车床上料机械手结构设计【含7张CAD图纸+PDF图】
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河南理工大学万方科技学院本科毕业设计（论文）中期检查表指导教师： 杨志波 职称： 副教授 所在院（系）： 机械与动力学院 教研室（研究室）： 机制教研室 题 目车床上料机械手结构设计学生姓名廖祥磊专业班级08机制2班 学号0828070129一、选题质量：（主要从以下四个方面填写：1、选题是否符合专业培养目标，能否体现综合训练要求；2、题目难易程度；3、题目工作量；4、题目与生产、科研、经济、社会、文化及实验室建设等实际的结合程度）所选题目符合专业培养目标，能够体现综合训练要求；该题目略有难度，工作量比较大；题目与生活贴近，能够解决一定的现实问题，该毕业设计不仅能加强专业知识和技能，同时更能够为今后进入该行业做好准备，及时的发现不足，为今后的事业打下基础，开发的成品网站也能够为同学们今后沟通感情提供一个有效的平台。2、 开题报告完成情况： 1、在指导老师的建议下，查阅并翻阅了大量有关机械手的资料，了解了于此有关的问题的最新资料，并将收集到的资料及相关信息整理备用； 2、初步完成定稿； 3、在实习中收集、分析原始资料，确定设计方案、确定结构； 4、合理设计了动力系统和控制单元系统； 5、完成PLC程序的设计。三、阶段性成果： 1、开题报告已经完成，并已经交给指导老师检查且合格； 2、各个零部件的选择已经完成，零部件的选择均是按照相关标准进行，现正在对各零部件进行计算和校核； 3、图纸绘制工作已经接近尾声，现正对图纸进行检查和修改以确保最终图纸无误。四、存在主要问题：1.某些观点和见解尚未成熟，理论与研究方法存在一些问题，待进一步查阅相关资料；2就问题有针对性地查阅相关资料，还需要进行修改完善；3论证的逻辑不够严密，没有详细实际的数据；4文章的语言文字生涩，有一些错别字，病句，格式不够规范；5图纸绘画的不标准，标注不够清楚，对绘图软件不熟练。五、指导教师对学生在毕业实习中，劳动、学习纪律及毕业设计（论文）进展等方面的评语：指导教师： （签名） 年 月 日2河南理工大学万方科技学院机械设计制造及其自动化专业实习报告河南理工大学万方科技学院毕业实习报告专业：机械设计制造及其自动化班级：08机制2班姓名：廖祥磊学号：0828070129指导老师：杨志波目录一、实习目的及意义二、实习任务三、实习时间四、实习地点五、实习企业概况六、实习内容七、毕业设计准备八、总结与评价九、参考文献一、实习目的及意义 机械设计制造及其自动化专业是一门实践性很强的专业，毕业实习是本科教学计划中非常重要的一个教育环节，是学生在校学习期间理论联系实际、增长实践知识、培养自身各方面能力的重要手段和方法。通过实习了解本专业发展前沿，涉猎相关学科知识，使机械设计制造及其自动化专业的学生初步具有科学研究与解决工程实际问题的能力、较强的实践动手能力和创新意识的高级应用型人才。毕业实习是大学本科专业学习中不可缺少的重要部分，通过一段时间的生产实习后，使自己具备足够的技能，应付将来市场的挑战并保持强劲的竞争力，并为下一步的毕业设计打下坚实的基础。二、实习任务认真学习实习大纲，提高对实习的认识，做好思想准备；认真完成实习内容，按规定记实习笔记，撰写实习报告，收集相关资料；三、实习时间 2012年2月至2012年3月四、实习地点 郑州市红星机械厂五、实习企业概况 郑州中原金山机械厂是专业的水磨石机、水磨石设备厂家，水磨石砖机等新型建材设备开发制造的专业生产厂家。 金山机械厂的产品设计充分吸收国内外先进技术水平，并考虑中国国情，将国外先进的制造工艺技术、质量控制技术和中国知名企业的严格管理制度相结合，关键的电控元器件和液压、气动部件采用国际知名品牌和优质产品，以保证向客户提供质量优良、运行可靠的设备，保证客户以最小的投资获取最大的利益。金山机械厂作为水磨石机的专业生产厂家，已建立起金山特色的科研、生产、销售、服务体系，彩瓦机、彩砖机、磨石磨砖机、艺术围栏机、石材设备系列产品，用户遍布全国，出口国外许多国家。理念：诚信、优质、创新诚信：对员工真诚，对客户真诚，重合同、守信誉。优质：拥有优质的员工，向社会提供优质的产品、技术、服务，向职工提供优质的工作环境和福利待遇。创新：追求技术不断进步，产品的不断更新，服务的不断完善。理念：诚信、优质、创新.六、实习内容（一）实习的具体内容我是2012年2月来到河南省郑州市中原金山机械厂的，接待我们的是人事部的孙经理，初次见面，就感觉孙经理是位很和蔼、很亲切的领导。而在接下来的日子里的接触也证实了这点。我们被安排在动力部实习，动力部主要是负责机械维护及其机械维修方面的工作。我们也主要是学习这些方面的知识和相关的工作经验。刚来的时候，我们毕竟没有什么经验，只能跟着师傅学习，在对公司机器修理及维护过程中，自己认真观察各种机器，最直接的就是工艺。对我们即将毕业的人来说，这方面还是很好办的。后面，由于对机器有了了解，我能对产品加工中特定的工艺动作怎么实现的进行思考。这样能加速学习理解和知识的积累。因为我们要常进车间去，所以多车间的生产状况也都有一个大概的了解。金山主要是水磨石机器,水泥瓦机，水磨石砖机,水磨石设备,水磨石机，这其中给我印象最深刻的是成品车间，主要是因为这个车间的设备最容易出现故障，可能是因为它里面的设备比较陈旧吧。当然其他车间有些东西也是要时常要更换的。 这是第一次正式与社会接轨踏上工作岗位，开始与以往完全不一样的生活。每天在规定的时间上下班，上班期间要认真准时地完成自己的工作任务，草率敷衍了事。凡事得谨慎小心，否则随时可能要为一个小小的错误承担严重的后果付出巨大的代价，再也不是一句对不起和一纸道歉书所能解决。工作中我发现做任何事不能单蛮干，应合理应用各种常识来解决问题，同时也要注意团队合作。任何一个厂都有一套严格紧密的生产体系，在体系中每个环节都是紧紧相扣，每个环节的工作人员都应该严格遵守规章制度。年轻不是用来挥霍的，而是我们拼搏的资本。我不想碌碌无为终了此生。我想有个幸福的家庭和人生。所以我会一直朝着我的目标走去。保持一颗乐观豁达，积极进取的心，对生活充满希望，相信“苍天不负有心人”。（二）实习中资料的收集与总结1铸造按曲轴铸造工艺进行2热处理正火3铣两端面总长为265mm铣床4车两端工艺搭子外圆直径45mm车床5钻主轴颈中心孔车床6钻连杆轴颈中心孔正对连杆中心7检验8粗车三个连杆轴颈留余量2.6mm车床七、毕业设计准备一、机械手的工作原理（一）机械手的概述机械手是在机械化、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）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。（6）军事工程及生物医学方面的研究和试验。（二）机械手的工作方式机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。1、机械手传送工件系统示意图，如图1所示。图1 机械手传送示意及操作面控制器如图1所示机械手能实现手动、回复位、单步、单周期和连续等五种工作方式。手动工作方式时，用各按钮的点动实现相应的动作；回复位工作方式时，按下“回复位”按钮，则机械手自动返回原位；单步工作方式时，每按一次起动按钮机械手向前执行一步；选择单周期工作方式时，每按一次起动按钮，机械手只运行一个周期就停下；连续工作方式时，机械手向前执行一步；只要按下起动按钮，机械手就会连续循环动作，直到按下停止按钮，机械手才会最后运行到原位并停下；而在传送工件的过程中，机械手必须升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其它工件。图2 机械手传送示意及操作动作传送图图3 机械手传送示意及操作动作执行图如图2，3、其功能是将工件从A移送到B处。气动机械手的升降和左右移动分别使用了双线圈的电磁阀，在某方向的驱动线圈失电时能保持在原位，必须驱动反方向的线圈才能反向运动。上升、下降对应的电磁阀线圈分别是YV2、YV1，右行、左行对应的电磁阀线圈分别是YV3、YV4。机械手的夹钳使用单线圈电磁阀YV5，线圈通电时夹紧工件，断电时松开工件。通过设置限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别对机械手的下降、上升、右行、左行进行限位，而夹钳不带限位开关，它是通过延时1.7s来表示夹紧、松开动作的完成的。二、机械手控制的硬件设计（一）输入和输出点分配表及原理接线图表1 机械手传送系统输入和输出点分配表名 称代号输入名 称代号输入名 称代号输出启动SB1X0夹紧SB5X10电磁阀下降YV1Y0下限行程SQ1X1放松SB6X11电磁阀夹紧YV2Y1上限行程SQ2X2单步上升SB7X12电磁阀上升YV3Y2右限行程SQ3X3单步下降SB8X13电磁阀右行YV4Y3左限行程SQ4X4单步左移SB9X14电磁阀左行YV5Y4停止SB2X5单步右移SB10X15原点指示ELY5手动操作SB3X6回原点SB11X16连续操作SB4X7工件检测SQ5X17表1 机械手传送系统输入和输出点分配表图3、机械手硬件控制连线图（二）控制程序操作系统 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图3所示。图4、机械手操作系统程序其原理是：把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。回原位程序回原位程序如图4所示。用S10S12作回零操作元件。应注意，当用S10S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。图5、回原位状态转移图手动单步操作程序如图5所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。图6、手动单步操作程序自动操作程序自动操作状态转移见图6所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，图7、自动操作状态转移图驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。7、机械手传送系统梯形图如图7所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。三、梯形图及指令表（一） 梯形图上升右移上限位夹紧下限位下降状态转移开始自动方式初始状态上限位下降结束上升放松下限位下降右移限位夹紧下降限位下降左行限位左行松开夹紧上升1/2限位右移限位下降右移翻转上升回原位初始状态图8、机械手传送系统梯形图（二）指令表八、总结与评价机械手的控制对于很多场合需求很大，不论是机床使用的小型系统还是流水线上的这类设备，其基本动作要求类似，所以控制的实现也可以相互借鉴。对于控制程序的编写，这里给出的只是一种实现手段，使用可编程控制器还有其他的方法可以实现这样的控制，针对所用的具体系统的情况，设计人员可以选用不同的方法来编写程序。机械手高效的工作效率，准确的定位精度，以及简单的结构及控制方式是人手不能替代的，机械手的使用也将越来越广泛。九、参考文献1 邬依林等：非接触式IC卡在酒店收费系统中的应用J，佛山科学技术学院学报(自然科学版)，2002.2 金伟正等：基于非接触式IC卡、考勤机的研究J，武汉工业学院学报，2001。3 马秀丽等：一种非接触式射频卡、基站读写电路的设计与应用J，金卡工程，2003。4 邬依林等：基于非接触式IC卡收费机的设计J。广东教育学院学报，2OO4。5.何立民：单片机应用系统设计，北京，北京航空航天大学出版社,1995。6 周航慈：单片机程序设计技术，北京，北京航空航天大学出版社.1992。7 沈宇超等：射频识别技术及其发展现状，电子技术应用，1999。8 汪建主编：MCS一96系列单片机原理及应用技术M，武汉：华中科技大学出版社(第2版)，2004。9 沈宇超等：射频识别技术及其发展现状J，电子技术应用，1999。10 李琚门：感应式IC卡系统及其应用J，电子产品世界，2000。17河南理工大学万方科技学院本科毕业论文摘要 本课题是为普通车床配套而设计的上料机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，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或握持工具进行操作的自动化技术设备，对现实工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要的作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻了工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频率、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、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，更现实其优越性，有着广泛的发展前途。 本课题通过应用autoCAD技术对机械手进行总体方案设计和液压传动原理设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持手部结构，设计了机械手的手腕结构，设计了机械手的手臂结构。他能实际自动上料运动，上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。关键词：机械手；手部设计；结构设计；Abstract This topic is designed for ordinary lathe supporting the feeding manipulator. Industrial manipulator is the inevitable outcome of the industrial production, it is a kind of imitation upper part of the body, according to the predetermined requirement function of conveying work-piece or operated holding tools to reality technical equipment, automation, promote industrial production automation of the further development of industrial production plays an important role. Thus has strong vitality wide attention by the people and welcome. Practice has proved, industrial robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity of the workers, improve working conditions, and improve labor productivity and automation level. Industrial production in the bulky workpiece often appear handling and long-term frequency, drab operation, using manipulator is effective. In addition, it can be in high temperature, low temperature and deep water, the universe, radioactive and other toxic, environmental pollution condition of operation, the more realistic its superiority, has wide development prospect This topic through the application of manipulator in overall autoCAD technology design and hydraulic transmission principle design of manipulator, sure, and freedom coordinates determined the technical parameters of manipulator. Meanwhile, the design of clamping manipulator hand structure, design of manipulator wrist structure, design of manipulator arm structure. He can actual automatic feeding movement of the manipulator, feeding velocity according to satisfy the requirement is set to productivity. KeyWords：manipulator；handing structure ；structure designII河南理工大学万方科技学院本科毕业论文目 录1 引 言11.1 工业机器人简介11.2世界机器人的发展21.3 我国工业机器人的发展31.4 我要设计的机械手41.4.1 臂力的确定41.4.2 工作范围的确定41.4.3 确定运动速度51.4.4 手臂的配置形式61.4.5 位置检测装置的选择61.4.6 驱动与控制方式的选择62 手部结构82.1概述82.2 设计时应考虑的几个问题82.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析123 腕部的结构143.1 概述143.2 腕部的结构形式143.3手腕驱动力矩的计算154 臂部的结构194.1 概述194.2手臂直线运动机构204.2.1手臂伸缩运动204.2.2 导向装置214.2.3 手臂的升降运动224.3 手臂回转运动234.4 手臂的横向移动244.5 臂部运动驱动力计算254.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算254.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算264.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算265 车床上料系统的设计285.1车床上料系统简介285.2车床上料系统的组成285.3机械手车床上料系统的控制回路295.3.1 压力控制回路295.3.2 速度控制回路305.3.3 方向控制回路315.4 机械手的车床上料机械手系统315.4.1 上料机械手的动作顺序325.4.2 自动上料机械手车床上料系统原理介绍335.5机械手车床上料系统的简单计算375.5.1 双作用单杆活塞油缸375.5.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）415.5.3 单叶片回转油缸425.5.4油泵的选择445.5.5 确定油泵电动机功率N446 PLC控制回路的设计466.1电磁铁动作顺序466.2 选定地址编号506.3 PLC与现场器件的实际连接图536.4 梯形图536.5指令程序55结 论61致 谢62参考文献63ii1 引 言 1.1 工业机器人简介几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯（Taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。工业机器人由操作机（机械本体）、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。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工 业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 1.2世界机器人的发展国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：（1）. 工业机器人性能不断提高（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，平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。（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器人产品问市。（3）工业机器人控制系统向基于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）机器人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、焊接机器人还应用了视觉、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）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。（6）当代遥控机器人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)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴车床”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。 1.3 我国工业机器人的发展有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国的工业机器人从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，目前已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，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人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，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人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，我国已安装的国产工业机器人约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器人产业，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、模化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“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器人，6000米水下无缆机器人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应用方面则刚刚起步，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。1.4 我要设计的机械手1.4.1 臂力的确定目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。本车床上料机械手的臂力为N臂 =1650（N），安全系数K一般可在1.53，本机械手取安全系数K=2。定位精度为1mm。1.4.2 工作范围的确定机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下：手腕回转角度115手臂伸长量150mm手臂回转角度115手臂升降行程170mm手臂水平运动行程100mm1.4.3 确定运动速度机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。车床上料上料机械手要完成整个上料过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求： 给定的运动时间应大于电气、车床上料元件的执行时间； 伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。 在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。车床上料上料机械手的各运动速度如下： 手腕回转速度 V腕回 = 40/s 手臂伸缩速度 V臂伸 = 50 mm/s 手臂回转速度 V臂回 = 40/s 手臂升降速度 V臂升 = 50 mm/s 立柱水平运动速度 V柱移 = 50 mm/s 手指夹紧油缸的运动速度 V夹 = 50 mm/s1.4.4 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、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用机座式。机座式结构多为工业机器人所采用，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部也可以安装行走机构，已扩大其活动范围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大。1.4.5 位置检测装置的选择机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。本机械手采用行程开关式。利用行程开关检测位置，精度低，故一般与机械挡块联合应用。在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也是最多的。1.4.6 驱动与控制方式的选择机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。控制系统也有不同的类型。除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。驱动方式一般有四种：气压驱动、车床上料驱动、电气驱动和机械驱动。参考工业机器人表9-6和表9-7，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为车床上料驱动，控制方式为固定程序的PLC控制。2 手部结构 2.1概述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，这里采用滑槽杠杆式。 2.2 设计时应考虑的几个问题应具有足够的握力（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。手指间应有一定的开闭角两个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。应保证工件的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。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产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。应考虑被抓取对象的要求应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。2.3 驱动力的计算 1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座图1 滑槽杠杆式手部受力分析如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于O1OA和O2OA均为直角三角形，故AOC=BOC=。根据销轴的力平衡条件，即 Fx=0,P1=P2;Fy=0P=2P1cosP1=P/2cos销轴对手指的作用力为p1。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即m01(F)=0得 P1h=Nb 因 h=a/cos 所以 P=2b(cos)N/a式中 a手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力P一定时，角增大则握力N也随之增加，但角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取=3040。这里取角=30度。这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查工业机械手设计基础中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即：P实际=PK1K2/式中 手部的机械效率，一般取0.850.95； K1安全系数，一般取1.22 K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120,=30时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式 N=0.5G 把已知条件代入得当量夹紧力为 N=49（N） 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2b(cos)N/a 得 P=P计算=2*45/27(cos30)*49=122.5(N) P实际=P计算K1K2/ 取=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1 则 P实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N) 2.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析 图2 带浮动钳口的钳爪 钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O的距离为x,则 x=当工件直径变化时,x的变化量即为定位误差,设工件半径R由Rmax变化到Rmin时,其最大定位误差为=- 其中l=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120 ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm代入公式计算得 最大定位误差=44.2-44.7=0.50.8 故符合要求.3 腕部的结构3.1 概述腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点：结构紧凑，重量尽量轻。转动灵活，密封性要好。注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题 要适应工作环境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。3.2 腕部的结构形式本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为115.如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。 图3 机械手的腕部结构3.3手腕驱动力矩的计算驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算： M驱=M惯+M偏+M摩 （N.m） 式中 M驱驱动手腕转动的驱动力矩 M惯惯性力矩 （N.m） M偏参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩 （N.m） M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 （N.m） 图4 腕部回转力矩计算图 摩擦阻力矩M摩 M摩 =（N1D1+N2D2） （N.m） 式中 f轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.02，滑动轴承取f=0.1； N1 、N2 轴承支承反力 （N）； D1 、D2 轴承直径（m）由设计知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=98N e=0.020时 M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2 得 M摩 =2.50（N.m） 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏 M偏 =G1 e （N.m） 式中 G1工件重量（N） e偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M偏为零 当e=0.020，G1=98N时 M偏 =1.96 （Nm） 腕部启动时的惯性阻力矩M惯 当知道手腕回转角速度时，可用下式计算M惯 M惯 =（J+J工件） （Nm） 式中 手腕回转角速度 （1/s） T手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运动） J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kgm） J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量 （kgm） 按已知计算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2 故 M惯 = 1.3（Nm） 当知道启动过程所转过的角度时，也可以用下面的公式计算M惯： M惯=（J+J工件） （Nm） 式中 启动过程所转过的角度（rad）; 手腕回转角速度 （1/s）。 考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些，可取 M =1.11.2 （M惯+M偏+M摩 ） （N.m） M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m） 4 臂部的结构 4.1 概述臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般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向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求： 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 导向性要好 为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。 运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。 4.2手臂直线运动机构机械手手臂的伸缩、升降及横向移动均属于直线运动，而实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。 4.2.1手臂伸缩运动这里实现直线往复运动是采用车床上料驱动的活塞油缸。由于活塞油缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多。如下图所示为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端，当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆2（即手臂）作往复直线运动。导向杆3在导向套4内移动，以防止手臂伸缩时的转动（并兼做手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道）。由于手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。可用于抓重大、行程较长的场合。图5 双导向杆手臂的伸缩结构 4.2.2 导向装置车床上料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的作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向装置。它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。目前采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆和其他的导向装置，本机械手采用的是双导向杆导向机构。双导向杆配置在手臂伸缩油缸两侧，并兼做手部和手腕油路的管道。对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如图6所示，对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如图4.3.2所示，在导向杆1的尾端用支承架4将两个导向杆连接起来，支承架的两侧安装两个滚动轴承2，当导向杆随同伸缩缸的活塞杆一起移动时，支承架上的滚动轴承就在支承板3的支承面上滚动。图6 双导向杆手臂结构 4.2.3 手臂的升降运动 如图7所示为手臂的升降运动机构。当升降缸上两腔通压力油时，活塞杠4做上运动，活塞缸体2固定在旋转轴上。由活塞杆带动套筒3做升降运动。其导向作用靠立柱的平键8实现。 图7 手臂升降和回转机构图4.3 手臂回转运动实现手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。本机械手采用齿条缸式臂回转机构，如图7所示，回转运动由齿条活塞杆驱动齿轮，带动配油轴和缸体一起转动，再通过缸体上的平键8带动外套一起转动实现手臂的回转。4.4 手臂的横向移动如图8所示为手臂的横向移动机构。手臂的横向移动是由活塞缸5来驱动的，回转缸体与滑台1用螺钉联结，活塞杆4通过两块连接板3用螺钉固定在滑座2上。当活塞缸5通压力油时，其缸体就带动滑台1，沿着燕尾形滑座2做横向往复运动。图8 手臂横向移动机构4.5 臂部运动驱动力计算 计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，要把臂部所受的全部负荷考虑进去。机械手工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等。 4.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。其驱动力Pq可按下式计算： Pq = Fm + Fg (N) 式中 Fm各支承处的摩擦阻力； Fg启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算： Fg = a (N) 式中 W 手臂伸缩部件的总重量 （N）； g 重力加速度（9.8m/s）; a 启动过程中的平均加速度（m/s）， 而 a = (m/s) v 速度变化量。如果手臂从静止状态加速到工作速度V时，则这个过程的速度变化量就等于手臂的工作速度； t 启动过程中所用的时间，一般为0.010.5s。 当Fm=80N,W=1098（N），V = 500mm/s时，Pq = 80+* =80+112=192 (N)4.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力Fm和惯性力Fg之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力Pq可按下式计算： Pq = Fm + Fg W (N) 式中 Fm各支承处的摩擦力（N）； Fg启动时惯性力（N）可按臂伸缩运动时的情况计算； W臂部运动部件的总重量（N）； 上升时为正，下降时为负。 当Fm=40N，Fg=100N，W =1098N时 Pq=40+100+1098=1238（N）4.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于启动过程一般不是等加速度运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驱动力矩Mq可按下式计算： Mq = 1.3(Mm + Mg ) (Nm) 式中 Mm各支承处的总摩擦力矩； Mg启动时惯性力矩，一般按下式计算： Mg = J (Nm) 式中 J手臂部件对其回转轴线的转动惯量（kgm）; 回转手臂的工作角速度（rad/s）; t回转臂启动时间（s） 当Mm=84(Nm)，Mg=8=32(Nm) Mq = 1.3*116=150.8(Nm) 对于活塞、导向套筒和油缸等的转动惯量都要做详细计算，因为这些零件的重量较大或回转半径较大，对总的计算结果影响也较大，对于小零件则可作为质点计算其转动惯量，对其质心转动惯量忽略不计。对于形状复杂的零件，可划分为几个简单的零件分别进行计算，其中有的部分可当作质点计算。可以参考工业机器人表4-1。5 车床上料系统的设计5.1车床上料系统简介机械手的车床上料机械手是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的车床上料机械手称为容积式车床上料机械手，机械手的车床上料机械手系统都属于容积式车床上料机械手。5.2车床上料系统的组成车床上料机械手系统主要由以下几个部分组成： 油泵 它供给车床上料系统压力油，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车床上料系统工作。 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（或称摆动油缸）。 控制调节装置 各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，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。5.3机械手车床上料系统的控制回路机械手的车床上料系统，根据机械手自由度的多少，车床上料系统可繁可简，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。 5.3.1 压力控制回路 调压回路 在采用定量泵的车床上料系统中，为控制系统的最大工作压力，一般都在油泵的出口附近设置溢流阀，用它来调节系统压力，并将多余的油液溢流回油箱。 卸荷回路 在机械手各油缸不工作时，油泵电机又不停止工作的情况下，为减少油泵的功率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在低负荷下工作，所以采用卸荷回路。此机械手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。 减压回路 为了是机械手的车床上料系统局部压力降低或稳定，在要求减压的支路前串联一个减压阀，以获得比系统压力更低的压力。 平衡与锁紧回路 在机械车床上料系统中，为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。车床上料系统工作时，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。5.3.2 速度控制回路车床上料机械手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量Q。其控制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。本机械手采用定量油泵节流调速回路。根据各油泵的运动速度要求，可分别采用LI型单向节流阀、LCI型单向节流阀或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，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。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调整和稳定所通过的流量，使油缸的运动速度不受负荷变化的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调速阀实现节流调速。5.3.3 方向控制回路 在机械手车床上料系统中，为控制各油缸、马达的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，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。目前在车床上料系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，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），直流电磁阀的使用电压一般为24V（或110V）。这里采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能好，换向时间短，接线简单，价廉，但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。5.4 机械手的车床上料机械手系统车床上料系统图的绘制是设计车床上料机械手的主要内容之一。车床上料系统图是各种车床上料元件为满足机械手动作要求的有机联系图。它通常由一些典型的压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用回路所组成。 绘制车床上料系统图的一般顺序是：先确定油缸和油泵，再布置中间的控制调节回路和相应元件，以及其他辅助装置，从而组成整个车床上料系统，并用车床上料系统图形符号，画出车床上料原理图。5.4.1 上料机械手的动作顺序本车床上料机械手上料机械手主要是从一个地方拿到工件后，横移一定的距离后把工件给立式精锻机进行加工。它的动作顺序是：待料（即起始位置。手指闭合，待夹料立放） 插定位销 手臂前伸 手指张开 手指夹料 手臂上升 手臂缩回 立柱横移 手腕回转115 拔定位销 手臂回转115 插定位销 手臂前伸 手臂中停 （此时立式精锻机的卡头下降 卡头夹料，大泵卸荷） 手指松开（此时精锻机的卡头夹着料上升） 手指闭合 手臂缩回 手臂下降 手腕反转 （手腕复位） 拔定位销 手臂反转（上料机械手复位） 立柱回移（回到起始位置） 待料（一个循环结束）卸荷。上述动作均由电控系统发信控制相应的电磁换向阀，按程序依次步进动作而实现的。该电控系统的步进控制环节采用步进选线器，其步进动作是在每一步动作完成后，使行程开关的触点闭合或依据每一步动作的预设停留时间，使时间继电器动作而发信，使步进器顺序“跳步”控制电磁阀的电磁铁线圈通断电，使电磁铁按程序动作（见电磁铁动作程序表）实现车床上料系统的自动控制。 5.4.2 自动上料机械手车床上料系统原理介绍 图9 机械手车床上料系统图车床上料系统原理如图9所示。该系统选用功率N =7.5千瓦的电动机，带动双联叶片泵YB-35/18 ，其公称压力为60*10帕，流量为 35升/分+18升/分=53升/分，系统压力调节为30*10帕，油箱容积选为250升。手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时两个油泵同时供油；手臂及手腕的回转和手指夹紧用的拉紧油缸以及手臂回转的定位油缸工作时只有小油泵供油，大泵自动卸荷。手臂伸缩、手臂升降、手臂回转、手臂横向移动和手腕回转油路采用单向调速阀（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程节流，因而速度可调，工作平稳。手臂升降油缸支路设置有单向顺序阀（XI-63B），可以调整顺序阀的弹簧力使之在活塞、活塞杆及其所支承的手臂等自重所引起的油车床上料力作用下仍保持断路。工作时油泵输出的压力油进入升降油缸上腔，作用在顺序阀的压力增加使之接通，活塞便向下运动。当活塞要上升时，压力油液经单向阀进入升降油缸下腔而不会被顺序阀所阻，这样采用单向顺序阀克服手臂等自重，以防下滑，性能稳定可靠。手指夹紧油缸支路装有液控单向阀（IY-25B），使手指夹紧工件时不受系统压力波动的影响，保证保证手指夹持工件牢靠。当反向进油时，油箱通过控制油路将单向阀芯顶开，使回油路接通，油液流回油箱。在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低，为此在定位油缸支路前串有减压阀（J-10），使定位油缸获得适应压力为1518*10帕 ，同时还给电液动滑阀（或称电液换向阀，34DY-63B）来实现，空载卸荷不致使油温升高。系统的压力由溢流阀来调节。此系统四个主压力油路的压力测量，是通过转换压力表开关（K-3B）的位置来实现的，被测量的四个主油路的压力值，分别从压力表（Y-60）上表示出来。下面以上料机械手的一个典型动作程序为例，结合图8来说明其动作循环。当电动机启动，带动双联叶片泵3和8回转，油液从油箱1中通过网式滤油器2和7，经过叶片泵被送到工作油路中去，如果机械手还未启动，则油液通过二位二通电磁阀5和10（电磁铁11DT和12DT通电）进行卸荷。当热棒料到达上料的位置后，由于1150的热料使光电继电器发出电信号（或经过人工启动），经过步进选线器跳步，使机械手开始按程序动作。此时卸荷停止（二位二通电磁阀5和10的电磁铁断电），电磁铁8DT通电，压力油进到定位油缸的无杆腔进行定位动作。定位后此支油路系统压力升高，压力继电器40发出电信号，经过步进选线器跳步使电磁铁1DT通电，电液换向阀25从“O”型滑滑机能状态变成通路，压力油泵从3和8经单向阀6、14和13，经过电液换向阀25右边通道进入手臂伸缩油缸的右腔，使活塞杆带动导向杆作前伸运动（因活塞缸固定），手臂前伸到适当位置，装在手臂上的碰铁碰行程开关发出电信号，经步进选线器和时间继电器延时，是电磁铁3DT通电，手指张开；手臂靠惯性滑行，手指移到待上料的中心位置。在延时结束时，3DT断电，手指夹紧料；并同时发信、跳步，使电磁铁4DT通电，压力油从工作油路39经电液换向阀33右边通道、单向调速阀34的单向阀及单向顺序阀35的单向阀进入手臂升降油缸的下腔，推动手臂上升。在手臂上升到预定位置，碰行程开关，使电磁铁4DT断电，电液换向阀33复位成“O”型滑阀机能状态，发出电信号经步进选线器跳步，使电磁铁2DT通电，电液换向阀25左边接通油路，压力油通过电液换向阀25左边通道，经过单向调速阀26的单向阀进入受臂伸缩油缸左腔使受臂缩回。同时发信、跳步，使电磁铁13DT通电，压力油通过电液换向阀41的左腔，推动手臂横向移动。当横向移动机构上的碰铁碰到行程开关，使13DT断电，并发出电信号经步进选线器跳步使6DT通电，则换向阀18右边接通油路，压力油通过单向调速阀19的单向阀进入手腕回转油缸一腔，使手腕回转115，手腕上的碰铁碰行程开关使6DT断电，换向阀18复位成“O”型滑阀机能状态，同时亦使8DT断电，定位油缸复位（拔销）；压力继电器复位，发出电信号。经步进选线器跳步，使电磁铁9DT通电，换向阀28右边通道接通油路，压力油经QI（31）的单向阀进入手臂回转油缸一腔使手臂回转115。当手臂的回转碰铁碰行程开关使9DT断电，换向阀28复位成“O”型滑阀机能状态；并发出电信号。步进选线器跳步，使8DT通电，定位油缸17动作，插定位销，压力继电器40发出电信号经发出电信号。经步进选线器跳步，使电磁铁1DT通电，手臂前伸；当手臂将棒料送到立式精锻机的夹头轴线前的适当距离，手臂的碰铁碰行程开关，1DT断电，手臂靠滑行和定位螺钉使手臂将棒料送到夹头轴线处；并发出电信号、跳步使12DT通电，大泵卸荷，手臂处于“中停”位置，同时发出电信号使立式精锻机启动，夹头下降，行程开关发信，通过时间继电器使夹头闭合将棒料夹牢，精锻机电控系统发信，给机械手电控系统，经过选线器跳步，时间继电器延时使3DT通电，机械手手指松开（同时，精锻机的电控系统发信使夹头提升），延时到3DT断电，手指闭合，并发出电信号，步选器跳步，2DT通电，手臂缩回。当手笔碰铁碰到行程开关时，2DT断电（手臂缩回停）；并发出电信号和跳步，使5DT通电，电液换向阀33的左边通道接通油路，压力油经QI（36）的单向阀进到升降缸的上腔，使手臂下降，当升降导套上的碰铁碰行程开关时，5DT断电（手臂下降停）；并发出电信号和跳步，使7DT通电，换向罚18的左边通道接通油路，压力油QI（20）的单向阀进入手腕回转油缸的另一腔，使手腕反转115；手腕上的碰铁碰行程开关，使7DT断电并发出电信号、跳步，使8DT断电（拔定位销），压力继电器复位发出电信号、跳步，使10DT通电，换向阀28左边通道接通油路，压力油经QI（29）的单向阀进入手臂回转油缸的另一腔，使手臂反转115（机械手复位）。当手臂上的回转碰铁碰行程开关时，10DT断电，并发出信号，跳步，使14DT通电，立柱回移（回到原位，机械手回到原来位置）；步进选线器跳步，使11DT和12DT通电（两个油泵同时卸荷），机械手的动作循环结束。5.5机械手车床上料系统的简单计算计算的主要内容是，根据执行机构所要求的输出力和运动速度，确定油缸的结构尺寸和所需流量、确定车床上料系统所需的油压与总的流量，以选择油泵的规格和选择油泵电动机的功率。确定各个控制阀的通流量和压力以及辅助装置的某些参数等。在本机械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往复直线运动）和回转式油缸（可以使输出轴得到小于360的往复回转运动）及无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）。5.5.1 双作用单杆活塞油缸图10 双作用单杆活塞杆油缸计算简图流量、驱动力的计算 当压力油输入无杆腔，使活塞以速度V1运动时所需输入油缸的流量Q1为 Q1 = DV1对于手臂伸缩油缸：Q1=0.98cm/s， 对于手指夹紧油缸：Q1=1.02 cm/s ,对于手臂升降油缸：Q1=0.83 cm/s 油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成车床上料力P1即油缸的驱动力为： P1 = Dp1对于手臂伸缩油缸：p1=196N， 对于手指夹紧油缸：p1=126N ，对于手臂升降油缸：p1=320N当压力油输入有杆腔，使活塞以速度V2运动时所需输入油缸的流量Q2为： Q2 = （D-d）V2对于手臂伸缩油缸：Q1=0.87cm/s， 对于手指夹紧油缸：Q1=0.96 cm/s ,对于手臂升降油缸：Q1=0.72 cm/s 油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成车床上料力P2即油缸的驱动力为： P2 = （D-d）p1对于手臂伸缩油缸：p1=172N， 对于手指夹紧油缸：p1=108N ，对于手臂升降油缸：p1=305N 计算作用在活塞上的总机械载荷机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷P为 P = P工 + P导 + P封 + P惯 + P回 其中 P工 为工作阻力 P导 导向装置处的摩擦阻力 P封 密封装置处的摩擦阻力 P惯 惯性阻力 P回 背压阻力 P = 83+125+66+80+208=562(N)确定油缸的结构尺寸油缸内径的计算 油缸工作时，作用在活塞上的合成车床上料力即驱动力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即 P = P1（无杆腔） = P2 （有杆腔） 油缸（即活塞）的直径可由下式计算 D = = 1.13 厘米 （无杆腔） 对于手臂伸缩油缸：D=50mm， 对于手指夹紧油缸：D=30mm ，对于手臂升降油缸：D=80mm ，对于立柱横移油缸：D = 40mm 或D = 厘米 （有杆腔） 油缸壁厚的计算：依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： = 厘米 P计 为计算压力 油缸材料的许用应力。对于手臂伸缩油缸： =6mm， 对于手指夹紧油缸： =17mm ，对于手臂升降油缸： =16mm , 对于立柱横移油缸: =17mm 活塞杆的计算可按强度条件决定活塞直径d 。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，即 = 即 d 厘米对于手臂伸缩油缸：d =30mm， 对于手指夹紧油缸：d =15mm ，对于手臂升降油缸：d=50mm , 对于立柱横移油缸:d=16mm5.5.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸） 图11 齿条活塞缸计算简图 流量、驱动力的计算 Q = 当D=103mm,d=40mm,=0.95 rad/s时 Q = 952N 作用在活塞上的总机械载荷P P = P工 + P封 + P惯 + P回 其中 P工 为工作阻力 P封 密封装置处的摩擦阻力 P惯 惯性阻力 P回 背压阻力 P = 66+108+208=382（N） 油缸内径的计算根据作用在齿条活塞上的合成车床上料力即驱动力与总机械载荷的平衡条件，求得 D = （厘米） D = 45mm5.5.3 单叶片回转油缸 在车床上料机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸，简称回转油缸，其计算简图如下：图12 回转油缸计算简图 流量、驱动力矩的计算当压力油输入回转油缸，使动片以角速度运动时，需要输入回转油缸的流量Q为： Q = 当D=100mm,d=35mm,b=35mm, =0.95 rad/s时 Q=0.02m/s 回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成车床上料力矩即驱动力矩M： M = 得M = 0.8 (Nm) 作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩 M M = M工 +M封 + M惯 + M回 其中 M工 为工作阻力矩 M封 密封装置处的摩擦阻力矩 M惯 参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩 M回 回转油缸回油腔的背反力矩 M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (Nm) 回转油缸内径的计算回转油缸的动片上受的合成车床上料力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得： D = （厘米） D = 30mm5.5.4油泵的选择 一般的机械手的车床上料系统，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泵来确定。 确定油泵的工作压力p泵 p泵 p + p 式中 p 油缸的最大工作油压 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。 p泵= 60*10帕 确定油泵的 Q泵 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 = K Q最大 其中K一般取1.101.25 Q泵=53升/分 5.5.5 确定油泵电动机功率N N = （千瓦） 式中 p油泵的最大工作压力 Q所选油泵的额定流量 油泵总效率N=7.5（千瓦）6 PLC控制回路的设计6.1电磁铁动作顺序表1 电磁铁的动作顺序表序号动作 电磁铁 1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT11DT12DT13DT14DT1插定位销+2手臂前伸+3手指张开+4手指闭合+5手臂上升+6手臂回缩+7立柱横移+8手腕回转+9拔定位销10手臂回转+11插定位销+12手臂前伸 +13手臂中停、大泵卸荷+14手指张开+15手指闭合+16手臂缩回+17手臂下降+18手腕反转+19拔定位销 20手臂反转+21立柱回移+22待料卸荷+23注：+表示电磁铁线圈通电6.2 选定地址编号 根据机械手的动作顺序表，选定电磁阀、开关等现场器件相对应的PLC内部等效继电器的地址编号，其对照表如下：表 2 现场器件与PLC内部等效继电器对照表 现 场 器 件内部继电器地址说 明输入 1SB2SB3SB1ST2ST3ST4ST5ST6ST7ST8ST9ST10STX000X001X002X003X004X005X006X007X010X011X012X013X014启动按扭连续启动按扭连续停止按扭手腕回转限位开关手腕反转限位开关手臂回转限位开关手臂反转限位开关手臂上升限位开关手臂下降限位开关手臂前伸限位开关手臂缩回限位开关立柱横移限位开关立柱移回输出 1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT11DT12DT13DT14D
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