工业机械手设计

1、目录摘要.3 第一章 引言.4 1.1. 工业机械手设计的目的.4 1.2.机械手的设计方案.4 1.2.1. 机械手大臂的设计要求.4 1.2.2 运动方案.4 1.2.3 设计内容.5 1.2.4 执行机构.5 1.2.5 运动机构.6 1.3 机械手腰座结构的设计.7 1.3.1 机械手腰座结构的设计要求.7 1.3.2 设计具体采用方案.8 1.4 工业机械手的概述.9 1.5 机械手腕部的结构设计.9 第二章 系统工作工程.12 2.1 系统的介绍.12 2.2 出货过程.12 2.3 进货过程.12 第三章 系统设计思想.12 3.1 步进控制电路设计思想.12 3.2 系统构成.

2、14 3.3 plc 软件系统设计的步骤 .15第四章 plc 机械手的形式.16 4.1 两手呈 180的回转式单臂双手机械手；.164.2 两手互相垂直的回转式单臂双手机械手.16 4.3 机械手传送系统梯形图.17 4.4 指令语句表.19 4.5 机械手末端执行器（手爪）的结构设计.20 第五章 液压传动系统设计.22 5.1 液压传动系统设计计算.225.1.1 确定液压系统基本方案.22 5.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路.23 5.1.3 液压源系统的设计.23 5.1.4 绘制液压系统图.24 第六章 零件图工艺分析.25 6.1 数控铣削加工.25 6.3 平面凸轮的数

3、控铣削工艺分析.29 结束语.34 致谢.35 参考文献.36 摘要工业机械手是在生产过程中采用机电结合来模拟人手动作的机械设备，它可 以代替人手搬运笨重物体或在高温、有毒、高粉尘，易燃易爆、单调和放射性等 恶劣的环境下工作。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工 件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装 置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产 已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发 展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类 完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类

4、劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来 越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、 装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展 成为柔性制造系统 fms 和柔性制造单元 fmc 中一个重要组成部分。把机床设备和 机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产， 可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔 性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量， 更好地适应市场竞争的需要。而目前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，应用规模和产业化水平低

5、，机械手的研究和开发直接 影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因 此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。第一章 引言1.1. 工业机械手设计的目的机械设计制造及其自动化专业是为了培养从事机械设计、制造行业的人才而 开设的专业。而工业机械手课程设计不仅培养设计者对机械的认识、运用能力而 且也增进了对机械工业发展的了解和认知。工业机械手的设计涉及：机械设计原理、液压、气压、电气传动及单片机、 plc、可编程控制器等控制系统与基本理论知识。设计目的：1、 培养学生的机械设计能力；2、 扩展学生的知识结构；3、 帮助学生培养综合运用能力；4、 是课堂教学的有益补充。1

6、.2.机械手的设计方案1.2.1. 机械手大臂的设计要求l、行程：0500mm，任意可凋。2、 运动时间：05s3、 运动平稳，定位可靠、精确。4、 结构设计时考虑伸缩臂原位时的整机平衡。5、 与旋转机座、伸缩臂为法兰联接。6、 采用燕尾滑动导轨，铸造毛坯。1.2.2 运动方案c1液压驱动方案采用直线油缸。考虑手臂最低工位，推荐采用上图所示变行程措施。c2 机械驱动方案采用滚珠丝杠传动。考虑伸缩臂等惯性力作用对定位的影响。1.2.3 设计内容方案 c1l、大臂结构设计；2、 大臂结构强度计算；3、 驱动系统液压油流量、压力、驱动油缸的选择；4、 齿轮强度。5、 成果要求：画大臂部件装配图 1

7、张，大臂零件图 1 张方案 c21、 大臂结构设计；2、 大臂结构强度计算；3、 传动系统设计：电机选择、丝杠选择(公称直径、导程)；4、 丝杠强度计算；5、 成果要求：画大臂部件装配图 1 张、丝杠零件图 1 张。1.2.4 执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、 手部 即与物件接触的部件。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被 抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、 托持型和吸附型等。2、 手腕 是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。3、 手臂 支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。4、 立柱 是支承手臂

8、的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动 和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。5、行走机构机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。6、机座它是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上，故起支承和联接的作用。7、其它部分行程检测装置和传感装置等。行程检测装置是检测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。传感装置其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指 与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的位置是否准确、手指对物件的握 紧力是否与物件的重量相适应。1.2.5 运动机构1.直角

9、坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图 1-1.a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可 能达到很高的位置精度（m 级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对 机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐 标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装 配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2.圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的， 如图 1-1.b。这种机

10、器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作 空间是一个圆柱状的空间。3. 球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如 图 1-1.c。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作 业。其工作空间是一个类球形的空间。4. 关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 1-1.d。关节型机 器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较 大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都 广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。图 1-

11、1四种机器人坐标形式1.3 机械手腰座结构的设计进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端 执行器等各个部分进行详细设计。1.3.1 机械手腰座结构的设计要求工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的 回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上， 它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：1. 腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。2. 腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及 轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。3. 机器人的腰座

12、是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度 影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。4. 腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气 动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。5. 腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位 基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间 隙及减速器的传动间隙。6. 为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回 转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或 铸钢材料制成。1.3.2 设计具体采用方

13、案腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液 压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很 高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器 人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部 的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用 大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间 隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于 100），同时 为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造， 尽量减小因齿轮传动造成的

14、误差。腰座具体结构如图 1-2 所示：图 1-2腰座结构图1.4 工业机械手的概述机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来， 随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术 领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手 能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、 不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许 多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：1. 机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。2. 在装配

15、作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在 机械行业中它可以用来组装零部件。3.可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。 4.可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。5.宇宙及海1.5 机械手腕部的结构设计机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在 其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末 端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它 与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动 姿态，完成所需要的作业动作。1.机器人手腕的自由度数，

16、应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数 目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业 的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人 的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来 确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为 2 至 3 个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由 度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分 析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。2. 机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕

17、时，应力求减 少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动 器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高 强度的铝合金制造。3. 机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上 要便于装卸末端执行器。4. 机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。5. 要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。6. 手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械 损坏。通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及 对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下

18、提高安全和可 靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度， 实践证明这是完全能满足作业要求的，3 个自由度来实现机床的上下料完全足 够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）结构见图 1-3。水平液压缸支承板手臂手爪联结梁执行手爪图 1-3 手爪联结结构图 1-4 机械手控制图1在传输带 a 端部，安装了光电开关 ps，用以检测洋的开发。2.机械手在原位时，按下起动按钮，系统起动，传送带a 运转。当光电开关 检测到物品后，传送带 a 停。3传输带 a 停止后，机械手进行一次循环动作，把物品从传送带 a 上搬到 传送带 b(连续运转）上。4.机械手返回原位后，自动再起动传送带

19、a 运转，进行下一个循环。5按下停止按钮后，应等到整个循环完成后，才能使机械手返回原位，停 止工作。6. 机械手的上升下降和左移右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁 阀驱动液压装置实现，每个线圈完成一个动作。7. 抓紧放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行抓紧 动作，线圈断电时执行放松动作。8. 机械手的上升、下降、左移、右移动作均由极限开关控制。9. 抓紧动作由压力继电器控制，当抓紧时，压力继电器动合触点闭合。放松 动作为时间控制（设为 2s）。第二章 系统工作工程2.1 系统的介绍本系统的机械手部分由底盘、立杆、手臂、手组成，其中底盘由一个步进 电机驱动，可顺逆时针旋转;立

20、杆由一个步进电机驱动，可上下移动;手臂由一个 步进电机驱动，可前后伸缩;手由气泵控制，可抓紧和放松。在相应位置都有位 置检测信号用于定位。2.2 出货过程从复位位置启动,根据要求到相应出货台(1，2，3 号货台),此时底盘转动到 要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓货物,立柱上升,同时手臂回收(以免 运行中与其它设备相撞),然后到相应出货台(左,或右出货台),立柱下降,手臂伸 出,手打开,把货物放在相应出货台上。2.3 进货过程从复位位置启动,根据要求到相应出货台(左，或右出货台),此时底盘转动 到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓货物,立柱上升,同时手臂回收(以 免运行中与其它设备

21、相撞),然后到相应出货台(1，2，3 号货台),立柱下降,手臂 伸出,手打开,把货物放在相应出货台上。第三章 系统设计思想3.1 步进控制电路设计思想plc 继电器式输出模块工作速度较低，故采用高频脉冲方波发生器，给出步 进脉冲，其振荡频率按步进电机速度设置，步进量的控制采用位置检测，根据位 置检测信号用 plc 的输出点切断进给电机，实现步进电机的停车, 其程序流程图 如图所示。图 1-4 程序流程图在整个机械手运行控制过程中，采用限位开关以及面板操作开关以及系统 逻辑开关作为输入点，整个系统中底盘有 5 个限位开关，分别作为 5 个位置的定 位输入点，立柱有 4 个限位开关，分别为 1 个

22、复位开关、一号位限位输入量、上 限位、下限位。手臂有 3 个限位开关:手臂复位限位数入点、手臂前限位、手臂 后限位。抓手限位开关，为抓手复位输入点。一共 13 个限位开关完成全部的控 制输入。各限位开关分布情况见图 1，由于在整个控制过程中全部是通过控制步进电机驱动模块再驱动步进电机 执行。这里对用集成脉冲输出触发步进电机驱动器原理进行说明。s7-200 plc(cpu 226)的 q0.0 和 q0.1 分别对升/降步进电机、前/后步进电机发送脉 冲;cpu 226 的 q0.2 对转盘步进电机发送脉冲。而步进电机的正/反转则分别是cpu 226 的 q0.4 和 q0.5 分别对升/降步进

23、电机、前/后步进电机实行控制;cpu 226 的 q0.6 和 q0.7 分别对转盘步进电机正反、抓手气泵开关实行控制。机械手 plc 程序的设计编写采用了 step 7-micro/win32 软件的数据表(stl) 的形式。程序设计修改方便，设计完成可联机调试，没有问题再把步进电机接上。上位机监控软件采用北京亚控的组态王软件，通过变量映射实现组态软件 的变量与 plc 的寄存器的动态连接，从而实现了上位机对 plc 的监控。3.2 系统构成(1)气动系统该系统的气动件全部采用的是 smc 公司的产品，共用了 48 个气缸，48 个两 位四通阀，2 个真空发生器，其中检盖器由测长气缸制成，b

24、 箱输送机由 1 米长 的无出杆气缸制成，其它所有机械手、转运机等均由普通气缸制成。(2)传送系统包括 8 个传送带和 1 个输送机，除输送机由无出杆气缸制成外，传送带均 由步进电机驱动，共使用了 8 台步进电机。(3)检测系统包括 96 个行程开关、6 个接近开关、5 个碰撞开关和 1 个测长气缸。 (4)控制系统该系统的全部控制功能由一台松下电工 fp3 型可编程控制器实现，用于控 制步进电机的的脉冲单元 8 个，控制系统原理框图如图 1-5 所示。图 1-5 控制系统原理框图3.3 plc 软件系统设计的步骤在了解了程序结构和编程方法的基础上，就要实际地编写 plc 程序了。编 写 pl

25、c 程序和编写其他计算机程序一样，都需要经历如下过程。1)对系统任务分块分块的目的就是把一个复杂的工程，分解成多个比较简单的小任务。这样 就把一个复杂的大问题化为多个简单的小问题。这样可便于编制程序。2)编制控制系统的逻辑关系图从逻辑关系图上，可以反应出某一逻辑关系的结果是什么，这一结果又英 国导出哪些动作。这个逻辑关系可以是以各个控制活动顺序为基准，也可能是以 整个活动的时间节拍为基准。逻辑关系图反映了控制过程中控制作用与被控对象 的活动，也反应了输入与输出的关系。3)绘制各种电路图绘制各种电路的目的，是把系统的输入输出所设计的地址和名称联系起来。 这是很关键的一步。在绘制 plc 的输入电

26、路时，不仅要考虑到信号的连接点是 否与命名一致，还要考虑到输入端的电压和电流是否合适，也要考虑到在特殊条 件下运行的可靠性与稳定条件等问题。特别要考虑到能否把高压引导到 plc 的 输入端，把高压引入 plc 输入端，会对 plc 造成比较大的伤害。在绘制 plc 的 输出电路时，不仅要考虑到输出信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到 plc 输出模块的带负载能力和耐电压能力。此外，还要考虑到电源的输出功率和极性 问题。在整个电路的绘制中，还要考虑设计的原则努力提高其稳定性和可靠性。 虽然用 plc 进行控制方便、灵活。但是在电路的设计上仍然需要谨慎、全面。 因此，在绘制电路图时要考虑周全，何

27、处该装按钮，何处该装开关，都要一丝不 苟。第四章 plc 机械手的形式4.1 两手呈 180的回转式单臂双手机械手；图 1-6 机械手臂和手爪4.2 两手互相垂直的回转式单臂双手机械手机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要 求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置；而可编程控制器（） 由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要 求低、体积小巧，安装调试方便，在工业控制中有着广泛的应用。根据我们所设 计的机械手的驱动部件为步进电机的特点，应用移位寄存指令可以很方便、灵活地对机械手进行控制。总体功能简介机械手的结构及运动机械手的结构主要由柱

28、身、绕着柱身作正、反方向旋转的手臂、 手臂的俯仰运动.图 1-7 两手互相垂直的回转式单臂双手机械手4.3 机械手传送系统梯形图如图 2-7。图中从第 0 行到第 27 行为回原位状态程序。从第 28 行到第 66 行，为手动单步操作程序。从第 67 行到第 129 行为自动操作程序。这三部分程 序（又称为模块）是图 3 的操作系统运行的。回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行， 都以 ret 结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初 始态 s1。而自动操作程序能自动返回初态 s2。图 1-8 传送梯形图4.4 指令语句表4.5 机械手末端执行器

29、（手爪）的结构设计机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加 装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。末 端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附 加装置，用来进行相应的加工作业。测量用末端执行器是装有测量头或传感器的 附加装置，用来进行测量及检验作业。在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题；1. 机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行 器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们 的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩

30、大机器人的应用领域。2. 机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容 许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3. 机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构 上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。 目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工 业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器，加之以 末端执行器的快速更换装置，以实现机器人多种作业功能，而不主张用一个万能 的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。4. 通用性和万能

31、性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限 的末端执行器，可适用于不同的机器人，这就要求末端执行器要有标准的机械接 口（如法兰），使末端执行器实现标准化和积木化。5. 机器人末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机 控制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机器人执行机构的主流是电气式， 其次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节）。结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动， 通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为 50mm 来设计。手爪的具体 结构

32、形式如图 2-5 所示：图 2-5 机械手末端执行手爪结构图机器人是由多级联杆和关节组成的多自由度的空间运动机构。除直接驱动 型机器人以外，机器人各联杆及各关节的运动都是由驱动器经过各种机械传动机 构进行驱动的。机器人所采用的传动机构与一般机械的传动机构相类似。常用的 机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动等。由于传 动部件直接影响着机器人的精度、稳定性和快速响应能力，因此，应设计和选择 满足传动间隙小，精度高，低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、 传递转矩大、谐振频率高以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求 的传动部件。第五章液压传动系统设计5.1

33、液压传动系统设计计算5.1.1 确定液压系统基本方案液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者实现 回转运动。二者的特点及适用场合见表 3-1：表 5-1名称特点适 用 场 合双活塞杆液 压缸单活塞杆液 压缸柱塞缸摆动缸齿轮马达叶片马达摆线齿轮马达轴向柱塞马达径向柱塞马达双向对称有效工作面积大、双 向不对称结构简单单叶片式小于 360 双叶片式小于 180结构简单、价格便宜体积小、转动惯量小体积小、输出转局大运动平稳、转矩大、 转速范围宽转速低，结构复杂， 输出转矩大双向工作的往复场合往 返 不 对 称 的 直 线 运 动，差动连接可实现快 进单向工作，靠重力或其 它外力返回

34、小于 360 的摆动； 小于 180 的摆动高转速、低转矩的回转 运动高速低转矩、动作 灵敏的回转运动低速、小功率大转矩的 回转运动大转矩的回转运动低速大转矩回转运动本设计因为机械手的形式为圆柱坐标形式，具有 3 个自由度，一个转动， 两个移动自由度。同时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具体要求以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，剩 下的两个运动均为直线运动。因此，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用单活塞 杆液压缸，来实现直线往复运动。5.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路液压执行元件确定后，其运动方向和运动速度的控制是液压回路的核心问 题。方向控制是

35、用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压 系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采 用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间 的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积 节流调速。本设计的方向控制采用电磁换向阀来实现，而速度的控制主要采用节流调 速，主要方式是采用比较简单的节流阀来实现。5.1.3 液压源系统的设计液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流 调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大 于系统的需油量，

36、多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源 压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器， 进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱， 可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考 虑加热、冷却等措施。本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀 v1 来调定系统压力。为了保 证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在 油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。5.1.4 绘制液压系统图本机械手的液压系统图如图

37、5-1 所示，它拥有垂直手臂的上升、下降，水平伸缩缸/的前伸、后缩，以及执行手爪 的夹紧、张开三个执行机构。其中，泵由三相交流异步电动机 m 拖动；系统压力由溢流阀 v1 调定；1dt 的得失电决定了动力源的投入与摘除。考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的 两个单向节流阀。当 5dt 得电时，工作液体经由节流阀 v5 进入柱塞缸，实现手 爪的轻缓抓紧；当 6dt 失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一 致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、 振动，保证系统的安

38、全性，采用 v2 构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的 排油背压，以平衡重力负载。执行手爪柱塞缸感应式位移传感器水平伸缩缸垂直升降缸电液伺服阀图 5-1机械手的液压系统原理图第六章零件图工艺分析6.1 数控铣削加工：针对数控铣削加工的特点，下面列举出一些经常遇到的工艺性问题作为对 零件图进行工艺性分析的要点来加以分析与考虑。（1） 图纸尺寸的标注方法是否方便编程？构成工件轮廓图形的各种几何元 素的条件是否充要？各几何元素的相互关系（如相切、相交、垂直和平行等）是 否明确？有无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸？等等。（2） 零件尺寸所要求的加工精度、尺寸公差是否都可以得到保证？不要以

39、 为数控机床加工精度高而放弃这种分析。特别要注意过薄的腹板与缘板的厚度公 差，“铣工怕铣薄”，数控铣削也是一样，因为加工时产生的切削拉力及薄板的 弹性退让。极易产生切削面的振动，使薄板厚度尺寸公差难以保证，其表面粗糙 度也将恶化或变坏。根据实践经验，当面积较大的薄板厚度小于 3 时就应充分 重视这一问题。（3） 内槽及缘板之间的内转接圆弧是否过小?（4） 零件铣削面的槽底圆角或腹板与缘板相交处的圆角半径 r 是否太大？ （5）零件图中各加工面的凹圆弧(r 与 r)是否过于零乱，是否可以统一？因为在数控铣床上多换一次刀要增加不少新问题，如增加铣刀规格，计划停车次 数和对刀次数等，不但给编程带来许

40、多麻烦，增加生产准备时间而降低生产效率， 而且也会因频繁换刀增加了工件加工面上的接刀阶差而降低了表面质量。所以， 在一个零件上的这种凹圆弧半径在数值上的一致性问题对数控铣削的工艺性显 得相当重要。一般来说，即使不能寻求完全统一，也要力求将数值相近的圆弧半 径分组靠拢，达到局部统一，以尽量减少铣刀规格与换刀次数。（6）零件上有无统一基准以保证两次装夹加工后其相对位置的正确性？有 些工件需要在铣完一面后再重新安装铣削另一面。由于数控铣削时不能使用通 用铣床加工时常用的试削方法来接刀，往往会因为工件的重新安装而接不好刀 (即与上道工序加工的面接不齐或造成本来要求一致的两对应面上的轮廓错位)。 为了避

41、免上述问题的产生，减小两次装夹误差，最好采用统一基准定位，因此零件上最好有合适的孔作为定位基准孔。如果零件上没有基准孔，也可以专门设置 工艺孔作为定位基准（如在毛坯上增加工艺凸耳或在后续工序要铣去的余量上设 基准孔）。如实在无法制出基准孔，起码也要用经过精加工的面作为统一基准。 如果连这也办不到，则最好只加工其中一个最复杂的面，另一面放弃数控铣削而 改由通用铣床加工。(7）分析零件的形状及原材料的热处理状态，会不会在加工过程中变形？ 哪些部位最容易变形？因为数控铣削最忌讳工件在加工时变形，这种变形不但无 法保证加工的质量，而且经常造成加工不能继续进行下去，“中途而废”，这时 就应当考虑采取一些

42、必要的工艺措施进行预防，如对钢件进行调质处理，对铸铝 件进行退火处理，对不能用热处理方法解决的，也可考虑粗、精加工及对称去余 量等常规方法。此外，还要分析加工后的变形问题，采取什么工艺措施来解决。6.2 影响切削用量的因素有：机床切削用量的选择必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速 范围、进给速度范围之内。机床刀具工件系统的刚性是限制切削用量的重要 因素。切削用量的选择应使机床刀具工件系统不发生较大的“振颤”。如果 机床的热稳定性好，热变形小，可适当加大切削用量。表 6-1 常用刀具材料的性能比较刀具材料高速钢硬质合金陶瓷刀片金刚石切削速度最低低中高耐磨性最差差中好硬度最低低中高硬 度

43、随温度 变化最大大中小刀具刀具材料是影响切削用量的重要因素。表 6-1 是常用刀具材料的性能 比较。数控机床所用的刀具多采用可转位刀片（机夹刀片）并具有一定的寿命。 机夹刀片的材料和形状尺寸必须与程序中的切削速度和进给量相适应并存入刀 具参数中去。 工件不同的工件材料要采用与之适应的刀具材料、刀片类型，要注意到可切削性。可切削性良好的标志是，在高速切削下有效地形成切屑，同时 具有较小的刀具磨损和较好的表面加工质量。较高的切削速度、较小的背吃刀量 和进给量，可以获得较好的表面粗糙度。合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和 进给量可以得到较高的加工精度。 冷却液冷却液同时具有冷却和润滑作用。带 走切削

44、过程产生的切削热，降低工件、刀具、夹具和机床的温升，减少刀具与工 件的摩擦和磨损，提高刀具寿命和工件表面加工质量。使用冷却液后，通常可以 提高切削用量。冷却液必须定期更换，以防因其老化而腐蚀机床导轨或其他零件， 特别是水溶性冷却液。 铣削加工的切削用量包括：切削速度、进给速度、背吃 刀量和侧吃刀量。从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：先选择背吃刀量 或侧吃刀量，其次选择进给速度，最后确定切削速度。1.背吃刀量 ap 或侧吃刀量 ae背吃刀量 ap 为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为。端铣时，ap 为切削层深度；而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。侧吃刀量 ae 为垂直于铣 刀轴线测量的切削层尺寸，单位为。端铣时，ae 为被加工表面宽度