液压机械手臂毕业设计论文.doc
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学士学位论文
液压机械手臂设计
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液压机械手臂设计
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摘 要
机械手手臂的作用是连接机械手手腕、带动带动机械手手指去抓取物件，并按程序要求将其搬运到空间指定的位置，机械手手臂广泛的应用在工业制造中，对提高工作效率和自动化水平具有重要意义。
本文介绍了机械手手臂的功能、机械手手臂的组成、结构及其分类，其驱动方式、控制方式及其国内外发展状况。
并对机械手手臂进行了总体方案设计，确定了机械手手臂自由度及其坐标形式，确定了机械手手臂的重要技术参数等。
同时，计算出机械手手臂升降液压缸驱动力和手臂回转液压缸驱动力矩并且确定液压缸的重要参数。
设计出了机械手手臂的液动系统，绘制了机械手手臂液动系统工作原理图。
利用可编程序控制器对机械手手臂进行控制，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手手臂梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。
关键词：
机械手手臂 液压驱动 PLC控制
Abstract
Inthispaper,themechanicalhandtheoverallschemedesign,themanipulatortodeterminethecoordinatesofthetypesanddegreesoffreedom,determinethetechnicalparametersofthemanipulator.Atthesametime,respectively,thedesignofthemanipulatorclampingtypehandstructureandadsorptiontypestructureofhand;designedthestructureofrobotwrist,thewristtocalculatetherotationofthedrivingtorquerequiredandarotarycylinderdrivingtorque;thedesignofthemanipulatorarmstructure,designofthetelescopicarm,aliftinghydraulicbufferandthearmrotaryhydraulicbuffer.
ThemanipulatorusesPLCtocontrol.ThepaperinstitutestwocontrolschemesofPLCacordinetotheworkflowofthemanipulator.Thepaperdrawsouttheworktimesequencechartandthetrapeziachart.What’smore,thepaperworkoutthecontrolprogramofthePLC.
Keywords:
mechanicalhand, liquid pressuredrive， PLC
目 录
第1章绪论
1.1机械手手臂概述………………………………………………….
1.2机械手手臂组成和分类 ……………………………………..
1.2.1机械手手臂的组成………………………………………….
1.2.2机械手手臂的分类………………………………………….
1.3机械手手臂在工业中的应用…………………………………….
第2章工业机械手的设计方案
2.1机械手手臂的动作要求…………………………………………..
2.2机械手手臂的技术参数…………………………………………..
2.3机械手的座标型式与自由度……………………………………..
2.4机械手手臂的驱动方案设计………………………………………
2.5机械手手臂的控制方案设计………………………………………
第3章机械手臂部机构设计
3.1机械手手臂部的结构选择…………………………………………
3.2手臂偏重力矩的计算………………………………………………
3.3手臂导向立柱不自锁条件………………………………………….
3.4手臂升降液压缸驱动力及参数计算……………………………….
3.5手臂回转液压缸驱动力矩及参数计算…………………………….
第4章液压泵的选择及液压系统设计
4.1液压泵的选择………………………………………………………
4.11液压升降缸的流量计算…………………………………………
4.12液压回转缸的流量计算…………………………………………
4.13确定液压泵的额定流量…………………………………………
4.14确定液压泵的额定压力…………………………………………
4.2液压系统的原理………………………………………………………
第5章 PLC的控制系统设计……………………………………………..
5.1确定输入/输出点数并选择PLC型号…………………………………
5.2分配PLC的输入/输出端子………………………………………….
5.3 PLC控制系统程序设计…………………………………………..
参考文献 ………………………………………………………………………………….
附 录 ………………………………………………………………………………….
致 谢 ………………………………………………………………………………….
第1章 绪论
1.1机械手手臂概述
机械手手臂是连接机械手手腕、带动带动机械手手指去抓取物件，并按程序要求将其搬运到空间指定的位置的机械装置。
机械手手臂广泛应用在工业制造中，在恶劣的环境下代替人的工作，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产，可以提高生产的自动化水平和劳动生产率对提高工作效率和自动化水平具有重要意义。
在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。
机械手手臂的结构一开始是比较简单的，3自由度的居多，专用性较强，一般情况下用作某台机床的上下料装置。
随着工业技术的发展，机械手手臂有3自由度，4自由度，5自由度等，驱动方式也有了液压驱动型，气动驱动型等，控制方式也更加灵活方便,出现了PLC控制和单片机控制等。
由于机械手手臂能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的商品生产中获得广泛的引用。
机械手手臂的发展，其应用前景将更加宽广。
1.2机械手手臂组成和分类
1.2.1机械手手臂的组成
机械手手臂主要由执行机构、驱动系统、控制系统等组成。
（1）执行机构
机械手手手臂的执行元件为液压缸或气缸等，缸的移动带动机械手手臂的移动。
（2）驱动系统
机械手手臂的驱动系统是驱动执行机构运动的动力装置，有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式
（3）控制系统
控制系统是机械手手臂动作的指挥系统，用来控制动作的顺序、位置、时间、速度、加速度等。
常见控制系统有PLC控制系统和单片机控制系统等
1.2.2机械手手臂的分类
按照不同的分类标准，机械手手臂的分类也也是不同的。
（1）按用途分
机械手手臂可分为专用机械手手臂和通用机械手手臂两种:
1、专用机械手手臂：
它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。
专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手手臂等。
2、通用机械手手臂：
它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手手臂。
其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。
通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。
通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:
简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:
伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。
（2）按驱动方式分
1、液压传动机械手手臂：
是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手手臂。
其抓重大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。
但对密封装置要求严格，油的泄漏对工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。
2、气压传动机械手手臂：
是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手手臂。
其介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。
但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重小，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
3、机械传动机械手手臂：
机械传动机构驱动的机械手手臂。
它是一种附属于工作主机的专用机械手手臂，其动力是由工作机械传递的。
其是运动准确可靠，但结构较大，动作程序不可变。
4、电力传动机械手手臂：
特殊结构的感应电动机步进电机直接驱动执行机构运动的机械手手臂，其机械结构简单。
其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。
（3）按控制方式分
1、点位控制
它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。
若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。
目前常用专用和通用工业机械手手臂都是这种的。
2、连续轨迹控制
它的运动轨迹为空间的任意连续曲线。
较为复杂。
（4）按种类分类：
串联机械手;并联机械手。
1.3机械手手臂在工业中的应用
工业机械手在生产中的应用非常广泛，主要有：
（1）铸、锻、焊、热处理等方面
在铸、锻、焊、热处理等工序中，劳动强度较大，劳动环境对身体有害，并且有一定危险，而机械手手臂在这些工序中可以代替人进行操作，应用广泛。
（2）单个机器的自动化方面
一些半自动机器，虽然一定的自动化功能，仍需人工上下料，装上机械手手臂，可实现全自动化生产。
比如冲床有自动上下冲压循环，机械手上下料可实现冲压上产自动化。
（3）自动化生产线方面
自动化生产线上，一般都需要机械手手臂在不同的机器上进行传送工件，可以大大的提高生产效率。
第2章工业机械手的设计方案
2.1机械手手臂的动作要求
悬臂下降→抓取工件→悬臂上升→旋转合适的角度（小于180o）→悬臂下降→松开工件（放到指定的位置）→悬臂上升→悬臂回缩，这样就完成一个自动工作循环。
2.2机械手手臂的技术参数
抓重：
5~30kg 自由度数：
3
手臂垂直位移：
100mm， 手臂回转角度：
小于180o
水平位移速度：
75mm／s 垂直位移速度：
25mm／s
角位移速度：
110°／s 液压缸内径D取160mm，
液压缸外径D取240mm， 活塞直径D取80mm。
2.3机械手的座标型式与自由度
按照抓取工件的要求，手臂主要完成垂直升降（沿z轴移动），伸缩（沿x轴移动）和回转（沿z轴转动）以正确完成空间里的上下料工作，所以选择3自由度。
座标型式采用直角坐标即可。
2.4机械手手臂的驱动方案设计
气动驱动的空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，而机械传动机械手手臂程序是固定的不可调，灵活性差结构较大。
液动机械手手臂抓重大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。
应采用液压驱动。
2.5机械手手臂的控制方案设计
采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制时，如何工作内容改变时，只需要改变PLC的程序就可以满足工作要求，具有很好的灵活性。
第3章 机械手臂部机构设计
3.1机械手手臂部的结构选择
机械手手臂在进行运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证其运动准确可靠，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。
采用单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向性。
3.2手臂偏重力矩的计算
此图为机械手手臂的简图，包括手臂，手腕，手部，工件。
其中手臂重70kg，手腕重20kg，手部重20kg，工件重30kg。
G1（手臂）=700N,G2（手腕）=200N,G3（手部）=200N,G4（工件）=300N,L1=300mm，L2=700mm，L3=900mm，L4=1000mm。
所以总重G’总=700+200+200+300=1400N
L=G1×L1+G2×L2+G3×L3+G4×L4=830000=600mm
G1+G2+G3+G4 1400
所以偏转力矩为M=G’总×L=1400×600=840N.m
L1代表手臂重心到轴线的距离。
L2代表手腕重心到距离。
L3代表手部重心到轴线的距离。
L4代表工件重心到轴线的距离。
3.3手臂导向立柱不自锁条件
立柱作用是用来支承手臂的，立柱与手臂连在一起，手臂的回转运动和升降运动都是通过立柱来实现的。
而手臂在G总（G’总=G回转缸+G活塞杆）的作用下有向下的趋势，所以要设计合理高度的立柱导套。
FR×H=G总×L
FR=G总×L
H
不自锁的条件为：
G总＞F1+F2=2F2=2FR×f 而f=0.25
即 G总＞2G总×L×f
H
H＞0.5×L=0.5×600=300mm
设G回转缸=200N G活塞杆=500N
G总=1400+200+500=2100N
FR=G总×L=2100×600=4200N
H 300
在设计中必须考虑到立柱导套长度大于300mm
3.4手臂升降液压缸驱动力及参数计算
机械手手臂升降驱动力的公式：
F驱=F摩+F惯+F回+F密±G总
（1）F摩
F摩=2FRf f=0.25 FR=4200N
F摩=2FRf=2×4200×0.25=2100N
（2）F惯的计算
摩擦力公式 F惯=G总△V
g△t
△V—由静止加速到常速的变化量（mm/s）
△t—启动过程时间（t），一般取0.01s～0.05s。
手臂启动速度△V=0.026m/s, 启动时间△t=0.02s，g=10N/kg
F惯
=273N
（3）F回的计算
一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。
（4）F密的计算
在手臂设计中，当采用O型密封圈，当液压缸工作压力小于10MPa时，
液压缸密封处的总的摩擦阻力为：
F密=0.03F驱
液压缸的驱动力为：
F驱=F摩+F惯+F回+F密±G总=2100+273+0.03F驱±2100
当液压缸向上时 F驱=4616N
当液压缸向下时 F驱=281N
因为F驱=4616N，所以由由驱动力与液压缸工作压力关系表可得液压缸的工作压力可得P=0.8Mpa。
为了保险起见，F驱=1.2×4616N=5539.2N
驱动力与液压缸工作压力关系表
（1）液压缸内径D计算：
F驱=Fη1=P1
η
D=
（油从无杆进入）
F驱—手臂升降液压缸驱动力（N）
D—液压缸内径（mm）
d—活塞杆直径（mm）
η—液压缸机械效率，η=0.9
P—液压缸的工作压力（MPa）
带入数据得：
D=
=
=0.0098m
根据标准液压缸内径系列，为了满足要求，选取液压缸的内径为：
D=160mm
标准液压缸内径系列表2-2
（2）活塞杆直径d计算
液压缸往复速度比推荐值2-3
工作压力p/MPa
≤10
10～20
＞20
往复速度比λv
1.33
1.46～2
2
由液压缸往复比推荐值表可知λv=1.33,带入公式则有：
d=D
=160
=80mm
根据标准，活塞杆的直径为80mm
液压缸外径系列表
取液压缸外径D′=245mm
手臂升降液压缸主要参数为：
液压缸内径D
液压缸外径Dˊ
工作压力P
活塞杆直径d
驱动力F
160mm
245mm
0.8MPa
80mm
5539.2N
3.5手臂回转液压缸驱动力矩及参数计算
手臂回转液压缸驱动力矩
M驱=M惯+M密+M回
（1）M惯
M惯=Jo
Jo=Jc+
Jc=
G总=1500N,启动角速度
=0.314rad/s,启动时间
=0.1s。
所以 Jc=
=
=29N
m
Jo=Jc+
=28.8+
=145N
m
M惯=J
=Jo
=144.7
=455N.m
（2）M密M回的计算
设擦阻力矩M密=0.03M驱。
因为回油被差很小，所以M回=0MP。
所以驱=M惯+M密+M回=455+0.03M驱+0 即M驱=469N.m
粗取b=60mm液压缸工作压力P=4MPa，d=50mm,则由
M驱=
得 D=
=
=0.135m
为了尽可能满足要求，取D=150mm
式中 D—液压缸内径（mm）
P—回转液压缸工作压力（MPa）
d—输出轴与动片联接处的直径（mm）
b—动片宽度（mm）
根据标准，取液压缸外径D′=245mm
手臂回转液压缸主要参数为：
工作压力P
液压缸内径D
液压缸外径D′
动片宽度b
输出轴直径d
驱动力矩M
4MPa
140mm
245mm
60mm
50mm
468.6N.m
第4章液压泵的选择及液压系统设计
4.1液压泵的选择
4.11液压升降缸流量计算
q=V
A
V=
而
=
110°/s=1.9rad/s
q=V
A=V
=1.92×0.07
=575mL/s
4.12液压回转缸流量计算
q=V
A=V
=0.025
=377mL/s
4.13液压泵额定流量
qp
qmax
qp
qmax=1.2
574.6=689.5mL/s
qp—泵的输出流量；
K—系统的泄漏系数，一般K=1.1
1.3；
qmax—执行原件实际需要的最大流量
4.14液压泵额定压力
Pp≥KPmax
Pp≥KPmax=1.4×4=5.6MPa
Pp—泵的工作压力；
Pmax—执行元件的最高工作压力；
K—系数，液压泵至执行元件管路中的压力损失，K=1.3
1.5
选择YB1—50型号叶片泵，转速960r/min，工作流量q=800mL/s。
4.2液压系统的原理
1邮箱2过滤器3液压泵4溢流阀5三位四通换向阀6节流阀7顺序阀8单向阀9升降液压缸10液控式单向阀11回转液压缸
液压缸上升时
进油路：
油箱—过滤器—泵—换向阀右位接通—单向阀—液压缸下端油口
回油路：
液压缸上端油口—换向阀右位—油箱
液压缸下降时
进油路：
油箱—过滤器—泵—换向阀左位接通—液压缸上端油口
回油路：
液压缸下端油口—顺序阀—换向阀左位接通—油箱
手臂回转缸液压工作原理
顺时针转动时：
进油路：
油箱—过滤器—泵—换向阀左位接通—液控单向阀—回转液压缸
回油路：
回转液压缸—液控单向阀6—换向阀左位接通—油箱
逆时针回转时：
进油路：
箱—过滤器—泵—换向阀右位接通—液控单向阀6—回转液压缸
回油路：
回转液压缸—液控单向阀7—换向阀右位接通—油箱
第5章 PLC的控制系统设计
5.1确定输入/输出点数并选择PLC型号
输入点：
位置检测信号：
上升限位开关、下降限位开关、伸出限位开关、回缩限位开关、左转限位开关、右转限位开关共6个行程开关，需要6个输入端子。
“工作方式”选择开关：
有手动、连续2种工作方式，需要2个输入端。
手动操作：
需要有上升、下降、伸出、回缩、左转、右转，抓紧、放松8个按钮，需要8个输入端。
开关：
启动和停止按钮需要2个输入端。
所以共需要18个输入端。
输出点：
PLC的输出用于控制的上升、下降、伸出、回缩、左转、右转，抓紧、放松和原点指示灯，至少需要9个输出点。
PLC型号的分类：
CPU221：
内置10个数字量I/O点，不可扩充；
CPU222：
内置14个数字量I/O点，可扩充到78路数字量I/O或10路模拟量I/O；
CPU224：
内置24个数字量I/O点，可扩充到168路数字量I/O或35路模拟量I/O；
CPU226：
内置40个数字量I/O点，可扩充到248路数字量I/O或35路模拟量I/O；
考虑到选择PLC是要保证10%左右的I/O点的余量，而且也要考虑经济性的要求，所以采用CPU224型的PLC。
5.2分配PLC的输入/输出端子
输入点：
输出点：
启动按钮 SB1 I0.0 开始指示灯 Q0.0
停止按钮 SB2 I0.1
下限为开关 SQ1 I0.2 下降 Q0.2
上限位开
升级会员 