機械系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計機械手

機械系統(tǒng)設(shè)計——機械手

第一章引言

1.1機械手概述

工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)劭系統(tǒng)和檢測傳感裝置組成，是一個仿

人操作，自動控制、可反復(fù)編程、能在三維空間完成多種作業(yè)機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。

尤其適合于多品種、變批量柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提升產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率，改善勞動

條件和產(chǎn)品快速更新?lián)Q代起著十分關(guān)鍵作用。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平

關(guān)鍵標(biāo)志。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手能夠提升生產(chǎn)自動化水平，能夠減輕勞動強度、確保產(chǎn)品質(zhì)量、

實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣環(huán)境

中，它替換人進行正常工作，意義更為重大。所以，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱

處理、電鍍、噴漆、裝配和輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛引用。機械手結(jié)構(gòu)形

式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床上下料裝置，是隸屬于該機床專用機械手。伴

隨工業(yè)技術(shù)發(fā)展，制成了能夠獨立按程序控制實現(xiàn)反復(fù)操作，適用范圍比較廣“程序控制通

用機械手”，簡稱通用機械手。因為通用機械手能很快改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它

在不停變換生產(chǎn)品種中小批量生產(chǎn)中取得廣泛引用。

液壓傳動機械手是以壓縮液體壓力來驅(qū)動實施機構(gòu)運動機械手。其關(guān)鍵特點是:介質(zhì)李源

極為方便，輸出力小，液壓動作快速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。不過，因為空氣含有匕壓縮特征,

工作速度穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重通常在30千克以下，在一樣抓重條

件下它比液壓機械手結(jié)構(gòu)大，所以適適用于高速、輕載、高溫和粉塵大環(huán)境中進行工作。

液壓技術(shù)有以下優(yōu)點：

（1）體積小、重量輕，所以慣性力較小，當(dāng)忽然過載或停車時，不會發(fā)生大沖擊；

（2）能在給定范圍內(nèi)平穩(wěn)自動調(diào)整牽引速度，并可實現(xiàn)無極調(diào)速；

（3）換向輕易，在不改變電機旋轉(zhuǎn)方向情況下，能夠較方便地實現(xiàn)工作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)

運動轉(zhuǎn)換；

（4）液壓泵和液壓馬達(dá)之間月油管連接，在空間部署上相互不受嚴(yán)格限制；

(5)因為采取油液為工作介質(zhì)，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命長；

(6)操縱控制簡便，自動化程度高；

(7)輕易實現(xiàn)過載保護。

1.2液壓機械手設(shè)計要求

1.2.2課題設(shè)計要求

本課題將要完成關(guān)鍵任務(wù)以下：

(1)機械手為通用機械手，所以相對于專用機械手來說，它適用面相對較廣。

(2)選擇機械手座標(biāo)型式和自由度。

(3)設(shè)計出機械手各實施機構(gòu)，包含:手部、手腕、手臂等部件設(shè)計。為了使通用性更強,

手部設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，不僅能夠應(yīng)用于夾持式手指來抓取棒料工件，在工業(yè)需要時候還能

夠用氣流負(fù)壓式吸盤來吸收板料工件。

(4)液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計

本課題將設(shè)計出機械手液壓傳動系統(tǒng)，包含液壓元器件選擇，液壓回路設(shè)計，并繪出

液壓原理圖。

(5)機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

本機械手?jǐn)M采取可編程序控制器(PLC)對機械手進吁控制，本課題將要選擇PLC型號，依

據(jù)機械手工作步驟編制出PLC程序，并畫出梯形圖。

1.3機械手系統(tǒng)工作原理及組成

機械手系統(tǒng)工作原理框圖圖1-1所表示。

立赫機構(gòu)

圖1-1機械手系統(tǒng)工作原理框圖

機械手工作原理：機械手關(guān)鍵由實施機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和位置檢測裝置等所組成。

在PLC程序控制條件下，采取液壓傳動方法，來實現(xiàn)實施機構(gòu)對應(yīng)部位發(fā)生要求要求，有次序,

有運動軌跡，有一定速度和時間動作。同時按其控制系統(tǒng)信息對實施機構(gòu)發(fā)出指令，必需時可

對機械手動作進行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將實

施機構(gòu)實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并和設(shè)定位置進行比較，然后經(jīng)過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而

使實施機構(gòu)以一定精度達(dá)成設(shè)定位置.

（一）實施機構(gòu)

包含手部、手腕、手臂和立柱等部件，有還增設(shè)行走機構(gòu)。

1、手部

即和物件接觸部件。因為和物件接觸形式不一樣，可分為夾持式和吸附式手在本課題中

我們采取夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指（或手爪）和傳力機構(gòu)所組成。手指是和物件直

接接觸構(gòu)件，常見手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造輕易，故應(yīng)

用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件

直徑改變不影響其軸心位置，所以適宜夾持直徑改變范圍大工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物

件表面形狀、被抓部位（是外廓或是內(nèi)孔）和物件重量及尺寸。而傳力機構(gòu)則經(jīng)過手指產(chǎn)生夾

緊力來完成夾放物件任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多時常見有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿

式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。

2、手腕

是連接手部和手臂部件，并可用來調(diào)整被抓取物件方位（即姿勢）

3、手臂

快速反應(yīng)、一定承載能力、足夠工作空間和靈活自由度及在任意位置全部能自動定位等特征。

設(shè)計液壓機械手標(biāo)準(zhǔn)是:充足分析作業(yè)對象（工件）作業(yè)技術(shù)要求，確定最合理作業(yè)工序和工藝,

并滿足系統(tǒng)功效要求和環(huán)境條件；明確工件結(jié)構(gòu)形狀和材料特征，定位精度要求，抓取、搬運

時受力特征、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而深入確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制要求;盡可能選擇定

型標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.此次

設(shè)計機械手是通用液壓上下料機械手（圖2-1所表示），是一個適合丁成批或中、小批生產(chǎn)、

能嵯改變動作程序自動搬運或操作設(shè)備，動作強度大和操作單調(diào)頻繁生產(chǎn)場所。它可用于操作

環(huán)境惡劣場所。

圖2-1機械手整體機械結(jié)構(gòu)

2.1機械手座標(biāo)型式和自由度

按機械手手臂不一樣運動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)

式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。因為本機械手在上下料時手臂含有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，所以，

采取圓柱座標(biāo)型式。對應(yīng)機械手含有三個自由度，為了填補升降運動行程較小缺點，增加手

臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動自由度。（圖2-2所表示）

左右愕曲

圖2-2機械手運動示意圖

2.2機械手手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

為了使機械手通用性更強，把機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時，使

用夾持式手部;當(dāng)工件是板模時，使用氣流負(fù)壓式吸盤。

2.3機械手手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

考慮到機械手通用性，同時因為被抓取工件是水平放置，所以手腕必需設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才

可滿足工作要求。所以，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸。

2.4機械手手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

根據(jù)抓取工件要求，本機械手手臂有三個自由度，即手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降（或俯仰）

運動。手臂回轉(zhuǎn)和升降運動是經(jīng)過立柱來實現(xiàn)，立柱橫向移動即為手臂橫移。手臂多種運動

由液壓缸來實現(xiàn)。

2.5機械手驅(qū)動方案設(shè)計

因為液壓傳動系統(tǒng)動作快速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉所以本機械手

采取液壓傳動方法。

2.6機械手控制方案設(shè)計

考慮到機械手通用性，同時使用點位控制，所以我們采取可編程序控制器（PLC）對機械手

進行控制。當(dāng)機械手動作步驟改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，很方便快捷。

2.7機械手關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

一.機械手最大抓重是其規(guī)格主參數(shù)，因為是采取液壓方法驅(qū)動，所以考慮抓取物體不應(yīng)

該太重，查閱相關(guān)機械手設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取工件質(zhì)量為5

千克。

二.基礎(chǔ)參數(shù)運動速度是機械手關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計

速度過低限制了它使用范圍。（圖2-3所表示）而影響機械手動作快慢關(guān)鍵原因是手臂伸縮及

回轉(zhuǎn)速度。該機械手最大移動速度設(shè)計為1.0〃z/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)“為90。/5。平均移動速

度為08〃/s。平均回轉(zhuǎn)速度為6(y/s。機械手動作時有開啟、停止過程加、減速度存在，用

速度一行程川I線來說明速度恃征較為全方面，因為平均速度和行程相關(guān)，故用平均速度表示

速度快慢更為符合速度特征。除了運動速度以外，手臂設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)還有伸縮行程和工作半

徑。大部分機械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作空間。過大伸縮夕亍程和工作

半徑，肯定帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采取自動傳送裝置為好。依據(jù)統(tǒng)

計和比較，該機械手手臂伸縮行程定為600mm，最大工作半徑約為1400〃〃〃。手臂升降行程定

為120〃〃〃。定位精度也是基礎(chǔ)參數(shù)之一。該機械手定位精度為±1格〃。

三.用途：

用于自動輸送線上下料。

四.設(shè)計技術(shù)參數(shù)：

1、抓重5kg

2、自由度數(shù)4個自由度

3、座標(biāo)型式圓柱座標(biāo)

4、最大工作半徑14OO/77/7Z

5、手臂最大中心高1250/77/7?

6、手臂運動參數(shù)

伸縮行程1200〃〃〃

伸縮速度400mm/s

升降行程120/%/〃

升降速度250mm/s

回轉(zhuǎn)范圍0-180。

回轉(zhuǎn)速度90°/s

7、手腕運動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍0°-180°

回轉(zhuǎn)速度90。/s

8、手指夾持范圍棒料:50mm

9、定位方法行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊等

10、定位精度±1mm

11、驅(qū)動方法液壓傳動

12、控制方法點位程序控制（采取PLC）

圖2-3機械手工作范圍

第三章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1夾持式手部結(jié)構(gòu)

夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指［或手爪）和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠

桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。

3.1.1手指形狀和分類

夾持式是最常見一個，其中常見有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件部位又

可分為內(nèi)卡式（或內(nèi)漲式）和外夾式兩種:按模擬人手手指動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二

支點回轉(zhuǎn)型和移動型（或稱直進型），其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基礎(chǔ)型式。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指

兩個回轉(zhuǎn)支點距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指；同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指

手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造輕易，應(yīng)

用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑改變零件時不影響

其軸心位置，能適應(yīng)不一樣直徑工件。

3.1.2設(shè)計時考慮多個問題

（一）含有足夠握力（即夾緊力）

在確定手指握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生慣性力和

振動，以確保工件不致產(chǎn)生松動或脫落。

（二）手指間應(yīng)含有一定開閉角

兩手指張開和閉合兩個極限位置所夾角度稱為手指開閉角。手指開閉角應(yīng)確保工件能順

利進入或脫開，若夾持不一樣直徑工件，應(yīng)按最大直徑工件考慮。對于移動型手指只有開閉

幅度要求。

（三）確保工件正確定位

為使手指和被夾持工件保持正確相對位置，必需依據(jù)被抓取工件形狀，選擇對應(yīng)手指形

狀。比如圓柱形工件采取帶“V”形面手指，方便自動定心。

（四）含有足夠強度和剛度

手指除受到被夾持工件反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生慣性力和振動影

響，要求有足夠強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并

使手部中心在手腕回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。

（五）考慮被抓取對象要求

依據(jù)機械手工作需要，經(jīng)過比較，我們采取機械手手部結(jié)構(gòu)是一支點，兩指回轉(zhuǎn)型，因

為工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所表示。

3.1.3手部夾緊液壓缸設(shè)計

1、手部驅(qū)動力計算

本課題液壓機械手手部結(jié)構(gòu)圖3-1所表示：

在公

圖37齒輪齒條式手部

其工件重量G=5千克，

V形手指角度2?9=120,，b=\20/77/ZZ>R=24nun，摩擦系數(shù)為/=0.10

（：）依據(jù)手部結(jié)構(gòu)傳動示意圖，其驅(qū)動力為：

2b

p——Nxr

R

⑵依據(jù)手指夾持工件方位，可得握力計算公式：

N-0.5/g（，-（p）

=0.5x5xr^(60-5042)

=25(N)

所以

p=：N=245(N)

⑶實際驅(qū)動力：

、K】K,

〃實際之P—^

1、因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取？=0.94,并取&=1.5。若被抓取工件最大加速度

取o=3g時，則：K,=1+-=4

g

1Sx4

所以p實際=245x^[=1563(N)

所以夾持工件時所需夾緊液壓缸驅(qū)動力為1563N。

2,液壓缸直徑

本液壓缸屬于單向作用液壓缸。依據(jù)力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上輸出推力必需

克服彈簧反作用力和活塞桿工作時總阻力，其公式為：

F\=-^--匕-%

式中：匕-活塞桿上推力，N

F,-彈簧反作用力，N

￡-液壓缸工作時總阻力，N

P-液壓缸工作壓力，Pa

彈簧反作用按下式計算：

*=G/(l+s)

「_Gd：

Gf=k

￡)!n

Gf=黑

8。)

式中：Gf-彈簧剛度，N/m

1-彈簧預(yù)壓縮量，m

s-活塞行程，m

d-彈簧鋼絲直徑，m

Dr彈簧平均直徑，.

〃-彈簧有效圈數(shù).

G-彈簧材料剪切模量，通常取G=79.4x1()90。

在設(shè)計中，必需考慮負(fù)載率〃影響，貝IJ:

4

由以上分析得單向作用液壓缸直徑：

D=)

V沖n

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可得

G_Gd：=79.4x109x(3.5x10-3)4

，―80、-8x(30x10-3)3x15

=3677.46(N/6)

5=G/(l+s)

=3677.46x60xl(r3

=220.6(77)

所以二座旦二小(490+220.6)

V呼nVx0.5x1()6

=65.23(〃〃〃)

查相關(guān)手冊圓整，得。=65mm

由d/。=().2-0.3,可得活塞桿直徑：d=(0.2-0.3)由=13-19.5mm

圓整后，取活塞桿直徑4=18"7m校核，按公式々/(萬/4，)工［日

有：dN(4"l/i[b])°5

其中，[b]=120M&,F}=750AZ

則：dN(4x490/萬x120產(chǎn)

=2.28<18

滿足實際設(shè)計要求。

3、缸筒壁厚設(shè)計

缸筒直接承受壓縮空液壓力，必需有一定厚度。通常液壓缸缸筒壁厚和內(nèi)徑之比小于或等

于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式計算：

^=DPp/2[a]

式中:6-缸筒壁厚，mm

D-液壓缸內(nèi)徑，mm

匕-試驗壓力，取尸〃=1.5P,Pa

材料為:ZL3,[b]=3MPa

代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為：

6=DPp/2[cy]

=65X6XI05/(2X3X106)

=6.5(〃〃〃)

取3=7.5mm，則缸筒外徑為:D,=65+7.5x2=80（即）

第四章手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1手腕自由度

手腕是連接手部和手臂部件，它作用是調(diào)整或改變工件方位，所以它含有獨立自由度，

以使機械手適應(yīng)復(fù)雜動作要求。手腕自由度選擇和機械手通用性、加工工藝要求、工件放置

方位和定位精度等很多原因相關(guān).因為本機械手抓取工件是水平放置，同時考慮到通用性，

所以給手腕設(shè)一繞X軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作要求現(xiàn)在實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)，應(yīng)用最多

為回轉(zhuǎn)油（氣）缸，所以我們選擇回轉(zhuǎn)液壓缸。它結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于360°,而且要求

嚴(yán)格密封。

4.2手腕驅(qū)動力矩計算

4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需驅(qū)動力矩

手腕回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時驅(qū)動力矩必需克服手腕起動

時所產(chǎn)生慣性力矩，手腕轉(zhuǎn)動軸和支承孔處摩擦阻力矩，動片和缸徑、定片、端蓋等處密封

裝置摩擦阻力矩和因為轉(zhuǎn)動件中心和轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生偏重力矩.圖4T所表示為手腕受

力示意圖。

1.工件2.手部3.手腕

圖4T手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài)

手腕轉(zhuǎn)動時所需驅(qū)動力矩可成下式計算：

%="慣+M偏摩+M封

式中：M驟-驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動驅(qū)動力矩（N?c5）；

M慣-慣性力矩（N?C7%）;

M偏-參與轉(zhuǎn)動零部件重量（包含工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生偏重力

矩（Mcm）.

M封一手腕回轉(zhuǎn)缸動片和定片、缸徑、端蓋等處密封裝置摩擦阻力

矩（Mem）;

下面以圖4T所表示手腕受力情況，分析各阻力矩計算：

1、手腕加速運動時所產(chǎn)生慣性力矩M悅

若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時角速度為切，起動過程所用時間為加，則:

M慣="+J*(N.cm)

式中：./-參與手腕轉(zhuǎn)動部件對轉(zhuǎn)動軸線轉(zhuǎn)動慣量(N.C〃?『)；

J}-工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線轉(zhuǎn)動慣量(N.cm.V)。

若工件中心和轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量，為：

式中：jc-工件對過重心軸線轉(zhuǎn)動慣量(N.C"?』)：

G-工件重量(N)；

q-工件重心到轉(zhuǎn)動軸線偏心距(cm),

①-手腕轉(zhuǎn)動時角速度(弧度/s);

\t~起動過程所需時間(s);

△夕一起動過程所轉(zhuǎn)過角度(弧度)。

2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件偏重友轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生偏重力矩M偏

A/偏=G?+G3e3(N-cm)

式中：G3-手腕轉(zhuǎn)動件重量(N);

g-手腕轉(zhuǎn)動件重心到轉(zhuǎn)動軸線偏心距(cm)

當(dāng)工件重心和手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則G?=0.

3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處摩擦阻力矩股封

M封=4(R/2+%4)(

式中：4,d2-轉(zhuǎn)動軸粕頸直徑(cm);

/-摩擦系數(shù)，對于滾動軸承/=0.01,對于滑動軸承/=0.1；

RA，RB-處支承反力(N),可按手腕轉(zhuǎn)動軸受力分析求解，

依據(jù)￡%(尸)=0,得：

RR!+G3I3=G、【->+GJ

G+GlG

R=J\22-^

B~I

同理，依據(jù)ZM/F)=O,得：

R_G(/+G+G2(/+/2)+G3(//3)

4_/

式中：G2-重量(N)

IJiL,h，—圖4T所表示長度尺寸(cm).

4、轉(zhuǎn)缸動片和缸徑、定片、端蓋等處密封裝置摩擦阻力矩M封，和選擇密襯裝置類型相關(guān)，

應(yīng)依據(jù)具體情況加以分析。

4.2.2回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動力矩計算

在機械手手腕回轉(zhuǎn)運動中所采取回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)液壓缸，它原理圖4-2所表示，定片

1和缸體2固連，動片3和回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當(dāng)壓縮氣體從孔a進入時,

推進輸出軸作逆時4回轉(zhuǎn)，則低壓腔氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉液

壓缸壓力P驅(qū)動力矩M關(guān)系為：

2Mpb(R?-/)

M=

22

b(R-r)或

式中+回轉(zhuǎn)液壓￡的蛔）力（1??）

廣回轉(zhuǎn)液畫的工作壓力（H?c.）

R缸體內(nèi)壁半徑（?）

L給出軸半徑（?）

b■動片寬度（?）

上城必動力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓總背壓為零的情況下而言的-若低

小腔有一定的背壓.則上式中的P應(yīng)代以工作壓力P.與背壓P,之叁.

4.2.3手腕回轉(zhuǎn)缸尺寸及其校核

1.尺寸設(shè)計

液壓缸長度設(shè)計為Z?=100〃〃〃,液壓缸內(nèi)徑為0=96【】叫半徑R=48〃⑼，軸徑

&=26〃"〃D2=26mm,半徑火=13〃〃〃，液壓缸運行角速度0=90°/s,加速度時間4=0.Is,

壓強P=0.4MPa,

則力矩：

2

0.4x106u0.1(0.0482-0.0262)

一2

=32.6(N."z)

2.尺寸校核

(1)測定參與手腕轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量叫=10必，分析部件質(zhì)量分布情況,

質(zhì)量密度等效分布在一個半經(jīng)r=5O〃7Z圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：

*

J-

2

lOxQ.052

=0.0125(kg.m2)

工件質(zhì)量為5/g,質(zhì)量分布于長/=100〃"72棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量；

ml2

J

c012

5x0.12

__112-

=0.0042(^.m2)

假如工件中心和轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長/=100〃?〃2棒料來說，最大偏心距

150〃〃〃,其轉(zhuǎn)動慣量為：

J=Jc+犯6；

=0.0042+5x0.052

二().()167伏&62)

M慍二("4琮

=(0.0125+0.0167)言

=26.3(M〃?)

(2)手腕轉(zhuǎn)動件和工件偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心

和轉(zhuǎn)動軸線重合，修=0,夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線6二50如〃，貝I」：

%=+6363

=10x10x0+5x10x0.05

=2.5(N.m)

(3)手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處摩擦阻力矩為M摩，對于滾動軸承/=0.01,對于滑動軸承/=0.1,

4,為手腕轉(zhuǎn)動軸軸頸直徑，4=30皿〃，出=20〃"〃，&，時為軸頸處支承反力，粗

略估量%=300N,RB=1507V,

“摩=彳(&d2+七4)

=號(300X0.02+150X0.03)

=0.05(N〃)

4.回轉(zhuǎn)缸動片和缸徑、定片、端蓋等處密封裝置摩擦阻力矩M封，和選擇密襯裝置類型相關(guān),

應(yīng)依據(jù)具體情況加以分析。在此處估量M封為M摩3倍，

M封=3xM摩

=3x0.05

=0.15(N.M

M驅(qū)="慣+M偏+M摩+M的

=26.3+2.5+0.()5+().15

=29(N.m)

M.￡M

設(shè)計尺寸符合使用要求，安全。

第五章手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)液壓缸尺寸設(shè)計和校核

5.1手臂伸縮液壓缸尺寸設(shè)計和校核

5.1.1手臂伸縮液壓缸尺寸設(shè)計

手臂伸縮液壓缸采取煙臺液壓元件廠生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸，參看此企業(yè)生產(chǎn)多種型號結(jié)構(gòu)特

點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計實際要求，液壓缸用CTA型液壓缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為。100/63,

相關(guān)此液壓缸資料詳情請參看煙臺液壓元件廠企業(yè)主頁：

.cn/products.asp.

5.1.2尺寸校核

1.在校核尺寸時，只需校核液壓缸內(nèi)徑半徑R=31.5mm液壓缸尺寸滿足使用要求即

可，設(shè)計使用壓強2=0.4A/Pa,

則驅(qū)動力：

F=P力R?

=0.4X106X3.14X0.03152

=1246(N)

2.測定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計加速度。=10(〃?/s),則慣性力:

F}=nia

=50x10

=500(N)

3.考慮活塞等摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù)2=0.2,

『k耳

=0.2x500

=100(N)

總、受力F。=F、+%

=500+100

=600(?/)

所以標(biāo)準(zhǔn)CTA液壓缸尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求。

5.1.3導(dǎo)向裝置

液壓驅(qū)動機械手臂在進行伸縮運動時，為了預(yù)防手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以確保手指正確方向,

并使活塞桿不受較大彎曲力矩作用，以增加手臂剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采取導(dǎo)向裝

置。具體安裝形式應(yīng)該依據(jù)本設(shè)計具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等原因來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計

和布局上應(yīng)該盡可能降低運動部件重量和降低對回轉(zhuǎn)中心慣量。

導(dǎo)向桿現(xiàn)在常采取裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計中才用單導(dǎo)向桿

來增加手臂剛性和導(dǎo)向性。

5.1.4平衡裝置

在本設(shè)計中，為了使手臂兩端能夠盡可能靠近重力矩平衡狀態(tài)，降低手抓一側(cè)重力矩對

性能影響，故在手臂伸縮液壓缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放祛碼，祛碼塊質(zhì)量依據(jù)抓取

物體重量和液壓缸運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)整，務(wù)求使兩端盡可能靠近平衡。

5.2手臂升降液壓缸尺寸設(shè)計和校核

5.2.1尺寸設(shè)計

液壓缸運行長度設(shè)計為/=液壓缸內(nèi)徑為。尸110mm,半徑R=55uim,液壓缸運行速度，

加速度時間Az=0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅(qū)動力:

2

Go=p.7rR

=0.4x1()6x3.14x0.0552

=3799(N)

5.2.2尺寸校核

1.測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力:

G=mg

=80x10

=800(N)

2.設(shè)計加速度。=5(〃?/s),則慣性力：

G]=ma

=80x5

=400(N)

3.考慮活塞等摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)4=0.1,

=k.G\

=0.1x400

=40(N)

???總受力G,/=G+G1+G,”

=8004-400+40

=1240(/V)

Gq<G。

所以設(shè)計尺寸符合實際使用要求。

5.3手臂回轉(zhuǎn)液壓缸尺寸設(shè)計和校核

5.3.1尺寸設(shè)計

液壓缸長度設(shè)計為〃=12()〃〃〃，液壓缸內(nèi)徑為A=210〃〃〃，半徑R=105mm,軸徑

S

D2=40〃〃〃半徑R=20〃〃〃，液壓缸運行角速度0=90°/,加速度時間△1二().5s,壓強

P=0.4MPa,

pb(R2-r2)

則力矩：M-

2

0.4x106x0.12(0.1052-0.0202)

2

=255(N.m)

5.3.2尺寸校核

1.測定參與手臂轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量叫=120心，分析部件質(zhì)量分布情況,

質(zhì)量密度等效分布在一個半徑一=200〃〃圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量:

2

120x0.10

=0.6(kg.m2)

M憤=J

」90

=0.6x——

0.5

=1()8(N.M

考慮軸承，油封之間摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)2=0.2,

M摩慣

=0.2x108

=5.4(N.加

總驅(qū)動力矩:

M強=加慣+”擘

=108+5.4

=113.4(N.M

第六章氣動系統(tǒng)設(shè)計

6.1氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖附PW7]

圖6—1所示為該機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓

縮機（排氣壓力大于0?4?0.6MPa）通過快換接頭進入儲氣罐，經(jīng)分水過濾淵、

調(diào)壓閥、油霧器，進入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。

手指央宗氣缸手臂加

田6—1機械孑氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖

Fig.6-1PrincipiunDiagramOfAirPressureSystemofManipulator

表6-1氣路元件表

序號型號規(guī)格名稱數(shù)量

1QF-44手動截止閥1

2儲氣缸2

3QSL-26-Sj分水濾氣器1

4QTY-20-S,減壓閥1

5QIU-20-Sj油霧巖1

6YJ-1壓力繼電器1

-32-

724DH-10-S1二位五通電磁滑閥1

824D2H-10-S1二位五通電磁滑閥4

924D2H-15-S1二位五通電磁滑閥1

10單向節(jié)流閥2

11LI-25單向節(jié)流閥2

12快速排氣閥2

13氣液轉(zhuǎn)換器1

各通行機構(gòu)調(diào)速，通常能采取排氣口節(jié)流方法，全部在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘

進行調(diào)整，這種方法特點是結(jié)構(gòu)簡單效果好。如平臂伸縮液壓缸在靠近液壓缸處安裝兩個快

速排氣閥，可加緊開啟速度，也可調(diào)整全程速度。升降液壓缸采取氣節(jié)流單向節(jié)流閥以調(diào)整

手臂上升速度，因為手臂靠自重下降，其速度調(diào)整仍采取在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘

來完成。氣液傳送器液壓缸排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器背壓大小U

為簡化氣路，降低電磁閥數(shù)量，各工作液壓缸緩沖均采取液壓緩沖器，這么能夠省去電

磁閥和切換節(jié)流閥或行程節(jié)流閥氣路阻尼元件。

電磁閥通徑，是依據(jù)各工作液壓缸尺寸，行程，速度計算出所需壓縮空氣流量，和選擇

電磁閥在壓力狀態(tài)下公稱使用流量相適應(yīng)來確定。

第七章機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

考慮到機械手通用性，同時使用點位控制，所以我們采取可編程序控制器(PLC)對機械

手進行控制.當(dāng)機械手動作步驟改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，很方便快捷。

7.1可編程序控制器選擇及工作過程

7.1.1可編程序控制器選擇

現(xiàn)在，國際上生產(chǎn)可編程序控制器廠家很多，如E本三菱企業(yè)F系列PC,德國西門子企業(yè)

SZMATTCN5系列PC、日本OMRON(立石)企業(yè)C型、P型PC等?？紤]到本機械手輸入輸出點不多，

工作步驟較簡單，同時考慮到制造成本，所以在此次設(shè)計中選擇了OMRON企業(yè)C28P型可編程序

控制器。

7.1.2可編程序控制器工作過程

可編程序控制器是經(jīng)過實施用戶程序來完成多種不一樣控制任務(wù)。為此采取了循環(huán)掃描

工作方法。具體工作過程可分為四個階段。

第一階段是初始化處理。

可編程序控制器輸入端了?不是直接和主機相連,CPU對輸入輸HI狀態(tài)問詢是針對輸入輸出

狀態(tài)暫存部而言。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/O狀態(tài)表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)

信息存放區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息存放器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息存放器叫輸

出狀態(tài)暫存器。開機時，CPU首先使I/O狀態(tài)表清零，然后進行自診療。當(dāng)確定其硬件工作正

常后，進入下一階段。

第二階段是處理輸入信號階段。

在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進行掃描，洛取得各個輸入端子狀態(tài)信息送到I/O

狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個輸入點狀態(tài)在I/O狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到

各個輸入端子信號改變影響，所以不能造成運算結(jié)果混亂，確保了本周期內(nèi)用戶程序正確實

施。

第三階段是程序處理階段。

當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進入I/O狀態(tài)表后，CPU工作進入到第三個階段。在這個階段中，可

編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并依據(jù)各I/O狀態(tài)和相關(guān)指令進行運算和處理，最終

將結(jié)果寫入I/O狀態(tài)表輸出狀態(tài)暫存器中。

第四階段是輸出處理階段。

CPU對用戶程序已掃描處理完成，并將運算結(jié)果寫入到I/O狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將

輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)

備進行多種對應(yīng)動作。然后，CPU又返回實施下一個循環(huán)掃描周期。

7.2可編程序控制器使用步驟

在可編程序控制器和被控對象(機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程)組成一個自動控制系統(tǒng)時，通常

以七個步驟進行：

(1)系統(tǒng)設(shè)計

即確定被控對象T作原理，控制要求,動作及動作次序c

(2)I/O分配

即確定哪些信號是送到可編程序控制器，并分配給對應(yīng)輸入端號;哪些信號是由可編程序

控制器送到被控對象，并分配對應(yīng)輸出端號.另外，對用到可編程序控制器內(nèi)部計數(shù)器、定時

器等也要進行分配?？删幊绦蚩刂破魇墙?jīng)過編號來識別信號。

(3)畫梯形圖

它和繼電器控制邏輯梯形圖概念相同，表示了系統(tǒng)中全部動作相互關(guān)系。假如使用圖形

編程器(LCD或CRT),則畫出梯形圖相當(dāng)于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制

器。對簡易編程器，則往往要經(jīng)過下一步助記符程序轉(zhuǎn)換過程。

(4)助記符機器程序

相當(dāng)于微機助記符程序，是面向機器(即不一樣廠家可編程序控制器，助記符指令形式

不一樣)，用簡易編程器時，應(yīng)將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序，才能將其輸入到可編程序控制

器中。

(5)編制程序

即檢驗程序中每條語法錯誤，若有則修改。這項二作在編程器上進行。

(6)調(diào)試程序

即檢驗程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求，能夠在編程器上修改。程序設(shè)計(包

含畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調(diào)試)也可在別工具上進行。如IBM-PC機，只要這個

機器配有對應(yīng)軟件。

(7)保留程序

調(diào)試經(jīng)過程序，能夠固化在EPROM中或保留在磁盤上備用。

7.3機械手可編程序控制器控制方案

7.3.1控制系統(tǒng)工作原理及控制要求

1.控制對象為圓柱座標(biāo)液壓機械手。它手臂含有三個自由度，即水平方向伸、縮;豎直方

向上、下;繞豎直軸順時針方向旋轉(zhuǎn)及逆時針方向旋轉(zhuǎn)。另外，其末端實施裝置一機械手，

還可完成抓、放功效。以上各動作均采取液壓方法驅(qū)動，即用五個二位五通電磁閥(每個閥有

兩個線圈，對應(yīng)兩個相反動作)分別控制五個液壓缸，使機械手完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)及

機械手抓放動作C其中旋轉(zhuǎn)運動用一組齒輪齒條.使液壓缸直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動C這么，

可用PLC8個輸出端和電磁閥8個線圈相連，經(jīng)過編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵，從而

使機械手按預(yù)先安排動作序列工作.假如欲改變機械手動作，不需改變接線，只需將程序中動

作代碼及次序稍加修改即可。另外，除抓放外，其它六個動作末端均放置一限位開關(guān)，以檢

測動作是否到位，假如某動作沒有到位，則犯錯指示燈亮。

2.控制要求

為了滿足生產(chǎn)需要，機械手應(yīng)設(shè)置手動工作方法、單動工作方法和自動工作方法°

（1）手動工作方法

便于對設(shè)備進行調(diào)整和檢修，設(shè)置手動工作方法。用按鈕對機械手每一動作單獨進行控

制。

（2）單動工作方法

從原點開始，根據(jù)自動工作循環(huán)步序，每按下一次起動按鈕，機械手完成一步工作后，

自動停止。

（3）自動工作方法

按下起動按鈕，機械手從原點開始，按工序自動反復(fù)連續(xù)工作，直到按下停上按鈕，機

械手在完成最終一個周期動作后，返回原點自動停機。

7.3.2液壓機械手工作步驟（圖77所表示）

液壓機械手T作步驟以下：

（1）當(dāng)按下機械手開啟按鈕以后，首先立柱右轉(zhuǎn)電磁閥通電，機械手右轉(zhuǎn)，至右限

位開關(guān)動作。

（2）立柱上升電磁閥通電，立柱上升，至上限位開關(guān)動作。

（3）手臂伸長電磁閥通電，手臂開始伸長，至限位開關(guān)動作。

（4）手腕逆時針轉(zhuǎn)電磁閥通電，手腕逆時針轉(zhuǎn)動，至逆時針轉(zhuǎn)限位開關(guān)動作。

（5）立柱下降電磁閥通電，立柱下降，至下限位開關(guān)動作。

（6）手爪抓緊電磁閥通電，手爪抓緊，至限位開關(guān)動作。

（7）立柱上升電磁閥通電，立柱上升，至上限位開關(guān)動作。

（8）手腕逆時針轉(zhuǎn)電磁閥通電，手腕逆時針轉(zhuǎn)動，至逆時針轉(zhuǎn)限位開關(guān)動作。

（9）手腕收縮電磁閥通電，手腕收縮，至限位開關(guān)動作。

（10）立柱左轉(zhuǎn)電磁閥通電，機械手左轉(zhuǎn)，至左限位開關(guān)動作。

(11)手臂伸長電磁閥通電，手臂開始伸長，至限位開關(guān)動作。

(12)手腕逆時針轉(zhuǎn)電磁閥通電，手腕逆時針轉(zhuǎn)動，至逆時針轉(zhuǎn)限位開關(guān)動作。

(13)立柱下降電磁閥通電，立柱下降，至下限位開關(guān)動作。

(14)手爪松開電磁閥通電，手爪松開，至限位開關(guān)動作。

(15)手腕收縮電磁閥通電，手腕收縮，至限位開關(guān)動作。完成一次循環(huán)，然后反復(fù)

以上循環(huán)動作。

(16)按下停止按鈕或停電時，機械手停止在現(xiàn)行工步上，重新開啟時，機械手按上

一工步繼續(xù)工作。

圖7-1機械手自動控制工作步驟框圖

7.3.3I/O分配

依據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點數(shù)目，選擇OMRONC28P型PC,它有16個輸入點，

標(biāo)號為0000-0015;12個輸H點,標(biāo)號為0500-0511.如表7-1所表示。

表7-1I/O分配

輸入輸出

手臂左轉(zhuǎn)

啟動0000

0500

手臂后轉(zhuǎn)

停止0001

0501

手臂伸長

手爪抓緊0002

0502

手臂收縮

左轉(zhuǎn)限位開關(guān)0003

0503

手看上升

右轉(zhuǎn)限位開關(guān)0004

0504

手臂下降

伸長限位開關(guān)0005

0505

手也逆轉(zhuǎn)

收縮限位開關(guān)0006

0506

手艇順轉(zhuǎn)

上升限位開關(guān)0007

0507_____

手爪抓麻

下降限位開關(guān)0008

0508

左轉(zhuǎn)限位開關(guān)手爪放松

0009

050?

頓轉(zhuǎn)限位開關(guān)0010

物品檢測—0011

其它地址分配：

1、夾緊定時器:T1,定時5s2、放松定時器:T2,定時5s3、自動方法標(biāo)志:M0.0

4、單動方法標(biāo)志:MO.15、手動方法標(biāo)志:M0.26、結(jié)束標(biāo)志:M0.5

7.3.4梯形圖設(shè)計

依據(jù)機械手邏輯時序圖及1/0分配，能夠畫出控制梯形圖?？刂铺菪螆D可分為子程序部分

和主程序部分。

子程序部分包含：自動方法控制梯形圖（7-2）和手動方法控制梯形圖（7-3）o

1.自動控制方法梯形圖以下：

網(wǎng)絡(luò)1：啟動機械手下降

I10.410.611.5Q4.1ML1Q4.0

|——11----------11----------11——井——（P）-----------⑸

網(wǎng)絡(luò)2：機械手下降到位，停止下降并后動夾緊控制

IQ4.010.610.5M1.2Q4.0

I----------11----------11----------11------------------------T）――（R）

Q4.4

—（S）

網(wǎng)絡(luò)3：機械手夾緊并啟動夾緊定時器，定時5s

S5T#5s

網(wǎng)絡(luò)4：定時時間到，并且機械手沒有下降時，啟動上引

IT110.610.5Q4.0M1.3Q4.1

----------11----------11----------11——井-------（玲--------岱）

網(wǎng)絡(luò)5：機械手上升到位，停止上升并啟動右移控帶

10.610.4Q4.1

Q4.3M1.4Q4.2

-(S)

網(wǎng)絡(luò)6：機械手右移到位，停止右移并啟動下降控帶

Q4.210.410.7Q4.2

Q4.1Ml.lQ4.0

--------(P)---------(S)

網(wǎng)絡(luò)7：機械手下降到位，停止下降并啟動松開控帶

IQ4.010.710.5M1.2Q4.0

|----------11-----------11-----------11-------------------------（P）――（R）

Q4.4

—（R）

網(wǎng)絡(luò)&機械手松開并啟動松開定時器，定時5s

Q4.410.710.5Q4.1T2

一并一11——II~~牙——（SD）

S5T#5s

網(wǎng)絡(luò)9：定時時間到，并且機械手沒有下降時啟動上升控制

IT210.710.5Q4.0M1.3Q4.1

|——11——11——II升——陰——（S）

網(wǎng)絡(luò)10：機械手上升到位，停止上升并啟動左移控制

網(wǎng)絡(luò)11：機械