發(fā)動機曲軸搬運機械手設計【直角坐標型 液壓驅動】【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】
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畢業(yè)設計（論文）報告紙
畢業(yè)設計
題 目
發(fā)動機曲軸搬運機械手
學生姓名
學 號
學 院
機電學院
專 業(yè)
機械工程及自動化
班 級
指導教師
二〇一一年六月
發(fā)動機曲軸搬運機械手
摘 要
如今，隨著工業(yè)技術幾十年的發(fā)展，機械手在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，它可以代替工人來進行各種循環(huán)單調，危險，以及高疲勞強度的工作，從而提高生產(chǎn)效率和質量，降低了生產(chǎn)作業(yè)中的安全隱患。
機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓住工件或工具的部件，根據(jù)被抓住工件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式。機械手配件運動機構，使手部完成各種轉動、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。
本文介紹了過對曲軸搬運機械手的結構設計，詳細討論了機械手的手抓、手臂、機身等主要部件的設計與選擇，并給出了所需要的參數(shù)和計算。
最后通過本次設計，將大學所學的知識進行了鞏固和應用，提高了動手和動腦的能力。
關鍵詞：機械手，液壓驅動，液壓缸，PLC
Moving and measurement shelf for three free degrees design
Abstract
Now, with industrial technology develops several decades, robots industrial production is in a wide range of applications, it can replace workers for doing various acyclic monotonically, risk, and high fatigue strength work, so as to improve the work efficiency and quality and to reduce the production operation of security lapses.
Manipulator is mainly consisted of hand and movement mechanism. The hand is used to catch work-piece or tool parts, according to the shape of the workpiece is caught, size, weight, materials and operational requirement a variety of structure. Manipulator accessories movement mechanism, make hand finish all kinds of rotating, mobile or composite motion to achieve the specified action, change the position of the object caught with gesture.
This paper introduces the structure of the crankshaft carrying manipulator, and discusses the design of the manipulator hand grasp, arm, airframe etc., the main components of the design and selection, and gives the necessary parameters and calculation.
Finally through this design, we consolidate and application the knowledge of university, and improve the ability about ion of the hand and the brain coordination.
Key words: manipulator; the hydraulic pressure drive; hydraulic cylinder；PLC (Programmable Logic Controller)
目 錄
摘 要 i
Abstract ii
第一章 引言 1
1.1機械手的概念 1
1.2機械手的簡史 2
1.3 機械手的組成 2
1.3.1 執(zhí)行機構 2
1.3.2 驅動機構 2
1.3.3 控制機構 3
1.4 機械手的生產(chǎn)應用簡述 3
第二章 機械手的設計 4
2.1 機械手的總體設計 4
2.1.1 機械手的總體結構類型 4
2.1.2機械手的總體設計 5
2.2 機械手的手部設計 6
2.2.1 手部概述 6
2.2.2 手部的設計方案 6
2.3 機械手的手臂設計 7
2.3.1手臂概述 7
2.3.2 手臂的設計 8
2.4 機械手的驅動系統(tǒng)設計 9
2.4.1驅動系統(tǒng)概述 9
2.4.2驅動系統(tǒng)的選擇原則 10
2.4.3機器人液壓驅動系統(tǒng) 10
2.4.4驅動系統(tǒng)的設計方案 10
第三章 液壓系統(tǒng)設計與計算 11
3.1確定液壓系統(tǒng)基本方案 11
3.2擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路 11
3.3液壓源系統(tǒng)的設計 12
3.4繪制液壓系統(tǒng)圖 12
3.5確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 13
3.6選擇液壓元件 17
3.7液壓系統(tǒng)性能的驗算 18
第四章 機械手控制系統(tǒng)的設計 19
4.1機械手控制系統(tǒng)硬件設計 19
4.2機械手的作業(yè)流程 19
4.3機械手操作面板布置 20
4.4控制器的選型 21
4.5控制系統(tǒng)原理分析 21
4.6 PLC外部接線設計 22
第五章 總結與展望 23
參考文獻 24
致 謝 25
23
第一章 引言
1.1機械手的概念
機械手是指用于再現(xiàn)人手功能的技術裝置。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為工業(yè)機械手。
工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。
工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。
機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的。
機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。
機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
1.2機械手的簡史
機械手首先是從美國開始研制的。
1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。
1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。
1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。
第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。
第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。
1.3 機械手的組成
機械手由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。
1.3.1 執(zhí)行機構
執(zhí)行機構包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可以轉動、開閉手指。機械手手部的構造系統(tǒng)模仿人的手指，分為無關節(jié)、固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多?？筛鶕?jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作的需要。手臂的作用是引導手指準確地抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都需要精確地定位?？傊瑱C械手的運動離不開直線移動和轉動二種，因此它采用的執(zhí)行機構主要是直線液壓缸、擺動液壓缸、電液脈沖馬達、伺服液壓馬達、交流伺服電動機、直流伺服電動機和步進電動機等。軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構的機架。本設計采用二指的構造，直線液壓缸。
1.3.2 驅動機構
驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。
1.3.3 控制機構
在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。
1.4 機械手的生產(chǎn)應用簡述
機械手是工業(yè)自動控制領域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬運、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。工業(yè)機械手是為實現(xiàn)這些工序而產(chǎn)生的。目前機械手常用于工業(yè)中快速抓取工件并將工件轉移到下一個生產(chǎn)工序。本文以能夠實現(xiàn)這類工作的搬運機械手為設計對象。
第二章 機械手的設計
2.1 機械手的總體設計
2.1.1 機械手的總體結構類型
工業(yè)機械手有很多種分類方法，目前還沒有統(tǒng)一的分類標準，比如可以按機械手的結構坐標系提點分類，或者按機械手的驅動方式分類，也可以按機械手的用途分類。在這里我們按工業(yè)機器人的結構坐標系特點來進行分類。
工業(yè)機械手按結構坐標系特點可以分為直角坐標型，圓柱坐標型，球坐標型，關節(jié)型四種。如圖2.1所示。
圖2.1工業(yè)機械手按結構坐標分類
1直角坐標型
直角坐標型也稱為笛卡爾坐標型或臺架型。這種機器人有三個線性關節(jié)組成，這三個關節(jié)用來確定末端操作器的位置，通常還帶有附加的旋轉關節(jié)用來確定末端操作器的姿態(tài)。這種機器人在X,Y,Z軸上的運動式獨立的，運動方程可獨立處理，且方程是線性的，因此進行計算機操作控制簡單；他可以兩端支撐，對于給定的結構長度，剛性最大；他的進度和位置分辨率不隨工作場合而變化，容易達到高精度。
2 圓柱坐標型
圓柱坐標機器人有兩個滑動關節(jié)有兩個滑動關節(jié)和一個旋轉關節(jié)來確定部件的位置，在附加一個旋轉關節(jié)來確定部件的姿態(tài)。這種機器人可以繞中心軸旋轉一個角，工作范圍可以擴大且計算簡單；直線部分可以采用液壓驅動，可以輸出較大的動力。
3 球坐標型
球坐標機器人采用球坐標系，它用一個滑動關節(jié)和兩個旋轉關節(jié)來確定部件的位置，再用一個附加的旋轉關節(jié)確定部件的姿態(tài)。這種機器人可以繞中心軸旋轉，在中心支架附近的工作范圍很大，兩個轉動驅動裝置容易密封，覆蓋工作空間較大。
4 關節(jié)型
關節(jié)型機器人的關節(jié)全部可以旋轉，類似于人的手臂，他是工業(yè)機器人中最常見的結構，工作范圍較復雜。
2.1.2機械手的總體設計
圖2.2機械手工作布局圖
在本設計中，因為設計要求搬運的工件的質量要求為20KG，且搬運直線距離為1000MM，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結構，以減小成本、提高可靠度。該機械手在工作中只需要做直線運動,其中手臂的升降和梁的平移為兩個直線運動,機械手自由度數(shù)目取為2，坐標形式選擇直角坐標形式，即X軸Y軸兩個移動自由度，其特點是:結構比較簡單,且有較高的定位準確度。機械手工作布局圖如圖2.2所示。
2.2 機械手的手部設計
2.2.1 手部概述
工業(yè)機器人的手部稱為末端操作器，是機器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具進行操作的部件，他能夠模仿人手的動作，是最重要的執(zhí)行機構，安裝于機器人手臂的前端。工業(yè)機器人發(fā)展到現(xiàn)在，應用范圍越來越廣泛，被操作的工件的形狀、尺寸、重量、材料以及表面狀態(tài)各不相同，所以工業(yè)機器人末端操作器是多種多樣的，大部分末端操作器的結構是根據(jù)特定的工件專門加工的，常用的有以下幾種：
1， 夾鉗式取料手。
2， 吸附式取料手。
3， 專用操作器及轉換器。
4， 仿生多指靈巧手。
2.2.2 手部的設計方案
由于本設計所搬運的是發(fā)動機曲軸，所以選用夾鉗式取料手。
夾鉗式取料手是工業(yè)機器人最常用的一種末端操作器形式，在裝配流水線上用的較為廣泛。它一般由手指（手抓）、驅動機構、連接與支撐元件組成，工作機理類似于常用的手鉗。
2.2.2.1手指的設計方案
手指是夾鉗式取料手直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件是通過手指的張開與閉合實現(xiàn)的。機器人的手部一般有兩個手指，個別有三個或多個手指，它們的結構形式通常取決于被夾持工件的形狀和特性。指端的形狀有V型指，平面指、尖指等。
由于本設計被夾持的工件形狀為圓柱體，所以選用V型指，其特點是加持平穩(wěn)可靠，加持誤差小。如圖2.3所示。
2.2.2.2 傳動機構設計
傳動機構是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)加緊和松開動作的機構。該機構根據(jù)手指開合的動作特點，分為回轉型和移動型。
本設計采用回轉型傳動結構，如圖2.4所示。驅動桿與連桿由銷連接，當驅動桿做直線往復運動時，則通過兩岸推動兩桿手指各繞其支點做回轉運動，從而使手指松開或閉合。該機構的活動環(huán)節(jié)較多，所以定位精度會差一些。
圖2.3 機械手手指
圖2.4 機械手傳動結構
2.3 機械手的手臂設計
2.3.1手臂概述
手臂是機器人執(zhí)行機構中重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運送到指定的位置上，因而一般機器人手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降運動。手臂的各種運動通常由驅動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)的，所以，它不僅僅承受被抓工件的重量，而且承受末端執(zhí)行器和手臂自身的重量。手臂的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度都直接影響機器人的工作性能。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則；
1.應盡可能使機器人手臂各關節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。
2.機器人手臂的結構尺寸應滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。
3.為了提高機器人的運動速度與控制精度，應在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復合材料制造機器人手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈斢阡摰?/4，相當于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器人手臂結構的優(yōu)化設計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。
4.機器人各關節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關節(jié)都應有工作可靠、便于調整的軸承間隙調整機構。
5.機器人的手臂相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負載和提高機器人手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機器人的手臂時，應盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。
6.機器人手臂在結構上要考慮各關節(jié)的限位開關和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。
2.3.2 手臂的設計
機械手的垂直手臂（小臂）升降和水平手臂（大臂）的伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現(xiàn)。考慮到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質量達20KG，屬中型重量，同時考慮到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅動均選擇液壓驅動方式，通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執(zhí)行運動件，不用再設計另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。
因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅動力，因此在驅動力和結構的強度都是比較容易實現(xiàn)的，關鍵是機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下），再進行強度的較核。
同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，盡量增加其剛度。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結構、穩(wěn)定性的問題。
2.4 機械手的驅動系統(tǒng)設計
2.4.1驅動系統(tǒng)概述
工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)，按動力源可以分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可以將這三種基本類型組合成一個復合式的驅動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下。
1.液壓驅動系統(tǒng)
由于液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉換（電能轉換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調速，效率比電動驅動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。
2.氣動驅動系統(tǒng)
具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。
3.電動驅動系統(tǒng)
由于低慣量、大轉矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調制器）的廣泛采用，這類驅動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅動系統(tǒng)高。但因為這類驅動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。
2.4.2驅動系統(tǒng)的選擇原則
設計機器人時，驅動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機器人的用途、作業(yè)要求、機器人的性能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅動系統(tǒng)特點的基礎上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟性及可靠性后進行最終的選擇。一般情況下：
1.物料搬運（包括上下料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負荷的選擇液壓驅動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅動系統(tǒng)。沖壓機器人多采用氣動驅動系統(tǒng)。
2.用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機器人，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、弧焊機器人多采用電動驅動系統(tǒng)。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅動系統(tǒng)。
2.4.3機器人液壓驅動系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)自1962年在世界上第一臺機器人中應用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機器人中獲得了廣泛的應用。目前，雖然在中等負荷以下的工業(yè)機器人中大量采用電機驅動系統(tǒng)，但是在簡易經(jīng)濟型、重型的工業(yè)機器人和噴涂機器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。
液壓系統(tǒng)在機器人中所起的作用是通過電-液轉換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機器人手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動馬達，連續(xù)回轉的液壓馬達用得很少。在工業(yè)機器人中，中、小功率的液壓驅動系統(tǒng)用節(jié)流調速的為多，大功率的用容積調速系統(tǒng)。節(jié)流調速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。容積調速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。
2.4.4驅動系統(tǒng)的設計方案
具體到本設計，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素。機械手的手臂驅動系統(tǒng)全部采用液壓缸；而手爪通過液壓柱塞缸活塞與中間驅動桿配合來實現(xiàn)控制，即手爪在柱塞缸推力作用下推動驅動桿，通過端部銷連接到手指進行松開和夾緊。
第三章 液壓系統(tǒng)設計與計算
3.1確定液壓系統(tǒng)基本方案
液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達，前者實現(xiàn)直線運動，后者實現(xiàn)回轉運動。二者的特點及適用場合見表3-1：
表3-1 液壓缸與液壓馬達的特點與適用場合
名 稱
特 點
適 用 場 合
雙活塞桿液壓缸
雙向對稱
雙向工作的往復場合
單活塞桿液壓缸
有效工作面積大、
雙向不對稱
往返不對稱的直線運動，差動連接可實現(xiàn)快進
柱塞缸
結構簡單
單向工作，靠重力或其它外力返回
擺動缸
單葉片式小于360
雙葉片式小于180
小于360的擺動；
小于180的擺動
齒輪馬達
結構簡單、價格便宜
高轉速、低轉矩的回轉運動
葉片馬達
體積小、轉動慣量小
高速低轉矩、動作靈敏的回轉運動
擺線齒輪馬達
體積小、輸出轉局大
低速、小功率大轉矩的回轉運動
軸向柱塞馬達
運動平穩(wěn)、轉矩大、轉速范圍寬
大轉矩的回轉運動
徑向柱塞馬達
轉速低，結構復雜，輸出轉矩大
低速大轉矩回轉運動
本設計因為機械手的形式為直角坐標形式，具有兩個自由度，均為移動自由度。同時考慮機械手的工作載荷和工作現(xiàn)場環(huán)境對機械手布局以及定位精度的具體要求，以及計算機的控制的因素，手臂運動均為直線運動。因此，機械手的手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實現(xiàn)直線往復運動。
3.2擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路
液壓執(zhí)行元件確定后，其運動方向和運動速度的控制是液壓回路的核心問題。
方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。
速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現(xiàn)。相應的調速方式有節(jié)流調速、容積調速以及二者結合的容積節(jié)流調速。
本設計的方向控制采用電磁換向閥來實現(xiàn)，而速度的控制主要采用節(jié)流調速，主要方式是采用比較簡單的節(jié)流閥來實現(xiàn)。
3.3液壓源系統(tǒng)的設計
液壓系統(tǒng)的工作介質完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。
油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。一般泵的入口要裝粗濾油器，進入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求，通過精濾油器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質流回油箱，可在回油路上設置磁過濾器。根據(jù)液壓設備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。
本設計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來確定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過濾器，而在油泵的出口安裝精過濾器對循環(huán)的液壓油進行凈化。
3.4繪制液壓系統(tǒng)圖
本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3.1所示，
它擁有垂直手臂的上升、下降，水平伸縮缸/的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個執(zhí)行機構。
其中，液壓泵是由三相交流異步電動機M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。
考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。當5DT得電時，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進入柱塞缸，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當6DT失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪的迅速松開。
另外，由于機械手垂直升降液壓缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用V2構成的平衡回路向升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。
圖3.1 機械手的液壓系統(tǒng)原理圖
3.5確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結構尺寸。
1.計算液壓缸的總機械載荷
根據(jù)機構的工作情況液壓缸所受的總機械載荷為
（3-1）
式中， -----為外加的載荷，因為水平方向無外載荷，故為0；
------為活塞上所受的慣性力；
------為密封阻力；
------為導向裝置的摩擦阻力；
------為回油被壓形成的阻力；
（1）的計算
（3-2）
式中， ------為液壓缸所要移動的總重量，取為100KG；
------為重力加速度， ；
------為速度變化量；
------啟動或制動時間，一般為0.01~0.5，取0.2s
將各值帶入上式，得：=1.02
（2）的計算
（3-3）
式中，-----克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力，如該液壓缸工作壓力<16 ，查相關手冊取=0.2 ；
------為進油工作腔有效面積；
啟動時： 565N
運動時： =283N
（3）的計算
機械手水平方向上有兩個導桿，內導桿和外導套之間的摩擦力為
（3-4）
式中，------為機械手和所操作工件的總重量，取為100KG；
------為摩擦系數(shù)，取f=0.1；
帶入數(shù)據(jù)計算得： =98
（4）的計算
回油背壓形成的阻力按下式計算
（3-5）
式中，-----為回油背壓，一般為0.3~0.5 ，取=0.3
-----為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2；
將各值帶入上式有，
分析液壓缸各工作階段受力情況，作用在活塞上的總機械載荷為
。
2.手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算
手爪要能抓起工件必須滿足：
（3-6）
式中，-----為所需夾持力；
-----安全系數(shù)，通常取1.2~2；
-----為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機械手在搬運工件過程的加速度，，為重力加速度；
-----方位系數(shù)，查表選??；
-----被抓持工件的重量 20；
帶入數(shù)據(jù)，計算得： ；
計算驅動力計算公式為：
（3-7）
式中，-----為計算驅動力；
---安全系數(shù)，此處選1.2；
---工作條件系數(shù)，此處選1.1；
其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得：
而液壓缸的工作驅動力是由缸內油壓提供的，故有
（3-8）
式中，---為柱塞缸工作油壓；
----為柱塞截面積；
經(jīng)計算，所需的油壓約為：
3.液壓缸主要參數(shù)的確定
針對本設計是一個機械手的特點考慮，機械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結構和運動的穩(wěn)定性、安全性。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設計階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調速回路和元件來實現(xiàn)。經(jīng)過仔細分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各液壓缸的基本參數(shù)如下；
表3-2 手爪執(zhí)行液壓缸參數(shù)
內徑
壁厚
直徑
行程
工作壓力
20
5
20
11
3~6
注：手爪液壓缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調定。
表3-3 水平伸縮液壓缸參數(shù)
缸內徑
壁厚
桿直徑
行程
工作壓力
60
10
20
1100
1
因為伸縮缸的作用主要是實現(xiàn)伸縮直線運動這個運動形式，在軸向上并不承受顯性的工作載荷（因為手爪夾持的工件，受力方向為垂直方向），軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因為機械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。同時具有比較大的彎矩和比較長的行程，這對液壓缸的穩(wěn)定性和剛度問題有較高的要求。
表3-4 垂直液壓缸參數(shù)
缸內徑
壁厚
桿直徑
行程
工作壓力
60
10
25
100
1
因為垂直液壓缸所承受的載荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比較大的傾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作為液壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅動力要求是輕而易舉的，要解決的關鍵問題仍然是它的結構設計能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同樣采用了導向桿機構，圍繞垂直升降液壓缸設置兩根導桿，較好的解決了這一問題。
4.液壓缸強度的較核
（1）缸筒壁厚的較核
當 D/時，液壓缸壁厚的較核公式如下：
（3-10）
式中，----為缸筒內徑；
----為缸筒試驗壓力，當液壓缸的額定壓力時，取為；
----為缸筒材料的許用應力，，為材料抗拉強度，經(jīng)查相關資料取為650，為安全系數(shù)，此處??；
帶入數(shù)據(jù)計算，上式成立。因此液壓缸壁厚強度滿足要求。
（2）活塞桿直徑的較核
活塞桿直徑的較核公式為
（3-11）
式中， -----為活塞桿上作用力；
-----為活塞桿材料的許用應力，此處；
帶入數(shù)據(jù)，進行計算需要上式成立，因此活塞桿的強度能滿足工作要求。
3.6選擇液壓元件
1.液壓缸的選擇。
通過計算和分析，最后決定選擇：LB軸向地腳型液壓缸。如圖3.2所示。
圖3.2 LB軸向地腳型液壓缸
2.控制元件的選擇
根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量，在標準元件的產(chǎn)品樣本中選取各控制元件。這部分在考慮具體的作業(yè)時根據(jù)詳細的要求再結合具體情況進行詳細，這里暫從略。
3.油管及其他輔助裝置的選擇
（1）查閱設計手冊，選擇油管公稱通徑、外徑、壁厚參數(shù)
液壓泵出口流量以3.140L/MIN計，選取；液壓泵吸油管稍微粗些，選擇；其余都選為；
（2）確定油箱的容量
一般取泵流量的3~5倍，這里取為5倍，有效容積為
（3-17）
3.7液壓系統(tǒng)性能的驗算
繪制液壓系統(tǒng)圖后，進行壓力損失驗算。因為該液壓系統(tǒng)比較簡單，該項驗算從略。本系統(tǒng)采用液壓回路簡單，效率比較高，功率小，發(fā)熱少，油箱容量取得較大，因此，不再進行溫升驗算。
第四章 機械手控制系統(tǒng)的設計
4.1機械手控制系統(tǒng)硬件設計
機械手的動作有水平手臂的伸縮，垂直手臂的升降，以及執(zhí)行手爪的加緊與松開。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓實現(xiàn)驅動。而液壓缸又由相應的電磁閥控制。其中，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，例如，當下降電磁閥通電時，機械手下降；當下降電磁閥斷電時，機械手下降停止。只有當上升電磁閥通電時，機械手才上升；而當上升電磁閥斷電時，機械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅動器、感應式位移傳感器構成的回路進行調節(jié)控制。
而執(zhí)行手爪的加緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現(xiàn)。柱塞液壓缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當線圈不通電時，柱塞液壓缸不工作，當線圈通電時，柱塞液壓缸工作沖程，手爪閉合，柱塞液壓缸工作回程，手爪張開。
4.2機械手的作業(yè)流程
機械手的作業(yè)動作流程如圖4-1所示：
圖4-1 發(fā)動機曲軸搬運機械手工作流程圖
從原點開始，按下啟動鍵，水平液壓缸開始前伸并進行伺服定位，前伸到位后，停止前伸；——→ 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，同時手爪夾緊，抓住工件；——→ 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止；——→水平液壓缸開始前伸并進行伺服定位，前伸到位后，停止前伸；——→ 接著下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止；——→機械手松開手爪，準備離開；——→ 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ 機械手開始水平定位后縮；——→機械手回到原點待命。
機械手的每次循環(huán)都從原點位置開始動作。
4.3機械手操作面板布置
操作面板布置如圖4-2所示。 機械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種工作方式可以選擇。
1.手動操作：就是用按鈕作機械手的每一步運動進行單獨的控制。例如，當按上/下按鈕時，機械手上升或下降，按一下，動一下，長時間按住，機械手就會連續(xù)移動；前/后按鈕同理；當按緊/松按鈕時，按下按緊按鈕鈕，手爪夾緊，而按下松按鈕時，手爪松開。
圖4-2 操作面板示意圖
2.自動操作：機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、連續(xù)的周期性循環(huán)，直到程序結束。在工作中若按下急停按鈕，則機械手無論運行到什么地方，都會瞬間停止。
4.4控制器的選型
機械手控制系統(tǒng)的硬件設計上考慮到機械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設計開發(fā)的工業(yè)控制器---PLC，選擇在國內應用較多的西門子S7-200型PLC。具體型號為SIMATIC S7-200 CPU224。
圖4-3 SIEMENS SIMATIC S7-200 PLC
該機集成14 輸入/10 輸出共24 個數(shù)字量I/O 點?？蛇B接7 個擴展模塊，最大擴展至168 路數(shù)字量I/O 點或35 路模擬量I/O 點。16K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6 個獨立的30kHz 高速計數(shù)器，2 路獨立的20kHz 高速脈沖輸出，具有PID 控制器。1 個RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。
4.5控制系統(tǒng)原理分析
因為機械手作業(yè)時，取工件、放工件，安裝工件、卸下工件都有定位精度的要求，所以在機械手控制中，除了要對垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進驅動進行開環(huán)控制外，還要水平手臂進行閉環(huán)伺服控制。
為了減少PLC的I/O點數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號和反饋信號進行比較后形成的控制信號經(jīng)過PID調節(jié)和功率放大后，驅動電液伺服閥對液壓缸進行伺服定位。PLC將上位機輸入的給定信號轉換為電壓信號，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點，組成模擬控制系統(tǒng)，如圖4-4所示。這種方案使得PLC控制量少（尤其是模擬量），節(jié)省了系統(tǒng)資源，而且編程簡單，不必過多考慮控制算法等優(yōu)點，也是完全能滿足工作要求的。
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圖4-4 水平手臂伺服定位控制原理圖
4.6 PLC外部接線設計
為適應水平手臂液壓缸的伺服定位的控制要求，利用西門子SIMATIC S7-200 （CPU224）PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，故增加一個模擬量輸出模塊EM232，鑒于伺服放大器和位移傳感器的輸入要求，PLC的模擬量采用-10V~ +10V輸入輸出，各輸入輸出點及其接線如圖4-5所示。
圖4-5 PLC硬件接線圖
第五章 總結與展望
通過這次畢業(yè)設計，對大學本科四年機械工程及自動化專業(yè)所學知識進行了整合，完成了一個特定功能、滿足特殊要求的發(fā)動機曲軸搬運機械手的設計，比較好地體現(xiàn)了機械工程及自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，實現(xiàn)了理論和實踐的有機結合。
經(jīng)過近四個月的畢業(yè)設計，資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設計論文的撰寫等各個環(huán)節(jié)，我對大學四本科階段的知識有了一個整體的深層次的理解，同時對工程的理解更加深刻和準確。因此，通過畢業(yè)設計實現(xiàn)了預期目標。
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致 謝
終于完成了大學四年最后的一堂課----畢業(yè)設計，回憶在這四個月里的一點一滴，我由衷的感謝指導我的繆群華老師，是您對我的構思以及論文的內容不厭其煩的進行多次指導和悉心指點，使我在完成論文的同時也深受啟發(fā)和教育。然后，我想感謝下周圍的同學們，謝謝你們對我的幫助與支持。
雖然我的設計存在很多不足的地方，但在這段時間里，我學到了很多有用的知識，也積累了一定的設計經(jīng)驗，這些對于我即將要走向社會工作崗位，將起到非常關鍵的作用。
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