畢業(yè)設計（論文）-工業(yè)機械手的設計

第一章緒論工業(yè)機械手的設計目的工業(yè)機械手設計是機械手機械制造,機械設計和機械電子工程(機電一體化)等專業(yè)的一個重要餓教學環(huán)節(jié),是學完技術基礎課及有關專業(yè)課的一次專業(yè)課內容的綜合設計.通過設計提高學生的機構分析與綜合的能力,機械結構設計的能力,機電液一體化系統(tǒng)設計能力,掌握實現生產過程自動化的設計方法.通過設計把有關課程(機構分析與綜合,機械原理,機械設計,液壓與氣壓技術,自動控制理論,測試技術,數控技術,微型計算機原理及應用,自動機械設計等)中所獲得的理論知識在實際中綜合地加以運用,使這些知識得到鞏固和發(fā)展,并使理論知識和生產密切地結合起來.工業(yè)機械手設計是機械設計及制造專業(yè)和機械電子工程專業(yè)的學生一次比較完善的機電一體化設計.通過設計,培養(yǎng)學生獨立的機械整體設計的能力,樹立正確的設計思想,掌握機電一體化機械產品設計的基本方法和步驟,為自動機械設計打下良好的基礎.通過設計,使學生能熟練地應用有關參考,計算圖表,手冊,圖冊,和規(guī)范;熟悉有關國家標準和部頒標準,以完成一個工程技術人員在機械整體設計方面所必須具備的基本技能訓練.工業(yè)機械手在生產中的作用a建造旋轉體零件b實習單機自動化c鍛，焊，熱處理等熱加工方面工業(yè)機械手的分類1.3a微型的搬運重量在1kg以下b小型的搬運重量在10kg以下c中型的搬運重量在50kg以下d大型的搬運重量在500kg以下按功能分類a簡易型工業(yè)機械手有固定程序和可變程序兩種。固定程序由凸輪轉鼓或擋塊轉鼓控制，可變程序用插銷板或轉鼓控制來給定程序。b記憶再現型工業(yè)機械手這種工業(yè)機械手由人工通過示教裝置領教一遍，由記憶元件把程序記錄下來，以后機械手就自動按記憶的程序重法進行循環(huán)動作c計算機數字控制的工業(yè)機械手可通過更換穿孔帶或其他記憶介質來改變工業(yè)機械手的動作程序，還可以進行多機控制。d智能工業(yè)機械手由電子計算機通過各種傳感元件等進行控制，具有視覺，熱覺，觸覺，行走機構等按用途分類a專用機械手附屬于主機的，具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。這種機械手工作對象不變，動作固定，結構簡單，使用可靠，適用于成批，大量生產的生產自動線或專機作為自動上，下料用。b通用機械手具有獨立控制系統(tǒng)，程序可變，動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強，適用于工件經常變換的中，小批量自動化生產。工業(yè)機械手的組成工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成a執(zhí)行機構執(zhí)行機構由抓取部分(手部),腕部,肩部和行走機構等運動部件組成b驅動機構有氣動,液動,電動和機械式四種形式c控制系統(tǒng)有點動控制和連續(xù)控制兩種方式.大多數用插銷板進行點位程序控制,也有采用可編程序控制器控制,微型計算機數字控制,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.d基體(機身)基體是整個機械手的基礎工業(yè)機械手的技術發(fā)展方向國內外實際上使用的定位控制的機械手,沒有"視覺"和"觸覺"反饋.目前.世界各國正積極研制帶有"視覺"和"觸覺"的工業(yè)機械手,使它能對所抓取的工件進行分辨,選取所需要的工件,并正確地夾持工件,進而精確地在機器中定位,定向.為使機械手有"眼睛"去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零件,它由視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息,通過計算機進行圖形分辨,判別是否是所要抓取的工件.為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件滑落下來,一般采用兩種方法:一是檢測把握物體手臂的變形,以決定適當的握力;另一種是直接檢測指部與物體的滑落位移,來修正握力.因此這種機械手就具有以下幾個方面的性能a能準確地抓住方位變化的物體b能判斷對象的重量c能自動閉開障礙物d抓空或抓力不足是能檢測出來這種具有感知能力并能對感知的信息作出反應的工業(yè)機械手稱為智能機械手,它是具有發(fā)展前途的.現在,工業(yè)機械手的使用范圍只限于在簡單復雜的操作方面節(jié)省人力,其效益是代替人從事繁重的工作和危險的工作,在惡劣環(huán)境下尤其明顯.至于在汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的工業(yè)部門,機械手的應用情況決不能說是很好的.雖然這些工業(yè)部門工時不足的問題很尖銳,但采用機械手只限于一小部分工序.其原因之一是,工業(yè)機械手的性能還不能滿足這些部門的要求,適于機械手工作的范圍很小.另外經濟性問題當然也很重要,采用機械手來節(jié)約人力從經濟上看不一定總是合算的,然而,利用機械手或類似機械設備節(jié)省和實現生產合理化的要求,今后還會增長.a擬訂整體方案,特別是傳感,控制方式與機械本體的有機結合的設計方案.b根據給定的自由和技術參數選擇合適的手部,腕部,肩部和機身的結構.c各部件的設計計算d工業(yè)機械手工作裝配圖的設計與繪圖e液壓系統(tǒng)圖的設計與繪圖f電氣控制的繪制g編寫設計計算說明書第二章手部的設計2.1手部的功能、分類手部（亦稱抓取機構）是用來直接把握工件的部件，由于被握持工件的形狀，尺寸大小，重量，材料性能，表面狀況等的不同，所以工業(yè)機械手的手部結構是多種多樣的，大部分的手部結構是根據特定的工件要求而設計的。歸納起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。夾持類常見的主要有夾鉗式，此外還有鉤托式和彈簧式。夾持類手部按其手指夾持工件時的運動方式，可分為手指回轉型和手指平移型兩種。吸附類可分有氣吸式和磁吸式。夾鉗式手部設計的基本要求a應具有適當的夾緊力和驅動力手指握力（夾緊力）大小要適當，力量過大則動力消耗多，結構大，不經濟，甚至回損壞工件；還考慮轉送或操作過程中所產生的慣性和振動，以保證工件夾鉗安全可靠。b手指應具有一定的開閉范圍手指應具有足夠的開閉角度或開閉距離，以便抓取或退出工件。c應保證工件在手指內的夾持精度應保證每個被夾持的工件在手指內部有準確的相對位置。d要求結構緊湊，重量輕，效率高在保證本身剛度，強度的前提下，盡量可能使結構結構緊湊，重量輕，以利于減輕手臂的負載。e應考慮通用性和特殊要求一般情況下，手部多是專用的，為了擴大它的使用范圍，提高它的通用化程度，以適應夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調整的辦法。夾鉗式手部的計算與分析手部選擇及原理敘述采用鉗爪式手部機構，手機形狀為平面指，傳力機構形式為滑槽杠桿式。工作原理：圖2-1夾鉗式手抓形狀圖a—鉗爪回轉支點O1或O2到對稱中心線的距離；b—鉗爪回轉支點到“V”型鉗口中心線的距離；a’—滑槽方向與兩回轉支點（O1與O2）間連接線的夾角。如圖2.1所示，拉桿2端部固定安裝著圓柱銷3，當拉桿2向上拉時，圓柱銷就在兩個鉗爪4的滑槽中移動，帶動鉗爪4繞O1與O2兩回轉支點回轉夾緊工件，拉桿2向下推時，使鉗爪4松開工件，設P為作用在拉桿2上的驅動力；N為鉗爪的夾緊力，鉗爪的尺寸關系如圖2-1所示，下面分析圓柱銷3和鉗爪4的受力情況。在拉桿2作用下，圓柱銷3向上的拉力為P，并作用于圓柱銷的中心O點，而兩鉗爪的滑槽對圓柱銷的作用力為P1,P2（且P1=P2），其力的方向垂直于滑槽軸線OO1或OO2,指向O點其延長線分別交于B,A兩點，如圖2-1所示，三角形O1OB和三角形O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=a’根據圓柱銷的平衡條件∑F=0可知，P=2P1cosa’則P1=P/（2cosa’）（2-1）如2-1所示，圓柱銷對鉗爪的反作用力為P1’，其大小與P1相等，即P1’=P1,且方向相反，工件對鉗爪的反作用力大小等于夾緊力N，按照鉗爪的平衡關系∑M01=0得P1’N=hP1’/b因為h=a/(cosa’)所以N=a/2b*(1/cosa’)2*P（2-2）由（2-2）式可知，在驅動力P一定的情況下，a’增大，則夾緊力N也隨之增大，但a’過大導致拉桿（有時即為活塞桿）的行程過大，以及鉗爪滑槽部分尺寸長度增大使手部結構加大，所以一般取a’=30°~40°為宜。夾鉗式手爪設計（手指夾緊力與驅動力計算）由資料可知手指對工件的夾緊力可按下式計算：N≥K1*K2*K3*G(2-3)其中：K1—安全系數，常取1.2-2；K2—工作情況系數，主要考慮慣性力影響，可按K2=1.1-2.5或K2=1+a/g估算（a為機械手在搬運工件過程中的加速度m/s2,g為重力加速度）K3—方位系數，根據手指與工件的形狀及手指與工件位置不同進行選定，設計中選取K3=4；G—假設K1=1.5K2=1.5K3=4夾緊力N：N≥××4×而由前面所得N=a/2b*(1/cosa’)2*P則驅動力P：P≥(2b*N)/[a*(1/cosa’)2](2-4).2手指結構尺寸的確定由圖2-1所示，手部結構相關手指尺寸設定如下：a’=30°a=40b=60驅動力P計算=2b*a(cos30°)2考慮手爪的機械效率（2-5）式中—手部機構的機械效率（0.85～0.9）取P實際所夾工件形狀及尺寸如下：（mm）,工件質量33的碳鋼設h=10cm圖2-2工件形狀手指夾緊油缸的設計計算手指的夾緊采用雙作用單桿活塞油缸，共計算簡圖如下：.1計算作用在活塞上的總機械載荷P=PI+P封1+P封2+P背+P慣（2-6）PI—為工作阻力，即手部傳力機構的驅動力，用以保持機械手的手指夾緊工件有足夠的握力，由前面計算可知：PIP封1，P封2—為活塞與缸壁處，活塞桿與缸蓋處的摩擦力，密封圈用O型密封圈，當油缸工作壓力不大于100公斤/厘米2時，活塞桿直徑取為油缸內徑的一半，活塞和活塞桿處都采用O型密封圈密封時，油缸密封處總摩擦力為：P封1+P封2=0.03P（2-7）式中：P—作用在活塞桿上的推力（即驅動力，P=*D*D*P1/4P1為進油壓力，D為油缸內徑）P背—為背壓阻力，油缸回油腔低壓油所造成的阻力一般較小，當回油腔直接與郵箱相連時，P背=0P慣—動負載，由上可得P=PI+P封1+P封2+P背+P慣.2確定油缸尺寸a油缸內徑（即活塞的直徑）計算：油缸工作時，進油腔壓為油液作用于活塞上的合成液壓力即驅動力應與活塞桿上所受總機械載荷平衡，所以油缸（即活塞）有效面積為：F=P/P1F=*D*D/4 郵箱內徑（即活塞直徑）為(2-8)式中P1—油缸工作壓力，取P1=10kg/cm2,則=≈30.673取油缸的內徑（即活塞直徑）D=32mm,由當前知當油缸工作壓力小于100kg/cm2,活塞桿直徑可以直接取油缸的一半，活塞桿直徑d=16mm。b油缸壁厚計算：在D確定后，由強度計算所需最小的油缸壁厚，再根據具體的結構來確定適當數值：由材料力學的薄壁筒公式，油缸壁厚可用下式來計算：=P記*D/2[]=mmc油缸端蓋螺釘計算螺釘除應與應具有的強度之外，還要保證連接的緊密性，同時在缸蓋所受的合成液壓力的作用下連接已迪昂要有足夠的剩余鎖緊力，以免形成間隙而漏油，每個螺釘在危險剖面（螺紋根部橫截面）上承受的拉力Q0是工作載荷，Q與剩余鎖緊力QS’之和，即Q0=Q+QS’（2-9）Q==(*D*D/4)/Z*P1P—為缸蓋所受的合成液壓力（公斤），Z為螺釘數目：Z=*D0/t1,D0為螺釘中心所在圓的直徑（毫米），t1為螺釘間距，當工作壓力在5～15公斤/厘米2時，t<150mm;P1為油缸內油液工作壓力（公斤/厘米2）；QS’—剩余鎖緊力，對于要求緊密性的聯(lián)接，取QS’=K*QK=1.5～1.8因此螺釘的強度條件為合Q0/（*d1*d1/4）=Q0/（*d1*d1）≤[]L(公斤/厘米2)或d1=(5.2*Q0/[]L)1/2(厘米)（2-10）式中：[]L—許用拉應力[]L=S/n(公斤/厘米2)S為螺釘材料的流動極限，n為安全系數，n=1.2~2.5,取n=1.5，d1為螺紋內徑表2-1螺釘材料屈服極限鋼號10A2A3354540CrSMPa210022002400320036006500—9000由上選夾緊缸螺釘材料為35號鋼，則：[]L=S/n=3200/1.5=2133.33(公斤/厘米2)Z=*D0/t1×60/60=3.14所以Z取4。Q0=Q+QS’=Q+KQ,Q0=(*D*D/4)/Z*P1(*D*D/4)/Z*P1××2*10/(4×4)=50.24(公斤)d1≥(5.2*Q0/[]L)1/2=0.1975（厘米）則取夾緊缸蓋螺釘直徑為2mm數目為4個。d手指夾緊缸流量的計算當壓力油壓入無桿腔使活塞以速度V1而運動時所需輸入油缸流量為Q1，Q1=/40*D2*V1(2-11)D—油缸內徑（即活塞直徑）厘米Q1—輸入無桿腔流量（升/分）V1—活塞移動速度（米/分）因夾緊缸行程由前分析可知為20mm，故夾緊缸活塞夾緊速度V即活塞移動速度可取為V1=0.6（米/分）（10mm/s）Q1=/40×2×（升/分）當壓力油壓入有桿腔使活塞以速度V2而運動時所需輸入油缸流量為Q2，Q2=/40*(D2-d2)*V2(2-12)D—油缸內徑d—活塞直徑,由設計可知當壓力油進入夾緊缸有桿腔時為手指松開，故其速度可取大些，由行程20mm可取V2=0.9（米/分）經考慮本次設計省略腕部設計，便于設計簡單，使成本降低，達到更好的經濟效益。第三章手臂的設計手臂的設計通常是先進行粗略的估算,或類比同類結構,根據運動參數初步確定有關機構的主要尺寸,在進行校核計算,修正設計,如此反復數次,繪出最終的結構.手臂設計的要求有以下四點：剛度要大，導向性要好，偏重力矩要小，運動要平穩(wěn)精度要高，根據所設計題目選取圓柱坐標型機器手，其臂部具有回轉，升降，伸縮自由度，回轉運動通過齒條缸驅動齒輪回轉來實現，升降與伸縮分別用升降油缸和伸縮油缸驅動。3.1手臂作升降運動的液壓缸驅動力計算根據液壓缸運動時所需要克服的摩擦、回油背壓及慣性等幾個方面的阻力，來確定液壓缸所需的驅動力。液壓缸活塞的驅動力的計算(3-1)式中——摩擦阻力。EQ——密封裝置處的摩擦阻力。——液壓缸回油腔低壓油液所造成的阻力?！獑踊蛘咧苿訒r，活塞桿所受的平均慣性。G——零部件及工件所受的總重力。a)的計算=Gf(3-2)G=G物+G手臂N其中那么根據式(3-2)可求出=Gf=0.16=N b)的計算=(3-3)活塞與活塞桿處都采用“O”形密封圈，液壓缸密封處的總摩擦力為：(3-4)(3-5)式中F——驅動力P——工作壓力（Pa）d——伸縮油管的直徑(m)l——密封的有效長度（m）為了保證“O”形密封圈裝入密封溝槽，并與配合件接觸后起到嚴格的密封，在加工密封溝槽時考慮密封圈的預壓縮量(3-6)(3-7)設計時取K=0.1初步擬訂=0.6mmd=5mm那么根據式(3-6)可求出mm又根據式(3-7)求出=求出以上2個結果后，可根據式(3-5)求出=82.111pac)的計算(3-8)式中——參與運動的零部件所受的總重力（包括工件重量）g——重力加速度，取9.81——由靜止加速到常速的變化量———0.5s，對輕載低速運動部件取較小值，對重載取較大值初步設計時取=0.1m/s取SG=G物+G手臂N那么=Nd)的計算一般背壓阻力較小，可按=F計算。e)驅動力的確定根據以上分析，結合式(3-1)可知：=++++=N3.2確定液壓缸的結構尺寸3.液壓缸內徑的計算如圖3-1圖3-1雙作用液壓缸示意圖當油進入無桿腔時：當油進入有桿腔時：F1,F2—壓力油分別進入無桿腔，有桿腔時的推力；P1,P2—高壓腔，回壓腔的壓強；液壓缸的有效面積：=D2/4故有：（無桿腔）(3-9)（有桿腔）(3-10)式中F——驅動力（N）——液壓缸的工作壓力（pa）d——活塞桿的直徑（m）D——液壓缸的直徑（m）——液壓缸的機械效率。初步設計中取機械效率為0.85。取工作壓力為P1=1MPa代入已求得的F值可得D=m根據表（3-1）81012162025324050638090100110125140160180200220×取標準直徑：d=63mmD=100mm由于在手臂上下移動時需做低速進給運動，故在確定油缸活塞面積S之后還必須按最低進給速度驗算油缸尺寸，即應保證油缸的有效工作面積S為：S≥Qmin/Vmin(cm2)Qmin—流量閥最小穩(wěn)定流量，在此取調速閥最小穩(wěn)定流量為50mL/minVmin—活塞最低進給速度，本設計去20m/minS=*D*D/4=2又Qmin/Vmin=50/2=25cm2,所以S>Qmin/Vmin,驗算能滿足活塞最小穩(wěn)定速度。3.液壓缸壁厚計算a中等壁厚：即16＞(3-11)式中P——液壓缸內工作壓力——強度系數（當為無縫鋼管時＝１）Ｃ——計入管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標準壁厚值Ｄ——液壓缸內徑（m）b薄壁：即16時(3-12)c厚壁：即當(3-13)式中——材料抗拉強度n——安全系數，n=3.5~5一般常用缸體材料的許用應力［］鍛綱［］=110~120MPa鑄鐵［］=60MPa無縫鋼管［］=100~110MPa通過以上分析選厚壁，缸體材料無縫鋼管［］=100~110Mpa因此根據式(3-13)可計算出壁厚為m缸蓋螺釘的計算缸蓋的受力為保證聯(lián)接的緊密性,必須規(guī)定螺釘的間距t，然后決定螺釘的數目.每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷和預緊力之和=+式中F——驅動力（N）Z——螺釘數目P——工作壓力（pa）——預緊力=KD——危險剖面直徑(m)螺釘的強度條件為(3-13)式中——計算載荷（N）;抗拉許用應力(MPa)——螺紋內徑——螺釘材料屈服極限（見表3-1）查表2-1根據以上分析取螺釘數目Z=8選擇剛的材料為Q235=240MPa所以=MPa=2512N=K=2512=3768NFQiQ=1.3(FQ+)所以根據式（3-13）m第四章手臂回轉液壓缸的設計4.1手臂回轉時所需要的驅動力矩采用回轉液壓缸實現手臂回轉運動時，其受力情況可簡化成圖4-1圖4-1手臂運動時的受力簡圖驅動手臂回轉的力矩，應該與手臂起動時所產生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦力矩相平衡。（4-1）式中——密封裝置處的摩擦力矩（N·M）（4-2）（4-3）式中——回轉缸動片的角速度變化量（），在起動過程中=——起動過程的時間——手臂回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為，則（4-4）式中——回轉零件對重心軸線的轉動慣量——回轉缸回油腔的背壓反力矩（4-5）初定b=5cmR=4cmr=2cm=0.5cm所以=3mm===2+13.5=15.5工件轉動慣量：根據圓柱體的轉動慣量計算公式：(4-6)平行軸定理：(4-7)已知：m=36m代入上式（4-6）和式（4-7）可得：24N·m24+3×=N·m夾緊缸的轉動慣量：根據空心圓柱轉動慣量計算公式：(4-8)已知：m代入式(4-8)和（4-7）可得：=0.01N·m=0.01+=1.691N·m由以上分析可得手臂包括工件對回轉軸線的轉動慣量==N·m根據式(4-3)取=0.1可得=又根據式（4-1）=+15.5+30=N·m如圖4-2所示回轉液壓缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力，即驅動力矩。圖4-2回轉液壓缸計算圖（4-9）根據（4-10）式中D——回轉缸內徑（m）——作用在動片的外載荷力矩(N·m)P——回轉缸工作壓力（pa）d——輸出軸與共片聯(lián)接處的直徑（m）初步設計時按—b——動片寬度（m）為減少動片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇選片寬度（及液壓缸寬度）時，可選用D——回轉液壓缸內徑（m）根據以上分析以及式（4-10）可得==m根據表3-1選取內徑D=160因為采用平鍵鏈接，所以根據《機械零件設計手冊》選得鍵為I型平鍵GB1096—72其尺寸如下：b=24mm,h=14,L=60~250mm,其形狀如圖4-2所示。缸蓋聯(lián)接螺釘和動片聯(lián)接螺釘計算缸蓋聯(lián)接螺釘計算缸蓋與回轉液壓缸的缸體用螺釘聯(lián)接時，其螺釘的強度計算方法與伸縮液壓缸缸蓋螺釘強度計算方法相同。mm動片與輸出軸聯(lián)接螺釘計算動片與輸出軸用螺釘聯(lián)接，其結構簡圖如圖4-3。聯(lián)接螺釘一般為偶數，對稱地安裝，并用兩個銷釘定位。聯(lián)接螺釘的作用是：使動片與輸出軸的配合面緊密接觸不留間隙，當油腔通高壓油時，動片受油壓作用，產生一個合成液壓力矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩。圖4-3動片與輸出軸連接方式及動片受力圖根據動片所受力矩的平衡條件，有：于是得（4-11）式中——每個螺釘的預緊力——動片的寬度——回轉液壓缸的工作壓力——動片外徑——動片與輸出軸配合處直徑——螺釘數目——被聯(lián)接件配合面間的摩擦系數，剛對剛取螺釘的強度條件為（4-12）式中d——螺釘的底徑——計算載荷，——螺釘材料的許用應力，見表3-1選取材料Ｑ235=240MPapa，結合以上章節(jié)所計算出的結果，根據式（4-11）和（4-12）可得螺釘的底徑mm許用彎曲應力的計算：由彎矩產生的彎曲應力應有以下關系式：，由材料力學可得到：（4-13）式中——回轉缸扭轉時的當量彎矩（）；——花鍵軸截面抗扭系數，查機械設計得（漸開線花鍵軸）；又（4-14）式中——根據該換轉缸性質而定的應力校正系數，??；——回轉時產生的扭矩；則有因此=W=/32*d33×10-6（m2）×10-6pa≦60MPa故設計滿足要求！花鍵剪應力的計算又由于花鍵軸在徑向受到抗扭矩的作用且作用在花鍵最小截面上產生最大剪應力，即（4-15）式中—作用在花鍵最小截面上產生的最大剪應力—螺釘數目；—螺釘寬度；則有：所以故設計合理！第五章液壓驅動系統(tǒng)機械手驅動系統(tǒng)的選擇各類驅動系統(tǒng)的特點。a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)慣量比大,快速響應高,易于實現直接驅動等特點,適用于承載能力大,慣性大以及在防爆環(huán)境中工作的機械手。b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,小負載的系統(tǒng)中，但難于實現伺服控制,多用于程序控制的機械手中。如在上,下料和沖壓機械手中應用較多。c電動驅動系統(tǒng)由于低慣量,大轉矩的交,直流伺服電機及配套的伺服驅動器(交流變頻器,支流脈沖調制器)的廣泛采用,這類驅動系統(tǒng)在機械手中被大量選用。工業(yè)機械手驅動系統(tǒng)的選擇原則設計機械手時,選擇哪一類驅動系統(tǒng),要根據機械手的用途,作業(yè)要求,機械手的性能,規(guī)范,控制功能,維護的復雜程度,運行的功耗,性能與價格比以及現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,綜合上述各因數,充分論證其合理性,可行性,經濟性及可靠性后進行最終的選擇。一般情況下機械手驅動系統(tǒng)的選擇大致按如下原則:a物料搬運(包括上，下料）用有限點位控制的程序控制機械手，重負載的可選用液壓驅動系統(tǒng)，中等負載的可選用電動驅動系統(tǒng)，中等負載的選用電動驅動系統(tǒng)，輕負載的可選用氣動驅動系統(tǒng)。沖壓機械手用氣動系統(tǒng)。b用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機械手，要求具有任意電位和軌跡控制功能，需采用伺服驅動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動驅動系統(tǒng)才能滿足要求。5.2液壓驅動系統(tǒng)液壓系統(tǒng)自60年代初到現在，已在機械手中獲得廣泛應用．目前，雖在中等負載以下的機械手中有采用電機驅動系統(tǒng)，但在簡易經濟型，重型的工業(yè)機械手和噴涂作業(yè)的機械手中采用液壓系統(tǒng)的任然占有較大比例。液壓系統(tǒng)在機械手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，進而控制機械的手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構多數情況下采用直線液壓缸或擺動液壓缸．用于實現手臂的伸縮升降以及手腕，手臂的回轉。程序控制機械手的液壓系統(tǒng)這類機械手屬非伺服控制機械手，在只有簡單搬運作業(yè)功能的機械手中，常常采用簡易的邏輯控制裝置或編程控制，對機械手實現有限位的控制．這類機械手的液壓系統(tǒng)設計與其它液壓機械設計所考慮的問題大致相同，只有在以下方面須加以重視。a液壓缸設計：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減少摩擦阻力，提高液壓缸的壽命．b定位點的緩沖與制動：因機械手手臂的運動慣量較大，在定位點前要加緩沖與制動機構或縮緊裝置．c對慣性較大的運動軸和接近機械手末端的腕部運動軸的液壓缸兩側，最好加設安全保護裝置，防止因碰撞過載損壞機械結構．液壓系統(tǒng)傳動方案的確定.1各液壓缸的換向回路為便于機械手的自動控制，如采用可編程序控制器或微機進行控制，系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此一般都選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化程度和經濟效益.液壓機械手一般采用單泵或雙泵供油，手臂伸縮，手臂俯仰和手臂旋轉等機構采用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不干擾，實現同步或非同步運動，換向閥需采用中位“O”型換向閥。.2調速方案整個液壓系統(tǒng)只用單泵或雙泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用液壓泵的全流量工作是無法滿足設計要求的。盡管有的液壓缸是單一速度工作，但也需要進行節(jié)流調速，用以保證液壓缸運行的平穩(wěn)運行。各缸可選擇進油路或回油路節(jié)流調速，因為系統(tǒng)為中底系統(tǒng)，一般適宜選用節(jié)流閥調速。機械手的手臂伸縮和手臂俯仰或升降缸采用兩個單向節(jié)流閥來實現，若只用一節(jié)流閥調速時，則進油達到最大允許速度來調節(jié)。當無桿腔進油時，其速度就少于最大允許速度，但仍然符合設計需求。在一般情況下，機械手的各個部位是分別動作的，手腕回轉缸和手臂回轉缸（或升降）所需的流量較為接近，手腕回轉缸和手臂回轉缸及夾緊缸所需流量較為接近，且它們兩組缸所需的流量相差較大，這樣不但可以選擇單泵供油系統(tǒng)，也可選擇雙泵供油系統(tǒng)。單泵供油系統(tǒng)要以所有液壓缸中需流量最大的來選擇泵的流量。。雙泵供油系統(tǒng),它在需要大流量動作的缸運動時,雙泵同時為其供油,在需小流量動作液壓缸運動時,則用小流量泵供油,而大流量泵低壓卸荷。雙泵供油系統(tǒng)避免了溢流損失過大,而且可以用雙聯(lián)泵代替雙泵,其優(yōu)缺點與單泵供油系統(tǒng)相反。.3減速緩沖回路通用工業(yè)機械手要求可變行程,它是由微機控制,可在行程中任意點定位,故應在液壓系統(tǒng)中采用緩沖裝置,形成緩沖回路。當液壓缸運動快到希望點時,由位置檢測檢測裝置(電位器)發(fā)訊號給微機,然后微機控制電磁鐵通電切斷二位二通閥的通路,液壓缸的回路改經節(jié)流閥回油箱,增大了回油路的阻力,使液壓缸速度減慢,防止沖擊達到緩沖目的,這種回路也適用于擺動缸。也可以在油路中設置單向行程節(jié)化程度和通用性方面不如上述方案。.4系統(tǒng)安全可靠性手臂俯仰缸（或手臂升降缸）在系統(tǒng)失壓情況下會自由下落或超速下行，所以應在回路中增加平衡回路，方法可用單向順序閥做平衡閥。手臂伸縮缸有俯仰狀態(tài)時，亦應同樣考慮。夾緊缸在夾緊工件時，為防止失電等意外情況，應加鎖緊保壓回路。為防止夾緊缸壓力受系統(tǒng)壓力波動的影響或過高，導致夾緊力過大損壞工件，或過低無法夾緊工件，造成意外的安全事故，需在油路上增加減壓閥保證夾緊缸的壓力恒定不變。.5液壓系統(tǒng)的合成和完善在上述主要液壓回路選好后，在配上其他功用的輔助油路（如卸荷，測壓等油路），就可以進行合并，完善為整體的液壓系統(tǒng)，并編制液壓系統(tǒng)動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表。5.3計算和選擇液壓元件液壓泵.1計算液壓泵的工作壓力泵的工作壓力是所有液壓缸中工作壓力最大者與泵至該液壓缸的全部壓力損失之和即：（5-1）式中—系統(tǒng)工作壓力；—執(zhí)行元件的工作壓力；—系統(tǒng)工作時的壓力，包括直管中的沿程阻力損失和管道各種閥，管接頭處的局部阻力損失.2計算液壓泵的流量液壓泵的流量確定，應考慮到執(zhí)行元件的工作情況，當工作循環(huán)中只有一個執(zhí)行元件工作時，為了保證其最大工作速度和考慮到系統(tǒng)的泄漏，液壓泵的流量應大于最大速度所需的流量，當工作循環(huán)中有幾個執(zhí)行元件同時工作時，即進行復合運動時，液壓泵的流量應大于復合運動作執(zhí)行元件所需的流量，并考慮到系統(tǒng)的泄漏。當流量的波動范圍不大時，液壓泵流量按下式選?。菏街小幸簤焊字兴枇髁孔畲蟮牧髁俊孤┱鬯阆禂担话惝斄髁康牟▌臃秶艽髸r，最好采用蓄能器的系統(tǒng)中，液壓泵的供油量可根據系統(tǒng)在一個工作循環(huán)中的平均流量來選取。.3選擇液壓缸的規(guī)格參考設計手冊或產品樣本，選取其額定壓力比高20%~60%，其流量與上述計算一致的液壓泵。.4計算功率,選用電動機按工況圖找出所有缸N-t圖最高功率點的對應的（計算值）和泵的額定流量的乘積，然后除以泵的總效率(5-2)根據以上分析：工作壓力，估算流量：=35.16L/min根據計算出的流量查《液壓件使用與維修技術大全》選CB-B40，CB-B型齒輪泵為無側板型，它是三片機構的中低壓齒輪泵，因結構簡單，它不能承受較高的壓力和轉速。n=1450r/min容積效率V≥94%取泵的總效率為，則：=KW根據此數值選Y100L1-4型電動機，額定功率為2.2KW。選擇液壓控制閥壓力閥根據工作壓力和通過的最大流量等因素來選擇或設計；流量閥根據工作壓力，通過的最大流量和最小穩(wěn)定流量等問題因素來選擇或設計；方向閥根據工作壓力，最大流量和所要求的滑閥機能等因素來選擇或設計?？刂崎y的額定流量必須與實際通過的流量相適應，若額定同流量過小，則會因能量損失過大而引起系統(tǒng)發(fā)熱，或因流速過高而產生嚴重的噪聲，若額定流量過大則閥的結構尺寸過大，而使系統(tǒng)過于龐大，閥的最大通流量不應超過其額定值的20%。選擇液壓輔助元件a濾油器按泵的最大流量選取流量大些的濾油器b油管和管接頭油管和管接頭的通徑按與閥一致來選取c油箱體積油箱容量與系統(tǒng)的流量有關，其容量的大小可從散熱角度來設計．計算出系統(tǒng)發(fā)熱量與散熱量，在考慮冷卻散熱后，從熱平衡角度計算出油箱容箱。一般式中——液壓泵的額定流量——油箱的有效容積——與系統(tǒng)壓力有關的經驗數字擬定液壓系統(tǒng).1換向回路夾緊缸換向選用二位二通電磁閥，其它缸全部選用O型三位四通電磁換向閥．選電磁閥便于微機控制，選中位為O型使定位準確．如圖5-1圖5-1換向回路.2調速方案本系統(tǒng)功率較小，故選簡單的進油路節(jié)流閥調速．同樣理由選用單泵供油，力求獲得較好的經濟性。如圖5-2圖5-2進油節(jié)流調速方案.3系統(tǒng)的安全可靠性為防止伸縮缸在俯仰一定角度后自由下滑，都采用單向順序閥來平衡，如圖5-3圖5-3液壓防滑保護回路為保證夾緊缸夾持工作的可靠性選用液控單向閥保壓和鎖緊，如圖5-4圖5-4夾緊缸保壓回路.4合成并完善液壓系統(tǒng)合成后的液壓系統(tǒng)圖如圖5-5壓力繼電器在夾緊工件后發(fā)訊，讓微機控制其他缸開始動作。二位二通電磁換向閥用于系統(tǒng)卸荷。

圖5-5機械手液壓系統(tǒng)原理圖根據動作要求編制液壓動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表，如表5-1所示。表5-1液壓系統(tǒng)動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表動作循環(huán)電磁鐵1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA手臂伸縮伸出伸出緩沖縮回縮回緩沖++++++手臂回轉正轉正轉緩沖反轉反轉緩沖++++++夾緊夾緊松開+原位卸荷+該系統(tǒng)的元件型號如表5-2表5-2元件型號及規(guī)格序號元件名稱型號規(guī)格數量1粗濾油器XU-I40X100250N40L12精濾油器XU-I40X1000250N40L13電動機Y100L-4P=2.2KWn=1450r/min14單泵CB-B252.5MPa25L/Min15溢流閥P-B25B2.5MPa12mm16電磁換向閥22D-25B2.5MPa12mm17壓力表開關P-6B18壓力表Y-6019單向閥QI-25B6.3MPa12mm110節(jié)流閥L-25B6.3MPa12mm511電磁換向閥22D-25BH6.3MPa12mm112單向順序閥XI-B25B6.3MPa12mm113電磁換向閥34D-25BH6.3MPa12mm114電磁換向閥34D-25BH6.3MPa12mm115電磁換向閥22D-25BH6.3MPa12mm116減壓閥J-10B6.3MPa117電磁換向閥23D-10B6.3MPa12mm118壓力繼電器DP1-63B1第六章機械手傳感器設計所謂傳感器，就是指檢測被測物體帶有何種信息的儀器。再具體的說，傳感器是這樣一種儀器，它能夠代替人的五感（視，聽，嗅，味，觸），還能夠檢測人的五感所不能感覺到的現象（如紅外線等電磁波能量小的超聲波）等，就是說能夠檢測遠遠超出人五感范圍的能量現象。6.2傳感器的分類及對它的一般要求傳感器的分類傳感器是知識密集，技術密集的行業(yè)，它與許多學科都有關，它的種類十分繁多，為了更好地掌握它，應用它，需要有一個科學的分類方法。按傳感器的工作機理可分為物理型，化學型，生物型等；按構成原理可分為結構型和物理型兩大類；根據傳感器的能量轉換情況可分為能量控制型傳感器和能量轉換型傳感器；按照物理原理可分為：a電參量式傳感器b磁電式傳感器c壓電式傳感器d光電式傳感器e氣電式傳感器f熱電式傳感器g波式傳感器h射線式傳感器i半導體式傳感器j其他原理的傳感器等；按照傳感器的用途來分可分為：a位移傳感器b壓力傳感器c振動傳感器d溫度傳感器等；根據輸出信號可分為：a模擬傳感器b數字傳感器根據轉換過程可逆與否可分為：a雙向傳感器b單向傳感器。傳感器的一般要求各種傳感器由于原理，結構不同，使用環(huán)境，條件，目的不同，其技術指標也不可能相同，但是有一些一般要求去基本上是共同的?？煽啃裕混o態(tài)精度；動態(tài)性能；量程；抗干擾能力；通用性；輪廓尺寸；成本；能耗；對被測對象的影響。6.3傳感器的防噪聲措施.噪聲（人為噪聲和自然噪聲）目前，難對付的人為噪聲，一般有以下幾種：①輸出配電線的感應（一般叫交流聲）；②電動機電刷放電；③開關接點的瞬態(tài)現象放電；④汽車火花塞配電器放電；⑤廣播電波等。.剔除噪聲措施：⑴剔除混入傳感器電路中的噪聲，一般可以從以下兩點來考慮：①設法防止噪聲混入②用適當的方法剔除混入的噪聲⑵基本設計方法①屏蔽：靜電感應，靜電屏蔽，電磁感應；②屏蔽線與地線；③噪聲濾波器。6.4傳感器的選擇根據設計要求只需選壓力傳感器（壓力表）和接近傳感器兩個傳感器，但是壓力傳感器在上面第五章已選定，所以在這章我只需選接近傳感器。根據設計需要我選擇AS636型接近傳感器原理當鐵鎳等磁性金屬接近AS636型接近傳感器時，則線圈的容量發(fā)生變化，這種變化可轉換為電壓輸出從而達到檢測接近金屬的目的技術指標①輸出電壓：<9V；②工作電壓：5.4～7.5V；③工作溫度-30°C~70°C;④儲存溫度-30°C～80°C；⑤高電平：（VVC=7.5V）>4.5V；⑥低電平：（距離1.6mm）<3V;⑦輸出電流：<1mA；⑧響應頻率：<100HZ.特點EUH—AS636接近傳感器是無觸電形式，它有壽命長，可靠性高等特點，在導程間斷處，孔洞等情況下不必用磁鐵，它可用于汽車辦公機械和機械自動控制。第七章電氣控制系統(tǒng)7.1電氣控制系統(tǒng)簡介工業(yè)機械手的電氣控制系統(tǒng)相當于人的大腦，它指揮機械手的動作，并協(xié)調機械手與生產系統(tǒng)之間的關系。機械手的工作順序，應達到的位置，如手臂上下移動，伸縮，回轉及擺動，手腕上下，左右擺動和回轉，手指的開閉動作，以及各個動作的時間，速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運動部件沿各坐標軸的動作按照預先整定好的程序來實現的。一般機械設備的控制系統(tǒng)，多著眼于自身運動的控制，而機械手的控制系統(tǒng)更注意本部與操作對象的關系。因此，對于機械手的控制系統(tǒng)來說，無論多么高級的系統(tǒng)，如果不能按置，都是毫無意義的?？刂葡到y(tǒng)的結構一般分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩種．閉環(huán)控制系統(tǒng)也叫反饋控制系統(tǒng)，是一種不斷把給定值和各控制量進行比較，使其偏差為零的控制系統(tǒng)。而開環(huán)控制系統(tǒng)，即使有局部的小的閉環(huán)存在，但主要控制量是不用反饋控制的。對比兩者，通常閉環(huán)系統(tǒng)的抵抗外部干擾和系統(tǒng)中主要單元的特性變化和能力強，而開環(huán)系統(tǒng)較弱。機械手的閉環(huán)系統(tǒng)控制受各種因素的影響，如外部負荷力，活動部分的內部摩擦，伺服閥的漂移，滯后，比較儀，伺服放大器的漂移，隨動系統(tǒng)的粘滯性摩擦，反向電動勢的影響等導致閉環(huán)控制系統(tǒng)產生靜態(tài)誤差。因而閉環(huán)控制的精度和定位時間等控制性能也有一定限度，要超過閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制性能的界限必須采用由最佳控制理論所規(guī)定的控制結構，其中有時采用開環(huán)控制。因此要提高機械手的性能，應不局限于開環(huán)或閉環(huán)的系統(tǒng)而吸收兩者之長。運動控制方式有點位控制和連續(xù)控制兩種。點位控制方式就是由點到點的控制方式，只對機械手運動部件（手腕、臂）所應到達空間點的定位進行控制，而對兩個定位點之間的運動軌跡則不加控制。這種方式可達到較高的重復定位精度。點位控制又分為兩點控制和多點控制兩種。如果機械手抓取和放置工件的位置都是準確而固定的，如上下料專用機械手，可由擋塊，行程開關等來定位，采用起點的終點的“兩點控制方式”。通用工業(yè)機械手則要求多點定位，而且要經常更換設定位置，這時一般裝有位置檢測器作為運動位置的反饋，即采用“多點式控制”。兩點的點位控制可用普通的繼電器控制線路實現，多點式的點位控制則常常采用繼電器順序控制器，可編程序控制器和微機控制系統(tǒng)等。機械手的電氣控制的控制動作（順序）機械手采用時間繼電器實現自動程序動作，機械手的原始位置是手臂豎立，手指松開，兩手指在水平位置。順序是：手臂第一次下降—手指夾緊工件—手臂第一次上升—手臂正轉—手臂的二次下降—手指放松（工件放到指定點）—手臂第二次上升—手臂反轉到原點。圖7-1步進控制工作流程圖機械手的電氣控制原理圖如上述原理圖：機械手可以手動以進行調整工作，亦能按程序自動工作，由開關S2選擇。在機械手進行調整和自動工作之前，先啟動油泵電機，過程如下：按下啟動按鈕SB2，使交流接觸器C’通電，其常開觸點C’閉合，進行自鎖和將油泵電機電路接通，油泵電機回轉帶動油泵向液壓系統(tǒng)供油，SB1是油泵電機停止按鈕。如開關S2擲于手動位置，分別按下啟動按鈕SB5~SB12,使換向閥的電磁鐵1DT~8DT,分別通電控制機械手各油缸動作。如開關S2擲于自動位置，機械手就能按程序自動工作，其自動循環(huán)過程如下：（以一個一般搬移工件為例）按下啟動按鈕SB4，中間繼電器K1得電，K1常開觸點閉合，時間繼電器KT1通電并延時，同時KM1常開觸點閉合，使1DT通電，手臂第一次下降。當K