【導(dǎo)讀】本文主要針對(duì)用于油泵凸輪軸自動(dòng)線上，在相鄰工位間搬運(yùn)工件的機(jī)械手即油泵。凸輪軸加工自動(dòng)線送料機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，簡(jiǎn)要介紹了機(jī)械手的基本概念、機(jī)械手。的組成和分類，以及工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn)史和發(fā)展趨勢(shì)。成了機(jī)械手的手部、臂部和機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。動(dòng)作行程分析，設(shè)計(jì)了可滿足機(jī)械手循環(huán)動(dòng)作要求的液壓系統(tǒng)原理圖。制了可編程序控制器的控制程序。

　　

【正文】 （ 312） 式中 F——驅(qū)動(dòng)力（ N） 。 p1——液壓缸的工作壓力（ Pa） 。 d——活塞桿直徑（ m）； D——液壓缸內(nèi)徑（ m）； η ——液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取η =； 取 d= P1= MP D≥ 21dp4 ＋??F ＝ 14 94 26 ＋??? ?? m＝ mm 查表 62 油缸內(nèi)徑系列圓整，為了使該機(jī)械手受更好的通用性， 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 這里取 D=32mm 則 d=16mm 對(duì)于手臂部件的設(shè)計(jì)，只對(duì)關(guān)鍵液壓缸等主要部件進(jìn)行了校核，并且預(yù)留了較大的余量，其他結(jié)構(gòu)尺寸較小、承受工作壓力不大的部件不再一一進(jìn)行校核，只根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 4 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 液壓系統(tǒng)自 60 年代初至今，已在機(jī)械手中獲得廣泛應(yīng)用。目前，雖然在中等負(fù)載以下的機(jī)械手中有采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但在簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)型，重型的工業(yè)機(jī)械手和噴涂機(jī)械手中采用液壓系統(tǒng)的仍然占有較大比例。它的優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)力大、力（或力矩）慣性比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直 接驅(qū)動(dòng)等。 液壓系統(tǒng)在機(jī)械手中所起的作用是通過(guò)電 —液轉(zhuǎn)換元件把控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向、位置和速度的控制，進(jìn)而控制機(jī)械手的手臂按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)作。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動(dòng)液壓缸。用于實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮升降以及手腕、手臂的回轉(zhuǎn)。 液壓系統(tǒng)的組成 1）能源裝置，它是將電機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能（壓力和流量）輸出的能量轉(zhuǎn)換裝置，一般最常見(jiàn)的是液壓泵。 2）執(zhí)行元件，它是將油液的壓力能轉(zhuǎn)換成直線式或回轉(zhuǎn)式機(jī)械能輸出的能量轉(zhuǎn)換裝置。 3）調(diào)節(jié)控制元件，它是控制液壓系統(tǒng)中 油液的能量，壓力和流動(dòng)方向的裝置，是流量閥，壓力閥，方向閥等的總稱。這些元件系統(tǒng)是保證系統(tǒng)正常工作不可缺少的組成部分。 4）輔助元件，它是除上述三項(xiàng)以外的其他裝置，如油箱，濾油器，油管，管接頭等。這些元件對(duì)保證液壓系統(tǒng)的可靠，穩(wěn)定，持久的工作，有重大作用。 5）工作介質(zhì)，即各種液壓油或乳化液。 液壓系統(tǒng)的主要 特 點(diǎn) 液壓傳動(dòng)是用液體作為介質(zhì)來(lái)傳遞能量的，液壓傳動(dòng)與機(jī)械，電氣和氣壓等傳動(dòng)相比，有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）易于獲得較大的力或力矩； 2）功率重量比大； 3）易于實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)； 4） 易于實(shí)現(xiàn)較大 范圍的無(wú)級(jí)變速； 5）傳遞運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)； 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 6）可實(shí)現(xiàn)快速而且無(wú)沖擊的變速和換向； 7）與機(jī)械傳動(dòng)相比易于布局和操控； 8）易于防止過(guò)載事故； 9）自動(dòng)潤(rùn)滑、元件壽命長(zhǎng)； 10）易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。 各種液壓系統(tǒng)都是由液壓元件構(gòu)成，因此對(duì)液壓元件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，可大大提高生產(chǎn)效率，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。與其他傳動(dòng)形式比較，液壓傳動(dòng)有以下缺點(diǎn)： 1）易出現(xiàn)泄漏； 2）有的粘度隨溫度變化，引起工作機(jī)構(gòu)運(yùn)作不穩(wěn)定； 3）空氣滲入液壓油后會(huì)引起爬行、振動(dòng)和噪聲； 4）用礦 物油作液壓介質(zhì)，有燃燒危險(xiǎn)應(yīng)注意防火； 5）礦物油與空氣接觸會(huì)發(fā)生氧化，使油變質(zhì)必須定期換油； 6）液壓件的零件加工質(zhì)量要求較高。 為了減少泄漏，減少摩擦，所以必須使零件配合間隙要小，因此零件的加工質(zhì)量要求就較高，成本也就提高了。 液壓系統(tǒng)傳動(dòng)方案的確定 各液壓缸的換向回路 為便于機(jī)械手的自動(dòng)控制，如采用可編程序控制器或微機(jī)進(jìn)行控制，從總體方案設(shè)計(jì)中可知系統(tǒng)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(dòng)化程度和經(jīng)濟(jì)效益。 液壓機(jī)械手一般采用單泵或雙泵供油，手臂伸縮、手臂 俯仰、手臂旋轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)采 用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時(shí)為了保證多缸運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)互不干擾，實(shí)現(xiàn)同步或非同步運(yùn)動(dòng)，換向閥需采用中位 “O”型換向閥。 綜上所述并結(jié)合本設(shè)計(jì)方案，升降和橫移油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。選電磁閥便于自動(dòng)化控制，選中位為 O 型使定位準(zhǔn)確，如圖 。 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 圖 換向回路設(shè)計(jì) 調(diào)速方案 整個(gè)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(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求的。盡管有的液壓缸是單一速度工 作，但也需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)速，用以保證液壓缸的平穩(wěn)運(yùn)行。各缸可選擇進(jìn)油路或回油路節(jié)流調(diào)速，因?yàn)橄到y(tǒng)為中低壓系統(tǒng)，一般適宜選用節(jié)流閥調(diào)速。 在一般情況下，機(jī)械手的各個(gè)部位是分別動(dòng)作的，手臂橫移油缸所需的流量較小，手臂伸縮缸的流量較大，這兩組缸所需的流量相差較大，這樣可以選擇如圖 所示的單泵供油系統(tǒng)。 單泵供油系統(tǒng)要以所有液壓缸中需流量最大的來(lái)選擇泵的流量。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，所需的元件較少，經(jīng)濟(jì)性好。缺點(diǎn)是當(dāng)所需流量較少的液壓缸（如手腕回轉(zhuǎn)缸，夾緊缸等）動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)的溢流損失較大，能源利用率低?？紤]到 本設(shè)計(jì)的動(dòng)作簡(jiǎn)單，為使系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，減少成本，故選用單泵供油系統(tǒng)。 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè) 圖 單泵供油系統(tǒng) 減速緩沖回路 在液壓缸的起動(dòng)和停止的過(guò)程中都需要緩沖。如圖 所示采用一個(gè)二位二通電磁換向閥和一個(gè)節(jié)流閥形成緩沖回路。當(dāng)液壓缸運(yùn)動(dòng)到希望點(diǎn)時(shí)，由位置檢測(cè)裝置發(fā)信號(hào)給主機(jī)，然后主機(jī)控制電磁閥 1YA 通電切斷二位二通的通路，液壓缸的回路改經(jīng)節(jié)流閥回油箱，增大的回油路的阻力，使液壓缸速度減慢，防止沖擊達(dá)到緩沖目的。也可以在油路中設(shè)置單向行程節(jié)流閥進(jìn)行緩沖，它有可靠性好，定位 精度高的特點(diǎn)，但在自動(dòng)化程度和通用性方面不如上述方案。綜合以上考慮，選用上述緩沖回路。 圖 緩沖回路 控制元件 —— 方向閥、壓力閥 控制元件是標(biāo)準(zhǔn)件，其選擇依據(jù)是系統(tǒng)的最高工作壓力和通過(guò)該閥的最大流量。 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁(yè) 方向控制閥： 電磁換向閥是利用電氣元件發(fā)出的電訊號(hào)，通過(guò)電磁鐵動(dòng)作，使電磁閥閥芯移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)油路的換向。本機(jī)械手采用 3 個(gè)換向閥： 24E10B 型 2 個(gè)， 34E63B 型 1 個(gè)。 壓力控制閥： 1）節(jié)流閥 本機(jī)械手采用 L 型節(jié)流閥 ,其中 L10B 型 2 個(gè)， L63B 型 2 個(gè)。 L 型節(jié)流閥是筒式流量控制閥門(mén)。 它是依靠改變閥的流通截面來(lái)調(diào)節(jié)流量，以實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的無(wú)級(jí)調(diào)速。此閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，但沒(méi)有壓力和溫度補(bǔ)償裝置，閥前后的壓力差隨負(fù)載和油溫的變化而變化，因此只適用于油溫變化較小的系統(tǒng)。 2）溢流閥 溢流閥主要有以下作用：（ 1）保證液壓泵提供恒定壓力。當(dāng)系統(tǒng)壓力增大時(shí)，使流量需求減小。此時(shí)溢流閥開(kāi)啟，使多余流量溢回油箱，保證溢流閥進(jìn)口壓力，即液壓泵出口壓力恒定。（ 2）安全保護(hù)作用。系統(tǒng)正常工作時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉。只有負(fù)載超過(guò)規(guī)定的極限（系統(tǒng)壓力超過(guò)調(diào)定壓力）時(shí)開(kāi)啟溢流，進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，使系統(tǒng)壓力不再增加（通常使 溢流閥的調(diào)定壓力比系統(tǒng)最高工作壓力高 10％～ 20％）。用於過(guò)載保護(hù)的溢流閥也稱為安全閥。 本機(jī)械手選取 Y63B 型溢流閥。 3）減壓閥 減壓閥是一種可將較高的進(jìn)口壓力 (一次壓力 )降低為所需的出口壓力 (二次壓力 )的壓力調(diào)節(jié)閥。根據(jù)各種不同的要求，減壓閥可將油路分成不同的減壓回路，以得到各種不同的工作壓力。 本機(jī)械手采用 J63B 型減壓閥。 液壓系統(tǒng)的合成和完善 在上述主要液壓回路選好后，再加上其它功用的輔助油路（如卸荷、測(cè)壓等油路），就可以進(jìn)行合并，完善為完整的液壓系統(tǒng)，并編制液壓系統(tǒng)動(dòng)作循環(huán)及電磁鐵動(dòng)作順 序表。 完整的液壓原理圖如圖 所示 ： 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 27 頁(yè) 圖 送料機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖 電磁鐵動(dòng)作順序表如表 所示： 電磁鐵 動(dòng)作順序 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 6DT 7DT 送料機(jī)械手向后 － ＋ － － － － － 送料機(jī)械手下降 － － ＋ － － － － 送料機(jī)械手 左移 － － － － ＋ － 送料機(jī)械手 上升 － － － ＋ － － － 送料機(jī)械手 向前 ＋ － － － － － － 送料機(jī)械手 右移 － － － － － ＋ － 液壓系統(tǒng)卸荷 － － － － － － ＋ 表 電磁鐵動(dòng)作情況 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 28 頁(yè) 液壓系統(tǒng)的計(jì)算 一般的機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，大多采用定量油泵，油泵的選擇主要是根據(jù)系統(tǒng)所需要的油泵工作壓力 P 泵 和最大流量 Q 最大 來(lái)確定。 1） 確定油泵的工作壓力 P 泵 P 泵 ≥ P+ ∑ △ p 式中 P——油缸的最大工作油壓 （ MP）； ∑ △ p ——壓力油路（進(jìn)油路）各部分壓力損失之和，其中包括各種元件的局部損失和管道的沿程損失。 本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)主要為換向閥處的壓力損失，取 △ p=；在前后移動(dòng)油缸出有最大工作油壓 P=4MP ∴ P 泵 =4+ 3= 2） 確定油泵的 Q 油泵的流量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)個(gè)回路按設(shè)計(jì)的要求，在工作時(shí)實(shí)際所需的最大流量 Q 最大 ，并考慮系統(tǒng)的總泄漏來(lái)確定 Q 泵 = K Q 最大 其中 K― 泄露系數(shù)， 一般取 ～ Q 泵 = 30=36 L/min 3） 確定油泵電動(dòng)機(jī)功率 N ?612PQN? 式中 P——油泵的最大工作壓力 （ MP） Q——所選油泵的額定流量 （ L/min） η ——油泵總效率 2 ??? ??? 結(jié)合考慮凸輪軸加工自動(dòng)線的整體液壓系統(tǒng)，選用 YBP40 限壓式變量葉片泵，其額定流量為 40L/min， 額定轉(zhuǎn)速 1000r/min，額定壓力 5MP；驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 Y132M16，其額定功率為 4 KW，轉(zhuǎn)速 960r/min。 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁(yè) 5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)械手的電器控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機(jī)械手的動(dòng)作，并協(xié)調(diào)機(jī)械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機(jī)械手的工作順序、應(yīng)達(dá)到的位置，如手臂上下移動(dòng)、伸縮、回轉(zhuǎn)及擺動(dòng)、手腕上下、左右擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)、手指的開(kāi)閉動(dòng)作，以及各個(gè)動(dòng)作的時(shí)間、速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過(guò)每一運(yùn)動(dòng)部件沿各坐標(biāo)軸的動(dòng)作按照預(yù)先整定好的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 不論自動(dòng)電氣控制裝置復(fù)雜程度如何，對(duì)于生產(chǎn)線及各種功能的 機(jī)械手來(lái)說(shuō)，一般都要求電氣控制系統(tǒng)按照預(yù)先規(guī)定的動(dòng)作程序進(jìn)行順序控制。 根據(jù) 6135 柴油機(jī)油泵凸輪軸自動(dòng)生產(chǎn)線送料機(jī)械手 結(jié)構(gòu)和功能上的要求，另外在人機(jī)交互功能上，控制系統(tǒng)應(yīng)具有易于操作的控制界面，提供良好的操作環(huán)境。選用可編程控制器（ PLC）為 6135 柴油機(jī)油泵凸輪軸自動(dòng)生產(chǎn)線送料機(jī)械手 的控制系統(tǒng)。 PLC 的組成 PLC 的構(gòu)成： PLC 的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結(jié)構(gòu)與工作原理則大同小異，通常由主機(jī)、輸入 /輸出接口、電源擴(kuò)展器接口和外部設(shè)備接口等幾個(gè)主要部分組成。 PLC 的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示 圖 PLC 的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)選用的海為 PLC 的 特點(diǎn) Haiwell 系列 PLC 是一款按 IEC61131 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的通用型高性價(jià)比的小型編程控制器，它具有以下特點(diǎn)： 1） 內(nèi)置 PLC 仿真器：國(guó)內(nèi)第一個(gè)帶內(nèi)置仿真器的 PLC 編程軟件，全面實(shí)現(xiàn)了 PLC程序的仿真運(yùn)行 。 在編程過(guò)程中間或程序編寫(xiě)完成后，可用仿真器在完全脫離 PLC 的情 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)