液压机械手直线运动液压系统的设计毕业设计.doc
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1、 毕业设计液压机械手直线运动液压系统的设计系 部: 机械及自动化系 专 业: 机械制造及自动化 班 级: 机制09321 目录摘要1绪论2第一章 液压系统的设计41.对液压系统的分析41.1 液压系统设计参数41.2 工况分析42.确定液压系统的主要参数52.1 确定系统最大工作压力52.2 液压缸有效工作面积52.3 系统最大流量52.4 计算液压缸的主要结构尺寸52.5 液压执行元件实际工作压力63.制定系统方案63.1 执行机构的确定63.2 升降缸动作回路63.3 伸缩缸动作回路73.4 夹紧缸动作回路73.5 系统安全方案的制定74.液压系统工作原理75.液压元件的计算与选择85.1
2、 液压泵及电动机的选择95.2 确定油箱的有效容积95.3 系统部分液压元件的选择9第二章 PLC控制系统的设计101.机械手PLC控制系统控制要求10 1.1 机构要求11 1.2 工艺过程1 1.3 控制要求112.输入输出分析133.控制程序容量估计134.PLC选型135.画出输入,输出接线图及相关图表136.程序设计156.1 整体设计156.2 手动控制程序156.3 自动操作程序16 6.4 输出显示程序18第三章 机械手结构设计201 机械手的发展202 机械手手抓结构设计213 机械手手臂的设计224 腰座结构的设计225 动力臂的结构设计236 控制系统的选择237 驱动系
3、统248 机械手的动作示意图25致谢26参考文献27附录28摘要机械手模仿人的手部动作,按给定程序,轨迹和要求实现自动抓取,搬运和操作的自动装置.其驱动方式多用液压驱动. 在设计液压系统时,对机械手的动作过程及工作情况进行分析,可以算出各执行元件的最大负载F,运动速度V以及行程S等一系列参数.然后根据这些参数可以得出液压系统的主要参数,系统最大工作压力p和最大流量.然后确定各执行元件的工作压力,流量和有效工作面积. 3个液压缸的尺寸.根据液压缸的缸径和活塞杆的直径和压力,查机械设计手册可以选用标准系列的液压缸.根据系统工况分析和各执行元件的压力以及流量可以拟定液压系统图.在拟定液压系统图时,充
4、分考虑了各执行元件所需要的条件以及各个阶段对系统的需求.为满足工况的要求.系统中设置了调速回路,保压回路,平衡回路和安全措施等.在本系统中充分考虑到了机械手的工况,在选择各液压回路时也充分考虑到了背压,惯性冲击力,管路压力损失等对液压系统带来的影响.在本系统推广方面,也可以在系统中加上回转回路,这样可以让机械手更加灵活.用途更加广泛.此液压系统也可用于各种搬运以及起重设备中. 关键词:液压 PLC 机械手 绪论机械手能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置.它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全.因而广泛应用于
5、机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门.机械手可把人类从危险,繁重的体力劳动中解放出来,配合机械手工作.同时可极大地提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐.下面介绍下机械手的历史和前景.机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的,机械手研究始于20世纪中期,随着计算机和自动化技术的发展,特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来,计算机取得了惊人的进步,向高速度、大容量、低价格的方向发展.同时,大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展,又为机器人的开发奠定了基础.另一方面,核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质,在这一需求背景下.美国于1947年开发了遥控机
6、械手,1948年又开发了机械式的主从机械手.机械手首先是从美国开始研制的.1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利,该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节.利用人手对机器人进行动作示教,机器人能实现动作的记录和再现.这就是所谓的示教再现机器人.1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人.作为机器人产品最早的实用机型是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”.从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域.我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻
7、关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上.但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距,当前我国的机器人生产都是应用户的要求“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、
8、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定.因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程,我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果,其中最为突出的是水下机器人,6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平.第一章:液压系统的设计1. 对液压系统的分析a) 液压系统设计参数负载最大压力上下最大行程伸出最大行程伸出最大速度泵工作时的各缸最高压力伸缩缸,夹紧缸,升降缸.b) 分析工况根据液压系统的设计依据,对主机的工作过程进行分析即负载分析和运动分析,确定负载和速度在整个工作循环过程
9、中得变化规律.然后计算执行元件的主要参数,以及确定液压系统的主要参数即工作压力和最大流量.启动阶段: (1)加速阶段: (2)恒速阶段: (3)制动阶段: (4)式中为重力,若工作中执行元件水平放置,则.为静摩擦力, ,为静摩擦系数,取,为对支承面的正压力.为动摩擦力,为动摩擦系数取.为惯性阻力,.为速度变化量,为启动或制动时间.2. 确定液压系统的主要参数a) 根据机械手伸出,上升,夹紧时的最大压力和系统损失压力,确定系统的最大工作压力: (1.1)b) 液压缸有效工作面积: (1.2)c) 系统最大流量: (1.3)d) 计算液压缸的主要结构尺寸1) 确定升降缸的活塞及活塞杆的直径升降缸最
10、大载荷时,为受压使产品下降和提升产品.其载荷力为,工作在受压和拉伸状态.活塞直径为: (式4)根据液压手册,取标准系列,取,即活塞杆直径为: (式5)根据液压手册标准系列,取2) 伸缩缸的活塞及活塞杆的直径伸缩缸直接控制机械手臂的伸出和缩回,主要承受纵向力(弯矩),轴向力较小所以对活塞缸的强度要求较高,而对缸的伸出压力并不需要很大. .(式6)根据液压机械手册,取,取,即活塞杆直径为:圆整标准系列,取.3) 确定夹紧缸的活塞及活塞杆直径夹紧缸最大载荷时至于不会让产品滑落.其活塞直径为: (式7)圆整标准系列取.取即活塞杆的直径为:根据液压设计手册,取标准系列e) 液压执行元件实际工作压力:表一
11、f)执行元件名称载荷(KN)背压力(MPa)工作压力(MPa)升降缸80伸缩缸30夹紧缸6043. 制定系统方案压缸,伸缩缸,升降缸,夹持缸,液压系统采用单泵供油.为了保证多缸运动互不干扰,实现同步或非同步运动, 换向阀采用中位机能为“O”型换向阀.由于整个系统采用单泵供油.各缸所需流量相差较大,因此各缸选择节流阀进行调速.此外,系统还设置了锁紧保压回路.平衡回路.以防止断电,失压等意外发生.3.1 执行机构的确定本系统液压驱动动作均为直线运动,各直线运动机构均采用单活塞杆双作用液压缸直接驱动.3.2 升降缸动作回路.另外,为防止垂直防止的液压缸及其工作部件因自行下落或在下行云多功能藏獒功能因
12、自重造成失控失速,特别在升降缸动作回路中采用外控式顺序阀来实现平衡控制.并控制其通流速度,限制执行元件的运动速度,由于外控式顺序阀不但具有很好的密封性,能起到对活塞很长时间的锁紧定位作用.而且阀开口大小能自动适应不同载荷对背压压力的要求,保证了活塞下降速度的稳定性不受载荷变化影响.3.3 伸缩缸动作回路在机械手臂伸出和缩回的过程中,运动速度也较快,平稳性要求也不高,故只采用了单向节流阀来调速,也能设置一定的背压.3.4 夹紧缸动作回路.手指夹紧缸夹紧工件后不受系统压力波动的影响,保证牢固地夹紧工件,采用了液控单向阀锁紧回路.3.5 系统安全方案本系统为保证安全生产,在溢流阀的远程调控口设置了一
13、个两位两通的手动换向阀,当系统出现意外时,可以直接用手动换向阀打开溢流阀的远程调控口,直接让系统卸荷.从而保证安全.该液压系统在整个工作循环中徐友亮变化较大,另外在夹紧后又要求有较长时间的保压.虽采用单泵供油,但是在需要快速运动时可以采用蓄能器和泵同时供油. 液压系统图见附录机械手原位手臂伸出手臂下降手指夹紧手臂缩回手臂下降手指松开手臂上升4. 液压系统工作原理1. 按下启动按钮后,泵启动给系统供油,同时1YA得电。阀1处左位,油液通过单向阀,缸1左腔进油,控制机械手臂伸出。当活塞伸出碰到定位挡块,左腔持续进油,回路压力升高,当油液压力达到压力继电器(K1)的调定压力时,压力继电器动作。1YA
14、失电,液压阀1处中位,缸1锁紧。同时使3得电。2. 阀2处左位,油液经过节流阀.,缸2下油腔进油,当回路压力达到顺序的开启压力时,顺序阀打开,控制机械手下降,当活塞运动到下极限位置碰到定位挡块时,液压缸2内持续进油,回路压力升高,当油液压力达到压力继电器动作。5YA得电。3. 阀3处左位,油液经过单向阀进入液压缸3的左腔。控制机械手手指夹紧工产品,当活塞碰到行程开关S2时,5YA失电,阀3处中位。同时4YA得电。4. 阀2处右位油液经过右边的单向阀流入缸2的上腔,控制机械手上升,当缸2的活塞运动到极限位置时,压力继电器K3动作,控制4YA失电,阀2处中位,同时2YA得电,5. 阀1处右位,油液
15、经过单向阀进入液压缸1的右腔,控制机械手缩回,当活塞运动到左端极限位置时,液压继电器K1动作,控制3YA得电.6. 阀2处左位,油液经过节流阀,缸2下油腔进油,当回路压力达到顺序阀的开启压力时,顺序阀打开,控制机械手下降,当活塞运动到极限位置时,液压缸2内持续进油,回路压力升高,当油液压力达到压力继电器K4动作。同时6得电。7. 阀3处右位,夹紧缸在液压力下缩回,机械手指在弹簧张力下自动回位,从而使机械手松开工件。当液压缸3退回碰到时,控制2YA得电,从而使得液压缸1上升(即复原位),等待下一个循环。4. 液压元件的计算与选择4.1 液压泵及电动机的选择液压泵的最大工作压力:根据系统工况,最大
16、流量确定液压泵的最大供油量考虑到系统泄漏的修正系数,取.根据设计要求和系统工况可确定液压泵的类型,然后根据算出的和,参照产品样本,即可选择液压泵的规格和型号.在整个工作循环中,液压泵的工作压力和流量比较稳定,则液压泵的驱动功率为选用标准5.5kw的电动机.4.2 确定油箱的有效容积已知所选泵的总流量为50.4(L/min),这样液压泵没分钟排出来压力油,根据液压设计手册,取a=5,算出有效面积为:4.3 部分液压系统元件列表第二章PLC控制系统的设计1.机械手直线运动PLC控制系统控制要求图2-1机械手的工作示意图1.1 机械结构在图2-1中,机械手的所有动作均采用液压驱动。它的上升/下降,左
17、移/右移和夹紧/放松均采用双线圈三位电磁阀推动液压缸完成。当某个电磁阀线圈通电时,就一直保持当前的机械动作,直到相反动作的线圈通电为止。例如当下降电磁阀通电后,机械手下降,即使线圈再断电后,仍保持当前的下降动作状态,直到上升电磁阀线圈通电为止。夹紧/放松电磁阀处中位具有保持前一个动作的功能。为了保证动作准确到位,机械手上安装了压力继电器(视为限位开关)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4,分别对机械手进行下降、上升、右行、左行等动作的限位,并给出了动作到位的信号。另外,还安装了光电开关SP负责监测工作台B上的工件是否已移走,从而产生无工件信号,为下一个工件的下放做好准备.1.2 工艺过程机械手的动作
18、顺序、检测元件和执行元件的布置如图2-2所示。机械手的初始位置在原位,按下起动按钮后,机械手将依次完成:手臂伸出手臂下降手臂夹紧手臂上升手臂缩回手臂下降手臂松开手臂上升8个动作,实现机械手一个周期的动作。机械手的下降、上升、右移、左移的动作转换靠限位开关来控制,而夹紧放松动作的转换是由时间继电器来控制的.图2-2系统结构示意图为了保证安全,机械手右移到位后,必须在工作台B上无工件时才能下降。若上一次搬到右工作台上的工件尚未移走,则机械手应自动暂停等待。为此设置了一只光电开关,以检测“无工件”信号。1.3 控制要求工作台A、B上工件的传送不用PLC控制。机械手要求按一定的顺序动作,其流程图如图2
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