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多用途机械手的结构设计


广西工学院鹿山学院本科生毕业设计(论文)

目录
1 机械手的设计概括............................................... ...........(3) 1.1 机械手概述............................................... ...........(3) 1.2 液压

机械手的设计要求..........................(3) ...................... 1.3 机械手的系统工作原理及组成..........................................(4) 2 机械手的整体设计方案....................................................... (7) 2.1 机械手的座标型式与自由度 ...................... (8) ...................... 2.2 机械手的手部结构方案设计 ...................... (9) ...................... 2.3 机械手的手腕结构方案设计....................... ...................... (9) 2.4 机械手的手臂结构方案设计....................... ...................... (9) 2.5 机械手的驱动方案设计......................... ........................ (9) 2.6 机械手的控制方案设计........................ (10) ........................ 2.7 机械手的主要技术参数........................ (10) ........................ 3 手部结构设计............................... (13) ............................... 3.1 夹持式手部结构........................... (13) ........................... 3.1.1 手指的形状和分类.......................(13) ...................... 3.1.2 设计时考虑的几个问题.................... ....................(13) 3.1.3 手部夹紧气缸的设计..................... .....................(14) 3.2 气流负压式吸盘 ..........................(17) ......................... 4 手腕结构设计............................... (21) ............................... 4.1 手腕的自由度............................ (21) ............................ 4.2 手腕的驱动力矩的计算........................ (21) ........................ 4.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩................... (21) ................... 4.2.2 回转气缸的驱动力矩计算.................... (23) .................... 4.2.3 回转气缸的驱动力矩计算校核.................. (24) .................. 5 手臂伸缩,升降,回转气缸的设计与校核................... ...................(27) 5.1 手臂伸缩部分尺寸设计与校核..................... (27) ..................... 5.1.1 尺寸设计........................... (27) ........................... 5.1.2 尺寸校核........................... (27) ........................... 5.1.3 导向装置........................... (28) ........................... 5.1.4 平衡装置........................... ........................... (28) 5.2 手臂升降部分尺寸设计与校核....................... ....................... (28) 5.2.1 尺寸设计........................... ........................... (28) 5.2.2 尺寸校核........................... ........................... (28) 5.3 手臂回转部分尺寸设计与校核..................... ..................... (29)
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5.3.1 尺寸设计........................... ........................... (29) 5.3.2 尺寸校核........................... ........................... (29) 6 液压系统的设计.............................. (31) .............................. 6.1 液压系统简介............................ ............................ (31) 6.2 液压系统的组成........................... ........................... (31) 6.3 机械手液压系统的控制回路...................... ...................... (31) 6.4 机械手的液压传动系统........................ ........................ (33) 6.5 机械手液压系统的简单计算....................... 36) ....................... ( 7 机械手的 PLC 控制系统设计......................... ......................... (43) 7.1 可编程序控制器的选择及工作过程................... ................... (44) 7.1.1 可编程序控制器的选择..................... ..................... (44) 7.1.2 可编程序控制器的工作过程................... (44) ................... 7.2 可编程序控制器的使用步骤...................... (45) ...................... 7.3 机械手可编程序控制器控制方案.................... (46) .................... 7.3.1 控制系统的工作原理及控制要求................. (46) ................. 7.3.2 机械手的工作流程....................... (46) ....................... 结束语.................................... ................................... (49) 致谢..................................... .................................... (50) 参考文献................................... .................................. (51)

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1 机械手设计概况
1.1 工业机械手概述

工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿 人操作,自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。 特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动 条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况,是一个国家工业自动化水 平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平,可以减轻劳动强度、保证产品 质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶 劣的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。因此,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引用。机 械手的结构形式开始比较简单,专用性较强,仅为某台机床的上下料装置,是附属于该机床的 专用机械手。随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比 较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。由于通用机械手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中小批量生产中获得广泛的引用。 液压传动机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质 力源极为方便,输出力小,液压动作迅速,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,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工 作。 液压技术有以下优点: (1)体积小、重量轻,因此惯性力较小,当突然过载或停车时,不会发生大的冲击; (2)能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度,并可实现无极调速; (3)换向容易,在不改变电机旋转方向的情况下,可以较方便地实现工作机构旋转和直线往 复运动的转换; (4)液压泵和液压马达之间用油管连接,在空间布置上彼此不受严格限制; (5)由于采用油液为工作介质,元件相对运动表面间能自行润滑,磨损小,使用寿命长; (6)操纵控制简便,自动化程度高; (7)容易实现过载保护。
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1.2 液压机械手的设计要求 1.2.1 课题的设计要求 本课题将要完成的主要任务如下: (1)机械手为通用机械手,因此相对于专用机械手来说,它的适用面相对较广。 (2)选取机械手的座标型式和自由度。 (3)设计出机械手的各执行机构,包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性 更强,手部设计成可更换结构,不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件,在工业需要的 时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。 (4)液压传动系统的设计 本课题将设计出机械手的液压传动系统,包括液压元器件的选取,液压回路的设计, 并绘出液压原理图。 (5)机械手的控制系统的设计 本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制,本课题将要选取PLC型号,根 据机械手的工作流程编制出PLC程序,并画出梯形图。 1.3 机械手的系统工作原理及组成 机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。

控制系统 (PLC) 驱动系统 (液压传 动) 执行机构

位置检测装置

手 部

手 腕

手 臂

立 柱4

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图1-1机械手的系统工作原理框图

机械手的工作原理:机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所 组成。在PLC程序控制的条件下,采用液压传动方式,来实现执行机构的相应部位发生规定要 求的,有顺序,有运动轨迹,有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构 发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并与设定的位置进行比较,然后通 过控制系统进行调整,从而使执行机构以一定的精度达到设定位置. (一)执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的还增设行走机构。 1、手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同,可分为夹持式和吸附式手在本课题 中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件 直接接触的构件, 常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单,制造容易, 故应用较广泛。平移型应用较少,其原因是结构比较复杂,但平移型手指夹持圆形零件时, 工件直径变化不影响其轴心的位置,因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于 被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通 过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连 杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 2、手腕 是连接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件,并 按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、 液压缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、液压或电机 等)相配合,以实现手臂的各种运动。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回转运动和升降(或俯仰) 运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要,有时也可作横向移动,即称为可移
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式立柱。 5、机座 机座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上,故起 支撑和连接的作用。 (二)驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。 它由动力装置、 调节装置和辅助装置组成。 常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。 (三)控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一 般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是PLC程序控制 系统,它支配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、 运动轨迹、运动速度及时间),同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对 机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 (四)位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置,并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并与 设定的位置进行比较,然后通过控制系统进行调整,从而使执行机构以一定的精度达到设定 位置.

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2 机械手的整体设计方案
对液压机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件,这就要求它们具有高精度、 快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特 性。设计液压机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求,拟定最合理的作业 工序和工艺,并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性,定位精度要 求,抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等,从而进一步确定对机械手结构及运行控制 的要求;尽量选用定型的标准组件,简化设计制造过程,兼顾通用性和专用性,并能实现柔性 转换和编程控制.本次设计的机械手是通用液压上下料机械手(如图2-1所示),是一种适合于 成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备,动作强度大和操作单调频 繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。

图2-1机械手的整体机械结构
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2.1

机械手的座标型式与自由度

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况, 其座标型式可分为直角座标式、 圆柱座标式、 球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动,因此,采用圆 柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度,为了弥补升降运动行程较小的缺点,增加手臂摆 动机构,从而增加一个手臂上下摆动的自由度。(如图2-2所示)

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图2-2 机械手的运动示意图

2.2 机械手的手部结构方案设计 为了使机械手的通用性更强,把机械手的手部结构设计成可更换结构,当工件是棒料时, 使用夹持式手部;当工件是板料时,使用气流负压式吸盘。 2.3 机械手的手腕结构方案设计

考虑到机械手的通用性,同时由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必须设有回转运动才 可满足工作的要求。因此,手腕设计成回转结构,实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。 2.4 机械手的手臂结构方案设计

按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回转和降(或 俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的,立柱的横向移动即为手臂的横移。 手臂的各种运动由液压缸来实现。 2.5 机械手的驱动方案设计

由于液压传动系统的动作迅速,反应灵敏,阻力损失和泄漏较小,成本低廉因此本机械手 采用液压传动方式。

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2.6

机械手的控制方案设计

考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械 手进行控制。当机械手的动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷。 2.7 机械手的主要技术参数

1.机械手的最大抓重是其规格的主参数 由于是采用液压方式驱动, 因此考虑抓取的物体不应该太重, 查阅相关机械手的设计参数, 结合工业生产的实际情况,本设计设计抓取的工件质量为5公斤。 2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数 操作节拍对机械手速度提出了要求,设计速度过低限制了它的使用范围。 (如图2-3所示) 而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为
1.0m / s 。最大回转速度设计为 90? / s 。平均移动速度为 0.8m / s 。平均回转速度为 60? / s 。机械

手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在,用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面, 因为平均速度与行程有关,故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以 外,手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站 着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径,必然带来偏重力矩增大而刚性降低。 在这种情况下宜采用自动传送装置为好。 根据统计和比较, 该机械手手臂的伸缩行程定为600mm, 最大工作半径约为 1400 mm 。手臂升降行程定为 120 mm 。定位精度也是基本参数之一。该机械 手的定位精度为 ? 1mm 。 3.用途 用于自动输送线的上下料。 4.设计技术 1、抓重 2、自由度数 3、座标型式 4、最大工作半径 5、手臂最大中心高 6、手臂运动参数 伸缩行程 1200 mm
10

5kg

4个自由度 圆柱座标
1400 mm 1250 mm

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伸缩速度 400 mm / s 升降行程 120 mm 升降速度 250 mm / s 回转范围 0 ? ? 180? 回转速度 90? / s 7、手腕运动参数 回转范围 0 ? ? 180? 回转速度 90? / s 8、手指夹持范围 9、定位方式 10、定位精度 11、驱动方式 12、控制方式 棒料: ? 80mm ? ?150mm 行程开关或可调机械挡块等
? 1mm

液压传动 点位程序控制(采用PLC)

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图2-3机械手的工作范围

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3 手部结构设计
为了使机械手的通用性更强, 把机械手的手部结构设计成可更换结构, 当工件是棒料时, 使用夹持式手部:如果有实际需要,还可以换成气压吸盘式结构, 3.1 夹持式手部结构 夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多,如滑槽杠 杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 3.1.1 手指的形状和分类 夹持式是最常见的一种,其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件 的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作,手指可分为一支 点回转型,二支点回转型和移动型(或称直进型),其中以二支点回转型为基本型式。当二支 点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时,就变成了一支点回转型手指;同理, 当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时,就成为移动型。回转型手指开闭角较小,结 构简单,制造容易,应用广泛。移动型应用较少,其结构比较复杂庞大,当移动型手指夹持 直径变化的零件时不影响其轴心的位置,能适应不同直径的工件。 3.1.2 设计时考虑的几个问题 (一)具有足够的握力(即夹紧力) 在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性 力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。 (二)手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。 手指的开闭角应保证 工件能顺利进入或脱开,若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。对于移动型手 指只有开闭幅度的要求。 (三)保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选择相应的 手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指,以便自动定心。 (四)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振 动的影响,要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,当应尽量使结构简单紧凑,自重

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轻,并使手部的中心在手腕的回转轴线上,以使手腕的扭转力矩最小为佳。 (五)考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要,通过比较,我们采用的机械手的手部结构是一支点, 两指回转 型,由于工件多为圆柱形,故手指形状设计成V型,其结构如附图所示。 3.1.3 手部夹紧液压缸的设计 手部驱动力计算 本课题液压机械手的手部结构如图3-1所示:

图3-1齿轮齿条式手部

其工件重量G=5公斤,
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V形手指的角度 2? ? 120? , b ? 120 mm ? R ? 24 mm ,摩擦系数为 f ? 0.10 (1)根据手部结构的传动示意图,其驱动力为: 2b N p? R (2)根据手指夹持工件的方位 ,可得握力计算公式:
N ? 0.5tg (? ? ? ) G

? 0.5 ? 5 ? tg (60? ? 5? 42' ) ? 25( N )
所以
2b N ? 245( N ) R

p?

(3)实际驱动力:
p实际 ? p K1 K 2

?

1、因为传力机构为齿轮齿条传动,故取 ? ? 0.94 ,并取 K1 ? 1.5 。若被抓取工件的最大加速 度取 a ? 3g 时,则: K 2 ? 1 ? 所以 p实际 ? 245 ?
a ?4 g

1.5 ? 4 ? 1563 ( N ) 0.94

所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为 1563 N 。 2、液压缸的直径 本液压缸属于单向作用液压缸。根据力平衡原理,单向作用液压缸活塞杆上的输出推力必 须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力,其公式为:
F1 ?

?D 2 P
4

? Ft ? Fz

式中: F1 - 活塞杆上的推力,N

Ft - 弹簧反作用力,N
Fz - 液压缸工作时的总阻力,N
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P - 液压缸工作压力,Pa

弹簧反作用按下式计算:

Ft ? G f (1 ? s)

Gf ?

Gd1
3

4

D1 n
Gd1
4

Gf

=

8 D1 n

3

式中: G f -

弹簧刚度,N/m

1 - 弹簧预压缩量,m

s - 活塞行程,m
d1 - 弹簧钢丝直径,m D1 - 弹簧平均直径,.

n - 弹簧有效圈数.
G - 弹簧材料剪切模量,一般取 G ? 79.4 ? 109 Pa

在设计中,必须考虑负载率 ? 的影响,则:
F1 ?

?D 2 p?
4

? Ft

由以上分析得单向作用液压缸的直径:

D?

4( F1 ? Ft) ?p?

代入有关数据,可得

79.4 ? 109 ? (3.5 ? 10?3 ) ? Gf ? 3 8 ? (30 ? 10?3 ) 3 ? 15 8 D1 n
Gd1
? 3677 46( N / m) .

4

4

Ft ? G f (1 ? s)
? 3677 46 ? 60 ? 10?3 . ? 220.6( N )
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所以: D ?

4( F1 ? Ft) ? ?pn

4 ? (490 ? 220.6) ? ? 0.5 ? 106

? 65.23(m m)

查有关手册圆整,得 D ? 65mm 由 d / D ? 0.2 ? 0.3 ,可得活塞杆直径: d ? (0.2 ? 0.3) D ? 13 ? 19.5mm 圆整后,取活塞杆直径 d ? 18 mm 校核,按公式 F1 /(? / 4d 2 ) ? [? ] 有: d ? (4F1/ ? [? ])0.5 其中,[ ? ] ? 120 MPa , F1 ? 750N 则: d ? (4 ? 490/ ? ?120) 0.5
? 2.28 ? 18

满足实际设计要求。 3、缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空液压力,必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等 于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算:

? ? DPp / 2[? ]
式中:6- 缸筒壁厚,mm
D - 液压缸内径,mm

Pp - 实验压力,取 Pp ? 1.5P , Pa
材料为:ZL3,[ ? ]=3MPa 代入己知数据,则壁厚为:

? ? DPp / 2[? ]
? 65? 6 ? 105 /(2 ? 3 ? 106 ) ? 6.5(m m)
取 ? ? 7.5mm ,则缸筒外径为: D1 ? 65 ? 7.5 ? 2 ? 80(mm) 3.2 气流负压式吸盘 气流负压式吸盘是利用吸盘(即用橡胶或软性塑料制成皮腕)内形成负压将工件吸住。 它适 用于搬运一些薄片形状的工件,如薄铁片、板材、纸张以及薄壁易碎的玻璃器皿、弧形壳体零

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件等,尤其是玻璃器皿及非金属薄片,吸附效果更 为明显。 气流负压式与钳爪式手部相比较,气流负压式手部具有结构简单,重量轻,表面吸附力分 布均匀,但要求所吸附表面平整光滑、无孔和无油。 按形成负压(或真空)的方法,气流负压式手部可分为真空式、气流负压式和挤压排气式吸 盘。在本机械手中,拟采用喷射式气流负压吸盘。

图 3- 2 喷 射 气 流 原 理 图 喷射式气流负压吸盘的工作原理如图 3-3 所示,根据流体力学,气体在稳定流动状态下, 单位时间内气体经过喷嘴的每一个截面的气体质量均相等。因此,在最简单的情况下,低流速 (高压强)截面的喷嘴应当具有大面积,而高流速(低压强)截面的喷嘴应当具有小面积。所以, 压缩空气由喷嘴进口处 A 进入后,喷嘴开始一段由大到小逐渐收缩,而气流速度逐渐增大,当 沿气流流动方向截面收缩到最小处 X 时〔即临界面积),流速达到临界速度即音速,此时压力 近似为喷嘴进口处的压力之半,即 = 0.52 8P,。为了使喷嘴出口处的压力 低于 Pk,必须

在喷嘴临界面以后再加一段渐扩段,这样可以在喷嘴出口处获得比音速还要大的流速即超音 速,并在该处建立低压区域,使 C 处的气体不断的被高速流体卷带走,如 C 处形成密封空腔, 就可使腔内压力下降而形成负压。当在 C 处连接橡胶皮腕吸盘,即可吸住工件。 图 3- 4 所示为可调的喷射式负压吸盘结构图。为了使喷嘴更有效地工作,喷嘴口与喷嘴 套之间应当有适当的间隙,以便将被抽气体带走。当间隙太小时,喷射气流和被抽气体将由于
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与套壁的摩擦而使速度降低,因而降低了抽气速率;当间隙太大时,离喷射气体越远的气体被 带着向前运动的速度就越低,同时间隙过大,从喷嘴套出口处反流回来的气体就越多,这就使 抽气速率大大的降低。因此,间隙要适宜,最好使喷嘴与喷嘴套之间的间隙可以调节, 以便 喷嘴有效地工作。在图 3-4 中,喷嘴 5 与喷嘴套 6 的相对位置是可以调节的,以便改变间隙的 大小。

1. 株胶吸盘 2.吸盘芯子 3.通气坏打 4.吸盘体 5.喷嘴 6.喷嘴套 图 3- 3 可 调喷 射 式 负 压 吸 盘 结构 下面计算吸盘的直径. 吸盘吸力的计算公式为: P=

n?D 2 4 K1 K 2 K 3

式中:P——吸盘吸力(N),本机械手的吸盘吸力为 50N,故 P=50N;
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D——吸盘直径 (cm). N——分吸盘数量,本机械手吸盘数量为 1;

K1 ——吸盘吸附工件在起动时的安全系数,可取 K,月 2-2,在此取 K1 =1.5;

K 2 ——工作情况系数。若板料间有油膜存在则要求吸附力大些;若装有分
料器 , 则 吸附力就可小些。 另外工件从模具取出时, 也有摩擦力的作用, 同 时 还应考虑吸盘在运动过程中由于加速运动而产生的惯性力影响。 因 此 ,应根据 工作条件的不同,选取工作情况系数,一般可在(1~3)的范围内选取。在此,取

K 2 =2 :
吸盘垂直吸附时, K 3 =1/f,f 为摩擦系数, 则 橡胶吸盘吸附金属材料时, K 3 ——方位系数, 取户 0.5~0.8;当吸盘水平吸附时,取 K 3 =l。在此, 取 K 3 =5.代入数据得:

D?

P ? 4 ? K1 ? K 2 ? K 3 ?n

=

50 ? 4 ? 1.5 ? 2 ? 1.5 1? 3.14

=16.92 (cm)

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4 手腕结构设计
4.1 手腕的自由度

手腕是连接手部和手臂的部件,它的作用是调整或改变工件的方位,因而它具有独立的自 由度, 以使机械手适应复杂的动作要求。 手腕自由度的选用与机械手的通用性、 加工工艺要求、 工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置,同时考虑到 通用性,因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机 构,应用最多的为回转油(气)缸,因此我们选用回转液压缸。它的结构紧凑,但回转角度小于
360? ,并且要求严格的密封。

4.2

手腕的驱动力矩的计算

4.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动,驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起 动时所产生的惯性力矩,手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩,动片与缸径、定片、端盖等 处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1 所示为手腕受力的示意图。

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1.工件2.手部3.手腕 图4-1手碗回转时受力状态

手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:

M驱 ? M惯 ? M偏 ? M摩 ? M封
式中: M 驱 驱动手腕转动的驱动力矩( N ? cm );

M 惯 - 惯性力矩( N ? cm ); M偏 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产 生的偏重力矩( N ? cm ).

M 封 - 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力
矩( N ? cm ); 下面以图4-1所示的手腕受力情况,分析各阻力矩的计算: 1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M惯 若手腕起动过程按等加速运动,手腕转动时的角速度为 ? ,起动过程所用的时间为 ?t , 则:
M 惯 ? J ? J 1) ( N .cm ) ( ?t

?

式中: J - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 ( N.cm.s 2 ) ;

J1 - 工件对手腕转动轴线的转动惯量 ( N.cm.s 2 ) 。
若工件中心与转动轴线不重合,其转动惯量 J1 为:
J1 ? J c ? G1 2 e1 g

式中: J c - 工件对过重心轴线的转动惯量 ( N.cm.s 2 ) :

G1 - 工件的重量(N);

e1 - 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm),

? - 手腕转动时的角速度(弧度/s);
?t - 起动过程所需的时间(s);

?? — 起动过程所转过的角度(弧度)。

2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏
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M 偏 ? G1e1 + G3 e3 ( N ? cm )
式中: G3 - 手腕转动件的重量(N);

e 3 - 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)
当工件的重心与手腕转动轴线重合时,则 G1e1 ? 0 . 3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 M 封 f M 封 ? ( R A d 2 ? RB d1 ) ( N ? cm ) 2 式中: d1 , d 2 - 转动轴的轴颈直径(cm);
f - 摩擦系数,对于滚动轴承 f ? 0.01,对于滑动轴承 f ? 0.1 ;

R A , RB - 处的支承反力(N),可按手腕转动轴的受力分析求解,
根据 ? M(F) 0 ,得: ? A

RB l ? G3l3 ? G 2 l 2 ? G1l
RB ?
G1l1 ? G2 l 2 ? G3l3 l

同理,根据 ? M B (F) ? 0 ,得:
RA ? G1 (l ? l1 ) ? G2 (l ? l 2 ) ? G3 (l ? l3 ) l

式中: G2 - 的重量(N)

l , l1 , l 2 , l3 ,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm).
4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封,与选用的密衬装置的 类型有关,应根据具体情况加以分析。 4.2.2 回转液压缸的驱动力矩计算 在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸, 它的原理如图4-2所示, 定片1与缸体2固连,动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进 入时,推动输出轴作逆时4回转,则低压腔的气从b孔排出。反之,输出轴作顺时针方向回转。 单叶液压缸的压力P驱动力矩M的关系为:

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p?

2M b( R 2 ? r 2 )

M?



pb( R 2 ? r 2 ) 2

4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核 1.尺寸设计 液压缸长度设计为 b ? 100 mm ,液压缸内径为 D1 =96mm,半径 R ? 48 mm ,轴径 D2 ? 26mm , 半径 R ? 13mm ,液压缸运行角速度 ? = 90? / s ,加速度时间 ?t =0.1s, 则力矩:
M? pb( R 2 ? r 2 ) 2

压强 P ? 0.4MPa ,

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0.4 ? 106 ? 0.1(0.0482 ? 0.0262 ) 2 ? 32.6( N .m) ?

2.尺寸校核 (1)测定参与手腕转动的部件的质量 m1 ? 10kg ,分析部件的质量分布情况, 质量密度等效分布在一个半径 r ? 50 mm 的圆盘上,那么转动惯量:
m1 r 2 J? 2
? 10 ? 0.052 2

? 0.0125 ( kg.m 2 )

工件的质量为5 kg ,质量分布于长 l ? 100 mm 的棒料上,那么转动惯量:
m l2 12 5 ? 0.12 ? 12 ? 0.0042 kg.m 2 ) ( Jc ?

假如工件中心与转动轴线不重合,对于长 l ? 100 mm 的棒料来说,最大偏心距

e1 ? 50mm,其转动惯量为:
J ? J c ? m1e1
2

? 0.0042? 5 ? 0.052 ? 0.0167(kg.m 2 )

M 惯 ? ( J ? J1 )

?
?t

? (0.0125? 0.0167) ? 26.3( N .m)

90 0.1

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(2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏,考虑手腕转动件重心 与转动轴线重合, e1 ? 0 ,夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 e3 ? 50mm ,则:

M 偏 ? G1e1 + G3 e3
? 10 ? 10 ? 0 ? 5 ? 10 ? 0.05 ? 2.5( N .m)

(3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 M 摩 ,对于滚动轴承 f ? 0.01,对于滑动轴承
f =0.1, d1 , d 2 为手腕转动轴的轴颈直径, d1 ? 30mm , d 2 ? 20mm, R A , RB 为轴颈处的支

承反力,粗略估计 RA ? 300N , RB ? 150N ,

M摩 ?

f ( R A d 2 ? R B d1 ) 2 0.01 (300 ? 0.02 ? 150 ? 0.03) ? 2

? 0.05( N .m)

(4)回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封,与选用的密衬装置 的类型有关,应根据具体情况加以分析。在此处估计 M 封 为 M 摩 的3倍,

M封 ? 3? M摩
? 3? 0.05 ? 0.15( N .m)

?

M驱 ? M惯 ? M偏 ? M摩 ? M封
? 26.3 ? 2.5 ? 0.05 ? 0.15 ? 29( N .m)

M驱 M 〈

? 设计尺寸符合使用要求,安全。

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5
5.1

手臂伸缩,升降,回转液压缸的尺寸设计与校核

手臂伸缩液压缸的尺寸设计与校核

5.1.1 手臂伸缩液压缸的尺寸设计 手臂伸缩液压缸采用烟台液压元件厂生产的标准液压缸, 参看此公司生产的各种型号的结 构特点,尺寸参数,结合本设计的实际要求,液压缸用CTA型液压缸,尺寸系列初选内径为

? 100/63,关于此液压缸的资料详情请参看烟台液压元件厂公司主页:
5.1.2 尺寸校核 1. 在校核尺寸时,只需校核液压缸内径 D1 =63mm,半径R=31.5mm的液压缸的尺寸满足使用 要求即可,设计使用压强 P ? 0.4MPa , 则驱动力:
F ? P ? ?R 2

? 0.4 ? 106 ? 3.14 ? 0.03152 ? 1246 N ) (
2.测定手腕质量为50kg,设计加速度 a ? 10(m / s) ,则惯性力:

F1 ? m a
? 50 ? 10 ? 500( N )

3.考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数 k ? 0.2 ,

Fm ? k.F1
? 0.2 ? 500 ? 100( N )

?

总受力 F0 ? F1 ? Fm

? 500 ? 100 ? 600( N )

F0 ? F
所以标准CTA液压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。
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5.1.3 导向装置 液压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时,为了防止手臂绕轴线转动,以保证手指的正确方 向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,应该采用 导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定,同时在 结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。 导向杆目前常采用的装置有单导向杆,双导向杆,四导向杆等,在本设计中采用单导向杆 来增加手臂的刚性和导向性。 5.1.4 平衡装置 在本设计中,为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态,减少手抓一侧重力矩对性 能的影响,故在手臂伸缩液压缸一侧加装平衡装置,装置内加放砝码,砝码块的质量根据抓取 物体的重量和液压缸的运行参数视具体情况加以调节,务求使两端尽量接近平衡。 5.2 手臂升降液压缸的尺寸设计与校核

5.2.1 尺寸设计 液压缸运行长度设计为 l =118mm,液压缸内径为 D1 =110mm,半径R=55mm,液压缸运行速度, 加速度时间 ?t =0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力:

G0 ? p.?R 2``
? 0.4 ? 106 ? 3.14 ? 0.0552 ? 3799 N ) (

5.2.2 尺寸校核 1.测定手腕质量为80kg,则重力:
G ? mg

? 80 ? 10 ? 800( N )

2.设计加速度 a ? 5(m / s) ,则惯性力:

G1 ? m a

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? 80 ? 5 ? 400( N )

3.考虑活塞等的摩擦力,设定一摩擦系数 k ? 0.1 ,

Gm ? k.G1
? 0.1 ? 400 ? 40( N )

?

总受力 Gq ? G ? G1 ? Gm
? 800 ? 400 ? 40 ? 1240 N ) (

Gq ? G0
所以设计尺寸符合实际使用要求。 5.3 手臂回转液压缸的尺寸设计与校核

5.3.1 尺寸设计 液压缸长度设计为 b ? 120 mm ,液压缸内径为 D1 ? 210mm,半径R=105mm,轴径 D2 ? 40mm 半径 R ? 20 mm ,液压缸运行角速度 ? = 90? / s ,加速度时间 ?t ? 0.5s,压强 P ? 0.4MPa , 则力矩: M ?
pb( R 2 ? r 2 ) 2

0.4 ? 106 ? 0.12(0.1052 ? 0.0202 ) ? 2 ? 255( N .m)

5.3.2 尺寸校核 1.测定参与手臂转动的部件的质量 m1 ? 120kg ,分析部件的质量分布情况, 质量密度等效分布在一个半径 r ? 200 mm 的圆盘上,那么转动惯量:
J? m1 r 2 2

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120? 0.102 ? 2
? 0.6 ( kg.m 2 )

M 惯 ? J.

?
?t

90 0.5 ? 108( N .m) ? 0.6 ?

考虑轴承,油封之间的摩擦力,设定一摩擦系数 k ? 0.2 ,

M 摩 ? k.M 惯
? 0.2 ? 108 ? 5.(N.m) 4

总驱动力矩:

M驱 ? M惯 ? M摩
? 108 ? 5.4 ? 113.(N.m) 4

M驱 M 〈

?

设计尺寸满足使用要求。

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6 液压系统的设计
6.1 液压系统简介 机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。 电动机带动油泵输出压力 油,是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进 入油缸, 推动活塞杆运动, 从而使手臂作伸缩、 升降等运动, 将油液的压力能又转换成机械能。 手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小,以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小,均 与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。 手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液 容积的多少。 这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传 动,机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。 6.2 液压系统的组成

液压传动系统主要由以下几个部分组成: ① 油泵 它供给液压系统压力油,将电动机输出的机械能转换为油液的压力能,用这

压力油驱动整个液压系统工作。 ② 液动机 压力油驱动运动部件对外工作部分。手臂做直线运动,液动机就是手臂伸缩

油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达,回转角小于 360° 的液动机,一般叫作回转油 缸(或称摆动油缸) 。 ③ 控制调节装置 各种阀类,如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等, 各起一定作用,使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。 6.3 机械手液压系统的控制回路

机械手的液压系统,根据机械手自由度的多少,液压系统可繁可简,但是总不外乎由一些 基本控制回路组成。这些基本控制回路具有各种功能,如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动 的换向、工作速度的调节以及同步运动等。 6.3.1 压力控制回路 ① 调压回路 在采用定量泵的液压系统中,为控制系统的最大工作压力,一般都

在油泵的出口附近设置溢流阀,用它来调节系统压力,并将多余的油液溢流回油箱。 ② 卸荷回路 在机械手各油缸不工作时,油泵电机又不停止工作的情况下,为减

少油泵的功率损耗, 节省动力, 降低系统的发热, 使油泵在低负荷下工作, 所以采用卸荷回路。 此机械手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。
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③ 减压回路

为了使机械手的液压系统局部压力降低或稳定, 在要求减压的支路 在机械液压系统中,为防止垂直机构因自重而任意下降,可

前串联一个减压阀,以获得比系统压力更低的压力。 ④ 平衡与锁紧回路 采用平衡回路将垂直机构的自重给以平衡。 为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上,并防止因外力作用而发生位移,可采 用锁紧回路,即将油缸的回油路关闭,使活塞停止运动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平 衡阀实现任意位置锁紧的回路。 ⑤ 油泵出口处接单向阀 在油泵出口处接单向阀。 其作用有二: 第一是保护油泵。 液压系统工作时,油泵向系统供应高压油液,以驱动油缸运动而做功。当一旦电机停止转动, 油泵不再向外供油,系统中原有的高压油液具有一定能量,将迫使油泵反方向转动,结果产生 噪音,加速油泵的磨损。在油泵出油口处加设单向阀后,隔断系统中高压油液和油泵时间的联 系,从而起到保护油缸的作用。第二是防止空气混入系统。在停机时,单向阀把系统能够和油 泵隔断,防止系统的油液通过油泵流回油箱,避免空气混入,以保证启动时的平稳性。 6.3.2 速度控制回路 液压机械手各种运动速度的控制,主要是改变进入油缸的流量 Q。其控制方法有两类:一 类是采用定量泵,即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量;另一类是采 用变量泵,改变油泵的供油量。本机械手采用定量油泵节流调速回路。 根据各油泵的运动速度要求,可分别采用 LI 型单向节流阀、LCI 型单向节流阀或 QI 型单 向调速阀等进行调节。 节流调速阀的优点是:简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是:有压力和流量损 耗,在低速负荷传动时效率低,发热大。 采用节流阀进行节流调速时,负荷的变化会引起油缸速度的变化,使速度稳定性差。其原 因是负荷变化会引起油缸速度的变化,使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起节流阀进出 油口的压差变化,因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化。 调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量, 使油缸的运动速度不受负荷变 化的影响,对速度的平稳性要求高的场合,宜用调速阀实现节流调速。 6.3.3 方向控制回路 在机械手液压系统中,为控制各油缸、马达的运动方向和接通或关闭油路,通常采用二位 二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀,由电控系统发出电信号,控制电磁铁操纵阀 芯换向,使油缸及油马达的油路换向,实现直线往复运动和正反向转动。 目前在液压系统中使用的电磁阀,按其电源的不同,可分为交流电磁阀(D 型)和直流电 磁阀(E 型)两种。交流电磁阀的使用电压一般为 220V(也有 380V 或 36V) ,直流电磁阀的
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使用电压一般为 24V(或 110V) 。这里采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能好,换向时间短, 接线简单,价廉,但是如吸不上时容易烧坏,可靠性差,换向时有冲击,允许换向频率底,寿 命较短。 6.4 机械手的液压传动系统 液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要内容之一。 液压系统图是各种液压元件为满足 机械手动作要求的有机联系图。它通常由一些典型的压力控制、流量控制、方向控制回路加上 一些专用回路所组成。 绘制液压系统图的一般顺序是:先确定油缸和油泵,再布置中间的控制调节回路和相应元 件,以及其他辅助装置,从而组成整个液压系统,并用液压系统图形符号,画出液压原理图。 (1)上料机械手的动作顺序 本液压传动上料机械手主要是从一个地方拿到工件后, 横移一定的距离后把工件给立式精 锻机进行加工。它的动作顺序是:待料(即起始位置。手指闭合,待夹料立放) → 插定位销 → 手臂前伸 → 手指张开 → 手指夹料 → 手臂上升 → 手臂缩回 → 立柱横移 → 手腕 回转 115° → 拔定位销 → 手臂回转 115° → 插定位销 → 手臂前伸 → 手臂中停 (此时立 式精锻机的卡头下降 → 卡头夹料, 大泵卸荷) → 手指松开 (此时精锻机的卡头夹着料上升) → 手指闭合 → 手臂缩回 → 手臂下降 → 手腕反转 (手腕复位)→ 拔定位销 → 手臂反 转(上料机械手复位) → 立柱回移(回到起始位置) → 待料(一个循环结束)卸荷。 上述动作均由电控系统发信控制相应的电磁换向阀,按程序依次步进动作而实现的。该电 控系统的步进控制环节采用步进选线器,其步进动作是在每一步动作完成后,使行程开关的触 点闭合或依据每一步动作的预设停留时间,使时间继电器动作而发信,使步进器顺序“跳步” 控制电磁阀的电磁铁线圈通断电,使电磁铁按程序动作(见电磁铁动作程序表)实现液压系统 的自动控制。 (2)自动上料机械手液压系统原理介绍

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图 6-1 机械手液压系统图 液压系统原理如图所示。该系统选用功率 N =7.5 千瓦的电动机,带动双联叶片泵 YB-35/18 ,其公称压力为 60×10 5 帕,流量为 35 升/分+18 升/分=53 升/分,系统压力调节为 30×10 5 帕,油箱容积选为 250 升。手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时两个油泵同时供油;手 臂及手腕的回转和手指夹紧用的拉紧油缸以及手臂回转的定位油缸工作时只有小油泵供油, 大 泵自动卸荷。 手臂伸缩、 手臂升降、 手臂回转、 手臂横向移动和手腕回转油路采用单向调速阀 (QI-63B、 QI-25B、QI-10B)回程节流,因而速度可调,工作平稳。 手臂升降油缸支路设置有单向顺序阀(XI-63B) ,可以调整顺序阀的弹簧力使之在活塞、 活塞杆及其所支承的手臂等自重所引起的油液压力作用下仍保持断路。 工作时油泵输出的压力 油进入升降油缸上腔, 作用在顺序阀的压力增加使之接通, 活塞便向下运动。 当活塞要上升时, 压力油液经单向阀进入升降油缸下腔而不会被顺序阀所阻, 这样采用单向顺序阀克服手臂等自 重,以防下滑,性能稳定可靠。 手指夹紧油缸支路装有液控单向阀(IY-25B) ,使手指夹紧工件时不受系统压力波动的影

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响,保证保证手指夹持工件牢靠。当反向进油时,油箱通过控制油路将单向阀芯顶开,使回油 路接通,油液流回油箱。 在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低, 为此在定位油缸支路前串有减 压阀(J-10) ,使定位油缸获得适应压力为 15—18*10 5 帕 ,同时还给电液动滑阀(或称电液换 向阀,34DY-63B)来实现,空载卸荷不致使油温升高。系统的压力由溢流阀来调节。 此系统四个主压力油路的压力测量,是通过转换压力表开关(K-3B)的位置来实现的, 被测量的四个主油路的压力值,分别从压力表(Y-60)上表示出来。 下面以上料机械手的一个典型动作程序为例,结合图 8 来说明其动作循环。 当电动机启动,带动双联叶片泵 3 和 8 回转,油液从油箱 1 中通过网式滤油器 2 和 7,经 过叶片泵被送到工作油路中去, 如果机械手还未启动, 则油液通过二位二通电磁阀 5 和 10 (电 磁铁 11DT 和 12DT 通电)进行卸荷。 当热棒料到达上料的位置后,由于 1150℃的热料使光电继电器发出电信号(或经过人工 启动) ,经过步进选线器跳步,使机械手开始按程序动作。此时卸荷停止(二位二通电磁阀 5 和 10 的电磁铁断电) ,电磁铁 8DT 通电,压力油进到定位油缸的无杆腔进行定位动作。定位 后此支油路系统压力升高,压力继电器 40 发出电信号,经过步进选线器跳步使电磁铁 1DT 通 电,电液换向阀 25 从“O”型滑滑机能状态变成通路,压力油泵从 3 和 8 经单向阀 6、14 和 13, 经过电液换向阀 25 右边通道进入手臂伸缩油缸的右腔,使活塞杆带动导向杆作前伸运动(因 活塞缸固定) ,手臂前伸到适当位置,装在手臂上的碰铁碰行程开关发出电信号,经步进选线 器和时间继电器延时,是电磁铁 3DT 通电,手指张开;手臂靠惯性滑行,手指移到待上料的 中心位置。在延时结束时,3DT 断电,手指夹紧料;并同时发信、跳步,使电磁铁 4DT 通电, 压力油从工作油路 39 经电液换向阀 33 右边通道、 单向调速阀 34 的单向阀及单向顺序阀 35 的 单向阀进入手臂升降油缸的下腔,推动手臂上升。在手臂上升到预定位置,碰行程开关,使电 磁铁 4DT 断电,电液换向阀 33 复位成“O”型滑阀机能状态,发出电信号经步进选线器跳步, 使电磁铁 2DT 通电,电液换向阀 25 左边接通油路,压力油通过电液换向阀 25 左边通道,经 过单向调速阀 26 的单向阀进入受臂伸缩油缸左腔使受臂缩回。 同时发信、 跳步, 使电磁铁 13DT 通电,压力油通过电液换向阀 41 的左腔,推动手臂横向移动。当横向移动机构上的碰铁碰到 行程开关,使 13DT 断电,并发出电信号经步进选线器跳步使 6DT 通电,则换向阀 18 右边接 通油路,压力油通过单向调速阀 19 的单向阀进入手腕回转油缸一腔,使手腕回转 115° ,手腕 上的碰铁碰行程开关使 6DT 断电, 换向阀 18 复位成“O”型滑阀机能状态, 同时亦使 8DT 断电, 定位油缸复位(拔销) ;压力继电器复位,发出电信号。经步进选线器跳步,使电磁铁 9DT 通 电,换向阀 28 右边通道接通油路,压力油经 QI(31)的单向阀进入手臂回转油缸一腔使手臂
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回转 115° 。当手臂的回转碰铁碰行程开关使 9

DT 断电,换向阀 28 复位成“O”型滑阀机能状

态;并发出电信号。步进选线器跳步,使 8DT 通电,定位油缸 17 动作,插定位销,压力继电 器 40 发出电信号经发出电信号。经步进选线器跳步,使电磁铁 1DT 通电,手臂前伸;当手臂 将棒料送到立式精锻机的夹头轴线前的适当距离,手臂的碰铁碰行程开关,1DT 断电,手臂靠 滑行和定位螺钉使手臂将棒料送到夹头轴线处; 并发出电信号、 跳步使 12DT 通电, 大泵卸荷, 手臂处于“中停”位置,同时发出电信号使立式精锻机启动,夹头下降,行程开关发信,通过时 间继电器使夹头闭合将棒料夹牢, 精锻机电控系统发信, 给机械手电控系统, 经过选线器跳步, 时间继电器延时使 3DT 通电,机械手手指松开(同时,精锻机的电控系统发信使夹头提升) , 延时到 3DT 断电,手指闭合,并发出电信号,步选器跳步,2DT 通电,手臂缩回。当手笔碰 铁碰到行程开关时,2DT 断电(手臂缩回停) ;并发出电信号和跳步,使 5DT 通电,电液换向 阀 33 的左边通道接通油路,压力油经 QI(36)的单向阀进到升降缸的上腔,使手臂下降,当 升降导套上的碰铁碰行程开关时,5DT 断电(手臂下降停) ;并发出电信号和跳步,使 7DT 通 电,换向罚 18 的左边通道接通油路,压力油 QI(20)的单向阀进入手腕回转油缸的另一腔, 使手腕反转 115° ;手腕上的碰铁碰行程开关,使 7DT 断电并发出电信号、跳步,使 8DT 断电 (拔定位销) ,压力继电器复位发出电信号、跳步,使 10DT 通电,换向阀 28 左边通道接通油 路,压力油经 QI(29)的单向阀进入手臂回转油缸的另一腔,使手臂反转 115° (机械手复位) 。 当手臂上的回转碰铁碰行程开关时,10DT 断电,并发出信号,跳步,使 14DT 通电,立柱回 移(回到原位,机械手回到原来位置) ;步进选线器跳步,使 11DT 和 12DT 通电(两个油泵同 时卸荷) ,机械手的动作循环结束。 6.5 机械手液压系统的简单计算 计算的主要内容是,根据执行机构所要求的输出力和运动速度,确定油缸的结构尺寸和所 需流量、确定液压系统所需的油压与总的流量,以选择油泵的规格和选择油泵电动机的功率。 确定各个控制阀的通流量和压力以及辅助装置的某些参数等。 在本机械手中,用到的油缸有活塞式油缸(往复直线运动)和回转式油缸(可以使输出轴 得到小于 360° 的往复回转运动)及无杆活塞油缸(亦称齿条活塞油缸) 。 (1)双作用单杆活塞油缸

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图 6-2 双作用单杆活塞杆油缸计算简图 ①流量、驱动力的计算 当压力油输入无杆腔,使活塞以速度 V1 运动时所需输入油缸的流量 Q1 为 ? 2 Q1 = D V1 40 对于手臂伸缩油缸:Q1=0.98cm 3 /s, 对于手指夹紧油缸:Q1=1.02 cm 3 /s , 对于手臂升降油缸:Q1=0.83 cm 3 /s 油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力 P1 即油缸的驱动力为: ? P1 = D 2 p1 4 对于手臂伸缩油缸:p1=196N, 对于手指夹紧油缸:p1=126N ,对于手臂升降油缸: p1=320N 当压力油输入有杆腔,使活塞以速度 V2 运动时所需输入油缸的流量 Q2 为: ? Q2 = (D 2 -d 2 )V2 40 对于手臂伸缩油缸:Q1=0.87cm 3 /s, 对于手指夹紧油缸:Q1=0.96 cm 3 /s ,对于手臂升 降油缸:Q1=0.72 cm 3 /s
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油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力 P2 即油缸的驱动力为: ? P2 = (D 2 -d 2 )p1 4 对于手臂伸缩油缸:p1=172N, 对于手指夹紧油缸:p1=108N ,对于手臂升降油缸: p1=305N ② 计算作用在活塞上的总机械载荷 机械手手臂移动时,作用在机械手活塞上的总机械载荷 P 为 P=P工 +P导 +P封 +P惯 +P回 其中 P 工 为工作阻力 P 导 导向装置处的摩擦阻力 P 封 密封装置处的摩擦阻力 P 惯 惯性阻力 P 回 背压阻力 P = 83+125+66+80+208=562(N) ③确定油缸的结构尺寸 ㈠油缸内径的计算 油缸工作时,作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞 杆上所受的总机械载荷平衡,即 P = P1(无杆腔) = P2 (有杆腔) 油缸(即活塞)的直径可由下式计算 D=

p 4P = 1.13 厘米 (无杆腔) P1 ?P1

对于手臂伸缩油缸:D=50mm, 对于手指夹紧油缸:D=30mm ,对于手臂升降油缸: D=80mm ,对于立柱横移油缸:D = 40mm 或D=

4 P ? ?P1d 2 ?P1

厘米

(有杆腔)

㈡ 油缸壁厚的计算: 依据材料力学薄壁筒公式,油缸的壁厚 ? 可用下式计算:

? =

p计D 厘米 2?? ?

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P 计 为计算压力

?? ?

油缸材料的许用应力。

对于手臂伸缩油缸:? =6mm, 对于手指夹紧油缸:? =17mm ,对于手臂升降 油缸: ? =16mm , 对于立柱横移油缸: ? =17mm

㈢ 活塞杆的计算 可按强度条件决定活塞直径 d 。活塞杆工作时主要承受拉力或压力,因 此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题,即 P ≦ ?? ? ? = 2 ? d 4 即 d ≧

? ?? ?

4P

厘米

对于手臂伸缩油缸:d =30mm, 对于手指夹紧油缸:d =15mm ,对于手臂升 降油缸:d=50mm , 对于立柱横移油缸:d=16mm (2)无杆活塞油缸(亦称齿条活塞油缸)

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图 6-3 ① 流量、驱动力的计算 Q=

齿条活塞缸计算简图

?D 2 d?
133

当 D=103mm,d=40mm, ? =0.95 rad/s 时 Q = 952N ② 作用在活塞上的总机械载荷 P P=P工 +P封 +P惯 +P回 其中 P 工 为工作阻力 P 封 密封装置处的摩擦阻力 P 惯 惯性阻力 P 回 背压阻力 P = 66+108+208=382(N) ③ 油缸内径的计算 根据作用在齿条活塞上的合成液压力即驱动力与总机械载荷的平衡条件,求得 D=

4P (厘米) ?p
40

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D = 45mm (3)单叶片回转油缸 在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸,简称回转 油缸,其计算

图 6-4 ①流量、驱动力矩的计算

回转油缸计算简图

当压力油输入回转油缸, 使动片以角速度 ? 运动时, 需要输入回转油缸的流量 Q 为: Q=
3b( D 2 ? d 2 )? 400

当 D=100mm,d=35mm,b=35mm, ? =0.95 rad/s 时 Q=0.02m 3 /s 回转油缸的进油腔压力油液,作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩 M: M=
pb( D 2 ? d 2 ) 8

得 M = 0.8 (N· m)

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② 作用在动片(即输出轴)上的外载荷力矩 M M = M 工 +M 封 + M 惯 + M 回 其中 M 工 为工作阻力矩 M 封 密封装置处的摩擦阻力矩 M 惯 参与回转运动的零部件,在启动时的惯性力矩 M 回 回转油缸回油腔的背反力矩 M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (N· m) ③ 回转油缸内径的计算 回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡,可得: D=

8M ?d2 bp

(厘米)

D = 30mm (4)油泵的选择 一般的机械手的液压系统,大多采用定量油泵,油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵 工作压力 p 泵 和最大流量 Q 泵来确定。 ⑴ 确定油泵的工作压力 p 泵 p 泵 ≧ p + ? △p 式中 p ——油缸的最大工作油压

? △p ——压力油路(进油路)各部分压力损失之和,其中包括各种元件的局部
损失和管道的沿程损失。 p 泵= 60×10 5 帕 ⑵ 确定油泵的 Q 泵 油泵的流量,应根据系统个回路按设计的要求,在工作时实际所需的最大流量 Q 最大,并考虑系统的总泄漏来确定 Q 泵 = K Q 最大 其中 K 一般取 1.10—1.25 Q 泵=53 升/分 (5)确定油泵电动机功率 N

N=

pQ (千瓦) 612 ?
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式中 p——油泵的最大工作压力 Q——所选油泵的额定流量

? ——油泵总效率
N=7.5(千瓦)

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7 机械手的PLC控制系统设计
考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械 手进行控制.当机械手的动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷。 7.1 可编程序控制器的选择及工作过程

7.1.1 可编程序控制器的选择 目前,国际上生产可编程序控制器的厂家很多,如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公 司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出 点不多,工作流程较简单,同时考虑到制造成本,因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P 型可编程序控制器。 7.1.2 可编程序控制器的工作过程 可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。 为此采用了循环扫描的工 作方式。具体的工作过程可分为四个阶段。 第一阶段是初始化处理。 可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连,CPU对输入输出状态的询问是针对输入 输出状态暂存器而言的。 输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出 状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的 存储器叫输出状态暂存器。开机时,CPU首先使I/0状态表清零,然后进行自诊断。当确认其硬 件工作正常后,进入下一阶段。 第二阶段是处理输入信号阶段。 在处理输入信号阶段,CPU对输入状态进行扫描,将获得的各个输入端子的状态信息送到 I/0状态表中存放。在同一扫描周期内,各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变,不会 受到各个输入端子信号变化的影响,因此不能造成运算结果混乱,保证了本周期内用户程序的 正确执行。 第三阶段是程序处理阶段。 当输入状态信息全部进入I/0状态表后,CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中,可编 程序控制器对用户程序进行依次扫描,并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理,最后将 结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。 第四阶段是输出处理阶段。
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CPU对用户程序已扫描处理完毕,并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输 入信号从输出状态暂存器中取出,送到输出锁存电路,驱动输出继电器线圈,控制被控设备进 行各种相应的动作。然后,CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。 7.2 可编程序控制器的使用步骤

在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时,通常以 七个步骤进行: (1)系统设计 即确定被控对象的工作原理,控制要求,动作及动作顺序。 (2)I/0分配 即确定哪些信号是送到可编程序控制器的,并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编 程序控制器送到被控对象的,并分配相应的输出端号.此外,对用到的可编程序控制器内部的 计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。 (3)画梯形图 它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同,表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图 形编程器(LCD或CRT),则画出梯形图相当于编制出了程序,可将梯形图直接送入可编程序控制 器。对简易编程器,则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。 (4)助记符机器程序 相当于微机的助记符程序,是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器,助记符指令形 式不同),用简易编程器时,应将梯形图转化成助记符程序,才能将其输入到可编程序控制器 中。 (5)编制程序 即检查程序中每条语法错误,若有则修改。这项工作在编程器上进行。 (6)调试程序 即检查程序是否能正确完成逻辑要求,不合要求,可以在编程器上修改。程序设计(包括 画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机,只要这个机 器配有相应的软件。 (7)保存程序 调试通过的程序,可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。
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7.3

机械手可编程序控制器控制方案

7.3.1 控制系统的工作原理及控制要求 1.控制对象为圆柱座标气动机械手。它的手臂具有三个自由度,即水平方向的伸、缩;竖 直方向的上、下;绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外,其末端执行装置— 机 械手,还可完成抓、放功能。以上各动作均采用气动方式驱动,即用五个二位五通电磁阀(每 个阀有两个线圈,对应两个相反动作)分别控制五个气缸,使机械手完成伸、缩、上、下、旋 转及机械手抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条,使气缸的直线运动转化为旋转运动。这 样,可用PLC的8个输出端与电磁阀的8个线圈相连,通过编程,使电磁阀各线圈按一定序列激 励,从而使机械手按预先安排的动作序列工作.如果欲改变机械手的动作,不需改变接线,只 需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。另外,除抓放外,其余六个动作末端均放置一限位 开关,以检测动作是否到位,如果某动作没有到位,则出错指示灯亮。 2.控制要求 为了满足生产需要,机械手应设置手动工作方式、单动工作方式和自动工作方式。 (1)手动工作方式 便于对设备进行调整和检修,设置手动工作方式。用按钮对机械手每一动作单独进行控制 (2)单动工作方式 从原点开始, 按照自动工作循环的步序, 每按下一次起动按钮, 机械手完成一步的工作后, 自动停止。 (3)自动工作方式 按下起动按钮,机械手从原点开始,按工序自动反复连续工作,直到按下停止按钮,机械 手在完成最后一个周期的动作后,返回原点自动停机。 7.3.2 机械手的工作流程(如图7-1所示) 气动机械手的工作流程如下: (1)当按下机械手启动按钮之后,首先立柱右转电磁阀通电,机械手右转,至右限位开关 动作。 (2)立柱上升电磁阀通电,立柱上升,至上限位开关动作。 (3)手臂伸长电磁阀通电,手臂开始伸长,至限位开关动作。 (4)手腕逆时针转电磁阀通电,手腕逆时针转动,至逆时针转限位开关动作。 (5)立柱下降电磁阀通电,立柱下降,至下限位开关动作。 (6)手爪抓紧电磁阀通电,手爪抓紧,至限位开关动作。
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(7)立柱上升电磁阀通电,立柱上升,至上限位开关动作。 (8)手腕逆时针转电磁阀通电,手腕逆时针转动,至逆时针转限位开关动作。 (9)手腕收缩电磁阀通电,手腕收缩,至限位开关动作。 (10)立柱左转电磁阀通电,机械手左转,至左限位开关动作。 (11)手臂伸长电磁阀通电,手臂开始伸长,至限位开关动作。 (12)手腕逆时针转电磁阀通电,手腕逆时针转动,至逆时针转限位开关动作。 (13)立柱下降电磁阀通电,立柱下降,至下限位开关动作。 (14)手爪松开电磁阀通电,手爪松开,至限位开关动作。 (15)手腕收缩电磁阀通电,手腕收缩,至限位开关动作。完成一次循环,然后重复以上循 环动作。 (16)按下停止按钮或停电时,机械手停止在现行的工步上,重新启动时,机械手按上一工 步继续工作。
启动

手腕收缩

立柱右转

手爪松开

立柱上升

立柱下降

手臂伸长

手腕逆时针转

手腕逆时针转

手臂伸长

立柱下降

立柱左转

手爪抓紧
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手腕收缩

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立柱上升 图7-1机械手自动控制工作流程框图

手腕逆时针转

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结束语
1、本次设计的是液压通用机械手,相对于专用机械手,通用机械手的自由度可变,控制 程序可调,因此适用面更广。 2、该机械手可以选择配置普通的夹持手指,以抓取一般工件;也可更换喷射式气流负压吸 盘,以吸附玻璃、墙地砖等板料及光盘、磁盘等薄型不透气工件,使机械手的用途更多,使用 范围更广。另外,该机械手既可以用于搬运小型零件,也可供教学、实验使用。 3、采用液压传动,动作迅速,反应灵敏,能实现过载保护,便于自动控制。工作环境适 应性好,不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小,不会污染环境。同时成 本低廉。 4、机械手采用PLC控制,具有可靠性高、改变程序灵活等优点,无论是进行时间控制还是 行程控制或混合控制,都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序, 使机械手的通用性更强。

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致谢
紧张的毕业设计即将接近尾声,我在这次设计中收获了很多。这次设计对于我们每一即将 走向工作岗位的同学来说都是非常重要。这不仅是我们在这四年里所学过的知识进行综合运 用,而且是将我们所学的知识应用于实践的一次检验。通过这次毕业设计,我将大学四年所学 的知识进行了一次系统的学习总结,加深了对所学知识的掌握,提高了我们对所学的知识的合 理运用的能力,同时也发现了自己知识的弱点和薄弱环节,并及时地加以改正和补充。也使我 的知识系统更加的完善。 毕业设计是对大学四年所学知识及个人能力的一次综合检验,既巩固了原有知识,又拓宽 了知识面,加深了对机械设计的认识,也了解了当今世界工业的发展趋势,更进一步学习了有 关工业机械手的相关知识,学到了许多未曾接触过的知识,增强了自己的学习能力和逻辑思维 能力。我在设计过程中,不仅应用了以前所学过的相关专业知识,同时还查阅了大量的相关资 料和文献,使我对这一领域有了初步的了解和认识。在整个设计过程中,我在现有产品设计的 基础之上又充分地发挥了自己的创造和思维能力,使此产品更加的完善。能将自己学习的理论 知识真正运用到实际中,让理论真正的得到检验,这对我们每个人来说都是一个十分宝贵而难 得的机会。对实际中出现的问题用理论解决的能力,也是我们在今后走向工作岗位所十分需要 的。通过设计培养了我科学严谨、精益求精、认真对待问题的工作态度;使我明白在实际中来 不得半点马虎。 由于实际设计的经验不足、相关的专业知识缺乏、设计水平也是有限的,在设计上还存在 着许多的不足。在此感谢指导老师张莹老师给予的充分指导,并提出了许多的宝贵意见,及时 地改正了许多设计中的错误,使我的设计更加的合理、完善。再次向张老师表示深深的谢意。 同时也感谢各位同学能在繁忙的设计工作之余给予我很多建议和帮助。 短暂而充实的大学的生活即将结束,在这四年的学习和生活中,全体老师的严谨的教学作 风和忘我的敬业精神使我深深地受到了感动。老师们的言传身教培养了我良好的学习态度。各 位老师教给我的知识将伴随我以后的工作生涯。老师的教诲我将牢记在心中,在今后的学习和 工作中我会更加努力地拼搏,不辜负各位老师的期望和厚爱。再次对老师们的教导和辛勤劳动 表示万分感谢。

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参考文献
[1]《气动通用上下料机械手的研究与开发》陕西科技大学,李超 [2]《机械手》中国铁道出版社, 陆祥生 ,杨绣莲 [3]《工业机械人》北京理工大学出版社 [4]《 PLC 在机械手步进控制中的应用》中国工控信息网, 史国生. [5]《工业机械手设计》机械工业出版社, 李允文 [6]《机械人学的发展趋势和发展战略》机械人技术, 蔡自兴 [7]《近代气动机械人(机械手)的发展及应用》液压气动与密封, 王雄耀 [8]《单臂回转机械手设计》制造技术与机床,李明 [9]《多工步搬运机械手的设计》机械设计, 张军,封志辉 [10] “Directory of Intelligent Buildings” Cole Thompson Associates. [11]《Adesign for living in the Digital Age》RELEASE 2.0, Ester Dyson. [12]《机械设计基础》高等教育出版社,杨可桢 程光蕴 李仲生 [13]《机电传动控制》 (第三版) ,华中科技大学出版社,邓星钟, [14]《简明机械零件设计手册》 (第二版) ,机械工业出版社,朱龙根, [15]《电工学-电子技术》 (第五版) ,高等教育出版社,秦曾煌, [16]《机械系统设计》 (第二版) ,机械工业出版社,朱龙根,

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[17]《机械设计》 (第八版) ,高等教育出版社,纪名刚, [18]“ Mechanical Engineering”,ASME, Regents Publishing Company,Inc, Charles W. Beardsly,

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