苏ICP备112451047180号-6
水力清砂机械手系统设计
摘要
由于工业自动化程度的不断提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合将由机器人代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产效率。例如，铸工车间中铸工期间所产生的粘砂残留在铸件表面上，这时就需要采用喷枪进行粘砂的清理。随着长期的从事清砂操作，工人中出现铸工尘肺，为了降低铸工尘肺的发生率，水爆清砂和水力清砂等工艺就出现在了研究课题之中。
本课题是一个机、电结合较为紧密的实用性项目，文中对PLC的应用、机械结构的设计、控制方法的选择等方面进行了必要的探讨。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。
关键字：机械手，液压驱动，PLC（可编程控制器）
Abstract
With the improvement of the industrial automation, industrial site a lot of flammable, explosive and other high risk of heavy physical labour will be replaced by robots. This can reduce the labor intensity of workers, on the other hand can greatly improve labor productivity. For example, the generated during zhugongzhugong workshop sand residues on the surface of the casting, then you need to use the gun sand cleaning. As long engaged in cleaning operation, founder pneumoconiosis workers, in order to reduce the founder pneumoconiosis incidence in water blast cleaning, sand and water cleaning process on the research topic.
This topic is a machine, combined with practical projects more closely, in this paper, the application of PLC, the design of mechanical structure, control methods and other aspects of the necessary study. Finally, summarized the full text, points out the improvement measures, manipulator application prospect and development direction.
Keywords: hydraulic drive manipulator,, PLC (programmable logic controller)
结论
本文设计了一个水力清砂机械手。本次设计的主要任务是完成机械手结构设计，液压系统设计以及其PLC控制系统方面的设计，主要工作包括：
（1）通过查阅有关资料，简单介绍了国内外机器人（机械手）的历史及发展概况，介绍了目前机器人的几种分类形式，列举出了在生产、生活上和高科技领域中几种常见的机器人。
（2）根据本课题的给定的依据，提出了采用四自由度机械手的方案，经过分析和论证，证明了这种结构的可以满足工作要求。
（3）对机械手的驱动力和力矩进行计算，根据液压驱动的特点和实际工作需要，提出采用液压驱动的方案，并通过比较、择优，证明这种驱动方案是最佳的。
（4）根据实际的工作要求，选取适宜的液压元件并对其进行校核，最终确定所需液压元件的尺寸、材料等，并画出了各主要部件的机械结构图。
（5）根据实际工作条件、对机械手动作进行规划，将机械手动作设计为顺序动作，并拟用PLC来实现对其进行控制，使系统满足不同工作条件下的需要。
参考文献
[1] 郭洪红.工业机器人运用技术[M].北京：科学出版社.2008-7.7～11，15，19，26～30，40，44～45，51，68，79～84，91
[2] 原魁.工业机器人发展现状与趋势[J].工厂自动化.2007.第1期.34～38
[3] 周寿明，邓成良.可用于生产线的工业机器人研究[J].科技创新导报.2008.第27期.59-61
[4] 罗璟，赵克定，陶湘厅，袁锐波.工业机器人的控制策略探讨[J]，机床与液压.2008-10.第10期.95～100
[5] 张新聚，曹慧勤，杨雪.程控通用机器人设计[J].液压与气动.2007.第2期.63～64
[6] 李文明.水力清砂机械手的研究与设计[D].武汉：华中科技大学.2007
[7] 郭洪红.工业机械人技术[M].西安：西安电子科技大学.2006.5
[8] 王小玲.工业机械手的PLC控制[J].机电工程技术.2004.第9期.32～36
[9] 许福玲，陈尧明.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社.2007-10
[10] 成大先.机械设计手册液压传动[S]，第4版.北京：化学工业社.2007-9
[11] 机械设计手册编委会.机械设计手册液压传动与控制[S]，第4版.北京：机械工业出版社.2007-7
[12] 张培志，朱宏俊.电气控制与可编程序控制器[S].北京：化学工业出版社.2009-1.120
[13] 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[S]，第6版.北京：高等教育出版社.2007-4.109，170～177
[14] 刘鸿文.材料力学[S]，第4版.北京：高等教育出版社.2008-12.12-25,29-37
[15] 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[S]，第7版.北京：高等教育出版社.2007-12.5～18，263～273
[16] 毛平淮，互换性与测量技术[S].北京：机械工业出版社.2008-1
[17] Fathi Ghorbel, John Y. Hung, and Mark W. Spong. Adaptive Control of Flexible-Joint Manipulators. IEEE Control Systems Magazine, 1989.10, 9-13
[18] D. Black. A Modular Approach to Robotic Automation of DOE Applications. ARM Automation,Inc 2000.7
摘要
由于工业自动化程度的不断提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合将由机器人代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产效率。例如，铸工车间中铸工期间所产生的粘砂残留在铸件表面上，这时就需要采用喷枪进行粘砂的清理。随着长期的从事清砂操作，工人中出现铸工尘肺，为了降低铸工尘肺的发生率，水爆清砂和水力清砂等工艺就出现在了研究课题之中。
本课题是一个机、电结合较为紧密的实用性项目，文中对PLC的应用、机械结构的设计、控制方法的选择等方面进行了必要的探讨。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。
关键字：机械手，液压驱动，PLC（可编程控制器）
Abstract
With the improvement of the industrial automation, industrial site a lot of flammable, explosive and other high risk of heavy physical labour will be replaced by robots. This can reduce the labor intensity of workers, on the other hand can greatly improve labor productivity. For example, the generated during zhugongzhugong workshop sand residues on the surface of the casting, then you need to use the gun sand cleaning. As long engaged in cleaning operation, founder pneumoconiosis workers, in order to reduce the founder pneumoconiosis incidence in water blast cleaning, sand and water cleaning process on the research topic.
This topic is a machine, combined with practical projects more closely, in this paper, the application of PLC, the design of mechanical structure, control methods and other aspects of the necessary study. Finally, summarized the full text, points out the improvement measures, manipulator application prospect and development direction.
Keywords: hydraulic drive manipulator,, PLC (programmable logic controller)
目录
摘要 I
Abstract I
第1章 绪论 - 1 -
1.1 选题的背景及意义 - 1 -
1.2 国内外研究现状和发展的趋势 - 1 -
1.3 本设计研究的主要内容 - 3 -
第2章 机械手总体的设计 - 5 -
2.1 机械手的组成及各部分关系概述 - 5 -
2.2 机械手的设计分析 - 5 -
2.2.1 设计的要求 - 5 -
2.2.2 总体设计分析 - 5 -
2.2.3 总体方案拟定 - 7 -
第3章 机械手结构的设计分析 - 9 -
3.1 末端操作器的设计分析 - 9 -
3.2 手腕的设计分析 - 9 -
3.3 手臂的设计分析 - 9 -
3.4 机身和机座的设计分析 - 10 -
第4章 机械手各部件的载荷计算 - 12 -
4.1 设计要求分析 - 12 -
4.2 手臂伸缩机构载荷的计算 - 12 -
4.3 手臂俯仰机构载荷的计算 - 13 -
4.4 机身摆动机构载荷力矩的计算 - 13 -
4.5 初选系统工作压力 - 14 -
第5章 机械手各部件尺寸计算及校核 - 16 -
5.1 手腕油缸尺寸的确定 - 16 -
5.2 手臂伸缩机构结构尺寸的确定 - 19 -
5.3 手臂俯仰机构结构尺寸的确定 - 19 -
5.4 机身摆动机构的确定 - 19 -
5.5 强度校核 - 19 -
5.6 弯曲稳定性校核 - 20 -
第6章 液压系统的设计 - 22 -
6.1 制定基本的方案 - 22 -
6.1.1 系统基本回路选择 - 22 -
6.2 各液压元件选择 - 22 -
6.2.1 液压泵的选择 - 22 -
6.2.2 液压泵所需电机功率的选择 - 24 -
6.2.3 液压阀的确定 - 24 -
6.2.4 液压辅助元件的选择原则 - 25 -
6.2.5 油箱容量的说明 - 27 -
6.2.6 液压原理图 - 27 -
第7章 PLC控制系统设计 - 29 -
7.1 PLC控制系统结构的组成 - 29 -
7.2 PLC选型 - 29 -
7.3 其他硬件及选型 - 29 -
7.4 PLC I/0的分配表及接线图 - 31 -
7.5 控制流程图及相关程序 - 32 -
结论 - 35 -
参考文献 - 36 -
附录 - 37 -
第1章 绪论
1.1 选题背景及其意义
由于工业自动化程度的不断提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合将由机器人代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，铸工车间中铸工期间所产生的粘砂残留在铸件表面上，这时就需要采用喷枪进行粘砂的清理。随着长期的从事清砂操作，工人中出现铸工尘肺，为了降低铸工尘肺的发生率，水爆清砂和水力清砂等工艺就出现在了研究课题之中。
该机械手用于铸工车间水力清砂，由于铸件的形状和尺寸不同，应清理的部位变化较大，就要求机械手有一定的通用性。机械手所操持的水力喷枪，能模仿人手操作时的动作，手臂能实现前后左右上下运动。
通过本课题，让学生在毕业设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程，培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力；进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。
本课题中水力清砂机械手系统主要采用液压驱动。
第1章 绪论
1.1 选题背景及其意义
由于工业自动化程度的不断提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合将由机器人代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，铸工车间中铸工期间所产生的粘砂残留在铸件表面上，这时就需要采用喷枪进行粘砂的清理。随着长期的从事清砂操作，工人中出现铸工尘肺，为了降低铸工尘肺的发生率，水爆清砂和水力清砂等工艺就出现在了研究课题之中。
该机械手用于铸工车间水力清砂，由于铸件的形状和尺寸不同，应清理的部位变化较大，就要求机械手有一定的通用性。机械手所操持的水力喷枪，能模仿人手操作时的动作，手臂能实现前后左右上下运动。
通过本课题，让学生在毕业设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程，培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力；进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。
本课题中水力清砂机械手系统主要采用液压驱动。
结论
本文设计了一个水力清砂机械手。本次设计的主要任务是完成机械手结构设计，液压系统设计以及其PLC控制系统方面的设计，主要工作包括：
（1）通过查阅有关资料，简单介绍了国内外机器人（机械手）的历史及发展概况，介绍了目前机器人的几种分类形式，列举出了在生产、生活上和高科技领域中几种常见的机器人。
（2）根据本课题的给定的依据，提出了采用四自由度机械手的方案，经过分析和论证，证明了这种结构的可以满足工作要求。
（3）对机械手的驱动力和力矩进行计算，根据液压驱动的特点和实际工作需要，提出采用液压驱动的方案，并通过比较、择优，证明这种驱动方案是最佳的。
（4）根据实际的工作要求，选取适宜的液压元件并对其进行校核，最终确定所需液压元件的尺寸、材料等，并画出了各主要部件的机械结构图。
（5）根据实际工作条件、对机械手动作进行规划，将机械手动作设计为顺序动作，并拟用PLC来实现对其进行控制，使系统满足不同工作条件下的需要。
参考文献
[1] 郭洪红.工业机器人运用技术[M].北京：科学出版社.2008-7.7～11，15，19，26～30，40，44～45，51，68，79～84，91
[2] 原魁.工业机器人发展现状与趋势[J].工厂自动化.2007.第1期.34～38
[3] 周寿明，邓成良.可用于生产线的工业机器人研究[J].科技创新导报.2008.第27期.59-61
[4] 罗璟，赵克定，陶湘厅，袁锐波.工业机器人的控制策略探讨[J]，机床与液压.2008-10.第10期.95～100
[5] 张新聚，曹慧勤，杨雪.程控通用机器人设计[J].液压与气动.2007.第2期.63～64
[6] 李文明.水力清砂机械手的研究与设计[D].武汉：华中科技大学.2007
[7] 郭洪红.工业机械人技术[M].西安：西安电子科技大学.2006.5
[8] 王小玲.工业机械手的PLC控制[J].机电工程技术.2004.第9期.32～36
[9] 许福玲，陈尧明.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社.2007-10
[10] 成大先.机械设计手册液压传动[S]，第4版.北京：化学工业社.2007-9
[11] 机械设计手册编委会.机械设计手册液压传动与控制[S]，第4版.北京：机械工业出版社.2007-7
[12] 张培志，朱宏俊.电气控制与可编程序控制器[S].北京：化学工业出版社.2009-1.120
[13] 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[S]，第6版.北京：高等教育出版社.2007-4.109，170～177
[14] 刘鸿文.材料力学[S]，第4版.北京：高等教育出版社.2008-12.12-25,29-37
[15] 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[S]，第7版.北京：高等教育出版社.2007-12.5～18，263～273
[16] 毛平淮，互换性与测量技术[S].北京：机械工业出版社.2008-1
[17] Fathi Ghorbel, John Y. Hung, and Mark W. Spong. Adaptive Control of Flexible-Joint Manipulators. IEEE Control Systems Magazine, 1989.10, 9-13
[18] D. Black. A Modular Approach to Robotic Automation of DOE Applications. ARM Automation,Inc 2000.7