毕业论文初稿
前言
机械手是模仿人的手臂动作，根据人们的指令要求，按照指定轨迹运动，实现对物体的抓取、搬运及其他操作的自动装置，是机电一体化技术的典型产品。机械手适用于高温、高压、多粉尘、反射性等严重危害人类生命安全的恶劣环境；对于笨重、单调和频繁的操作，机械手也能代替人工操作，减轻工人劳动强度，提高工作效率。机械手在工业生产工正越来越广泛的被使用。
机械手由执行机构、驱动系统、控制系统和检测系统四部分组成。其中驱动系统又分为单纯电机驱动、液体驱动、液压驱动和气动。由于液压驱动具有重量功率比大、响应快、工作平稳、可频发启动、易于过载保护、能大范围无极调速等优点，而机械手的良好工作正需要上述条件，因此，工业机械手正朝着全液压驱动的方向迅猛发展。机器人对于液压技术的应用推动者液压技术的发展，同时液压传动技术的提升，也促进者液压驱动机器人的飞速发展。如今的液压技术正朝着集成化、信息化、智能化的方向发展，相信在此发展趋势的引领下，在不久的将来，全液压机械手将凭借此优势在更广泛的领域得以应用。控制系统又是机械手实现自动化和智能化的核心部件。现在，随着计算机技术迅猛发展，用于实现机械智能化的产品种类繁多，然而考虑到工业生产实际，PLC(可编程控制器)基于其指令系统简单、体积小、现场连接方便、成本低等显著优点，正被广泛应用于工业机械手的控制。
本次课题正是关于圆柱坐标式全液压驱动机械手的驱动系统的研究。要求机械手驱动液压系统要能实现抽插定位销、手臂旋转、手臂升降低、手臂伸缩、手腕旋转、手指开合等六个动作，实现PLC控制并得出仿真结果。
据此次设计对机械手的动作要求拟定液压系统原理图
该机械手要完成的动作循环为：插入定位销→手臂向前伸出→手指张开→手指夹紧待抓物料→手臂向上升起→手向后缩回→手腕互转180°→拔出定位销→手臂回转95°→再次插入定位销→手臂再次向前伸出→手臂中停（等待接料装置到达指定位置）→手指张开放下物料（此时接料装置已到达指定位置）→手指闭合→手臂第二次回缩→手臂下降复位→手腕转回复位→拔出定位销→手臂转回复位→等待下一次接料、液压泵卸荷。
液压系统原理图
手臂伸缩缸手臂回转缸手指夹紧缸手腕回转缸定位缸
1、2：大小液压泵3、4：卸荷溢流阀5、6、9：单向阀8：减压阀
10、14、16、20、22、25：电磁换向阀11、13、15、17、18、23、24：单向
调速阀21：液控单向阀26：压力继电器
液压系统工作原理分析
1 插定位销：
按下启动按钮后，电动机开始工作，同时电磁阀1Y、2Y得电双泵卸荷，两泵输出的油液分别经卸荷溢流阀3和卸荷溢流阀4溜回油箱。当待夹物料到达预定位置，触动行程开关，电磁阀2失电，泵2停止卸荷，同时电磁阀12Y得电，定位缸接入油路，实现插定位销。其油路为：
进油路：泵2→单向阀6→减压阀8→单向阀9→电磁换向阀25→定位缸27，同时接通继电器26
2 手臂第一次向前伸出：
定位销插入到预定位置后，该之路压力升高，使得压力继电器26发出信号，使电磁铁1Y失电，6Y得电，泵1 输出的压力油液经单向阀5到达电磁换向阀14右位，然后进入手臂伸缩缸31右腔，从而实现手臂伸出。其油路为：
进油路：泵1→电磁换向阀14右位→手臂伸缩刚右腔。
回油路：手臂伸缩缸左腔→单向调速阀15→电磁换向阀14右位→油箱。
3 手指张开：
手臂伸直预定位置，触动行程开关，电磁阀1Y,9Y得电，泵1卸荷，泵2输出的油液经单向阀6和电磁换向阀20左位进入手指夹紧缸右腔，从而使得手指张开。其油路为：
进油路：泵2→单向阀6→电磁换向阀20左位→手指夹紧缸右。
回油路：手指夹紧缸左→液控单向阀21→电磁换向阀20左→油箱。
4 手指加紧物料：
手指张开后，压下行程开关，时间继电器通电并延时，待物料位置调整到手指区域时，时间继电器延时结束，发出型号是9Y断电，泵2的压力油液通过电磁阀20右位进入手指夹紧缸左腔，从而使得手指加紧物料。其油路为：
进油路：泵2→单向阀6→电磁换向阀20右→液控单向阀21→手指夹紧缸左。回油路：手指夹紧缸右腔→电磁阀20右位→油箱。
5 手臂上升动作:
当手指夹紧物料后，压下指尖行程开关，电磁铁1Y断电，同时电磁铁4Y得电，泵1输出的压力油液通过单向阀5和电磁阀10右位，再经过调速阀1和单向顺序阀12进入手臂升降缸下腔，从而手臂上升动作。其油路为：
进油路：泵1→单向阀5→电磁换向阀10右位→单向调速阀11→单向顺序阀12→手臂升降缸下。
回油路：手臂升降缸上→单向调速阀13→电磁换向阀10右位→油箱。
6 手臂第一次缩回：
手臂上升到需要的位置后，压下行程开关，使电磁铁4Y失电，同时使5Y得电，电磁换向阀14左位接通，泵1输出的压力油液经此阀和单向调速阀15进入手臂伸缩缸31左腔，从而实现手臂缩回。其油路为：
进油路：泵1→单向阀5→电磁换向阀14左位→单向调速阀15→手臂伸缩缸右位。本次动作，伸缩缸右腔的油液直接经换向阀14左位回到油箱。
7 手腕回转动作：
当手臂收缩到指定位置时，压下行程开关，使得电磁阀5Y断电，换向阀14复位，同时电磁铁1Y和11Y得电，此时泵1卸荷，泵2输出的压力油液经电磁换向阀22的右位到达手腕回转马达右腔，实现手腕回转180度动作。其油路为：进油路：泵2→单向阀6→电磁换向阀22右位→单向调速阀24→手腕回转马达
右腔。
回油路：手腕回转缸左腔→单向调速阀23→电磁换向阀22右→油箱。
8 拔定位销：
当手腕回转到位后，压下行程开关，电磁铁11Y失电，电磁换向阀22复位，同时电磁铁12Y失电，定位缸在复位弹簧的推动下复位，定位缸右腔的油液经过电磁换向阀25右位回到油箱，从而实现拔定位销动作。其油路为：定位缸左腔→电磁换向阀25右位→油箱。
9 手臂回转95°动作：
当定位缸支路压力降到一定值后，压力继电器26动作，使得电磁铁8Y得电，电磁阀16的右位接入油路，泵2的压力油液经此阀进入手臂回转马达右腔，从而实现手臂回转。其油路为：
进油路：泵2→单向阀6→电磁换向阀16右位→单向调速阀18→手臂回转马达右腔。
回油路：手臂回转马达左腔→单向调速阀17→电磁换向阀16左位→油箱。
10 插定位销：
当手臂回转到位，压下行程开关，电磁铁8Y失电，12Y重新得电，实现插定位销动作。其油路为：
泵2→单向阀6→减压阀8→单向阀9→电磁换向阀25右位→定位缸右腔。
11 手臂第二次向前伸出：
当定位销插到位后，该支路压力升高到电磁继电器26动作值，使电磁继电器发出信号，从而使得电磁铁6Y得电，电磁阀14右位接入油路，泵输出的压力油经过阀进入手臂伸缩缸右腔，从而实现手臂第二次伸出，其油路为：
进油路：泵1→单向阀5→电磁换向阀14右位→手臂伸缩缸右腔。
回油路：手臂伸缩缸左腔→单向节流阀15→电磁换向阀14右位→油箱。
12 手臂中停：当手臂伸出到位后，压下行程开关，电磁铁6Y失电，电磁阀14复位，手臂停止伸出，等待接料主夹头到达要求状态，此时时间继电器线圈得电，时间继电器开始计时。
13 手指张开释放夹料：主机夹头夹紧物料后，时间继电器计时结束，其触头动作，使得电磁铁1Y、9Y得电，电磁阀20左位接入油路，泵2输出的压力油液经过此阀进入手指夹紧缸右腔，从而实现手指张开动作，同时另一个时间继电器线圈得电，开始计时。其油路为：
进油路：泵2→单向阀6→电磁换向阀20左位→手指夹紧缸右腔。
回油路：手指夹紧缸左腔→液控单向阀21→电磁换向阀21左位→油箱
14 手指闭合收拢：待主机夹头取走物料后，时间继电器计时到点，其触头动作，电磁铁9Y断电，电磁换向阀20右位接入油路，手指闭合收拢。其油路为：进油路：泵2→单向阀6→电磁换向阀20右位→液控单向阀21→手指夹紧缸左。出油路：手指夹紧缸右腔→电磁换向阀20右位→油箱。
15 手臂第二次缩回：当手指闭合到适当位置时，手指中部触压下行程开关，使得电磁铁1Y失电，5Y得电，使得电磁换向阀14的左位接入油路，泵1输出的压力油液经此阀进入到手臂伸缩缸左腔，从而实现手臂缩回动作。其油路为：进油路：泵1→单向阀5→电磁换向阀14左位→单向调速阀15→手臂伸缩缸左腔。
回油路：手臂伸缩缸右腔→电磁换向阀14左位→油箱。
16 手臂下降动作：手臂缩回到位，压下行程开关，使电磁铁5Y失电，3Y
得电，使得电磁换向阀10左位接入油路，泵1输出的压力油液经此阀进入到手臂升降缸上腔，实现手臂下降动作。其油路为：
进油路：泵1→单向阀5→电磁换向阀10左位→单向调速阀13→手臂升降缸上腔。
出油路：手臂升降缸下腔→单向顺序阀12→单向调速阀11→电磁换向阀10左位→油箱。
17 手腕转回动作：当手臂下降到预定位置，压下此处的行程开关，使电磁铁3Y断电，电磁铁1Y、10Y得电，电磁阀22的左位接入油路，泵2输出的压力油液经过此阀进入手腕回转马达左腔，实现手腕转回复位动作。其油路为：
进油路：泵1→单向阀6→电磁换向阀22左位→单向调速阀23→手腕回转马达左腔。
回油路：手腕回转马达右腔→单向调速阀24→电磁换向阀22左位→油箱。
18 拔出定位销：当手腕回转复位到位后，压下行程开关，使得电磁铁10Y、12Y失电，同时电磁铁2Y得电，电磁换向阀25右位接入油路，定位缸活塞在复位弹簧弹力作用下动作，从而拔出定位销。
19 手臂转回复位：当拔出定位销后，定位缸支路压力下降到一定值后，压力继电器动作，使得电磁铁7Y得电，同时电磁铁2Y失电，电磁换向阀16左位接入油路，泵2输出的压力油液经过此阀进入到手臂回马达左腔，实现手臂回转复位。其油路为：
进油路：泵2→单向阀6→电磁换向阀16左位→单向调速阀17→手腕回转马达左腔。
回油路：手腕回转马达右腔→单向调速阀18→电磁换向阀16左位→油箱。
20 卸荷待料：当手臂回转复位后，压下行程开关，使得电磁铁7Y失电，2Y 得电，液压泵进入卸荷状态，等待下一组动作循环。
液压系统特点介绍
对所要求负载的初步估算，知液压系统伸缩缸回路和升降缸贿赂所需的压力小，流量大，而其他回路所需要的压力大，流量却很小。因此系统采用双泵单独供油。手臂升降缸和手臂伸缩缸由大流量小压力泵1供油，手臂及手腕回转缸、手指夹紧缸和定位缸工作时由小流量大压力泵2供油。单独供油，系统互不干涉，运行稳定，系统功率利用较合理。
手臂伸缩、手臂升降、手臂回转及手腕回转分别采用单向调速阀实现节流调速，各执行元件的运动速度可根据实际需要调节，以保证执行机构运动平稳。
各执行机构每次运动到达极限端点前的指定位置压下行程开关，通过电路控制电磁换向阀的电磁铁得电状态，从而控制电磁阀换向阀动作切断或接通油路。当切断油路时，滑行缓冲，并在极限位置设置固定挡铁来保证精度。
为了使手指夹紧工件后不受系统压力波动的干扰，而牢固地夹紧工件，系统采用了液控单向阀21所在的锁紧回路，保证工作要求。
手臂升降缸采用立式液压缸，为支承并平衡手臂运动部件的自重，系统采用了单向顺序阀21所在的平衡回路。
液压系统执行元件的设计计算及各参数的确定
负载要求：最大转动负载10000N；最大抓取重量（或最大提升重量15000N）；手指平稳运动速度0.01m/s,启动响应时间为0.5s;手腕在5s内回转180°，启动响应时间去0.1s；手臂伸缩的平稳运动速度为01.m/s,启动响应时间0.5s;手臂升降平稳运动速度为0.1m/s，启动响应时间取0.5s;要求机身回转马达在3s内回转95
度，启动响应时间为0.1s；定位销平稳运动速度0.1m/s,启动响应时间为0.2s。
手指夹紧力和驱动力的计算及液压缸缸径、活塞杆杆径的确定：
根据设计要求，确定手指结构为滑槽杠杆式，其结构和受力分析如下图
据理论力学相关理论：
对O点
x1212
1
0:s i n s i n
0:2c o s
y
F P P P P
F P p
αα
α
==?=
==
∑
∑①
对O1点 '1a =0
0'c o s c o s '=O a
M P N b P N b
P P
αα?
-?=?=??∑：②
联立①、②解得：
22c o s b
p N a α=
??
设手指在水平位置夹取工件，则手指部位夹在工件上的夹紧力N 需要抓料工件重力产生的静载荷，手指握住抓料一起运动时的惯性载荷。负载G=15000N,设a=250mm,b=500mm,=0.5s t 响,v=0.01m/s, 1040α?<
则
212
0.50.51500075002b
==cos 25980.7N G N N
F P N N
a k k
F F θη
==?=∴??=?≥?实际驱动力
其中 η——手指部位的机械效率（0.85～0.95），取η=0.9 1k ——安全系数（1.2～2）取1k =1.5
2k ——工作情况系数，主要考虑惯性的影响，
21a
k g =+
，其中a 为工作
时的最大加速度，g 为重力加速度。代入数据算的a =0.022
/m s ,
2k =1.002
∴ P 实际≥25980.7 1.5 1.002
0.9??
=43389.6N
确定液压缸直径D,去活塞杆直径d=0.5D ，据《液压与气压传动》雷秀.机械工业出版社 186P 表9-4,确定液压缸工作压力为p=6MP
则
0.110)
D m = 查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷，圆整缸径和杆径为标准值：D=110mm, d=56mm 。
手腕回转驱动力矩的计算及手腕回转马达的选取：
如图，按照负载要求和手腕及其以前的自重要求，将手腕，手指及其所夹持抓料整体等效为重15500N,半径R=280mm,长度L=790mm 的铁圆柱体计算其相关驱动力矩。要求手腕在5s 内旋转180°，则角速度0.2ωπ=rad/s ，=0.1s t 响 则手腕回转所需总驱动力矩 =M 总M 摩+M 惯，其中取M 摩=0.1M 总 ∴=M 总0.1M 总+M 惯 又 M 惯==J J t ω
α?
响=21
m 2
r α? 20.20.515500.28
381.5
m
0.1
N π=???=
? ∴ =M 总423m N ? 查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷23170P -选取YMD200型马达。
手臂伸缩缸驱动力的计算及其缸径、活塞杆径的确定
根据负载要求，令从手指到手臂的自重、抓料负载总重16000N ，手臂伸出时的平稳运动速度v=0.1m/s ，启动响应时间=0.5s t 响
，液压缸的机械效率η=0.95取压力p=0.8MP,背压力取0 则 0.1=m =1600=320
0.5
v F N t ?
?惯响 据《液压与气压传动》机械工业出版社.雷秀181P 表9-2取活塞杆与导轨间的摩擦系数μ=0.16,
则 =160000.16
25F G N
μ?=?=摩 (+)/3032F F F N η∴==惯摩
取压力p=0.8MP,背压力取0
由 2
4
D F p π=?
得 D=0.0695m,取杆径d=0.5D=0.0348m 圆整为标准值D 取80mm ，d 取36mm 。
手臂机身升降缸驱动力的计算及其缸径、杆径的确定
整个手臂机身的等效受力情况如上图所示，令G=16800N,G 作用线距转轴3，导轨对滑杆的支撑力为N ，其力作用线到O 点距离为1，液压驱动力为F ，升降缸活塞杆平稳运动速度v=0.1m/s ，启动响应时间=0.5s t 响，摩擦系数μ=0.16，机械效率η=0.95
据理论力学相关理论：
()0:1305040
M o N G N N =
?-?=?=∑
==504000.16=80F N N μ??摩 0.1
=m =1680=336
0.5
v F N t ?
?惯响 ∴ ++26526F F F G N η==惯摩
（）/ 据《液压与气压传动》机械工业出版社.雷秀183P 表9-4，取p=3MP 由 2
p 4
D F π=?
得 D=0.106m, d=0.5D=0.530m
据液压行业技术标准圆整:D 取110mm ，d 取56mm 。
手臂机身回转马达驱动力矩的计算及其型号选取 根据负载要求，设回转部位及其以上部分总重1760kg,要求机身在3s 内回转95°，则ω=0.18π，启动响应时间=0.1s t 响，如图，将回转部分等效为长L=0.8m,直径d=0.6m 的圆柱形实心铁柱。
则
22110.18==17600.3397220.1
M J J mr N m t t ω
ωπα?=?
?=???=?惯响响
∴ ==0.1M M M M M ++总惯总惯
摩
=442M N m ??总
查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷23170P -选YMD200型液压马达。
定位缸驱动力的计算及其缸径、杆径的确定
令定位缸运动部分质量为20kg, 摩擦系数μ=0.2，机械效率η=0.9 平稳运动速度v=0.1m/s ，启动响应时间=0.05s t 响 则 0.1=20400.05
v F m N t ?
=?=惯响 =0.2200
4
0F G N μ?=?=摩 ∴ =(4040)/0.98F F F N N
η+=+=惯摩（）/ 取p=0.6MP ，背压力为0，则 由 2
p 4
D F π=?
得 D=0.0137m, d=0.0068m
据液压行业技术标准，圆整为：液压缸缸径D=16mm,活塞杆径d=8mm 。
液压系统动力元件和液压控制元件的选取
液压动力装置和控制调节装置的选取皆依据系统中通过该支路的最大压力和最大流量。
动力元件的选取 当手臂回转马达、手腕回转马达、手指松紧缸、及定位缸工作时，小流量泵供油。 手臂回转工作：额定压力p=14MP ，额定流量q=2.4L/min;
手腕回转马达工作：额定压力p=14MP ，额定流量q=2.16L/min; 手指松紧缸工作：额定压力p=6MP ，额定流量q=5.7L/min; 定位缸工作：额定压力p=0.6MP ，额定流量q=1.2L/min;
综上，max p =14 MP ，max q =5.7L/min ，令系统压力损失p ?∑=1 MP ，系统泄露系数k 取1.2。
由 P p ≥m a x p +p ??∑P p =15MP m a x 6.84
/m
i n p p q k q q L ≥??= 查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷2389P -选PV2R1-8型液压泵。 则该泵工作时所需的最大功率，其中电动机的工作效率η取0.8
63
1510 6.8410 2.140.860
p p
W p q P kw
η
-????=
==?
查《机械设计手册》机械工业出版社3511P - 选Y112M-6型电动机。
当手臂伸缩、手臂升降时，大流量泵供油。
手臂升降：额定压力p=3MP ，额定流量q=57L/min; 手臂伸缩：额定压力p=0.8MP ，额定流量q=30.4L/min;
则 m a x p =3 MP ，max q =57L/min ，令系统压力损失p ?∑=1 MP ，系统泄露系数k 取1.1。
由 P p ≥m a x p +p ??∑P p =4MP m a x 62.7
/m
i n p p q k q q L ≥??= 查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷23-68P 选CB-50型液压泵。 则该泵工作时所需的最大功率，其中电动机的工作效率η取0.8
63
101062.71013.10.860
p p
W p q P kw
η
-????=
==?
查《机械设计手册》机械工业出版社，选Y160L-4型电动机。
控制元件的选取
本系统的控制元件包括压力控制阀、方向向控制阀和流量控制阀。 方向控制阀的选取：
① 电磁换向阀：按p=10MP, q=721min L -?查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷23-392P 选4WE-10型电磁换向阀2个；
按p=16MP, q=8.21min L -?查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷23-369P 选4WE-6型电磁换向阀3个，3WE-6型电磁换向阀1个；
② 液控单向阀：按p=16MP, q=8.21min L -?查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷23-354P 表23.7-106及其以下面的规格10型特性曲线，确定液控单向阀通径为10mm,再查手册23-354P 选SV-10型液控单向阀1个；
③ 单向阀：按p=10MP, q=721min L -?查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷，选S-10型单向阀1个；
按p=16MP, q=8.21min L -?查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷,选Z1S-6型单向阀1个，S-6型单向阀1个；
压力控制阀的选取：
① 压力继电器：按p=16MP, q=8.21min L -?查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷23-316P ，选HED-20型压力继电器1个；
② 减压阀：按p=16MP, q=8.21min L -?查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷,选ZDR-6型减压阀1个；
③ 卸荷溢流阀：按p=10MP, q=721min L -?查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷
，
选DAW-10型卸荷溢流阀2个；
④ 单向顺序阀：按p=10MP, q=721min L -?查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷，选DZ-10型单向顺序阀1个；
流量控制阀的选取：
单向调速阀：按p=10MP, q=721min L -?查《机械设计手册》机械工业出版社.
第四卷
，
选2FRM-16-100-L 型单向调速阀2个，2FRM-10-60-L 型单向调速
阀1个；
按p=16MP, q=8.21min L -?查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷，选2FRM-6-10-L 型单向调速阀4个。
辅助元件基本尺寸的计算及部分标准件的选取 管道通径确定：
取大流量管油液流速为v=4m/s,实际最大流量q=621min L -?，则
由 0.018d d m =
?=
根据《液压与气压传动》雷秀.机械工业出版社121P 管件选择原则，选取通径为18mm,壁厚为5mm 的厚壁铝合金钢管。
取小流量管油液流速为v=4m/s,最大流量q=8.21min L -?，则
由 0.0066d d m =
?=
根据《液压与气压传动》雷秀.机械工业出版社121P 管件选择原则，选取通径为8mm,壁厚为5mm 的厚壁铝合金钢管。
油箱容量及其主要尺寸的确定：
本液压系统为中压系统，则取油箱容积系数t =420，系统理论最大流量q=72
1min L -?则，油箱有效容量V
由 30.504t V t q
V m
=??
= 根据液压行业技术标准，油箱有效容量圆整为630L ，据此确定油箱主要尺寸：
=1100800700mm mm mm ????长宽高
过滤器的选择：
由于油箱顶盖为焊接式连接，不可拆卸，密封较好，油液污染较轻，因此自在液压泵吸油口安装流通能力强、易于清理的网式过滤器即可。
管接头的选取：
本系统最高工作压力为14MP ，查《机械设计手册》机械工业出版社.第四卷，选用旋转式管接头。