与定位系统。驱动系统，是工业机械手的动力装置，主要作用是作为执行机构的驱动源，由动力源和辅助装置组成。当前市场上的绝大部分工业机械手，采用的驱动方式为液压驱动、电力驱动、气压驱动和机械方式驱动。执行机构，是工业机械手的最终执行机构，作用是完成工件的取送工作，当前市场上大多数工业机械手的执行机构为手抓、夹钳和吸盘。位置检测系统，是实现工业机械手精确定位的装置，主要作用是实时检测机械手执行机构的具体位置，并将机械手的位置信息实时反馈给控制系统，而控制系统根据反馈回来的机械手位置与给定机械手位置进行比较，及时地修正机械手的位置，实现精确定位。13工业机械手的分类关于工业机械手的分类，在国际上尚无统一的分类，本文在此暂时按驱动方式、手臂坐标、使用范围对工业机械手进行分类。131按驱动方式分类1液压传动机械手液压传动机械手是以液压的压力作为动力源来驱动执行机构运动的一类机械手。这类机械手的特点是运行平稳、抓取力大、结构紧凑、动作灵敏。但是这类机械手也存在一定的缺点，它对密封装置要求非常高，要求密封装置不能有一点的泄露，否则机械手的工作性能将大大的降低，同时该类型的机械手不宜在温度过高和温度过低的环境下作业。如果该类型机械手采用电气和液压伺服驱动系统相结合的控制策略，则可以大大的提高机械手的整体性能，还可以实现连续轨迹控制，从而加大该类型机械手的通用性，但是电液伺服阀制造精度相对较高，而且油液过滤要求极其严格，成本也非常高，这就大大的限制了液压传动型机械手的应用。2气压传动机械手气压传动机械手是以空气的压力作为动力源来驱动执行机构运动的一种机械手。这类机械手的主要特点是动作迅速、成本较低、抓取力较小、结构简单、介质来源非常方便且无污染。但是，由于空气具有可压缩性，导致该类型机械手的工作速度稳定性比较差，冲击较大，如果气源压力比较低，抓取力一般小于300N，相比之下，该类型的机械手比液压传动机械手的结构大，因此该类型机械手适用于高速度、小负载、高温度和高粉尘的工作环境中进行作业。3电力传动机械手电力传动机械手是以电力作为驱动源来驱动执行机构的一类机械手，一般来说以直流电机、交流电机等各种电机作为驱动源，该类型的机械手的特点是运行速度快、易于控制、控制精度高、结构简单、维护与使用方便。当前这类机械手使用还不是很广泛，但非常有发展前途。4机械传动机械手机械传动机械手即由机械传动机构（如凸轮、齿轮和齿条、连杆、间歇机构等）驱动执行机构的一类机械手。它是一种专用机械手，它的主要特点是运动精确可靠，主要用于工作主机的上下料。132按手臂坐标分类机械手的手臂一般来说具有3个自由度，可采用直角坐标式（前后运动、上下运动、左右运动都是直线）、圆柱坐标式（前后运动、上下运动都是直线运动，左右运动为旋转运动）、球坐标式（前后运动为伸缩运动、上下运动为摆动运动和左右运动为旋转运动）和关节式（手臂能作任意的屈伸运动）四种方式。133按用途分类1专用机械手专用机械手是附属于主机的且具有一定的程序同时没有独立的控制系统的一类机械手。专用机械手的特点是动作较少、工作对象比较单一、结构相对比较简单、造价低、使用可靠。专用机械手适用于大批量的自动化生产线，如自动线上的上下料机械手、各种自动机床、自动换刀械手等。2通用机械手通用机械手是一种具有可变程序的、具有独立的控制系统且动作灵活多样的一类机械手。这类机械手的动作程序在给定的性能范围内是可变的，通过调整可使得该类型的机械手在不同的场合使用，同时它的驱动系统和控制系统是相互独立的。通用机械手具有定位精度高、工作范围大、通用性强等优点，因而该类型的机械手可以适用于要求不断变换生产品种且要求高精度和高效率的中小型批量生产线。14工业机械手的发展现状驱动方式发展现状现在的工业机械手驱动方式大多采用电机驱动。电机驱动的机械手，具有精度高、驱动力大、响应快等优点。同时采用电机驱动，必须使用减速机构，因此，采用电机驱动方式的机械手的成本会大大高于其他方式驱动的，因而限制了电机驱动机械手的应用。随着气动技术的高速发展，又由于气压驱动具有其他驱动凡是所没有的一些优点，如成本低、高性价比、无污染、结构简单、抗干扰能力强等，使得越来越多的工业机械手采用气动控制。定位精度发展现状在气动技术发展初期，由于技术的不成熟，利用气压驱动的工业机械手的定位精度很低，更无法实现在任意位置的起停，只能靠气缸两个终点位置来实现定位，或者采用多位气缸，而多位气缸的定位长度，也已经由气缸的行程确定，同样无法实现机械手在任意位置的起停。如果要多加一个定位位置，或者是要改变预先确定的两个定位位置之间的距离，则需要另外再设计一个多位气缸，这样就会导致气缸的滑块导向机构更加复杂。所以，早期的气动工业机械手不能实现任意位置的定位，因此限制气动工业机械手的发展。15研究意义自动送、取料技术几乎渗透到国民经济的各行各业，在许多发达国家，从作为支柱产业之一的汽车制造业到注塑业，化工业，铸件业等等，直到航空航天、军事兵器各个门类，都占据着相当重要的地位。随着我国工业的发展，在各种恶劣环境下、由于工艺的复杂化以及人性化生产要求，生产过程中的手工送、取原料和加工成型料，在生产中由于存在着效率、速度、精度、安全等方面的一系列问题，已逐步由自动送料、取料机构所取代，从而进一步满足了生产自动化的要求，大幅度提高生产了效率、生产质量也达到保证。本文是为6135柴油机油泵凸轮轴加工自动线而设计的送料机械手。它综合了普通机械手的技术又针对凸轮轴的性状特点，在充分发挥液压控制的特点和基础上，对送料机械手整体机械结构、传动系统、驱动装置和控制系统进行了分析和设计，提出了一套经济型设计方案。采用球坐标机械结构形式，这种方式能够提高系统的稳定性和操作灵活性。传动装置的作用是将驱动元件的动力传递给机器人机械手相应的执行机构，以实现各种必要的运动，在传动方式上采用结构紧凑的活塞杆传动。机械手驱动系统的设计往往受到作业环境条件的限制，同时也要考虑价格因素的影响以及能够达到的技术水平。在完成机械结构和驱动系统设计的基础上，对物料抓取机械手运动学和动力学进行了分析。2总体设计方案的论证21机械手的总体设计211机械手的结构形式工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构，、球坐标结构、关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。1）直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图21A。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来M讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2）圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图21B。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。3）球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图21C。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。4）关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图21D。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。图21四种机器人坐标形式212本次设计采用的方案具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件为凸轮轴其形状特殊，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要3种运动,包括机械手的前后、升降、横向移动，所以自由度数目取为3，坐标形式选择直角坐标、悬挂式。其优点为1）多臂悬挂式的机械手对刚性联结的自动生产线非常实用，可以在各工位间传递工件，各臂均悬挂在生产线上方的横梁上，臂间距离和工位距离相等，手臂可同步地沿横梁平移一个工位间距，把工件从一个工位移动到下一个工位，可以减少随行夹具和其他装置，提高自动化程度。2）悬挂式机械手占地面积小，能有效的利用空间。3）悬挂式机械手结构简单，成本底。该凸轮轴加工自动线上的送料机械手采用液压驱动，PLC控制，其中采取液压驱动有以下优点1）压力高，可实现较大的驱动力，且机构可以做的轻小，紧凑。2）可实现无级变速，定位精度高，系统固有频率小，压力、容量调节容易。3）重量小，惯性小，可以做到快速的变速和换向，控制容易，动作平稳，滞后小。22主要技术参数的确定机械手的主要技术参数包括抓重、自由度、定位精度、重复定位精度、工作范围、最大速度及承载能力。主要参数如下抓重3KG自由度3个工作范围前后移动1800MM上下升降350MM横移最大50MM驱动方式液压驱动控制方式PLC控制定位方式机械挡块23机械手的配置和工作原理图231送料机械手简图该凸轮轴加工自动线上有五只送料机械手，它们的结构完全相同，均能作前后移动、上下升降和横移运动，送料机械手简图如图231所示。前后移动、升降和横移运动，其前后运动是同步动作的，由一个伸缩缸带动，升降和横移是由各自的油缸带动。自动线的各工序按照加工顺序（右向左）依次排列的。如图232所示。图232油泵凸轮轴自动线机械手配置该送料机械手的动作顺序为原位向后移动下降左移（放料）上升向前移动右移下降（抓料）上升原位。3送料机械手的结构设计及校核31送料机械手的总体结构送料机械手由几个主要组成部分（1）前后行走机构（带滚轮的三角形支架）；（2）横移油缸及其滚轮机构；（3）升降油缸；（4）手部支承板；（5）两个夹持式手部；（6）定位手部；（7）定向块等组成。送料机机械手的升降油缸和横移油缸用螺栓联接，横移油缸带着滚轮（四个）被支撑在滚道上，滚道通过一个联接板固定安装在前后行走机构上，从而使两部分结合起来。前后行走机构安装在横梁上，它由6个滚轮和三角形支架组成，其滚轮安装在悬挂支架横梁的滚道上，使机械手成悬挂式。前后行走机构三角形支架与拉杆用螺纹联接成一体，当机械手工作时，由前后移动油缸的活塞杆，通过支架和拉杆（两杆固定联接）带动六只送料机械手的前后行走机构，同步地实现各工序间的前后移动，其行程为1800MM。送料机械手的升降和横移运动是由其升降油缸和横移油缸来实现的，以便将工件送到机床的顶尖处，在升降油缸活塞杆的端部固定安装着手部支撑板，其上装有两对弹簧夹持式手部及弹簧式定位手部，以便加紧工件，并保证手部和凸轮外表面的相对位置。当机械手往机床主轴处安装凸轮轴时，用定位块保证定位用凸轮轮廓对称面与机床主轴铅垂线在同一平面内。32手部结构的设计321手部结构的分类手部机构是机械手直接用于抓取和握紧（或吸附）或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，并安装于机械手前端。根据手部所抓持的工件的性状、尺寸、重量、材料和表面状况等的不同，手部具有多种结构形式。一般按按其握持工件的原理可分为夹持和吸附两大类。夹持类常见的主要有夹钳式、钩托式、弹簧式。手部按手指的运动形式可分为回转型和平移型。回转型有分为单支点和双支点两种。回转型手部多用于抓持圆柱形工件，平移型用于抓持方形工件。322手部设计应注意的问题1）应具有足够的的夹紧力机械手的手部机构靠手指夹紧工件后便把工件从一个位置移动到另一个位置，由于工件本身的重量以及移动过程中产生的惯性和振动等，手指必须有足够大的夹紧力才能防止工件在移动过程中脱落，一般要求夹紧力N为工件重量的23倍。2）应具有足够的张开角手指为了抓取和松开工件，必须具有足够大的张开角度来适应较大的直径范围，而且夹持工件的中心位置变化要小（即定位误差要小），对于移动式手指要有足够大的移动范围。3）应能保证工件的可靠定位为了使手指和被夹持的工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取的工件的形状，选用相应的手指形状来定位。4）应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受到的惯性力和振动的影响，要有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但尽量使结构尽量紧凑、重量轻，并使手部的重心在手腕的回转轴上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。5）应适应被抓取对象的要求适应工作的形状工件的形状为方形，可采用带“V”型口的手爪；工件为圆柱状，可选用圆弧形二指或三指爪，对于特殊形状的工件应设计与工件相适应的手爪。适应工件被抓取部位的尺寸工件被抓取部位的尺寸可能是不变的，若加工尺寸略有变化，那么手指应能适应尺寸变化的要求。工件表面质量要求高的，对手指应采取相应的措施，如加软垫等。要适应工作位置的状况如工作位置较窄小可用薄片形手指。6）尽可能具有一定的通用性手指是专用性较强的部件，为适应小批量多品种工件的不同形状尺寸的要求，可制成组合式的手指。对于这种手指要求结构简单，安装维修方便，更换迅速和准确，以便扩大机械手的应用范围。323本次设计采用的手部结构根据所要夹持的工件，本次设计选用弹簧式手部，其最大的特点就是结构简单。因工件较长，故选用双手双指式来夹持工件的两端，其工作原理为当机械手向下运动时，手指内侧的斜面碰触工件表面而使手指张开，工件进入手指上的圆弧面处，靠弹簧力控制手指的张开和闭和。手指和工件相接触的部分，我们将之设计为圆弧状，这是由于该机械夹紧手部所要夹持的工件为圆柱形，可使工件与手指接触更为紧密，减小运送过程中的振动，提高可靠性。为了保证凸轮轴的可靠定位，在手部支撑板的中间装有一个定位手部。如图324手部设计的计算1）手部夹紧力的计算夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。夹紧力的计算公式FNK1K2K3G（31）式中K1安全系数，通常取1220；K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。K2可近视按下式估算K21GA其中A运载工件时重力方向的最大上升加速度；G重力加速度，G98M/S2；A响TVMXVMAX运载工件时重力方向的最大上升速度；T响系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取，一般取00305SK3方位系数，根据手指与工件位置不同进行选定G被抓取工件所受重力（N）计算步骤取K118，A2M/S2则K211289查表22（出自参考文献4，以下查表相同）知K35已知GMG398294NFN1812529631752N弹簧力F弹的计算受力分析图324手部结构受力示意图FN35F弹28F弹3969N2）手部弹簧的选用为了使弹簧能够可靠的工作，弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限，同时具有足够的韧性和塑形，以及良好的可热处理性。综合本方案的设计，选用强度高、加工性能好，适用于小尺寸的碳素钢弹簧。几何参数的计算选用弹簧钢丝的直径D为2MM中径DCD其中C为旋绕比，查表166取C5内径D1DD外径D2DD计算得D10MMD18MMD212MM（32）DPARCTN式中弹簧的螺旋升角，对于圆柱压缩弹簧一般在59范围内取P弹簧的节距P（02805）D令P3则545取633手臂结构设计由于所设计的送料机械手的手部没有回转、俯仰和摆动等运动，所以没有手腕的设计。331手臂的配置形式机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局，运动要求、操作系统、工作对象的不同，手臂的配置形式也不完全相同。根据工作要求，选择悬挂式配置。其种类和优点分别为1）机座式多为工业机器人所采用，机器上可以装上独立的驱动与控制系统，便于搬运和安放，机座底部也可以安装行走机构，以扩大其活动范围。2）立柱式立柱式机械手的机身为固定立柱，其臂部一般可绕立柱回转，其特点是占地面积小，而工作范围较大，立柱可安装固定在主机之前或其间，有时也可以固定在主机机身上，其结构简单、实用，主要用来为主机上、下料或传送工件。3）悬挂式手臂悬挂在横梁上，这是一种常见的配置形式，其最大的特点是占地面积小，能有效地利用空间，横梁可以是固定的，也可以是行走的，机器或机械手的臂部可安装在厂房原有建筑的柱梁上，也可以从地面上架设，可安装在有关设备上方，也可以安装在悬升梁上。332手臂的组成和作用臂部是工业机械手的重要组成部分，其作用是支撑手部和腕部，改变手部在空间的位置，臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身上，机身可以是固定式的，也可以是行走式的，即可沿地面或导轨运动。手臂的组成部分如管路、冷却装置、行程定位装置、油缸、反馈装置等直接影响机械手的工作性能。333手臂设计应注意的问题1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻手臂的的截面形状要选择合理合理布置作用力的位置和方向，在结构设计时应该结合具体受力情况，使个作用力引起的变形相互抵消。注意简化结构，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽量使结构简单。提高配合精度2）臂部速度要高，惯性要小应尽量减少手臂的重量，减少手臂运动的轮廓尺寸，减少回转半径。3）手臂动作应灵活为减少手臂运动件之间的云工阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦，其传动件、导向件和定位件布置应合理，使手臂运动过程尽可能平衡，以减少对升降支承轴线的偏心力矩，以防卡死334手臂升降油缸设计的计算1）升降油缸的驱动力计算根据手臂升降油缸驱动时所需克服负载、摩擦、密封装置及惯性等几个方面的阻力，确定油缸工作受力分析如图334A图334A升降油缸工作受力图上升时PQF摩F惯F回G下降时PQF摩F惯F回G式中G臂部运动部件的重量N升降油缸手臂重量工件3；手部4；导向杆1；活塞杆1/4D2H1/42024287810611缸体壁厚取8，2RH22036087810628油D2H4023500810614活塞1/4D2H1/4402107810601总重量341111401106考虑到安全系数，取总重量M为20，则G2098196NF惯起动的惯性力N；可按如下近似计算F惯（33）TGV总G式中，V速度变化量（M/S）,又V最大为200/S；T启动过程的时间（S）,一般为001015；T对于轻载低速部件取小值，对于重载高速部件取大值，由于该机械手臂运动时速度不高，且工作载荷不大，取T008SF惯N5082916F回油缸回腔低压油液所造成的阻力，一般背压力较小，可按F回005G计算，F回00519698NF摩各支承处的摩擦力N；当量摩擦系数127157对于静摩擦且无润滑时，钢对铸铁01803，取02则12715702025031如图334B图334B活塞杆受力分析升降导向立柱不自锁，必须GF1F22F12FR1F由平衡条件FR1FR2，GRFR2H解得H06R取H10，满足不自锁条件，则摩擦力为F摩NHRFF2351029621上升时PQF摩F惯F回G23525098196491N下降时PQF摩F惯F回G23525098196295N2）升降油缸结构尺寸计算双作用液压缸示意图如图334C图334C双作用液压缸示意图当油进入无杆腔时FF1P2D4当油进入有杆腔时FF2PDD42液压缸的有效面积S1P故有D113（无杆腔）（34）14F1PD（有杆腔）（35）21DP式中F驱动力（N）P1液压缸的工作压力（PA）D活塞杆直径（M）；D液压缸内径（M）；液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取09；由总体设计可知液压缸口朝下，所以当活塞上升时液压油进入的是有杆腔。取D05DP125MPDM1925MM21DP4F4D9501426查表62油缸内径系列圆整，为了使该机械手具有更好的通用性，这里取D40MM则D20MM3）油缸壁厚的选择由于升降油缸的工作压力较小，结构尺寸不大，所以可根据油缸外径D1D2求出其中D40MM，P125MP查表237常用油缸外径尺寸知D155MMM57240514）活塞杆的计算与校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求。对与杆长大于直径的15倍（即L15D）的活塞杆还必须具有足够的稳定性。按强度条件确定活塞杆的直径D，因活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此可看作直杆拉压强度计算问题（36）42DF或D（37）式中F总机械载荷（N）；材料的许用应力（MP）；NB碳钢取100120MPA；N安全系数，一般不小于14；DM25MM4F61049计算出来的直径D再按标准圆整。所以D20MM是满足要求的。又升降油缸的活塞杆工作时，主要承受拉力，不会出现“失稳”现象，故无需进行稳定性校核。5）油缸端盖的连接方式及强度计算油缸体与缸盖的连接方式和油缸的工作压力、选用材料以及工作条件有关。本次设计的升降油缸工作压力低，选用铸铁材料油缸，它的连接方式多用法兰连接，优点是容易加工和装卸，缺点是外径和重量较大。缸盖螺钉的计算螺钉数目（38）1TDZO式中DO螺钉中心所在圆的直径T1螺钉间距，查表67知间距应小于100MM；取40MM取Z57406Z螺钉强度校核（39）212143DQJO合或（310）J1式中QOQQSQ工作载荷QNZPDF362851040422QS剩余锁紧力QSKQ；K1518QJ计算载荷QJ13QO许用拉应力，N1225；NS设材料为45号钢，查得S360MP经计算得D1387MM综合考虑选用M6的内六角圆柱头螺钉。335手臂横移油缸的设计计算1）横移油缸驱动力的计算根据手臂横移油缸驱动时所需克服负载、摩擦、密封装置及惯性等几个方面的阻力，确定油缸工作受力分析如图335图335横移油缸工作受力图工作时PQF摩F封F回F惯式中F摩各支承处的摩擦力N；横移油缸手臂重量计算，由前面计算可得总重量341114015146考虑到安全系数，G取30，又NG3098294NF摩FN02294588NF封密封处的摩擦力N这里F封F封1F封2式中F封1、F封2分别为活塞杆和缸盖处，活塞与缸壁处密封装置的摩擦阻力，其值随密封结构的不同而异。由于该机械手升降油缸采用O形密封圈，活塞杆直径为液压缸直径的一半，当油缸工作压力小于10MPA时，液压缸密封处的总的摩擦力为F封1F封2003PQ（311）F回油缸回腔低压油液所造成的阻力，一般背压力较小，可按F回005G计算，F回005294147NF惯起动的惯性力N；可按如下近似计算F惯TGV总G式中，V速度变化量（M/S）,又V最大为200/S；T启动过程的时间（S）,一般为001015；T对于轻载低速部件取小值，对于重载高速部件取大值，由于该机械手臂运动时速度不高，且工作载荷不大，取T008SF惯N7508294驱动力为PQF摩F封F回F惯588003PQ14775解得PQ149N2）横移油缸结构尺寸计算D（有杆腔）（312）21DP4F式中F驱动力（N）P1液压缸的工作压力（PA）D活塞杆直径（M）；D液压缸内径（M）；液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取09；取D05DP125MPDM106MM21DP4F4D9501426查表62油缸内径系列圆整，为了使该机械手受更好的通用性，这里取D32MM则D16MM对于手臂部件的设计，只对关键液压缸等主要部件进行了校核，并且预留了较大的余量，其他结构尺寸较小、承受工作压力不大的部件不再一一进行校核，只根据以往的经验进行设计。4液压驱动系统设计液压系统自60年代初至今，已在机械手中获得广泛应用。目前，虽然在中等负载以下的机械手中有采用电机驱动系统，但在简易经济型，重型的工业机械手和喷涂机械手中采用液压系统的仍然占有较大比例。它的优点是动力大、力（或力矩）惯性比大、快速响应高、易于实现直接驱动等。液压系统在机械手中所起的作用是通过电液转换元件把控制信号进行功率放大，对液压动力机构进行方向、位置和速度的控制，进而控制机械手的手臂按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动液压缸。用于实现手臂的伸缩升降以及手腕、手臂的回转。41液压系统的组成1）能源装置，它是将电机输入的机械能转换为油液的压力能（压力和流量）输出的能量转换装置，一般最常见的是液压泵。2）执行元件，它是将油液的压力能转换成直线式或回转式机械能输出的能量转换装置。3）调节控制元件，它是控制液压系统中油液的能量，压力和流动方向的装置，是流量阀，压力阀，方向阀等的总称。这些元件系统是保证系统正常工作不可缺少的组成部分。4）辅助元件，它是除上述三项以外的其他装置，如油箱，滤油器，油管，管接头等。这些元件对保证液压系统的可靠，稳定，持久的工作，有重大作用。5）工作介质，即各种液压油或乳化液。42液压系统的主要特点液压传动是用液体作为介质来传递能量的，液压传动与机械，电气和气压等传动相比，有以下优点1）易于获得较大的力或力矩；2）功率重量比大；3）易于实现往复运动；4）易于实现较大范围的无级变速；5）传递运动平稳；6）可实现快速而且无冲击的变速和换向；7）与机械传动相比易于布局和操控；8）易于防止过载事故；9）自动润滑、元件寿命长；10）易于实现标准化、系列化。各种液压系统都是由液压元件构成，因此对液压元件实现标准化、系列化，可大大提高生产效率，降低成本，提高产品质量。与其他传动形式比较，液压传动有以下缺点1）易出现泄漏；2）有的粘度随温度变化，引起工作机构运作不稳定；3）空气渗入液压油后会引起爬行、振动和噪声；4）用矿物油作液压介质，有燃烧危险应注意防火；5）矿物油与空气接触会发生氧化，使油变质必须定期换油；6）液压件的零件加工质量要求较高。为了减少泄漏，减少摩擦，所以必须使零件配合间隙要小，因此零件的加工质量要求就较高，成本也就提高了。43液压系统传动方案的确定431各液压缸的换向回路为便于机械手的自动控制，如采用可编程序控制器或微机进行控制，从总体方案设计中可知系统系统的压力和流量都不高，因此一般都选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效益。液压机械手一般采用单泵或双泵供油，手臂伸缩、手臂俯仰、手臂旋转等机构采用并联供油，这样可有效降低系统的供油压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干扰，实现同步或非同步运动，换向阀需采用中位“O”型换向阀。综上所述并结合本设计方案，升降和横移油缸换向选用二位二通电磁阀，其它缸全部选用O型三位四通电磁换向阀。选电磁阀便于自动化控制，选中位为O型使定位准确，如图431。图431换向回路设计432调速方案整个液压系统只用单泵或双泵工作，各液压缸所需的流量相差较大，各液压缸都用液压泵的全流量工作是无法满足设计要求的。尽管有的液压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速，用以保证液压缸的平稳运行。各缸可选择进油路或回油路节流调速，因为系统为中低压系统，一般适宜选用节流阀调速。在一般情况下，机械手的各个部位是分别动作的，手臂横移油缸所需的流量较小，手臂伸缩缸的流量较大，这两组缸所需的流量相差较大，这样可以选择如图432所示的单泵供油系统。单泵供油系统要以所有液压缸中需流量最大的来选择泵的流量。优点是系统较为简单，所需的元件较少，经济性好。缺点是当所需流量较少的液压缸（如手腕回转缸，夹紧缸等）动作时，系统的溢流损失较大，能源利用率低。考虑到本设计的动作简单，为使系统简洁，减少成本，故选用单泵供油系统。图432单泵供油系统433减速缓冲回路在液压缸的起动和停止的过程中都需要缓冲。如图433所示采用一个二位二通电磁换向阀和一个节流阀形成缓冲回路。当液压缸运动到希望点时，由位置检测装置发信号给主机，然后主机控制电磁阀1YA通电切断二位二通的通路，液压缸的回路改经节流阀回油箱，增大的回油路的阻力，使液压缸速度减慢，防止冲击达到缓冲目的。也可以在油路中设置单向行程节流阀进行缓冲，它有可靠性好，定位精度高的特点，但在自动化程度和通用性方面不如上述方案。综合以上考虑，选用上述缓冲回路。图433缓冲回路434控制元件方向阀、压力阀控制元件是标准件，其选择依据是系统的最高工作压力和通过该阀的最大流量。方向控制阀电磁换向阀是利用电气元件发出的电讯号，通过电磁铁动作，使电磁阀阀芯移动，实现油路的换向。本机械手采用3个换向阀24E10B型2个，34E63B型1个。压力控制阀1）节流阀本机械手采用L型节流阀,其中L10B型2个，L63B型2个。L型节流阀是筒式流量控制阀门。它是依靠改变阀的流通截面来调节流量，以实现工作机构运动速度的无级调速。此阀结构简单，尺寸小，但没有压力和温度补偿装置，阀前后的压力差随负载和油温的变化而变化，因此只适用于油温变化较小的系统。2）溢流阀溢流阀主要有以下作用（1）保证液压泵提供恒定压力。当系统压力增大时，使流量需求减小。此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即液压泵出口压力恒定。（2）安全保护作用。系统正常工作时，阀门关闭。只有负载超过规定的极限（系统压力超过调定压力）时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加（通常使溢流阀的调定压力比系统最高工作压力高1020）。用於过载保护的溢流阀也称为安全阀。本机械手选取Y63B型溢流阀。3）减压阀减压阀是一种可将较高的进口压力一次压力降低为所需的出口压力二次压力的压力调节阀。根据各种不同的要求，减压阀可将油路分成不同的减压回路，以得到各种不同的工作压力。本机械手采用J63B型减压阀。44液压系统的合成和完善在上述主要液压回路选好后，再加上其它功用的辅助油路（如卸荷、测压等油路），就可以进行合并，完善为完整的液压系统，并编制液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表。完整的液压原理图如图44所示图44送料机械手液压系统原理图电磁铁动作顺序表如表44所示电磁铁1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT动作顺序送料机械手向后送料机械手下降送料机械手左移送料机械手上升送料机械手向前送料机械手右移液压系统卸荷表44电磁铁动作情况45液压系统的计算一般的机械手的液压系统，大多采用定量油泵，油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工作压力P泵和最大流量Q最大来确定。1）确定油泵的工作压力P泵P泵PP式中P油缸的最大工作油压（MP）；P压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元件的局部损失和管道的沿程损失。本次设计的液压系统主要为换向阀处的压力损失，取P02MP；在前后移动油缸出有最大工作油压P4MPP泵402346MP2）确定油泵的Q油泵的流量应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量Q最大，并考虑系统的总泄漏来确定Q泵KQ最大其中K泄露系数，一般取110125Q泵123036L/MIN3）确定油泵电动机功率N612PQN式中P油泵的最大工作压力（MP）Q所选油泵的额定流量（L/MIN）油泵总效率KW4538096124N结合考虑凸轮轴加工自动线的整体液压系统，选用YBP40限压式变量叶片泵，其额定流量为40L/MIN，额定转速1000R/MIN，额定压力5MP；驱动电机选择Y132M16，其额定功率为4KW，转速960R/MIN。5控制系统的设计工业机械手的电器控制系统相当于人的大脑，它指挥机械手的动作，并协调机械手与生产系统之间的关系。机械手的工作顺序、应达到的位置，如手臂上下移动、伸缩、回转及摆动、手腕上下、左右摆动和回转、手指的开闭动作，以及各个动作的时间、速度等，都是在控制系统的指挥下，通过每一运动部件沿各坐标轴的动作按照预先整定好的程序来实现的。不论自动电气控制装置复杂程度如何，对于生产线及各种功能的机械手来说，一般都要求电气控制系统按照预先规定的动作程序进行顺序控制。根据6135柴油机油泵凸轮轴自动生产线送料机械手结构和功能上的要求，另外在人机交互功能上，控制系统应具有易于操作的控制界面，提供良好的操作环境。选用可编程控制器（PLC）为6135柴油机油泵凸轮轴自动生产线送料机械手的控制系统。51PLC的组成PLC的构成PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。PLC的硬件系统结构如图51所示图51PLC的硬件系统结构52本设计选用的海为PLC的特点HAIWELL系列PLC是一款按IEC61131国际标准开发的通用型高性价比的小型编程控制器，它具有以下特点1）内置PLC仿真器国内第一个带内置仿真器的PLC编程软件，全面实现了PLC程序的仿真运行。在编程过程中间或程序编写完成后，可用仿真器在完全脱离PLC的情况下仿真运行PLC程序，以检查程序执行是否正确，极大的减少了现场调试的时间，降低调试难度，提高调试效率。2）独创的硬件升级功能率先在小型可编程控制器中显现硬件升级功能，无论是CPU或扩展模块，都可以通过硬件升级功能对硬件进行升级。3）丰富的网络通讯功能CPU主机内置2个通讯口，可扩展至5个通讯口，每个通讯口都可以进行编程和联网，都可以作为主站或从站。支持1N、N1、NN联网方式，支持各种人机界面和组态软件，可与任何带通讯设备功能的第三方设备（如变频器、仪表、条码阅读器等）联网。4）支持多种通讯协议内置MODBUSRTU/ASCII协议、自由通讯协议以及海为公司的HAIWELLBUS高速通讯协议。极为便利的通讯指令系统，使得无论用任何通讯协议都只需一条通讯指令便可完成复杂的通讯功能，解决了通讯端口冲突、发送接受控制、通讯中断处理等问题烦恼，可以在程序中混合使用各种协议轻松完成各种数据交换。5）高速并行总线HAIWELLPLC采用高速并行总线进行扩展，满足对实时控制的严格要求，丰富的扩展模块类型充分满足各种应用需求。6）高速计数功能支持外部或内部的启动/复位控制，支持8段比较设定值，种计数模式，三种比较方式，带自学功能，比且可作为01MS精密高速计时器使用。优越的高速计数功能，使得能以最经济的方式实现复杂的精度控制。53系统的整体设计分析整个系统由操控面板来完成整个机械手的的操作。本机械手有八个动作，其中夹紧工件靠弹簧的张力来完成，前后左右上下移动由液压缸驱动，而液压缸由相应的电磁阀控制，电磁阀的动作由PLC控制。，送料机械手的工作顺序如图53所示。图53工作流程图本系统采用的可编程控制器能实现离线及在线编程，还可以结合实际的工程要求，调整控制程序，实现机械手的不同动作，实现了柔性化设计。该机械手在PLC控制下可以实现手动、连续动作两种工作方式。手动方式是指利用按钮对机械手每步动作单独进行控制；连动方式是指机械手根据控制信号自动循环执行每步动作，直到收到停止信号。系统启动后，根据工序要求，通过方式按钮确定机械手的工作方式，如果选择单动则执行手动程序，否则默认执行连动程序。531输入/输出点地址分配将15个输入信号和7个输出信号，按各自的功能类型分好，并与PLC的I/O端一一对应，编排好地址。列出外部I/O信号与PLCI/O端地址编号对照表，如表54所示。PLC地址控制按钮信号名称PLC地址控制按钮信号名称X1SQ1机械手后限位开关Y11DT机械手向前电磁阀X2SQ2机械手前限位开关Y22DT机械手向后电磁阀X3SQ3机械手下限位开关Y