[机械毕业设计论文]平衡臂机械手的设计之PLC逻辑顺序控制和液压系统设计说明书

1、 平衡臂机械手的设计之plc逻辑顺序控制和液压系统设计目录 1abstract.1摘 要1第 一 章 前 言41.1工业机器人41.1.1工业机器人简介41.1.2世界机器人的发展41.1.3我国工业机器人的发展51.2工业机械手61.2.1简史61.2.2应用简况71.2.3国内外机械人发展趋势71.3机械手的组成和分类91.3.1机械手的组成91.3.2机械手的分类111.4本课题研究的主要内容及意义111.4.1 课题 七杆二自由度机械手设计内容及基本要求111.4.2重点研究的问题：111.4.3 本次设计的意义11第 二 章 机械手机械结构的设计计算122.1 机械手机构的分析与设计

2、- 12 -2.1.1机械手的自由度- 12 -2.1.2坐标形式- 13 -2.1.3机械手的机构简图以及部件尺寸- 13 -2.1.4机械手总体方案的比较15第 三 章 平衡臂机械手总体设计方案153.1 机械手总体系统的设计153.2液压机械手液压系统的工作原理153.3液压系统的组成原理163.4液压传动机械手的特点16如需要图纸等资料，联系qq1961660126研究成果的严肃态度以及向读者提供有关信息的出处，正文之后一般应列出参考文献表引文应以原始文献和第一手资料为原则。所有引用别人的观点或文字，无论曾否发表，无论是纸质或电子版，都必须注明出处或加以注释。凡转引文献资料，应如实说明

3、。对已有学术成果的介绍、评论、引用和注释，应力求客观、公允、准确。伪注、伪造、篡改文献和数据等，均属学术不端行为致谢一项科研成果或技术创新,往往不是独自一人可以完成的,还需要各方面的人力,财力,物力的支持和帮助.因此,在许多论文的末尾都列有致谢1) 著录参考文献可以反映论文作者的科学态度和论文具有真实、广泛的科学依据，也反映出该论文的起点和深度。2) 著录参考文献能方便地把论文作者的成果与前人的成果区别开来。3) 著录参考文献能起索引作用。4) 著录参考文献有利于节省论文篇幅。01 brown, h. d. teaching by principles: an interactive appr

4、oach to language pedagogym. prentice hall regents, 1994.02 brown, j set al. situated cognition and the culture of learningj. educational reasercher, 1, 1989.03 chris, dede. the evolution of constructivist learning envi-ronments: immersion in distributed virtual worldsj. ed-ucational technology, sept

5、-oct, 1995.学位申请者如果能通过规定的课程考试，而论文的审查和答辩合格，那么就给予学位。如果说学位申请者的课程考试通过了，但论文在答辩时被评为不合格，那么就不会授予他学位。有资格申请学位并为申请学位所写的那篇毕业论文就称为学位论文，学士学位论文。学士学位论文既如需要图纸等资料，联系qq1961660126是学位论文又是毕业论文中华人民共和国国家标准vdc 001.81、cb 7713-87号文件给学术论文的定义为：学术论文是某一学术课题在实验性、理论性或观测性上具有新的科学研究成果或创新见解的知识和科现象、制定新理论的一种手段，旧的科学理论就必然会不断地为新理论推翻。”（斯蒂芬梅森）

6、因此，没有创造性，学术论文就没有科学价值。三、创造性学术论文在形式上是属于议论文的，但它与一般议论文不同，它必须是有自己的理论系统的，不能只是材料的罗列，应对大量的事实、材料进行分析、研究，使感性认识上升到理性认识。一般来说，学术论文具有论证色彩，或具有论辩色彩。论文的内容必须符合历史唯物主义和唯物辩证法，符合“实事求是”、“有的放矢”、“既分析又综合” 的科学研究方法。一般普通刊物（省级、国家级）审核时间为一周，高质量的杂志，审核时间为14-20天。核心期刊审核时间一般为4个月，须经过初审、复审、终审三道程序。3.期刊的级别问题。国家没有对期刊进行级别划分。但各单位一般根据期刊的主管单位的级

7、别来对期刊划为省级期刊和国家级期刊。省级期刊主管单位是省级单位。国家级期刊主管单位是国家部门或直属部门。如需要图纸等资料，联系qq19616601263.5机械手的动作顺序173.6平衡臂机械手总体布局方案的确定18第 四 章 液压系统的设计184.1 液压系统控制回路的比较选择184.2 液压系统工作原理图204.3 液压系统执行元件的比较选择214.4液压系统动力装置的计算选择224.4.1大臂上双作用活塞式油缸的流量计算及驱动泵的要求224.4.2带动手部夹紧油缸的流量计算及驱动泵的要求234.4.3水平伸缩油缸的流量计算及驱动泵的要求244.2.4驱动泵和驱动电机的选择264.5液压系

8、统控制装置的计算选择264.6液压系统辅助装置的计算选择274.7集中配置液压装置284.7.1液压泵站的集成配置294.7.2液压控制装置的集成配置29第 五 章 plc控制回路的设计315.1电磁铁动作顺序315.2电气控制原理图325.3现场器件与plc内部等效继电器对照表355.4 plc与现场器件的实际连接图365.5梯形图375.6指令程序38结束语.42参考文献.43平衡臂机械手的设计之plc逻辑顺序控制和液压系统设计摘要：本次设计的液压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

9、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。本设计拟开发的上料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：机械手、液压、控制回路、plcthe design of t

10、he 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

11、 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 colum

12、n 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

13、 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

14、，and can grasp the larger workpieces .keywords manipulator 、hydraulic、control loop 、plc第 一 章 前 言1.1 工业机器人1.11工业机器人简介几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯（taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃

15、在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续 工作、精确度高、

16、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工 业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 1.1.2世界机器人的发展国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：（1）. 工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。（3）工业机器人控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展

17、，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即

18、遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.1.3 我国工业机器人的发展有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展

19、做出卓越的贡献。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的

20、国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉

21、等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.2工业机械手工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已经成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能操作必要的机具进行

22、焊接和装配。从而大大得改善人工的劳动条件，显著得提高劳动生产效率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温，高压，粉尘，噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械，记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子，军事工业

23、，先是通过操作机来完成特顶的作业，后来发展到用无线电寻好操作机械手来进行月球的探测等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要负数于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为mechanical hand，它是为主机服务的，有主机驱动；除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。1.2.1简史机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。她的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制一台数控示教再现型机械手。商名为unima

24、te（即万能自动）。同年，美国机械铸造公司也实验成功一种叫versatrap机械手，原意是灵活搬运。1978年美国unimate公司和斯坦福大学，麻省理工大学联合研制一种叫unnimation-viearm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业。到目前为止，日本是工业机械手发展最快，应用最多的国家。但是，目前的机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是减低成本和提高精度。第二代机械手设有微型电子计算机控制系统，具有视觉，触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手（机

25、器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统fms（flexible manufacturing system）和柔性制造单元fmc(flexible manufacturing cell)中重要的一环。1.2.2应用简况就国内机械工业，铁路 部门应用机械手的简况，介绍如下：热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了实现高效率和工作安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更加需要采用机械手操作冷加工方面 冷加工方面机械手主要采用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀

26、具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联结和重要手段。拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。 采用机械手进行装配更是目前研制的重点，国外已研究采用摄象机和里的传感装置和微型计算机联系在一起，能确定零件的方位，达到镶装的目的。1.2.3国内外机械人发展趋势在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，

27、第三代智能机器人也占有一定比重(占日本1998年安装台数的10%，销售额的36% )。 机械结构 以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的1/3。应3k和汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。cad , cam等技术己普遍用于设计、仿真和制造中。控制技术 大多采用32位cpu，控制轴数多达27轴，nc技术、离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。采用基于pc的开放结构的控制系统已成为一股潮流。驱动技术 80年代发展起来的ac伺服驱动已成为主流驱动技术应用于工业机器人中。新一代的伺服电机与基于微处理器的智能

28、伺服控制器相结合已由fanuc等公司开发并用于工业机器人中;在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。应用智能化的传感器 装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种以上传感器，有些机器人留了多种机器人接口。通用机器人编程语言 在abb公司的20多个型号产品中，采用了通用模块化语言rapid。最近美国机器人空间技术公司开发了robot script v.10通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器urc的win nt/95环境下。该语言易学易用，可用于各种开发环境，与大多数windows软件产品兼容。网络通讯方式 大部分机器人采用了ether网络通讯方式，占总量的41.3%，其他采

29、用rs-232, ra-422, rs-485等通讯接口。高速、高精度、多功能化 目前，最快的装配机器人最大合成速度为16. 5m/s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达80m/ s;而另一种并联结构的nc机器人，其位置重复精度达limo 90年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展。集成化与系统化 当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。随着计算

30、机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在fms, cims系统中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应“敏捷制造”(agile manufacturing)，满足多样化、个性化的需求，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人:其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动

31、喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距:在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球己安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一位客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而目质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推

32、进产业化进程。 我国的智能机器人和特种机器人在“86“计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人技术居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸锻，热

33、处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教型机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。更为主要的是将机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.3机械手的组成和分类1.3.1机械手的组成机械手主

34、要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。一、执 行 机 构（1）手部手部安装在手臂的前端，手臂的内孔装有传动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕、开闭手指。 机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。（2）手臂 手臂有无关节臂和有关节臂之分。目前采用的手臂几乎都是无关节臂。手臂的作用是引导手指准确得抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由读都需要精确的定位。（3）躯干躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。二、驱 动 系 统 驱动机构主要有四种：液压驱动、气体驱动、

35、电气驱动和机械驱动。其中以液压、气动用的最多，占90%以上；电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱实现传动。它的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。气动驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。尤其空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统的装有速度控制机构或缓冲减震机构。电器驱动都采用三相感应电机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直

36、线运动则用电机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。电气驱动的优点是动力源简单；维护、使用方便。一般只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可开，工作速度高，成本低；缺点是不易于调整。三、控 制 系 统机械手控制的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续诡计控制两种。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。程序的存储方式分为分离存储和集中存储两种。对于动作复杂的机械手（机械人），采用示教再现型控制系统。更复杂的机械手（机械人）则采用数

37、字控制系统、小型计算器或微处理机控制的系统。1.3.2机械手的分类一、按 用 途 分 类1. 专用机械手 专用机械手是专为一定设备服务的，简单、使用，目前在生产中运用的比较广泛。它一般只能完成一、二种特定的作业。如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序，适应多种作业的需要。2. 通用机械手 通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的。它能对不同物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动话装置。它的动作程序可以按照工作需要来改变，大概是采用顺序控制系统。通用机械手又分简易型、示教再现型和只能机械手、草中式机械手等几种。二、按控制型

38、式分类 1.点位控制型机械手点位控制型机械手的运动诡计是空间二个点之间的连接。控制点书越多，性能越好。它基本能满足于各种要求，结构简单。绝大部分机械手是点位控制型。2.连续轨迹控制型机械手这种机械手的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间中作极其复杂的动作。工作性能完善，但控制部分比较复杂。控制方式分为开关式和伺服式两种。1.4本课题研究的主要内容及意义1.4.1 课题 七杆二自由度机械手设计内容及基本要求设计一个机械手，用于工厂机床边抓取圆棒料和饼类零件，实现从地面到机床卡盘和从机床卡盘到地面的运动。最大活动半径 2m 最大活动高度 2m 回转活动范围 0360 最大抓取重量 40kg

39、 抓取规格 棒料120mm，盘类300mm动力：尽可能采用机械传动、电磁力或气动。必要时可以采用液压，但不宜使用高压液压设备。 工作量要求：1整套机械手图纸（含外构件、标准件汇总）（含电器图、plc图） 2使用说明书 3设计说明书 4英文翻译成汉文（5000字）1.4.2重点研究的问题： 机械、机构、机电一体化功能零部件；机械手、机械夹持、运动传递和动力传送。强电电控、弱电电控、弱电反馈、plc控制。1.4.3本次设计的意义本次设计的对象是湖南省湘潭江麓机械有限公司所设计制造的七杆机械手，主要是对此机械手进行实体改造。我们这次设计主要是针对此机械手，而且还要对机械手的整体布局及工作原理和过程做

40、一些介绍。在外型上，我们要解决的问题主要是我们设计出来的实体要和实物相同或相近。在大的方面，一个机械手可以分为大臂、小臂和手爪手腕等部分。而手腕部分是我们所重点要求的，对其中的每一个零件、部件及组合体的尺寸和形体都有严格的要求，因为江麓的机械手是有人力动作部分的，而且没有手腕，取而代之的是一个吊钩，为了将其改造成为可自动抓取的机械手，每个零件的配合都要很考究。而油路的布置也要合理。整体要整齐美观。机构实用且经济。- 46 -第 二 章 平衡臂机械手机械结构的设计计算2.1机械手机构的分析与设计2.1.1机械手的自由度 机械手要像人的手一样完成各种动作是比较困难的。因为人的手指、手长、手腕、手臂

41、由十九个关节所组成，并具有27个自由度，而生产实践中机械手不需要这么多自由度。下面按机械手所具有的主运动和辅助运动来分析其自由度。手臂和立柱的运动成为主运动，因为它们能改变抓取工件在空间的位置。手腕和手指的运动成为辅助运动，因为手腕的运动只能改变被抓取工件的方位，而手指的夹放运动不能改变工件的位置和方位，故它不计为自由度数，其他运动都算作自由度数。 这次参考了江麓机械厂的机械手，在确定了被抓取工件所在的空间位置，及将工件搬运到规定的位置时所需要的运动。得知我们改造的机械手包括了大臂的回转和升降两个运动，而将要设计的手腕的自由度仅仅是为了配合手臂完成工件的预定装卸方位要求加以增设的，故只算成两个

42、自由度。 图一由图可知，此机械手在xy平面内有回转运动，且在z方向和x方向有直线运动，故做出它的运动轨迹图，由于存在了安全工作区域，故选了300度旋转范围，如下： 图二自由度数多少是衡量机械手技术水平的指标之一，自由数越多，可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广，但是响应的带来了技术难度大，控制系统和机械结构复杂，机械手本身的体积和重量增加，成本高和维修困难。自由度少，通用性越差，但是技术上容易达到，结构简单，使用和维修方便。所以在此次设计中，二自由度已经足够，没有必要盲目的加入自由度。2.1.2坐标形式如一图所示的机械手，其手臂的运动由两个直线运动和一个回转所组成，即沿x轴的伸缩，

43、沿z轴的升降和绕z轴的回转。这种坐标型式的机械手成为圆柱坐标式机械手。它与指教坐标式相比较，占地面积大而活动范围大，结构较为简单，并能达到较高的定位精度，因此得到广泛的应用。2.1.3机械手的机构简图以及部件尺寸 图三在江麓机械厂的实地测绘，要进行改造的机械手机构简图如上图所示 。为一个七杆二自由度机械手。其各部件的尺寸如下：杆件一250mm杆件二1250mm杆件三250mm杆件四1250mm杆件五1250mm 此机械手的尺寸恰能满足回转半径1m3m和提升工件高度2m的要求，所以在这次设计过程中不做改动。由图一计算其他尺寸：图中虚线所示位置就是当机械手将工件举到最高时候的位置，实线所示的位置就

44、是机械手在地面高度抓取工件的位置。设计手臂在这两个位置时，杆件与水平所成的角度都为30。则ae长度等于250=125mm，bf长度也为125mm，bc长度等于bc=250=125mm，cc产度等于bc-bc=250-125=125mm，bb长度等于bc=250=216mm，所以确定aa等于ae+bf+bb=125+125+216=466mm。即为大臂升降油缸的行程取l=500mm。其工作高度即离地面高度为h=2458mm，其支撑点b离地面的高度h2=1708mm，其b点的高度为h3=1925mm。第 三 章 平衡臂机械手总体设计方案31机械手总体系统的设计综合考虑了几种驱动方式的优缺点，由于要

45、求的抓取重量较大（40公斤），生产节拍较长，为了得到较大的输出力和握力，还要求传动平稳，所以我们决定采用液压驱动的方式。3.2液压机械手液压系统的工作原理此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，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化成机械能。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的油掖的容积的多少。这种借助于酝酿动着的

46、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是属于容积式液压传动。 本次设计的液压机械手，相当于一台专用液压自动机械，由执行机构，液压系统、电气控制三大部分组成。液压传动系统概括如下：图四3.3液压系统的组成原理 由上图可知，液压系统由以下几个主要部分组成：1.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。2. 液动机 压力油驱动运动部分对外工作的部分。如：做回转运动的液压马达，做回转角度为360度的回转油缸，控制手臂伸缩的伸缩油缸。 3.控制调节装置 如单向阀、溢流阀、换向阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序

47、阀等。各起一定的作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所需要的运动。 4 辅助装置 如油箱、滤油器、蓄能器、管路和管接头以及压力表等。3.4液压传动机械手的特点 机械手采用液压传动比较采用气压传动有如下特点： 1. 能得到较大的输出力或力矩 一般要得到2070公斤/厘米的油液压力是比较方便的，而通常工厂的压缩空气均为46公斤/厘米。因此，在活塞面积相同的条件下，液压机械手可比气动机械手负荷大得多。目前，液压机械好艘搬运重量（即抓重）已达800公斤，而气动机械手一般搬运重量小于30公斤。2. 液压传动滞后现象小，反应较灵敏，传动平稳 与空气相比，油液的压缩性极小，所以传动的滞后现象小，传动平

48、稳。气压传动虽易于得到较高速度（如1米/秒以上），但空气粘性比油低、传动中冲击较大，不利于精确定位。3.输出力和运动速度控制较容易 输出力和运动速度在一定的油缸结构尺寸下，主要决定于油液的压力和流量，通过调节相应的压力和流量控制阀，能比较方便地控制输出功率。4 可达到较高的定位精度 目前一般液压机械手，在速度低于400毫米/秒、抓重较轻时，采用适宜的缓冲措施和定位方式，定位精度可达到10.02毫米。若采用电液伺服系统控制，不仅定位精度高，而且可连续任意定位，适用于高速、重负荷的通用机械手。 但是，液压传动也有其缺点： （1）系统的泄漏难以避免，影响工作效率和系统的工作性能。工作要求越高，对密封

49、装置和配合件制造精度的要求就越高。 （2）油液的黏度对温度的变化很敏感，当温度升高时，油的黏度即显著降低，油液黏度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量。另外在高温田间下工作时，必须注意油液着火等危险。3.5机械手的动作顺序 我们设计的机械手是一个上下料的机械手，它的工作流程简图如下：图五上述动作均由电控系统发信号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，使步进器顺序“跳步”控制电磁阀的电磁铁线圈断通电，使电磁铁按程序动作实现液压系统的自动控

50、制。3.6平衡臂机械手总体布局方案的确定 图八上图所看到的方案是本人了解了各种资料和参考了机械实物所设计的初步方案。平衡臂机械手工作时要一个稳定的基础且不需移动，所以该地基设计为嵌入水泥地里，这样的平衡性和稳定性好。本次设计我们没将伸缩油缸和回转油缸放置在同一个立柱中，因为如果这样放置，一个是装配时十分不方便，二个是在机械手夹持工件进行回转时，回转中心将更加远离回转油缸的中心，那样对支撑轴的扭矩将增大，且对立柱的弯曲应力更大，机械手的寿命将缩短。所以，我们设计的是将伸缩油缸和液压站用支撑板固定在远离工件的立柱的另侧，这样，当机械手回转时，回转中心将比较靠近回转油缸的回转中心，这样，即减少了支撑

51、轴的弯曲应力，又可以使的机械手在装配和设置油管路线时更加方便。横向扩展一下，本人联想到深圳沙田海港的集装箱的起吊手臂，它在空间运行的时候，保证了集装箱的水平放置，那样手臂的设计将更加复杂。本人设计的机械手，在空间的运动位置是不定的，则在横向伸缩的导杆中加入一个伸缩油缸，用来精确控制工件被夹取后在空间中的运动位置。第 四 章 液压系统的设计4.1液压系统回路的比较选择（1）压力控制回路 1.调压回路 为了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（即油泵的工作压力），并将多余的油液流回油箱。因它还能在液压系统过载时被打开，使油液排回油箱，以保证系统的安全，其回路

52、如图所示： 2.卸荷回路 在机械手各 油缸不工作的时候，油泵电机又不停止工作的情况下，为减少油泵的功率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在低负荷下工作，可采用卸荷回路。本系统是不需要保压的卸荷回路，所以都采用二位四通电磁阀m型中位机能的卸荷回路。当油缸停止运动时，二位四通电磁阀pt相连，使油泵输出油液经二位四通阀流回油箱，油泵卸荷。 3.顺序控制回路 机械手为了保证动作的先后顺序，除了用电器控制系统（如采用行程控制和时间控制）实现顺序控制外，也可由液压系统的顺序控制回路来实现。在本系统设计中，机械手的动作全部由电气来控制。故在此不做赘述。 4.平衡与锁紧回路 在机械手液压系统中，为了防止垂

53、直机构因为自重和工件的重量而任意下降，可采用平衡回路将垂直机构的辎重给以平衡。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。如图所示： 1. 油缸 2.换向阀 3.单向顺序阀 采用了单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路。当手指夹紧油缸1带动重物停在上升位置时，换向阀2的电磁铁线圈全部断电时，由于顺序阀3的调整压力大于手指参与运动的部件的自重g所产生的背压，油缸1的下腔油液被封死，因而手臂不会因自重而下降，并锁紧在任意位置上。（2）速度控制回路液压机械手隔阂总运动速度的控制，主要是改变进入油缸或油马达的流

54、量q。我设计的是采用定量泵，所以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。采用节流调速的优点是：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，在低速低负荷传动时效率低，发热大。而且采用节流阀进行节流调速了，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。（3）同步控制回路这个机械手，要求以同样的速度或同样的位置进行动作，即实现同步动作。但实际上，由于每个油缸所受的负荷不同，漏损和摩擦力不一样，以及油缸内径的加工误差，都会造成油缸速度或位置的不同步。为了使油缸尽可能近于同步，除了提高油缸尺寸的精度外，还可采用并联调速同步回路。当要求两油缸做同步运动时，两个调速阀的通过流量要调整得相当。这种同步方法十分简单，但是它的同步精度受到油温变化、调速阀的精度、系统中的泄漏等影响。.（4）方向控制回路 在机械手液压系统中，为了控制各油缸、油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，使油缸及液压马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。直流电磁铁换向冲击小，寿命长，允许换向频率高，不会因过载而烧坏，工作可靠，但是启动动