机械手电气部分.docx
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机械手电气部分
电气系统设计
一．1.机械手及其应用
1．1机械手：
模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。
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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2〜3个自由度。
1.2机械手的应用意义在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：
1.可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。
而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。
在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
2．可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。
机械手的组成包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
2.1、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部。
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，制造容易构件，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。
常用的指形有平面的、V形面的和曲面的：
手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。
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、丝杠螺母多，式弹簧式和重力式等。
附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电吸磁力）吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。
对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。
造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。
对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。
电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。
用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。
此外，根据特殊需要，手部还有勺式（如浇铸机械手的浇包部分）、托式（如冷齿轮机床上下料机械手的手部）等型式。
2.2、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）。
2.3、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、气缸、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、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。
手臂可能实现的运动如下：
手臂运动
基本运动复合运动直线运动与回转运动的组合（即螺旋运动）两直线运动的组合（即平面运动）回转运动：
如水平回转、左右摆动运动直线运动：
如伸缩、升降、横移运动两回转运动的组合（即空间曲面运动）。
手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。
此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。
导向装置结构形式，常用的有：
单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。
2.4、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。
机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
2.5、行走机构
当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。
滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。
驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。
2.6、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、设计的任务
（一）、基本情况介绍
机械手结构、动作与控制要求
机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。
本设计中的机械手采用关节式结构。
各动作由液压驱动，并右电磁阀控制。
动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统。
机械手的结构如图8-13所示，主要由手指1、手腕2、小臂3、和大臂5等几部分组成。
料架6为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。
每转动一定角度
（由工件数决定）以保证待加工零件4对准机械手。
机械手各动作与相应电磁阀动作关系如表8-4所示。
以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：
由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等料架转过一定角后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。
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图8-13机械手的外形及其与料架的配置
1-手部2-手腕3-小臂4-工件5-大臂6料架
（二）、拖动情况介绍具体动作顺序是：
原始位置（装好工件等待加工位置，其状态是大手臂竖立，小手臂伸出并处于水平位置，手腕很横移向右，手指松开）一一手指夹紧（抓住卡盘上的工件）――松卡盘一一手腕左移（从卡盘上卸下已加工好的工件）一一小手臂上摆一一大手臂下摆手指松开（工件放回料架）小手臂收缩料架转位小手臂伸出一一手指夹紧（抓住未加工零件）一一大手臂上摆（取送零件）一一小手臂下摆一一手腕右移（将工件装到机床的主轴卡盘中）一一卡盘收紧一一手指松开，等待加工。
表8-4电磁阀状态表
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
YV6
YV7
YV8
YV9
YV10
YV11
手指的夹紧与放松
夹紧
+
放松
+
手腕横向移动（左右移动）
左移
+
右移
+
小臂的
伸缩
伸
+
缩
+
小臂上下摆动
上摆
+
下摆
+
大臂上下摆动
上摆
+
下摆
+
+
根据表8-4及各动作中机械的状态，便可自行列出各动作中对YV1-YV11线圈的
通电要求。
2、设计要求
1）加工中上料、下料各动作采用自动循环。
2）各动作之间应有一定的延（由时间继电器调定）。
3）机械手各部分应能单独动作，以便于调整及维修。
4）油泵电机（采用Y100L2-4.3KW及各电磁阀运行状态应有指示。
5）应有必要的电气保护与联锁环节。
三、设计过程
（一）、总体方案选择说明
本设计中的机械手采用关节式结构，并右电磁阀控制。
动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统。
原始位置（装好工件等待加工位置，其状态是大手臂竖立，小手臂伸出并处于水平位置，手腕很横移向右，手指松开）一一手指夹紧（抓住卡盘上的工件）――松卡盘一一手腕左移（从卡盘上卸下已加工好的工件）一一小手臂上摆一一大手臂下摆手指松开（工件放回料架）小手臂收缩料架转位小
手臂伸出一一手指夹紧（抓住未加工零件）一一大手臂上摆（取送零件）一一小手臂下摆一一手腕右移（将工件装到机床的主轴卡盘中）一一卡盘收紧一一手指松开，等待加工。
（二）、控制方式选择
根据要求选择用电气控制，由油泵电机（采用Y100L2-4.3KW驱动，继电器,时间继电器，限位开关控制。
（三）、设计电气原理图电气控制设计图及继电器控制
机械手电气控制系统工作流程图
继电器控制
YV1
手指夹紧
YV2
手指放松
YV3
手腕左移
YV4
手腕右移
YV5
小臂伸出
YV6
小臂收缩
YV7
小臂上摆
YV8
小臂下摆
YV9
大臂上摆
YV10
大臂下摆
限位开关
SQ0
手指夹紧限位开关
SQ1
手指放松限位开关
SQ2
手腕左移限位开关
SQ3
手腕右移限位开关
SQ4
小臂伸出限位开关
SQ5
小臂收缩限位开关
SQ6
小臂上摆限位开关
SQ7
小臂下摆限位开关
SQ8
大臂上摆限位开关
SQ9
大臂下摆限位开关
（四）•编制元件明细及元件列表
1熔断器：
接于主线上，保护5台电动机：
所以选择型号：
RL1-60/50;
2热继电器：
分别安装在液压油泵电机和油泵冷却电机上，流过的电流为7.9A，选择型号：
JR16-20/3（额定电流为11A）;
分别安装在左右刀具电动机上，流过电流为5.8A，所选型号：
JR16-20/3（额定
电流为7.2A③接触器：
名称
符号
型号
数量
按钮
SB1~SB2
LA25-01
2个
行程开关
SQ0~SQ9
LX32-1Q
10
熔断器
FU1~FU7
RL1-15/15
7
接触器
KM1~KM6
CJ8-A0
6
热继电器
FR1~FR5
JR16-20/3
5
中间继电器
KA1〜KA12
JZ51-26
12
时间继电器
KT1~KT12
JS14A
12
1主电路设计
2控制电路设计及按设计要求检查各动作程序，各种保护联锁等全部符合要求，绘制电气控制纵原理图。
ET12
JL
SB2
KT1
KAI2
z
KA2
SQ2
KA3
LV
KA3
5Q5
厂A
EA3/
KT5
KA5
KAB
SQI
~4
CAS
KT6
T
KA6
KA6
SQ5
~4
KAT
三、设计小结通过此次机械手电气控制系统设计课程设计进一步了解和掌握了电气控制系统设计，并且自学电气CAD把课本中的知识熟练掌握后在现实中得到了应用。
把理论的知识进一步的升华。
设计中通过经验设计法对其电气控制系统进行本次设计，并选择电器元合理配置，使其达到最优化。
其后，应用科学的计算方法选用各种型号的电器元件。
最后，对控制面板进行优化设计。
参考文献
[1]吕厚余邓力工业电气控制技术。
北京：
科学出版社，2007年
[2]王炳实.机床电气控制.第三版.北京：
机械工业出版社，2004年：
[3]王本轶.机床设备控制基础.北京：
机械工业出版社，2005年：
[4]丁树模.液压传动.北京：
机械工业出版社，2007年
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