电动机座加工自动线卸料机械手设计【液压驱动 二自由度圆柱坐标式】【4张PDF图纸+CAD制图+文档】
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液压驱动 二自由度圆柱坐标式
电动机座加工自动线卸料机械手设计【液压驱动
二自由度圆柱坐标式】【4张PDF图纸+CAD制图+文档
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毕 业 设 计（论 文） 题 目 电动机座加工自动线卸料机械手设计 姓 名： 冯 应 辉 学 号： 0515011211 所在系部： 机械工程系 专业班级： 05机制（2）班 指导老师： 雷 绍 禄 日 期： 2009年6月1日 目录摘要.2 ABSTRACT.3 目录.4 1 绪论. . . 6 1.1 研究背景及发展现状 .61.2 本课题研究目的及意义.8 1.3 本课题的研究内容.92 机械手的总体计.9 2.1 总体方案的比较与选定.9 2.1.1 各种坐标形式机械手的比较.92.1.2选定的两个机械手方案的概述及比较.12 2.2 机械手的组成及各部分关系概述.162.2.1 执行机构.17 2.2.2 驱动机构.17 2.2.3 控制系统.18 2.3 机械手的主要参数.19 2.3.1 机械手的主要技术参数.19 2.3.2 机械手的主要规格参数.193 机械手机械系统的设计 .203.1 手部的设计.20 3.1.1 手部结构的设计.20 3.1.2 手部的计算与分析.21 3.2 臂部.25 3.2.1 手臂不自锁条件. 263.2.2 手臂回转缸结构设计.263.2.3 大手臂相关参数计算.273.2.4 手臂伸缩缸的结构设计 .353.2.5 手臂伸缩缸的设计计算.354 机械手的液压驱动系统的设计.424.1 程序控制机械手的液压系统.424.2 液压系统传动方案的确定.42 4.2.1 各液压缸的换向回路.42 4.2.2 调速方案.434.2.3 减速缓冲回路.44 4.2.4 调压回路.45 4.2.5液压系统的合成与完善.465 机械手的PLC控制设计.48 5.1 运动控制方式的选择.48 5.2 输入输出触点的分配.49 5.2.1 行程开关的分配.49 5.2.2 手动按钮分配.50 5.3 外部接线图.50 5.4 控制面板设计.51 5.5 卸料机械手电气控制图.52 5.6 电气系统工作流程图原理.54致 谢.57参考文献 .591 绪论机械手，英文名mechanical hand，是指能模仿人手和臂的某些动作和功能，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。 工业机械手即在工业生产中所使用的机械手，是一种可编程序的自动机械手。它是在五十年代末出现，近年来迅速发展起来的重要的自动化装置，是实现工业自动化的重要手段。目前，在各个生产领域，为了提高生产效率和产品质量，实现安全生产，都采用了各种不同形式，不同功能的机械手。由于机械手的出现，在许多生产工艺中都代替了人工，使工业自动化有了较大发展，这不仅大大的提高了劳动生产率，改善了劳动条件，减轻了工人劳动强度，而且使成批生产有了质量技术保证，就因为如此，机械手的设计开发成了目前工业技术的重要课题。1.1 研究背景及发展现状 机械手在工业生产中广泛的应用于机加工，锻压，铸造，冲压，焊接，装配，喷漆，热处理等各个行业，特别是在笨重，高温有毒，放射性，多粉尘等恶劣危险的劳动环境中，机械手由于有显著的优点而备受重视。以下是机械手在工业中的几种典型应用： 1旋转体零件生产流水线自动化方面 采用机械手在旋转体零件（如轴类、盘类、环类等）生产流水线上的机床之间传送工件能够提高生产线的自动化。国内已建成的这类自动线很多，如沈阳泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机轴加工自动线（轴类），上海拖拉机齿轮厂的齿坯加工自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的汽缸盖加工自动线转位机械手。 2在实现单机自动化方面 1）各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料。装上机械手，可实现全自动生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用最多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二机床厂的自动循环 液压仿形车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面使用已有成熟的经验，国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时就附上机械手，或为用户自行安装机械手提供条件。 2）注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现全自动生产。 3）冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t冲床磁力起动器壳体下料机械手和天津拖拉机厂400t冲床的下料机械手等;一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位冲床）和天津二轻局技术研究所制作的12t和40t多工位冲床机械手等。 3.在铸、锻、焊等热处理方面 在锻造方面，机械手一般用做加热炉，锻压机床或冲床的上下料和工件的传送，其中包括多工位冲床的中间传送。如：天津第二锻造厂研究了JS01通用机械手用于精锻机上下料。 在铸造方面，机械手应用较多的是在熔模铸造中，也用于浇铸，造型，制芯及清理工作。美国Dochlcn-jarvis工厂是使用工业机械手最多的，约12万台，主要用于从压型中取出铸件，然后用喷气法清洗铸件表面，该厂使用机械手后铸件质量得到了很大提高，稳定性增强。 在焊接方面，焊接机械手也是应用较多的，这种机械手可分为点焊接机械手和弧焊接机械手。对于点焊接机械手，其手臂能伸缩，俯仰，回转，手腕能摆动，回转，俯仰。至于弧焊接机械手，它的焊炬能作复杂三维曲线运动以调节焊接范围。 4在装配方面 工业机械手在装配中的应用，是近几年国内外研究和发展的一个重要方面，特别是在汽车制造业的汽车装配自动化和弹药装配等危险作业上有很大的使用价值。目前装配机械手正由串联结构向并联结构转换。 1.2 本课题研究目的及意义：工业机械手具有许多人类无法比拟的优点，满足了社会化大生产的需要，其主要优点如下： 1.能代替人从事危险、有害的操作。只要根据工作环境进行合理设计，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、灭火等危险环境中胜任工作。工伤事故多的工种，如冲压、压铸、热处理、锻造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中，应推广工业机械手或机器人。 2.能长时间工作，不怕疲劳，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。人在连续工作几小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护、检修，即能胜任长时间的单调重复劳动。 3.动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。 4.机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好，能较好地适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。 5.机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。 由于机械手在工业自动化和信息化中发挥了以上巨大的作用，世界各国都很重视工业机械手的应用和发展，机械手的应用在我过还属于起步阶段，就显示出了许多的无法替代的优点，展现了广阔的应用前景。近十几年来，机械手的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。 成品电动机机体形状很复杂，从毛胚到成品需要完成很多道加工工序，各道工序及工序之间都要实现机体的移位及定位，这些工序如果全靠人工完成将大大增加工人的劳动强度，不仅使加工质量难以得到保证还增加了劳动的危险性。本课题的研究是为了设计出一种电动机机体加工自动线上用的辅助机械手，该机械手在机体加工自动线能完成上料，转位和翻转等多种功能，提高生产效率，降低劳动强度。 1.3 本课题的研究内容 ：本次设计的多功能机械手用于电动机座加工自动线上，主要由手爪、小臂、大臂等组成，具备上料、翻转和转位等多种功能，并按该自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。本机械手为圆柱坐标式机械手，自动线围绕机体布置，具有大手臂旋转、小手臂伸缩、手指伸缩共2个自由度。其中大手臂旋转是为了将工件从自动线转移到卸料工位上，小臂升降手指伸缩是重复自由度，目的是扩大升降范围，避免小手臂频繁升降；驱动方式为液压驱动，且选用双联叶片泵，系统压力为2.5MPa，电机功率为3KW，共有推动大臂旋转油缸、小臂升降油缸、手爪夹紧油缸共3个液压缸；定位采用机械挡块定位，定位精度为0.51mm，采用行程控制系统实现点位控制。 本机械手装置应具备如下功能； 1. 具有友好的人机界面，以保证人机通讯、人机互助和人机协同工作。 2.能够自动完成系统所要求的动作，具有连续工作、单周期工作、单步工作、自动返回原点、手动返回原点、手动操作等功能。 3.在保证精度的前提下，有一定的容错性。 4.能够依次对柴油机机体完成上料、转位、翻转等辅助加工功能。 5.在保证完成以上功能的前提下具有一定的通用性，使该机械手在整个柴油机机体加工自动线都具有一定的适应性。2 机械手的总体设计2.1 总体方案的比较与选定 2.1.1 各种坐标形式机械手的比较 按坐标形式分，机械手主要有以下四种不同的类型： 1. 直角坐标式 2. 圆柱坐标式 3. 球坐标式 4. 平面多关节式 根据设计要求，本课题设计的机械手需要在电动机座加工自动线卸料，包括上料，升降，转位，等多种功能。结合设计要求对各种坐标形式的机械手的优缺点作出评析， 如下： 1. 直角坐标式机械手（如图2.1）。这种机械手所有的送放运动均为直线运动，结构简单，直观性好，便于实现一定的精度要求，但本机械手需要在多个工位上完成辅助加工功能，故在相同的动作范围内其所需要的空间位置大，灵活性差，同时由于手爪部分移动，不利于电液集中配置。 图2.1 直线坐标式机械手2. 圆柱坐标式机械手（如图2.2）。这是一种回转型机械手，其手臂除了可以伸缩，可以升降外，还可以绕立柱回转。这种机械手与直角坐标式机械手相比，占地面积小而活动范围大，结构亦比较简单，并能达到较高的定位精度。但是，它的手臂的升降受到机械手结构的限制，距离地面总有一定的距离，不能从地面抓取物件，因此不能完成上料的工序。 图2-2 圆柱坐标式机械手 1 手部 2腕部 3臂部3. 球坐标式机械手（如图2.3）。这种机械手与圆柱坐标式机械手相比，在占有同样大小的空间情况下，可以扩大工作范围，能将手臂伸向地面抓取物件。其缺点是运动的直观性差，结构较复杂，且臂部有两个回转运动，位置精度误差较大。图2.3 球坐标式机械手 4. 4.多关节坐标式机械手（如图2.4）。这种机械手可以在以臂部最大伸展长度为半径的球体空间范围内任意抓取物件，灵活性大。它与其他坐标形式的机械手相比，所占空间最小。但其运动直观性差，臂部前端的位置由多个回转运动决定，要达到较高的运动精度比较困难，为此必须提高制造精度，因而使设计和制造均较为复杂。图2.4 多关节坐标式机械手2.1.2选定的两个机械手方案的概述及比较 2.1.2.1两种方案概述 根据本课题的设计要求，该机械手能够完成上料、升降、转位工件等多种功能，所以，在这里设计了四个机械手将要到达并完成辅助加工的工位，依次是：上料工位、升降工位、转位工位、再次转位工位（见图2.6和2.7）。机械手在一个周期内的动作过程如下： 一上料。机械手在运动开始前面向第一工位。开始工作后，机械手的小手臂的升降缸将手部5下降到取料位置，手部上的定位压盘正卡在工件已加工完的上端止口及其端面上，同时，手指伸缩油缸1的活塞杆下端连接着带圆锥面得推动杆6，使内撑式手部的三个手指伸入到工件内的空槽中。 二完成以上动作后，机械手转向第二工位，将工件升起，小手臂2的油缸上升，将工件提起到预定的高度。 三接下来，大手臂回转90度（当前输送带前进到终点发信）。 四然后小手臂下降到工件准确地放到转载装置前输送带的适当位置上。 完成一个周期的动作后，机械手转向第一工位，处于“回到原点”状态。这时，第一工位的专机已经完成加工处于“等候上料”状态，机械手在第一工位再次完成上料后转向第二工位，这时，在第一工位加工完毕的机体已经顺着自动线传至第二工位，机械手将其转位使其完成第二工位的加工。在连续工作状态中机械手的动作过程如上所述依次循环。 总结上述各种形式的机械手，在满足设计要求的前提下设计出以下两种方案。 方案一：外形图及运动简图如下 图2.5 方案一外形图 图2.6 方案一运动简图这是一种屈伸型机械手，该机械手具有与人体上肢相类似的结构。臂部由大臂和小臂两个部分组成。除了大臂本身具有回转和俯仰运动外，小臂相对于大臂也可以俯仰，通过大臂和小臂的俯仰来实现手臂的伸缩，通过机身的回转来实现使手臂面向不同的工位。该机械手有E1-E5（见图2.6）共5个自由度，其中： E1：机身绕机座回转 E2：大臂的俯仰 E3：小臂的俯仰 E4：手腕的俯仰 E5：手腕的回转 这种机械手采用直线式流水线，待加工的柴油机机体从流水线上依次流到A,B,C,D四个工位，机械手通过机身的回转依次停在四个工位，分别完成上料、转位、翻转、再次转位四个辅助加工动作。通过大臂、小臂和手腕的俯仰使机械手到达四个工位点，通过手腕的俯仰和翻转使手爪能够有正确的夹持姿态。方案二：外形图及运动简图如下图2.8 方案二外形图图2.9 方案二运动简图这是一种圆柱坐标坐标式机械手。该机械手由机座、机身（即立柱）、大臂、小臂、手腕和手爪组成。有E1-E3共2自由度（立柱升降自由度E2和小臂升降自由度E3是重复自由度），其中： E1:大手臂回转 E2:手指伸缩E3:小手臂升降该机械手的工作流程图如下： 图2.10 方案二的工作流程图该机械手由直动式液压缸推动齿条式活塞杆通过齿条与套在机座上的齿圈的啮合来驱动大手臂回转；由直动式液压缸推动小臂升降；由直动式液压缸推动手指夹紧，弹簧自动复位。 在工作中，自动流水线环绕机座两旁布置， 机械手在一个工位完成辅助加工后，缩回手臂，大手臂依次回转到下一工位，伸出手臂完成相应的功能。2.1.2.2 两种方案的比较 两种方案通过流水线的不同布置都能使手爪到达指定的工位并且都能够实现所要求的功能，手爪都具有足够的自由度，能从正确的方位夹持电动机座体。两种方案都具有电液集中，占地面积小，可以从地面上抓取工件的优点。所不同的是：方案一通过腰部的回转、大臂的俯仰及小臂的俯仰来使手爪到达正确的工位，而方案二是通过大手臂回转、小手臂的升降和手指伸缩来使手爪到达正确的工位。 但是，方案一运动直观性差，结构复杂。首先，其臂部位置由多个回转运动决定，手臂在俯仰时其底部回转角度的误差容易在手臂端部造成误差扩大，通过大臂、小臂、手腕的回转误差累积，最终容易使手爪位置与指定位置有较大偏差。其次，越靠近机身的俯仰运动所需要的驱动力越大，使整个系统各液压缸工作压力相差很大，不易配置液压驱动系统且回转缸出力不大。再次，方案一的手臂有多种屈伸状态，则需要很多的定位装置，而回转液压缸内空间狭小，不宜布置过多的机械挡块。如果改采用连续轨迹控制的机械手，成本太高。所以在第二种方案中齿条啮合安装在手臂上的齿轮来推动手臂回转，在齿条式活塞杆的端部安装凸块，在活塞杆的行程上安装控制缓冲和停止的开关，由凸块在运动过程压合行程开关来实现对回转的控制。 综上所述，本课题采用第二种方案2.2 机械手的组成及各部分关系概述 本课题所设计的是一种在电动机机体加工自动线上用的多功能机械手，属于工业用机械手。同大部分工业机械手一样，它是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成的，其组成示意图如下：图2.11 机械手组成框图 2.2.1 执行机构 1. 手部。即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。由于回转型结构简单，为了减轻手部的重量，本设计采用回转型。手爪多为两指（也有多指），根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可用负压式或真空式的空气吸盘（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。本课题设计的多功能机械手需要抓取的是电动机座体，为了便于机械手结构尺寸的确定以及各部分的受力分析和计算，本文以JO2系列15号电动机座。由于电动机座机体内部形状不是很有规则，本手爪采用宽大的三指型并且在指的内侧粘贴一层橡胶以增大摩擦，就像人的手指上附有皮肉。 传力机构型式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。 2.臂部。臂是支承被抓物、手部的重要部件。手部的作用是带动手指去抓取物体，并按预定要求将其搬到预定的位置。 手臂有两个自由度，可采用直角坐标（前后、上下、左右都是直线）,圆柱坐标（前后、上下直线往复运动和左右旋转），球坐标（前后伸缩、上下摆动和左右旋转）和多关节（手臂能任意伸屈）四种方式。2.2.2 驱动机构 有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N 以下。液动式的出力大，臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在1mm范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。1.各类驱动系统的特点 工业机械手的驱动系统,按动力源分为液压,气动和电动三大类.根据需要也可由这三种基本类型组成复合式的驱动系统.（1）液压驱动系统 由于液压技术是一种比较成熟的技术,它具有动力大,力(或力矩)惯量比大,快速响应高,易于实现直接驱动等特点,适用于承载能力大,惯量大以及在防爆环境中工作的机械手.（2）气动驱动系统 具有速度快,系统结构简单,维修方便,价格低等特点,适用于中,小负载的系统中.但难于实现伺服控制,多用于程序控制的机械手中.如在上下料和冲压机械手中应用较多.（3）电动驱动系统 由于低惯量,大转矩的交,直流伺服电机及配套的伺服驱动器(交流变频器,直流脉冲调制器)的广泛采用,这类驱动系统在机械手中被大量选用.2.工业机械手驱动系统的选择原则设计机械手时,选择哪一类驱动系统,要根据机械手的用途,作业要求,机械手的性能规范,控制功能,维护的复杂程度,运行的功耗,性能与价格比以及现有条件等综合因素加以考虑.在注意各类驱动系统特点的基础上,综合上述各因素,充分论证其合理性,可行性,经济性以及可靠性后进行最终的选择.一般情况下机械手驱动系统的选择大致按如下原则:（1）物料搬运(包括上下料)用有限点位控制的程序控制机械手,重负载的可选用液压驱动系统,中等负载的可选用电动驱动系统,轻负载的可选用气动驱动系统.（2)用于点焊和弧焊及喷涂作业的机械手,要求具有任意点位和轨迹控制功能,需采用伺服驱动系统.本机械手采用PLC程序控制液压驱动系统2.2.3 控制系统 机械手电器控制系统有各种类型，除了通用机械手外，绝大多数要专门进行电控系统的设计。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、回转及摆动等都是在控制系统的指挥下，通过每一运动部件的检测机构有较重要的作用。检测是为进行比较和判断提供依据，是操作和控制的基础。通用的位置检测元件有以下：1.行程开关 这种开关又称限位开关，主要用于将机械的位移转变为电信号，控制驱动电动机的运作状态，或控制有关电磁阀的动作，从而实现机械手的定位或进行行程控制。2.近开关 这种开关主要利用接近体与检测线圈间的电磁感应来检测位置，是一种无触点行程开关。3.电位器 电位器的结构简单，输出信号大，可测直线和角度位移，使用方便，价格低。缺点是分辨率不高，放大器和执行机构有一定得死区，因而控制精度不高。控制的方式有以下方式：有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁带磁盘、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特征。 2.3 机械手的主要参数 2.3.1 机械手的主要技术参数 本课题为电动机机体加工线上的辅助装置之一，机械手在机体加工自动线上完成上料，转位和翻转等多种功能。以JO2系列15号电动机座为例，其主要技术指标如下： （1） 最大抓取重量: 35Kg（2） 械手的自由度: 2个（3） 坐标型式：类似圆柱坐标（4） 手臂运动参数：大手臂回转（） 90度 小手臂升降（Z） 400毫米（5） 手指夹持范围： 孔径252毫米（6） 定位方式： 行程挡铁（7） 定位精度： （8） 驱动方式： 液压（9） 控制方式： 继电线路程序控制（10）性能要求：抓取灵活，送放平稳，定位可靠。 2.3.2 机械手的主要规格参数 工业机械手的规格参数，是说明机械手规格的具体指标，包括以下几个方面： 1）自由度数目和坐标形式：自由度2个，坐标形式为圆柱坐标式。 2）定位方式：机械挡块和行程开关。 3）驱动方式：液压驱动。 4）手臂运动参数 5) 程序编制方法：PLC。 6）控制系统动力：电。 7）驱动源：液压，压力为2.5MP，液压泵CE-B25型齿轮泵，电动机是JO2-41-6型，功率为3kW。 8）重量：35kg。3 机械手机械系统的设计3.1 手部的设计 3.1.1 手部结构的设计 手部设计时应该注意的问题：（1） 手指需有足够的夹紧力。（2） 手指应有一定的开闭角度范围，其大小应满足工件尺寸变化的需要。（3） 应能保证工件的准确定位。（4） 结构尽量紧凑、减轻重量，以利于臂部设计。手部的结构与分类：手部就是与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当被夹持工件是圆柱刀柄时，使用夹持式手部;当该机械手做其他用途，被夹持工件是板料时，可使用气流负压式吸盘。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。吸附式手部分为空气负压吸盘和电磁吸盘两种。空气负压吸盘对所吸附的工件的材质不限，但要求工件表面较平整。空气负压吸盘按形成负压的方法分为挤气式，气流负压喷嘴式，真空泵式。电磁吸盘结构简单，但仅适用吸附磁性工件，并应注意被吸附的工件有剩余磁性的问题。电磁吸盘按结构形式分为固定式和转动式。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。3.1.2 手部的计算与分析一. 夹紧力（握力）的确定 :本设计中机械手手爪在夹持工件时，都是手指在水平位置上夹持垂直放置的工件，其夹握力分析简图如下图3.2 图3.2 夹握力分析简图 N=式中，N 夹持工件时所需要的握力； G工件的重量，G =35kg =350N ； f摩擦系数，取 f = 21.0 ； 电动机座机体结构复杂，表面并不平整。为了增大夹握力，可以采取以下两种方法：一，加大手指宽度以增加手指和机体的接触面积；二，增大手指和机体间的摩擦系数。为此本设计一方面采用较宽手指，另一方面在手指内侧粘结波涛形的橡胶垫，如图3.1所示，故此f 处取0.21。 将上述数值代入得 N=833.33N考虑到工件在传送过程中还会产生惯性力，振动以及受到传力机构效率等得影响，故实际握力还应按下式计算： 式中， 手部的机械效率，一般=0.850.95； K安全系数，一般取K =1.22;K 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，按下式估算：K=1+， 其中，a为抓取工件传送过程中的最大加速度，g为重力加速度。 若取=0.9；按K=1.5 ，K按a=计算，K=1+，则 =833.33*2083.33N因为这个机械手手指不是完全靠摩擦力去夹紧工件，假如这个完全是靠摩擦力的话，则每个手指需要承受的握力N=/3=2083.33/3=694.44N二，夹紧缸驱动力的计算 图3.3所示为夹紧缸受力分析简图，图中P为驱动力，为握力。由图（a）的受力分析可得 图3.3 a由图3.2得知在手指头上有一个复位弹簧，根据手指的尺寸选择弹簧的种类，在这里我们选择：弹簧丝直径d=1.0 , 弹簧内径=10mm , 弹簧系数=13.43 N/mm假设当手指在推动杆的最下方的时候弹簧为自由长度，即弹簧H=41mm,由从推动杆从底部到杆上的变化距离S=11mm ,则弹簧变化长度为x=11mm ，=x= 13.43*11=147.73 N =694.44 N （见23页计算数据）由受力图3.3 a可知在竖直方向的受力情况为： = （+）*sin 其中sin=0.48 = （694.44+147.73）*0.48 = 382.64 N因为这是其中一个手指的计算驱动力，则驱动力总和PP=（）= * 3 = 382.64N * 3 = 1147.9 N三，夹紧液压缸主要尺寸得确定 1液压缸内径D D=13.1式中，P驱动力，即液压缸得实际工作载荷； 系统得工作压力，=2.5Mpa =2.5N/ 机械效率，一般取=0.95将上述数值代入得: D=13.1=13.1= 24.83 mm25 mm按JB82666(GB2348-80)标准系列直径圆整，取D=45mm d=20mm（活塞杆直径）2. 液压缸壁厚 =式中，试验压力，=1.3*2.5=3.25Mpa 许用压力，选用铸铁材料，=60Mpa将已知数据代入上式得: = 1.125 mm 取 =11 mm3.液压缸外径及长度l =D+2=45+2*11=67mm l(2030),由结构需要确定，取长度l=40 mm4.活塞杆的计算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。对于杆长l大于直径d的15倍（即）的活塞杆还必须具有足够的稳定性。l 15 d有总体设计可知l=40mm,d=20m，所以这里只对杆进行强度的校核。 式中： F驱动力（N） d活塞杆直径（m） 材料的许用应力（Pa） 碳钢取=100120MPa =36.5Mpa15d时，一般应进行稳定性校核。该手臂活塞杆L15d时，一般应进行稳定性校核。该手臂活塞杆L15 d有总体设计可知l=227mm,d=90mm，所以这里只对杆进行强度的校核。 式中： F驱动力（N） d活塞杆直径（m） 材料的许用应力（Pa） 碳钢取=100120MPa =2.88Mpa15d时，一般应进行稳定性校核。该手臂活塞杆L15 d有总体设计可知l=400mm,d=75mm，所以这里只对杆进行强度的校核。 式中： F驱动力（N） d活塞杆直径（m） 材料的许用应力（Pa） 碳钢取=100120MPa =3.52Mpa15d时，一般应进行稳定性校核。该手臂活塞杆L1575=1125mm故无需稳定性校核。3.2.6机械手整体相关运动参数设计 1.由运动流程图如下，机械手完成一个周期的运动是t=29秒，这个根据实际工作中的时间效益和机床保护方面考虑，我们整体可以把时间分配为如下情况，图3-9运动、时间流程图2.大手臂的运动速度计算 R=70 R=130 u=1.857 因为大手臂需要转动=90，即当大手臂能够完成一个单向运动时，这时候的轴1走过的角度 =u=1.85790=167.1在轴1上的另外一个小齿轮也就走过了角度，此时小齿轮走过的距离s S=3.1475=109.33mm和小此轮啮合的齿条走过的距离=S=1O9.33mm =27.3mm/s3.小手臂速度的计算 从运动行程图可知=4s，行程总距离s=400mm =100mm/s（小手臂上升和下降的速度是一样的） 4.手指升降速度计算 =20 mm/s （手指的升降速度也是一样的）4 机械手的液压驱动系统的设计 液压系统自60年代初到现在，已在机械手中获得广泛应用。目前，虽在中等负载以下的机械手中采用电机驱动系统，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占较大比重，它的优点是：动力大、力（或力矩）惯性比大、响应快速、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。用于实现手臂及机身的伸缩升降以及手腕的摆动与回转。4.1 程序控制机械手的液压系统 这类机械手属于非伺服控制机械手，在只有简单搬运动作业功能的机械手中，常常采用简单的逻辑控制装置或编程控制，对机械手实现有限位的控制。这类机械手的液压系统设计与其它液压机械设计所考虑的问题大致相同，只是在以下方面须加以重视。 1）液压缸设计：在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件，以减少摩擦阻力，提高液压缸的寿命。 2）定位点的缓冲与制动：因机械手手臂的运动惯量较大，在定位点前要加缓冲与制动机构或锁紧装置。 3）对惯性较大的运动轴和接近机械手末端的腕部运动轴的液压缸两侧，最好加设安全保护装置，防止因碰撞过载损坏机械结构。 4.2 液压系统传动方案的确定4.2.1 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，夹紧缸换向选用二位三通电磁阀，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4-1二位二通换阀（直动夹紧缸）向 三位四通换向阀（直动缸）三位四通换向阀（ 回转缸） 4.2.2 调速方案 本机械手的液压系统有分别小手臂升降、大手臂回转、手爪夹紧的共3个直动式液压缸和控制手腕摆动和手腕旋转的共两个回转液压缸。其中控制小手臂升降、大手臂回转的直动式液压缸所需的流量很大，需要一个大流量泵快速供油，而控制手爪夹紧的直动式液压缸缸所需的流量较小，只需要一个小流量泵，所以采用双联叶片泵。采用双泵供油系统，它在需要大流量动作的缸运动时，双泵同时为供油，在需要小流量动作液压缸运动时，则用小流量泵供油，而大流量泵低压卸荷。双泵供油系统避免了溢流损失过大。能源利用效率较高。双泵供油系统如图4-24.2.3 减速缓冲回路 通用工业机械手要求可变行程，在液压缸的起动和停止的过程中都需要缓冲。 1.液压缸中缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时在活塞和缸盖之间封住一部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大阻力，使工件部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互碰击的目的。 图4-3 缓冲装置1-针形节流阀 2-单向阀特点说明： 1.被封在活塞和缸盖间的油液经针形节流阀流出 2.节流阀开口可根据负载情况进行调节 3.起始缓冲效果大，随着活塞的进行，缓冲的效果逐渐减弱，故制动行程长 4.缓冲腔中的冲击压力大 5.缓冲性能受油温影响 6.适用范围广以上是针对适用范围比较广的缓冲装置做一些简单说明，因为在手臂升降中油缸涉及到缓冲这个装置，在这里特别说明！4.2.4 调压回路 液压系统的压力必须与负荷相适应，以节约动力消耗和减少发热。本机械手采用双联定量泵供油，用溢流阀来调定压力，使系统在恒压下工作，如图4-4.调压回路4.2.5液压系统的合成与完善 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。4-5卸料机械手动作程序及电磁铁动作顺序表 电磁铁动作名称1YA2YA 3YA 4YA 5YA 6YA小手臂下降 +-+-+手指伸入（抓工件）+-+-小手臂上升-+-+-大手臂转入（转向转载装置前输送带）-+-+-小手臂下降+-+-+-手指缩回（放工件）+-+-+小手臂上升-+-+大手臂转出（转向电机座输送带卸料工位）-+-+-+ 图4-6 液压原理图5 机械手的PLC控制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、如手臂的升降、伸缩、回转及摆动、手腕的俯仰、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设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。 随着工业生产的不断发展以及工业机械手技术的不断成熟，可编程控制器被广泛应用，它的优点是运行稳定、编程方法简单易学、功能强、性能价格比高、硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强、无触点免配线、可靠性高、抗干扰能力强、系统的设计安装调试工作量少、维修工作量小、维修方便、体积小、能耗低。所以该机械手采用PLC控制。 5.1 运动控制方式的选择 运动控制方式有点位控制（PTP）和连续轨迹控制（CP）两种. 点位控制方式就是由点到点的控制方式，只对机械手运动部件（大手臂、小手臂和手爪）所应到达空间点的定位进行控制，而对两个定位点之间的运动轨迹不加控制。这种方式可达到较高的重复定位精度。点位控制又分为两点控制和多点控制两种。如果机械手抓取和放置工件的位置都是准确而固定的，如上下料专用机械手，可由挡块、行程开关等来定位，采用起点和终点的“两点控制方式”。通用工业机械手则要求多点定位，而且要经常更换设定位置，这时一般装有位置检测器作为运动位置的反馈，即采用“多点式控制”。两点的点位控制可用普通的继电器控制线路实现，多点式的点位控制则常常采用继电器顺序控制器，可编程序控制器和微机控制系统等。 连续轨迹控制方式不仅要控制行程中所有中间点的位置和终点位置，而且还应对运动轴同时进行连续控制。这种控制方式的中间定位点是无限多的，如电弧焊、喷漆等机械手，需要采用连续轨迹控制方式。在控制运动轨迹的同时，还需要控制其运动速度和加速度。 为了让该机械手工作时安全可靠且有较强的稳定性，本文控制部分的设计思路是让该机械手的部件顺序动作。例如在控制机械手伸出时，先让大臂伸出，以大臂伸出完成为转换条件再让小臂升降，完成上述动作后再调整手爪位置使其有正确的夹持姿态，最后再夹紧。所以，在任一时间该机械手都只有一个部件被驱动。而各个部件的运动方式和运动范围都是受其结构限制的。例如活塞杆只能沿着缸壁滑动。所以采用点位控制即可以满足设计要求，同时为了使机械手在其活动范围内右一定得灵活性，本设计采用行程开关定位，PLC控制。 5.2 输入输出触点的分配 5.2.1 行程开关的分配 图5-1 行程开关分布图电动机座加工生产线自动卸料机械手本设计的要求工作为将被加工工件从生产线上抓取，通过一系列动作，将工件完成卸下工件工艺流程。机械手通常位于原点，原点位置位于机床上方。此时，大臂转入90度位置，小臂收缩至最高位置，手爪伸出。到手爪与机床的干涉，要求每个动作的完成都不能产生碰撞。根据工况要求，执行机构要具有手臂回转、手臂升降、手指伸缩二个自由度。执行机构相应由手臂回转机构、手臂升降机构、手指伸缩机构夹紧机构等组成，每一部分均由气压缸驱动与控制它完成的动作循环为：原位（以卸料位置小手臂最高点为原位）小手臂下降手指缩回，放下工件（下料）小手臂上升大手臂转出（从原位回到上料位置，转90度）小手臂下降手指伸出，抓住工件（上料）小手臂上升大手臂转入，回转90度到达原位一个周期完成5.2.2 手动按钮的分配 本课题所设计的机械手包含了手动控制功能，所以要分配手动按钮，并将这些控制按钮做在控制面板上。按钮分配如下： 1.油泵电动机控制启动：32SB6 ; 停止：32SB6 （符号标注请看下面电气控制图）2.大手臂转入、转出 大手臂转入：32SB19 ; 大手臂转出：32SB183.小手臂升降小臂上升：32SB15 ; 小臂下降：32SB14 4.手指伸缩手指伸长：32SB16 ; 手指缩回：32SB175.单独工作时机械手第1、3次下降 下降：32SB346.单独工作时机械手第2、4次下降 下降: 32SB355.3 外部接线图 考虑输入触点总数，再加上一些辅助触点，选用FX2N-128型可编程序控制器，这种型号的PLC共有128触点，输入输出各64个，完全满足要求。考虑到输入输出公共端口及电源和辅助端口，PLC外部接线图如图5.1。由图可知，输入触点主要由一下几部分组成： 一与行程开关相对应的触点； 二与手动按钮相对应的触点； 三与工作方式相对应的触点； 四起动停止及公共触点等; 输出触点数目主要由电磁阀数目决定再加上公共触点。 为了保证在紧急情况下（包括可编程序控制器发生故障时）能可靠得切断可编程序控制器的负载电源，在外部电路中设置了交流接触器KM，在可编程序控制器开始运行时按下“负载电源”按钮，使KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源。 5.4 控制面板设计 此面板提供了一个人机交互的界面，当该机械手需要调试和维修的时候就会用到它。当然，当生产线有暂停的时候，也需要人为的停止和起动。所有的手动按钮都要设定在控制面板上（如下图5.2）。由图可知，控制面板上的按钮主要由以下几部分组成： 一 对每个液压缸的驱动按钮。例如“小手臂上升”、“小手臂下降”，二 选择工作方式的旋转按钮； 三 起动、停止、电源等按钮。 图5-2 控制面板设计图5.5 卸料机械手电气控制图5-3 卸料机械手电气控制图5.6 电气系统工作流程原理 当自动线在自动工作时，卸料机械手控制箱上的钮子开关处于“自动”位置。 卸料机械手开始工作前的原始状态为：大手臂处于“转入”位置，小手臂处于“上端”，手指是“伸出”的，即机械手已将工件从卸料工件卸下来，然后抓起并转送到前输送带上方，准备将工件放在前输送带上去。此时的限位开关32ST3、32ST1和32ST6均被压下，继电器32KA3、32KA1和32KA6通电，同时前输送带上没
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