408 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计

1、灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 i 摘 要 本文简要的介绍了下料机械手的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和 坐标形式以及液压驱动技术的特点，plc 控制的特点以及国内外机械手的发展状况。 本文对机械手的总体方案进行设计，根据设计要求，确定机械手为圆柱坐标形式 并且具有四个自由度，以及机械手的技术参数如手臂伸缩行程 500mm、手臂升降行程 100mm，同时确定了机械手的手部结构为夹钳式结构，设计了手腕、手臂和基座结构， 绘制了机械手液压系统原理图，通过对液压系统工况图进行研究，提高了图纸的质量 和绘图的效率。 采用 plc 点位控制对机械手进行控制，选取了合适的 plc 型号,根据

2、设计要求选用 的 plc 型 fx2n-48m，根据机械手的工况流程图，制定了 plc 控制方案，分配 i/o 接线 口，绘制 plc 外部接线图以及梯形图。 关键词：关键词：机械手，液压驱动，plc 控制 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 ii abstract this paper introduces the concept, composition, classification, degree of freedom, coordinate form of the manipulator, and the feature of hydraulic drive technology,

3、as well as plc control. it also introduces the development of the manipulator in our country and foreign country. this paper designs the manipulators whole precept, according to the design requirements, forming the manipulators cylindrical coordinate and four degrees of freedom, and its technical pa

4、rameters as the arm telescopic stroke is 500mm,the arm lifting stroke is 100mm, at the same time, the manipulator hand structure is determined for clamp type, the manipulators wrist, arm, and base structure, drawing the manipulator hydraulic system diagram. researching hydraulic system diagram, impr

5、ove the quality and efficiency of drawing. control manipulator by plc position control, select a suitable plc type, according to the design requirements, using fx2n-48m according to the manipulator working flow diagram, setting plc control precept, assign i/o connect port, drawing the exterior conne

6、ct diagram of plc. key words: manipulator, hydraulic, plc control 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 iii 目录 1 绪论.1 1.1 选题背景及意义.1 1.2 国内外研究现状和趋势.1 1.3 设计原则.3 1.4 机械手的总体研究方案.3 1.5 本章小结.4 2 机械手机械部分的设计和计算.5 2.1 手部的设计和计算.5 2.2 手腕的设计和计算.9 2.3 手臂的设计和计算.11 2.4 本章小结.18 3.液压系统设计.19 3.1 液压系统的组成.19 3.2 液压系统的优缺点.19 3.3 制定液压系统的基本

7、方案.20 3.4 液压缸的结构设计.20 3.5 液压元件的选型.21 3.6 液压系统性能验算.23 3.7 液压控制原理及过程.24 3.8 油缸泄露问题与密封装置.25 3.9 管路布置.25 3.10 本章小结.26 4 plc 控制系统设计.27 4.1 plc 的功能和应用.27 4.2 常用的位置检测元件.28 4.3 plc 控制系统的设计.28 4.4 本章小结.30 5 结论.31 参考文献.32 致谢.33 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 1 1 绪论 灯壳冲压自动生产线视为冲制汽车、拖拉机外装式大灯和防雾灯的灯壳而设计的。 从圆片料冲制成灯壳成品，需要经过九道工序

8、，即冲压成形、切边、滚边、扳口、冲 耳环孔、冲凸形、冲铆钉孔、冲电线孔和翻电线孔等。这九道工序分别在双动压床、 二工位切滚边自动机和六工位自动冲床上进行。 1.1 选题背景及意义 随着社会的不断发展,科技不断地提高，汽车可谓是无处不在，这使得我们要大量 的生产汽车大灯和防雾灯的灯壳，单纯的通过手工操作已经达不到生产的要求了，而 生产中应用机械手也是我国目前生产中比较普遍的了，机械手是在自动化生产过程中 使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、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

9、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。机械手能 代表人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手 越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装 卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。下图 1-1 为机械手外形图。 图图 1-11-1 机械手外形图机械手外形图 1.2 国内外研究现状和趋势 国内外研究现状有以下几点: (1)重复高精度 精度是指机械手达到指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。 重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度

10、。重复精度比精 度更重要，如果一个机械手定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 2 可以 预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围， 它通过一定次数的重复运行机械手来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展， 机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔；如核工业和军事工业等。 (2)模块化 有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼 装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的 安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手动作自如。模块

11、化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用 范围，是机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。 (3)节能化 为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不 加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料的出现，构造 特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简 单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。 (4)机电一体化 由“可编程控制器传感器液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技 术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关 控制”进入到高精度的“反馈控制

12、” ；节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管 和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越 小，而 plc 的输出功率在增大，由 plc 直接控制线圈变得越来越可能。 国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感 能力，能反馈外界的条件变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，既能更正并 自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前，已取得一定的成绩。视觉功能即 在形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类，大小，颜色和位置， 并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。 工作时机械手首先伸出

13、手指寻找工作，通过安装在手指内的敏感元件产生触觉作用， 然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自 动调整握力大小。 随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断地扩大。目前，机械手不仅应 用于传统的制造业，如采矿、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能， 航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。 总的来说，国内外的机械手发展趋势大体可分为两个方向： (1)机械手的智能化，多传感器，多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系 统 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 3 (2)与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础

14、上追求系统的经济，简 洁，可靠，大量采用工业控制器，市场化，模块化的元件。 对于国外来说他们比较追求机械手的智能化，而相对我国因为是生产大国，对于 生产力的提高是非常重要的，因此，我们侧重于机械手的生产加工方向。 1.3 设计原则 本次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的设计要求为根本设计目标，充分 考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的 使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠 性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计，将 大学期间所学过的知识，如机械设计、液压传动、机电传动控制、三菱 pl

15、c 系统设计 等知识综合运用到本次设计中，使得我们在大学期间学到的知识得到巩固和强化。 1.4 机械手的总体研究方案 1.4.1 机械手的自由度 根据设计要求，机械手的总自由度为 4 个。 其中：手臂包括 2 个自由度（1 个移动副，1 个转动副） ；而手腕包括 1 个自由度 即 1 个转动副，手部则有 1 个移动副。下图 1-2 所示为圆柱坐标形式的机械手。 图图 1-21-2 为圆柱坐标形式的机械手为圆柱坐标形式的机械手 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 4 1.4.2 给定的主要技术参数 表表 1-11-1 为主要的技术参数为主要的技术参数 1.4.3 机械手的执行部件的选择 各执行部

16、件的类型选择，即液压缸的选择，具体如下：手部的抓紧和松开通过一 个伸缩缸来实现，手腕的回转用一个回转缸来实现其运动，而手臂的上升下降伸缩则 通过一个升降缸和一个伸缩缸来实现的，基座的回转则采用一个回转缸。 1.4.4 控制方式 根据设计要求采用 plc 控制，具体的步骤为： （1）确定 i/o 设备，即确定输入输出设备 （2）选择 plc 类型 （3）分配 i/o 点 （4）设计梯形图程序 （5）绘制各电路图 1.5 本章小结 通过本章内容了解了机械手的结构分类和国内外目前机械手的发展情况，明确设 计原则和机械手的总体研究方案，根据设计要求，给定参数，对机械手手爪、手腕、 手臂、基座进行分析，

17、来确定各执行部件、零件的尺寸、合理的选择标准件，以及编 写程序，画梯形图等，完成本次毕业设计。 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 5 2 机械手机械部分的设计和计算 2.1 手部的设计和计算 2.1.1 典型手部结构 1)回转型 （1）滑槽杠杆式 （2）连杆杠杆式 2)移动型 3)平面平行移动型 根据要求选取滑槽杠杆式的手部结构，下图 2-1 为滑槽杠杆式的手部结构示意图。 图图 2-12-1 为滑槽杠杆式的手部结构为滑槽杠杆式的手部结构 2.1.2 夹紧缸驱动力计算 (1)夹紧装置 夹紧装置是使手爪开，闭动作的动力装置。其动力源可以使液压或 气动。下三张图是夹紧装置的三种结构型式的原理示意

18、图。手爪壳和缸壳连成一体， 当压力油（或压缩空气）从液压缸右边油管进油时，活塞杆向左运动，推动手爪闭合； 当压力油从液压缸左边油时，拉动手爪张开。 图 a 所示缸的拉力（或推力） （n）为： (2-1)pdf）（ 拉 22 d 4 式中 d活塞直径（m） d活塞杆直径（m） p驱动压力（pa） 图b所示，由压缩弹簧使爪牙张开，称之为常开式夹紧装置 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 6 图c所示，压缩弹簧使手爪闭合夹住工件，称之为常闭式夹紧装置 (a)(a)单杆活塞缸单杆活塞缸 (b)(b)常开式夹紧装置常开式夹紧装置 (c)(c)常闭式夹紧装置常闭式夹紧装置 图图 2-22-2 为夹紧装置的

19、三种形式为夹紧装置的三种形式 （2）各种夹紧缸装置驱动力计算 手爪的结构很多，在设计和确定手爪的结构方 案时，一方面应根据实际要求选取具体的结构，另一方面必须进行力的分析，以便在 设计选取时进行比较，才能正确选择手爪结构方案，确定各构件的尺寸，以满足夹持 工件的具体要求。 2.1.3 计算步骤 （1）首先根据对机械手的工艺及设计要求确定安全系数；计算出最大加速度， 1 k 确定工作情况系数，根据手爪夹紧方位从表中查出方位系数；求出夹紧力。 2 k 3 k n f （2）根据手爪的结构方案，由表查出驱动力的计算公式，求出液压（气）缸应具 有的驱动力。 计算 f （3）实际所采用的液压（气）缸驱动

20、力要大于。考虑手爪的机械效率； 实际 f 计算 f 一般取 0.80.9。 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 7 图图 2-32-3 为夹钳式手爪尺寸图为夹钳式手爪尺寸图 抓取重物根据要求所受重力为 g=10n，v 形钳口的角度 2=120， a=48mm，b=108mm，=30 5 . 1k1 11k2 g a 03 . 1 k3 （2-2）n45.151003 . 1 15 . 1gkkkf 321n 根据参考资料查到驱动力公式 图图 2-42-4 为驱动力公式为驱动力公式 驱动力的公式为：f b a fn 2 ) cos 1 ( 2 （2-3） n 2 fcos 2 f a b 计算

21、将已知条件代入得： n14375.5245.1530cos 48 1082 f 2 计算 85 . 0 取 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 8 （2-4）n 3 . 61 85 . 0 14375.52 f f 计算 实际 确定液压缸的直径d （2-5） p）（ 实际 22 d-d 4 f 取 压力油工作压力 p=39.2 10 pad5 . 0d 5 d=5.152 10 m=5.1mm 75 . 0 10 2 . 39 3 . 614 5 3- 根据液压缸内径系列（gb2348-80） 选取液压缸内径为 d=25mm 则活塞杆直径 为 d=12mm。 2.1.4 手爪的夹持误差分析与计

22、算 机械手能否准确的夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精 度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在 多种的中，小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持 的定位误差，必须注意选适用合理的手部结构参数，从而使夹持误差控制在较小的范 围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过1mm就可以了。而根据要求 所设计的机械手是单支点回转型手爪，抓取工件，。mmr70 max mmr50 min 工件的平均半径mmr60 取手指为2倍的工件半径 mmrlab1202 v型钳的夹角2=120 偏转角按最佳偏转角确定： （2-6）

23、 4454 sin cos 1 ab l r 计算mm003.604454cos60sin120cossin ab 0 l r min0max rrr （2-7） sin-cos sin 2-) sin ( ab max2max 2 ab1ll r l r ab 代入数据，得： 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 9 mm667 . 0 1 同理根据公式 （2-8 sin-cos sin 2-) sin ( ab min ab 2min 2 ab2lll rr ） mm678 . 0 2 故满足夹持误差的设计要求。 1 2.2 手腕的设计和计算 2.2.1 手腕设计的基本要求 (1)力求结构紧

24、凑、重量轻 腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承受。显然，腕部的 结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运载性能。因此，在腕部设 计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 (2)综合考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支承作用，除保证力和运动的要求以 及具有足够的强度，刚度外，还应综合考虑，合理布局，如应解决好腕部与臂部和手 部的连接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑，维修，调整等问题。 (3)必须考虑工作条件 对于高温作业和腐蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计时应充分估计环境对 腕部的不良影响。 2.2.2 典型腕部结构 （1）具有一个自

25、由度的回转缸驱动的腕部结构 （2）用齿条活塞驱动的腕部结构 （3）具有两个自由度的回转缸驱动的腕部结构 （4）机-液结合的腕部结构 根据要求所选用的腕部结构是具有一个自由度的回转缸驱动的腕部结构 2.2.3 腕部回转力矩的计算 腕部回转时，需要克服以下几种阻力 (1)腕部回转支承的摩擦力矩 m 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 10 图图 2-52-5 为机械手腕部支承反力的示意图为机械手腕部支承反力的示意图 从上图中可知： （2-9）（ 摩2r21r1 dfdf 2 f m 式中 轴承处支反力 r2r1 ff 、 轴承直径 21 dd 、 f摩擦系数，取 0.010.02 因为所选的轴承为

26、滚动轴承。 手腕转动件重量手部重量，工件重量， 321 ggg r2r1 ff 、由静力学方程求出 n250gn50gn10g 321 ， （2-10） 22112233 g1rflglgl r 处为支点取 55140101005075250 2 r f n457 2 r f 同理可求出 1r f （2-11） 11221133 2lglgrflg r 处为支点取 8010455050f25250 r1 n64fr1 n17604 . 0 摩 m (1)克服由于工件重心偏置所需的力矩 （2-12）egm 1 偏 式中 e 为工件重心到手腕回转轴线的垂直距离 mn24 . 3 m 324mme

27、偏 ， 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 11 (2)克服启动惯性所需的力矩 惯 m 启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度及启动所用时间按下式计 启 t 算 （2-13） 启 工件惯 t ) jj (m 2322 n1025 . 2 ) 1000 30 (55 . 0 2 1 jsmmr 242 n1075 . 6 12 1 jsmml 工件 m t n 4 . 35mjjm 惯 启 工件惯 得，）（代入 (3)回转液压缸所产生的驱动力矩计算 （2-14） 总 m rpb f 2 )-r( m 22 手腕回转时的总的阻力矩 总 m p回转液压缸的工作压力 r缸体内孔半径 r输出轴半径

28、 b动片宽度 代入数据的，得 m f n77.502/ )1018()1045(1010 8 . 39m 232335 总 经检验mm f 2.3 手臂的设计和计算 通常先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主 要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复数次，检出最终的结构。 为便于进行液压机械手的设计计算，先进行伸缩液压缸、回转液压缸的设计计算， 解决臂部运动驱动力的计算问题，在结合臂部和机身的结构设计，确定臂部和机身的 结构。 （1）伸缩液压缸的设计计算 作水平伸缩直线运动液压缸的驱动力 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 12 根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回

29、油背压及惯性等几个方面的阻力，来确定 液压缸所需的驱动力 （2）液压缸活塞的驱动力的计算 （2-15） 惯回密摩 fffff 式中 摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装置， 摩 f 则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力。 密封装置处的摩擦阻力 密 f 液压缸回油腔低压油液所造成的阻力 回 f 起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力 惯 f 的计算如下： 惯回密摩 、ffff 1）的计算 摩 f 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体的情况进行估 算。 手臂上所设计的导向杆是一个导向杆，具体计算如下： (2-16)0 a m mmagafg b 240mm120ln

30、310ggg,l 321 ， 总总 a fb lg总 n155f b (2-17) 0y ab ff g (2-18)）（ 总 a a gfq l n465f a (2-19) baba fffff 摩摩摩 ）（ 总摩 a a f l2 gn124 240 2401202 3102 . 0f ）（ 摩 式中 参与运动的零部件所受的总重力（含工件重） （n） 总 g l手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支承前端的距离（m） a导向支承的长度 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 13 当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时 钢对青铜：取=0.10.15 钢

31、对铸铁：取=0.180.3 2）的计算 密 f 不同的密封圈其摩擦阻力不同，其计算公式如下： (1） “o”形密封圈 当液压缸工作压力小于 10mpa。活塞杆直径的一半，活塞与活 塞杆处都采用“o”形密封圈时，液压缸密封处的总的摩擦力为： (2-20)f03 . 0 ff 21 封封 式中 f驱动力 p工作压力（pa） 023 . 0 05 . 0 m10p，pa d伸缩油管的直径（m） 为了保证“o”型密封圈装入密封沟槽，并与配合件接触后起到严格的密封，在加 工密封沟槽时考虑密封圈的预压缩量 3）的计算 一般背压阻力较小，可按p05 . 0 f 回回 f 4） 惯 f 的计算 (2-21)

32、tg v 总 惯 g fn 4 . 47 5 . 081 . 9 75 . 0 310 f 惯 参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量） （n） 总 g g重力加速度，取 9.81m/s 2 由静止加速度到常速的变化量（m/s）v 起动过程时间（s） ，一般取 0.010.5s，对轻载低速运动部件取较小值，对t 重载高速运动部件取较大值 (1)手臂作升降运动的液压缸驱动力 gfffff 回密摩惯 f3 . 0f 密 p=8mpa 经计算，得 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 14 n 5 1072 . 5 f 式中 摩擦阻力 摩 f g零部件及工件所受总重力。 算，得的计算与上相同，经计

33、、 密回惯 fff n38.46f 惯 p05 . 0 f 回 f03 . 0 f 密 得到手臂作升降运动的液压缸驱动力为: n109913 . 3 f 5 (2)确定液压缸的结构尺寸 1)液压缸内径的计算 当油进入无杆腔 (2-22) 4 d ff 2 1 p 当油进入由杆腔 (2-23) 4 d-d ff 22 2 ）（ p 液压缸的有效面积： s= s=0.0715m 1 p f 6 5 108 1072 . 5 2 d=1.13（无杆腔） d=31mm 圆整为 30mm 1 4 p f 1 p f d= （有杆腔） 2 1 4 d p f 式中 f驱动力（n） p 液压缸的工作压力（p

34、a） 1 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=0.95 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 15 选择适当的液压缸工作压力很重要。选高了，可以减小液压缸内径及其执行机构 的尺寸，使机械手手臂结构紧凑，但要选用价格较贵的高压油泵和阀，并使密封复杂 化。选低了，可用价格较低的泵和阀，但使结构庞大，自重增加。一般取 28mpa。 2)液压缸壁厚计算 液压缸壁厚计算，在实际使用中有三种公式： （1）中等壁厚，即 163.2 时 d = (2-24)c p dp ) 8 . 2( 1 1 式中 p 液压缸内工作压力（pa） 1 强度系数（当为无缝钢管时=1

35、） c计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值 d液压缸内径（m） （2）薄壁：即时 16 d (2-25) 2 1 dp （3）厚壁：即当时2 . 3 d (2-26)1) 3 . 1 4 . 0 ( 2 1 1 p pd (2-27) n cb ）材料抗拉强度（pacb n安全系数，n=3.55取 n=4 一般常用缸体材料的许用应力取=60mpa 代入经计算 mm2 锻钢 =110120mpa 铸钢 =60mpa 无缝钢管 =100110mpa 3)活塞杆的计算 活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。 对于杆长 l 大于直径 d 的 15 倍（即 l 15d）的

36、活塞杆还必须具有足够的稳定性。 d11mm 取 d=15mm (2-28) 4 2 d f 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 16 或 d 4 f = n b 碳钢=100120mpa，n 一般不小于 1.4，计算出的直径 d 再按表的标准值调整。 4)活塞杆的稳定性校核 当活塞杆时，一般应进行稳定性校核。dl 15 为保证联接的可靠性，对于压力较高的液压缸，应校核联接螺钉的强度。 (1)缸盖螺钉的计算 图 2-4 为缸盖的受力简图为保证联接的紧密性，必须规定螺 钉的间距，然后决定螺钉的数目 图图 2-62-6 为液压缸端盖的几种联接方式为液压缸端盖的几种联接方式 图图 2-72-7 为缸盖

37、受力简图为缸盖受力简图 (2)在这种联接中，每一个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷和预紧 0q f q f 力之和 0q f 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 17 (2-29) 0qq0q fff =39.27n (2-30) z 4 d z f f 2 q p 式中： 4 108 4 10514 . 3 f 6 23- q ）（ f驱动力（n） z螺钉数目 p工作压力（pa） 预紧力 k=1.51.8 q0 f q0q kff d危险剖面直径（m） 5)手臂回转后液压缸的设计计算 (1) 手臂回转时所需的驱动力矩 采用回转液压缸实现手臂回转运动时，其受力情况可化简成图 驱动手臂回转的

38、力矩 m，应该与手臂起动时所产生的惯性力矩 m及各密封装置 驱惯 处的摩擦阻力矩 m和相平衡。 摩 (2-31) 摩惯驱 mmm 式中 摩擦力矩（） 摩 mmn t 00 jjm惯 式中 回转缸动片的角速度变化量（rad/s） ，在起动过程中= 220 起动过程的时间（s） t st3 手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（） 0 jmn 若手臂回转零部件的重心与回转轴的距离为 (2-32) 2 0 g jj g c 式中 回转零件对重心轴线的转动惯量 c j (2-33) 12 j 2 ml 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 18 6.75 c j671 81 . 9 600 75

39、 . 6 j 2 0 (2) 驱动力矩的计算 回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩 驱 m =p (2-34) 驱 m dpb r r )( 2 22 dd b mn 96.3144)072 . 0 24 . 0 ( 2 015 . 0 108m 226 驱 (3)回转缸内径 d 的计算 驱驱 mm = (2-35) 驱 m 8 )( 22 ddpb 2 m8 dd bp 驱 d=240mm b=15mm 式中 d回转缸半径（m） 作用在动片的外载荷力矩 驱 m p回转液压缸的工作压力（pa） d输出轴与动片联接处的直径（m） 初步设计时按=1.52.5 选取 d

40、d b动片宽度（m） 动片宽度可选用 2 2 dd b d回转液压缸内径（m） 2.4 本章小结 本章内容主要是以机械手机械部分的计算为主，首先是介绍手爪结构的一些形式， 其次根据设计要求对手爪进行计算，同理手腕和手臂等也是如此，介绍手腕和手臂的 一些结构特点，从中选取所要设计的结构，确定所要设计的机械手机械部分的主要尺 寸，方便对机械手装配图的绘制。 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 19 3 液压系统设计 3.1 液压系统的组成 液压系统主要由以下五部分组成： （1）能源装置把机械能转换成油液液压能的装置。最常见的形式就是液压泵， 它给液压系统提供压力油 （2）执行元件把油液的液压能转换

41、成机械能的元件。有作直线运动的液压缸， 或作旋转运动的液压马达 （3）控制调节元件对系统中油液压力、流量或油液流动方向进行控制或调节 元件。如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。这些元件的不同组合形成了不同功能 的液压系统 （4）辅助装置如油箱、过滤器、油管等 （5）工作介质 3.2 液压系统的优缺点 液压传动有以下一些优点： （1）在同等体积下，液压装置能比电气装置产生出更大的动力。在同等的功率下， 液压装置的体积小，质量轻，即其功率密度大，结构紧凑。液压马达的体积和质量只 有同功率电动机的 12%左右 （2）液压装置工作比较平稳。由于质量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现 快速起动、制动和

42、频繁的换向 （3）液压装置能在大范围内实现无极调速（调速范围可达 2000） ，它还可以再运 行的过程中进行调速 （4）液压传动易于对液体压力、流量或流动方向进行调节或控制。当将液压控置 和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺 序动作，也能方便的实现远程控制和自动化 液压装置易于实现过载保护 （5）由于液压元件已经实现标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和 使用都比较方便 （6）有液压传动实现直线运动远比机械传动简单 液压传动的缺点是： （1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄露损失等） ，长 距离传动时更是如此 （2）液压传动对油

43、温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影响，因此 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 20 它不宜在很高或很低的温度条件下工作 （3）为了减少泄露，液压元件在制造精度上要求较高，因此它的造价较高，而且 对工作介质的污染比较敏感 （4）液压传动出现故障时不易找出原因 2 3.3 制定液压系统的基本方案 (1)制定调速方案 确定完液压执行元件以后，通过改变液压执行元件的输入或输出的流量来达到调 速的目的。 (2)制定方向方案 确定控制元件，这里所用的是三位四通电磁换向阀通过电磁铁的得电、失电来实 现方向的改变，即实现手臂上升下降，手臂伸缩，还有手爪的夹紧和松开的。这里手 腕的回转和手臂的回转

44、也是如此，就是回转选用的是回转缸，而升降，伸缩选用的是 一般直线运动的液压缸。 (3)制定压力控制方案 系统运行时，要求系统保持一定的工作压力，在一般的节流调速系统中，由定量 泵供油，溢流阀调节所需压力。 (4)制定顺序方案 和制定方向方案一样，都需要用到电磁铁，只是电磁铁得、失电的顺序决定了机 械手的工作顺序，当然也运用到行程开关 ，发出信号来推动电磁阀运作，实现机械手 的运动。 (5)绘制液压原理图 1）绘制执行元件（其中包括回转缸以及直线运动的单杆活塞缸） 2）绘制控制元件（主要是三位四通电磁换向阀） 3）节流调速部分的绘制 4）最后绘制一些必要元件如电动机、过滤器、定量泵、油箱和压力表

45、等等 将这些元件连接在一起组成液压系统回路。 3.4 液压缸的结构设计 液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的机构设计。主要包括：缸体与缸盖的 连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、缓冲装置、 排气装置、及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同，结构形式也各不相同。 设计时根据具体情况进行选择。 (1)缸体与缸盖的连接形式 缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关，常见的缸 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 21 盖连接形式有： 1)法兰连接 2)螺纹连接 3)外半环连接 4)内半环连接 (2)活塞杆与活塞的连接结构 常用的活塞杆与活塞的连接形

46、式分整体式结构和组合式结构；组合式结构又分螺 纹连接、半环连接和锥销连接。 (3)活塞杆导向部分的结构 活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和 锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可以做成与端盖分开的 导向套结构。后者导向套磨损后便于更换，所以应用比较普遍。导向套的位置可安装 在密封圈的内侧，也可以装在外侧。机床和工程机械中一般采用装在内侧的结构，有 利于导向套的润滑；而油压机常采用装在外侧的结构，在高压下工作时，是密封圈有 足够的油压将唇边张开，以提高密封性能。 活塞杆处的密封形式有 o 形、v 形、y 形和 y 形密封圈。为了清除活塞杆处外

47、露 x 部分沾附的灰尘，保证油液清洁及减少磨损，在端盖外侧增加防尘圈。常用的有无骨 架防尘圈和 j 形橡胶密封圈，也可用毛毡圈防尘。 (4)活塞及活塞杆处密封圈的选用 活塞及活塞杆处的密封圈的选用，应根据密封的部位、使用的压力、温度、运动 速度的范围不同而进行选择不同类型的密封圈。 (5)液压缸的缓冲装置 1)环状间隙式节流缓冲装置 2)三角槽式节流缓冲装置 3)可调节流缓冲装置 3.5 液压元件的选型 3.5.1 液压泵的选择 (1)液压泵的最大工作压力 (3-1)pppp 1 mpapp5 . 2 总管路损失。可取p mpap)5 . 15 . 0( (2)确定液压泵的流量 p q 灯壳冲

48、压自动生产线用下料机械手设计 22 (3-2)( max qkqp 式中 k系统泄漏系数，一般取 k=1.11.3 为液压缸的最大流量 max q 取 k=1.2min/21.30 max lq n=1450r/min min/24.36lqp (3)选择液压泵的规格 根据以上求得的和从产品样本中选择相应的液压泵 p p p q 根据液压传动设计手册选： cb-b40， min/40 max lq mpapp5 . 2 (4)确定液压泵的驱动功率 (3-3) p ppq p p kwp083 . 2 式中液压泵的最大工作压力（mpa） p p 液压泵的流量（m /s） p q 3 为液压泵的总

49、效率 p 3.5.2 液压阀的选择 根据设计要求，选择三位四通电磁换向阀。型号为 34d0-b10m-t。 3.5.3 管道的尺寸确定 (1)管道的内径计算 (3-4) v 4 q d 式中 q通过管道内的流量（m /s） 3 管内允许流速（m/s） 计算出内径 d 后，按标准系列选取相应的管子 mmd84 . 7 75 . 0 24.364 (2)管道壁厚的计算 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 23 (3-5) 2 pd 式中 p管道内最高工作压力（pa） d管道内径（m） 管道材料的许用应力 (3-6) n b 管道材料的抗拉强度（pa） b n安全系数，对钢管来说 4 5 . 176

50、 5 . 1787nmpapnmpapnmpap时，取；时，取；时，取 3.5.4 确定油箱容量 根据经验公式： (3-7) v qv 式中液压泵每分钟排出压力油的容积（m ） v q 3 经验系数 表表 3-13-1 为适用于不同系统经验系数为适用于不同系统经验系数的取值表的取值表 系统类型行走系统低压系统中压系统锻压系统冶金机械 a 122457612 10 l100204v4，取 3.6 液压系统性能验算 3.6.1 液压系统的压力损失 (3-8) 321 pppp 式中管路的沿程损失 1 p 管路的局部压力损失 2 p 阀类元件的局部损失 3 p 损失较小，可忽略不计。 灯壳冲压自动生

51、产线用下料机械手设计 24 3.7 液压控制原理及过程 根据下料机械手的工艺流程图中，液压原理如下： 初始状态回零（手爪放松、手臂缩回、基座左旋、基座下降）基座上升基 座右旋手臂伸长夹紧手臂缩回手腕右旋基座左旋手腕左旋松开初始 位置。 原理就是通过行程开关发出信号来选择电磁铁的得电、失电情况，从而实现机械 手的运转。 图图 3-13-1 为电磁铁得电、失电情况为电磁铁得电、失电情况 3.8 油缸泄露问题与密封装置 机械手由于油缸泄露严重，压力不能提高，工作性能不稳定，以致影响机械手的 正常使用。因此，为了保证机械手液压系统的工作性能，在各油缸的相对运动表面和 固定连接表面进行密封，以防压力油液

52、从高压油腔泄露到低压油或泄露到刚体外面。 目前，机械手液压系统使用的密封件大多采用耐油橡胶制成的各种形式的密封圈， 作为动密封和静密封，以保证配合面的密封性。 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 25 密封圈在配合面间的密封作用，主要是借安装时的预压和工作时由于油液压力的 作用，使密封圈产生变形并压紧密封表面来表达的。 (1) 活塞式油缸的泄露与密封 对于实现往复运动的活塞油缸来说，其泄露主要是活塞与缸壁处的内泄露及往复 活塞杆与缸盖处的外泄露。引起泄露的原因是加工精度和滑动面光洁度不高，以及密 封装置的不良所致。对于活塞油缸的密封，主要采用 o 形密封，它既可以用外径或内 径密封，也可以用端

53、面密封。o 形密封圈装在沟槽中，因受油压作用而变形，并张紧沟 槽和间隙，从而起到密封的作用，因此它的密封性能随压力的增加而提高。但是，当 压力过高或沟槽尺寸选择不当时，密封圈很容易被挤出沟槽而造成剧烈磨损。为克服 这个缺点，当油缸油液的压力大于 100 公斤/平方厘米时，要在 o 形密封圈侧面放置挡 圈，在压力低于 100 公斤/平方厘米时，一般不加挡圈。 (2) 回转油缸的泄漏与密封 在回转缸中，由于动作与缸体，动片与输出轴，动片端面和端盖之间的间隙不易 保证，易引起较大的泄漏，使油液的压力降低，减小输出扭矩，达不到设计要求，影 响机械手的正常的回转运动，为减少泄漏，除严格控制相对运动表面的

54、配合间隙外， 主要的还是采用密封装置密封。 3.9 管路布置 管路布置是结构设计的重要问题。机械手采用的管路为油管，气管，水管以及电 气线路。管路布置的基本要求是牢固，整齐，便于维修。 (1) 常用的管路布置方法 机械手常采用内部走管，多利用缸壁或活塞杆钻孔通 油，在导向杆中装伸缩油管通油，在立柱中钻孔安装回转配油盘等。采用活动软管通 油比较简单方便，要注意加工精度和装配质量以防泄漏。软管还能吸收液压冲击能。 但容易碰断和缠绕，要采取防护措施。通常腕部，手部采用内部走管，便于臂部运动。 臂部和机身之间则采用软管连接。 (2) 配油盘与伸缩油管 配油盘是回转机构内部通油的方法，当配油盘通油路较多

55、时，要注意配合精度和 装配质量，防止内泄露。伸缩油管结构简单，在使用中常碰到油的补泄问题，当油路 处于封闭状态时，臂部伸缩运动带动油管运动，管内油的容积发生变化。不进行补偿 和溢出，将会影响执行系统的动作稳定。 3.10 本章小结 本章内容是液压系统的设计，首先介绍了一下液压系统的组成，其次是用液压来 驱动的优点和缺点，但主要以液压元件的选型为主，如油箱、油管的选型，其中对也 需要进行计算，在根据液压传动设计手册来确定。同时，液压元件的型号和液压控制 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 26 的原理（电磁铁得电、失电情况）都通过上图所示。 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 27 4 plc

56、控制系统设计 4.1 plc 的功能和应用 随着 plc 性价比的不断提高，微处理器芯片及有关元器件价格大幅降低，plc 的成 本也有所下降，plc 的功能大大增强，因而 plc 的应用日益广泛。目前，plc 在国内外 已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、 纺织、环保等各行各业，其应用范围大致可归纳为以下 5 种： （1）开关量的逻辑控制 这是 plc 的最基本、最广泛的应用领域。它取代传统的继电器-接触器控制系统， 实现逻辑控制、顺序控制。开关量的逻辑控制可用于单机控制，也可用于多机群控， 亦可用于自动生产线的控制等。 （2）运动控制 plc 可用于直

57、线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关 i/o 连接位置传感器和 执行机械，现在一般使用专用的运动模块。目前，制造厂商已提供了拖动步进电动机 或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，即把描述目标位置的数据送给模块，模块 移动一轴或多轴到目标位置。当每个轴运动时，位置控制模块保持适当的速度和加速 度，确保运动平滑。运动的程序可用 plc 的语言完成，通过编程器输入。 （3）闭环过程控制 plc 通过模拟量 i/o 模块实现模拟量与数字量的 a/d(模/数)、d/a（数/模）转换， 可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的 pid 控制。 （4）数据处理 现代的 plc 具有数学运算（包括矩阵运

58、算、函数运算、逻辑运算） 、数据传输、排 序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理一般用在大 中型控制系统中，它具有 cnc（计算机数字）控制功能，把支持顺序控制的 plc 与数字 控制设备紧密结合起来。 （5）通信连网 现代 plc 大多数都采用了通信、网络技术，有 rs232 或 rs485 接口，可进行远程 i/o 控制。多台 plc 可彼此间连网、通信，外部器件与一台或多台 plc 的信号处理单元 之间实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。plc 的通信包括 plc 与 plc 之间、plc 与上位计算机之间和它的智能设备之间的通信。plc

59、和计算机之 间具有 rs232 接口，用双绞线、同轴电缆将它们连成网络，以实现信息的交换。还可 以构成“集中管理、分散控制”的分布控制系统，以便完成较大规模的复杂控制。i/o 模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后利用网络连接构成集中管理信息的分 布式网络系统。通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序 灯壳冲压自动生产线用下料机械手设计 28 和数据的转移。通常所说的 scada（监控与数据采集）系统、现场端和远程端也可以采 用 plc 作为现场机。 并不是所有的 plc 都具有以上述全部功能，有的小型 plc 只具有上述部分功能， 其价格也比较便宜。 4.2 常用的位

60、置检测元件 （1）行程开关 这种开关又称为限位开关，主要用于将机械位移转变为电信号，控制驱动电动机 的运行状态，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。 行程开关由微型开关、操作机构（撞头、推杆）及外壳组成，通常是将它与固定 式或可调式挡块配合使用，利用装在机械手运动部件上的挡块，触动操作机构，使微 型开关出头闭合或断开。 （2）接近开关 主要利用接近体（铁磁体）与检测线网间的电磁感应作用来检测位置，是一种无 触点行程开关，它由感应头、振荡器、开关电路及输出器等组成。当机械手运动部分 的铁磁体接近感应头时，由于感应作用，使振荡器线路参数发生改变而停振，电流增 大，开关电路导