立式精鍛機(jī)自動上料機(jī)械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計

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1、 揚州市職業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 設(shè)計（論文）題目：立式精鍛機(jī)自動上料機(jī)械手 及其控制系統(tǒng)設(shè)計 系 別：機(jī) 械 工 程 系 專 業(yè)：機(jī)械制造與自動化 班 級 09機(jī)械（2）班 姓 名： 唐 國 軍 學(xué) 號： 0901010224 指導(dǎo)老師： 南 麗 霞 完成時間： 12 年 05 月 目 錄 摘 要 1 第一章 緒論 2 1.

2、1 機(jī)械手的基本概念 2 1.2 機(jī)械手的分類及簡史 2 1.2.1機(jī)械手的分類 3 1.2.2機(jī)械手的簡史 4 1.3 機(jī)械手的應(yīng)用簡況 5 1.4 機(jī)械手的發(fā)展趨勢 5 1.5 機(jī)械手的組成 6 1.5.1.執(zhí)行機(jī)構(gòu) 6 1.5.2.驅(qū)動機(jī)構(gòu) 7 1.5.3.控制系統(tǒng) 8 1.6 應(yīng)用機(jī)械手的意義 8 第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案 10 2.1 機(jī)械手的設(shè)計參數(shù) 10 2.2 機(jī)械手的工藝流程 11 2.3 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 11 2.4 機(jī)械手的工作過程 11 2.5 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度選擇 13 2.6 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 1

3、3 2.7 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 13 2.8 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 13 2.9 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計 13 2.10 機(jī)械手的控制方案設(shè)計 13 第三章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 3.1機(jī)械手手部設(shè)計計算 14 3.1.1手部設(shè)計要求 14 3.1.2拉緊裝置設(shè)計 15 3.2腕部設(shè)計計算 16 3.2.1計算扭矩M1 17 3.2.2油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩M2 17 3.2.3擺動缸的摩擦力矩M摩 17 3.3手臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計 18 3.4機(jī)身和機(jī)座的設(shè)計計算 20 3.4.1電機(jī)的選擇 20 3.4.2減速器的選擇 21 3.4.3螺桿的

4、設(shè)計與校核 22 第四章 機(jī)械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計 24 4.1 液壓系統(tǒng)簡介 24 4.1.1 液壓系統(tǒng)的工作原理 24 4.1.2 液壓傳動的工作特性 24 4.1.3 液壓系統(tǒng)的組成 24 4.1.4 液壓系統(tǒng)的優(yōu)、缺點 25 4.1.5 液壓傳動的主要缺點： 25 4.2自動上料機(jī)械手液壓系統(tǒng) 26 4.2. 1．機(jī)械手的動作順序 26 4.2.2．液壓控制原理 26 4.3大臂升降油缸設(shè)計計算 30 4.3.1 工作載荷的計算 30 4.3.2主要尺寸的確定 30 4.4 液壓缸主要部件的設(shè)計和材料選擇 31 4.4.1 缸筒 31 4.4

5、.2 活塞 32 4.4.3 缸蓋及活塞桿導(dǎo)向套 32 4.5 液壓缸的緩沖、排氣與密封 32 第五章 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計 33 5.1 PLC的簡介 33 5.1.1PLC的基本組成 33 5.1.2 PLC的工作過程 36 5.2 可編程序控制器的選擇及工作過程 38 5.2.1 可編程序控制器的選擇 38 5.2.2 可編程序控制器的工作過程 38 5.3機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 39 5.3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 39 5.3.2 PLC程序設(shè)計 41 總結(jié) 51 參考文獻(xiàn) 52 摘 要 本文介紹了立

6、式精鍛機(jī)自動上料機(jī)械手與其它設(shè)備的配置關(guān)系及工作過程，并對機(jī)械手的動作進(jìn)行了分析，詳細(xì)論述了機(jī)械手總體方案的設(shè)計，特別是對實現(xiàn)預(yù)期要求動作的各種方案進(jìn)行了比較分析，進(jìn)而得出最終方案。根據(jù)手臂的動作要求，采用圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；機(jī)械手的自由度數(shù)為四個，它們是大臂的升降和回轉(zhuǎn)運動，小臂的伸縮運動，手腕的回轉(zhuǎn)運動；機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)采用兩支點回轉(zhuǎn)型；機(jī)械手驅(qū)動方式采用液壓驅(qū)動?？刂品绞綖辄c位程序控制。本次設(shè)計主要進(jìn)行大臂升降及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計、手臂及伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計、手部結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且對液壓系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和比較。 關(guān)鍵詞：雙作用式油缸；點位控制；液壓系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計

7、 1 第一章 緒論 機(jī)械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點之一。 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種

8、預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)械手是在機(jī)械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。

9、機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 機(jī)械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機(jī)器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 1.1 機(jī)械手的基本概念 機(jī)械手是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機(jī)械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置。我國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12643-90)對機(jī)械手的定義;“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體，或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置。 1.2 機(jī)械手的分

10、類及簡史 工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。 1.2.1機(jī)械手的分類 （一）按用途分 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種： 1、專用機(jī)械手 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機(jī)械手，如自動機(jī)床、自動線的上、下料機(jī)械手和“加工中心”。 2、通用機(jī)械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機(jī)械手。格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用

11、，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。 (二)按驅(qū)動方式分 1、液壓傳動機(jī)械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手。其主要特點是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服

12、驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。 2、氣壓傳動機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 3、機(jī)械傳動機(jī)械手 即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動力是由工作機(jī)械傳

13、遞的。它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。 4、電力傳動機(jī)械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運動速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意

14、連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計算機(jī)進(jìn)行控制。 1.2.2機(jī)械手的簡史 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(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展

15、起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962年美國機(jī)械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1毫米。聯(lián)邦德國機(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機(jī)械手，采用

16、關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。 前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進(jìn)口。 目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(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，是機(jī)械手具有感覺機(jī)能。 第三代機(jī)械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機(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和柔性制造單元FMC中

17、的重要一環(huán)。 1.3 機(jī)械手的應(yīng)用簡況 現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化，自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。 有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機(jī)械加工。隨著機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還會有所改變。 機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。 國內(nèi)機(jī)械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機(jī)、專機(jī)上采用機(jī)械手上下料，減輕工人的勞動強度。 國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機(jī)械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零

18、件。并和機(jī)床共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。 采用機(jī)械手進(jìn)行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝象機(jī)和力傳感裝置和微型計算機(jī)連在一起，能確定零件的方位達(dá)到鑲裝的目的。 1.4 機(jī)械手的發(fā)展趨勢 目前工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。 在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，

19、設(shè)計成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計制造，有便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。 此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計算機(jī)連用，逐步成為整個機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 在國外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。 此外，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件

20、的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。 視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達(dá)到自動調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提

21、高。 更重要的是將機(jī)械手、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)。 1.5 機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成及相互關(guān)系如下圖： 1.5.1.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)孔裝有轉(zhuǎn)動軸，可把動作傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸屈手腕，開閉手指。 本課所指的機(jī)械手僅需開閉手指。 機(jī)械手手部的機(jī)構(gòu)系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)，固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕?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(yīng)操作需要。 本課所做的

22、機(jī)械手采用二指形狀。 （2）手臂 手臂有無關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分 本課所做的機(jī)械手的手臂采用無關(guān)節(jié)臂 手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的三個自由度都需要精確的定位。 本課題所做的機(jī)械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三個方向的定位均采用行程開關(guān)控制，以保證定位的精度。 總括機(jī)械手的運動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此，它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線油缸、擺動油缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服油馬達(dá)、直流伺服馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)等。 軀干是安裝手臂、動力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。(如圖1.5.1所示) 圖1.5.1 1.5.2.驅(qū)動

23、機(jī)構(gòu) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機(jī)械驅(qū)動用的較少。 液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達(dá)到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于

24、空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。 為了減少停機(jī)時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。 電氣驅(qū)動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機(jī)作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運動則用電動機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動機(jī)。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。 電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護(hù)，使用方便。驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。 機(jī)械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點

25、是不易調(diào)整。 1.5.3.控制系統(tǒng) 機(jī)械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動作時間和加速度等。 控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 1.6 應(yīng)用機(jī)械手的意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。 在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： 1.以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 應(yīng)用機(jī)械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的

26、更換以及機(jī)器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 2.以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 3.可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化

27、機(jī)床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢 第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案 2.1 機(jī)械手的設(shè)計參數(shù) 抓重：60kg； 自由度數(shù)：4個； 坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)； 最大工作半徑：1700毫米； 手臂最大中心高：2300毫米； 手臂運動參數(shù)； 手臂伸縮范圍：0~500毫米 手臂伸縮速度：伸出176毫米每秒； 縮回233毫米每秒； 手臂升降范圍：0~600毫米； 手臂升降速度

28、：上升102毫米每秒； 下降152毫米每秒； 手臂回轉(zhuǎn)范圍：00 ~2000 (實際使用為950)； 手臂回轉(zhuǎn)速度：630每秒； 手腕運動參數(shù)： 手腕回轉(zhuǎn)范圍:00~1800； 手腕回轉(zhuǎn)速度：2010每秒； 手指夾持范圍： Φ30-Φ120毫米； 緩沖方式及定位方式： 手臂伸縮：伸出時由行程開關(guān)適時切斷油路，手臂緩沖，縮回時由行程開關(guān)控制返回終了位置。 手臂升降：上升時是靠可調(diào)碰鐵觸動行程開關(guān)而發(fā)信，使電液換向閥變?yōu)椤皁”型滑閥機(jī)能，切斷油路而實現(xiàn)緩沖定位，下降時靠油缸端部節(jié)流緩沖，由行程開關(guān)控制終了位置。 手臂回轉(zhuǎn)：采用行程節(jié)流閥（雙向使用）減速緩沖，用定位油缸驅(qū)動定位

29、銷而定位。 手腕回轉(zhuǎn)：采用行程開關(guān)發(fā)信，切斷油路滑行緩沖，死擋塊定位。 驅(qū)動方式：液壓 控制方式：點位程序控制 2.2 機(jī)械手的工藝流程 待料（起始位置；手爪閉合；待夾料立放）→插定位銷→手臂前伸→手爪張開→手爪夾料→手臂上升→手臂縮回→手腕回轉(zhuǎn)180度→拔定位銷→手臂回轉(zhuǎn)95度→插定位銷→手臂前伸→手爪松料→手爪閉合→手臂下降→手腕反轉(zhuǎn)（復(fù)位）→拔定位銷→手臂復(fù)位→待料卸荷 2.3 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 本機(jī)械手系統(tǒng)由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)包括手部、手臂、手腕。驅(qū)動系統(tǒng)包括動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。控制系統(tǒng)由程序控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。 2.4

30、 機(jī)械手的工作過程 立式精鍛機(jī)和自動上料機(jī)械手等的配置如圖2-4-1所示。被加熱的坯料由運輸車2送到上料位置后，自動上料機(jī)械手3將熱坯料搬運到立式精鍛機(jī)1上鍛打，其成品鍛件由下料機(jī)械手4送立式精鍛機(jī)上取下并送到轉(zhuǎn)換機(jī)械手5上，轉(zhuǎn)換機(jī)械手先把鍛件翻轉(zhuǎn)90成水平位置，由丙烷切割裝置6將兩端切齊，切割完畢，轉(zhuǎn)換機(jī)械手5的手臂再水平回轉(zhuǎn)87，將鍛件水平放置到下料運輸裝置7上，運送到車間外面的料倉處進(jìn)行冷卻。自動上料機(jī)械手3在此精鍛生產(chǎn)線上可以完成取料、喂料和變換工位等動作。 52 2.5 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度選擇 按機(jī)械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)

31、式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機(jī)構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。 2.6 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 為了使機(jī)械手的通用性更強，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時，使用夾持式手部。 2.7 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 考慮到機(jī)械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸。 2.8 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 按

32、照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由液壓缸來實現(xiàn)。 2.9 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計 由于液壓壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用液壓壓傳動方式。 2.10 機(jī)械手的控制方案設(shè)計 考慮到機(jī)械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 第三章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1機(jī)械手手部設(shè)計計算 3.1.1手部設(shè)

33、計要求 1、有適當(dāng)?shù)膴A緊力 手部在工作時，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。 2、有足夠的開閉范圍 夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好。 圖3-1 機(jī)械

34、手開閉示例簡圖 3、力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小 手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設(shè)計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。 4、手指應(yīng)有一定的強度和剛度 5、其它要求 因此送料，夾緊機(jī)械手，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。 3.1.2拉緊裝置設(shè)計 如圖4.1.2-1所示：油缸右腔停止進(jìn)油時，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進(jìn)油時松開工件。 圖3-2油缸示意圖 1、右

35、腔推力為 FP=（π／4）DP （3.1） =（π／4）0.52510 =4908.7N 2、根據(jù)鉗爪夾持的方位，查出當(dāng)量夾緊力計算公式為： F1=（2b／a）（cosα′）N′ （3.2） 其中 N′=498N=392N，帶入公式3.2得： F1=（2b／a）（cosα′）N′ =(2150/50)（cos30）392 =1764N 則實際加緊力為 F1實際=PK1K2/η

36、 （3.3） =17641.51.1/0.85=3424N 經(jīng)圓整F1=3500N 3、計算手部活塞桿行程長L,即 L=（D/2）tgφ （3.4） =25tg30 =23.1mm 經(jīng)圓整取l=25mm 4、確定“V”型鉗爪的L、β。 取L/Rcp=3 （3.5） 式中： Rcp=P/4=200/4=50

37、（3.6） 由公式（2.5）（2.6）得：L=3Rcp=150 取“V”型鉗口的夾角2α=120，則偏轉(zhuǎn)角β按最佳偏轉(zhuǎn)角來確定， 查表得： β=2239′ 5、機(jī)械運動范圍（速度） （1）伸縮運動 Vmax=500mm/s Vmin=50mm/s （2）上升運動 Vmax=500mm/s Vmin=40mm/s （3）下降Vmax =800mm/s Vmin =80mm/s （4）回轉(zhuǎn)Wmax=90/s Wmin=30/s 所以取手部驅(qū)動活塞速度V=60mm/s 6、手部右腔流量 Q=sv

38、 （3.7） =60πr =603.1425 =1177.5mm/s 7、手部工作壓強 P= F1/S=3500/1962.5=1.78Mpa （3.8） 3.2腕部設(shè)計計算 腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉(zhuǎn)動慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。 要求：回轉(zhuǎn)90 角速度W=45/s 以最大負(fù)荷計算： 當(dāng)工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩

39、最大，采用估算法，工件重10kg，長度l=650mm。 3.2.1計算扭矩M1 設(shè)重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩M1為： M1=FS （3.9） =109.80.2=19.6（NM） 工件 F S F

40、 S F 圖3-3 腕部受力簡圖 3.2.2油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩M2 F=5kg S=10cm 帶入公式3.9得 M2=FS=59.80.1 =4.9（NM） 3.2.3擺動缸的摩擦力矩M摩 F摩=300（N）（估算值） S=20mm （估算值） M摩= F摩S=6（NM） 4、擺動缸的總摩擦力矩M M=M1+M2+ M摩=30.5（NM） （3.10）

41、5.由公式（4.2） T=Pb（ΦA(chǔ)1-Φmm）106/8 （3.11） 其中： b—葉片密度，這里取b=3cm； ΦA(chǔ)1———擺動缸內(nèi)徑, 這里取ΦA(chǔ)1=10cm； Φmm———轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取Φmm=3cm。 所以代入（3.11）公式 P=8T/b（ΦA(chǔ)1-Φmm ）106 =830.5/0.03（0.1-0.03）106 =0.89Mpa 又因為 W=8Q/（ΦA(chǔ)1-Φmm ）b 所以 Q=W（ΦA(chǔ)1-Φmm）b/8φA1 =（π/4）（0.1-0.03）0.03/8 =0.2710-4m/s

42、 =27ml/s 3.3手臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計 手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。 臂部運動的目的，一般是把手部送達(dá)空間運動范圍內(nèi)的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復(fù)雜。 機(jī)械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得尤其重要了。 手臂的伸縮速度為200m/s 行程L=500mm 1、手臂右腔流量，公式（3.7）得： Q=sv=200π40=1004800mm/s=0.1/10m/s=1000ml/s 2、手臂右腔工

43、作壓力，公式（3.8） 得： P=F/S （3.12） 式中：F——取工件重和手臂活動部件總重，估算 F=10+20=30kg， F摩=1000N。 所以代入公式（3.12）得： P=（F+F摩）/S =（309.8+1000）/π40 =0.26Mpa 3、繪制機(jī)構(gòu)工作參數(shù)表如圖3.3-1所示： 圖3-4機(jī)構(gòu)工作參數(shù)表 4、由初步計算選液壓泵 所需液壓最高壓力 P=1.78Mpa 所需液壓最大流量 Q=1000ml/s 選取CB-D型液壓泵（齒輪泵）

44、 此泵工作壓力為10Mpa，轉(zhuǎn)速為1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之間，可以滿足需要。 5、驗算腕部擺動缸： T=PD（ΦA(chǔ)1-Φmm）ηm106/8 （3.13） W=8θηv/（ΦA(chǔ)1-Φmm）b （3.14） 式中：η m—機(jī)械效率?。? 0.85～0.9 ηv—容積效率?。? 0.7～0.95 所以代入公式（3.13）得： T=0.890.03（0.1-0.03）0.85106/8 =25.8（NM） T

45、（NM） 代入公式（3.14）得： W=（82710-6）0.85/（0.1-0.03）0.03 =0.673rad/s W<π/4≈0.785rad/s 因此，取腕部回轉(zhuǎn)油缸工作壓力 P=1Mpa 流量 Q=35ml/s 圓整其他缸的數(shù)值： 手部抓取缸工作壓力PⅠ=2Mpa 流量QⅠ=120ml/s 小臂伸縮缸工作壓力PⅠ=0.25Mpa 流量QⅠ=1000ml/s 3.4機(jī)身和機(jī)座的設(shè)計計算 機(jī)身的直接支承和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機(jī)身上，或者就直接構(gòu)

46、成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜，機(jī)身既可以是固定式的，也可以是行走式的, 臂部和機(jī)身的配置形式基本上反映了機(jī)械手的總體布局。本課題機(jī)械手的機(jī)身設(shè)計成機(jī)座式，這樣機(jī)械手可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機(jī)構(gòu)。臂部配置于機(jī)座立柱中間，多見于回轉(zhuǎn)型機(jī)械手。臂部可沿機(jī)座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機(jī)帶動螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導(dǎo)致了手臂的上下運動。手臂的回轉(zhuǎn)由電動機(jī)帶動減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動了機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到了自由度的要求。 3.4.1電機(jī)的選擇 機(jī)身部使用了兩個電機(jī)，其一是帶動臂部的升降運動；其

47、二是帶動機(jī)身的回轉(zhuǎn)運動。帶動臂部升降運動的電機(jī)安裝在肋板上，帶動機(jī)身回轉(zhuǎn)的電機(jī)安裝在混凝土地基上。 （1）、帶動臂部升降的電機(jī)： 初選上升速度 V=100mm/s P=6KW 所以n=（100/6）60=1000轉(zhuǎn)/分 選擇Y90S-4型電機(jī)，屬于籠型異步電動機(jī)。采用B級絕緣，外殼防護(hù)等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。 如圖4.4.1-1 Y90S-4電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)所示： 型號 額定功率KW 滿載時 堵轉(zhuǎn)電流 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 電流A 轉(zhuǎn)速r/min 效率% 功率因素

48、 額定電流 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩 Y90S-4 1.1 2.7 1400 79 0.78 6.5 2.2 2.2 圖3-6 Y90S-4電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) （2）、帶動機(jī)身回轉(zhuǎn)的電機(jī)： 初選轉(zhuǎn)速 W=60/s n=1/6轉(zhuǎn)/秒=10轉(zhuǎn)/分 由于齒輪 i=3 減速器 i=30 所以n=10330=900轉(zhuǎn)/分 選擇Y90L-6型籠型異步電動機(jī) 電動機(jī)采用B級絕緣。外殼防護(hù)等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。 如圖3-7 Y90L-6電動機(jī)技術(shù)所示： 圖3=7 Y90L

49、-6電動機(jī)技術(shù) 3.4.2減速器的選擇 減速器的原動機(jī)和工作機(jī)之間的獨立的閉式傳動裝置。用來降低轉(zhuǎn)速和增 轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要。 初選WD80型圓柱蝸桿減速器。 WD為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。 蝸桿的材料為38siMnMo調(diào)質(zhì) 蝸輪的材料為ZQA19-4 中心矩a=80 Msq=4.011 （3.15） 傳動比I=30 傳動慣量0.26510ˉkgm 3.4.3螺桿的設(shè)計與校核 螺桿是機(jī)械手的主支承件，并傳動使手臂上下運動。 螺桿的材料選擇： 從經(jīng)濟(jì)角度來講并能滿足要

50、求的材料為鑄鐵。 螺距 P=6mm 梯形螺紋 螺紋的工作高度 h=0.5P （3.16） =3mm 螺紋牙底寬度 b=0.65P=0.656=3.9mm （3.17） 螺桿強度 [σ]= σs/3～5 （3.18） =150/3～5 =30～50Mpa 螺紋牙剪切[τ]=40 彎曲[σb]=45～55 （1）、當(dāng)量應(yīng)力 (3.19) 式中 T——傳遞轉(zhuǎn)矩Nmm

51、 [σ]——螺桿材料的許用應(yīng)力 所以代入公式（4.19）得： σ= （42009.8/πd1）+3（2009.80.6/0.2d1） = （2495/ d1）+3（61.2/ d1）≤30～50106 =（2495/ d1）+3（61.2/ d1）≤900～25001012 =6225025/d14+11236/d16≤900～25001012 =6225025d12+11236≤900d161012 =62250250.0292+11236≤9000.02961012 即16471pa＜535340pa 合格 （2）、剪切強度 Z=H/P=160

52、/6 （旋合圈數(shù)） （3.20） τ=F/πd1bz （3.21） =2009.8/π0.0293.9（160/6）10-3 =206.8103pa =0.206Mpa＜[τ]=40Mpa （3）、彎曲強度 σb=3Fh/πd1b2z =32009.83/π2.93.92（160/6） =0.48Mpa＜[σ]=45Mpa 合格 第四章 機(jī)械

53、手的液壓系統(tǒng)設(shè)計 液壓系統(tǒng)相對于機(jī)械傳動來說，是一門新興的技術(shù)。人類使用水力機(jī)械及液壓技術(shù)雖然已有很長的歷史，但是液壓技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域中得以應(yīng)用并取得迅速發(fā)展則是本世紀(jì)，特別是第二次世界大戰(zhàn)以來的事。由于液壓傳動具有許多突出的優(yōu)點，因而目前已廣泛的應(yīng)用在工、農(nóng)業(yè)機(jī)械、機(jī)床、交通運輸、路地行走設(shè)備、船舶控制、火炮控制、飛機(jī)、導(dǎo)彈等各方面。 4.1 液壓系統(tǒng)簡介 4.1.1 液壓系統(tǒng)的工作原理 所謂液壓系統(tǒng)就是以液體為介質(zhì)，依靠運動者的液體的壓力能來傳遞力的。液壓系統(tǒng)工作是，液壓泵把電動機(jī)傳來的回轉(zhuǎn)式機(jī)械能轉(zhuǎn)變成油液的壓力能：油液被輸送到液壓缸（或液壓馬達(dá)）后，又由液壓缸（或液壓馬達(dá)）把油

54、液的壓力能變?yōu)橹本€式（或回轉(zhuǎn)式）的機(jī)械能輸出。液壓系統(tǒng)中的油液在受調(diào)節(jié)、控制的狀態(tài)下進(jìn)行工作的因此液壓傳動和液壓控制在這個意義上來說難以截然分開。液壓系統(tǒng)必須滿足其執(zhí)行元件在力和速度方面的要求。 4.1.2 液壓傳動的工作特性 液壓系統(tǒng)工作是外界負(fù)載越大（在有效承壓面積一定的前提下）所需要的壓力也越大，反之亦然。因此液壓系統(tǒng)的由壓力（簡稱系統(tǒng)的壓力，下同）大小取決于外界負(fù)載。負(fù)載大，系統(tǒng)壓力大；負(fù)載小，系統(tǒng)壓力??；負(fù)載為零，系統(tǒng)壓力為零。另外，活塞或工作臺的運動速度（簡稱系統(tǒng)的速度，下同）取決于單位時間通過節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸中油液的體積即流量。流量越大（在有效承壓面積一定的前提下）系統(tǒng)的速

55、度越快，反之亦然。流量為零，系統(tǒng)的速度亦為零。液壓系統(tǒng)的壓力和外在負(fù)載，，速度和流量的這兩個關(guān)系稱作液壓傳動的兩個工作特性。 4.1.3 液壓系統(tǒng)的組成 液壓系統(tǒng)由以下五個部分組成： （1）動力元件 它是將原動機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能的裝置。液壓泵即為動力元件。 （2）執(zhí)行元件 它是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，以驅(qū)動部件。液壓缸和液壓馬達(dá)即為執(zhí)行元件。 （3）控制調(diào)節(jié)元件 控制調(diào)節(jié)元件是指各種閥類元件，它們的作用是控制液壓系統(tǒng)中油液的壓力、流量和方向，以保證執(zhí)行元件完成預(yù)期的工作運動。 （4）輔助元件 輔助元件是指油箱、油管、管接頭、濾油器、壓力表、流量表等。

56、（5）工作介質(zhì) 在液壓系統(tǒng)中使用液壓油（通常為礦物油）。 4.1.4 液壓系統(tǒng)的優(yōu)、缺點 液壓系統(tǒng)與機(jī)械、電力等傳動相比。有以下特點： （1）能方便的進(jìn)行無級調(diào)速，調(diào)速范圍大。 （2）體積小，、重量輕、功率大。一方面，在相同輸出功率的前提下，其體積小、重量輕、慣性小、動作靈敏，這對于液壓自動控制系統(tǒng)有重要的意義。另一方面，在體積或重量相近的情況下，其輸出功率大，能傳遞較大的扭矩或推力（如萬噸水壓力等）。 （3）控制和調(diào)節(jié)簡單、方便、省力，易實現(xiàn)自動化控制和過載保護(hù)。 （4）可實現(xiàn)無間隙傳動，運動平穩(wěn)。 （5）因為傳動介質(zhì)為油液，故液體元件有自我潤滑作用，使用壽命長。 (6）

57、液壓元件實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、便于設(shè)計、制造和推廣使用。 （7）可以采用大推力的液壓缸和大扭矩的液壓馬達(dá)直接帶動負(fù)載，從而失去了中間的減速裝置，使傳動簡化。 4.1.5 液壓傳動的主要缺點： （1）漏 由于作為傳動介質(zhì)的液體是在一定的壓力下，有時是在較高的壓力下工作的，因此在有相對運動的表面間不可避免要產(chǎn)生泄漏。同時，由于油液并不是不可以壓縮的，油管等也回產(chǎn)生彈性變形，所以液壓傳動不宜用在傳動比要求較嚴(yán)格的場合。 （2）震 液壓傳動中的“液壓沖擊和空穴現(xiàn)象”會產(chǎn)生很大的震動和噪聲。 （3）熱 在能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中，由于存在機(jī)械摩擦、壓力損失、泄漏損失，因而易使油液發(fā)

58、熱，總效率降低，故液壓傳動不宜遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)動。 （4）液壓傳動性能對溫度比較敏感，故不宜在高溫及低溫下工作。液壓傳動裝置對油液的污染也較敏感，故要求有良好的過濾設(shè)施。 （5）液壓元件加工要求高一般情況下又要求有獨立的能源（如液壓泵站），這些可能使產(chǎn)品成本提高。 （6）液壓系統(tǒng)出現(xiàn)鼓故障時不宜追查原因，不宜迅速排除。 綜上所述，液壓傳動由于其優(yōu)點比較突出，故在工、農(nóng)業(yè)各個部門獲得廣泛的應(yīng)用。它的某些缺點隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展、提高，正在逐步得到克服。 由于液壓傳動相對于機(jī)械傳動有以上幾個突出的優(yōu)點，所以確定機(jī)械手的前伸后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、夾緊放松三部分動作用液壓傳動來實現(xiàn)。 4.2自動上料機(jī)

59、械手液壓系統(tǒng) 4.2. 1．機(jī)械手的動作順序 機(jī)械手的動作順序：待料（起始位置；手爪閉合；待夾料立放）→插定位銷→手臂前伸→手爪張開→手爪夾料→手臂上升→手臂縮回→手腕回轉(zhuǎn)180度→拔定位銷→手臂回轉(zhuǎn)95度→插定位銷→手臂前伸→手爪松料→手爪閉合→手臂下降→手腕反轉(zhuǎn)（復(fù)位）→拔定位銷→手臂復(fù)位→待料卸荷。 上述動作均由電磁換向閥實現(xiàn)，用行程開關(guān)和時間繼電器、步進(jìn)選線器等電器控制電磁鐵線圈通斷電，使電磁鐵按程序動作，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動控制。 4.2.2．液壓控制原理 此系統(tǒng)選用功率N=7.5千瓦的電動機(jī)，帶動雙聯(lián)葉片泵YB-35/18，公稱壓力為63公斤/厘米，流量為35升/分+18升

60、/分=53升/分，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為30公斤力/厘米，油箱容積選為250升。手臂的升降油缸及伸縮油缸工作時，兩個油泵同時供油；手臂及手腕的回轉(zhuǎn)油缸和手爪松緊夾用的拉緊油缸及手臂回轉(zhuǎn)定位油缸工作時，只有小泵供油，大泵自動卸荷。 手臂前伸、升降、回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)油路采用單向調(diào)速閥（QI-63B，QI-25B，QI-10B）回程節(jié)流，因而速度可調(diào)，工作平穩(wěn)。 升降缸支路設(shè)置有單向順序閥（XI-63B），可以調(diào)整順序閥的彈簧力，使之在活塞、活塞桿及其所支承的手臂等自重所引起的油液壓力作用下仍保持?jǐn)嗦?。工作時，油泵輸出的壓力油進(jìn)入升降油缸上腔，作用在順序閥的壓力增加，使之接通，活塞便向下運動。當(dāng)活塞要上升

61、時，壓力油液經(jīng)單向閥進(jìn)入升降油缸下腔，這樣采用單向順序閥克服機(jī)身（全部參與升降運動的部件）自重，防止了下滑，性能穩(wěn)定可靠。 手爪夾緊油缸支路裝有液控單向閥（1Y-25B），使手爪夾緊工件時不受系統(tǒng)壓力波動的影響（尤其是系統(tǒng)壓力下降時，壓力油缸內(nèi)的壓力油不能反向流動），保證手爪夾持工件牢靠，當(dāng)反向進(jìn)油時，油液通過控制油路將單向閥芯頂開，使回油路接通，油液流回油箱。 在手臂回轉(zhuǎn)后，定位所用的定位油缸支路的壓力需比系統(tǒng)壓力低，為此在定位油缸支路前串有減壓閥（J-10），使定位油缸獲得適應(yīng)壓力為15-18公斤力/厘米，同時還給電液換向閥（34DY-63B）的控制油路供油。 液壓系統(tǒng)的雙聯(lián)葉片泵的

62、卸荷，均用二位二通的換向閥（22D-10B）打開溢流閥（Y-18-J和Y-35-J）來實現(xiàn)，空載卸荷不致使油溫升的太高。 系統(tǒng)中的三個單向閥（兩個I-25和一個I-40），其中一個單向閥（I-25）和單向閥（I-40）是在油泵停止工作時，防止液壓系統(tǒng)的油液倒流而進(jìn)入空氣，否則影響再啟動時油缸工作的平穩(wěn)性。另一個單向閥是為了將需要的油液量大小不同的主油路分開，同時在大泵自動卸荷時，不使大泵卸荷油路影響小泵的工作油路。 先介紹其動作循環(huán)如下： 當(dāng)電動機(jī)起動時，帶動雙聯(lián)葉片泵回轉(zhuǎn)，油液從油箱中通過網(wǎng)式濾油器，經(jīng)過葉片泵被送到工作油路中去，如果機(jī)械手還未起動，則油液通過二為二通電磁閥（電磁鐵12

63、DT和13DT有電）進(jìn)行卸荷。 當(dāng)棒料由運輸車運到上料位置時。由于1100度的熱棒料使光電繼電器發(fā)出電信號，經(jīng)步進(jìn)選線器跳步，使機(jī)械手開始按程序動作，此時卸荷停止（二位二通電磁閥和電磁鐵斷電）。電磁鐵5DT通電，壓力油進(jìn)到定位油缸左腔進(jìn)行定位動作，定位后此支油路系統(tǒng)壓力升高，壓力繼電器發(fā)出電訊號，經(jīng)步進(jìn)選線器跳步使電磁鐵7DT通電，電液換向閥變成通路，壓力油經(jīng)油泵和單向閥，通過電液換向閥右邊的通道，進(jìn)入手臂伸縮油缸的右腔，使缸體前伸運動（因活塞桿固定），手臂前伸到適應(yīng)位置，裝在手臂上的碰塊碰行程開關(guān)發(fā)出電訊號，經(jīng)過步進(jìn)選線器跳步和時間繼電器，延時使電磁鐵8DT通電，手爪張開；手臂靠慣性滑行到

64、待上料的中心位置，在延時結(jié)束時，8DT斷電，手爪夾緊棒料；并同時發(fā)訊、跳步，使電磁鐵1DT通電，壓力油從工作油路經(jīng)電液換閥右邊通過，單向調(diào)速閥的單向閥及單向順序閥的單向閥進(jìn)入手臂升降油缸的下腔，推動手臂上升，在手臂上升到預(yù)定位置，碰行程開關(guān)，使電磁鐵1DT斷電，電液換向閥復(fù)位成“O”型滑閥機(jī)能狀態(tài)；并發(fā)出電訊號經(jīng)步進(jìn)選線器跳步，使電磁鐵6DT通電，電液換向閥右邊接通油路，壓力油從電液換向閥右邊通過，經(jīng)過單向調(diào)速閥的單向閥，進(jìn)入手臂伸縮油缸右腔，使手臂縮回。當(dāng)手臂上的碰鐵碰行程開關(guān)，使6DT斷電，并發(fā)出電訊號和跳步，使3DT通電，則換向閥右邊接通油路，壓力油通過QI的單向閥進(jìn)入手腕回轉(zhuǎn)油缸一腔，

65、使手腕回轉(zhuǎn)180度，手腕上的碰鐵碰行程開關(guān)，使10DT斷電，換向閥復(fù)位成“O”型滑閥機(jī)能狀態(tài)，同時亦使5DT斷電，定位油缸復(fù)位（拔銷）；壓力繼電器復(fù)位，發(fā)出電訊號，并經(jīng)步進(jìn)選線起跳步，使電磁鐵9DT通電，電磁換向閥右邊通路接通油路，壓力油經(jīng)QI的單向閥進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)油缸一腔，使手臂回轉(zhuǎn)95度。當(dāng)手臂的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)，使3DT斷電，換向閥復(fù)位成“O”型滑閥機(jī)能狀態(tài)；并發(fā)出電訊號，經(jīng)步進(jìn)選線器跳步，使5DT通電，定位油缸工作，插定位銷，壓力繼電器發(fā)出電訊號，經(jīng)步進(jìn)選線器跳步，使電磁鐵7DT通電，手臂前伸；當(dāng)手臂將棒料送到工作臺和夾頭軸線前的適當(dāng)距離處，并發(fā)出電訊號、步進(jìn)選線器跳步、使工作機(jī)夾頭下

66、降，行程開關(guān)發(fā)信，通過時間繼電器使夾頭閉合，將棒料夾牢，電控系統(tǒng)發(fā)訊，經(jīng)步進(jìn)選線器跳步，時間繼電器延時使8DT通電，機(jī)械手手爪松開，延時到8DT斷電手爪閉合，并發(fā)出電訊號，步進(jìn)選線器跳步，電磁鐵6DT通電，手臂縮回，當(dāng)手臂碰鐵碰行程開關(guān)時，6DT斷電（下降停），并發(fā)出電訊號、跳步，使11DT通電，電磁換向閥的左邊通道接通油路，壓力油經(jīng)QI的單向閥進(jìn)入手腕回轉(zhuǎn)油缸的另一油腔，使手腕反轉(zhuǎn)180度；手腕上的碰鐵碰行程開關(guān)，使7DT斷電，并發(fā)出電訊號，步進(jìn)選線器跳步，使電磁鐵4DT通電，電磁換向閥左邊的通道接通油路，壓力油經(jīng)QI的單向閥和行程節(jié)流閥進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)油缸的另一油腔，使手臂反轉(zhuǎn)90度（機(jī)械手復(fù)位）。當(dāng)手臂上的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)時，4DT斷電（機(jī)械手停在原始位置上），并發(fā)出電訊號、步進(jìn)選線器跳步，使12DT和13DT通電（兩個油