机械手控制系统的设计方案.docx
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机械手控制系统的设计方案
机械手控制系统的设计方案
液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。
因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。
液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。
液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。
图1.1液压传动示意图
液压传动中所需要的元件主要有动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件等。
其中液压动力元件是为液压系统产生动力的部件，主要包括各种液压泵。
液压泵依靠容积变化原理来工作，所以一般也称为容积液压泵。
齿轮泵是最常见的一种液压泵，它通过两个啮合的齿轮的转动使得液体进行运动。
其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵，在选择液压泵的时候主要需要注意的问题包括消耗的能量、效率、降低噪音。
1.1选择液压元件
（1）液压缸
液压缸是液压系统的执行元件，它的职能是将液压能转换成机械能。
液压缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是直线速度和力。
液压缸的活塞能完成往复直线运动，输出有限的直线位移。
1、液压缸的工作原理.
若缸筒固定，左腔连续的输入压力油，当油的压力足以克服活塞杆上的所有负载时，活塞以一定速度v连续向右运动，活塞杆对外界做功。
反之，往右腔输入压力油时，活塞以速度v向左运动，活塞杆也对外界做功。
这样，完成了一个往复运动。
这种液压缸叫做缸筒固定缸。
若活塞杆固定，左腔连续地输入压力油时，则缸筒向左运动。
当往右腔连续地通入压力油时，则缸筒右移。
这种液压缸叫活塞杆固定缸。
2、液压缸的分类
为了满足各种主机的不同用途，液压缸有多种类型。
按供油方向分，可分为单作用缸和双作用缸。
单作用缸只是往缸的一侧输入高压油，靠其它外力使活塞返回回程。
双作用缸则分别向缸的两侧输入压力油，活塞的正反向运动均靠液压力完成。
按结构形式分，可分为活塞缸、柱塞缸、摆动缸和伸缩式套筒缸。
按活塞杆的形式分，可分为单活塞杆缸和双活塞杆缸。
按缸的特殊用途分，可分为串联缸、增压缸、步进缸等。
此类缸都不是一个单纯的缸筒，而是和其它缸筒和构件组合而成，所以从结构看，这类缸又叫组合缸。
3、双作用液压缸
本结构中设计的油缸为双作用单杆活塞式液压缸，双作用单杆活塞式液压缸，具有结构简单，压力高，工作可靠，装拆方便，易于维修，可带缓冲装置及连接方式多样等特点。
适用于工程机械，矿山机械，起重运输机械，冶金机械及其他机械。
双作用液压缸执行器是液压运动系统的主要的输出设备，虽然在大小、类型和设计结构上各有不同，通常这部分也是最能被观察到的部分。
这些执行器将液体压力转换成快速的、可控的线性运动或力，从而驱动负载。
典型的执行器包括液压缸体、节流阀盖、活塞、活塞杆、密封件，以及活塞和活塞杆的轴承面。
通常，对于工业的各个环节，它能耐受20,000kPa（持续压力）以内的压力；对于搅拌和压力的应用，可达到55,000kPa。
其行程长度能达到3米，液压缸体直径可达到20Cm，还有更大的尺寸，可用于其他特殊应用的。
根据基本的液压关系（帕斯卡定律），由缸体产生的线性压力的大小是系统流体压力P与活塞的有效面积A的乘积，即F=PA。
当然，摩擦力和其他实际损耗会降低力的效果。
最简单的执行器的构造是一个简单作用的液压缸体，液体在活塞的一边，仅在一个方向产生输出的力和运动。
重力或外部的弹簧能使活塞回归到起始位置，而液体重新回到缸体中。
当活塞杆进行曲伸时候，一个双作用的缸体将液体从活塞的任一端产生力或运动。
活塞外直径和缸体内直径之间的密封必须能同时处理方向和运动的问题。
此外，这里还可以是双端杆缸体，它通过缸体的后部盖增加了一个活塞杆伸展运动。
一个典型的双作用液压缸，活塞伸展时产生的力会略大于收缩的力，虽然在每个活塞上收到的压力一致，但因为暴露在液压流体中的有效面积不同，因而力也不同。
另外一种执行器的变通类型是一个活塞式样缸体，采用直径活塞杆可适应各种环境，全活塞的直径设计，可在压力或冲击的环境中的在长行程的水平元件或垂直方向有负荷状态下，避免了活塞杆弯曲。
活塞连接在一个高强度的钢活塞杆上，活塞杆的另一端与连接活塞端。
通常采用表面硬化或镀铬杆方式，使其表面的处理十分细腻，保证密封效果的长时间使用。
活塞必须与缸体精确贴合，每个部份都是严格的柱体，而且是经过精密处理的，以产生平滑的输出运动。
双作用缸体是最常用的液压缸体类型，提供两个方向的输出的行程。
工业缸体还支持转向横拉杆以固定缸体、缸头和末端盖。
双作用液压缸适用于工程机械，矿山机械，起重运输机械，冶金机械及其他机械。
最新的工业双作用液压缸还加入了传感器反馈和一个电子液压伺服阀，从而能完成复杂的高速和位移控制。
应用范围不仅包括生产机械机床、金属加工设备，还可以广泛使用在钢铁的执行器、核电厂控制、客用电梯等。
4、液压缸的组成
1）缸体组件
螺栓联接、螺钉联接、半环联接、焊接、钢丝挡圈联接、拉杆联接。
2）活塞组件
螺母开口销、焊接、半环套环、半环、卡簧、双螺母。
3）密封装置
间隙密封、活塞环密封、橡胶圈密封。
4）缓冲装置
间隙缓冲、可变节流缓冲、可调节流缓冲。
5）排气装置
排气塞、排气阀。
表7-1液压元件及辅件列表
序号
名称
型号
数量
1
齿轮泵
CBL3040
1
2
电机
Y200-4
1
3
单向阀
C5G-825-S8
4
三位四通电磁阀
DPHI-3711/M-X24DC/PE
3
5
节流阀
DVP40S1-10/V
1
6
单向节流阀
F-SRCG-03-50
5
7
压力表
X-MAN-60/100
2
8
吸油过滤器
X-FUI-630/25/E/PE
1
9
回油过滤器
X-FER-630/25/E/PE
1
（2）缸筒的设计
1.液压缸由缸筒、活塞、活塞杆、端盖、活塞杆密封件等主要部件组成。
1）.端盖：
材料为HT150，端盖不但起着保持油缸的作用，而且还起着导向套的作用，端盖与油缸密封处采用O型圈密封。
端盖与活塞杆的配合处经过特别处理。
在缸盖内孔镀铬，然后再珩磨或者研磨。
2）活塞：
材料为HT200，这种材料耐磨，抗震，铸造性能好，不过要进行人工时效处理。
内孔镀铬，内孔镀铬，然后再珩磨或者研磨。
3）活塞杆：
材料为45#钢。
4）缸筒：
材料为45#钢。
然后再珩磨或者研磨。
5）密封件：
Y型密封圈。
2.缸筒采用法兰连接结构（17－264）《机械设计手册》第四版
3.缸筒和缸盖的连接形式：
一般地说，缸筒和缸盖的结构形式和其使用的材料有关，工作压力P<10MPa时使用铸铁，在P<20Ma时使用无缝钢管，在P>20MPa时使用铸钢或锻钢。
1）法兰连接式:
这种连接结构简单，容易加工，也容易装拆，但外形尺寸和重量都较大，常用于铸铁制的缸筒上。
2）半环连接式：
这种连接分为外半环连接和内半环连接两种形式。
它的缸筒壁部因开了环形槽而削弱了强度，为此有时要加厚缸壁。
它容易加工和装拆，重量较轻，半环连接是一种应用较普遍的形式，常用于常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上。
3）螺纹连接式：
这种连接有外螺纹连接和内螺纹连接两种方式，它的缸筒端部结构复杂，外径加工时要求内外径同心，装拆时要使用专用工具，它的外形尺寸和重量都较小，结构紧凑，常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上。
4）拉杆连接式：
这种连接结构简单，工艺性好，通用性强，易于装拆，但端盖的体积和重量都较大，拉杆受力后会拉伸变长，影响密封效果，仅适用于长度不大的中低压缸。
5）焊接式连接：
这种连接强度高，制造简单，但焊接时容易引起缸筒变形。
考虑到本设计中手爪油缸的工作原理和环境，选择法兰连接结构比较合适，由于油缸中的最大压力较小，油缸不是很长，油口开在端盖上，所以端盖尺寸比较大，因此选择法兰连接结构。
1）缸体材料常用铸铁材料，与端盖连接形式：
法兰螺钉连接和法兰螺栓连接。
2）缸体与端盖的密封：
（1）O型圈
（2）密封垫（压力较小）
3）缸体的材料：
一般机床上的液压缸大多采用灰铸铁或球墨铸铁材料，当压力较高时常采用无缝钢管。
工程机械上的液压缸缸体多数采用35#，45#钢的无缝钢管。
特殊情况下用合金无缝钢管制造。
4）表面粗糙度：
活塞用O型圈密封时，取表面粗糙度值Ra为0.2μm。
除了上述的元件以外，液压控制系统还需要液压辅助元件。
这些元件包括管路和管接头、油箱、过滤器、蓄能器和密封装置。
通过以上的各个器件，我们就能够建设出一个液压回路。
所谓液压回路就是通过各种液压器件构成的相应的控制回路。
根据不同的控制目标，我们能够设计不同的回路，比如压力控制回路、速度控制回路、多缸工作控制回路等。
1.2控制回路设计
液压控制是机械手的一种主要的控制形式。
机械手的运动速度和操作是根据油的流量与压力来确定，因而只要控制有的流量与压力，就可以控制机械手的运动速度和操作力，油压一般在5-140
范围内，最大臂力可达160公斤以上。
在液压设备中，有时采用一台液压泵（或一台高低压泵组）驱动多个执行元件，实现对部件的特定功能。
这样，可也节省液压元件和电机，合理利用功率，减少占地面积。
各个液压执行元件间的动作关系可以分为按照一定动作顺序、同步动作或互不干扰动作等。
对于每一个执行元件来说，流量、压力在动作关系上难免相互影响、相互牵制。
因而可靠地控制各个执行元件间的动作关系，便成为这类系统需要解决的主要问题。
多个执行元件顺序控制液压系统的控制方式可能成为压力控制、行程控制或时间控制，即利用回路本身的压力变化（压力发信），是执行元件依次动作；或利用前一级执行元件到一定时间后（时间发信），使执行元件依次动作；再操纵下一个执行元件运动。
为可靠控制各执行元件依次动作，使之做到互不影响、互不牵制，这种液压系统通常要符合如下要求：
（1）系统及元件应保证各执行元件频繁换接，在压力急剧变化的条件下，有足够的可靠性，避免误动作;
（2）应能够实现严格的顺序控制，完成工作部件的规定的工作循环；
（3）各执行元件的速度变换、压力变换及换向精度均有一定要求，应尽量做到充分利用功率，提高生产率。
本次设计的机械夹持机构属于圆柱坐标式全液压驱动机械手，具有手臂伸缩、回转和手腕回转三个自由度。
执行机构相应有手腕，手臂伸缩机构等组成，每一部分均有液压缸驱动与控制，它完成的动作循环为：
手指张开，手臂前伸，手指夹紧抓料，手臂缩回，手臂回转，手腕回转，手腕中停，手腕回转复位，手臂回转，手指松开，手指闭合，手臂回转复位，待料。
其液压控制回路图如下：
图1.2液压控制回路图
该系统采用叶片泵作动力源，流量为Q，压力由溢流阀2调节。
该机一共由13个工作程序。
具体工作情况如下：
启动液压泵，叶片泵1运转，1YA断电，先导型溢流阀2的远程控制口与油箱连同。
泵1空负荷运转。
（1）手指张开1YA、6YA通电，泵1向系统供油，阀12移至右位，压力油经阀12进入手指夹紧缸无杆腔。
（2）手臂前伸1YA、2YA通电，阀5换至左位，压力油经阀5至手臂伸缩缸7无杆腔，手臂向前伸出。
（3）手指夹紧抓料1YA通电，2YA、6YA断电，压力油经阀12至手指夹紧缸14有杆腔，手指夹紧。
（4）手臂缩回1YA、3YA通电，阀5换至右位，压力油经阀5至手臂伸缩缸有杆腔，手臂缩回。
（5）手臂回转1YA、4YA通电，阀8换至右位，压力油经阀8和节流阀10进入手臂回转缸11，手臂旋转。
（6）手腕回转1YA、7YA通电，4YA断电，阀8处于中位，手臂停止运动阀，电磁阀15换至右位，压力油经阀15和节流阀17进入手腕回转缸18，手腕旋转
。
（7）手腕中停1YA通电，7YA断电，阀15处于中位，手腕旋转180°后，手腕回转缸动片处于极限位置，保持一定时间。
（8）手腕回转复位1YA、8YA通电，阀15换至左位，压力油经阀15和节流阀16进入手臂回转缸18，手腕旋转-180°复位。
（9）手臂回转1YA、4YA通电，压力油经阀8和节流阀10进入手臂回转缸11，手臂继续旋转一定角度。
（10）手指松开1YA、6YA通电，4YA断电，阀8移至中位，阀12移至右位，压力油经阀12进入手指夹紧缸无杆腔。
（11）手指闭合1YA通电，6YA断电，压力油经阀12至手指夹紧缸14有杆腔，手指实现闭合。
（12）手臂回转复位1YA、5YA通电，阀8换至左位，压力油经阀8和节流阀10进入手臂回转缸11，手臂旋转返回。
（13）待料1YA断电，压力油经先导型溢流阀2的远程控制口与油箱连同。
泵1卸荷。
机械夹持机构电磁铁动作顺序表
液压作为一个广泛应用的技术，在未来更是有广阔的前景。
随着计算机的深入发展，液压控制系统可以和智能控制的技术、计算机控制的技术等技术结合起来，这样就能够在更多的场合中发挥作用，也可以更加精巧的、更加灵活地完成预期的控制任务。
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