3333 曲軸搬運機械手機電系統(tǒng)設計

3333 曲軸搬運機械手機電系統(tǒng)設計,曲軸,搬運,機械手,機電,電機,系統(tǒng),設計 1曲軸搬運機械手機電系統(tǒng)設計第 1 章 緒論1.1 工業(yè)機器人（機械手）的概述1.1.1 工業(yè)機器手的發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于 20 世紀 50 年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化。機械手首先是從美國開始研制的。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部安裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動） 。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。2瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。 1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～ 60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system) 和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機器人智能化水平的提高，機器人的應用范圍還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造等領(lǐng)域中。1.1.2 工業(yè)機器人的分類表 1.1 機器人分類分類名稱 簡要解釋操作型機器人能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)程控型機器人 按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作示教再現(xiàn)型機器人通過引導或其他方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復進行工作數(shù)控型機器人不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)感覺控制型機器人 利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作3適應控制型機器人 機器人能適應環(huán)境變化，控制自身的行為學習控制型機器人機器人能“體會”工作經(jīng)驗，具有一定的學習能力，并能將所“學”的經(jīng)濟用于工作中智能機器人 以人工智能決定其行為的機器人關(guān)于機器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標準，有的按負載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應用領(lǐng)域分。一般的分類方式如上表 1.1 所示：1.1.3 工業(yè)機械手的應用工業(yè)機械手是伴隨工業(yè)生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，特別是電子計算機的廣泛應用而迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)裝備。它綜合應用了機械，電子，自動控制等先進技術(shù)以及物理，生物等學科的基礎(chǔ)知識，以實現(xiàn)機械化與自動化的有機結(jié)合而廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)的各個部門。工業(yè)機械手是工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中的必然產(chǎn)物。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件和握持工具進行操作的自動化技術(shù)裝備。這種新穎技術(shù)裝備的出現(xiàn)和應用，對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進一步發(fā)展起著重要作用，因而具有強大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。工業(yè)上應用的機械手，由于使用場合和工作要求的不同，其結(jié)構(gòu)形式亦各有不同，技術(shù)復雜程度也有很大差別。但它們都有類似人的手臂，手腕和手的部分動作及功能；一般都能按預定程序，自動地，重復循環(huán)地進行工作。此外，還有些非自動化的裝備，具有與人體上肢類似的部分動作，結(jié)構(gòu)上與工業(yè)機械手是一致的，亦可歸屬于工業(yè)機械手的范疇。例如，早期就有一種由人直接用繩索牽引進行操作的隨動機械手和近期發(fā)展起來的由人工進行操作的機械手（如平衡吊） ，以及一些就近按扭控制和遙控的非自動的單循環(huán)的機械手等。實踐證明，工業(yè)機械手可以代替人的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期，頻繁，單調(diào)的操作，采用機械手是有效的；此外，它還能在高溫，低溫，深水，宇宙，放射性和其他有毒，污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。1.2 國內(nèi)外發(fā)展的狀況國內(nèi)工業(yè)機器人市場具有如下特征：（1）國內(nèi)汽車業(yè)。汽車制造業(yè)屬于技術(shù)、資金密集型產(chǎn)業(yè)，也是自動化程度要求高、競爭相當激烈的行業(yè)。可以說，汽車工業(yè)的發(fā)展史近幾年我國工業(yè)機器人增長的主要原動力之一。（2）沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。4國內(nèi)相當數(shù)量的企業(yè)技術(shù)實力得到很大提高，生產(chǎn)設備更新?lián)Q代，為了更好地適應市場經(jīng)濟發(fā)展的需要，提高生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)競爭力，改善工人勞動條件，企業(yè)對工業(yè)機器人的需求不斷增加。（3）外商獨資企業(yè)、中外合資企業(yè)。外商獨資或中外合資企業(yè)自動化程度一般比較高，導致工業(yè)機器人的需求量較大。（4）國內(nèi)一些現(xiàn)代化水平比較高的企業(yè)。國內(nèi)一些汽車廠、軍工企業(yè)、船舶行業(yè)等。1.3 本課題的預期結(jié)果在生產(chǎn)實踐中，常常需要將上料、加工、卸料等工序進行合理的安排，組成一條自動流水加工線。但在流水線上加工時，需要許多工人搬運工件，有時勞動強度較大。當生產(chǎn)效率很高時，為了減少工人數(shù)量，改善工人的勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率這就需要使自動線上工件搬運自動化。于是針對這一問題就提出了要研制一種通過電氣控制的搬運機械手來代替工人實現(xiàn)工件的搬運上線，并且能滿足定位和重復定位精度。用搬運機械手來代替工人搬運工件可以減輕工人的勞動強度，減少自動線上的工人數(shù)目，減輕工作量，同時也提高了生產(chǎn)效率并且精度也得到了保障。而事實上，在生產(chǎn)領(lǐng)域真正用來加工的時間一般不大于整個生產(chǎn)時間的 10％，大部分時間是用在了工件的搬運、裝夾等輔助工序上。從這個方面可以看出研制一種自動化搬運機械手的迫切性和重要性，它能大大提高生產(chǎn)的效率。5第 2 章 機械手的總體設計2.1 設計要求某生產(chǎn)線上搬運工件原由人工完成, 勞動強度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)線的工作效率, 降低成本, 使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng), 適應現(xiàn)代自動化大生產(chǎn), 針對具體生產(chǎn)工藝, 利用機器人技術(shù), 設計用一臺搬運機械手代替人工工作。該機械手能完成如下的動作循環(huán)：手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂上升→手臂縮回→機身回轉(zhuǎn)→手腕回轉(zhuǎn)→手臂下降→手臂前伸→手指松開→手臂縮回→機身回轉(zhuǎn)復位→手腕回轉(zhuǎn)復位→待料。工作對象為 50~100mm，重量為 40~60kg 的曲軸，定位精度為 ±1。2.2 機械手的總體設計方案2.2.1 機械手的組成及各部分關(guān)系機械手由三大部分（機械部分、液壓部分、控制部分）六個子系統(tǒng)（驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)）組成。機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：機器人的機械結(jié)構(gòu)又主要包括末端操作器、手腕、手臂、機身（立柱）、機座。驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動器是把從動力源獲得的能量變換成機械能，使機器人各關(guān)節(jié)工作的裝置，常見的驅(qū)動形式有步進電機驅(qū)動、直流電機驅(qū)動、交流電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動以及近些年出現(xiàn)的一些特殊的新型驅(qū)動（例如超聲波驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、靜電驅(qū)動等）。控制系統(tǒng)：機器人的控制方式多種多樣，根據(jù)作業(yè)任務不同，主要可分為點位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。2.2.2 總體設計任務(1) 結(jié)構(gòu)形式的設計: 機械手常見的運動形式有 1）直角坐標型 2）圓柱坐標型3）球坐標（極坐標）型 4）關(guān)節(jié)型（回轉(zhuǎn)坐標）型 5）平面關(guān)節(jié)型五種。圓柱坐標型是由三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標型比較，在相同的空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。直角坐標型，其運動部分的三個相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它6在各個軸向的移動距離可在坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間大，靈活性較差。球坐標型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大的特點，但是結(jié)構(gòu)比較復雜。關(guān)節(jié)型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個自由度都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰運動，小臂作俯仰擺動，其特點是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強，能抓取靠近機座的工件。平面關(guān)節(jié)型，采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)，兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動，而移動關(guān)節(jié)控制上下運動。這種機器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配。綜上，本次設計中采用圓柱回轉(zhuǎn)坐標型。(2) 自由度的確定：自由度(Degrees of Freedom),指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，不包括末端操作器的開合度。在運動形式上分為為直線運動P，旋轉(zhuǎn)運動R。自由度數(shù)的多少反映了這種機械手能完成動作的復雜程度，根據(jù)對機械手必須完成的動作的研究，設計四個自由度的機械手即可完成所規(guī)定的工作任務。從機座到手腕，關(guān)節(jié)的運動方式為旋轉(zhuǎn)-直線-直線-旋轉(zhuǎn)，即RPPR型。(3) 驅(qū)動方式的選擇:1）驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動 2）氣壓驅(qū)動 3）電機驅(qū)動 4）機械聯(lián)動四種，其中液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動較為通用。液壓驅(qū)動：結(jié)構(gòu)緊湊、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動、防爆性好。而且液壓技術(shù)比較成熟，具有動力大、力慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。氣壓驅(qū)動：具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便、清潔等特點，適用于中小負載的系統(tǒng)中，但對速度很難進行精確控制，且氣壓不可太高，所以抓舉能力較低，難于實現(xiàn)伺服控制。電機驅(qū)動：步進或伺服電機可用于程序復雜、運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手； 異步電機、直流電機適用于抓重大、速度低的專用機械手；電源方便，響應快，驅(qū)動力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，控制方式靈活，安裝維修方便。但控制性能差，慣性大，不易精確定位。機械聯(lián)動：動作可靠，動作范圍小，結(jié)構(gòu)比較復雜，適用于自由度少、速度快的7專用機械手。并且，同其他轉(zhuǎn)動方式相比較，傳動功率相同時，液壓傳動裝置的重量輕，體積緊湊，可實現(xiàn)無級變速，調(diào)速范圍大。運動件的慣性小，能夠頻繁順序換向，傳動工作平穩(wěn)，系統(tǒng)容易實現(xiàn)緩沖吸著震，并能自動防止過載。與電氣配合，容易實現(xiàn)動作和操作自動化，與微電子技術(shù)和計算機配合，能夠?qū)崿F(xiàn)各種自動控制工作。液壓元件基本已經(jīng)上系列化、通用化和標準化，利于 CAD 技術(shù)的應用、提高工效，降低成本。容易達到較高的單位面積壓力，較小的體積可獲得較大的出力（推力或轉(zhuǎn)距）。液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作較平穩(wěn)，可靠，并可實現(xiàn)較高的位置精度。液壓傳動中，力，速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制。液壓裝置采用油液做介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑效能，可以提高機械效率，使用壽命長。綜上，本次設計采用液壓驅(qū)動。(4) 控制方式的選擇:1）點位控制方式（PTP）2）連續(xù)軌跡控制方式（ CP）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。點位控制的特點是只控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行機構(gòu)在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點上的位姿?？刂茣r只要求工業(yè)機器人快速、準確地實現(xiàn)相鄰各點之間的運動，而對達到目標點的運動軌跡不做任何規(guī)定。這種控制方式的主要技術(shù)指標是定位精度和運動所需時間。由于其控制方式易于實現(xiàn)，常應用于上下料、搬運、點焊等工業(yè)機器人。連續(xù)軌跡控制的特點是連續(xù)的控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的位姿，要求其嚴格按照預定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運動，而且速度可控，軌跡光滑且運動平穩(wěn)。這種控制方式的主要技術(shù)指標是工業(yè)機器人末端操作器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。常用于弧焊、噴漆、去毛邊和檢測作業(yè)機器人。力（力矩）控制方式常用于準確定位并要求使用適度的力或力矩來完成裝配、抓放物體等工作。智能控制方式是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識庫相應做出決策。采用智能控制技術(shù)的機器人具有較強的環(huán)境適應性及自學能力，技術(shù)難度及成本要求都比較高。綜上，本次設計采用點位控制。另外該機械手的動作是有順序要求的，控制系統(tǒng)采用電氣控制機械手實現(xiàn)設計要求的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產(chǎn)率。綜合上述，此次采用電-液伺服點位控制，可以很好的完成自動線工作。82.3 總體設計方案擬定因為本機械手工作范圍大，位置精度要求高。考慮本機械手工作要求的特殊情況，本設計采用懸臂式四自由度的機械手，如下圖 2.1 所示： 1-機座 2-機身 3- 俯仰手臂 4-手臂 5-手腕 6- 手指圖 2.1 機械手總體結(jié)構(gòu)簡圖機座：起支撐機身的作用，同時與地面通過地腳螺栓固定承受著機械手整體的比較大的壓力。由于體積大，所以用鑄造，鑄造材料為鑄鐵。機身：保證了整個機械手能夠連接在一起從而保證機械手能夠順利的完成各項運動，由于體積大，所以用鑄造，機身的材料為鑄鐵。機身分為上、下機身體，上、下機身通過螺栓連接在一起，擺動液壓缸放在下機身里。用一根軸立柱通過鍵將擺動液壓系統(tǒng)與機身連接在一起，通過液壓缸擺動帶動機身的擺動。俯仰手臂：與下機身通過銷與相連，與手臂也通過銷相連。起連接作用，同時，俯仰手臂的伸縮會控制手臂的上下擺動。手臂：通過銷與上機身相連，液壓系統(tǒng)控制了它的伸縮功能，與手腕通過法蘭連接在一起。手腕：具有擺動功能，與手臂和手指相連。內(nèi)置擺動液壓缸。手指：具有夾緊工件的作用。自由度具體分配如下：1）手臂回轉(zhuǎn)自由度。擬采用擺動油缸來實現(xiàn)，擺動缸的動片與缸體相連接，通過油液帶動葉片轉(zhuǎn)動，與之相連的缸體也發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機身的回轉(zhuǎn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。2）手臂俯仰自由度。機器人的手臂俯仰運動，一般采用活塞油（氣）與連桿機9構(gòu)聯(lián)用來實現(xiàn)。設計中擬采用單活塞桿液壓缸來實現(xiàn)，缸體采用尾部耳環(huán)與機身連接，而其活塞桿的伸出端則與手臂通過鉸鏈相連。其行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。3）手臂伸縮自由度。由于油缸或氣缸的體積小，質(zhì)量輕，因而在機器人手臂結(jié)構(gòu)中應用較多。設計中擬采用單活塞桿液壓缸來實現(xiàn)，其伸縮行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。4）手腕回轉(zhuǎn)自由度。擬采用擺動液壓缸來實現(xiàn)。當注入壓力油時，油壓推動動片連同轉(zhuǎn)軸一起回轉(zhuǎn)。因為動片是固定在轉(zhuǎn)軸上的，故動片轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)軸也隨著其一起轉(zhuǎn)。而末端操作器與轉(zhuǎn)軸是固定在一起的，故轉(zhuǎn)軸一轉(zhuǎn)手部便一起轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運動。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。2.4 本章小結(jié)本章主要介紹機械手的總體設計方案，根據(jù)設計要求，選擇機械手的結(jié)構(gòu)設計方案、驅(qū)動方案、控制方案以及選擇各個方案對機械手工作的影響，畫出機械手結(jié)構(gòu)的大體簡圖和重要的幾個結(jié)構(gòu)部分。根據(jù)工作時空間自由度的選擇，大體結(jié)構(gòu)，控制方式的選擇，完成各個部分的工作性能。描繪機械手大體結(jié)構(gòu)圖為以下計算設計做準備。10第 3 章 機械手結(jié)構(gòu)的設計3.1 機械手的主要結(jié)構(gòu)機械手的機械結(jié)構(gòu)主要包括末端操作器、手腕、手臂、機身（立柱）、機座。這些結(jié)構(gòu)通過驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系結(jié)合在一起，實現(xiàn)機與電的結(jié)合。驅(qū)動器是把從動力源獲得的能量變換成機械能，使機器人各關(guān)節(jié)工作的裝置，常見的驅(qū)動形式有步進電機驅(qū)動、直流電機驅(qū)動、交流電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動以及近些年出現(xiàn)的一些特殊的新型驅(qū)動（例如超聲波驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、靜電驅(qū)動等）控制系統(tǒng)：機器人的控制方式多種多樣，根據(jù)作業(yè)任務不同，主要可分為點位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（ CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。3.2 末端操作器的設計3.2.1 末端操作器的概述工業(yè)機器人的末端操作器是機器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具等進行操作的部件，根據(jù)被操作工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面形態(tài)各有不同，其形式也多種多樣，大部分末端操作器的結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件專門加工的，常用的有四類：1）夾鉗式取料手 2）吸附式取料手 3）專用操作器及轉(zhuǎn)換器 4）仿生多指靈巧手。夾鉗式取料手是工業(yè)機器人最常用的一種末端操作器形式，在流水線上應用廣泛。它一般由手指、驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、連接與支承元件組成，工作機理類似于常用的手鉗。吸附式取料手靠吸附力取料，根據(jù)吸附力的不同分為氣吸附和磁吸附兩種。吸附式取料手應用于大平面（單面接觸無法抓?。?、易碎（玻璃、磁盤） 、微?。ú灰鬃ト。┑奈矬w。因為專用操作器及轉(zhuǎn)換器和仿生多指靈巧手的技術(shù)難度及成本要求都比較高，故在此不多做介紹。3.2.2 末端操作器結(jié)構(gòu)的設計11根據(jù)發(fā)動機曲軸結(jié)構(gòu)特點，本次設計的機械手的末端操作器宜采用夾鉗式取料手。夾鉗式取料手的手指的結(jié)構(gòu)形式通常取決于被夾持工件的形狀和特性。本設計是曲軸搬運機械手，搬運的對象是曲軸，所以要求使用 V 形手指，其中 V 形指一般用于夾持圓柱形工件，具有夾持平穩(wěn)可靠，夾持誤差小等特點。它通過單向液壓缸進行加緊工作，主要是通過液壓缸的 4 活塞桿推底端使手指夾緊，然后通過 2 彈簧進行復位。圓柱銷 3 起到連接的作用，連接手指與手腕。手指上的凹凸部分起到增大摩擦的作用，使夾緊平穩(wěn)。結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示：1-手指 2-彈簧 3-圓柱銷 4-活塞桿 圖 3.1 V 型手指結(jié)構(gòu)圖3.3 手腕的設計機器人手腕（如圖 3.2）是連接末端操作器和手臂的部件，它的作用是調(diào)節(jié)或改變工件方位，因而它具有獨立的自由度，以使機器人末端操作器適應復雜的動作要求。此處手腕需實現(xiàn)手部的翻轉(zhuǎn)（Roll）動作,腕部結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在手部相對于臂部的旋轉(zhuǎn)運動上。主要原理是手腕是由擺動液壓缸控制，這樣可以實現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)，帶動 V形末端操作器。手腕通過法蘭連接在手臂上，手腕由擺動液壓缸控制進行旋轉(zhuǎn)運動，通過進油帶動液壓缸，液壓缸通過鍵連接帶動手腕軸使手腕轉(zhuǎn)動，擺動液壓缸由電磁閥控制。電磁閥由電器控制回路控制。這樣就將機械和電器結(jié)合到了一起。通過電控制機械，通過電控制機械手的手腕的旋轉(zhuǎn)。機械手腕的轉(zhuǎn)動時通過（如圖 3.2）2 擺動液壓缸帶動，手指的夾緊運動通過 4單向活塞桿向右推動手指部分的 V 型槽。然后由復位彈簧進行復位設置。手腕與手12臂的連接由 1 法蘭盤連接在一起。為了確保手腕與手臂在工作過程中具有穩(wěn)定的自由度，手臂的結(jié)構(gòu)為四導桿輔助液壓缸運動。四導桿能保證機械手在伸縮的過程中保持穩(wěn)定的同軸度，不至于使手臂收縮的過程中由于重力的作用而彎曲變形。每一個導桿平均分得一部分力，這樣可以減輕一個桿工作時的壓力。1-法蘭盤 2-擺動液壓缸 3-彈簧 4-單向液壓缸5-手腕 6-連接螺栓孔圖 3.2 手腕結(jié)構(gòu)簡圖3.4 手臂的設計手臂是機器人執(zhí)行機構(gòu)中重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運動到給定的位置上。手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能使手臂運動輕快、靈活。手臂一般有伸縮運動、左右回轉(zhuǎn)運動、升降（或俯仰）運動三個自由度。在一般情況，手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運動，但在手臂的起動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求起動時間的加速度和終止前速度不能太大，否則引起沖擊和振動。這樣是為了減小慣性，使運動精度高些。伸縮運動一般采用直線液壓缸驅(qū)動，俯仰運動大多采用伸縮單作用（單活塞桿）驅(qū)動，而回轉(zhuǎn)運動則大多用回轉(zhuǎn)缸或齒條缸來實現(xiàn)。本設計采用單作用（單活塞桿）缸來實現(xiàn)手臂的伸縮。為了增加手臂的剛性，防止手臂在伸縮運動時繞軸線轉(zhuǎn)動或產(chǎn)生變形，手臂的伸縮機構(gòu)需設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。根據(jù)手臂的結(jié)構(gòu)、抓重等因素，為了使抓取時不產(chǎn)生偏13重力矩使抓取可靠，本設計中采用四根導向柱的臂伸縮結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點是行程長，抓重大，而工件不規(guī)則時還可以防止產(chǎn)生過大的偏重力矩。機械手手臂伸縮由手臂里的液壓缸來實現(xiàn)，回轉(zhuǎn)運動時靠機身的回轉(zhuǎn)，通過圓柱銷的連接帶動手臂的回轉(zhuǎn)，俯仰運動時通過俯仰缸的伸縮來實現(xiàn)，手臂是機械手運動環(huán)節(jié)的重要部分，它是現(xiàn)實手指與機身連接的唯一樞紐。大部分要實現(xiàn)的運動都是通過手臂的傳遞完成的。本次設計采用內(nèi)嵌式液壓缸，液壓缸的尺寸決定了手臂的大體尺寸。液壓缸的設計是通過工件運動時受到的力決定的，本次設計的手臂的內(nèi)嵌式液壓缸如圖 3.3 所示：1-出油孔 2-開口銷孔 3-缸壁 4-圓柱銷孔 5-導向桿6-油塞 7-法蘭 8-活塞桿 9-進油孔圖 3.3 四導向桿式手臂機構(gòu)從圖中可以比較清楚地看到手臂伸縮油缸結(jié)構(gòu)及導向桿的安放方式以及手臂與其他部件的連接點。液壓油通過進油孔進入，在液體壓力的作用下活塞桿 8 向右運動，使手臂伸縮，導向桿 5 起到保證同軸度的作用，密封圈 6 起到保持缸內(nèi)壓力的作用，保證了液壓缸的工作效率。手腕和手臂通過法蘭連接在一起，法蘭能保持他們的同軸運動，確保運動的精確性。法蘭的結(jié)構(gòu)簡圖如下 3.4 所示：141-螺栓孔 2-螺釘圖 3.4 法蘭盤的結(jié)構(gòu)法蘭盤與手腕通過螺栓連接，保證手臂、手腕同步運動。手臂俯仰運動采用單作用（單活塞桿）缸來驅(qū)動。直線油缸的缸底與機身通過鉸鏈相連，而油缸活塞桿的伸出端則與臂部鉸接，這樣當壓力油進個油缸時就驅(qū)動活塞桿往復運動，通過活塞桿的運動就使與其相連的手臂形成了俯仰的運動。當油從進油口進入時，右面的壓力比左面的大，這時活塞桿向右運動，轉(zhuǎn)化為手臂實現(xiàn)向下運動。由于俯仰油缸是采用底部耳環(huán)擺動式直線缸，所以在活塞桿往復運動的同時，缸體可在平面內(nèi)擺動。手臂通過帶孔銷連接在機身上，以帶孔銷為支點，俯仰機構(gòu)的上下運動就變成了手臂的上下運動，俯仰液壓缸向上伸出時，手臂向下擺動，俯仰液壓缸向下伸出時，手臂向上擺動，這樣就實現(xiàn)了手臂的上下擺動。手臂俯仰機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖如 3.5 所示：1-進、出油孔 2-活塞 3-活塞桿 4-進、出油孔5-密封塞 6-缸蓋 7-缸壁 8-排氣孔圖 3.5 俯仰機構(gòu)簡圖采用擺動馬達來實現(xiàn)機身手臂的回轉(zhuǎn)。擺動馬達布置在機身下部，手臂部件用銷15軸與回轉(zhuǎn)缸體上的耳叉連接，作為手臂俯仰運動的支點?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸和機身固定連接，擺動缸的動片與缸體相連，當擺動缸進壓力油時，通過葉片的帶動，缸體隨之轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機身的回轉(zhuǎn)。這時就需要回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸能承受比較大的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)軸材料為 Q235。對于懸臂式的機械手，還要考慮零件在手臂上的布置，就是要計算手臂移動零件時的重量對回轉(zhuǎn)、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩對手臂運動很不利。偏重力矩過大，會引起手臂的振動，在升降時還會發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，也會影響運動的靈活性，嚴重時手臂與立柱會卡死。所以在設計手臂時要盡量使手臂重心通過回轉(zhuǎn)中心，或離回轉(zhuǎn)中心要盡量地近，以減少偏重力矩。為減少轉(zhuǎn)動慣量：1）可減少手臂運動件的輪廓尺寸 2）減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸） ，盡可能在較小的前伸位置進行回轉(zhuǎn)動作 3）在驅(qū)動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。4）選擇液壓驅(qū)動時選擇能調(diào)速度的換向閥。5）對于手臂或是回轉(zhuǎn)的部分有些結(jié)構(gòu)做成空心，減少回轉(zhuǎn)運動的總重量。3.5 機身和機座的設計機身，又稱為立柱，是支撐手臂的部件，并能輔助實現(xiàn)手臂的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰運動。它里面有擺動液壓缸，通過擺動液壓缸的轉(zhuǎn)動帶動鍵，通過鍵帶動軸，進行轉(zhuǎn)動。軸承支撐軸的旋轉(zhuǎn)，它是機器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用。對固定機器人，直接連接在地面基礎(chǔ)上，對移動式機器人，則安裝在移動機構(gòu)上。本次設計的機械手上、下機身由螺栓連接，葉片帶動回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸，從而帶動機身的回轉(zhuǎn)運動。機座，起到支撐作用，它是固定機械手與地面之間的關(guān)鍵部分，用地腳螺釘連接在地面上，起到固定，支撐的作用。機構(gòu)簡圖如 3.6 所示：1-彈性擋圈 2-地腳螺栓 3-立柱 4-機座16圖 3.6 機座示意圖機器人機座可分為固定式和行走式兩種，一般工業(yè)機器人的機座為固定式。固定式機器人的機身直接連接在地面基礎(chǔ)上，也可以固定在機身上。此處要求機械手的工作范圍比較小，故設計為固定式機器人，機身與機座用螺柱連接，機座用螺栓固定在地面基礎(chǔ)上。機身設計要求：1）剛度和強度大，穩(wěn)定性好 2）運動靈活，導套不宜過短，避免卡死 3）驅(qū)動方式適宜，結(jié)構(gòu)布置合理。因為機身非常重要，機械手的各個部分是通過機身連接在一起的，機身決定了這些部分之間的相對精度。機座設計要求：1) 抗壓強度高，不易發(fā)生形變，穩(wěn)定性好 2）機座與地相連部分的端面需精加工，保障其端面粗糙度。通過對機械手的結(jié)構(gòu)設計，了解到機械手的總體結(jié)構(gòu)由手指、手腕、伸縮手臂、俯仰手臂、機身、機座等幾大部分組成。通過對他們的機構(gòu)設計，機械手的大體形狀已經(jīng)初步形成。思路比較清晰。后續(xù)的圖都根據(jù)機械手各個部分的結(jié)構(gòu)進行畫。3.6 本章小結(jié)本章具體介紹機械手各個部分的結(jié)構(gòu)設計方案以及各個部分的結(jié)構(gòu)示意簡圖，手指張緊、手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉(zhuǎn)等部分之間的相互聯(lián)系，他們之間組成機械手各個部件的相互作用以及工作原理。手臂伸縮和手臂俯仰機構(gòu)內(nèi)部的液壓部分的工作原理，機身，機座的結(jié)構(gòu)設計。將這些總裝到一起就構(gòu)成了一個機械手總體結(jié)構(gòu)設計。17第 4 章 機械手各部件載荷及結(jié)構(gòu)尺寸計算4.1 設計要求分析本課題設計的曲軸搬運機械手采用關(guān)節(jié)型坐標系、全液壓驅(qū)動，具有手臂伸縮、俯仰、回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)四個自由度，以及手指的抓取動作。執(zhí)行機構(gòu)相應由手部抓取機構(gòu)、手腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)、手臂伸縮機構(gòu)、手臂俯仰機構(gòu)、手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)和各定位裝置等組成，每一部分均由液壓缸驅(qū)動與控制。它完成的動作循環(huán)為：手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂上升→手臂縮回→機身回轉(zhuǎn)→手腕回轉(zhuǎn)→手臂下降→手臂前伸→手指松開→手臂縮回→機身回轉(zhuǎn)復位→手腕回轉(zhuǎn)復位→待料。4.2 手指夾緊機構(gòu)的及尺寸設計設計中采用四指 V 形結(jié)構(gòu)，指面光滑，避免工件被夾持部位的表面受損。手指的驅(qū)動采用彈簧復位（單活塞桿）單作用液壓缸，傳動機構(gòu)采用斜楔杠桿式復合回轉(zhuǎn)傳動，并在杠桿上裝有張緊彈簧，以保證手指夾緊驅(qū)動液壓缸的復位。手指厚度根據(jù)需要夾持的工件設定，V 形指合攏后的的尺寸為工件被夾持部位直徑的外接正六邊形，保證了機械手工作時的可靠性。4.2.1 手指夾緊機構(gòu)載荷的計算手指加在工件上的夾緊力，是設計手部結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩） ，以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊載荷 FN 計算：FN G （4.1）321K?18式中： ——安全系數(shù)，通常取 1.2～2.0；1K——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？晒浪悖?K2 = （4.2） ga?1其中： ——重力加速度；g——運載工件時重力方向的最大上升加速度，可計算：a響maxtv?（4.3） ——運載工件maxv時重力方向的最大上升速度， 0.07 。?maxvs/——系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般取 0.3～0.5 。響t——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選 3K定。 0.9～1.1。?——被抓取工件所受重力（N） 。G計算可得：NNFGK321? 6058.18.930/710. ???????????手指夾緊由單作用液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)，則手指夾緊缸的載荷為：600N夾 緊F分析液壓缸活塞桿受壓時：圖 4.1 活塞桿受壓示意圖1921ApFW???（4.4）活塞桿受拉時：圖 4.2 活塞桿受拉示意圖121/ApFW???式中： ——無桿活塞桿有效作用面積（ ） ；214/DA?? m——有桿活塞桿有效作用面積（mm 2） ；)(2d?P1——液壓缸工作腔壓力 0.8MPa；P2——背壓力，液壓缸回油腔壓力，其值根據(jù)回路的具體情況而定，初算時可參照下表 4.1，此處選取背壓 0。?2pD——油缸內(nèi)徑（ ） ；md——活塞桿直徑（ ） 。表 4.1 執(zhí)行元件背壓力系統(tǒng)類型 背壓力/MPa簡單系統(tǒng)或節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2～0.5回油路帶調(diào)速閥系統(tǒng) 0.4～0.6回油路設置有背壓閥的系統(tǒng) 0.5～1.5用補油泵的閉式回路 0.8～1.5回油路較復雜的工程機械 1.2～3回油路較短，且直接回油箱 可忽略不計對單活塞桿缸，無桿腔進液體或氣體時，不考慮機械效率。手指夾緊采用的單作用活塞缸，由上面已知其載荷力大小。20(1)液壓缸內(nèi)徑及活塞桿外徑的確定根據(jù)機構(gòu)的工作情況，總機械載荷F=Fw+Fm+Fsf+Ff+Fb （4.5） 式中: Fw——按題目給定為 600N；Fm——活塞上所受慣性力；Fsf——密封阻力；Ff-——導軌摩擦阻力；Fb——回油背壓形成的阻力；? Fm 計算：Fm = gGtv??（4.6）式中： G——液壓缸所要移動的總重量，題目給定為 3000N;(60kg+120kg+60kg)考慮到一些外在原因設計中總重量比工作中所需總重量多一些。所以選 3000Ng——重力加速度，9.8m/s 2——速度變化量，由題知， =0.07m/s；v?v?t——啟動或制動時間，一般為 0.01s~0.5s，因移動不重的重物，取 t=0.01s?將上式各值代入上式：Fm= = × =306.1N tvgG??8.9301.7（4.7）?Fsf-的計算：Fsf-= pf A1 ??（4.8） 式中： f ——克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力（Pa） ，如該液壓缸選 O 形p?密封圈，設液壓缸工作壓力 p80?BD時，導向套滑動面長度 （0.6～1.0） 。為了減少加工難度，一般液壓缸缸筒m?Ad長度不應大于內(nèi)徑的 20～30 倍。根據(jù)以上原則并聯(lián)系實際工況取夾緊液壓缸缸筒長度 160 。?L缸筒是液壓缸中最重要的零件,它承受液體作用的壓力,其臂厚 需進行計算?；?塞桿受軸向壓縮負載時，為避免發(fā)生縱向彎曲，還要進行壓桿穩(wěn)定性驗算。中、高壓缸一般用無縫鋼管作缸筒，大多數(shù)屬薄壁微，即 ≥10 時，其最薄4qv?處的壁厚用材料力學薄壁圓筒公式計算壁厚，即：pD??2max??（4.11）式中： ——缸筒內(nèi)最高工作壓力；p——缸筒材料的許用應力，由下式可計算：?=p?bn（4.12）式中： ——材料的抗拉強度，查機械手冊得 610MPa；b?——安全系數(shù)，當 ≥10 時一般取 =5；當 50工作壓力/MPa 17.5MPa 時，取 n=4。管頭連接螺紋根據(jù)油管外徑選取。2）液壓缸進出油口直徑的確定缸的進出油口直徑 可用下式求得：0dvqd?/40?（5.9）式中： q——液壓缸配管內(nèi)的流量；v——液壓缸配管內(nèi)液體的平均流量（一般取 v=4～5m/s） 。計算得出的 數(shù)值并按液壓的相關(guān)標準進行圓整，如表 5.5 所示：0d表 5.5 各液壓缸進出油口直徑進出油口直徑 0d（mm）37液壓缸俯仰擺動直線油缸 M27 2?手臂伸宿液壓缸 M33 2手指夾緊液壓缸 M27 25.5.5 油箱容量的確定在確定油箱尺寸時，一方面要滿足系統(tǒng)供油的要求，還要保證執(zhí)行元件全部排油時，郵箱不能溢出，以及系統(tǒng)中最大可能充滿油時，油箱的油位不低于最低限度。根據(jù)油箱容量的經(jīng)驗公式：Vqa??（5.10）式中： ——液壓泵每分鐘排除壓力油的容積（ m3） ；Vq——經(jīng)驗系數(shù)，見下表 5.6。a表 5.6 經(jīng)驗系數(shù) a系統(tǒng)類型 行走機械 低壓系統(tǒng) 中壓系統(tǒng) 鍛壓系統(tǒng) 冶金系統(tǒng)a 1～2 2～4 5～7 6～12 10計算可得油箱容量：L213????Vqa選用規(guī)格為 250L 的油箱。5.5.6 液壓原理圖液壓系統(tǒng)各執(zhí)行機構(gòu)的動作均由電控系統(tǒng)發(fā)信號控制相應的電磁換向閥或電液動換向閥，按程序依次步進動作，液壓系統(tǒng)的工作順序是由控制各個液壓缸換向閥的電磁鐵的得失電來工作的。液壓工作的原理（如圖 5.1 所示：）液壓的系統(tǒng)由兩個雙聯(lián)泵 1、2 為主要供油系統(tǒng)，液壓油通過泵分別進入到手臂回轉(zhuǎn)缸、手臂伸縮缸、手指加緊缸、手腕回轉(zhuǎn)缸、定位缸。然后通過電磁鐵的得斷電對圖中電磁閥進行控制，控制各個部分液壓缸的工作，從而實現(xiàn)對手臂回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手指加緊、手腕回轉(zhuǎn)、定位。圖中5、6、7、8、9 為單向控制閥的作用是防止油液倒流，圖中11、13、15、17、18、23、24 為單向調(diào)速閥，主要作用是調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)油的流速，從而保證工作平穩(wěn)進行。38圖 5.1 液壓原理圖執(zhí)行機構(gòu)的定位和緩沖是機械手工作平穩(wěn)可靠的關(guān)鍵。從提高生產(chǎn)率來說，希望機械手正常工作速度越快越好，但工作速度越高，啟動和停止時的慣性力矩就越大，這不僅會影響到機械手的定位精度，嚴重時還會損傷機件。因此為達到機械手的定位精度和運動平穩(wěn)性的要求，一般在定位前要采取緩沖措施。 該機械手手指夾緊由壓39力傳感器控制力度，保證工件不被抓傷也不會在搬運過程中掉落；手臂伸縮和手臂俯仰由行程開關(guān)適時發(fā)信號，提前切斷油路滑行緩沖并定位；手臂回轉(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)由擋鐵定位保證精度，端點到達前發(fā)信號切斷油路。機械手控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度和加減速度等，控制方式可分為點位控制和連續(xù)控制兩種，目前以點位控制為主，占 90%以上。本設計中機械手的控制可采用電氣進行順序點位控制。它把計算機的編程靈活、功能齊全、應用面廣等優(yōu)點與繼電器系統(tǒng)的控制簡單、使用方便、抗干擾能力強、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，而其本身又具有體積小、質(zhì)量輕、耗電省等特點。為了增強機械手使用的靈活性，可將機械手的工作方式設置為手動和自動兩種方式，其中自動方式又包括連續(xù)、單周期、單步這幾種工作方式。5.6 本章小結(jié)本章主要介紹機械手液壓設計，包括選液壓元件、液壓馬達、最重要的就是液壓系統(tǒng)的控制原理圖，根據(jù)原理圖控制機械手的運動，將液壓與機械的運動結(jié)合在一起。液壓系統(tǒng)穩(wěn)定，對機械手工作性能有很大的提高。使機械手在液壓的驅(qū)動下平穩(wěn)的運動。第 6 章 電氣控制系統(tǒng)的設計406.1 電氣控制的概述電氣控制電路也稱電器控制電路或繼電接觸控制電路，是指由常用低壓電器（控如制開關(guān)、按鈕、限位開關(guān)、斷路器、接觸器、繼電器等）組成的控制電路，屬于開關(guān)量邏輯控制電路。電器控制電路具有電路簡單、價格低廉、邏輯關(guān)系清便于維修、控制功率大等優(yōu)點。即便在當前可編程控制器（PLC）應用十分廣泛的情況下，也離不開這些常規(guī)的低壓控制電器?？删幊炭刂破餮匾u和發(fā)展了電氣控制電路的控制原理和方法，由于二者的控制方法和原理基本上是一致的，因此掌握好電氣控制電路的控制原理是學習可編程控制器控制原理的基礎(chǔ)。6.2 控制電路6.2.1 控制電路的組成電氣控制電路根據(jù)邏輯關(guān)系可以分成 3 個組成部分。1 輸入元件、2 中間邏輯元件、3 輸出元件。輸入元件：控制電路的輸入邏輯變量，用于對電路的控制，可分為主令元件和檢測元件。主令元件是人向控制電路發(fā)布控制指令的元件，如按鈕、開關(guān)等。檢測元件是電路和電氣控制設備本身向控制電路發(fā)布控制指令的元件，用于對電路和電氣控制設備的某些物理量（如行程距離、溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、電流等）的檢測。常用的檢測元件有行程開關(guān)、熱繼電器、電流繼電器、速度繼電器等。中間邏輯元件：控制電路的中間邏輯變量，用于對電路中變量的邏輯變換和記憶等作用，常用的中間邏輯元件有中間繼電器、通用繼電器、時間繼電器及計數(shù)器等。輸出執(zhí)行元件：用于對電路控制結(jié)果的執(zhí)行，是控制電路的輸出邏輯變量?？煞譃橛杏洃浌δ芎蜔o記憶功能兩種，有記憶功能的輸出執(zhí)行元件常用的有接觸器、繼電器等，無記憶功能的輸出執(zhí)行元件常用的信號燈、報警器、電磁鐵、電磁閥、電動機等。電氣電路由主電路部分和控制電路部分組成。6.2.2 繼電器的選擇繼電器的選擇要注意 4 點：1 按使用環(huán)境選型；2 按輸入信號不同選擇繼電器種類；3 輸入?yún)⒘康倪x定；4 根據(jù)負載情況選擇繼電器觸點和種類。1 使用環(huán)境條件主要指溫度（最大與最?。?、濕度（一般指 40 攝氏度下的最大相對濕度） 、低氣壓（使用高度 1000 米以下可不考慮） 、振動和沖擊。此外，尚有封裝41方式、安裝方法、外形尺寸及絕緣性等要求。由于材料和結(jié)構(gòu)不同，繼電器承受的環(huán)境力學條件各異，超過產(chǎn)品標準規(guī)定的環(huán)境力學條件下使用，有可能損壞繼電器，可按整機的環(huán)境力學條件或高一級的條件選用。...對電磁干擾或射頻干擾比較敏感的裝置周圍，最好不要選用交流電激勵的繼電器。選用直流繼電器要選用帶線圈瞬態(tài)抑制電路的產(chǎn)品。那些用固態(tài)器件或電路提供激勵及對尖峰信號比較敏感地地方，也要選擇有瞬態(tài)抑制電路的產(chǎn)品。2 按輸入信號是電、溫度、時間、光信號確定選用電磁、溫度、時間、光電繼電器，這是沒有問題的。這里特別說明電壓、電流繼電器的選用。若整機供給繼電器線圈是恒定的電流應選用電流繼電器，是恒定電壓值則選用電壓繼電器。3 與用戶密切相關(guān)的輸入量是線圈工作電壓（或電流） ，而吸合電壓（或電流）則是繼電器制造廠控制繼電器靈敏度并對其進行判斷、考核的參數(shù)。對用戶來講，它只是一個工作下極限參數(shù)值?？刂瓢踩禂?shù)是工作電壓（電流）/吸合電壓（電流） ，如果在吸合值下使用繼電器，是不可靠的、不安全的，環(huán)境溫度升高或處于振動、沖擊條件下，將使繼電器工作不可靠。整機設計時，不能以空載電壓作為繼電器工作電壓依據(jù)，而應將線圈接入作為負載來計算實際電壓，特別是電源內(nèi)阻大時更是如此。當用三極管作為開關(guān)元件控制線圈通斷時，三極管必須處于開關(guān)狀態(tài)，對 6VDC 以下工作電壓的繼電器來講，還應扣除三極管飽和壓降。當然，并非工作值加得愈高愈好，超過額定工作值太高會增加銜鐵的沖擊磨損，增加觸點回跳次數(shù)，縮短電氣壽命，一般，工作值為吸合值的 1.5 倍，工作值的誤差一般為±10%。4 觸點組合形式和觸點組數(shù)應根據(jù)被控回路實際情況確定。常用的觸點組合形式見表 6。動合觸點組和轉(zhuǎn)換觸點組中的動合觸點對，由于接通時觸點回跳次數(shù)少和觸點燒蝕后補償量大，其負載能力和接觸可靠性較動斷觸點組和轉(zhuǎn)換觸點組中的動斷觸點對要高，整機線路可通過對觸點位置適當調(diào)整，盡量多用動合觸點。6.2.3 接觸器的選擇接觸器是一種用來接通或切斷交，直流電路和控制電路的自動控制電器。接觸器不僅可以接通和切斷電路，還具有欠電壓釋放保護，零壓保護。接觸器是自動控制系統(tǒng)中應用最多的一種電器。 接觸器是一種主觸電常開，三極的，以空氣作滅弧介質(zhì)的電磁式交流接觸器。當我們在選擇接觸器的時候，我們應該根據(jù)主觸頭的額定電壓和額定電流以及接觸器吸引線圈的電壓來選擇。接觸器選擇要點：1.主觸頭的額定電壓和額定電流。通常選擇接觸器觸頭的額定電壓大于或等于負載回路的額定電壓，主觸頭的額定電流不低于規(guī)定負載電路的額定42電流，一般按1.3倍選擇。2.接觸器吸引線圈的電壓。一般直接選用一相對地電壓220V 或直接選用380V。接觸器的觸頭數(shù)量，種類應滿足控制線路的要求。接觸器使用中注意的事項：1.安裝時，接觸器的地板應與地面垂直，傾斜度應小于5度。2.勵磁線圈電壓應為85%~105%. 操作頻率應在允許范圍內(nèi)。3.鐵芯上短路環(huán)應完好.鐵芯、銜鐵端面接觸良好、無異物.觸點表面接觸良好，有一定的超程和耐壓力。4.接觸器安裝時，應注意孔的位置，以便于散熱。6.2.4 斷路器低壓斷路器是配電系統(tǒng)中主要的保護電器之一，也是功能最完善的保護電器，其主要作用是作為短路、過載、接地故障、失壓以及欠電壓保護。根據(jù)不同需要，低壓斷路器可配備不同的繼電器或脫扣器。脫扣器是低壓斷路器總體的一個組成部分，而繼電器，則通過與低壓斷路器操作機構(gòu)相連的欠電壓脫扣器、分勵脫器來控制低壓斷路器。低壓斷路器一般由脫扣器來完成其保護功能。6.3 電氣系統(tǒng)的設計及原理控制方式為點位程序控制。程序設計采用開關(guān)預選方式，機械手的自動循環(huán)采用步進繼電器控制。步進動作時由每一個動作完成后，使行程開關(guān) ST 的觸點閉合而發(fā)出信號，或依據(jù)每一步的動作預設停留時間。發(fā)信指令完成由相應的中間繼電器 K 來實現(xiàn)，受發(fā)指令的完成方式為機械手相應動作結(jié)束的同時使步進繼電器再動作，復位指令完成是給相應的中間繼電器通電，是機械手回到工作準備狀態(tài)。機械手除能實現(xiàn)自動循環(huán)外，還設有調(diào)整電路，可通過手動按鈕 SB 進行單個動作調(diào)試。液壓泵的供油與卸載和每步動作之間的相應關(guān)系由控制電器保證。只有在2K、3K、4K、5K、6K、7K、8K、9K、10K 等九個中間繼電器全部不通電（所有液壓缸不動作）時中間繼電器 12K 才通電（即任一液壓缸動作） ，12K 則斷電，小泵停止卸載；中間繼電器 2K、3K、5K、6K、中任意一個通電（即手臂升降、手臂伸縮） ，大泵停止卸載。手臂定位與手臂回轉(zhuǎn)由繼電器互鎖。在定位插銷后，定位缸壓力上升，壓力繼電器 K 升壓發(fā)令，一方面由常開觸點接通手臂升降、手臂伸縮、手指松夾、手腕回轉(zhuǎn)等部分的自動循環(huán)電氣線路，另一方面由常閉觸點斷開手臂回轉(zhuǎn)的電氣線路。同時，在定位缸用電磁鐵 12YA 的線圈兩邊串聯(lián)有中間繼電器 9K 和 10K(手臂回轉(zhuǎn))的常閉43觸頭和 11K（定位插銷）的常開觸頭。這些互鎖措施保證了任何情況下手臂回轉(zhuǎn)只在拔定位銷之后進行。因機械手工作環(huán)境存在金屬粉塵，在電磁鐵的線圈兩邊各串聯(lián)了一個中間繼電器的常開觸頭，用以保證繼電器斷電后常開觸頭可靠脫開，液壓缸及時停止工作。6.4 電氣系統(tǒng)的控制順序本設計中電氣控制原理（如圖 6.1）：主電路開關(guān)閉合接通電路，電路中 FU 熔斷器串聯(lián)在電路中起到保護電路的作用，KR 熱繼電器起到保護作用，主電路通過變壓裝置感應控制電路，同樣控制電路中也有 FU 熔斷器起到保護電路的作用，首先連接個電源信號燈，按下 SB2 按鈕，KM 得電，主電路通電帶動電機。中間繼電器2K、3K、5K、6K、4K、7K、8K、9K、10K 全不得電時中間繼電器 12K 才通電，使電磁鐵 1YA、2YA 通電，兩泵卸載。手臂升降控制：當 2K 得電，3Y 接通后得電，電磁鐵 3YA 得電，電液換向閥右邊接通，使手臂上升，當 3K 得電，4Y 接通后得電，電磁鐵 4YA 得電，電液換向閥左邊接通，使手臂下降。手臂伸縮控制：當 5K 得電時，5Y 接通后得電，電磁鐵 5YA 得電，電液換向閥右面接通，使手臂向前伸展，當6K 得電時，6Y 接通后得電，電磁鐵 6YA 得電，電液換向閥左面接通，使手臂向回收回，手臂旋轉(zhuǎn)控制：當 9K 得電時，7Y 接通后得電，電磁鐵 7YA 得電，電磁閥向右邊接通，使手臂順時針旋轉(zhuǎn)，當 10K 得電時，8Y 接通后得電，電磁鐵 8YA 得電，電磁閥向左邊接通，使手臂逆時針旋轉(zhuǎn)，手指夾緊控制：當 4K 得電時，9Y 接通后得電，電磁鐵 9YA 得電，電磁鐵向右邊接通，使機械手手指張開，不通電時手指由彈簧控制處于夾緊狀態(tài)。手腕旋轉(zhuǎn)控制：當 7K 得電， 10Y 接通后得電，電磁鐵 10Y得電，電磁閥右邊接通，使手腕順時針旋轉(zhuǎn)，當 8K 得電，11Y 接通后得電，電磁鐵11Y 得電，電磁閥左邊接通，使手腕逆時針旋轉(zhuǎn)。還可以通過調(diào)整電路，將手動控制與自動控制相結(jié)合，通過整流電路連接至步進器，由步進器計數(shù)，每一個動作完成后，通過時間繼電器延時一小段時間，再這段時間后，再進行下一步的工作，直到整個一個工作循環(huán)結(jié)束后。電路中有一個啟動開關(guān)和一個急停按鈕。液壓缸伸縮的長短由行程開關(guān) ST 控制，中間繼電器來控制電磁鐵繼而控制電磁閥，電路中中間繼電器的輸出電壓應該與電磁鐵電磁閥的工作電壓相匹配，這樣電路中的中間繼電器才能控制電磁鐵，保證電路的正常工作。手動控制由按鈕來控制，按下按鈕一步一步的按順序的工作。手動或自動通過開關(guān)接通到不同的位置上。44圖 6.1 機械手電氣控制圖6.5 本章小結(jié)本章主要介紹電氣控制部分，電氣控制液壓系統(tǒng)中的電磁換向閥，使機械手自動運動。實現(xiàn)機械手自動化生產(chǎn)，自動、手動都能順利實現(xiàn)，加大了機械手的競爭力。電氣控制主要介紹些基本元件，電氣控制原理圖，根據(jù)電氣控制原理圖一步一步實現(xiàn)機械手的自動化控制。結(jié) 論45本文設計了一個程控型機器人代替人工工作，實現(xiàn)兩條生產(chǎn)線之間曲軸的搬運。本次設計的主要任務是完成機械手結(jié)構(gòu)方面以及其液壓驅(qū)動系統(tǒng)方面的設計，主要工作包括：（1）通過查閱有關(guān)資料，簡單介紹了國內(nèi)外機器人（機械手）的歷史及發(fā)展概況，介紹了目前機器人的幾種分類形式，列舉出了在生產(chǎn)、生活上和高科技領(lǐng)域中幾種常見的機器人。（2）根據(jù)本課題的給定的依據(jù)，提出了采用四自由度關(guān)節(jié)型機械手的方案，經(jīng)過分析和論證，證明了這種結(jié)構(gòu)的可以滿足工作要求。（3）對機械手的驅(qū)動力和力矩進行計算，根據(jù)液壓驅(qū)動的特點和實際工作需要，提出采用液壓驅(qū)動的方案，并通過比較、擇優(yōu)，證明這種驅(qū)動方案是最佳的。（4）根據(jù)實際的工作要求，選取適宜的液壓元件并對其進行校核，最終確定所需液壓元件的尺寸、材料等，并畫出了各主要部件的機械結(jié)構(gòu)圖。（5）根據(jù)實際工作條件、對機械手動作進行規(guī)劃，將機械手動作設計為順序動作，并擬用電氣來實現(xiàn)對其的順序控制，并提出了手動、自動、單步、單周期、連續(xù)循環(huán)等幾種工作模式以適應不同的操作需求，使系統(tǒng)滿足不同工作條件下的需要。（6）在研究過程中發(fā)現(xiàn)在機械手領(lǐng)域還存在一些具有挑戰(zhàn)性的問題，需要進一步的研究和探索，諸如如何根據(jù)不同的工作環(huán)境和要求，對機械手的物料要求、動作順序、工作范圍進行改進。參考文獻46[1]聞邦椿. 機械設計手冊(第 5 版)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社. 2010.[2]原魁.工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].工廠自動化.2009.第 1 期.34～38[3]周壽明，鄧成良.可用于生產(chǎn)線的工業(yè)機器人研究[J].科技創(chuàng)新導報.2010 第 27期.59-61[4]羅璟，趙克定，陶湘廳，袁銳波.工業(yè)機器人的控制策略探討[J]，機床與液壓.2009-10.第 10 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