【正文】 當(dāng)活塞要上升時(shí)，壓力油液經(jīng)單向閥進(jìn)入升 降油缸下腔而不會被順序閥所阻，這樣采用單向順序閥克服手臂等自重，以防下滑，性能穩(wěn)定可靠。手臂的升降油缸及伸縮油缸工作時(shí)兩個(gè)油泵同時(shí)供油；手臂及手 腕的回轉(zhuǎn)和手指夾緊用的拉緊油缸以及手臂回轉(zhuǎn)的定位油缸工作時(shí)只有小油泵供油，大泵自動卸荷。 自動上料機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理 液壓系統(tǒng)原理如圖 51 所示。 → 手臂回轉(zhuǎn) 115176。 繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個(gè)液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號，畫出液壓原理圖。交流電磁閥起動性能好，換向時(shí)間短，接線簡單，價(jià)廉，但是如吸不上時(shí)容易燒壞，可靠性差，換向時(shí)有沖擊，允許換向頻率底，壽命 較短。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 方向控制回路 在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達(dá)的運(yùn)動方向和接通或 關(guān)閉油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達(dá)的油路換向，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動和正反向轉(zhuǎn)動。 采用節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)速時(shí)，負(fù)荷的變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。本機(jī)械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。第二是防止空氣混入系統(tǒng) 。其作用有二：第一是保護(hù)油泵。 （ 4） 平衡與鎖緊回路 在機(jī)械液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機(jī)構(gòu)因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機(jī)構(gòu)的自重給以平衡。 壓力控制回路 （ 1） 調(diào)壓回路 在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 近設(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。 的液動機(jī)，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動油缸）。 液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成： （ 1） 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動整個(gè)液壓系統(tǒng)工作。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進(jìn)入油缸，推動活塞桿運(yùn)動，從而使手臂作伸縮、升降等運(yùn)動，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。 a —— 啟動過程中的平均加速 度（ 2/sm ）， 而 ? ?2/ smtva ??? 式中 △v —— 速度變化量。m) 對于活塞、導(dǎo)向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動慣量都要做詳細(xì)計(jì)算，因?yàn)檫@些零件的重量較大或回轉(zhuǎn)半徑較大，對總的計(jì)算結(jié)果影響也較大，對于小零件則可作為質(zhì)點(diǎn)計(jì)算其轉(zhuǎn)動慣量，對其質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量忽略不計(jì)。 ? —— 回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（ rad/s） 。由于啟動過程一般不是等加速度運(yùn)動，故最大驅(qū)動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的 。 —— 上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。由活塞桿帶動套筒 3 做升降運(yùn)動。 2 2 1 . 4 1 0 . 1 61 0 7 0 0 . 3 5 9 7 8 . 60 . 1 6LF G Na? ??? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?總摩 手臂慣性力的計(jì)算 本設(shè)計(jì)要求手臂平動是 minm/5?V ,在計(jì)算慣性力的時(shí)候 ,設(shè)置啟動時(shí)間 st ?? ，啟動速度 smVV /??? , 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 GvF gt?? ?總慣 （ 43） GvF gt?? ?總慣 1 0 7 0 0 .0 8 3 4 5 .59 .8 0 .0 2NS NN K g S???? 密封裝置的摩擦阻力 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用 O 型密封，當(dāng)液壓缸工作 壓力小于 10Mpa。? —— 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。39。上圖是機(jī)械手的手臂示意圖，本設(shè)計(jì)是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮崗兩側(cè)。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。 （ 2）雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。 減少回轉(zhuǎn)半徑 ? ，再安排機(jī)械手動作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作。對于高速度運(yùn)動的機(jī)械手，其最大移動速度設(shè)計(jì)在 smm /1500~1000 ，最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在s/180? 內(nèi)，大部分平均移動速度為 smm/1000 ，平均回轉(zhuǎn)角速度在 s/90? 。手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運(yùn)動較多。本章敘述手臂的伸縮運(yùn)動，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動設(shè)置在機(jī)身處，將在下一章敘述。當(dāng)手抓么有張開的時(shí)候，如圖 23（ 1）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑 R1=25mm，當(dāng)張開 60如圖 23（ 2）所示，最大夾持半徑 R2計(jì)算如下： mmR 1 2 330c o s2530t a n1 1 02 ????? ?? 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 所以機(jī)械手的夾持半徑從 .123~25 mmmm 。,α=30176。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中表 21可知， V 形手指夾緊圓棒料時(shí)，握力的計(jì)算公式 N=，綜合前面驅(qū)動力的計(jì)算方法，可求出驅(qū)動力的大小。 α —— 工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。,0 21 ????? yx FPPF αcos2 1PP? αcos2/1 PP ? 圖 31 滑槽杠桿式手部受力分析 座 銷軸對手指的作用力為 p1′ 。 （ 5） 應(yīng)考慮被抓取對象的要求 應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。其 傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式 ?? 等，這里采用滑槽杠桿式。當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時(shí)，只需改變 PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動的系統(tǒng)。 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運(yùn)動的部件 (如油缸、液壓缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等 )與驅(qū)動源 (如液壓、液畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 壓或電機(jī)等 )相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 對搬運(yùn)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾 放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。平均伸縮速度為 83mm/s。 而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將大學(xué)期間所學(xué)的知識，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、液壓、氣動、電氣傳動及控制、可編程控制器（ PLC）、電子技術(shù)、自動控 制、機(jī)械系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過本次設(shè)計(jì)對大學(xué)階段的知識得到鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充分發(fā)揮個(gè)人能動性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞 動強(qiáng)度，節(jié)約加工輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。 目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成 ，勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。 編程簡 單、使用、維護(hù)方便 。因此， PLC 應(yīng)用范圍很廣。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自 動化網(wǎng)絡(luò)。例如機(jī)床的電氣控制、包裝機(jī)械的控制、自動電梯控制等。 （ 2） PLC 的應(yīng)用概況 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，并在迅速擴(kuò)大，對于而今的 PLC 幾乎可以說凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要 PLC，尤其近幾年來 PLC 的性價(jià)比不斷提高已被廣泛應(yīng)用在冶金、機(jī)械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。以其顯畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 著的優(yōu)點(diǎn)在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一?？傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高。工作時(shí)，電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。如發(fā)生某 些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。同時(shí)要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。 因此，國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。目前國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。 （ 2） 冷加工方面的應(yīng)用 冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。從這里可看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。在 機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。 （ 3） 可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。 機(jī)械手的應(yīng)用意義 在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下： （ 1） 可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度 應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。 （ 2） 液壓機(jī)械手 液壓傳動機(jī)械手是以壓縮液體的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。 90 年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。如尤尼曼特 (Unimate)機(jī)械手即屬于這種類型 。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷地修改，品種在不斷地增加， 應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。由于通用機(jī)械手能 很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。而目前我 國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。最后，進(jìn)行 PLC 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序設(shè)計(jì)。 搬運(yùn)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，本文介紹的是機(jī)械手模型基于 PLC 的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，通過對機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成 了搬運(yùn)機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： 搬運(yùn)機(jī)械手 ；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 液壓系統(tǒng)； PLC 控制 II ABSTRACT With the popularization and development of industrial automation, control demand increased year by year, carrying manipulator application also gradually popular, mainly in the automotive, electronics, machinery, food, medicine and other fields of production lines or cargo transport, can be better to save energy and improve the efficiency of transport equipment or products, in order to reduce other handling the limitation and inadequacy, meet the needs of modern economic development. Manipulator is a kind of automatic positioning control and can be programmed to change the multifunction machines, this paper introduces the mechanical hand model the control system design based on PLC. In the design, through the mechanical hand arm structure design, structure design, and the design of the hydraulic system, pleted the manipulator system structure design. In the design of PLC control system, first o