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机器人设计论文

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标题移动式堆垛机械手设计摘要:

移动式堆垛机械手以液压系统中的活塞和活塞缸作为机械设计机

体，以液压作为驱动动力，以PLC作为控制手段，以变频器作为

调速方式，实现升降、伸缩、回转、行走、刹车等多种动作的操

作。

因而它具有机械化、程序化、可控化，适应性、灵活性强的

特点。

目录:

前言:

工业机器人在现代生产中应用日益广泛，作用越来越重要，工业机械手尤为如此。

因此设计实用、高效的机械手对于机械设计者来说是义不容辞的责任，对于毕业的大学生也是一个实时、富有意义和挑战的设计课题。

机械手的种类很多，移动式堆垛机械手是其中常见的一种。

移动式堆垛机械手造型各异，控制方式主要有:

机械传动控制、液气压传动控制、数控、程序控制。

本设计采用PLC程序控制下的液压传动结构。

液压结构简单，便于实现轻型灵活的机械手。

PLC控制操作方便，易于修改，通过不同的程序实现不同的操作要求。

机械手是各种技术知识综合应用的成果。

毕业生在作此设计中可以全面复习所学知识，并且拓展新的知识，为过去学业与未来工作搭建良好的桥梁。

正文:

设计方案:

一.课题名称:

移动式堆垛机械手设计

二.机械手工作过程及设计要求

A处固定位置供应工件，在B处有专用的运货小车。

机械手在固定在地面的轨道上运动，轨距500，与机械手轮子圆柱面接触的轨道面宽50，距

。

地面120

1（机械手从A处固定位置取工件，搬运到B处后，在专用的运货小车中把工件堆成一纵列，每列10个工件。

2.堆完一列后，满载的专用小车开走，另一列辆空载的专用小车驶到B处.

3.机械手重复上述过程。

三.机械手设计的内容

1.系统的总体设计:

系统的运动、设计机构设计、系统的功能分配和电控系统方案设计。

2.机械设计:

机构设计、结构设计和零件设计。

3.电控系统设计:

画电控系统的原理图。

4.其它部分设计:

所设计机械的技术性能和用途，机械的操作、调整、润滑、维护、安装、安全使用等方面的说明。

机械结构:

组成:

手臂回转机构、手臂升降机构、手臂伸缩机构、手爪、机座、行

走机构、制动机构、驱动电机、液压系统。

手臂回转机构、手臂升降机构、手臂伸缩机构、手爪、行走机构、制动机构分别由旋转缸、升降缸、伸缩缸、手爪缸、行走小车、夹轨器缸来实现。

旋转缸、升降缸、伸缩缸、手爪缸均采用单活塞缸，旋转缸侧面中部双油路进回油。

升降缸、伸缩缸、手爪缸前后端进回油。

旋转缸的组成:

定片和动片。

一般来说缸体不动，为定片，活塞运动，为动片。

定片与动片常见的连接方式由一销钉定位，一螺钉紧固。

由于旋转缸与基座相连，又只作回转运动，本设计用平键作周向定位，轴向在自重的作用下即可。

，旋转缸的旋转角度=360度——动片结构角度——定片结构角度0度<旋转缸的旋转角度<360度

旋转缸与活塞缸的类比:

1、定片与缸体固连体=（活塞缸）缸体

2、动片与轴固连体=活塞

3、当然亦可颠倒，原来运动部分固定，而固定部分为旋转部分。

升降缸由两个对称的导向杆导向。

导向杆:

内部导向，一根导向花键，它兼有防止活塞套筒的转动。

外部导向，两根对称轴向分布的导向管（杆），兼有承受偏重力

矩以防止活塞缸体转动之用。

伸缩缸由于结构上的限制采用单杆导向。

行走小车通过V带传动，由电机驱动。

小车上安装了夹轨器，以固定位置。

夹轨器采用单缸双杆结构。

夹轨器缸由中间及两端进回油，两活塞杆可以实现较好的同步性。

注意小车的轮子不要做成过定位形式，可借鉴火车轮子的结构样式。

机械手的手爪采用从工件上部抓取式结构，四个钩子手指钩抓工件。

它通过钩子手指的几何结构及其固定形式来实现抓取动作。

手爪缸杆的

直线运动带动钩子手指的一端，而另一端则作绕固定轴的转动，这样就实现了手爪的张开与闭合。

液压系统

液压装置主要实现液压缸与活塞的相对双向运动，电磁换向阀是实现这种动作不可缺少的元件。

夹轨器缸采用三位六通电磁换向阀，其余缸体均采用三位四通电磁换向阀。

旋转缸、升降缸、伸缩缸由于其运动行程长，及其在调解机械手的运动中的作用，在其油路中安装了背压阀，以使运动部件启动平稳。

手爪缸和夹轨器缸的运动载荷与旋转缸、升降缸、伸缩缸的负荷比起来小得多，所以在其油路中安装了减压阀，以调解压力。

因为实现堆垛功能，升降缸就成为实现动作的核心机构，升降杆的升降动作准确与否影响到堆垛动作能否实现。

手爪的精确定位才可实现要求的堆垛。

升降速度是影响手爪定位的重要因素，因此在其液压支路中加了节流调速阀，控制升降速度。

进入油泵之前的油流经过滤器，以防止油路中的杂质流入油泵，破坏价格昂贵的油泵。

流出油泵的油流入单向阀。

单向阀阻止油路中的油回流，起保护油泵的作用。

在主油路和油箱之间安装了溢流阀，它既可以作普通溢流阀，又可以作安全阀。

本机械手的液压系统中安装了二位二通手动卸荷阀，以保证系统性能。

这是因为液压系统在期待和短时间停止时，一般都要求泵空载启动并在卸荷状态下运转。

带负载启动时，电机消耗功率大。

同时，电机的频繁启动，系统中容易混入空气，使运动不平稳。

一、方向控制回路

方向控制回路的作用是改变液、气压执行元件的运动方向，控制它的启

动、停止和缩紧。

1换向回路

（1）动换向阀换向回路

（2）磁换向阀换向回路

本设计普遍采用电磁换向阀换向

（3）液换向阀换向回路

（,）电气控制阀换向回路,、锁紧回路

（1）向阀锁紧回路

为了保护油泵，本设计在油泵后加了一个单向阀。

（2）控单向阀锁紧回路二、压力控制回路

1、调压回路

溢流阀是应用最广泛的压力控制元件，把它安装在回路的不同位置，

可以有不同的动作。

（1）作溢流阀用调定系统压力

（2）作安全阀用限定系统压力

（3）作背压阀用控制回油腔压力

（4）作卸荷阀用使泵卸荷

（5）作远程调压阀用

（6）多级调压回路

2、卸荷回路

（1）用中位滑阀机能的卸荷回路

（2）用二位二通阀的卸荷回路

3、减压回路

减压回路的作用是使系统中某一支路获得比主系统低的稳定压力，由减

压阀来实现。

4、增压回路

增压回路的作用是使工作缸的压力远远高于蹦的输出压力。

5、保压回路

保压回路的作用是使液压缸在规定的时间内维持压力不变，以满足工况要求。

（1）用液控单向阀的保压回路

（2）用蓄能器的保压回路

（3）自动不（4）由的保压回路

6、卸压回路

写压回路的作用是卸去加载的压力，防止活塞回程时产生冲击。

7、平衡回路

平衡回路的作用是平衡运动部件的自重,防止执行机构下行时因自重而产生超速运行。

（1）用顺序阀的平衡回路

（2）用平衡缸的平衡回路

液压系统的优点:

较纯机械结构，液压机械构造简单，大体上一液压缸，一活塞，再辅以若干油管即可，这样大大简化了机械传动中的繁琐部件。

1、功率密度大，能够输出大的力和力矩。

执行机构在相同功率下，功率远比电气元件轻，运动惯性小、响应速度快。

2、易于实现大范围的无级调速（调速范围达,,,,:

）。

3、易于实现过载保护。

4、容易和电气控制结合，实现自动控制。

5、标准化程度高，执行元件布置灵活，易于设计和制造。

液压系统的缺点:

1、由于液压装置工作时泄漏很难免和油液的可压缩性，液压传动不适宜要求严格的定比传动。

2、由于液压流动时损失较大，系统容易发热，产生振动和升温。

液压传动系统要求细心维护，而且出现故障不易查找，要求维修人员有较高的技术水平。

电控系统:

本设计以,,,为工具，编制程序，实现控制功能。

,,编程以机械手的运动流程为依据，完成要求的动作。

机械手的运动流程:

初始位置停在,处，取工件——检测到有工件，伸缩缸伸长，伸至伸限开关——升降缸下降，下降到升降缸下限位置——手爪缸上升，手爪收笼，抓紧工件——升降缸上升，至上限位置——伸缩缸缩短，缩至缩限位置——夹轨器缸伸长，使夹持手部放松轨道——电机正转，小车从,驶向,处，经位置检测后停止——手爪缸上升，夹轨器夹紧轨道——旋转缸顺时针旋转，至顺限开关——伸缩缸伸长——升降缸下降，下降位置由接近开关检测定位——手爪缸下降，下降至下限位置时，工件被放松——升降缸上升至上限位置——伸缩缸缩至缩限位置——旋转缸逆时针转至逆限位置——夹轨器放松轨道——电机反转，小车从,驶向,处，经,处位置检测后停下，回到初始位置——夹轨器夹紧轨道，固定小车，小车完成一次工作循环。

,,的特点:

1以可编程控制器为核心构造控制系统所需周期短。

2可编程控制器易学易用。

3可编程控制器通用性和适应性强。

4可编程控制器的可靠性高、抗干扰能力强。

5可编程控制器的维护性好。

6可编程控制器的体积小、能耗低。

可编程控制器是专为工业控制现场使用和设计的控制器，硬件结构结实可靠，硬件部分已系列化，有各种各样的实现特殊功能动模块，从简单控制到复杂控制，都有合适的产品，可以根据不同的控制场合灵活

配置，输入输出直接连接到其I/O模块上。

不需要编写系统软件，用户程序使梯形图语言编写直观易懂。

可编程控制器可以和通用个人计算机或个人计算机组成控制网络，取长补短，构成十分完善的控制系统。

控制系统方案比较

可编程控制器与继电器—接触器的比较

1、功能继电器接触器具有逻辑、顺序控制和定时功能;可编程控制器

除具有这三大功能外还有计数、运动控制、模拟量处理、闭环控制、

数据处理、网络功能。

2、功能实现方式继电器接触器用硬件实现;可编程控制器用软件来实

现。

3、电路设计方式继电器接触器和可编程控制器均采用经验设计法设计

控制电路，但PLC程序规律性和可读性更强。

4、可靠性与继电器接触器比较而言，可编程控制器故障少，可靠性更

高。

5、灵活性可编程控制器由编制及更改程序来实现不同的功能;继电器

接触器由连接硬件电器，布置电路，实现功能。

采用经验设计法

接近开关的选择:

移动式堆垛机械手堆垛动作的完成主要靠接近开关来检测定位。

电感式接近开关工作原理

1.工作原理

电感式接近开关属于一种

有开关量输出的位置传感

器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属

附录1:

部分常用材料的值物体在接近这个能产生电磁

材料衰减系数场的振荡感应头时，使物体钢1

不锈钢0.85内部产生涡流。

这个涡流反

黄铜0.3作用于接近开关，使接近开

铜0.4关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别

出有无金属物体接近，进而

控制开关的通或断。

这种接

近开关所能检测的物体必须

是金属物体。

2.工作流程方框图

电感式接近开关术语解释1.检测距离:

动作距离是指检测体

按一定方式移动时，从基准位置（接近

开关的感应表面）到开关动作时测得的

基准位置到检测面的空间距离。

额定动

作距离指接近开关动作距离的标称值。

2.设定距离:

接近开关在实际工作中

整定的距离，一般为额定动作距离的

0.8倍。

3.回差值:

动作距离与复位距离之

间的绝对值。

4.标准检测体:

可使接近开关作比较

的金属检测体。

本厂所采用的检测体为

正方形的A3钢，厚度为1mm，所采用

的边长是接近开关检测面的2.5倍。

5.输出状态:

分常开和常闭。

当无检测物体时，常开型的接近开关所接通

的负载，由于接近开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

6.检测方式:

分埋入式和非埋入式。

埋入式的接近开关在安装上为齐平安

装型，可与安装的金属物件形成同一表

面