冲压机械手---液压系统设计（全套图纸）.doc

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1、毕业设计说明书论文(全套CAD图纸) QQ 36396305 冲压机械手液压系统设计摘 要机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。通过编程来完成各种动作，它的准确性和多自由度，保证了机械手能在各种不同的环境中工作。机械手在工业生产中应用较多，机械手的使用能够显著提高生产效率，减少人为因素造成的废次品率。机械手可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。它的特点是通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器人的精确到位。机械手是在机械自动化生产中逐步发展出的一种新型装置。现代生产过程中机械手被广泛的应用到自动

2、生产线中。机械手目前虽然不如人手的灵活多变，但它具有重复性，无疲劳，不惧危险，有大的抓举力量，因此越来越多的被广泛运用。机械手技术涉及机械学、力学、自动控制技术、传感技术、电气液压技术，计算机可编程技术等，是一门跨学科综合技术。本课题在执行机构由电动和液压组成的结构基础上将PLC应用于其自动控制系统，完成机械手系统的硬件及软件设计。 关键词 PLC；数控；自动卸料；机械手IV 目 录摘 要I第1章 绪论1 1.1 课题背景1 1.2机械手的发展2 1.3机械手的分类2 1.3.1按规格分类3 1.3.2按用途分类3 1.4 课题设计的目的及意义3第2章 机械手概述4 2.1 机械手的组成4 2

3、.2应用机械手的意义4第3章 任务分析5 3.1动作分析5 3.2运动节拍5 3.3总体方案5 3.3.1方案一5 3.3.2方案二5 3.4方案比较5 3.5本章小结5第4章 总体设计6 4.1 总体设计的思路6 4.2 技术指标6 4.3本章小结6第5章 液压系统设计7 5.1手指部分7 5.1.1设计要求：7 5.1.2工况分析：7 5.1.3计算外负载：7 5.1.4运行时间7 5.1.5确定液压系统参数8 5.1.6拟定液压系统原理图10 5.1.7选择液压件10 5.1.8压力损失验算11 5.2手腕11 5.2.1设计要求11 5.2.2工况分析11 5.2.3手腕驱动力矩的计算

4、11 5.2.4液压缸所产生的驱动力矩计算12 5.2.5拟定的液压原理图为13 5.2.6选择液压件13 5.2.7压力损失验算14 5.3手臂伸缩15 5.3.1设计要求15 5.3.2工况分析15 5.3.3计算外负载15 5.3.4运行时间15 5.3.5确定液压系统参数16 5.3.6拟定液压系统原理图18 5.3.7选择液压件18 5.3.8压力损失验算19 5.4手臂回转19 5.4.1设计要求19 5.4.2工况分析19 5.4.3手臂驱动力矩的计算19 5.4.4液压缸所产生的驱动力矩计算20 5.4.5拟定的液压原理图为21 5.4.6选择液压件21 5.4.7压力损失验算

5、22 5.5定位23 5.5.1设计要求23 5.5.2工况分析23 5.5.3计算外负载23 5.5.4运行时间23 5.5.5确定液压系统参数24 5.5.6拟定液压系统原理图25 5.5.7选择液压件25 5.5.8压力损失验算26 5.6手臂升降27 5.6.1设计要求27 5.6.2工况分析27 5.6.3计算外负载27 5.6.4运行时间28 5.6.5确定液压系统参数28 5.6.6拟定液压系统原理图29 5.6.7选择液压件29 5.6.8压力损失验算30 5.7确定油箱容量31 5.8本章总结31第六章PLC控制回路的设计32 6.1电磁铁动作顺序32 6.2 梯形图35结论

6、37致谢38参考文献39第1章 绪论1.1 课题背景随着我国社会经济的迅猛发展，人民物质文化生活水平日益提高，随着工业自 动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大。为了改变落后的生产状态,缓解日趋紧 张的供求关系,我们就得研究开发机械手。 新中国成立特别是改革开放以来，我国社会主义现代化建设取得了举世瞩目的伟大成就。同时，必须清醒地看到，我国正处于并将长期处于社会主义初级阶段。全面建设小康社会，既面临难得的历史机遇，又面临一系列严峻的挑战。经济增长过度依赖能源资源消耗，环境污染严重；经济结构不合理，农业基础薄弱，高技术产业和现代服务业发展滞后；自主创新能力较弱，企业核心竞争力不强，经济效益有待

7、提高。在扩大劳动就业、理顺分配关系、提供健康保障和确保国家安全等方面，有诸多困难和问题亟待解决。从国际上看，我国也将长期面临发达国家在经济、科技等方面占有优势的巨大压力。为了抓住机遇、迎接挑战，我们需要进行多方面的努力，包括统筹全局发展，深化体制改革，健全民主法制，加强社会管理等。与此同时，我们比以往任何时候都更加需要紧紧依靠科技进步和创新，带动生产力质的飞跃，推动经济社会的全面、协调、可持续发展。进入21世纪，我国作为一个发展中大国，加快科学技术发展、缩小与发达国家的差距，还需要较长时期的艰苦努力，同时也有着诸多有利条件。中华民族拥有5000 年的文明史，中华文化博大精深、兼容并蓄，更有利于

8、形成独特的创新文化。只要我们增强民族自信心，贯彻落实科学发展观，深入实施科教兴国战略和人才强国战略，奋起直追、迎头赶上，经过15 年乃至更长时间的艰苦奋斗，就一定能够创造出无愧于时代的辉煌科技成就。科技工作的指导方针是：自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国计民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。支撑发展， 就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支撑经济社会的持续协调发展。引领未来，就是着眼长远，超前部署前

9、沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。这一方针是我国半个多世纪科技发展实践经验的概括总结，是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。要把提高自主创新能力摆在全部科技工作的突出位置。在对外开放条件下推进社会主义现代化建设，必须认真学习和充分借鉴人类一切优秀文明成果。改革开放 20 多年来，我国引进了大量技术和装备，对提高产业技术水平、促进经济发展起到了重要作用。但是，必须清醒地看到，只引进而不注重技术的消化吸收和再创新，势必削弱自主研究开发的能力，拉大与世界先进水平的差距。总之，必须把提高自主创新能力作为国家战略，贯彻到现代化建设的各个方面，贯彻到各个产业、

10、行业和地区，大幅度提高国家竞争力。我国科学技术发展的总体目标是：自主创新能力显著增强，科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强，为全面建设小康社会提供强有力的支撑；基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强，取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果，进入创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础，形成比较完善的中国特色国家创新体系。1.2机械手的发展 机械手一般为三类：一是不需要人工控制的通用型机械手。它是不属于其他主机的独立装置。可以根据任务需要编制独立程序完成各项规定操作。它的特点是具备不同装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能的三元型机械。二是需要人工操作的，起源于原子，

11、军事工业。先是通过操作完成特定工序，后来逐步发展到无线遥控操作。第三类是专用机械手，通常依附于自动生产线上，用于机床的上下料和装卸工件。这种机械手国外叫做“Mechanical Hand”。它由主机驱动来服务，工作程序固定，一半是专用的。 机械手首先是在美国开始研制。第一台机械手是在1958年美国联合控制公司研究制作出来的。结构是：主机安装一个回转长臂，长臂顶端有电磁 抓放机构。 日本在工业上应用机械手最多，发展最快的国家，自1969年从美国引进两种机械手后开始大力研发机械手。 前苏联自六十年代开始发展和应用，自1977年，前苏联使用的机械手一半来自国产一半来自进口。 现代工业中，自动化在生产

12、过程中已日趋突出，机械手就是在机械工业中为实现加工、装配、搬运等工序的自动化而产生的。随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了人类的劳动，提高了生产效率。采用机械手已为目前研究的热重点。目前机械手在工业上主要用于机床加工、铸造，热处理等方面，但是还不能够满足现代工业发展的需求。1.3机械手的分类 现在对工业机械手的分类尚无明确标准，一般都从规格和性能两方面来分类。1.3.1按规格分类1. 微型的搬运重量在1公斤以下；2. 小型的搬运重量在10公斤以下；3. 中型的搬运重量在50公斤以下；4. 大型的搬运重量在50公斤以上；目前大多数工业机械手能搬运的重量为130公斤，最小的为0.5公斤，最

13、大的已达到800公斤。 1.3.2按用途分类1. 专用机械手附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，这种工业机械工作对象不变，手动比较简单，结构简单，使用可靠，适用于大批量生产自动线或专机作为自动上、下料用。2. 通用机械手具有独立控制系统，程序可变、动作灵敏、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。1.4 课题设计的目的及意义自改革开放，我国经济高速发展，机械手早期应用在汽车制造业。当面临人工无法实现的工作时，机械手成为了替代人工的替代品。机械手的使用能够显著的提高生产效率，减少人为因素造成的废次品率。机械手

14、可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。它的特点是通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器人的精确到位。随着科学技术的发展，人们对机械手的安全性，可靠性，准确性有了充分的认识，同时对其要求也越来越高。可编程控制器凭其稳定性，简单性，强大性成为了目前应用最广的工业自动化支柱之一。第2章 机械手概述2.1 机械手的组成机械手的形式是多样的，但是其基本的组成都是相似的。一般机械手由执行机构、传动机构，控制系统和辅助装置组成。1.执行机构执行机构由手、关节、手臂和支柱组成，与人体手臂相似。手为抓取机构，用于抓取工件。关

15、节是连接手与手臂的关键性原件，具有多方位旋转特性。支柱用来支撑手臂，可做活动支柱方便机械手多方位移动。2.传动机构传动机构用于实现执行机构的动作。常用的有机械传动、液压传动、气压传动，电力传动等形式。3.控制系统机械手按照制定的程序，步骤，参数进行动作完成该指定工作要依靠控制系统来实现。4.辅助装置辅助装置主要是连接机械手各部分元件的装置。2.2应用机械手的意义随着科技的发展，机械手应用的越来越多。在机械工业中，机械手应用的意义概括如下：1.提高生产过程自动化程度，增强生产效率。 机械手方便与材料的传送、工件的装卸、刀具的更换等自动化过程，从而提高劳动生产率和降低劳动投入，从而降低生产成本。2

16、.改善劳动条件 在车间的劳动环境下，高温、高压、噪音、灰尘等污染会严重影响人的身体健康，人在车间工作不可避免的会接触到危险，而应用机械手可以替代人安全的完成作业，从而改善劳动条件。 3.减少人力资源，便于节奏生产。机械手的应用增强了自动化生产，会减少人力的使用。机械手可以长时间重复性连续完成工作，这是人工无法实现并完成的。生产线增加使用机械手以减少人力和精准的生产节拍，有利于节奏性的工作生产。综上所述，机械手的合理利用是机械行业发展的必然趋势。第3章 任务分析3.1动作分析 根据生产条件要求，机械手须把加工原料从输送带上取下，旋转一定角度后将加工原料放入冲压机填料口，然后返回，重复这一动作。3

17、.2运动节拍 插销定位手臂前伸手指抓料手臂上升手臂缩回手腕回转拔定位销手臂回转插定位销手臂前伸手臂下降手指松开手臂缩回手腕回转拔定位销手臂回转插定位销手臂伸出。3.3总体方案3.3.1方案一 插销定位手臂前伸手指抓料手臂上升手臂缩回拔定位销手腕回转、手臂回转插定位销手臂前伸手臂下降手指松开、手臂缩回拔定位销手腕回转、手臂回转插定位销。3.3.2方案二 插销定位手臂前伸手指抓料手臂上升手臂缩回、手腕回转拔定位销手臂回转插定位销手臂前伸手臂下降手指松开手臂缩回手腕回转拔定位销手臂回转插定位销。3.4方案比较按照方案一与方案二的行进方式均可完成加工原料的自动填充，但是从工作效率与经济性方面考虑还是应

18、采用方案一。原因如下：方案一有效的把不做功行程与做功行程以及空行程之间结合在了一起，不仅完成了工作要求，而且提高了工作效率，也间接增加了经济效益。 3.5本章小结本章主要介绍了机械手的运行要求，还有机械手在运行时的各动作节拍以及确定了机械手在正常运行时的动作规范。第4章 总体设计4.1 总体设计的思路设计机械手基本上分为以下几个阶段： 1.系统分析阶段 （1）根据所设计的要求首先确定机械手的目的和任务； （2）分析机械手需要适应的工作环境； （3）根据机械手的工作要求，确定机械手的基本功能和方案 2.技术设计阶段 （1）确定驱动系统的类型； （2）选择各部件的具体结构，进行机械手总装图的设计；

19、 （3）绘制机械手的零件图，并确定尺寸。4.2 技术指标1.最大抓取重量：10kg；2.工件最大尺寸（长x宽x高）：1000400400；3.最大操作范围：提升高度0.5m，回转角度60，行走范围M总查 表22.6-1371 表22.6-137 摆动缸参数表选取ZBFZD4090液压缸，选定工作压力1.5MPa，因为设定的角速度为0.3rad/s（17.2/s）,查表22.6-1371，得流量为1.6710-5m3/s。液压缸的功率见式（4-2）1P=p1qv =1.6710-51.5106W=25.05W （4-2） 转动时间为t=/=（90/17.2）s=5.23s5.2.5拟定的液压原理

20、图为图5-2 手腕回转系统图5.2.6选择液压件1.选择液压泵和电机确定液压泵的工作压力 液压缸的最大压力为1.5MPa。油路简单、流速不大，管路损失取p=0.25MPa，泵的最高工作压力为pP1=（1.5+0.25）MPa=1.75MPa，这是流量泵的最高工作压力，液压泵的公称工作压力pr为pr=2.19MPa 2.液压泵流量在转动时，最大流量值为1.6710-5m3/s,取K=1.15，计算泵的最大流量qvpK（qv）max qvp=210-5m3/s3. 元、辅件的选择见 表5-4 表5-4 元件表编号元件名称技术数据p105，Pa qv10-5，m3/s调整压力1单向调速阀p=63，q

21、v=25，p2，实际qv=1.672三位四通电磁换向阀p=63，qv=254.油管尺寸选用8mm6mm无缝钢管。5.2.7压力损失验算已知：油管长L=2m，油管内径4mm，流量1.6710-5m3/s，选用L-AN32全损耗系统用油，最低工作温度15，v=1.5cm2/s。 1.判断油流类型（5-8）2 （5-8） 为层流 2.进油路上压力损失见式（5-9）2（5-9） 3.回油路上压力损失见式（5-10）2（5-10）4.局部压力损失见式（5-11）2（5-10）取油流通过集成块时的压力损失 pj=0.13MPa所以总的压力损失为p=（0.2+0.17+0.17+0.13）MPa=0.67M

22、Pa。5.3手臂伸缩5.3.1设计要求 平稳的输送加工原料。5.3.2工况分析工作循环为快进制动1工进原位停止2工进制动快退制动。快进、快退速度均为0.1m/s，工进速度为0.05m/s，单行程为0.5m，加速、减速时间为0.2s，静、动摩擦因数为fs=0.15、fd=0.15，执行机构的重量为2000N、工件重量100N。5.3.3计算外负载空载时：动摩擦阻力 Ffd=Fgfd=0.152000N=300N 静摩擦阻力 Ffs=Fgfs=0.152000N=300N负载时：动摩擦阻力 Ffd=（Mg+Fg）fd=0.152100N=315N 静摩擦阻力 Ffs=（Mg+Fg）fs =0.15

23、2100N=315N快速时的惯性阻力工进时的惯性阻力 液压缸各工况负载见 表5-55.3.4运行时间快进时间 快退时间 工进时间 表5-5 负载力工况计算公式液压缸负载力，N液压缸驱动力，N启动300333加速402447快进300333制动198220启动315350加速369410工进315350制动261290快退300333制动1982205.3.5确定液压系统参数 1.初选液压缸的工作压力根据 表20-3-11,选定液压缸的工作压力为3MPa、背压为0.5MPa，快速回油时回油腔压力为0.3MPa 2.计算液压缸尺寸因为往返速度相同，所以d=0.71D液压缸驱动力无杆腔活塞有效工作面

24、积有杆腔活塞有效工作面积液压缸工作腔压力液压缸回油腔压力，即背压力活塞直径活塞杆直径 取标准值D=25mm,活塞杆直径d=17.5mm，取标准值d=18mm。 无杆腔面积 有杆腔面积液压缸工作参数见 表5-6表5-6 液压缸参数工况计算公式驱动力，N液压缸p2105，Pap1105，Paqv10-5 ，m3/s功率，W快进起动333p2=06.84.940.7加速447p2=310.5快进333p2=38.3制动220p2=361工进起动350p2=072.4523.5加速410p2=510.8工进350p2=59.6制动290p2=58.42工进起动350p2=014.51.230加速410

25、p2=527.3工进350p2=524.8制动290p2=522.3快退起动333p2=013.92.448加速447p2=324.8快退333p2=320制动220p2=315.35.3.6拟定液压系统原理图图5-3手臂伸缩缸系统图5.3.7选择液压件1.选择液压泵和电机确定液压泵的工作压力液压缸在工作中的最大压力为2.73MPa。油路简单、流速不大，管路损失取p=0.2MPa，泵的最高压力为pP1=（2.73+0.2）MPa=2.93MPa，这是流量泵的最高工作压力。液压泵的公称工作压力pr为pr=3.66MPa。2. 液压泵流量在快进时，最大流量值为4.910-5m3/s,取K=1.15

26、，计算泵的最大流量qvpK（qv）max qvp=1.154.910-5m3/s=5.610-5m3/s3.元、辅件的选择见 表5-7表5-7 元件表编号元件名称技术数据p105，Pa qv10-5，m3/s调整压力1调速阀p=63，qv=25，p=23，实际qv=0.032二位二通电磁换向阀p=63，qv=253二位四通电磁换向阀p=63，qv=25 4.确定管道尺寸取d=10mm，选用12mm10mm无缝钢管。5.3.8压力损失验算已知：油管长L=1m，油管内径5mm，通过流量710-5m3/s，选用L-AN32全损耗系统用油，最低工作温度15，v=1.5cm2/s。 1.判断油流类型为层

27、流 2.进油路上沿程压力损失 3.回油路上沿程压力损失 4.局部压力损失取油流通过集成块时的压力损失pj=0.03MPa所以总的压力损失为p=（0.03+0.015+0.04+0.03）MPa=0.115MPa5.4手臂回转5.4.1设计要求 平稳的转动手臂部分5.4.2工况分析 工件重100N，手臂部分重量为5000N5.4.3手臂驱动力矩的计算驱动手臂回转时的驱动力矩必须克服手臂起动时所产生的惯性力矩，手臂的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。取角速度为0.2rad/s手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算：M驱= M惯+ M偏+ M摩 式中： M驱

28、驱动手臂转动的驱动力矩 M惯惯性力矩 M偏转动的零部件的重量对转动轴线所产生的偏重力矩 M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 1.摩擦阻力矩M摩 式中： f轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.010.02； N轴承支承反力 （N）； D轴承直径（m）；由设计知D=0.1m、N=5100N，采用推力球轴承 Mf=10.2（Nm） 2.重心引起的偏置力矩 M偏=G1e式中 G1装置重量（N），e偏心距（m）当e=0.010，G1=5100N时 （Nm） 3.手臂启动时的惯性阻力矩M惯 式中 手腕回转角速度 （rad/s） t手臂启动过程中所用时间（s），取0.1s。 J手臂回转部件对回转轴线的转动惯量

29、（kgm） （kgm） M惯= 0.64（Nm） 考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些，可取：M=1.2M=1.2（10.2+51+0.64）=61.84（Nm）5.4.4液压缸所产生的驱动力矩计算液压缸所产生的驱动力矩必须大干总的阻力矩，即M驱M总，查 表22.6-1371。表22.6-137 摆动缸基本参数表选取ZBFZD5060液压缸，选定工作压力1.5MPa，因为设定的角速度为0.2rad/s（11.46/s），查 表22.6-1371，得流量为210-5m3/s，液压缸的功率由下面公式可得：P=p1qv=210-51.5106W=30W 转动时间为 t=/=（60/11.46）s=5.23s5.4.5拟定液压原理图图5-4 手臂回转缸系统图5.4.6选择液压件 1.选择液压泵和电机 确定液压泵的工作压力液压缸在工作中的最大压力为1.5MPa。管路损失取p=0.3MPa，泵的最高压力为pP1=（1.5+0.3）MPa=1.8MPa，这是流量泵的最高工作压力，液压泵的公称工作压力pr为pr=1.25pP1=1.251.8MPa=2.25MPa 2.液压泵流量在转动时，最大流量值为210-5m3/s,取K=1.15，计算泵的最大流量qvpK（qv）max qvp=1.15210-5m3/s=2.310-5