工业机械手液压系统设计毕业论文.docx
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工业机械手液压系统设计毕业论文
名徵3終网孩歹陵成心咅等篆盲
毕业论文（设计）
反复关注液压电气设计项目，积累经验流程
论文题目
学生姓名
所学专业
导师姓名
报告日期
安徽工程科技学院成教院制
1、前言-2
2、确定对液压系统的工作要求--2
3、拟定液压系统原理图3
3」液压系统原理图3
3.2液压系统电磁铁动作顺用农4
3.3液压系统工作原理4
3.4液压系统特点分析7
3.5电气系统原理图8
3.6电气系统工作原理8
3.7电气系统特点分析10
4、计算和选择液压元件11
4.1执行元件——液压缸、液压马达11
4.2动力元件——液压泵14
4.3控制元件——方向阀、压力阀、流量阀16
4.4辅助元件——管道、管接头、滤油器、油箱17
4.5工作介质——液压油18
5、液压系统性能的验算19
5.1系统的压力损失验算19
5.2系统的温升验算19
5.3系统的其它验算19
6、结束语19
7、致谢--19
8、参考文献-19
工业机械手液压系统设计
I摘要I机械手是模仿人的手部动作，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。
它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业，因此获得日益广泛的应用。
机械手•般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。
本篇介绍的工业机械手属圆柱坐标式、全液压驱动机械手。
本篇根据液压系统设计的•般程序，分四步详细地介绍了工业机械手液压系统设计过程，其中第3步拟定液压系统原理图是重点。
［关键词］机械手液压电气
1、前言
匸业机械手的技术参数是说明机械手规格与性能的具体指标，•般有以下几个方血：
⑴握取重量。
握取重量标明了机械手的负载能力。
这项参数与机械手的运动速度有关，通常指正常运行速度所握取的工件重量。
⑵运动速度。
运动速度是反映机械手性能的•项重要技术参数。
它与机械手握取重虽、定位、精度等参数都有密切关系，同时也宜接影响机械手的运动周期。
（3）自由度。
确定工业机械手的手部在运动空间的位置和姿态的、独立的变化参数就是」：
业机械手的自由度。
PI由度越多，其动作越杲活，适应性越强，但结构也相应越复杂。
•般具有4〜6个自由度即满足使用要求。
⑷沱位精度。
定位精度即重复定位精度，是衡虽机械手工作质疑的又一项重要指标。
定位精度的高低取决于位置控制方式以及运动部位本身的制造精度和刚度，与握取重量、运动速度等也有密切关系。
2、确定对液压系统的工作要求
根据工况要求，执行机构妥具有手臂升降、手臂伸缩、手臂回转和手腕回转四个自由度。
执行机构相应由手臂升降机构、手臂伸缩机构、手臂回转机构、手腕回转机构、手指夹紧机构和回转定位机构等组成，每•部分均由液压缸驱动与控制它完成的动作循环为：
插定位销一手臂前伸一手指张开一手指夹紧抓料一手臂上升一手臂缩回一手腕回转180°—拔定位销一手骨回转95°一插定位销一手臂前伸一手臂中停一手指松开一手指闭合一手臂缩回一手臂下降一手腕回转复位一拔定位销一手臂回转复位一待料，泵卸载。
3、拟定液压系统原理图
3.1液压系统原理图
3.2液压系统电磁铁动作顺序农
动作如
1Y
2Y
3Y
4Y
5Y
6Y
7Y
8Y
9Y
10Y
11Y
12Y
K26
插定位销
+
+
+
『臂前伸
+
+
+
手指张开
+
+
+
+
护指抓料
+
+
+
手臂上升
+
+
+
手臂缩回
+
+
+
手腕回转
+
+
+
+
拔定位销
+
手臂回转
+
+
插定位销
+
+
+
尹臂前伸
+
+
+
手臂中停
+
+
+
+
+
+
手指闭合
+
+
+
F臂缩回
+
+
+
手臂下冲
+
+
+
『腕反转
+
+
+
+
拔定位销
+
手臂反转
+
+
待料卸载
+
+
3.3液压系统工作原理
1、插定位销（1厂、12厂）
按下油泵起动按钮后，双联叶片泵1、2同时供油，电磁铁IY、2Y带电，油液经溢流阀3和4至油箱，机械手处于待料卸荷状态。
当棒料到达待上料位置，启动程序动作。
电磁铁IY带电，2Y不带电，使泵1继续卸荷，而泵2停止卸荷，同时12Y通电。
进油路：
泵2—阀6-减压阀8—阀9一阀25（右）一定位缸左腔。
此时，插定位销以保证初始位置准确。
定位缸没有回油路，它是依靠弹赞复位的。
2、手臂前伸（5厂、12厂）
插定位销后，此支路系统油压升高，使继电器K26发讯，接通电磁铁5Y,泵1和泵2经相应的单向阀汇流到电液换向阀14左位，进入手臂伸缩缸油腔。
进油路：
泵1-单向阀5-阀14（左）一手臂伸缩缸右腔
泵2-阀6—阀7—t
回油路：
手臂伸缩缸左腔一单向调速阀15—阀14（左）一油箱
3、手指张开（1厂、9厂、12厂）
手恃前伸至适当位置，行程开关发讯，电磁铁1Y、9Y带电，泵I卸较，泵2供油，经单向阀6电磁阀20左位，进入手指夹紧缸右腔。
回油路从左腔通过液控单向阀21及阀20左位进入油箱。
进油路：
泵2—阀6—电戰阀20（左）一手指夹紧缸右腔
回油路：
手指夹紧缸左腔一阀21—电磁阀20（左）一油箱
4、手指抓料（1厂、12厂）
手指张开后，时间继电器延时。
待棒料由送料机构送到手指区域时，继电起器发讯使9Y断电，泵2的压力油通过阀20的右位进入缸的左腔，使手指夹紧棒料。
进油路：
泵2—阀6-阀20（右）一阀21-手指夹紧缸左腔
回油路：
手指夹紧缸右腔一阀20（右）一油箱
5、手臂上升（3厂、12厂）
当手指抓料后，手愕上升。
此时，泵1和泵2同时供油到升降缸。
主油路为：
进油路：
泵1-单向阀5-阀10（左）一阀II一阀12—手臂升降缸下腔
泵2-阀6—阀7—t
回油路：
手臂升降缸上腔一阀13-阀10（左）一油箱
6、手臂缩回（6厂、12厂）
手臂上升至预定位置，碰行程开关，3Y断电，电液换向阀10复位，6Y带电。
泵1和泵2•起供油至电液换向阀14右端，压力油通过单向调速阀15进入伸缩缸左腔，而右腔油液经阀14右端回油箱。
进油路：
泵1一阀5-阀14（右）一阀15-手臂伸缩缸左腔
泵2-阀6-阀7-t
回油路：
手臂伸缩缸右腔一阀14（右）一油箱
7、手腕回转（1厂、10厂、12厂）
当手骨上的碰块碰到行程开关时，6Y断电，阀14复位，1Y、10Y通电。
此时，泵2单独
供油至阀22左端，通过阀24进入手腕回转油缸，使手腕回转180\
进油路：
泵2—阀6-阀22（左）一阀24—手腕回转缸
回油路：
手腕回转缸一阀23-阀22（左）一油箱
8、拔定位销（iy+）
当手腕上的碰块碰到行程开关时，10Y、12Y断电，阀22、25复位，定位缸油液经阀25左端回油箱，弹赞作用拔定位销。
回油路：
定位缸左腔一阀25（左）一油箱
定位缸没有进油路，它是在弹赞作用下前进的。
9、手臂回转（1厂、7/+）
定位缸支路无油压后，压力继电器K26发讯，接通7Y。
泵2的压力油进入阀6经换向阀16左端通过单向调速阀18最后进入手臂回转缸，使手臂回转95°。
进油路：
泵2—阀6-换向阀16（左）一单向调速阀18—手臂回转缸
回油路：
手臂回转缸〜单向调速阀】7—换向阀16（左）一行程节流阀19一油箱
10、插定位销（1厂、12厂）
当手臂回转碰到行程开关时，7Y断电，12Y重又通电，插定位销同I。
11、手臂前伸（5丫+、12/+）
此时的动作顺序同7。
12、手臂中停（12/+）
当手臂前伸碰到行程开关后，5Y断电，伸缩缸停止动作，确保手臂将棒料送到准确位置处,“手臂中停”等主机夹头夹紧棒料，夹头夹紧棒料后，时间继电器发讯。
13、手指张开（1厂、9厂、12厂）
接到继电器信号后，1Y、9Y通电，手指张开同3。
并启动时间继电器延时，主机夹头移走棒料后，继电器发讯。
14、手指闭合（1厂、12厂）
接继电器信号，9Y断电，手指闭合同4。
15、手臂缩回（6厂、127+）
当手指闭喝后，1Y断电，使泵1和泵2•起供油，同时6Y通电，其动作顺序同6。
16、手痔下降（4丫+、127+）
手臂缩回碰到行程开关，6Y断电，4Y通电。
此时，电液换向阀10右端动作，压力油经阀10和单向调速阀13进入升降缸上腔。
进油路：
泵1-单向阀5-阀10（右）一阀13—手臂升降缸上腔
泵2-阀6-阀7—f
回油路：
手臂升降缸下腔一阀12—阀11-阀10（右）一油箱
17、手腕反转（1厂、11厂、12/+）
当升降导套上的碰铁碰到行程开关时，4Y断电，1Y、I1Y通电。
泵2供油至阀22右端，
爪力油通过单向调速阀23进入手腕回转缸的另•腔，并使手腕反转180°
进油路：
泵2-阀6-阀22（右）一单向调速阀23—手腕回转缸
回油路：
手腕回转缸一单向调速阀24—阀22（右）一油箱
18、拔定位销（1/+）
手腕反转碰到行程开关后，11Y、12Y断电。
动作顺序同8。
19、手臂反转（1/\8厂）
拔定位销，压力继电器发信号，8Y接通。
换向阀16右端动作，压力油进入手臂回转缸的另•腔，手臂反转95°,机械手复位。
进油路：
泵2—阀6-换向阀16（右）一单向调速阀17—手臂回转缸
回油路；手臂回转缸〜单向调速阀18—换向阀16（右）一行程节流阀19一油箱
20、待料卸载（1厂、2厂）
手臂反转到位后，启动行程开关，8Y断电，2Y接通。
此时，两油泵同时卸荷。
机械手动作循环结束，等待下一个循环。
机械手的动作也可由微机程序控制，与相关主机联为•体，其动作顺序相同。
3.4液压系统特点分析：
⑴系统采用双联泵供油，手臂升降及伸缩时由两个泵同时供油：
手臂回转、手腕回转、手指松紧及定位缸匸作时，只有小流量泵2供油，人流量泵1自动卸我。
由于定位缸和控制油路所需压力较低，在定位缸支路上串联有减压阀8,使之获得稳定的压力。
⑵手臂的伸缩和升降采用单杆双作用液压缸驱动，手臂的升降和伸缩速度分别由单向调速阀15、13、11实现回油节流调速；手臂及手腕的回转由摆动液压缸驱动，其正反向运动亦釆用单向阀17和18,23和24回油节流调速。
⑶执行机构的定位和缓冲是机械手工作平稳可靠的关键。
从提高生产率来说，希望机械手正常工作速度越快越好，但工作速度越快，起动和停止时的惯性就越人，振动和冲击就越人，这不仅会影响到机械手的定位精度，严重时还会损伤机件。
因此机械手的定位精度和运动平稳性的要求，一般在定位前要采取缓冲措施。
该机械手手臂伸出、手腕回转由死挡铁定位保证精度，端点到达前发信号切断油路，滑动缓冲；手臂缩回和手臂上升由行程开关适时发信号，捉前切断油路，滑行缓冲并定位。
此外，手臂伸缩缸和升降缸采用了电液换向阀换向，调节换向时间，亦增加缓冲效果。
由于手臂的回转部分质量较大，转速较高，运动惯性矩较人，系统手臂回转缸除采用单向调速阀回油节流调速外，还在回油路上安装行程节流阀19进行•减速缓冲，最后由定位缸插定位销定位，满足定位精度妥求。
⑷为使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21的触紧回路。
⑸手普升降缸为立式液压缸，为支承平衡运动部件的自重，采用了单向顺序阀12的平衡回路。
3.5电气系统原理图
各执行机构的动作均由电控系统发信号控制相应的电磁换向阀，按程序依次步进动作。
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3.6电气系统工作原理
1、插定位销＜ir\12/+）
放下闸刀开关QG,按下起动按钮SB2,中间继电器12K得电，其常开触点闭合，使电磁铁1Y、2Y同时得电,两泵同时卸载，机械手处于待料卸载状态。
同时继电器KM得电,其常开触点闭合，电机M运转，运输棒料。
当棒料到达待上料位置时,撞上行程开关12ST,12ST闭合,使中间继电器12K断电，电磯铁2Y断电，小泵停止卸载，大泵仍卸载，同时使中间继电器11K得电，其常开触点自锁，使另外的常开触点闭合，血磁铁I2Y得电，实现插定位销。
2、手臂前伸（5丫十、12丫+〉
当定位缸的油压达到•定值时，压力继电器KP发讯，使行程开关6ST闭合，中间继电器5K得电，其常开触点闭合，电磁铁5Y得电，实现手臂前伸。
3、手指张开（1厂、9厂、12/+）
经淀时间，手臂伸缩缸上的碰块碰到行程开关4ST.4ST闭合，中间继电器4K得电，其常开触点闭合，电磁铁9Y得电，实现手指张开。
4、手指抓料（1厂、12厂〉
经•宦时间，手指夹紧缸上的碰块碰到行程开关5ST.5ST闭合，中间继电器4K断电，其常开触点断开，电磁铁9Y断电，实现手指抓料。
5、手臂上升（3厂、12厂〉
经•定时间，手指夹紧缸上的碰块碰到行程开关2ST.2ST闭合，中间继电器2K得电，其常开触点闭合，电磁铁3Y得电，实现手臂上升。
6、手臂缩回（6丫+、12丫十〉
经•定时间，手臂升降缸上的碰块碰到行程开关7ST.7ST闭合，中间继电器6K得电，其常开触点闭合，电磁铁6Y断电，实现手臂缩回。
7、手腕回转（］厂、1（）丫+、12/+）
经淀时间，手普伸缩缸上的碰块碰到行程开关8ST.8ST闭合，中间继电器7K得电，其常开触点闭合，电磁铁10Y得电，实现手腕回转。
8、拔定位销（1厂）
经•定时间，手腕回转缸上的碰块碰到行程开关1ISTJ1ST闭合，中间继电器10K得电，其常闭触点断开，电磁铁12Y断电，同时8ST断开后，中间继电器7K断电，其常开触点断开,电磁铁10Y断电，实现拔定位销。
9、手臂回转（1厂、7/+）
经•定时间，定位缸支路上无油压后，压力继电器KP发讯，使行程开关10ST闭合，中间继电器9K得电，其常开触点闭合，电磁铁7Y得电，实现手臂回转。
10、插定位销（IK\12K+）其过程同1。
11、手臂前伸（5丫十、12/+）
其过程同7。
12、手臂中停（12『+）
经•定时间，手臂伸缩缸上的碰块碰到使行程开关6ST,中间继电器5K断电，其常开触点断开，电磁铁5Y断电，实现手臂中停。
13、手指张开（I厂、9厂、12/+）其过程同3。
14、手指闭合（I厂、12厂）
其过程同4。
15、手臂缩回（6丫十、12/+）其过程同6。
16、手臂下降（4丫十、12/+）
经淀时间，手臂伸缩缸上的碰块碰到使行程开关3ST,3ST闭合，中间继电器8K得电，其常开触点闭合，电磁铁4Y得电，实现手臂下降。
17、手腕反转（1厂、11厂、12厂）
经淀时间，手臂升降缸上的碰块碰到行程开关9ST.9ST闭合，中间继电器8K得电，其常开触点闭合，电磁铁11Y得电：
同时，中间继电器3K断电，其常闭触点闭合，电磁铁1Y得电,实现手臂反转。
18、拔定位销（1厂）
其过程同8。
19、手臂反转（1厂、8/+）
拔定位销销后，压力继电器KP发讯，行程开关11ST闭合，中间继电器10K得电，其常开触点闭合，电磁铁8Y得电，实现手臂反转。
20、待料卸载（1厂、2/+）
经•定时间，手臂回转缸上的碰块碰断行程开关l】ST.中间继电器10K断电，其常开触点断开，常闭触点闭合，电磁铁8Y断电，电磁铁2Y得电，两泵同时卸荷，实现待料卸载。
3.7电气系统特点分析：
⑴控制方式为点位程序控制。
程序设计采用开关预选方式，机械手的自动循环采用步进继电器控制。
步进动作是由每•个动作完成后，使行程开关ST的触点闭合而发出信号或依据每•步的动作预设停留时间。
⑵发信指令完成由相应的中间继电器K来实现，受发指令的完成方式为机械手相应动作结束的同时使步进继电器再动作，复位指令完成是给相应的中间继电器通电，使机械手回到」:
作准备状态。
⑶机械手除能实现自动循环外，还设有调整电路，可通过手动按钮SB进行单个动作调试。
⑷液压泵的供油与卸载和每步动作之间的对应关系由控制电器保证：
只有在2K、3K、4K、5K、6K、7K、8K、9K、10K等九个中间继电器全部不通电（所有液压缸不动作）时，中间继电器12K才通电，使电磁铁IY、2Y得电，大、小泵同时卸载；中间继电器中任意•个通电（即任•液压缸动作）,12K则断电,小泵停止卸载;中间继电器2K、3K、5K、6K中任意-个通电（即手臂升降，手臂伸缩），大泵则停止卸载。
⑸手腎定位与手臂回转由继电器互锁。
在插定位销后，定位缸压力上升，压力继电器K升压发令，•方面由常开触点接通手臂升降、手臂伸缩、手指松夹、手腕回转等部分的自动循环电气线路；另•方而由常闭触点断开手臂回转的电气线路。
同时在定位缸用电磁铁12Y的线圈两边串联有中间继电器9K和10K（手臂回转）的常闭触头和11K（定位插销）的常开触头，这些互锁措施保证了任何情况下手臂回转只在拔定位销之后进行。
⑹因机械手I：
作环境存在金属粉尘，在电磁铁Y的线圈两边各串联J'•个中间继电器的常开触头，用以保证继电器断电之后常开触头可靠脱开，液压缸即时停止工作。
4、计算和选择液压元件
液压元件包扌舌执行元件、动力元件、控制元件、辅助元件、工作介质。
4.1执行元件一一液压缸.液压马达
手臂伸缩液压缸
匸业机械手受力示意图
4.1.1F指夹紧缸
VSY=O
•••2几Y=0
G1000
•••N=——==5000N
2“2x0.1
VSM（o）=0
AF,=2N，=2X5000=10000N
VF
又0）=-^=—=1.33
VI0
■
•••F]=133OON
根据液压行业技术标准，圆整为4（）mg查《机械设计手册》P-286选HSG型液压缸。
4.1.2手腕回转缸
当手指夹着匸件，手腕旋转时，液压缸需克服的摩擦力矩最人。
Mf=fXr=//G>=0.1X15OOXO.1=15NM
査《机械设计手册》人7-204选CM-C10C型液压马达。
4」・3手臂伸缩缸
F=f=“G=0.1X2000=200N
根据液压行业技术标准，圆整为10mm.查《机械设计手册》P17_286选HSG型液压缸。
4.1.4手恃升降缸
根据液压行业技术标准，圆整为40mm.查《机械设计手册》P17_286选HSG型液压缸。
4.1.5手臂回转缸
当手指夹着匸件，手臂旋转时，液压缸需克服的摩橡力矩最大。
Mf=fXr=//G>=0.1X4500XO.O5=22.5NM
查《机械设计手册》
人7-204选CM-C18C型液丿R马达。
4丄6定位缸
f二“G=0.1X5OOO=5（X）N
根据液压行业技术标准，圆整为20mm.,查《机械设计手册》PI7_286选HSG型液压缸。
液压缸计算结果:
型号
速度比
活塞缸内
径（mm）
活塞杆直
径（mm）
活塞杆工
进速度
实际压力
（MPa）
流量（L/min）
（m/min）
手指夹紧缸
HSG
1.33
40
20
3
10
3.76
手臂伸缩缸
HSG
133
10
5
12
4
0.94
手臂升降缸
HSG
133
40
20
36
4
45.2
定位缸
HSG
1.33
20
10
3
4
0.94
液压马达计算结果:
型号
额定转速
（r/min）
额定转矩
（NM）
额定压力
（MPa）
打區（mS）
流量
（L/min）
手腕回转缸
CM-C10C
1800
17.4
10
10.9
19.6
手臂回转缸
CM-C18C
1800
29
10
1&2
32.8
4.1.7液压缸的其它技术要求：
⑴缸筒与端盖的连接形式
由于机械手要求外形尺寸小，重量轻，故采用螺纹式连接
⑵缸筒、端盖和导向套的基本要求
缸筒内孔•般采用锂削、钱孔、滚压或磨等精密加工工艺制造，耍求农面粗糙度在0.1〜0.4“n使汕塞及其密封件、支*件能顺利滑动，从而保证密封效果，减少俳损;缸筒要承受很大的液压力，因此，应具有足够的强度和刚度。
端盖装在缸筒两端，形成封闭油腔，同样承受很人的液压力，因此，端盖及其连接件都应有足够的强度和刚度。
导向套对活塞杆起导向和支承作用，•般采用摩橡系数小、耐磨性好的聚四氟乙烯制作。
⑶活塞和活塞杆的连接形式
由于机械手工作时振动较人，要求连接强度高且具有减振能力，故选择半环式连接⑷活塞组件的密封
在活塞的外圆衣而•般开几道宽0.3〜0.3mm的环形沟槽，称平衡槽，其作用如下：
使活塞具有自位性能，由于括塞的几何形状和同轴度误差，匸作压力油在密封间隙中的不对称分布形成•个径向不平衡力，称为液压卡紧力，它使摩擁力增人，开平衡槽后，使得径向油压力趋于平衡,使活塞能够自动对中，减小摩橡力：
由于同心环缝的泄漏要比偏心环缝小得多，活塞的对中减小了油液的泄漏量，提高了密封性能；自润滑作用，油液储存在平衡槽内，使活塞能自动润滑。
同时还采用Y型密封。
Y形密封的藏面为Y形，属唇型密圈，主妥用于往复运动的密封。
Y形圈的密封作用取决于它的唇边对耦合而的紧密接触程度。
在压力汕作用下，唇边对耦合而产生较人的接触压力，从而达到密封的目的。
当液压力升高时，唇边与耦合而贴得更紧，接触压力更高，密封性能更好。
⑸缓冲装置
当液压缸拖动负载的质量较人.速度较高时，•般应在液压缸中设缓冲装置，必要时还需在液压缸传动系统中设缓冲回路，以免在行程终端发生过人的机械碰撞，导致液压缸损坏。
缓冲的原理是当活塞或缸筒接近行程终端时，在扌油腔内增人回油阻力，从而降低液压缸的运动速度，避免活塞与缸盖相撞。
4.2动力元件一一液压泵
液压泵是标准件，其选择依据是额定压力和流量。
4.2.1小泵
当手臂回转、手腕回转、手指松紧及定位缸工作时，只有小流量泵供油。
手臂回转时，液压马达的额
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