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哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 沖壓機械手—液壓系統(tǒng)設計 摘 要 機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。通過編程來完成各種動作，它的準確性和多自由度，保證了機械手能在各種不同的環(huán)境中工作。機械手在工業(yè)生產中應用較多，機械手的使用能夠顯著提高生產效率，減少人為因素造成的廢次品率。機械手可以完成很多工作，它在自動化車間中用來運送物料，從事多種工藝操作。它的特點是通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器人的部分優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的靈活協(xié)調和機器人的精確到位。 機械手是在機械自動化生產中逐步發(fā)展出的一種新型裝置?，F(xiàn)代生產過程中機械手被廣泛的應用到自動生產線中。機械手目前雖然不如人手的靈活多變，但它具有重復性，無疲勞，不懼危險，有大的抓舉力量，因此越來越多的被廣泛運用。 機械手技術涉及機械學、力學、自動控制技術、傳感技術、電氣液壓技術，計算機可編程技術等，是一門跨學科綜合技術。 本課題在執(zhí)行機構由電動和液壓組成的結構基礎上將PLC應用于其自動控制系統(tǒng)，完成機械手系統(tǒng)的硬件及軟件設計。 關鍵詞 PLC；數控；自動卸料；機械手 IV 目 錄 摘 要 I 第1章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2機械手的發(fā)展 2 1.3機械手的分類 2 1.3.1按規(guī)格分類 3 1.3.2按用途分類 3 1.4 課題設計的目的及意義 3 第2章 機械手概述 4 2.1 機械手的組成 4 2.2應用機械手的意義 4 第3章 任務分析 5 3.1動作分析 5 3.2運動節(jié)拍 5 3.3總體方案 5 3.3.1方案一 5 3.3.2方案二 5 3.4方案比較 5 3.5本章小結 5 第4章 總體設計 6 4.1 總體設計的思路 6 4.2 技術指標 6 4.3本章小結 6 第5章 液壓系統(tǒng)設計 7 5.1手指部分 7 5.1.1設計要求： 7 5.1.2工況分析： 7 5.1.3計算外負載： 7 5.1.4運行時間 7 5.1.5確定液壓系統(tǒng)參數 8 5.1.6擬定液壓系統(tǒng)原理圖 10 5.1.7選擇液壓件 10 5.1.8壓力損失驗算 11 5.2手腕 11 5.2.1設計要求 11 5.2.2工況分析 11 5.2.3手腕驅動力矩的計算 11 5.2.4液壓缸所產生的驅動力矩計算 12 5.2.5擬定的液壓原理圖為 13 5.2.6選擇液壓件 13 5.2.7壓力損失驗算 14 5.3手臂伸縮 15 5.3.1設計要求 15 5.3.2工況分析 15 5.3.3計算外負載 15 5.3.4運行時間 15 5.3.5確定液壓系統(tǒng)參數 16 5.3.6擬定液壓系統(tǒng)原理圖 18 5.3.7選擇液壓件 18 5.3.8壓力損失驗算 19 5.4手臂回轉 19 5.4.1設計要求 19 5.4.2工況分析 19 5.4.3手臂驅動力矩的計算 19 5.4.4液壓缸所產生的驅動力矩計算 20 5.4.5擬定的液壓原理圖為 21 5.4.6選擇液壓件 21 5.4.7壓力損失驗算 22 5.5定位 23 5.5.1設計要求 23 5.5.2工況分析 23 5.5.3計算外負載 23 5.5.4運行時間 23 5.5.5確定液壓系統(tǒng)參數 24 5.5.6擬定液壓系統(tǒng)原理圖 25 5.5.7選擇液壓件 25 5.5.8壓力損失驗算 26 5.6手臂升降 27 5.6.1設計要求 27 5.6.2工況分析 27 5.6.3計算外負載 27 5.6.4運行時間 28 5.6.5確定液壓系統(tǒng)參數 28 5.6.6擬定液壓系統(tǒng)原理圖 29 5.6.7選擇液壓件 29 5.6.8壓力損失驗算 30 5.7確定油箱容量 31 5.8本章總結 31 第六章PLC控制回路的設計 32 6.1電磁鐵動作順序 32 6.2 梯形圖 35 結論 37 致謝 38 參考文獻 39 第1章 緒論 1.1 課題背景 隨著我國社會經濟的迅猛發(fā)展，人民物質文化生活水平日益提高，隨著工業(yè)自 動化的普及和發(fā)展,控制器的需求量逐年增大。為了改變落后的生產狀態(tài),緩解日趨緊 張的供求關系,我們就得研究開發(fā)機械手。 新中國成立特別是改革開放以來，我國社會主義現(xiàn)代化建設取得了舉世矚目的偉大成就。同時，必須清醒地看到，我國正處于并將長期處于社會主義初級階段。全面建設小康社會，既面臨難得的歷史機遇，又面臨一系列嚴峻的挑戰(zhàn)。經濟增長過度依賴能源資源消耗，環(huán)境污染嚴重；經濟結構不合理，農業(yè)基礎薄弱，高技術產業(yè)和現(xiàn)代服務業(yè)發(fā)展滯后；自主創(chuàng)新能力較弱，企業(yè)核心競爭力不強，經濟效益有待提高。在擴大勞動就業(yè)、理順分配關系、提供健康保障和確保國家安全等方面，有諸多困難和問題亟待解決。從國際上看，我國也將長期面臨發(fā)達國家在經濟、科技等方面占有優(yōu)勢的巨大壓力。為了抓住機遇、迎接挑戰(zhàn)，我們需要進行多方面的努力，包括統(tǒng)籌全局發(fā)展，深化體制改革，健全民主法制，加強社會管理等。與此同時，我們比以往任何時候都更加需要緊緊依靠科技進步和創(chuàng)新，帶動生產力質的飛躍，推動經濟社會的全面、協(xié)調、可持續(xù)發(fā)展。進入21世紀，我國作為一個發(fā)展中大國，加快科學技術發(fā)展、縮小與發(fā)達國家的差距，還需要較長時期的艱苦努力，同時也有著諸多有利條件。中華民族擁有5000 年的文明史，中華文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成獨特的創(chuàng)新文化。只要我們增強民族自信心，貫徹落實科學發(fā)展觀，深入實施科教興國戰(zhàn)略和人才強國戰(zhàn)略，奮起直追、迎頭趕上，經過15 年乃至更長時間的艱苦奮斗，就一定能夠創(chuàng)造出無愧于時代的輝煌科技成就?？萍脊ぷ鞯闹笇Х结樖牵鹤灾鲃?chuàng)新，重點跨越，支撐發(fā)展，引領未來。自主創(chuàng)新，就是從增強國家創(chuàng)新能力出發(fā)，加強原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進消化吸收再創(chuàng)新。重點跨越，就是堅持有所為、有所不為，選擇具有一定基礎和優(yōu)勢、關系國計民生和國家安全的關鍵領域，集中力量、重點突破，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。支撐發(fā)展， 就是從現(xiàn)實的緊迫需求出發(fā)，著力突破重大關鍵、共性技術，支撐經濟社會的持續(xù)協(xié)調發(fā)展。引領未來，就是著眼長遠，超前部署前沿技術和基礎研究，創(chuàng)造新的市場需求，培育新興產業(yè)，引領未來經濟社會的發(fā)展。這一方針是我國半個多世紀科技發(fā)展實踐經驗的概括總結，是面向未來、實現(xiàn)中華民族偉大復興的重要抉擇。要把提高自主創(chuàng)新能力擺在全部科技工作的突出位置。在對外開放條件下推進社會主義現(xiàn)代化建設，必須認真學習和充分借鑒人類一切優(yōu)秀文明成果。改革開放 20 多年來，我國引進了大量技術和裝備，對提高產業(yè)技術水平、促進經濟發(fā)展起到了重要作用。但是，必須清醒地看到，只引進而不注重技術的消化吸收和再創(chuàng)新，勢必削弱自主研究開發(fā)的能力，拉大與世界先進水平的差距?？傊?，必須把提高自主創(chuàng)新能力作為國家戰(zhàn)略，貫徹到現(xiàn)代化建設的各個方面，貫徹到各個產業(yè)、行業(yè)和地區(qū)，大幅度提高國家競爭力。我國科學技術發(fā)展的總體目標是：自主創(chuàng)新能力顯著增強，科技促進經濟社會發(fā)展和保障國家安全的能力顯著增強，為全面建設小康社會提供強有力的支撐；基礎科學和前沿技術研究綜合實力顯著增強，取得一批在世界具有重大影響的科學技術成果，進入創(chuàng)新型國家行列，為在本世紀中葉成為世界科技強國奠定基礎，形成比較完善的中國特色國家創(chuàng)新體系。 1.2機械手的發(fā)展 機械手一般為三類：一是不需要人工控制的通用型機械手。它是不屬于其他主機的獨立裝置?？梢愿鶕蝿招枰幹篇毩⒊绦蛲瓿筛黜椧?guī)定操作。它的特點是具備不同裝置的性能之外還具備通用機械及記憶功能的三元型機械。二是需要人工操作的，起源于原子，軍事工業(yè)。先是通過操作完成特定工序，后來逐步發(fā)展到無線遙控操作。第三類是專用機械手，通常依附于自動生產線上，用于機床的上下料和裝卸工件。這種機械手國外叫做“Mechanical Hand”。它由主機驅動來服務，工作程序固定，一半是專用的。 機械手首先是在美國開始研制。第一臺機械手是在1958年美國聯(lián)合控制公司研究制作出來的。結構是：主機安裝一個回轉長臂，長臂頂端有電磁 抓放機構。 日本在工業(yè)上應用機械手最多，發(fā)展最快的國家，自1969年從美國引進兩種機械手后開始大力研發(fā)機械手。 前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展和應用，自1977年，前蘇聯(lián)使用的機械手一半來自國產一半來自進口。 現(xiàn)代工業(yè)中，自動化在生產過程中已日趨突出，機械手就是在機械工業(yè)中為實現(xiàn)加工、裝配、搬運等工序的自動化而產生的。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，機械手的出現(xiàn)大大減輕了人類的勞動，提高了生產效率。采用機械手已為目前研究的熱重點。 目前機械手在工業(yè)上主要用于機床加工、鑄造，熱處理等方面，但是還不能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。 1.3機械手的分類 現(xiàn)在對工業(yè)機械手的分類尚無明確標準，一般都從規(guī)格和性能兩方面來分類。 1.3.1按規(guī)格分類 1. 微型的—搬運重量在1公斤以下； 2. 小型的—搬運重量在10公斤以下； 3. 中型的—搬運重量在50公斤以下； 4. 大型的—搬運重量在50公斤以上； 目前大多數工業(yè)機械手能搬運的重量為1~30公斤，最小的為0.5公斤，最大的已達到800公斤。 1.3.2按用途分類 1. 專用機械手 附屬于主機的，具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置，這種工業(yè)機械工作對象不變，手動比較簡單，結構簡單，使用可靠，適用于大批量生產自動線或專機作為自動上、下料用。 2. 通用機械手 具有獨立控制系統(tǒng)，程序可變、動作靈敏、動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強，適用于工件經常變換的中、小批量自動化生產。 1.4 課題設計的目的及意義 自改革開放，我國經濟高速發(fā)展，機械手早期應用在汽車制造業(yè)。當面臨人工無法實現(xiàn)的工作時，機械手成為了替代人工的替代品。機械手的使用能夠顯著的提高生產效率，減少人為因素造成的廢次品率。機械手可以完成很多工作，它在自動化車間中用來運送物料，從事多種工藝操作。它的特點是通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器人的部分優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的靈活協(xié)調和機器人的精確到位。 隨著科學技術的發(fā)展，人們對機械手的安全性，可靠性，準確性有了充分的認識，同時對其要求也越來越高?？删幊炭刂破鲬{其穩(wěn)定性，簡單性，強大性成為了目前應用最廣的工業(yè)自動化支柱之一。 第2章 機械手概述 2.1 機械手的組成 機械手的形式是多樣的，但是其基本的組成都是相似的。一般機械手由執(zhí)行機構、傳動機構，控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。 1.執(zhí)行機構 執(zhí)行機構由手、關節(jié)、手臂和支柱組成，與人體手臂相似。手為抓取機構，用于抓取工件。關節(jié)是連接手與手臂的關鍵性原件，具有多方位旋轉特性。支柱用來支撐手臂，可做活動支柱方便機械手多方位移動。 2.傳動機構 傳動機構用于實現(xiàn)執(zhí)行機構的動作。常用的有機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動，電力傳動等形式。 3.控制系統(tǒng) 機械手按照制定的程序，步驟，參數進行動作完成該指定工作要依靠控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。 4.輔助裝置 輔助裝置主要是連接機械手各部分元件的裝置。 2.2應用機械手的意義 隨著科技的發(fā)展，機械手應用的越來越多。在機械工業(yè)中，機械手應用的意義概括如下： 1.提高生產過程自動化程度，增強生產效率。 機械手方便與材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換等自動化過程，從而提高勞動生產率和降低勞動投入，從而降低生產成本。 2.改善勞動條件 在車間的勞動環(huán)境下，高溫、高壓、噪音、灰塵等污染會嚴重影響人的身體健康，人在車間工作不可避免的會接觸到危險，而應用機械手可以替代人安全的完成作業(yè)，從而改善勞動條件。 3.減少人力資源，便于節(jié)奏生產。 機械手的應用增強了自動化生產，會減少人力的使用。機械手可以長時間重復性連續(xù)完成工作，這是人工無法實現(xiàn)并完成的。生產線增加使用機械手以減少人力和精準的生產節(jié)拍，有利于節(jié)奏性的工作生產。 綜上所述，機械手的合理利用是機械行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。 第3章 任務分析 3.1動作分析 根據生產條件要求，機械手須把加工原料從輸送帶上取下，旋轉 一定角度后將加工原料放入沖壓機填料口，然后返回，重復這一動作。 3.2運動節(jié)拍 插銷定位—手臂前伸—手指抓料—手臂上升—手臂縮回—手腕回轉—拔定位銷—手臂回轉—插定位銷—手臂前伸—手臂下降—手指松開—手臂縮回—手腕回轉—拔定位銷—手臂回轉—插定位銷—手臂伸出。 3.3總體方案 3.3.1方案一 插銷定位—手臂前伸—手指抓料—手臂上升—手臂縮回—拔定位銷—手腕回轉、手臂回轉—插定位銷—手臂前伸—手臂下降—手指松開、手臂縮回—拔定位銷—手腕回轉、手臂回轉—插定位銷。 3.3.2方案二 插銷定位—手臂前伸—手指抓料—手臂上升—手臂縮回、手腕回轉—拔定位銷—手臂回轉—插定位銷—手臂前伸—手臂下降—手指松開—手臂縮回—手腕回轉—拔定位銷—手臂回轉—插定位銷。 3.4方案比較 按照方案一與方案二的行進方式均可完成加工原料的自動填充，但是從工作效率與經濟性方面考慮還是應采用方案一。原因如下：方案一有效的把不做功行程與做功行程以及空行程之間結合在了一起，不僅完成了工作要求，而且提高了工作效率，也間接增加了經濟效益。 3.5本章小結 本章主要介紹了機械手的運行要求，還有機械手在運行時的各動作節(jié)拍以及確定了機械手在正常運行時的動作規(guī)范。 第4章 總體設計 4.1 總體設計的思路 設計機械手基本上分為以下幾個階段： 1.系統(tǒng)分析階段 （1）根據所設計的要求首先確定機械手的目的和任務； （2）分析機械手需要適應的工作環(huán)境； （3）根據機械手的工作要求，確定機械手的基本功能和方案 2.技術設計階段 （1）確定驅動系統(tǒng)的類型； （2）選擇各部件的具體結構，進行機械手總裝圖的設計； （3）繪制機械手的零件圖，并確定尺寸。 4.2 技術指標 1.最大抓取重量：10kg； 2.工件最大尺寸（長x寬x高）：1000×400×400； 3.最大操作范圍：提升高度0.5m，回轉角度60，行走范圍<3m； 4.機械手的自由度：3—5； 5.定位精度：0.5—1mm； 6.裝料高度：800—1000mm； 7.生產綱領：10萬件/年，1—1.5min/件； 8.性能要求：抓取靈活，送放平穩(wěn)，定位可靠，壽命不低于15年； 根據課題要求，本設計采用液壓系統(tǒng)來控制機械手。 4.3本章小結 本章中主要介紹了液壓系統(tǒng)的設計思路，包括系統(tǒng)分析階段和技術設計階段等。并且明確了機械手的設計要求，確定了設計方向。 第5章 液壓系統(tǒng)設計 5.1手指部分 5.1.1設計要求 平穩(wěn)的抓取加工原料，在抓住加工原料后應保持夾緊狀態(tài)。 5.1.2工況分析 工作循環(huán)為快進—慢進—夾緊—快退—原位停止，快進、快退速度均為0.1m/s、慢進速度為0.01m/s單行程為0.1m，加速、減速時間為0.2s，靜、動摩擦因數為fs=0.1、fd=0.1，執(zhí)行機構所需的負載力為900N，執(zhí)行機構的重量為150N。 5.1.3計算外負載 ——動摩擦阻力 ——靜摩擦阻力 ——快速時的慣性阻力 ——慢速時的慣性阻力 各工作狀況下的液壓缸的負載力的大小見下表 5-1 5.1.4運行時間 快進時間見式（5-1）[2] (5-1) 慢進時間見式（5-2）[2] （5-2) 快退時間見式（5-3）[2] （5-3） 表5-1 負載力 工況 計算公式 液壓缸負載，N 液壓缸驅動力，N 啟動 15 17 加速 23 25 快進 15 17 慢進 15 17 夾緊 900 1000 快退 15 17 制動 7 8 5.1.5確定液壓系統(tǒng)參數 1.初選液壓缸的工作壓力 根據表20-3-1[1]，選定液壓缸的工作壓力為1MPa，回油腔壓力p2=0.2MPa。 2.計算液壓缸尺寸 因為往返速度相同，所以d=0.71D，活塞面積見式（5-4）[2] （5-4） ————————液壓缸驅動力 —————無桿腔活塞有效工作面積 ——有桿腔活塞有效工作面積 ————————液壓缸工作腔壓力 ————————液壓缸回油腔壓力，即背壓力 ————————活塞直徑 ————————活塞桿直徑 取標準值D=40mm，活塞桿直徑d=0.71D=28.4mm 取標準值d=32mm 無桿腔面積見式（5-5）[2] （5-5） 有桿腔面積見式（5-6）[2] （5-6） 液壓缸各工況參數見 表5-2 表5-2 液壓缸參數表 工況 計算公式 驅動力，N 液壓缸 p2×105,Pa p1×105,Pa qv×10-5, m3/s 功率，W 快進 起動 17 Δp2=0 0.13 13 13.7 加速 25 Δp2=2 1.12 快進 17 Δp2=2 1.05 慢進 17 Δp2=2 1.05 1.3 1.4 夾緊 1000 — 7.7 — — 快退 起動 17 Δp2=0 0.28 6 27.6 加速 25 Δp2=2 4.7 快退 17 Δp2=2 4.6 制動 8 Δp2=2 4.5 5.1.6擬定液壓系統(tǒng)原理圖 圖 5-1 夾緊缸系統(tǒng)圖 5.1.7選擇液壓件 1.選擇液壓泵和電機 確定液壓泵的工作壓力 液壓缸在整個工作循環(huán)中的最大工作壓力為0.77MPa。因為油路簡單、流速不大，管路損失取ΣΔp=0.2MPa，溢流閥的調整壓力比系統(tǒng)最高壓力大0.2MPa，故泵的最高工作壓力為pP1=（0.77+0.2+0.2）MPa=1.17MPa，這是流量泵的最高工作壓力，即溢流閥的調整工作壓力。液壓泵的公稱工作壓力pr為pr=1.5MPa 在快進時，最大流量值為13×10-5m3/s,取K=1.15，計算泵的最大流量見式（5-7）[2] qvp≥K（Σqv）max （5-7） qvp=1.5×10-4m3/s 2.元、輔件的選擇見 表5-3 編號 元件名稱 技術數據p×105，Pa qv×10-5，m3/s 調整壓力 1 液控單向閥 p=63，qv=25，Δp＜2，實際qv=13 2 二位四通電磁換向閥 p=63，qv=25 3 溢流閥 p=63，qv=10，卸荷壓力p＜1.5 4 減壓閥 p=63，qv=25 表5-3 元件表 3.確定管道尺寸見式（5-7）[2] （5-7） 選用16mm×14mm無縫鋼管。 5.1.8壓力損失驗算 已知：進油管長L=1m，油管內徑14mm，流量1.3×10-4m3/s，選用L-AN32全損耗系統(tǒng)用油，最低工作溫度15℃，v=1.5cm2/s。 1.判斷油流類型見式（5-8）[2] （5-8） 為層流 2.進油路上沿程壓力損失見式（5-9）[2] （5-9） 3.回油路上沿程壓力損失見式（5-10）[2] （5-10） 4.局部壓力損失見式（5-11）[2] （5-11） 取油流通過集成塊時的壓力損失Δpj=0.03MPa 所以總的壓力損失為Δp=（0.02+0.01+0.016+0.03）MPa=0.076MPa 5.2手腕部分 5.2.1設計要求 平穩(wěn)的轉動手腕、手指部分 5.2.2工況分析 工件重100N，手指部分重量為300N 5.2.3手腕驅動力矩的計算 驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動的重心與軸線不重合所產生的偏重力矩。取角速度為0.3rad/s手腕轉動時所需要的驅動力矩可按下式計算： M驅=M慣+M偏+M摩 式中：M驅——驅動手腕轉動的驅動力矩 M慣——慣性力矩 M偏——轉動的零部件的重量對轉動軸線所產生的偏重力矩 M摩——手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩 1.摩擦阻力矩見式（4-1）[3] （4-1） 式中： f——軸承的摩擦系數，滾動軸承取f=0.01～0.02； N——軸承支承反力 （N）； D——軸承直徑（m）； 由設計知D=0.1m、N=400N，采用滾動軸承 Mf=0.8（N·m） 2.重心引起的偏置力矩 M偏=G1·e 式中 G1——裝置重量（N）；e——偏心距 當e=0.010，G1=400N時 M偏=4（N·m） 3.腕部啟動時的慣性阻力矩M慣 式中： ω——手腕回轉角速度 （rad/s）； t——手腕啟動過程中所用時間（s），取0.05s； J——手腕回轉部件對回轉軸線的轉動慣量（kg·m）； （kg·m） 考慮到驅動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可?。篗=1.2 因此，得M=1.2×（0.8+4+0.05）=4.85（N·m） 5.2.4液壓缸所產生的驅動力矩計算 液壓缸所產生的驅動力矩必須大干總的阻力矩，即M驅>M總 查 表22.6-137[1] 表22.6-137 擺動缸參數表 選取ZBFZD4090°液壓缸，選定工作壓力1.5MPa，因為設定的角速度為0.3rad/s（17.2°/s）,查表22.6-137[1]，得流量為1.67×10-5m3/s。 液壓缸的功率見式（4-2）[1] P=p1qv =1.67×10-5×1.5×106W=25.05W （4-2） 轉動時間為 t=θ/ω=（90/17.2）s=5.23s 5.2.5擬定的液壓原理圖為 圖5-2 手腕回轉系統(tǒng)圖 5.2.6選擇液壓件 1.選擇液壓泵和電機 確定液壓泵的工作壓力 液壓缸的最大壓力為1.5MPa。油路簡單、流速不大，管路損失取ΣΔp=0.25MPa，泵的最高工作壓力為pP1=（1.5+0.25）MPa=1.75MPa，這是流量泵的最高工作壓力，液壓泵的公稱工作壓力pr為pr=2.19MPa 2.液壓泵流量 在轉動時，最大流量值為1.67×10-5m3/s,取K=1.15，計算泵的最大流量qvp≥K（Σqv）max qvp=2×10-5m3/s 3. 元、輔件的選擇見 表5-4 表5-4 元件表 編號 元件名稱 技術數據p×105，Pa qv×10-5，m3/s 調整壓力 1 單向調速閥 p=63，qv=25，Δp＜2，實際qv=1.67 2 三位四通電磁換向閥 p=63，qv=25 4.油管尺寸 選用8mm×6mm無縫鋼管。 5.2.7壓力損失驗算 已知：油管長L=2m，油管內徑4mm，流量1.67×10-5m3/s，選用L-AN32全損耗系統(tǒng)用油，最低工作溫度15℃，v=1.5cm2/s。 1.判斷油流類型（5-8）[2] （5-8） 為層流 2.進油路上壓力損失見式（5-9）[2] （5-9） 3.回油路上壓力損失見式（5-10）[2] （5-10） 4.局部壓力損失見式（5-11）[2] （5-10） 取油流通過集成塊時的壓力損失 Δpj=0.13MPa 所以總的壓力損失為Δp=（0.2+0.17+0.17+0.13）MPa=0.67MPa。 5.3手臂伸縮 5.3.1設計要求 平穩(wěn)的輸送加工原料。 5.3.2工況分析 工作循環(huán)為快進—制動—1工進—原位停止—2工進—制動—快退—制動?？爝M、快退速度均為0.1m/s，工進速度為0.05m/s，單行程為0.5m，加速、減速時間為0.2s，靜、動摩擦因數為fs=0.15、fd=0.15，執(zhí)行機構的重量為2000N、工件重量100N。 5.3.3計算外負載 空載時：動摩擦阻力 Ffd=Fgfd=0.15×2000N=300N 靜摩擦阻力 Ffs=Fgfs=0.15×2000N=300N 負載時：動摩擦阻力 Ffd=（Mg+Fg）fd=0.15×2100N=315N 靜摩擦阻力 Ffs=（Mg+Fg）fs =0.15×2100N=315N 快速時的慣性阻力 工進時的慣性阻力 液壓缸各工況負載見 表5-5 5.3.4運行時間 快進時間 快退時間 工進時間 表5-5 負載力 工況 計算公式 液壓缸負載力，N 液壓缸驅動力，N 啟動 300 333 加速 402 447 快進 300 333 制動 198 220 啟動 315 350 加速 369 410 工進 315 350 制動 261 290 快退 300 333 制動 198 220 5.3.5確定液壓系統(tǒng)參數 1.初選液壓缸的工作壓力 根據 表20-3-1[1],選定液壓缸的工作壓力為3MPa、背壓為0.5MPa，快速回油時回油腔壓力為0.3MPa 2.計算液壓缸尺寸 因為往返速度相同，所以d=0.71D ———————液壓缸驅動力 ————無桿腔活塞有效工作面積 —有桿腔活塞有效工作面積 ———————液壓缸工作腔壓力 ———————液壓缸回油腔壓力，即背壓力 ———————活塞直徑 ———————活塞桿直徑 取標準值D=25mm,活塞桿直徑d=17.5mm，取標準值d=18mm。 無桿腔面積 有桿腔面積 液壓缸工作參數見 表5-6 表5-6 液壓缸參數 工況 計算公式 驅動力，N 液壓缸 p2×105，Pa p1×105，Pa qv×10-5 ，m3/s 功率，W 快進 起動 333 Δp2=0 6.8 4.9 40.7 加速 447 Δp2=3 10.5 快進 333 Δp2=3 8.3 制動 220 Δp2=3 6 1工進 起動 350 Δp2=0 7 2.45 23.5 加速 410 Δp2=5 10.8 工進 350 Δp2=5 9.6 制動 290 Δp2=5 8.4 2工進 起動 350 Δp2=0 14.5 1.2 30 加速 410 Δp2=5 27.3 工進 350 Δp2=5 24.8 制動 290 Δp2=5 22.3 快退 起動 333 Δp2=0 13.9 2.4 48 加速 447 Δp2=3 24.8 快退 333 Δp2=3 20 制動 220 Δp2=3 15.3 5.3.6擬定液壓系統(tǒng)原理圖 圖5-3手臂伸縮缸系統(tǒng)圖 5.3.7選擇液壓件 1.選擇液壓泵和電機 確定液壓泵的工作壓力 液壓缸在工作中的最大壓力為2.73MPa。油路簡單、流速不大，管路損失取ΣΔp=0.2MPa，泵的最高壓力為pP1=（2.73+0.2）MPa=2.93MPa，這是流量泵的最高工作壓力。液壓泵的公稱工作壓力pr為pr=3.66MPa。 2. 液壓泵流量 在快進時，最大流量值為4.9×10-5m3/s,取K=1.15，計算泵的最大流量 qvp≥K（Σqv）max qvp=1.15×4.9×10-5m3/s=5.6×10-5m3/s 3.元、輔件的選擇見 表5-7 表5-7 元件表 編號 元件名稱 技術數據p×105，Pa qv×10-5，m3/s 調整壓力 1 調速閥 p=63，qv=25，Δp=2~3，實際qv=0.03 2 二位二通電磁換向閥 p=63，qv=25 3 二位四通電磁換向閥 p=63，qv=25 4.確定管道尺寸 取d=10mm，選用12mm×10mm無縫鋼管。 5.3.8壓力損失驗算 已知：油管長L=1m，油管內徑5mm，通過流量7×10-5m3/s，選用L-AN32全損耗系統(tǒng)用油，最低工作溫度15℃，v=1.5cm2/s。 1.判斷油流類型 為層流 2.進油路上沿程壓力損失 3.回油路上沿程壓力損失 4.局部壓力損失 取油流通過集成塊時的壓力損失Δpj=0.03MPa 所以總的壓力損失為Δp=（0.03+0.015+0.04+0.03）MPa=0.115MPa 5.4手臂回轉 5.4.1設計要求 平穩(wěn)的轉動手臂部分 5.4.2工況分析 工件重100N，手臂部分重量為5000N 5.4.3手臂驅動力矩的計算 驅動手臂回轉時的驅動力矩必須克服手臂起動時所產生的慣性力矩，手臂的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩以及由于轉動的重心與軸線不重合所產生的偏重力矩。取角速度為0.2rad/s手腕轉動時所需要的驅動力矩可按下式計算： M驅= M慣+ M偏+ M摩 式中： M驅——驅動手臂轉動的驅動力矩 M慣——慣性力矩 M偏——轉動的零部件的重量對轉動軸線所產生的偏重力矩 M摩——手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩 1.摩擦阻力矩M摩 式中： f——軸承的摩擦系數，滾動軸承取f=0.01～0.02； N——軸承支承反力 （N）； D——軸承直徑（m）； 由設計知D=0.1m、N=5100N，采用推力球軸承 Mf=10.2（N·m） 2.重心引起的偏置力矩 M偏=G1·e 式中 G1——裝置重量（N），e——偏心距（m） 當e=0.010，G1=5100N時 （N·m） 3.手臂啟動時的慣性阻力矩M慣 式中 ——手腕回轉角速度 （rad/s） t——手臂啟動過程中所用時間（s），取0.1s。 J——手臂回轉部件對回轉軸線的轉動慣量（kg·m） （kg·m） M慣= 0.64（N·m） 考慮到驅動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取：M=1.2 M=1.2×（10.2+51+0.64）=61.84（N·m） 5.4.4液壓缸所產生的驅動力矩計算 液壓缸所產生的驅動力矩必須大干總的阻力矩，即M驅>M總，查 表22.6-137[1]。 表22.6-137 擺動缸基本參數表 選取ZBFZD5060°液壓缸，選定工作壓力1.5MPa，因為設定的角速度為0.2rad/s（11.46°/s），查 表22.6-137[1]，得流量為2×10-5m3/s，液壓缸的功率由下面公式可得： P=p1qv=2×10-5×1.5×106W=30W 轉動時間為 t=θ/ω=（60/11.46）s=5.23s 5.4.5擬定液壓原理圖 圖5-4 手臂回轉缸系統(tǒng)圖 5.4.6選擇液壓件 1.選擇液壓泵和電機 確定液壓泵的工作壓力 液壓缸在工作中的最大壓力為1.5MPa。管路損失取ΣΔp=0.3MPa，泵的最高壓力為pP1=（1.5+0.3）MPa=1.8MPa，這是流量泵的最高工作壓力，液壓泵的公稱工作壓力pr為pr=1.25pP1=1.25×1.8MPa=2.25MPa 2.液壓泵流量 在轉動時，最大流量值為2×10-5m3/s,取K=1.15，計算泵的最大流量 qvp≥K（Σqv）max qvp=1.15×2×10-5m3/s=2.3×10-5m3/s 編號 元件名稱 技術數據p×105，Pa qv×10-5，m3/s 調整壓力 1 單向調速閥 p=63，qv=25，Δp＜2，實際qv=2 2 三位四通電磁換向閥 p=63，qv=25 3. 元、輔件的選擇見 表5-8 表5-8 元件表 4.確定管道尺寸 選用9mm×7mm無縫鋼管。 5.4.7壓力損失驗算 已知：油管長L=2m，油管內徑7mm，通過流量2×10-5m3/s，選用L-AN32全損耗系統(tǒng)用油，最低工作溫度15℃，v=1.5cm2/s。 1.判斷油流類型 為層流 2.進油路上沿程壓力損失ΣΔp1 3.回油路上沿程壓力損失ΣΔp1 4.局部壓力損失 取油流通過集成塊時Δpj=0.1MPa，總的壓力損失為Δp=0.52MPa。 5.5定位 5.5.1設計要求 快速、準確定位 5.5.2工況分析 工作循環(huán)為快進—中?！焱恕煌Ｖ梗捎枚ㄎ讳N定位，定位銷的重量為100N，與裝置間的壓力為100N，靜、動摩擦因數均為0.15，快進、快退的速度均為0.1m/s，加減速反應時間為0.2s，單行程為0.1m。 5.5.3計算外負載 動摩擦阻力 Ffd=Fgfd=0.15×100N=15N 靜摩擦阻力 Ffs=Fgfs =0.15N=15N 慣性阻力 液壓缸負載見 表5-7 表5-7 負載力 工況 計算公式 液壓缸負載，N 液壓缸驅動力，W 啟動 15 17 加速 20 22 快進 15 17 快退 15 17 制動 10 11 5.5.4運行時間 快進 快退 5.5.5確定液壓系統(tǒng)參數 1.初選液壓缸的工作壓力 查 表20-3-1[1]，選定工作壓力為1.5MPa，假定回油壓力p2=0.2MPa。 2.計算液壓缸尺寸 因為往返速度相同，所以d=0.71D ————————液壓缸驅動力 —————無桿腔活塞有效工作面積 ——有桿腔活塞有效工作面積 ————————液壓缸工作腔壓力 ————————液壓缸回油腔壓力，即背壓力 ————————活塞直徑 ————————活塞桿直徑 取標準值D=8mm， 活塞桿直徑d=5.68mm ，取標準值d=6mm 液壓缸尺寸取標準值后的有效工作面積 無桿腔面積 有桿腔面積 液壓缸各工況參數見 表5-8。 表5-8 液壓缸參數表 工況 計算公式 驅動力，N 液壓缸 p2×105，Pa p1×105，Pa qv×105， m3/s 功率，W 快進 起動 17 Δp2=0 3.4 0.5 2.2 加速 22 Δp2=2 5.3 快進 17 Δp2=2 4.3 制動 11 Δp2=2 3.1 快退 起動 17 Δp2=0 7.7 0.22 2.7 加速 22 Δp2=2 14.5 快退 17 Δp2=2 12.3 制動 11 Δp2=2 9.5 5.5.6擬定液壓系統(tǒng)原理圖 圖5-6 定位缸系統(tǒng)圖 5.5.7選擇液壓件 1.選擇液壓泵和電機 確定液壓泵的工作壓力 液壓缸在工作中的最大壓力為1.45MPa。管路損失取Δp=0.1MPa，故泵的最高工作壓力為pP1=（1.45+0.1）MPa=1.55MPa，這是流量泵的最高工作壓力。液壓泵的公稱工作壓力pr為pr=1.25pP1=1.94MPa。 2.液壓泵流量 在快進時，最大流量值為0.5×10-5m3/s,取K=1.15，計算泵的最大流量qvp≥K（Σqv）max ，qvp=0.6×10-5m3/s。 3.元、輔件的選擇見表5-9 編號 元件名稱 技術數據p×105，Pa qv×10-5，m3/s 調整壓力 1 單向閥 p=63，qv=10，Δp＜2，實際qv=9 2 二位四通電磁換向閥 p=63，qv=25 4 減壓閥 p=63，qv=10 表5-9 4.確定管道尺寸 ， 取d=5mm，選用7mm×5mm冷拔無縫鋼管。 5.5.8壓力損失驗算 已知：油管L=1m，油管內徑3mm，通過流量0.5×10-5m3/s，選用L-AN32全損耗系統(tǒng)用油，最低工作溫度15℃，v=1.5cm2/s。 1.油流類型 為層流 2.進油路上沿程壓力損失ΣΔp1 3.回油路上沿程壓力損失ΣΔp1 4.局部壓力損失 取油流通過集成塊時的壓力損失Δpj=0.03MPa，所以總的壓力損失為 Δp=（0.05+0.025+0.12+0.03）MPa=0.23MPa。 5.6手臂升降 5.6.1設計要求 平穩(wěn)的進行手臂升降 5.6.2工況分析 工作循環(huán)為上升—中停—下降—停止，單行程為0.3m，上升與下降的速度均為0.1m/s。手臂與工件的總重量為6000N，考慮到手臂為懸掛放置，設定手臂與基體間的壓力為500N，靜、動摩擦系數均為0.1，加速、減速時間為0.2s 5.6.3計算外負載 動摩擦阻力 靜摩擦阻力 慣性阻力 液壓缸工作時的負載力見 表5-10 表5-10 負載力 工況 計算公式 液壓缸負載F，N 液壓缸驅動力，N 啟動 6050 6722 加速 6356 7062 上升 6050 6722 制動 5744 6382 反向啟動 5950 6611 加速 5644 6271 下降 5950 6611 制動 6256 6951 5.6.4運行時間 上升時間 下降時間 5.6.5確定液壓系統(tǒng)參數 1.初選液壓缸的工作壓力 根據 表20-3-1[1],選定液壓缸的工作壓力為4MPa，上升時回油腔壓力Δp2=0.5MPa，背壓為p2=0.75MPa。 2.計算液壓缸尺寸 因為往返速度相同，所以d=0.71D ———————液壓缸驅動力 ————無桿腔活塞有效工作面積 —有桿腔活塞有效工作面積 ———————液壓缸工作腔壓力 ———————液壓缸回油腔壓力，即背壓力 ———————活塞直徑 ———————活塞桿直徑 取標準值D=100mm 活塞桿直徑d=0.71D=71mm 取標準值d=70mm 液壓缸尺寸取標準值后的有效工作面積 無桿腔面積 有桿腔面積 液壓缸工作參數見 表5-11 表5-11 液壓缸參數表 工況 計算公式 驅動力，N 液壓缸 p2×105，Pa p1×105，Pa qv×10-5，m3/s 功率，W 上升 起動 6722 Δp2=0 8.4 80 880 加速 7062 Δp2=5 11.33 上升 6722 Δp2=5 11 制動 6382 Δp2=5 10.5 下降 起動 6611 p2=0 16.5 40 61.2 加速 6271 p2=7.5 0.68 下降 6611 p2=7.5 1.53 制動 6951 p2=7.5 2.38 5.6.6擬定液壓系統(tǒng)原理圖 圖5-7 手臂升降缸系統(tǒng)圖 5.6.7選擇液壓件 1.選擇液壓泵和電機 確定液壓泵的工作壓力 液壓缸在工作中的最大工作壓力為1.65MPa。因為油路簡單，管路損失取ΣΔp=0.35MPa，泵的最高壓力為pP1=（1.65+0.35）MPa=2MPa，這是流量泵的最高工作壓力,液壓泵的公稱工作壓力pr為 pr=1.25pP1=1.25×2MPa=2.5MPa 2.液壓泵流量 在上升時，最大流量值為8×10-4m3/s,取K=1.15，計算泵的最大流量 qvp≥K（Σqv）max qvp=9.2×10-4m3/s 3.元、輔件的選擇見 表5-12 表5-12 元件表 編號 元件名稱 技術數據p×105，Pa qv×10-5，m3/s 調整壓力,MPa 1 單向順序閥 p=63，qv=25，Δp＜2，實際qv=13 7.5 2 三位四通電磁換向閥 p=63，qv=25 4 調速閥 p=63，qv=25，Δp=2~3 4.確定管道尺寸 選用18mm×15mm無縫鋼管。 5.6.8壓力損失驗算 已知：油管長L=2m，油管內徑15mm，通過流量8×10-4m3/s，選用L-AN32全損耗系統(tǒng)用油，最低工作溫度15℃，v=1.5cm2/s。 1.判斷油流類型 為層流 2.進油路上沿程壓力損失 3.回油路上沿程壓力損失 4.局部壓力損失 取油流通過集成塊時的壓力損失Δpj=0.13MPa，所以總的壓力損失為 Δp=0.56MPa 5.7確定油箱容量 中壓系統(tǒng)油箱的容量，一般取液壓泵公稱流量qv的5~7倍 V=7qv=7×9.2×10-4m3=6.44×10-3m3 從以上內容得知，在機械手臂上升時消耗功率最大，為簡化計算，主要考慮機械手臂上升時的發(fā)熱，即計算此時的系統(tǒng)溫升。 1. 液壓泵的輸入功率見式（3-1）[3] （3-1） 2. 有效功率 上升時負載為6722N，上升速度為0.1m/s；輸出功率為 3. 系統(tǒng)發(fā)熱功率Ph為（3-2）[3] （3-2） 4. 散熱面積 油箱容積40L，油箱近似散熱面積A為 5. 油液溫升Δt假定采用風冷，取油箱的傳熱系數Kt=23W/(㎡·℃),可得油液溫升為 設夏天的室溫為30℃，則油溫為（30+22.6）℃=52.6℃，沒有超過最高允許油溫（50—60）℃。根據以上計算數據的要求，選用功率為1.1kW的標準型號電機。選用容積為40L的油箱，以及公稱壓力為6.3MPa的低壓葉片泵。 5.8本章總結 分別分析了機械手的各部分液壓系統(tǒng)，計算出了各個部分所需要的壓力、流量以及工作時間；確定了總的液壓系統(tǒng)圖，充分的體現(xiàn)了機械手各部分的協(xié)調運行。 第六章PLC控制回路的設計 6.1電磁鐵動作順序 1. 電磁鐵的動作順序表見 表6-1 表6-1電磁鐵的動作順序表 序號 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 6DT 7DT 8DT 9DT 10DT 11DT 12DT 13DT 1 插定位銷 + 2 手臂前伸 + + 3 手指閉合 + + 4 手臂上升 + + 5 手臂回縮 +