1、邵阳学院本科毕业设计（论文）毕业设计论文课题名称机电液耦合集成搬运机械手的设计学生姓名学号1041101010系、年级专业机械与能源工程系、10机械设计制造及其自动化指导教师职称高级工程师2014年5月邵阳学院本科毕业设计（论文）I内容提要本次设计的机电液耦合传动机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图、PLC控制系统原理图。机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸，手腕回转采用回转油缸，立柱的转动采用齿条油缸，机械手的升降采用升降油缸，立柱的
2、横移采用横向移动油缸；在PLC控制回路中，采用的PLC类型为FX2N，当按下连续启动后，PLC按指定的程序，通过控制电磁阀的开关来控制机械手进行相应的动作循环，当按下连续停止按钮后，机械手在完成一个动作循环后停止运动。本设计拟开发的搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。关键词搬运机械手可编程控制器（PLC）液压电磁阀机电液耦合邵阳学院本科毕业设计（论文）IIABSTRACTTHEDESIGNOFHYDRAULICDRIVEMANIPULATORMOVEMENTSUNDERTHEPROVISIONSOFTHEORDER，USETH
3、EBASICTHEORY,BASICKNOWLEDGEANDRELATEDMECHANICALDESIGNEXPERTISECOMPREHENSIVELYTOCOMPLETETHEDESIGN，ANDDRAWINGTHENECESSARYASSEMBLY,HYDRAULICSYSTEMMAP,PLCCONTROLSYSTEMDIAGRAMMANIPULATORMECHANICALSTRUCTUREUSINGTANKS,SCREW,GUIDETUBESANDOTHERMECHANICALDEVICECOMPONENT；INTHEHYDRAULICDRIVEBODIES，MANIPULATORAR
4、MSTRETCHINGUSINGTELESCOPICTANK，ROTATINGCOLUMNOFTANKSUSEDRACK，MANIPULATORMOVEMENTSUSINGTANKMOVEMENTS，THECOLUMNTAKESTHEHORIZONTALMOVEMENTOFTANKS；THEPLCCONTROLCIRCUITUSETHETYPEOFFX2NPLCWHENPRESSEDFORCOMMENCEMENT，PLCINACCORDANCEWITHTHEPRESCRIBEDPROCEDURES，THROUGHTHECONTROLOFTHESOLENOIDVALVETOCONTROLTHES
5、WITCHMANIPULATORCORRESPONDINGMOVESCYCLE，AFTERPRESSTHEROWSTOPBUTTON,THEMANIPULATORCOMPLETEACYCLEOFACTIONTOSTOPAFTERTHEHOLECAMPAIGNTHEDESIGNOFTHEPROPOSEDDEVELOPMENTOFTHEINFORMATIONONTHEMANIPULATORCANGRASPUPINSPACEOBJECTS，FLEXIBLEANDVARIEDMOVEMENTS，CANREPLACETHEARTIFICIALHEATANDDANGEROUSOPERATIONCONDUC
6、TEDOPERATIONS，ANDCANGRASPTHELARGERWORKPIECESKEYWORDSMANIPULATO,PROGRAMMABLECONTROLLERPLC,HYDRAULICPRESSURE,SOLENOIDVALVE,ELECTROMECHANICALCOUPLING邵阳学院本科毕业设计（论文）目录摘要错误未定义书签。ABSTRACTII引言1第一章搬运机械手概况211目的意义（包括应用前景）212国内外现状及水平313课题研究的主要内容、研究方法314准备采取的措施4第二章机械手的总体设计方案421臂力的确定422工作范围的确定423确定运动速度424手臂的配置形式5
7、25位置检测装置的选择526驱动与控制方式的选择5第三章手部结构设计631概述632设计时应考虑的几个问题633驱动力的计算734两支点回转式钳爪的定位误差的分析9第四章腕部的结构设计941概述10邵阳学院本科毕业设计（论文）42腕部的结构形式1043手腕驱动力矩的计算11第五章臂部的结构设计1451概述1452手臂直线运动机构1453手臂回转运动1754手臂的横向移动1755臂部运动驱动力计算18第六章液压系统的设计2161液压系统简介2162液压系统的组成2163机械手液压系统的控制回路2164机械手的液压传动系统2365机械手液压系统的简单计算26第七章PLC控制回路的设计3371电磁铁
8、动作顺序3372PLC内部等效继电器的地址编号3473PLC与现场器件的实际连接图3574梯形图36参考文献39附录40致谢46邵阳学院本科毕业设计（论文）1引言机械手MECHANICALHAND，也被称为自动手，AUTOHAND能模仿人手和臂的某些动作功能，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。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。机械手主要由手部、腕部、升降部、滑动部、机座与控制箱，以及其他附件组成。其中手部为四指结构，其运动由具有自锁功能的夹紧气缸完成；升降部以导轨为导向装
9、置，其运动由伺服电机驱动丝杠来完成；滑动部也是以导轨为导向装置，起运动由伺服电机驱动齿轮在齿条上滚动来完成。PLC与相关控制器件安装于控制箱内，通过电缆与信号线与机械手进行联系。根据机械手的种类，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。工业机械手是近几十年来发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的只能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能
10、力，在国民经济各个领域有着广阔的发展前景。邵阳学院本科毕业设计（论文）2第一章搬运机械手概况11目的意义（包括应用前景）伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，用于工作的需要，人们经常受到高温，腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就这样诞生了，机械手是工业机器人系统中的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识。它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和
11、装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提供劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。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。它可在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样，广泛应用在生产和其他领域内。可以归纳为一下几点1应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替
12、人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。应用PLC控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十
13、分重要的意义。邵阳学院本科毕业设计（论文）312国内外现状及水平目前国内工业机械手主要用于机床加工，铸锻，热处理等方面；数量，品种，性能方面都不能满足生产发展的需要，因此，国内主要扩大机械手运用范围，重点发展铸锻，热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在运用专业机械手的同时，应相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手，计算机控制姐携手和组合式机械手等。国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，运用的领域也在不断的扩大。在国外机械制造业中，工业机械手运用较多，发展较快。目前主要用于机床，模锻压机的上下料，
14、以及点焊，喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界的条件的变化，做出相应的变更。13课题研究的主要内容、研究方法主要内容及研究方法机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。搬运机械手的控制系统中，我们采用了PLC技术。用流程图法，按照零件加工过程设常用PLC梯形图逻辑设计方法较多，设计中我们采计出控制系统流程图。一般
15、控制系统都是由若干个稳定工作状态组成，每个工作状态是由于接受了某个切换主令信号而建立的。各个工作状态用一个辅助继电器进行区分，辅助继电器的状态由切换主令信号来控制，这些切换主令信号分别来自按钮、传感器、定时器和计数器辅助继电器同时又是执行元件的输入变量。当控制系统的输入主令信号和执行元件确定以后，将主令信号与各自工作状态的约束条件，分别代入相应的辅助继电器逻辑方程和执行元件的逻辑方程，即可完成自动工作循环的逻辑控制。最后再考虑手动控制系统及自动循环与手动控制之间的互锁要求，即完成了全部控制系统的逻辑设计。在工业自动化生产中，无论是单机还是组合机床，以及自动生产流水线，都要用到机械手来完成工件的
16、取放。对机械手的控制主要是位置识别、运动方向控制和物料是否存在的判别。邵阳学院本科毕业设计（论文）414准备采取的措施采用可编程程序控制器对机械手实现自动控制。控制系统硬件由开关、按钮、行程开关、可编程控制器和输入输出继电器构成。软件采用模块结构，回原位、手动、单步、单周期、连续，用选择开关来选择动作种类。第二章机械手的总体设计方案21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015N，最大为8000N。本液压机械手的臂力为N臂1650（N），安全系数K一般可在153，本机械手取安全系数K2。定位精度为1MM。22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
17、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100MM23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。液压搬运机械手要完成整个搬运过程，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。
18、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邵阳学院本科毕业设计（论文）5给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间；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。液压搬运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50MM/S手
19、臂回转速度V臂回40/S手臂升降速度V臂升50MM/S立柱水平运动速度V柱移50MM/S手指夹紧油缸的运动速度V夹50MM/S24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。25位置检测装置的选择机
20、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。26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，要尽量邵阳学院本科毕业设计（论文）6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、液压驱动、电气驱动和机械驱动。本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的PLC控制
21、。第三章手部结构设计31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。32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
22、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，但应尽量使结构邵
23、阳学院本科毕业设计（论文）7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。33驱动力的计算1手指2销轴3拉杆4指座图31滑槽杠杆式手部受力分析如图31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AOCBOC。根据销轴的力平衡条件，即FX0,P1P2FY0P2P1COS（31）P1P/2COS销轴对手指的作用力为P1。手指握紧
24、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邵阳学院本科毕业设计（论文）8表示。由手指的力矩平衡条件，即M01F0得P1HNB因HA/COS所以P2BCOS2N/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21可知，V形
25、手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N05G，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/（32）式中手部的机械效率，一般取085095；K1安全系数，一般取122K2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，K21A/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2，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
26、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N05G把已知条件代入得当量夹紧力为N49（N）由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式P2BCOS2N/A（33）PP计算245/27COS302491225NP实际P计算K1K2/邵阳学院本科毕业设计（论文）9取085,K115,K211000/981011则P实际12251511/085238N34两支点回转式钳爪的定位误差的分析图32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X22SIN/ABRL（34）当工件直径变化时,X的变化量即为定位误差,设工件
27、半径R由RMAX变化到RMIN时,其最大定位误差为22SINMAX/ABRL22SINMIN/ABRL（35）其中L45MM,B5MM,A27MM,2120,RMIN15MM,RMAX30MM代入公式计算得最大定位误差4424470508故符合要求第四章腕部的结构设计邵阳学院本科毕业设计（论文）1041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
28、路不扭转和不外露，使外形整齐。42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如图41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。邵阳学院本科毕业设计（论文）11图41机械手的腕部结构43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
29、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（NM）（41）式中M驱驱动手腕转动的驱动力矩M惯惯性力矩（NM）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（NM）M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩（NM）邵阳学院本科毕业设计（论文）12图42腕部回转力矩计算图摩擦阻力矩M摩M摩2F（N1D1N2D2）（NM）（42）式中F轴承的摩擦系数，滚动轴承取F002，滑动轴承取F01；N1、N2轴承支承反力（N）；D1、D2轴承直径（M）由设计知D10035MD20054MN1
30、800NN2200NG198NE0020时M摩01（20000358000054）/2得M摩250（NM）工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏M偏G1E（NM）（43）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E0020，G198N时，M偏196（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（JJ工件）T（NM）（44）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（KGM2）邵阳学院本科毕业设计（论文）13J工件工
31、件对手腕回转轴线的转动惯量（KGM2）按已知计算得J25，J工件625，03M/M2,T2故M惯13（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（JJ工件）22（NM）（45）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M1112（M惯M偏M摩）（NM）M12（2519613）69（NM）邵阳学院本科毕业设计（论文）14第五章臂部的结构设计51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
32、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
33、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。52手
34、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。1手臂伸缩运动邵阳学院本科毕业设计（论文）15这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。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）。
35、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51双导向杆手臂的伸缩结构2导向装置液压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
36、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。邵阳学院本科毕业设计（论文）16如图52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52双导向杆手臂结构3手臂的升降运动如图53所示为手臂的升降运动机构。当升降缸上
37、下两腔通压力油时，活塞杠4做上下运动，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。图中6为位置检测装置。邵阳学院本科毕业设计（论文）17图53手臂升降和回转机构图53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6所示，回转运动由齿条活塞杆8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9带动外套一起转动实现手臂的回转。54手臂的横向移动如图54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
38、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。邵阳学院本科毕业设计（论文）18图54手臂横向移动机构55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。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PQFMFGN（51）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FGGWAN邵阳
39、学院本科毕业设计（论文）19式中W手臂伸缩部件的总重量（N）；G重力加速度（98M/S2）A启动过程中的平均加速度（M/S2），而ATVM/S2V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00105S。当FM80N,W1098（N），V500MM/S时，PQ80891098505080112192N2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PQFMFGWN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
40、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FM40N，FG100N，W1098N时PQ4010010981238（N）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13倍。故驱动力矩MQ可按下式计算邵阳学院本科毕业设计（论文）20MQ13MMMGNM（52）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MGJTNM式中J手臂部件对其回转轴线的转动惯量（KGM2）回转手臂的工作角速度（RAD/S）T回转臂
41、启动时间（S）当MM84NM，MG8208032NMMQ131161508NM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大或回转半径较大，对总的计算结果影响也较大，对于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41。邵阳学院本科毕业设计（论文）21第六章液压系统的设计61液压系统简介机械手的液压传动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，
42、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。62液压系统的组成液压传动系统主要由以下几个部分组成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。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
43、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。63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。1压力控制回路调压回路在采用定量泵的液压系统中，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
44、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，为减邵阳学院本科毕业设计（论文）22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液压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液压系统中，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
45、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。2速度控制回路液压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
46、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
47、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。邵阳学院本科毕业设计（论文）233方向控制回路在机械手液压系统中，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。目前在液压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
48、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。64机械手的液压传动系统液压系统图的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。绘制液压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，从而组成整个液压系统，并用液压系统图形符号，画出液压原理图。1搬运机械手的动作顺序本液压传动搬运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
49、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（搬运机械手复位）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，邵阳学院本科毕业设计（论文）24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）实现液压系统的自动控制。2自动搬运机械手液压系统原理介绍图61机械手液压系统图液压系统原理如图61所示。该系统选用功率N75千瓦的电动机，带动双联叶片泵YB35/18，其公称
