【基于PLC控制的工件搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)】四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)械手

1、 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）基于PLC 控制的自動(dòng)生產(chǎn)線工件搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級(jí)： 08 級(jí)學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： 李建雄2012年 06 月 8日 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠信責(zé)任書本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)），是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所完成。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。特此聲明。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：日 期： 目 錄摘 要 . III Abstract . IV第一章 緒 論 . 51.1 選題背景 . 51.2 設(shè)計(jì)目的 . 51.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì) .

2、 61.4 設(shè)計(jì)原則 . 7第二章 設(shè)計(jì)方案擬定和詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算 . . 82.1 本機(jī)械手設(shè)計(jì)參數(shù)列表 . 82.2 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)計(jì)算 . . 92.3 機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)計(jì)算. 132.4 機(jī)械手臂部設(shè)計(jì)計(jì)算. 182.5 機(jī)身設(shè)計(jì)與計(jì)算 . 25 第三章 機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 333.1 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工況計(jì)算 . 333.2 液壓系統(tǒng)總體圖設(shè)計(jì). 39第四章 機(jī)械手電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 474.1 繼電器-接觸器控制線路的設(shè)計(jì). 474.2 一些低壓電器的選擇. 504.3 機(jī)械手控制操作面板. 51第五章 機(jī)械手PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 535.1 可編程控制器簡(jiǎn)介及應(yīng)用 . 535.2

3、可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 . 535.3 可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟 . 545.4 梯形圖控制程序 . 57 基于PLC 控制的自動(dòng)生產(chǎn)線工件搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)摘 要機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長期頻繁、單調(diào)的操作，如果沒有機(jī)械手那么工人的勞動(dòng)強(qiáng)度是很高的，并且生產(chǎn)速度大大延緩，所以采用機(jī)械手是很有效的。本機(jī)械手主要用于金屬工件的搬運(yùn)工作，能夠配合機(jī)床（如鍛床、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床）或裝配線等進(jìn)行重量不大于30公斤的圓柱形工件搬運(yùn)。本機(jī)械手為液壓驅(qū)動(dòng)，采用圓柱坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)，具有4個(gè)自由度

4、。本設(shè)計(jì)首先對(duì)機(jī)械手的各個(gè)部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算，選定液壓缸和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)后，對(duì)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。其次對(duì)機(jī)械手的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)和布線，最后用三菱PLC 編程控制電氣系統(tǒng)的各執(zhí)行元件從而控制液壓系統(tǒng)電磁閥的動(dòng)作。到達(dá)搬運(yùn)機(jī)械手搬運(yùn)工件的最終要求。關(guān)鍵詞：機(jī)械手，搬運(yùn)，液壓，PLC 。 Based on PLC automatic production line of workpiece carryingmanipulatorAbstractRobots can replace the hands of heavy labor, s

5、ignificantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and automation level. Industrial production has seen the heavy work handling and long-term frequent, drab operation, if not manipulator so labor intensity is high, and production speed greatly retard,

6、 so using manipulator is very effective.This manipulator is mainly used for metal workpieces handling work, can match with machine tools (such as forging bed, nc machine tools, combination machine tools or assembly line of weight is not more than 30 kg cylindrical workpieces handling. This manipulat

7、or for hydraulic drive, using cylindrical coordinate system structure, has four degrees of freedom. The design of manipulator first each part of the detailed design calculation, select the hydraulic cylinder and end actuators, connected to the structure and strength check the detailed design. Based

8、on the hydraulic system design of the manipulator, in the hydraulic system on the base of the electrical control system is the reasonable design and wiring, and finally with mitsubishi PLC programmable control of the electric system to control the executive components of hydraulic system electromagn

9、etic valve movement. The porter carrying manipulator to a final requirements.Keywords : Manipulator, Handling, Hydraulic, PLC 第一章 緒 論1.1 選題背景機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械

10、手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS 和柔性制造單元FMC 中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距

11、離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。1.2 設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)通過對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，完成一個(gè)特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率, 降低成本, 并使生產(chǎn)線發(fā)

12、展成為柔性制造系統(tǒng), 適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn), 針對(duì)具體生產(chǎn)工藝, 利用機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)裝卸機(jī)械 手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約加工輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)目前，在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢(shì)如下：

13、A 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。B 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。C 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。D 關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)

14、品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)；E 焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真?？偟膩碚f，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對(duì)具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價(jià)比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。 1.4 設(shè)計(jì)原則在設(shè)計(jì)之前，必須要有一個(gè)指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是：以任

15、務(wù)書所要求的具體設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時(shí)提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、液壓、氣動(dòng)、電氣傳動(dòng)及控制、傳感器、可編程控制器（PLC ）、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、機(jī)械系統(tǒng)仿真等知識(shí)盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過本次設(shè)計(jì)對(duì)大學(xué)階段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。 第二章 設(shè)計(jì)方

16、案擬定和詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 本機(jī)械手設(shè)計(jì)參數(shù)列表1、抓重：300N2、自由度：4個(gè)3、臂部運(yùn)動(dòng)參數(shù)：表 2-1 4、腕部運(yùn)動(dòng)參數(shù)：表 2-2 5、手指夾持范圍：棒料，60mm120mm ，長度4501200mm6、定位方式：緩沖，定位缸定位7、驅(qū)動(dòng)方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)）8、定位精度：±3mm9、機(jī)械手工作布局圖如圖2.1所示 圖2.1 2.2 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)計(jì)算(1 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需要的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。(2 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。(3 在保證本身剛度，強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕

17、手臂負(fù)載。通過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿式，夾緊裝置采用常開式夾緊裝置，他在彈簧的作用下手抓閉合下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿 圖2-2(a為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 (a (b 圖2-2 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析1手指 2銷軸 3杠桿 在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F ，并通過銷軸中心O 點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為F 1和F 2，其力的方向垂直于滑槽的中心線1oo 和2oo 并指向o 點(diǎn)，交1F 和2F 的延長線于A 及B 。由XF=0 得 1F =2FYF=0 得1F =2cos F1F ='1F由Mol(F=0 得'

18、; 1F =N F ·hcos a h =F=2cos N bF a (2-1式中 a 手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離(mm。工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力F 一定時(shí)，角增大，則握力N F 也隨之增大，但角過大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=0300手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算：123N F K K K G (2-2式中 1K 安全系數(shù)，通常

19、1.22.0；2K 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦纆a 1K 2+=其中a 是重力方向的最大上升加速度 m ax v a t =響，g=9.8 m/s ；m ax v 運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度； t 響系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取0.030.5s；3K 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇；G 被抓取工件所受重力（N ）。計(jì)算：設(shè)a=40mm,b=120mm,=35°；機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為0.5s ，求夾緊力N F 和驅(qū)動(dòng)力F和 驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。(1 設(shè)1K =1.6 max V =102 mm/s s t =0.5s ga 1K 2+=1.023K

20、=0.5 根據(jù)公式，將已知條件帶入： N F =1.6³1.02³0.5³300=244.8N 根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得： (2 計(jì)算F =abcos 22NF =4035cos 01222244.8=986N取85. 0= (3 計(jì)算實(shí)際F F =85. 0986=1160N(4 確定液壓缸的直徑D(224F D d p =- 實(shí)際 (2-3選取活塞桿直徑d=0.5D，選擇液壓缸壓力油工作壓力P=39.2105Pa 則 D=-）（實(shí)際25. 01F 4p =75. 01039.21160450.0224m根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列表（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=3

21、2mm，根據(jù)裝配關(guān)系， 外徑為50mm 。則活塞桿直徑為：機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確，抓取精度高，重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能。機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件來決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定要進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差分析。 圖2-3 手抓夾持誤差分析示意圖該設(shè)計(jì)以棒料來分析機(jī)械手的夾持誤差精度。為了保證手抓張開角為060，活塞桿運(yùn)動(dòng)范圍為L=40tan40°34mm 。 機(jī)械手的夾持范圍為60120mm 。 夾持誤差不超過

22、±3mm ，分析如下： 工件的平均半徑： CP R =26030+=45mm手指長L=120mm，取V 型夾角02120=偏轉(zhuǎn)角： =1cos -Lsin R cp =1cos-60sin 12045=64.34°按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： =64.34° 計(jì)算理論平均半徑 =c o s L s i n R 0120³sin60°cos64.34°=45mm 因?yàn)?m i n 0m a xR R R 2222max 2max 21asin L acos sin 2 sin (L -+=R LR2222224044.36sin 20404.34

23、6cos 06sin 601202 06sin 60(201-+=1.4842222min 2min 22asin L acos sin 2 sin (L -+=R LR222222404.346sin 204044.36cos 06sin 301202 06sin 30(20-+=0.166所以=1.484<3夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。2.3 機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)計(jì)算(1 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。(2 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作

24、為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。(3 必須考慮工作條件對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。 腕部結(jié)構(gòu)有四種，分別為：(1 具有單自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu) (2 用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)(3 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu) (4 機(jī)液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)本次設(shè)計(jì)要求腕部有一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，因此，綜合考慮分析，選擇第一種結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)直接用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)

25、簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。一、腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：驅(qū)M=慣M+偏M+摩M+封M(N²m (2-4(1 腕部加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩慣M若腕部啟動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)加速度為(rad/s，啟動(dòng)過程所需的時(shí)間為t (s，或轉(zhuǎn)過的角度為(rad，則慣M=（J +1J t (2-5或 慣M=（J +1J 22式中 J 參與腕部轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg ²m 2）； 1J 工件對(duì)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg ²m 2）。 (2腕部轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩偏M因?yàn)槭肿A持在工件中間位

26、置，所以e 等于0，即：偏M=G1e 1+G3e 3=0 (3 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸載軸頸處的摩擦阻力矩摩M為簡(jiǎn)化計(jì)算，一般取 摩M =0.1總驅(qū)力矩M(4回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片和缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩封M ，與選用的密封裝置類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。設(shè)夾取棒料直徑100mm ，長度1000mm ，重量50Kg ，當(dāng)手部夾持工件中間位置回轉(zhuǎn)0180時(shí)，將手抓、手抓驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，長h=150mm，半徑為60mm ，其所受重力為G=200 N等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度s rad s /49. 3/200=。 因?yàn)?慣M=（J +1J 22(2-6J =221MR =221

27、R gG =206. 08. 920021=0.03672s m N 1J =3(121221R l m +=05. 031(5012122+=4.19792s m N 代入 慣M =(0.0367+4.1979314. 0249. 32=47m N 所以 驅(qū)M=0.1總驅(qū)力矩M +0+47驅(qū)M=52.22m N 二、腕部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算表2-3 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） （mm ） 設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表2-3設(shè)缸體內(nèi)壁半徑R=55mm，外徑按中等壁厚設(shè)計(jì)，由表4-2選取168 mm，動(dòng)片寬度b=66mm，輸出軸r=25mm?；境叽缛鐖D2-4所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力P=(222r

28、 R b M -=025. 0055. 0(066. 02.225222-=6.59MPa，所以選擇P=7MPa。 圖2-4 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意表2-4 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67） （mm ） 三、油缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 表2-5 螺釘間距t 與壓力P 之間的關(guān)系 t 為螺釘?shù)拈g距，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表2-4，在這種聯(lián)結(jié)中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力為： 0' sQ Q Q F F F =+ （2-7） 式中Q F 為工作載荷，'F Qs 為預(yù)緊力計(jì)算：液壓缸工作壓強(qiáng)為P=7 Mpa,所以螺釘間距t 小于80mm, 試選擇8個(gè)螺釘；d/4=110/80=4.3

29、8，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=8個(gè)危險(xiǎn)截面 405. 011. 0S 2222-=-=r R =0.0075m2Q PS F Z=所以，=81070075. 06=6562.5NQ Qs KF F =(K=1.51.8 取K=1.5，則=Qs F 1.5³6562.5=9843.75 N0's Q Q Q F F F =+=16407N螺釘材料選擇Q235， 2401601.5sM P an=則（n=1.22.5）螺釘?shù)闹睆絛 d 6 1016014. 3164073. 14=0.0131m螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm。 四、動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘連接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱安裝，

30、并用兩個(gè)定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘?dòng)片和輸出軸之間的配合緊密，當(dāng)油腔通高壓油時(shí)，動(dòng)片受油壓作用產(chǎn)生一個(gè)合成液壓力矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩。由 (2282Q bpd DdMF Z f-=摩(2-8得(224Q bpF D dZfd=- (2-9QF 單個(gè)螺釘?shù)念A(yù)緊力；D 動(dòng)片外徑；f 被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對(duì)鋼取f=0.15； d 輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑，初步計(jì)算可按D=（1.52.5）d D=110mm=2.5d，則d=44mm； 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為211. 34QF d合(2-10 所以d (2-11 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得Q F =(422d D Zfdbp -=044. 0

31、11. 0(044. 015. 084107066. 0226-=22234N螺釘材料選擇Q235， 則=2. 1240s n 200MPa （n=1.22.5）螺釘?shù)闹睆絛 6 1020014. 3222343. 14=0.013m螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm。2.4 機(jī)械手臂部設(shè)計(jì)計(jì)算（1）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 （2）臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 （3）手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活 （4） 位置精度要高常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種： （1） 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)。（2） 雙層油缸空心活塞桿單桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu) （3） 采用花鍵套導(dǎo)向的手臂升降結(jié)構(gòu) （4） 雙活塞伸縮油缸結(jié)構(gòu) （5） 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)

32、。先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。做水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦、慣性等幾個(gè)方面的阻力，來確定來確定液壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力。液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算為F F F F F =+回摩密慣 (2-12一、手臂摩擦力的分析與計(jì)算由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。AM= bG L aF =總得b G L F a=總Y=b a G F F +=總得a L a F G a += 總''a b a bF F F F F =+=+摩摩摩' 2

33、L a F G a+=總摩 (2-13式中 G 總參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（含工件）（N ）； L 手臂與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m ）, 參考上一節(jié)的計(jì)算;a 導(dǎo)向支撐的長度（m ）;'當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。對(duì)于圓柱面：(57. 127. 124= (2-14摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無潤滑時(shí)：鋼對(duì)青銅：取5. 01. 0= 鋼對(duì)鑄鐵：取3. 018. 0= +'=a a L G F 2總摩1400+1601606562.30=3864N二、手臂密封處的摩擦阻力的計(jì)算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用O 型密封圈，當(dāng)液壓

34、缸工作壓力小于10Mpa 。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： 封F =0.03F。 三、手臂慣性力的計(jì)算慣F =0.1tv G 總 (2-15式中 總G 參與運(yùn)動(dòng)的零件的總重力（包括工件）(N；v 從靜止加速到工作速度的變化量(m/s； t 啟動(dòng)時(shí)間(s，一般取0.010.5；設(shè)啟動(dòng)時(shí)間為0.2s ，v 最大為0.233m/s。 則：慣0332. 01400=163N由于背壓阻力較小，可取回F =0.05F 所以F=摩F +慣F +封F +回F =3864+163+0.03F+0.05FF=4378N表2-6液壓缸的工作壓力 經(jīng)過上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力F=4378N，根據(jù)表2-6

35、選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa；（1） 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸： 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖2-6所示 圖2-6雙作用液壓缸示意圖當(dāng)油進(jìn)入無桿腔： 4211D P P F = (2-16當(dāng)油進(jìn)入有桿腔： 4(2212d D P P F -= (2-17液壓缸的有效面積： 1P P S =(mm2所以 =1113. 14P P P PD （無桿腔） 214dP PD += （有桿腔） (2-18式中P 活塞驅(qū)動(dòng)力(P；1p 油缸的工作壓力(MPa；d 活塞桿直徑；油缸機(jī)械效率，工程機(jī)械中用耐油橡膠可取=0.96；由上節(jié)求得驅(qū)動(dòng)力F=4378N，1p =1MPa，機(jī)械效率=0.96 將數(shù)據(jù)代入得：=1

36、113. 14P P P PD =61016.9043783.11=0.0766根據(jù)表2-3（JB826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=80mm. （2） 液壓缸外徑的設(shè)計(jì)外徑按中等壁厚設(shè)計(jì)，根據(jù)表2-4（JB1068-67）取外徑選擇133mm. （3） 活塞桿的計(jì)算校核a ，活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求。對(duì)于桿長L 大于直徑d 的15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算：pd 4(mm (2-19設(shè)計(jì)中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應(yīng)力的=100120Mpa。本次取=110 則： 6101104.1343784d =0.0072m所以活塞直徑按下表取d=20mm，滿足

37、強(qiáng)度要求。表2-7活塞桿直徑系列（GB/T2348-93） 現(xiàn)在進(jìn)行穩(wěn)定性校核，其穩(wěn)定性條件為： kk n p p (2-20式中 k p 臨界力(N； k n 安全系數(shù)，k n =24。按中長桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核，其臨界力k p =F(b a - (2-21 式中: F 活塞桿截面面積(mm2 ；a ，b 常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)，碳鋼a=461，b=2.47； 柔度系數(shù)，經(jīng)計(jì)算為70。代入數(shù)據(jù)，臨界力 k p =F(b a -=3.14）（707.42461102-=90463.4MPa 取k n =3 kk n p p =4378=30154.47 MPa所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。(1 缸體材料

38、選擇無縫鋼管，此時(shí)端蓋的連接方式多采用半環(huán)鏈接優(yōu)點(diǎn)是加工和裝拆方便，缺點(diǎn)是缸體開環(huán)槽削弱了強(qiáng)度(2 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算為保證連接的緊密性，螺釘間距t 1應(yīng)適當(dāng)（如圖2-5），在這種聯(lián)結(jié)中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力0Q 為工作載荷Q 和剩余預(yù)緊力SQ '之和 0Q =Q +SQ ' (2-22 式中 Q 工作載荷，Q =ZpDZP 2=；0D 螺釘中心所在圓的直徑；P 驅(qū)動(dòng)力。 Z 螺釘數(shù)目，Z=1t D ；SQ '剩余預(yù)緊力，S Q '=KQ，K=1.51.8； 計(jì)算：D=80mm，取0D =110mm，P=1MPa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表2-5，間距應(yīng)小于

39、150mm ，試選螺釘數(shù)為6個(gè)： 則 Z=1t D ，代入數(shù)據(jù)1t =57<150，滿足要求；Q =ZpDZP 2=838N；選擇K=1.5，SQ '=1.5Q =1255N; 0Q =Q+SQ '=837+1257=2095N 螺釘直徑按強(qiáng)度條件計(jì)算1d lJQ 4(2-23式中 J Q 計(jì)算載荷，J Q =1.30Q ； l 許用抗拉應(yīng)力，l =ns ；s 螺釘材料的屈服點(diǎn)，材料選擇45鋼，則屈服強(qiáng)度為352MPa ； n 安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2；1d 螺紋內(nèi)徑，1d =d-1.224S，d 為螺釘公稱直徑，S 為螺距。 計(jì)算：J Q =1.30Q

40、 =1.3³2095=2723.5N 代入數(shù)據(jù)： 1d lJQ 4=sn4J Q =610則螺釘公稱直徑為d=0.0045+(1.224³0.008=0.014m，取M14的螺釘。 2.5 機(jī)身設(shè)計(jì)與計(jì)算按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂2000的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮分析。機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)路線長，花鍵軸的變形對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響較大。（2） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的

41、結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。（3） 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動(dòng)。綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)機(jī)身包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降。如圖2-7所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)-片與缸體連接，由缸體帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊麠U采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向?；ㄦI軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下端蓋與連接地面的

42、的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)見下圖。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸通過兩個(gè)油孔，一個(gè)進(jìn)油孔，一個(gè)排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來實(shí)現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來決定，對(duì)于本設(shè)計(jì)就是考慮兩個(gè)葉片之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中動(dòng)片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)2000。 圖2-7 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖一、回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 手臂回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩驅(qū)M的計(jì)算公式為： 驅(qū)M=慣M+回M +封M(N²m (2-24慣性力矩 慣M=0J t (2-25式中 0J 臂部回轉(zhuǎn)部件(包括工件 對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

43、（kg ²m 2）； 回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片角速度變化量，在啟動(dòng)過程=(rad/s； t 啟動(dòng)過程的時(shí)間(s；若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為(前面計(jì)算得=800mm，則 2c 0gG J J += (2-26式中 c J 回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。c J =3(12122R l m + (2-27回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個(gè)長1500mm ，直徑為100mm 的圓柱體，質(zhì)量為180Kg. 設(shè)置起動(dòng)角度=180，則起動(dòng)角速度=0.314rad s ，起動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為0.1s 。c J =3(12122R l m +=.103.51(1216022+= 30.4 kg²m 22c 0gG J

44、 J +=30.4+92200=175 kg ²m 2慣M=0J t=175.1014.30=550m N 為了簡(jiǎn)便計(jì)算，密封處的摩擦阻力矩驅(qū)封M M 3.00=，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計(jì)，回M =0所以 驅(qū)M=550+0+0.03驅(qū)M驅(qū)M=567m N 二、回轉(zhuǎn)缸尺寸的確定回轉(zhuǎn)缸油腔內(nèi)徑D 計(jì)算公式為：238dbpM D +=驅(qū) (2-28式中 P 回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力；d 輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑，初步設(shè)計(jì)按D/d=1.52.5； b 動(dòng)片寬度，可按2b/(D-d2選取。設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片寬b=60mm，工作壓力為6MPa ，d=50mm23506605678+=D

45、 =123mm按標(biāo)準(zhǔn)油缸內(nèi)徑選取內(nèi)徑為125mm 。 三、油缸缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為6Mpa, 所以螺釘間距t 應(yīng)小于80mm 。 螺釘數(shù)目Z=tD =80125³3.14=4.9所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目選擇6個(gè)。 危險(xiǎn)截面 ）（22r R S -=45.0052.1022-=0.01042m所以 Q F =ZPS =10400NK F QS =Q F =14800³1.5=15600N (K=1.5 所以 Q F =10400+15600=26000N螺釘材料選擇Q235，則2401.2s n=200M P a =（n=1.22.5）螺釘?shù)闹睆?d Q1.3F 4=

46、0.0147mm螺釘?shù)闹睆竭x擇d=16mm.選擇M16的開槽盤頭螺釘。經(jīng)過以上的計(jì)算，最終確定的液壓缸的尺寸，內(nèi)徑為125mm ，外徑按中等壁厚設(shè)計(jì)，根據(jù)表2-4（JB1068-67）取外徑選擇194mm ，輸出軸徑為50mm 。四、動(dòng)片聯(lián)接螺釘?shù)挠?jì)算動(dòng)片和輸出軸之間的聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱安裝，并用兩個(gè)定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔檬鞘箘?dòng)片和輸出軸之間的配合面緊密接觸不留間隙。根據(jù)動(dòng)片所受力矩的平衡條件有驅(qū)M=摩M即(224Q bpF DdZfd=- (2-29式中: Q F 每個(gè)螺釘預(yù)緊力； D 動(dòng)片的外徑；f 被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對(duì)鋼取f=0.15 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為: 211.34QF d 合(2-30 或1d 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得Q F =(422d D Zfdbp -=05. 0125. 0(05. 015. 06410606. 0226-=26200N螺釘材料選擇Q235，則2401.2s n=200M P a =（n=1.22.