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目 錄
1 前言
1.1 工業(yè)機器人簡介----------------------------------------------------------（1）
1.2 世界機器人的發(fā)展--------------------------------------------------------（1）
1.3 我國工業(yè)機器人的發(fā)展----------------------------------------------------（2）
1.4 我要設計的機械手--------------------------------------------------------（2）
1.4.1 臂力的確定---------------------------------------------------------------------------------------（2）
1.4.2工作范圍的確定----------------------------------------------------------------------------------（2）
1.4.3 確定運動速度--------------------------------------------------------（3）
1.4.4 手臂的配置形式------------------------------------------------------（3）
1.4.5 位置檢測裝置的選擇--------------------------------------------------（4）
1.4.6 驅動與控制方式的選擇------------------------------------------------（4）
2 手部結構------------------------------------------------------------------------------------------（5）
2.1概述-------------------------------------------------------------------------------------------------------（5）
2.2 設計時應考慮的幾個問題----------------------------------------------------------------------------（5）
2.3 驅動力的計算 -----------------------------------------------------------------------------------------（5）
2.4 兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析------------------------------------------------------------（8）
3 腕部的結構---------------------------------------------------------------------------------------（9）
3.1 概述------------------------------------------------------------------------------------------------------（9）
3.2 腕部的結構形式--------------------------------------------------------------------------------------（9）
3.3手腕驅動力矩的計算-----------------------------------------------------（10）
4 臂部的結構-------------------------------------------------------------------------------------（13）
4.1 概述----------------------------------------------------------------------------------------------------（13）
4.2手臂直線運動機構-----------------------------------------------------------------------------------（13）
4.2.1手臂伸縮運動------------------------------------------------------------------------------------（14）
4.2.2 導向裝置---------------------------------------------------------------------------------------（14）
4.2.3 手臂的升降運動-------------------------------------------------------------------------------（15）
4.3 手臂回轉運動----------------------------------------------------------------------------------------（16）
4.4 手臂的橫向移動-------------------------------------------------------------------------------------（16）
4.5 臂部運動驅動力計算------------------------------------------------------------------------------（17）
4.5.1 臂水平伸縮運動驅動力的計算------------------------------------------------------------（17）
4.5.2 臂垂直升降運動驅動力的計算------------------------------------------------------------（18）
4.5.3 臂部回轉運動驅動力矩的計算---------------------------------------（18）
5 液壓系統的設計-----------------------------------------------------------------------------（20）
5.1液壓系統簡介---------------------------------------------------------------------------------------（20）
5.2液壓系統的組成------------------------------------------------------------------------------------（20）
5.3機械手液壓系統的控制回路---------------------------------------------（20）
5.3.1 壓力控制回路-------------------------------------------------------------------------------（20）
5.3.2 速度控制回路-------------------------------------------------------------------------------（21）
5.3.3 方向控制回路-----------------------------------------------------------------------------------（21）
5.4 機械手的液壓傳動系統----------------------------------------------------------------------------（21）
5.4.1 上料機械手的動作順序----------------------------------------------------------------------（22）
5.4.2 自動上料機械手液壓系統原理介紹-------------------------------------------------------（22）
5.5機械手液壓系統的簡單計算-----------------------------------------------（24）
5.5.1 雙作用單桿活塞油缸------------------------------------------------（25）
5.5.2 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）----------------------------------（27）
5.5.3 單葉片回轉油缸 ---------------------------------------------------（29）
5.5.4 油泵的選擇--------------------------------------------------------（30）
5.5.5 確定油泵電動機功率N ----------------------------------------------（31）
6 PLC控制回路的設計-----------------------------------------------------------------------（32）
6.1 電磁鐵動作順序-------------------------------------------------------------------------------------（32）
6.2 現場器件與PLC內部等效繼電器地址編號的對照表---------------------------------------（33）
6.3 PLC與現場器件的實際連接圖------------------------------------------------------------------（34）
6.4 梯形圖-------------------------------------------------------------------------------------------------（35）
6.5 指令程序-----------------------------------------------------------------------------------------------（36）
7 結束語 -----------------------------------------------------------------------------------------------------（41）
8參考文獻--------------------------------------------------------------------------------------------------（42）
9致 謝 ---------------------------------------------------------------------------------------------------（43）
湖南工學院
畢業(yè)設計（論文）任務書
院 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名）
年 月 日
學生姓名:
學號:
專業(yè):
1 設計（論文）題目及專題：液壓傳動機械手的設計
2 學生設計（論文）時間： 自 3 月 5 日開始至 5 月 30 日止
3 設計（論文）所用資源和參考資料：
1. 手腕回轉角度±115°，手臂伸長量150mm，手臂回轉角度±115°，
手臂升降行程170mm，手臂橫向運動行程100mm
2.機械設計手冊及其相關資料。
4 設計（論文）完成的主要內容：
1. 傳動系統簡圖
2. 液壓控制系統設計和計算；
3．總體裝配圖的設計；
4．控制原理圖的設計
5 提交設計（論文）形式（設計說明與圖紙或論文等）及要求：
1. 傳動系統圖；單片機控制系統原理圖，液壓控制系統圖，總體裝配圖 ；
2.計算說明書。
6 發(fā)題時間： 2008 年 1 月 8 日
指導教師： （簽名）
學 生： （簽名）
0 LD X001
1 OR M0
2 OUT M0
3 OUT Y016
4 LD X001
5 OR M1
6 ANI M2
7 ANI M3
8 OUT M1
9 LD X002
10 OR M2
11 ANI M1
12 OUT M8
13 LD M1
14 OR T7
15 AND M0
16 ANI M2
17 OUT M3
18 LD M3
19 OR Y007
20 ANI M4
21 ANI M5
22 OUT T0 K2
25 OUT Y007
26 LD T0
27 OR Y001
28 ANI X011
29 OUT Y001
30 LD X011
31 OR Y002
32 ANI T1
33 OUT Y002
34 OUT T1 K2
37 NOP
38 NOP
39 NOP
40 NOP
41 NOP
42 LD T1
43 OR Y003
44 AIN X007
45 OUT Y003
46 LD X007
47 OR Y001
48 ANI X012
49 OUT Y001
50 LD X012
51 OR Y014
52 ANI X013
53 OUT Y014
54 LD X013
55 OR Y005
56 ANI X003
57 OUT Y005
58 LD X003
59 MPS
60 ANI T2
61 OUT T2 K2
64 MPP
65 ANI X005
66 OUT M4
67 LD T2
68 OR Y010
69 ANI X005
70 OUT Y010
71 LD X005
72 ANI T3
73 OUT T3
76 LD T3
77 OR Y000
78 ANI X011
79 OUT Y000
80 LD X011
81 OUT T4
84 ANI T4
85 OUT Y012
86 LD T4
87 OUT T5
90 ANI T5
91 OUT Y002
92 LD T5
93 OR Y001
94 ANI X012
95 OUT Y001
96 LD X012
97 OR Y004
98 ANI X010
99 OUT Y004
100 LD X010
101 OR Y006
102 ANI X004
103 OUT Y006
104 LD X004
105 MPS
106 ANI T7
107 OUT M5
108 MPP
109 OUT T6 K2
112 LD T6
113 OR Y011
114 ANI X006
115 OUT Y011
116 LD X006
117 OR Y015
118 ANI X014
119 OUT Y015
120 LD X014
121 OUT Y011
122 OUT Y012
123 OUT T7 K5
液壓傳動機械手的設計
機械設計制造及其自動化 指導老師：
摘 要 本次設計的液壓傳動機械手根據規(guī)定的動作順序，綜合運用所學的基本理論、基本知識和相關的機械設計專業(yè)知識，完成對機械手的設計，并繪制必要裝配圖、液壓系統圖、PLC控制系統原理圖。機械手的機械結構采用油缸、螺桿、導向筒等機械器件組成；在液壓傳動機構中，機械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉采用回轉油缸，立柱的轉動采用齒條油缸，機械手的升降采用升降油缸，立柱的橫移采用橫向移動油缸；在PLC控制回路中，采用的PLC類型為FX2N，當按下連續(xù)啟動后，PLC按指定的程序，通過控制電磁閥的開關來控制機械手進行相應的動作循環(huán)，當按下連續(xù)停止按鈕后，機械手在完成一個動作循環(huán)后停止運動。
本設計擬開發(fā)的上料機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，可抓取重量較大的工件。
關鍵詞 機械手、液壓、控制回路、PLC
The design of the hydraulic manipulator
Machine Design & Manufacture and Automation Instructor :
Abstract The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ；The PLC control circuit use the type of FX2N PLC .When pressed for commencement ，PLC in accordance with the prescribed procedures ，through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign.
The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger workpieces .
Keywords Manipulator 、Hydraulic、Control Loop 、PLC
畢業(yè)設計（論文）任務書
課程名稱：液壓傳動機械手設計
進行日期 年 月 日至 年 月 日
學生姓名：
專業(yè)班級：
指導教師：
所屬站點：
站 長：
一、課題主要參數及依據：
1、手腕回轉角度±115°
2、手臂伸長量150mm
3、手臂回轉角度±115°
4、手臂升降行程170mm
5、手臂橫向運動行程100mm
二、畢業(yè)設計（論文）進程安排
序號 設計（論文）各階段名稱 日期 （教學周）
1 設計調研階段 200 年 月 日～ 月 日（ 周）
2 設計計算階段 200 年 月 日～ 月 日（ 周）
3 圖紙設計階段 200 年 月 日～ 月 日（ 周）
4 設計審核階段 200 年 月 日～ 月 日（ 周）
5 外文翻譯、及論文整理 200 年 月 日～ 月 日（ 周）
6 答辯準備階段 200 年 月 日～ 月 日（ 周）
專業(yè)制造高速鍛造模具
摘要
本文主要討論高速銑削技術在模鍛工具制造中的貢獻. 在大多數情況下，模鍛工具制造高速銑削硬化材料比用EDM技術所得到的鍛造模具更快、更便宜，而且模具質量更高,當然模具壽命也更長.論文針對制造總過程列出了模鍛工具,銑刀長度與半徑的比這些將對高速銑削策略和技術有很大的影響. 整個鍛造模具設計和制造工具是依靠長遠的工作方法來實現的。
@2004 Elsever B.v. 版權所有
關鍵詞:高速銑削; 硬銑; 高L/D比; 鍛造模具
1、引言
如今HSC技術是每個現代化工具制造公司最基本的技術組成。科技高速船基本組成部分。隨著HSC技術的引進，模具制造技術也發(fā)生了改變，主要是模膛的制造,模膛是模具最為重要的部分，所以制造過程中的40﹪時間用于模膛的制造。按客觀模型腔制造技術的發(fā)展,如銑刀、 模具及相關產品的參數考慮,結合電火花/高速船或完全取代傳統的模具制造技術模具電火花沉沒 型腔加工[1]. 每個模腔本身也應查明其中技術粗糙高速銑/加工整理或高速銑完全是最有利的生產成本和時間
2、高速電火花和屬性
表[2]列出了高速銑、電火花的優(yōu)缺點以及高速銑削、電火花的局限性. 選擇最適當的型腔模具加工技術能源消耗和生態(tài)也是要重點考慮的。眾所周知的, 電火花技術需要很大的能耗,因此只有在加工一些產品時，銑刀形狀或模具相關技術性能不允許用告速銑削才使用電火花技術。
從生態(tài)學的角度看，目前高速銑削優(yōu)于電火花技術主要基于以下原因：
-少用能源有利于生態(tài)環(huán)境保護.
-永久的減少切削潤滑油和冷卻液將導致干切削.
-為后來的廢物處理和消耗方便電火花過程必須不斷監(jiān)測電解質[3]
高速銑削技術的引進大幅降低制造成型模具制造的時間, 不過電火花和高速銑削技術并不是不能共存,因為有些電火花技術能加工出來的幾何形狀是高速銑削所不能作到的。 [3].
3. 熱鍛模具模膛成型制造技術
鋼熱軋中的材料必須在高溫下能保持足夠的強度，具有抗熱震強度等重要的性能，這些性能都對刀具材料的選擇有影響，因為在工件和模具接觸的區(qū)域存在很高的加工溫度。但其中最重要的但不是唯一最重要的特性就是韌性. 韌性是抵抗模具變形和形成裂縫能力的指標 [4].
結合高速銑削技術和銑削刀具表面鍍鈦新技術成功地降低了硬削的成本和時間。洛氏硬度在46-62范圍內的用于熱鍛的模膛淬硬工具材料的加工就不會用電火花加工。鍛?；蛏顩_模具成形幾乎都可以通過銑削得到。，這樣加工過程中就不會出現加工銳角。硬銑比電火花技術所得到的效果要好，也不需要電極，表面質量也更好。 [2].
3.1長/半徑比例大的硬銑
鍛造零件幾何形狀定義了零件平面,因此需要銑刀長度/直徑比. 后者對加工精度和表面質量很大影響.
高主軸速度會增加刀具尖端的振動. 保護刀具壽命和表面質量,需要找到高剛度的刀具材料。說到底就是要用盡可能的便用短的刀具，這樣就可以便波動最小，可以得到大范圍面穩(wěn)定的切削中心。 [5].
在圖. 1和2,列出了影響高速銑削的兩個最重要的因素。切削用量的深度ap主要決定于材料的硬度和銑刀強度，后者最要是用長度和直徑比例來定義。
ap: RK2K3
因此切削用量ap可以定義為銑刀半徑R，刀具材料硬度系數K2及系數K3的乘積。
當材料硬度高達52HRC時刀具材料硬度系數K2便取0.1到0.12。 材料硬度更高低于62HRC的情況下系數K2的取值0.04至0.05.
當L/D=5時細系數K3的值為1，當L/D=10時其值迅速減致0.1。因此當L/D>10高速銑削硬材料時須采取特殊措施 [6].
另一方面, 能夠采取光切削的和使用精密刀具提高了銑削的能力，精密刀具與其刀具半徑有很大的關系。這至少在以下兩方面有利：
-銑深腔或銑深槽
-用尺寸小的刀具銑削表面質量要求高的特征[5].
在銑刀長度/直徑比較大時，刀具在切削過程中的擺動增大，這可能導致工件脫離銑刀和刀具剛度降低。刀具擺動和銑削方案將會影響尺寸精度和加工表面粗糙度。高速干銑削硬度為50HRC的材料是非常成功的 [7].
4.工業(yè)實例中的硬銑深腔、精密成型
4.i. 典型工業(yè)鍛造模具性情
在圖. 3中例出了淺模鍛造模具，是用優(yōu)質鋼淬硬到50HRC的材料制造的，用于確定的M16平板的熱鍛模制造。
表2例出了用于熱加工的工具鋼的化學結構。所有的合金元素都是在典型的熱軋工具鋼的標準化范圍內鍛造工藝是基于兩個階段鍛造. 在圖. 4及5中列出了鍛造階段及一些細節(jié)。
4.2加工技術
表3是加工模膛具體部位的參數。
應用硬質合金球頭端銑刀具U5286d4r2精加工模具內腔 (列圖. 4)，即在圖. 6.中所示的為刀桿以下部分直徑較小的切割銑刀， 適合銑垂直端面。否則銑刀柄會接觸到已加工表面,會造成嚴重損傷已加工表面和刀具。小脛刀桿長度可通過額外精磨得到.
表4給出切割的幾何形狀和一些典型的需要硬銑的幾何形狀。自由角α取最小值，前角γ可忽略，這樣可得到較高的切削穩(wěn)定性但前刀面的磨損卻較大，表面銑要求較鋒利的銑刀。應用的L/D的值是一個臨界值，這適合于大部分正常情況下的硬銑。
在圖.7列出了滲碳球頭端銑刀具OSG FXRB-EBD D0.6R0.3，用于余量銑削，詳細信息如圖5所示。所應用的L/D值高達30。銑削刀具是將刀桿直徑減少到一定的直徑，但刀桿直徑必須足夠大以保證能與夾具相接觸。如圖8所示為一個更好的小刀桿銑刀例子，其直徑是通過一個角度逐漸減少的，這樣可以更好保證刀具剛度。在這種情況下L/D值準確率不能成立.
硬磨技術是基于高頻重復光切削,這是由軸向和徑向切削深度和進給量所確定的. 表3介紹軸向和徑向切削深度尤其適合所推薦的銑刀. 在圖. 9介紹了徑向和軸向切削深度的定義.
高速銑削得到的鍛造模具要比相同電火花加工鍛造模的使用壽命長大約30%.
5. 經驗工作
為不斷優(yōu)化鍛造模具制造中高速銑削和硬切削技術，工業(yè)生產上積累了不少經驗，在此基礎上開發(fā)出了成型工具制造經驗系統。主要目的是為了方便確定精加工成型模膛表面時的銑刀的L/D值。
制備實驗系統以列出所有業(yè)界的合理的經驗值.平均熱模鍛工具類典型材料和硬度、幾何平均腔表面質量要求和制造技術都有待研究.
試驗的目的是基于采取快速拍攝來確定銑刀在銑選擇不同的L/D值來銑削典型的表面的過程中其擺動.
5. 1.實驗零件的準備
如圖. 10所示為實驗零件的草田圖. 零件的材料是用于熱加工的工具鋼wnr.1.2344淬硬到50HRC。此零件上有三個不同方向的典型加工表面，代表了模具型腔三個不同的加工表面：
-水平面
-曲面過渡
-垂直表面.
所有的表面都要經過磨，為了保證典型零件的精確定位及在相同銑削參數下使用不同角度的平面和不同的L/D值。
5.2加工技術
選用三板斧高速銑硬質合金球頭銑刀鍍鈦來完成硬銑。
制造模膛時銑刀直徑的選擇取決于其細節(jié).在一個實驗中選擇了直徑4毫米的銑刀,因此它可應用于大多數模膛的加工。若刀桿直徑與零件直徑一樣大，那么便可使得銑刀的L/D值的選擇計算變得精簡。同時銑刀的偏差可像刀桿直徑更大的銑刀那樣集中，這可以使銑削過程中銑刀的穩(wěn)定性增強。
如前所述,目的是觀察在表面處理過程中所需的實驗條件,調整加工技術以得到特定類型的切割過程.
所有切削參數是根據銑刀生產者所為單獨的不同傾斜面的推薦的參數[11]. 只要選定了三個不同傾斜面的參數ap和ae那么切屑的理論厚度便都是一樣的，這里就不再考慮切削力的影響。綜全考慮不同的方案干切是最好的選擇。
在圖. 11所示的是順銑和逆銑。當切削刃是向下銑時那么切屑的厚度便取其最大值，而反過來則取最小值。
順銑要比逆銑在切削過程中產生更多的熱量，因為順銑時的摩擦比較大。
因此,在現代高速銑逆銑用得較普遍. 盡管它需要較大的切削力使得切削過程中用力較大但它仍能保證較少的刀具磨損?，F在的刀具都具有較高的剛度，這就是為什么允許使用逆銑的原因。
5.3測量實現
所的實驗都知道立銑中心Mori Seike Frontier-M.在圖12描述了測試零件的尺寸鏈. 用攝像機銑削過程中所有現象和曲面及L/D值都能完全演示出來。將已接收的偏差信息圖片進行分析，由此銑刀的基本信息便可分析出來。完成模擬制造后，加工表面的表面粗糙度也得出來了。
5.4 結果
表6列出了測量的偏差值。每個具體的偏差值是三次相同表面傾角和L/D值切削值的平均值。這個值并不包括第一次切削值，因為第一次的切削的偏差值會比較大，在實踐中第一次的切屑會比較厚而且會得到不同形狀的切屑。
選擇較小的L/D值其偏差值也會較小，但不同傾斜角度這間的偏差值相差不大。代表幾乎是水平面的兩個L/D值所引起的偏差是最大的。這是因球鼻銑刀中心的切削條件太惡劣所導致的，特別是在拋光模膛表面這種小切削量的加工過程中尤其明顯。
其它兩個傾斜角度的平面的偏差更大，由此推出了球鼻銑刀用側面銑削的法則。獲得的數據可由銑刀的傾角β=10-20°來分析，這樣可得出最好的切削結果所需切削條件。球頭端銑銑削傾斜角不變的平面的情況可應用于五板平板銑削技術。
由于加工表面粗糙度橫向和縱向的Ra值可確定銑削路徑。圖13和14所示的是L/D=7時所測得的工表面粗糙度。圖15和16所示的是同樣條件下L/D=10時的值。大體來說，L/D=10和橫截面所應用的特殊的L/D值時的表面粗糙度Ra值會比較大，根據每種不同的L/D值與一定角度增加所引起的Ra值變化可確定平面的傾角的變化量。
水平面的最大銑削偏差不會導致最高的表面粗糙度。相反，最低表面粗糙度卻一定是因球頭端銑刀中心的切削條件引起的。
由于尺寸精度而產生了偏差。L/D=10 的平均尺寸精度在緞造中還是可以接受的。
6. 總結和展望
一般而言,在允許的情況下會盡可能的減少電火花加工技術的應用。因此高速銑技術與兩個極限應用,硬銑和高L/D值銑日益取代了電火花加工制造技術在模膛一些特征的加工。低切削力高速加工,確保了產品的的質量[14].
合適的L/D值還取決于材料硬度、尺寸精度要求、表面粗糙度要求及最小內徑要求?，F階段粗糙度要求適中和較低的加工的L/D值的選取都是比較方便的。
選擇較高的L/D值來精加工模膛表面的主要問題是接近垂直的表面的粗糙度，這種子情況下銑刀的偏差將對表面粗糙度和尺寸精度有很大的影響。
至于銑刀具磨損水平表面，特別是在三板銑切削中球頭端銑中心的切削條件很惡劣時尤為嚴重。五板銑現在還在研究階段，因為其成本很高而且很容易發(fā)生刀具斷裂。
參考資料（略）