平衡臂機(jī)械手的設(shè)計(jì)之PLC邏輯順序控制和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平衡臂機(jī)械手的設(shè)計(jì)之PLC邏輯順序控制和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì),平衡臂機(jī)械手的設(shè)計(jì)之PLC邏輯順序控制和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì),平衡,機(jī)械手,設(shè)計(jì),plc,邏輯,順序,控制,節(jié)制,以及,液壓,系統(tǒng) 目錄 …………………………………………………………………………… 1 Abstract……………………………………………………………………………………………………….1 摘 要 1 第 一 章 前 言 4 1.1工業(yè)機(jī)器人 4 1.1.1工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介 4 1.1.2世界機(jī)器人的發(fā)展 4 1.1.3我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 5 1.2工業(yè)機(jī)械手 6 1.2.1簡(jiǎn)史 6 1.2.2應(yīng)用簡(jiǎn)況 7 1.2.3國(guó)內(nèi)外機(jī)械人發(fā)展趨勢(shì) 7 1.3機(jī)械手的組成和分類 9 1.3.1機(jī)械手的組成 9 1.3.2機(jī)械手的分類 11 1.4本課題研究的主要內(nèi)容及意義 11 1.4.1 課題 七桿二自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)內(nèi)容及基本要求 11 1.4.2重點(diǎn)研究的問(wèn)題： 11 1.4.3 本次設(shè)計(jì)的意義 11 第 二 章 機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 12 2.1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) - 12 - 2.1.1機(jī)械手的自由度 - 12 - 2.1.2坐標(biāo)形式 - 13 - 2.1.3機(jī)械手的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖以及部件尺寸 - 13 - 2.1.4機(jī)械手總體方案的比較 15 第 三 章 平衡臂機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 15 3.1 機(jī)械手總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 3.2液壓機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理 15 3.3液壓系統(tǒng)的組成原理 16 3.4液壓傳動(dòng)機(jī)械手的特點(diǎn) 16 3.5機(jī)械手的動(dòng)作順序 17 3.6平衡臂機(jī)械手總體布局方案的確定 18 第 四 章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 4.1 液壓系統(tǒng)控制回路的比較選擇 18 4.2 液壓系統(tǒng)工作原理圖 20 4.3 液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的比較選擇 21 4.4液壓系統(tǒng)動(dòng)力裝置的計(jì)算選擇 22 4.4.1大臂上雙作用活塞式油缸的流量計(jì)算及驅(qū)動(dòng)泵的要求 22 4.4.2帶動(dòng)手部夾緊油缸的流量計(jì)算及驅(qū)動(dòng)泵的要求 23 4.4.3水平伸縮油缸的流量計(jì)算及驅(qū)動(dòng)泵的要求 24 4.2.4驅(qū)動(dòng)泵和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 26 4.5液壓系統(tǒng)控制裝置的計(jì)算選擇 26 4.6液壓系統(tǒng)輔助裝置的計(jì)算選擇 27 4.7集中配置液壓裝置 28 4.7.1液壓泵站的集成配置 29 4.7.2液壓控制裝置的集成配置 29 第 五 章 PLC控制回路的設(shè)計(jì) 31 5.1電磁鐵動(dòng)作順序 31 5.2電氣控制原理圖 32 5.3現(xiàn)場(chǎng)器件與PLC內(nèi)部等效繼電器對(duì)照表 35 5.4 PLC與現(xiàn)場(chǎng)器件的實(shí)際連接圖 36 5.5梯形圖 37 5.6指令程序 38 結(jié)束語(yǔ)………………………………………………………………………….42 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………….43 附錄一 英文文獻(xiàn)翻譯 44 附錄二 英文文獻(xiàn)原文 48 平衡臂機(jī)械手的設(shè)計(jì)之PLC邏輯順序控制和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要：本次設(shè)計(jì)的液壓傳動(dòng)機(jī)械手根據(jù)規(guī)定的動(dòng)作順序，綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，完成對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，并繪制必要裝配圖、液壓系統(tǒng)圖、PLC控制系統(tǒng)原理圖。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用油缸、螺桿、導(dǎo)向筒等機(jī)械器件組成；在液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，機(jī)械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉(zhuǎn)采用回轉(zhuǎn)油缸，立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)采用齒條油缸，機(jī)械手的升降采用升降油缸，立柱的橫移采用橫向移動(dòng)油缸；在PLC控制回路中，采用的PLC類型為FX2N，當(dāng)按下連續(xù)啟動(dòng)后，PLC按指定的程序，通過(guò)控制電磁閥的開關(guān)來(lái)控制機(jī)械手進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作循環(huán)，當(dāng)按下連續(xù)停止按鈕后，機(jī)械手在完成一個(gè)動(dòng)作循環(huán)后停止運(yùn)動(dòng)。 本設(shè)計(jì)擬開發(fā)的上料機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，可抓取重量較大的工件。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手、液壓、控制回路、PLC The design of the hydraulic manipulator Abstract The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ；The PLC control circuit use the type of FX2N PLC .When pressed for commencement ，PLC in accordance with the prescribed procedures ，through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign. The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger workpieces . Keywords Manipulator 、Hydraulic、Control Loop 、PLC 第 一 章 前 言 1.1 工業(yè)機(jī)器人 1.1．1工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介 幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類從繁重的勞動(dòng)中解脫出來(lái)。如古希臘神話《阿魯哥探險(xiǎn)船》中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說(shuō)中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時(shí)刻激勵(lì)著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動(dòng)木人和一些簡(jiǎn)單的機(jī)械偶人。 到了近代 ，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù) 工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工 業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。 1.1.2世界機(jī)器人的發(fā)展 國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)： （1）. 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10．3萬(wàn)美元降至97年的6．5萬(wàn)美元。 （2）．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 （3）．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （4）．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 （5）．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。 （6）．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 (7)．機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。 1.1.3 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國(guó)勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國(guó)國(guó)情。這是一種誤解。在我國(guó)，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長(zhǎng)處。它不僅能為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來(lái)高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國(guó)的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1.2工業(yè)機(jī)械手 工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。 機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們認(rèn)識(shí)：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大得改善人工的勞動(dòng)條件，顯著得提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫，高壓，粉塵，噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。 機(jī)械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械，記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)。它起源于原子，軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特頂?shù)淖鳂I(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電尋好操作機(jī)械手來(lái)進(jìn)行月球的探測(cè)等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專用機(jī)械手，主要負(fù)數(shù)于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱為Mechanical Hand，它是為主機(jī)服務(wù)的，有主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 1.2.1簡(jiǎn)史 機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。她的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。同年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Versatrap機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。 1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工大學(xué)聯(lián)合研制一種叫Unnimation-Viearm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)。 到目前為止，日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快，應(yīng)用最多的國(guó)家。 但是，目前的機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式為開環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是減低成本和提高精度。 第二代機(jī)械手設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)，觸覺(jué)能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。 第三代機(jī)械手（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS（Flexible Manufacturing System）和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一環(huán)。 1.2.2應(yīng)用簡(jiǎn)況 就國(guó)內(nèi)機(jī)械工業(yè)，鐵路 部門應(yīng)用機(jī)械手的簡(jiǎn)況，介紹如下： 熱加工方面的應(yīng)用 熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來(lái)就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了實(shí)現(xiàn)高效率和工作安全，尤其對(duì)于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更加需要采用機(jī)械手操作 冷加工方面 冷加工方面機(jī)械手主要采用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)結(jié)和重要手段。 拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動(dòng)較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對(duì)、清除石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。 采用機(jī)械手進(jìn)行裝配更是目前研制的重點(diǎn)，國(guó)外已研究采用攝象機(jī)和里的傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)聯(lián)系在一起，能確定零件的方位，達(dá)到鑲裝的目的。 1.2.3國(guó)內(nèi)外機(jī)械人發(fā)展趨勢(shì) 在普及第一代工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，第二代工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)推廣，成為 主流安裝機(jī)型，第三代智能機(jī)器人也占有一定比重(占日本1998年安裝臺(tái)數(shù)的10%，銷售額的36% )。 機(jī)械結(jié)構(gòu)? 以關(guān)節(jié)型為主流，80年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人約占總量的1/3。應(yīng)3K和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)的需求，超大型機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。CAD , CAM等技術(shù)己普遍用于設(shè)計(jì)、仿真和制造中。 控制技術(shù)? 大多采用32位CPU，控制軸數(shù)多達(dá)27軸，NC技術(shù)、離線編程技術(shù)大量采用。協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實(shí)現(xiàn)了多手與變位機(jī)、多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制。采用基于PC的開放結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)已成為一股潮流。 驅(qū)動(dòng)技術(shù)? 80年代發(fā)展起來(lái)的AC伺服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人中。新一代的伺服電機(jī)與基于微處理器的智能伺服控制器相結(jié)合已由FANUC等公司開發(fā)并用于工業(yè)機(jī)器人中;在遠(yuǎn)程控制中已采用了分布式智能驅(qū)動(dòng)新技術(shù)。 應(yīng)用智能化的傳感器? 裝有視覺(jué)傳感器的機(jī)器人數(shù)量呈上升趨勢(shì)，不少機(jī)器人裝有兩種以上傳感器，有些機(jī)器人留了多種機(jī)器人接口。 通用機(jī)器人編程語(yǔ)言? 在ABB公司的20多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品中，采用了通用模塊化語(yǔ)言RAPID。最近美國(guó)機(jī)器人空間技術(shù)公司開發(fā)了Robot Script V.10通用語(yǔ)言，運(yùn)行于該公司的通用機(jī)器人控制器URC的Win NT/95環(huán)境下。該語(yǔ)言易學(xué)易用，可用于各種開發(fā)環(huán)境，與大多數(shù)WINDOWS軟件產(chǎn)品兼容。 網(wǎng)絡(luò)通訊方式? 大部分機(jī)器人采用了Ether網(wǎng)絡(luò)通訊方式，占總量的41.3%，其他采用RS-232, RA-422, RS-485等通訊接口。 高速、高精度、多功能化? 目前，最快的裝配機(jī)器人最大合成速度為16. 5m/s，有一種大直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人，其最大合成速度竟達(dá)80m/ s;而另一種并聯(lián)結(jié)構(gòu)的NC機(jī)器人，其位置重復(fù)精度達(dá)limo 90年代末的機(jī)器人一般都具有兩、三種功能，向多功能化方向發(fā)展。 集成化與系統(tǒng)化? 當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)的另一特點(diǎn)是機(jī)器人的應(yīng)用從單機(jī)、單元向系統(tǒng)發(fā)展。百臺(tái)以上的機(jī)器人群與微機(jī)及周邊設(shè)備和操作人員形成一個(gè)大群體?？鐕?guó)大集團(tuán)的壟斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化的“虛擬制造”，為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷向智能化方向發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化以及機(jī)器人在FMS, CIMS系統(tǒng)中的群體應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)“敏捷制造”(Agile Manufacturing)，滿足多樣化、個(gè)性化的需求，并適應(yīng)多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)，向非制造領(lǐng)域進(jìn)軍。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人:其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距:在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球己安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一位客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而目‘質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“86“計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人技術(shù)居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛，熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教型機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。更為主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 1.3機(jī)械手的組成和分類 1.3.1機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。 一、執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) （1）手部 手部安裝在手臂的前端，手臂的內(nèi)孔裝有傳動(dòng)軸，可把動(dòng)作傳給手腕， 以轉(zhuǎn)動(dòng)、伸屈手腕、開閉手指。 機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無(wú)關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。 （2）手臂 手臂有無(wú)關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。目前采用的手臂幾乎都是無(wú)關(guān)節(jié)臂。 手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確得抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的三個(gè)自由讀都需要精確的定位。 （3）軀干 軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。 二、驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣體驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以液壓、氣動(dòng)用的最多，占90%以上；電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。 液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)油缸、閥、油泵和油箱實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小，出力大，動(dòng)作平緩，可無(wú)級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。尤其空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)的裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖減震機(jī)構(gòu)。 電器驅(qū)動(dòng)都采用三相感應(yīng)電機(jī)作為動(dòng)力，用大減速比減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運(yùn)動(dòng)則用電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動(dòng)機(jī)。電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單；維護(hù)、使用方便。一般只用于動(dòng)作固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可開，工作速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易于調(diào)整。 三、控 制 系 統(tǒng) 機(jī)械手控制的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度等。 機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)詭計(jì)控制兩種。控制系統(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲(chǔ)，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 程序的存儲(chǔ)方式分為分離存儲(chǔ)和集中存儲(chǔ)兩種。對(duì)于動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手（機(jī)械人），采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機(jī)械手（機(jī)械人）則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算器或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。 1.3.2機(jī)械手的分類 一、按 用 途 分 類 1. 專用機(jī)械手 專用機(jī)械手是專為一定設(shè)備服務(wù)的，簡(jiǎn)單、使用，目前在生產(chǎn)中運(yùn)用的比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)。如用來(lái)抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制，以獲得多種工作程序，適應(yīng)多種作業(yè)的需要。 2. 通用機(jī)械手 通用機(jī)械手是在專用機(jī)械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它能對(duì)不同物件完成多種動(dòng)作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨(dú)立工作的自動(dòng)話裝置。它的動(dòng)作程序可以按照工作需要來(lái)改變，大概是采用順序控制系統(tǒng)。 通用機(jī)械手又分簡(jiǎn)易型、示教再現(xiàn)型和只能機(jī)械手、草中式機(jī)械手等幾種。 二、按控制型式分類 1.點(diǎn)位控制型機(jī)械手 點(diǎn)位控制型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)詭計(jì)是空間二個(gè)點(diǎn)之間的連接。控制點(diǎn)書越多，性能越好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。絕大部分機(jī)械手是點(diǎn)位控制型。 2.連續(xù)軌跡控制型機(jī)械手 這種機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡是空間的任意連續(xù)曲線，它能在三維空間中作極其復(fù)雜的動(dòng)作。工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜。 控制方式分為開關(guān)式和伺服式兩種。 1.4本課題研究的主要內(nèi)容及意義 1.4.1 課題 七桿二自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)內(nèi)容及基本要求 設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手，用于工廠機(jī)床邊抓取圓棒料和餅類零件，實(shí)現(xiàn)從地面到機(jī)床卡盤和從機(jī)床卡盤到地面的運(yùn)動(dòng)。 最大活動(dòng)半徑 2m 最大活動(dòng)高度 2m 回轉(zhuǎn)活動(dòng)范圍 0°～360° 最大抓取重量 40kg 抓取規(guī)格 棒料φ120mm，盤類φ300mm 動(dòng)力：盡可能采用機(jī)械傳動(dòng)、電磁力或氣動(dòng)。必要時(shí)可以采用液壓，但不宜使用高壓液壓設(shè)備。 工作量要求：〈1〉整套機(jī)械手圖紙（含外構(gòu)件、標(biāo)準(zhǔn)件匯總）（含電器圖、PLC圖） 〈2〉使用說(shuō)明書 〈3〉設(shè)計(jì)說(shuō)明書 〈4〉英文翻譯成漢文（5000字） 1.4.2重點(diǎn)研究的問(wèn)題： 機(jī)械、機(jī)構(gòu)、機(jī)電一體化功能零部件；機(jī)械手、機(jī)械夾持、運(yùn)動(dòng)傳遞和動(dòng)力傳送。強(qiáng)電電控、弱電電控、弱電反饋、PLC控制。 1.4.3本次設(shè)計(jì)的意義 本次設(shè)計(jì)的對(duì)象是湖南省湘潭江麓機(jī)械有限公司所設(shè)計(jì)制造的七桿機(jī)械手，主要是對(duì)此機(jī)械手進(jìn)行實(shí)體改造。 我們這次設(shè)計(jì)主要是針對(duì)此機(jī)械手，而且還要對(duì)機(jī)械手的整體布局及工作原理和過(guò)程做一些介紹。在外型上，我們要解決的問(wèn)題主要是我們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的實(shí)體要和實(shí)物相同或相近。在大的方面，一個(gè)機(jī)械手可以分為大臂、小臂和手爪手腕等部分。而手腕部分是我們所重點(diǎn)要求的，對(duì)其中的每一個(gè)零件、部件及組合體的尺寸和形體都有嚴(yán)格的要求，因?yàn)榻吹臋C(jī)械手是有人力動(dòng)作部分的，而且沒(méi)有手腕，取而代之的是一個(gè)吊鉤，為了將其改造成為可自動(dòng)抓取的機(jī)械手，每個(gè)零件的配合都要很考究。而油路的布置也要合理。整體要整齊美觀。機(jī)構(gòu)實(shí)用且經(jīng)濟(jì)。 - 49 - 第 二 章 平衡臂機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1機(jī)械手機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) 2.1.1機(jī)械手的自由度 機(jī)械手要像人的手一樣完成各種動(dòng)作是比較困難的。因?yàn)槿说氖种?、手長(zhǎng)、手腕、手臂由十九個(gè)關(guān)節(jié)所組成，并具有27個(gè)自由度，而生產(chǎn)實(shí)踐中機(jī)械手不需要這么多自由度。下面按機(jī)械手所具有的主運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)來(lái)分析其自由度。手臂和立柱的運(yùn)動(dòng)成為主運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗鼈兡芨淖冏ト」ぜ诳臻g的位置。手腕和手指的運(yùn)動(dòng)成為輔助運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槭滞蟮倪\(yùn)動(dòng)只能改變被抓取工件的方位，而手指的夾放運(yùn)動(dòng)不能改變工件的位置和方位，故它不計(jì)為自由度數(shù)，其他運(yùn)動(dòng)都算作自由度數(shù)。 這次參考了江麓機(jī)械廠的機(jī)械手，在確定了被抓取工件所在的空間位置，及將工件搬運(yùn)到規(guī)定的位置時(shí)所需要的運(yùn)動(dòng)。得知我們改造的機(jī)械手包括了大臂的回轉(zhuǎn)和升降兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，而將要設(shè)計(jì)的手腕的自由度僅僅是為了配合手臂完成工件的預(yù)定裝卸方位要求加以增設(shè)的，故只算成兩個(gè)自由度。 圖一 由圖可知，此機(jī)械手在XY平面內(nèi)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且在Z方向和X方向有直線運(yùn)動(dòng)，故做出它的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，由于存在了安全工作區(qū)域，故選了300度旋轉(zhuǎn)范圍，如下： 圖二 自由度數(shù)多少是衡量機(jī)械手技術(shù)水平的指標(biāo)之一，自由數(shù)越多，可以完成的動(dòng)作越復(fù)雜，通用性越強(qiáng)，應(yīng)用范圍也越廣，但是響應(yīng)的帶來(lái)了技術(shù)難度大，控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械手本身的體積和重量增加，成本高和維修困難。自由度少，通用性越差，但是技術(shù)上容易達(dá)到，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用和維修方便。所以在此次設(shè)計(jì)中，二自由度已經(jīng)足夠，沒(méi)有必要盲目的加入自由度。 2.1.2坐標(biāo)形式 如一圖所示的機(jī)械手，其手臂的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)所組成，即沿X軸的伸縮，沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種坐標(biāo)型式的機(jī)械手成為圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手。它與指教坐標(biāo)式相比較，占地面積大而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，因此得到廣泛的應(yīng)用。 2.1.3機(jī)械手的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖以及部件尺寸 圖三 在江麓機(jī)械廠的實(shí)地測(cè)繪，要進(jìn)行改造的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如上圖所示 。為一個(gè)七桿二自由度機(jī)械手。其各部件的尺寸如下： 桿件一 250mm 桿件二 1250mm 桿件三 250mm 桿件四 1250mm 桿件五 1250mm 此機(jī)械手的尺寸恰能滿足回轉(zhuǎn)半徑1m~3m和提升工件高度≤2m的要求，所以在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中不做改動(dòng)。 由圖一計(jì)算其他尺寸： 圖中虛線所示位置就是當(dāng)機(jī)械手將工件舉到最高時(shí)候的位置，實(shí)線所示的位置就是機(jī)械手在地面高度抓取工件的位置。設(shè)計(jì)手臂在這兩個(gè)位置時(shí)，桿件與水平所成的角度都為30。則Ae長(zhǎng)度等于250=125mm，bf長(zhǎng)度也為125mm，bC長(zhǎng)度等于BC=250=125mm，cc產(chǎn)度等于bc-bC=250-125=125mm，Bb長(zhǎng)度等于BC=250=216mm，所以確定Aa等于Ae+bf+Bb=125+125+216=466mm。即為大臂升降油缸的行程取l=500mm。其工作高度即離地面高度為H=2458mm，其支撐點(diǎn)b離地面的高度H2=1708mm，其B點(diǎn)的高度為H3=1925mm。 第 三 章 平衡臂機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 3．1機(jī)械手總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 綜合考慮了幾種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，由于要求的抓取重量較大（40公斤），生產(chǎn)節(jié)拍較長(zhǎng)，為了得到較大的輸出力和握力，還要求傳動(dòng)平穩(wěn)，所以我們決定采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式。 3.2液壓機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理 此機(jī)械手的液壓傳動(dòng)是以有壓力的油液作為傳遞動(dòng)力的工作介質(zhì)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵輸出壓力油，是將電動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過(guò)管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而使手臂作伸縮、升降等運(yùn)動(dòng)，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時(shí)所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運(yùn)動(dòng)的速度決定于流入密封油缸中的油掖的容積的多少。這種借助于醞釀動(dòng)著的壓力油的容積變化來(lái)傳遞動(dòng)力的液壓傳動(dòng)稱為容積式液壓傳動(dòng)，機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)都是屬于容積式液壓傳動(dòng)。 本次設(shè)計(jì)的液壓機(jī)械手，相當(dāng)于一臺(tái)專用液壓自動(dòng)機(jī)械，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，液壓系統(tǒng)、電氣控制三大部分組成。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)概括如下： 圖四 3.3液壓系統(tǒng)的組成原理 由上圖可知，液壓系統(tǒng)由以下幾個(gè)主要部分組成： 1.油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)工作。 2. 液動(dòng)機(jī) 壓力油驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部分對(duì)外工作的部分。如：做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)，做回轉(zhuǎn)角度為360度的回轉(zhuǎn)油缸，控制手臂伸縮的伸縮油缸。 3.控制調(diào)節(jié)裝置 如單向閥、溢流閥、換向閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等。各起一定的作用，使機(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所需要的運(yùn)動(dòng)。 4． 輔助裝置 如油箱、濾油器、蓄能器、管路和管接頭以及壓力表等。 3.4液壓傳動(dòng)機(jī)械手的特點(diǎn) 機(jī)械手采用液壓傳動(dòng)比較采用氣壓傳動(dòng)有如下特點(diǎn)： 1. 能得到較大的輸出力或力矩 一般要得到20~70公斤/厘米的油液壓力是比較方便的，而通常工廠的壓縮空氣均為4~6公斤/厘米。因此，在活塞面積相同的條件下，液壓機(jī)械手可比氣動(dòng)機(jī)械手負(fù)荷大得多。目前，液壓機(jī)械好艘搬運(yùn)重量（即抓重）已達(dá)800公斤，而氣動(dòng)機(jī)械手一般搬運(yùn)重量小于30公斤。 2. 液壓傳動(dòng)滯后現(xiàn)象小，反應(yīng)較靈敏，傳動(dòng)平穩(wěn) 與空氣相比，油液的壓縮性極小，所以傳動(dòng)的滯后現(xiàn)象小，傳動(dòng)平穩(wěn)。氣壓傳動(dòng)雖易于得到較高速度（如1米/秒以上），但空氣粘性比油低、傳動(dòng)中沖擊較大，不利于精確定位。 3.輸出力和運(yùn)動(dòng)速度控制較容易 輸出力和運(yùn)動(dòng)速度在一定的油缸結(jié)構(gòu)尺寸下，主要決定于油液的壓力和流量，通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的壓力和流量控制閥，能比較方便地控制輸出功率。 4． 可達(dá)到較高的定位精度 目前一般液壓機(jī)械手，在速度低于400毫米/秒、抓重較輕時(shí)，采用適宜的緩沖措施和定位方式，定位精度可達(dá)到1~0.02毫米。若采用電液伺服系統(tǒng)控制，不僅定位精度高，而且可連續(xù)任意定位，適用于高速、重負(fù)荷的通用機(jī)械手。 但是，液壓傳動(dòng)也有其缺點(diǎn)： （1）系統(tǒng)的泄漏難以避免，影響工作效率和系統(tǒng)的工作性能。工作要求越高，對(duì)密封裝置和配合件制造精度的要求就越高。 （2）油液的黏度對(duì)溫度的變化很敏感，當(dāng)溫度升高時(shí)，油的黏度即顯著降低，油液黏度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量。另外在高溫田間下工作時(shí)，必須注意油液著火等危險(xiǎn)。 3.5機(jī)械手的動(dòng)作順序 我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手是一個(gè)上下料的機(jī)械手，它的工作流程簡(jiǎn)圖如下： 圖五 上述動(dòng)作均由電控系統(tǒng)發(fā)信號(hào)控制相應(yīng)的電磁換向閥，按程序依次步進(jìn)動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)的。該電控系統(tǒng)的步進(jìn)控制環(huán)節(jié)采用步進(jìn)選線器，其步進(jìn)動(dòng)作是在每一步動(dòng)作完成后，使行程開關(guān)的觸點(diǎn)閉合或依據(jù)每一步動(dòng)作的預(yù)設(shè)停留時(shí)間，使時(shí)間繼電器動(dòng)作而發(fā)信，使步進(jìn)器順序“跳步”控制電磁閥的電磁鐵線圈斷通電，使電磁鐵按程序動(dòng)作實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動(dòng)控制。 3.6平衡臂機(jī)械手總體布局方案的確定 圖八 上圖所看到的方案是本人了解了各種資料和參考了機(jī)械實(shí)物所設(shè)計(jì)的初步方案。平衡臂機(jī)械手工作時(shí)要一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)且不需移動(dòng)，所以該地基設(shè)計(jì)為嵌入水泥地里，這樣的平衡性和穩(wěn)定性好。本次設(shè)計(jì)我們沒(méi)將伸縮油缸和回轉(zhuǎn)油缸放置在同一個(gè)立柱中，因?yàn)槿绻@樣放置，一個(gè)是裝配時(shí)十分不方便，二個(gè)是在機(jī)械手夾持工件進(jìn)行回轉(zhuǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)中心將更加遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)油缸的中心，那樣對(duì)支撐軸的扭矩將增大，且對(duì)立柱的彎曲應(yīng)力更大，機(jī)械手的壽命將縮短。所以，我們?cè)O(shè)計(jì)的是將伸縮油缸和液壓站用支撐板固定在遠(yuǎn)離工件的立柱的另側(cè)，這樣，當(dāng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)中心將比較靠近回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)中心，這樣，即減少了支撐軸的彎曲應(yīng)力，又可以使的機(jī)械手在裝配和設(shè)置油管路線時(shí)更加方便。橫向擴(kuò)展一下，本人聯(lián)想到深圳沙田海港的集裝箱的起吊手臂，它在空間運(yùn)行的時(shí)候，保證了集裝箱的水平放置，那樣手臂的設(shè)計(jì)將更加復(fù)雜。本人設(shè)計(jì)的機(jī)械手，在空間的運(yùn)動(dòng)位置是不定的，則在橫向伸縮的導(dǎo)桿中加入一個(gè)伸縮油缸，用來(lái)精確控制工件被夾取后在空間中的運(yùn)動(dòng)位置。 第 四 章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1液壓系統(tǒng)回路的比較選擇 （1）壓力控制回路 1.調(diào)壓回路 為了控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥，用它來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力（即油泵的工作壓力），并將多余的油液流回油箱。因它還能在液壓系統(tǒng)過(guò)載時(shí)被打開，使油液排回油箱，以保證系統(tǒng)的安全，其回路如圖所示： 2.卸荷回路 在機(jī)械手各 油缸不工作的時(shí)候，油泵電機(jī)又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動(dòng)力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負(fù)荷下工作，可采用卸荷回路。本系統(tǒng)是不需要保壓的卸荷回路，所以都采用二位四通電磁閥M型中位機(jī)能的卸荷回路。當(dāng)油缸停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，二位四通電磁閥PT相連，使油泵輸出油液經(jīng)二位四通閥流回油箱，油泵卸荷。 3.順序控制回路 機(jī)械手為了保證動(dòng)作的先后順序，除了用電器控制系統(tǒng)（如采用行程控制和時(shí)間控制）實(shí)現(xiàn)順序控制外，也可由液壓系統(tǒng)的順序控制回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，機(jī)械手的動(dòng)作全部由電氣來(lái)控制。故在此不做贅述。 4.平衡與鎖緊回路 在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，為了防止垂直機(jī)構(gòu)因?yàn)樽灾睾凸ぜ闹亓慷我庀陆?，可采用平衡回路將垂直機(jī)構(gòu)的輜重給以平衡。為了使機(jī)械手手臂在移動(dòng)過(guò)程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關(guān)閉，使活塞停止運(yùn)動(dòng)并鎖緊。如圖所示： 1. 油缸 2.換向閥 3.單向順序閥 采用了單向順序閥做平衡閥實(shí)現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。當(dāng)手指夾緊油缸1帶動(dòng)重物停在上升位置時(shí)，換向閥2的電磁鐵線圈全部斷電時(shí)，由于順序閥3的調(diào)整壓力大于手指參與運(yùn)動(dòng)的部件的自重G所產(chǎn)生的背壓，油缸1的下腔油液被封死，因而手臂不會(huì)因自重而下降，并鎖緊在任意位置上。 （2）速度控制回路 液壓機(jī)械手隔閡總運(yùn)動(dòng)速度的控制，主要是改變進(jìn)入油缸或油馬達(dá)的流量Q。我設(shè)計(jì)的是采用定量泵，所以利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來(lái)改變進(jìn)入油缸或油馬達(dá)的流量。 采用節(jié)流調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單可靠，調(diào)速范圍較大，價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是：有壓力和流量損耗，在低速低負(fù)荷傳動(dòng)時(shí)效率低，發(fā)熱大。而且采用節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)速了，負(fù)荷的變化會(huì)引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會(huì)引起節(jié)流閥進(jìn)出油口的壓差變化，因而使通過(guò)節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。 （3）同步控制回路 這個(gè)機(jī)械手，要求以同樣的速度或同樣的位置進(jìn)行動(dòng)作，即實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作。但實(shí)際上，由于每個(gè)油缸所受的負(fù)荷不同，漏損和摩擦力不一樣，以及油缸內(nèi)徑的加工誤差，都會(huì)造成油缸速度或位置的不同步。為了使油缸盡可能近于同步，除了提高油缸尺寸的精度外，還可采用并聯(lián)調(diào)速同步回路。當(dāng)要求兩油缸做同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)調(diào)速閥的通過(guò)流量要調(diào)整得相當(dāng)。這種同步方法十分簡(jiǎn)單，但是它的同步精度受到油溫變化、調(diào)速閥的精度、系統(tǒng)中的泄漏等影響。 . （4）方向控制回路 在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，為了控制各油缸、油馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方向和接通或關(guān)閉油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動(dòng)滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及液壓馬達(dá)的油路換向，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。 直流電磁鐵換向沖擊小，壽命長(zhǎng)，允許換向頻率高，不會(huì)因過(guò)載而燒壞，工作可靠，但是啟動(dòng)動(dòng)力小，換向時(shí)間長(zhǎng)，需要整流設(shè)備，費(fèi)用大。 交流電磁鐵起動(dòng)性能好，換向時(shí)間短，接線簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但是如吸不上時(shí)容易燒壞，可靠性差，換向時(shí)有沖擊，允許換向頻率低，壽命較短。 此外，電磁閥由于受到電磁吸力較小的限制，它的流量一般是在63升/分以下。 （5）油泵出口處接單向閥 其作用有二：第一是保護(hù)油泵。油泵向系統(tǒng)提供高壓油液，以驅(qū)動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)而做功。當(dāng)一旦電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，油泵不再向外供油，系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定的能量，將迫使油泵往反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果產(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設(shè)單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵之間的聯(lián)系，從而起到保護(hù)油泵的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機(jī)時(shí)，單向閥把系統(tǒng)和油泵隔離，防止系統(tǒng)的油液通過(guò)油泵流回油箱，避免空氣混入，以保證啟動(dòng)的平穩(wěn)性。 4．2液壓系統(tǒng)工作原理圖 列動(dòng)作順序表如下： 電 磁 鐵 動(dòng) 作 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA 8YA 9YA 10YA 手指夾緊 + 手腕逆時(shí)回轉(zhuǎn) + + 大臂上升 + + 大臂逆時(shí)回轉(zhuǎn) + + 大臂下降 + + 水平臂伸出 + + 手腕順時(shí)回轉(zhuǎn) + + 手指松開 + 水平臂縮回 + 大臂順時(shí)回轉(zhuǎn) + 4.3液壓執(zhí)行元件的比較選擇 （1）大臂回轉(zhuǎn)油缸 由于大臂擺度要求在300度左右，綜合考慮選擇單葉片式擺動(dòng)液壓缸，查設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇YM1.43-304，其最大擺角可達(dá)到304度，外形尺寸為416XΦ340X167.5,重量為46m/Kg。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，軸向尺寸小，重量輕，安裝方便，便于整機(jī)布局，機(jī)械效率高。 缺點(diǎn)：密封比較困難，加工復(fù)雜，倆端蓋受壓面積大，剛度難以保證，不平衡徑向力較大。 （2）大臂伸縮油缸 由前面計(jì)算選擇雙作用單活塞桿活塞式液壓缸，額定壓力是25Mpa，活塞桿外徑是60mm，缸筒內(nèi)徑為80mm，行程是500 mm。 （3）水平伸縮油缸 選擇雙作用單活塞桿活塞式液壓缸，額定壓力是20Mpa，活塞桿外徑是14mm，缸筒內(nèi)徑為20 mm，行程是125 mm。 （4）手腕回轉(zhuǎn)油缸 根據(jù)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩選擇單葉片式擺動(dòng)液壓缸` YM3.7-180。 （5）手指伸縮油缸 根據(jù)前面的計(jì)算選擇雙作用單活塞桿液壓缸，額定壓力是20Mpa，活塞桿外徑是14mm，缸筒內(nèi)徑為20 mm.。 4.4液壓系統(tǒng)動(dòng)力裝置的計(jì)算選擇 4.4.1大臂上雙作用單活塞桿式油缸的流量計(jì)算及驅(qū)動(dòng)泵的要求 （一）油缸的流量的計(jì)算 因?yàn)榛钊麅啥说挠行Чぷ髅娣e不相等，所以兩邊的流量和速度、驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系式不一樣。 當(dāng)壓力油輸入有桿腔時(shí)，使活塞以速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，所需輸入油缸的流量Q為： Q= 式中d——活塞桿直徑（厘米）； Q——輸入有桿腔的流量（升/分）； ——活塞的移動(dòng)速度（米/分）。=3米/分 算的Q=10.23升/分 （二）驅(qū)動(dòng)油缸的油泵的壓力和流量要求 1．確定油泵的工作壓力Pp+ 公斤/厘米 式中 P——油缸的最大工作壓力 （公斤/厘米） ——壓力油路（即進(jìn)油路）各部分壓力損失之和，其中包括各種元件的局部損失和管道的沿程損失，即 = （公斤/厘米） 一般液壓機(jī)械手的管路都不很長(zhǎng)，壓力損失主要是通過(guò)各元件的局部壓力損失。各種元件的局部損失，列表如下： 閥的名稱 局部壓力損失，公斤/厘米 單向閥 1~1.5 行程閥 1.5~2 換向閥 2~3 節(jié)流閥 2.5~3 調(diào)速閥 3~5 背壓閥 2~3 因此，油泵的工作壓力P可簡(jiǎn)單估算如下： P=（p+）1.1 公斤/厘米 =23.6公斤/厘米 2．確定油泵的流量Q Q=KQ 升/分 式中 Q——是在系統(tǒng)中同時(shí)工作的各個(gè)并聯(lián)油缸以最大速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的總流量，（升/分）； K——考慮系統(tǒng)油液泄漏的系數(shù)，一般取K=1.10~1.25 算的：Q=12.3 升/分 4.4.2帶動(dòng)手部夾緊油缸的流量計(jì)算及驅(qū)動(dòng)泵的要求 （一）夾緊工件時(shí)所需的流量 手指夾緊工件時(shí)，夾緊缸活塞移動(dòng)L=75毫米，其運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=1.5S（由機(jī)械手的動(dòng)作也派時(shí)間得之），所以?shī)A緊活塞移動(dòng)的平均速度為： =5厘米/秒 夾緊缸在1.5秒時(shí)間內(nèi)夾緊工件時(shí)，所需的每分鐘流量Q為： Q==3.9升/分 （二）帶動(dòng)夾緊油缸的油泵的壓力和流量要求 P（p+）(1.05~1.15) 因夾緊缸油路有單向閥，其局部壓力損失取為1.5公斤/厘米，所以p為： P=（58.5+1.5）=63公斤/厘米 因?yàn)镼=KQ 取泄漏系數(shù)K=1.15 所以Q=3.91.15=4.5升/分 4.4.3水平伸縮油缸的流量計(jì)算及驅(qū)動(dòng)泵的要求 （一）油缸的流量的計(jì)算 因?yàn)榛钊麅啥说挠行Чぷ髅娣e不相等，所以兩邊的流量和速度、驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系式不一樣。 當(dāng)壓力油液進(jìn)入無(wú)桿腔的時(shí)候，活塞以速度運(yùn)動(dòng)，此時(shí)所需輸入油缸的流量Q為： Q==3.9升/分 當(dāng)壓力油液進(jìn)入有桿腔的時(shí)候，活塞以速度運(yùn)動(dòng)，此時(shí)所需輸入油缸的流量Q為： Q= 式中d——活塞桿直徑（厘米）； Q——輸入有桿腔的流量（升/分）； ——活塞的移動(dòng)速度（米/分）。=6.5米/分 算的Q=1.7升/分 （二）驅(qū)動(dòng)油缸的油泵的壓力和流量要求 1．確定油泵的工作壓力Pp+ 公斤/厘米 式中 P——油缸的最大工作壓力 （公斤/厘米） ——壓力油路（即進(jìn)油路）各部分壓力損失之和，其中包括各種元件的局部損失和管道的沿程損失，即 = （公斤/厘米） 一般液壓機(jī)械手的管路都不很長(zhǎng)，壓力損失主要是通過(guò)各元件的局部壓力損失。各種元件的局部損失，列表如下： 閥的名稱 局部壓力損失，公斤/厘米 單向閥 1~1.5 行程閥 1.5~2 換向閥 2~3 節(jié)流閥 2.5~3 調(diào)速閥 3~5 背壓閥 2~3 因此，油泵的工作壓力P可簡(jiǎn)單估算如下： P=（p+）1.1 公斤/厘米 =23.6公斤/厘米 2．確定油泵的流量Q Q=KQ 升/分 K——考慮系統(tǒng)油液泄漏的系數(shù)，一般取K=1.10~1.25 算的：Q=5.4升/分 4.4.4驅(qū)動(dòng)泵和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 （一）選擇液壓泵 由于各部分缸體對(duì)驅(qū)動(dòng)泵的流量以及工作壓力各不相同，流量總和為24.2升/分采用變量泵，查手冊(cè)選擇YBX—16，此葉片泵的基本技術(shù)參數(shù)為：排量調(diào)節(jié)范圍為0~16（mL/r）額定壓力為6.3Mpa最高壓力為7Mpa壓力調(diào)節(jié)范圍為2.0~7Mpa額定轉(zhuǎn)速1450 r/min轉(zhuǎn)速范圍為600~1800r/min。重量為10公斤。 （二）確定油泵的功率 N= kW 式中 p為油泵的最大工作壓力 （公斤/厘米） Q是所選油泵的額定流量 （升/分） 為油泵的總效率可取=0.88 算得N=2.4kW （三）選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī) 根據(jù)驅(qū)動(dòng)油泵的功率N=2.4kW選擇電機(jī)： 電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y100L2—4，此電動(dòng)機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)為額定功率為3kW,轉(zhuǎn)速為1420r/min。 4.5液壓系統(tǒng)控制裝置的計(jì)算選擇 根據(jù)所繪制的液壓原理圖，計(jì)算分析通過(guò)各液壓閥的最高壓力和最大流量，選擇各液壓閥的型號(hào)規(guī)格，列表如下： 序號(hào) 元件名稱 通過(guò)流量（L/min） 型號(hào)規(guī)格 4 單向閥 24 DF-B10K0.2 6 二位四通電磁換向閥 23．4 24DO-B10H-TZ 7 節(jié)流閥 20 LDF-B10C 8 單向閥 2 DF-B10K0.2 10 液控單向閥 10.2 DFY-B10H0.2 14 節(jié)流閥 20 LDF-B10C 15 單向閥 1.8 DF-B10K0.2 16 液控單向閥 10.23 DFY-B10H0.2 20 單向閥 20 DF-B10K0.2 17 節(jié)流閥 4.5 LDF-B10C 27 節(jié)流閥 15.7 LDF-B10C 22 背壓閥 0.47 DF-B10K0.2 23 節(jié)流閥 10.23 LDF-B10C 24 單向閥 2 DF-B10K0.2 26 液控單向閥 2 DFY-B10H0.2 29 二位四通電磁換向閥 18.6 24DO-B10H-TZ 28 二位四通電磁換向閥 19.2 24DO-B10H-TZ 1