機械本一尚保成的畢業(yè)論文

1、摘要機械手在先進制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運貨物、分揀物品、代替人的繁重和危險勞動?？梢詫崿F(xiàn)生產(chǎn)機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身的安全，因此被廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。本文在縱觀了近年來機械手發(fā)展和應(yīng)用狀況的基礎(chǔ)上，結(jié)合機械手系統(tǒng)方面的設(shè)計，對機械手結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的分析，提出了用液壓驅(qū)動和PLC控制的設(shè)計方案。采用整體化設(shè)計思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點并進行互補優(yōu)化。對多功能機械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了分析和設(shè)計。在其驅(qū)動系統(tǒng)中采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)中選擇PLC控制單元來完成系統(tǒng)功能的初始化、機械手的移動、故障報

2、警等功能。最后設(shè)計了一種簡單、易于實現(xiàn)、理論意義明確的多功能機械手。通過以上部分的工作，得出了經(jīng)濟型、實用型、高可靠型多功能機械手的設(shè)計方案，對其他的設(shè)計也有一定的借鑒價值。關(guān)鍵詞：機械手；液壓控制；可編程控制器（PLC）；自動化控制；仿真設(shè)計。ABSTRACT Manipulator plays an extremely important role in the field of advanced manufacturing. It can carry goods, sort materials and do heavy works instead of the human being.

3、It also can realize mechanization and automation of the production, do the jobs in harmful environment to protect the personal safety. So it is widely used in metallurgy, machinery manufacturing, electronics, light industry and atomic energy etc.In this paper,by reviewing the developmental status of

4、 the manipulator in recent years, combining the design of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, We proposed the design scheme that the manipulator was driven by the hydraulic and the system was controlled by PLC. Integrative idea was adopted in this design to fully cons

5、ider the characteristics of the software and hardware and complementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the manipulator. We used hydraulic en in the driving system, PLC control unit in the control sy

6、stem to complete initialization of the system, manipulator's moving, failure alarm and so on. Finally we design a simple, easy to implement and theoretical meaning of multifunctional manipulator. Through the work above, a practical, economical, high-reliability sorting material manipulator was d

7、esigned, which also had certain reference value for the other types of economical PLC control system design. Key words: manipulator ;The hydraulic control;programmable logic controller (PLC); automatic conto;The simulation design.目錄第1章 前言11.1研究的目的及意義11.2機械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11.3機械手的組成和分類21.3.1機械手的組成21.3.2機

8、械手的分類41.4主要研究的內(nèi)容51.4.1仿真機械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇51.4.2仿真機械手驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇61.4.3仿真機械手的零部件設(shè)計61.5解決的關(guān)鍵問題6第2章 機械手的設(shè)計方案72.1機械手的坐標型式與自由度72.2機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計72.3機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計72.4機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計82.5機械手的驅(qū)動方案設(shè)計82.6機械手的控制方案設(shè)計82.7機械手的主要參數(shù)82.8機械手的技術(shù)參數(shù)列表9第3章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計103.1手指的形狀和分類103.2設(shè)計時考慮的幾個問題103.3手部夾緊缸液壓的設(shè)計113.3.1手部驅(qū)動力計算113.3.2液壓缸的直徑12

9、第4章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計154.1手腕的自由度154.2手腕的驅(qū)動力矩的計算15第5章 機械手升降臂設(shè)計185.1升降臂設(shè)計參數(shù)要求185.2運動方案185.3設(shè)計內(nèi)容185.3.1動力系統(tǒng)的選擇計算185.3.2執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定195.3.3升降臂導軌的設(shè)計與計算21第6章 液壓系統(tǒng)266.1液壓工作原理圖266.2液壓系統(tǒng)工作原理276.3油泵的選擇計算306.3.1流量計算306.3.2油泵電機的選擇316.3.3液壓系統(tǒng)性能驗算32第7章 PLC控制系統(tǒng)337.1 F1系列PLC的組成與性能簡介337.2基本單元和擴展單元337.3器件功能及編號347.4 PLC的輸入輸出分配圖35

10、7.5步進指令、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖及步進梯形圖367.6 關(guān)于步進指令的使用說明15427.7 PLC計的幾點說明43第8章 結(jié)論44參考文獻45致 謝46附錄47第1章 前言1.1研究的目的及意義 機械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時需要，可以大量代替單調(diào)往復的或高精度的需求的工作，在先進制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運貨物、分揀物品、代替人的繁重和危險勞動?？梢詫崿F(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護人身的安全，可以廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門?？删幊炭刂破?PLC)是以中央處理器為核心，綜合了計算機和自動控制等先進技術(shù)，具有可靠性高

11、、功能完善、組合靈活、編程簡單、操作性高、功耗低等優(yōu)點，已成為目前在機械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。使用PLC自動控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動作精度高等優(yōu)點。推廣機械手的應(yīng)用，本課題試圖開發(fā)基于pl c的多功能仿真機械手，并借助必要的精密傳感器和液壓驅(qū)動系統(tǒng)，使其能夠完成各種抓舉動作，動作靈活多樣，適用于各種行業(yè)和多種動作任務(wù)，廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)線。采用PLC控制，是一種預先設(shè)定的程序完成各種既定的任務(wù)的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行單調(diào)持久的作業(yè)，并能在各種不同的工作環(huán)境完成不同的任務(wù)。甚至進入家庭或服務(wù)也代替人手完成一些家務(wù)。1.2機械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展

12、趨勢機械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、下料和搬運。機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造、金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大1。目前，國際上的機械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、松下、FANLUC、不二越、川崎等公

13、司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奧地利的工GM等公司。我國機械手起步于20世紀70年代初，經(jīng)過40多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的應(yīng)用化期,00年高速發(fā)展期。在我國，機械手市場份額大部分被國外機械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強手面前，國內(nèi)的機械手企業(yè)面臨著很大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國”向“生產(chǎn)強國”邁進，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，對我國工業(yè)自動化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會加大對機器人的資金投入和政策支持，將會給機械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新動力。隨著機械手發(fā)展的深度和廣度以及機器人

14、智能水平的提高，機械手已在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)用于維護維修的機器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)等領(lǐng)域機械手的應(yīng)用也越來越多2。在未來幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用在機械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會使機械手的應(yīng)用更為高效率、運行成本低。今后機器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災、海洋開發(fā)、機器維修、交通運輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。1.3機械手的組成和分類1.3.1機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖2-1

15、所示。機械手組成方框圖：2-1執(zhí)行機構(gòu)：包括手部、手腕、手臂等部件。 手部：即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)外加吸附式結(jié)構(gòu)輔助。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的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，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑的變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的、曲面的:手指有外夾式和內(nèi)

16、撐式;指數(shù)有雙指式、多指式。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生的夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多時常用: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。手腕：是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢) 手臂：手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物 件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu))與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 機座：機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故

17、起支撐固定和連接的作用。驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)：控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。1.3.2機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題

18、，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。按用途分：機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種。專用機械手：它是附屬于主機、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和加工中心。通用機械手：它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化

19、的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制，伺服型可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)的定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型3。按驅(qū)動方式分：液壓傳動機械手：是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要的特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下的工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡的控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度較高，油液過濾要求嚴格，成本高。氣壓傳動機械

20、手：以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)來源極為方便， 輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。電力傳動機械手：即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。機械傳動機械手：即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、

21、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。按控制方式分：點位控制：它的運動為空間 點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù) 多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè) 機械手均屬于此類5。連續(xù)軌跡控制：它的運動軌跡為空間的任 意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定 點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn) 平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計 算機進行控制。1

22、.4主要研究的內(nèi)容隨著機械手技術(shù)的飛速發(fā)展和機械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可實用性強。本論文主要設(shè)計仿真機械手以下幾個方面的內(nèi)容：仿真機械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動部件與機械構(gòu)件組成，是機械手賴以實現(xiàn)各種運動的實體。主要包括機身、手臂、末端執(zhí)行器3部分組成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。執(zhí)行系統(tǒng)的選擇主要是對機械手的手部、手臂。仿真機械手驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動力的裝置。通過對液壓、氣壓、電氣三種驅(qū)動方式的比較，本設(shè)計選擇液壓驅(qū)動的方式。內(nèi)容包括液壓元件的選擇及其工作原理、液壓回路的設(shè)計

23、和液壓原理圖的繪制。仿真機械手的零部件設(shè)計機械手的零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，精度要求，都關(guān)系著機械手的適用范圍和壽命，本機械手的零部件的設(shè)計主要包括：抓指的外形設(shè)計，液壓執(zhí)行元件的設(shè)計，支撐桿的設(shè)計等。1.5解決的關(guān)鍵問題解決機械手機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題，要求機械手結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟、功能性強、適用范圍廣、具有一定的代表性。執(zhí)行部件的運動精度的問題。機械手的控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的電路和控制程序，并解決工件和控制 系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。機械手零部件材料的選擇的問題。第2章 機械手的設(shè)計方案2.1機械手的坐標型式與自由度按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關(guān)節(jié)式。

24、由于本機械手是多功能機械手，在工作時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標型式。相應(yīng)的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動的行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。圖2-1 機械手的運動示意圖2.2機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成復合式結(jié)構(gòu)，機械手有四個抓，在手腕上90度均勻分布，每個抓尖和手腕中央有負氣流吸盤和壓力感應(yīng)器，可以控制每個抓的抓握度。能夠適用抓取各種形狀和材質(zhì)的物料。2.3機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計考慮到機械手設(shè)計的簡單性，因此假設(shè)物料和手腕在同一軸線上，所以手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因

25、此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)單葉液壓缸。2.4機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由液壓缸來實現(xiàn)。2.5機械手的驅(qū)動方案設(shè)計抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏因此本機械手采用液壓傳動方式。2.6機械手的控制方案設(shè)計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。2.7機械手的主要參數(shù)

26、機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用液壓方式驅(qū)動，因此負重范圍大，查閱相關(guān)機械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為50公斤?；緟?shù)運動速度是機械手主要的參數(shù)。操作節(jié)拍是對機械手速度的要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍10。從而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動的速度設(shè)計為。最大回轉(zhuǎn)的速度設(shè)計為。平均移動的速度為。平均回轉(zhuǎn)的速度為。機械手動作時有啟動、停止過程，加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有

27、工作半徑。大部分機械手設(shè)計成相當于人工坐著或站著的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為2000mm,最大工作半徑約為3400mm。手臂升降行程定為1200mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為。2.8機械手的技術(shù)參數(shù)列表用途：多種場合的應(yīng)用設(shè)計技術(shù)參數(shù)：抓重:20kg 自由度數(shù)：4個自由度坐標型式：圓柱坐標最大工作半徑：3400mm手臂最大中心高：2600mm手臂運動參數(shù)：伸縮行程2000mm伸縮速度1000mm升降行程1200mm升降速度回轉(zhuǎn)范圍0-160 回轉(zhuǎn)速度 手腕運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍 0-160回轉(zhuǎn)速度

28、手指夾持范圍：600mm定位方式：行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊等定位精度：驅(qū)動方式：液壓傳動第3章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成復合式結(jié)構(gòu)，機械手有四個抓，在手腕上90度均勻分布，每個抓尖和手腕中央有負氣流吸盤和壓力感應(yīng)器，可以控制每個抓的抓握度。能夠適用抓取各種形狀和材質(zhì)的物料。3.1手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指動作，手指分為一支點回轉(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)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點距離縮小到

29、無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復雜龐大11。3.2設(shè)計時考慮的幾個問題具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件的重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生慣性力和振動，保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進入或著脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑工件考慮。保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，

30、選擇相應(yīng)的手指形狀。具有足夠的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)生慣性力和振動的影響，要求有足夠強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳?？紤]被抓取對象的要求根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是設(shè)計成復合式結(jié)構(gòu)，機械手有四個抓，在手腕上90度均勻分布，每個抓尖和手腕中央有負氣流吸盤和壓力感應(yīng)器，可以控制每個抓的抓握度。能夠適用抓取各種形狀和材質(zhì)的物料, 其結(jié)構(gòu)如附圖所示。本課題液壓驅(qū)動機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示， 圖3-2 手部3.3手部夾緊缸液壓的設(shè)計

31、手部驅(qū)動力計算其工件重量G=50公斤，手指的角度a=90度，,摩擦系數(shù)為(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:所以(3)實際驅(qū)動力:I,因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則:所以 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。3.3.2液壓缸的直徑本液壓缸屬于單向作用液壓缸。根據(jù)力平衡原理2，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服活塞桿工作時的總阻力14，其公式為:式中: - 活塞桿上的推力，N；- 液壓缸工作時的總阻力，N- 液壓缸工作壓力，Pa在設(shè)計中，必須考慮負載率的影響，則:由以上分析得單向作用液壓缸的直徑:

32、代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以:查有關(guān)手冊圓整3，得由,可得活塞桿直徑:圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式有: 其中，則:滿足實際設(shè)計要求。缸筒直接承受壓縮液壓液壓力，必須有一定厚度。一般液壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:式中:6- 缸筒壁厚，mm；- 液壓缸內(nèi)徑，mm；- 實驗壓力，取, Pa材料為:ZL3,=3MPa：代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:取，則缸筒外徑為: 液壓缸三視圖第4章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮到機械手設(shè)計的簡單性，因此假設(shè)物料和手腕在同一軸線上，所以手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸。4.1手

33、腕的自由度手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變手指的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應(yīng)復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機械手抓取的工件是假設(shè)物料和手腕在同一軸線上，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)液壓缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴格的密封。4.2手腕的驅(qū)動力矩的計算手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩手腕的回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔

34、處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩4。圖4-1所示為液壓缸的示意圖。手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動的力矩可按下式計算: 3式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩();- 慣性力矩()； - 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩().； - 手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩()；分析各阻力矩的計算：手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M若手腕的起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則： 6式中：- 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量;

35、 - 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量為：式中： - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量；- 工件的重量(N);- 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)； - 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s);- 起動過程所需的時間(s)； 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏 + () 5 式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N);- 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)。當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則。手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 () 式中： ，- 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm)；- 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承；,- 處

36、的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解，根據(jù),得 ： 同理，根據(jù)(F),得： 式中：- 的重量(N), 如圖4-1所示的長度尺寸(cm)。轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體的情況加以分析。第5章 機械手升降臂設(shè)計5.1升降臂設(shè)計參數(shù)要求升降臂起升高度：0500mm，任意可調(diào)；單向升降運動時間：05s；升降臂與旋轉(zhuǎn)底座、伸縮臂為法蘭連接；結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮伸縮臂原位時的整機平衡；升降過程速度變化均勻，無剛性的沖擊；升降臂定位可靠、精確。5.2運動方案液壓驅(qū)動方案：采用直線油缸，考慮手臂最底工位。5.3設(shè)計內(nèi)容大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計。大臂結(jié)

37、構(gòu)強度的計算。動系統(tǒng)液壓油流量，壓力，驅(qū)動油缸的選擇。連接件及其固定件的選擇。5.3.1動力系統(tǒng)的選擇計算根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，應(yīng)采用液壓驅(qū)動方案，液壓驅(qū)動具有運動平穩(wěn)，易于控制，便于安裝安裝，調(diào)試方便等優(yōu)點7。但采用液壓驅(qū)動方案可能會使升降臂的上下尺寸加大，因此其剛度會因此而降低。液壓缸的選擇執(zhí)行元件的工況分析一般情況液壓缸承受的工作負載，導軌摩擦的負載，慣性負載，重力負載和背壓負載，工作負載。不同機器有不同的工作負載。伸縮臂及夾持器的總重量。工件的質(zhì)量m 約50kg(估計)； 夾持器的質(zhì)量 20kg(已知) ；伸縮臂的質(zhì)量 20kg(估計)； 滑臺的重量 40kg液壓缸的重量 20kg； 齒

38、條的重量 20kg其他部件的質(zhì)量40kg(估計)； 工作負載大約為F=1700。共計工作負載大約為1700。導軌摩擦負載導軌摩擦的負載是指液壓缸驅(qū)動運動部件時的導軌摩擦力，理想狀態(tài)圓柱導軌受正壓力FN0所以可以忽略不計9。慣性負載Fa由設(shè)計的任務(wù)書可知： 取0.25m/s液壓轉(zhuǎn)動教材 取0.1 =212.5N重力負載：對該項設(shè)計任務(wù)，液壓缸上升取正，反之取負。 背壓負載液壓缸回油腔背壓所造成阻力稱為背壓負載，在系統(tǒng)方案及液壓缸結(jié)構(gòu)尚未確定之前是無法計算的。5.3.2執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定5.3.2.1、初選執(zhí)行元件的工作阻力工作的壓力選的高，執(zhí)行元件和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，但對密封、強度和剛度的要求

39、高，反之，如果工作的壓力選的低，就會增及執(zhí)行元件的尺寸和質(zhì)量。根據(jù)本項目實際情況工作壓力p取2MPa。5.3.2.2執(zhí)行元件主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定需確定的結(jié)構(gòu)尺寸是指液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑d。首先受力分析由靜止起動時，液壓缸受力最大，受力分析如圖3-1所示：圖 51 液壓缸受力示意圖分析 得：取F=10000NP=2MPa,初定Pb=0（背壓）規(guī)為標準， D取80mm對工作壓力p10MPa的工況，往返速度比p取1.33對于工程用壓力缸，由鋼徑D和速度比可以查出活塞桿直徑d為75mm有說明書要求活塞桿長度應(yīng)為580mm5.3.2.3校核已知背壓Pb=0.6 MPa，受力分析如圖5-2：由受力平衡：

40、（5-2）D=80mm的液壓缸選擇合理對活塞桿的強度校核1 （5-3） 由于長徑比大于10圖 52 液壓缸校核示意圖 （5-4） 所以剛度校核滿足要求。5.3.2.4 液壓缸的選擇與安裝考慮到活塞桿與滑塊相連接，活塞桿與液壓缸較長，選用中部軸銷連接液壓缸的型號選擇5.3.3升降臂導軌的設(shè)計與計算圖 53 圓柱導軌示意圖大臂立柱按照設(shè)計要求應(yīng)是兩圓柱導軌，它與旋轉(zhuǎn)底座連接為法蘭式連接12。材料為。升降臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計對液壓傳動的方案會增加升降臂的高度，因此大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計要有利與提高其抗彎強度和剛度。為對任務(wù)方案進行改進后使用，如圖5-3結(jié)構(gòu)：選兩圓柱導軌的直徑為40mm；長為1200mm；兩端由直徑

41、為30mm的螺紋通過螺母連接到法蘭板上。5.3.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計中需注意的幾個問題及其解決方案（1）機械運動沖擊，對于本傳動方案可采用液壓方式來緩沖定位。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足產(chǎn)品適用性，通用性，升降臂行程可調(diào)，設(shè)計者采用可移動當鐵來控制行程。（3）結(jié)構(gòu)便于維護、安裝、調(diào)試。5.3.3.3升降臂大臂的強度校核升降臂的具體尺寸在圖紙上有明確表示，所以升降臂校核是基本圖紙的尺寸柱身的計算。（1）導軌的剛度校核：受力分析如下圖： 兩圓柱導軌中心線間距離為160mm 所以N/m由材料力學（I）的撓度公式 ； （5-5） 54 圓柱導軌受力分析圖 ；鋼的彈性模量為。代入公式計算得出導軌的在徑向的位移為： （5

42、-6）導軌滿足在徑向偏移量小于的要求。5.3.3.4導軌與法蘭連接處校核導軌下端與底部法蘭采取螺紋連接加螺栓連接如螺栓預圖 55 圓柱導軌底部連接示意圖緊力的校核： （5-7） 滿足螺栓強度要求。受力如右圖：彎距最大的位置在最上端，圖 56 圓柱導軌受力分析示意圖此時距離最低端的距離為。計算出最低端的受力為： （5-8） （5-9） 所以滿足設(shè)計要求。5.3.3.5校核與法蘭連接的螺栓校核螺栓所需預緊力參考機械設(shè)計2式（5-2），對碳素鋼螺栓，要求已知， （5-10）預緊力下限即：要求預緊力，小于上值，故滿足要求。確定螺栓的公稱直徑后，螺栓的類型、長度、精度以及相應(yīng)的螺母、墊片等結(jié)構(gòu)尺寸，可根

43、據(jù)底板的厚度、螺栓在側(cè)板的固定方法及防松裝置等全面考慮后定出。軸兩端為直徑20mm的螺紋，右端螺母應(yīng)選擇M20：GB39-765.3.3.6撞塊設(shè)計與行程開關(guān)的設(shè)計為了使機械手定位準確必須有定位塊，考慮到設(shè)計方案，在起導軌上加以下結(jié)構(gòu)：可調(diào)節(jié)撞塊由兩個卡片經(jīng)兩根螺栓聯(lián)接與導軌處加上羊毛氈圈用來保 護導軌表面粗糙度不被破壞，在撞塊上裝有行程開關(guān)來實現(xiàn)對液壓缸的動作信號發(fā)出，該撞塊在導軌上可實現(xiàn) 任意可調(diào)。兩螺栓的預緊力讓兩卡片卡到導軌上在停止的時候不被撞動。，停止時間為 （5-11） 卡片與導軌間摩擦力：選取二者間的摩擦系數(shù)取所以螺栓預緊力圖 57 擋鐵由機械設(shè)計螺栓聯(lián)接強度校核公式，查表5-8

44、得 （5-12） （5-13）在設(shè)計中選擇為螺栓，其長度根據(jù)安裝時擇。5.3.3.7結(jié)構(gòu)設(shè)計中需注意的幾個問題及其解決方案（1）機械運動沖擊，對于本傳動方案可以采用液壓方式來緩沖定位。（2）結(jié)構(gòu)的設(shè)計滿足產(chǎn)品的適用性，通用性，升降臂的行程可調(diào)設(shè)計者采用可移動當鐵來控制行程。（3）結(jié)構(gòu)便于維護、安裝、調(diào)試5.3.3.8升降臂的安裝導軌兩端直徑為20mm的螺紋，上端螺母選擇：GB39-76升降臂與底座相連為法蘭連接定位銷選擇：GB117-86固定液壓缸裝置；結(jié)構(gòu)如圖5-8所示：與法蘭連接處采用沉頭M6螺釘緊固圖5-8 升降缸固定裝置第6章 液壓系統(tǒng)6.1液壓工作原理圖圖 61液壓工作原理圖6.2液

45、壓系統(tǒng)工作原理根據(jù)設(shè)計要求可知該機械手是多功能仿真機械手能適用于各種場合。機械手總體設(shè)計分為機械手、伸縮臂、升降臂和底座四大部件設(shè)計及二個系統(tǒng)：PC電控系統(tǒng)與液壓控制系統(tǒng)設(shè)計。機械手安裝于伸縮臂上，伸縮臂安裝在升降臂上，升降臂安裝在底座上。連接方式均為法蘭盤螺栓連接。機械手的動作分為16步。從原位開始升降臂下降機械手夾緊升降臂上升底座快進回轉(zhuǎn)底座慢進伸縮臂伸出機械手松開伸縮臂縮回；待工作完畢后，伸縮臂伸出機械手夾緊伸縮臂縮回底座快退(回轉(zhuǎn))底座慢退升降臂下降機械手松開升降臂上升到原位停止，準備下次循環(huán)。16步動作依次為1升降臂下降：當有需要夾持物料過來時，發(fā)出信號給升降缸工作，升降臂下降到位置

46、后壓下行程開關(guān)并撞到擋鐵停下來；2機械手抓緊：行程開關(guān)接通后將電信號傳送給即夾持缸工作。當回油路壓力達到某一固定值時，壓力繼電器發(fā)出信號后，使斷電夾持缸處于夾緊狀態(tài)；3升降臂上升：斷電同時，發(fā)出信號傳給使升降缸上升到原位后壓下行程開關(guān)并撞到擋鐵停下來。4底座快速回轉(zhuǎn)：得電時將電信號送給，使回轉(zhuǎn)缸工作，底座快速回轉(zhuǎn)，5底座慢進：當其快到位時壓下行程開關(guān)并發(fā)出信號給回油經(jīng)節(jié)流閥慢速回油箱實現(xiàn)底座慢進，到位后碰到行程開關(guān)和擋鐵挺下來。6伸縮臂伸出：得電時將電信號傳送給時伸縮缸工作并伸出，當?shù)轿粫r壓下行程開關(guān)并撞到擋鐵停止運動。7機械手松開：得電時將電信號傳送給是夾持缸工作，夾持器松開。8伸縮臂縮回：

47、延時后，繼電器工作將電信號傳送給使伸縮臂縮回，到位后壓下行程開關(guān)并撞上擋鐵停下來，得電的同時將電信號傳送給使泵在先導式順序閥的作用下使泵處于卸荷狀態(tài)。同時發(fā)出信號給機床開始加工。9伸縮臂伸出：加工完成后，機床發(fā)出信號給，是伸縮臂伸出，到位時壓下，并撞上擋鐵停下來。10機械手抓緊：得電時發(fā)出電信號給使夾持缸工作，當回油路壓力達到某一固定值時，壓力繼電器發(fā)出信號后，使斷電夾持缸處于夾緊狀態(tài)；11伸縮臂縮回：當回油路壓力達到某一固定值時，壓力繼電器工作將電信號傳送給使伸縮臂縮回，到位后壓下行程開關(guān)并撞上擋鐵停下來；12底座快退：得電時將電信號送給，使回轉(zhuǎn)缸工作，底座快速回轉(zhuǎn)，13底座慢退：當其快到位

48、時壓下行程開關(guān)并發(fā)出信號給回油經(jīng)節(jié)流閥慢速回油箱實現(xiàn)底座慢進，到位后碰到行程開關(guān)和擋鐵挺下來。14升降臂下降：發(fā)出信號給升降缸工作，升降臂下降到位置后壓下行程開關(guān)并撞到擋鐵停下來；15機械手松開：得電時將電信號傳送給是夾持缸工作，機械手松開。16升降臂上升到原位停止：延時發(fā)信號給升降缸上升到原位后壓下行程開關(guān)并撞到擋鐵停下來。表6-1.液壓換向閥繼電器的輸出信號表運動情況輸入條件輸出條件YA1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA9YA10升降臂下降YA1+機械手抓緊YA5+升降臂上升YA2+底座快速右轉(zhuǎn)YA7+底座慢速右轉(zhuǎn)YA9+伸縮臂伸出YA4+機械手松開YA6+伸縮臂縮回YA3+

49、卸荷等待YA10+伸縮臂伸出YA4+機械手抓緊YA5+伸縮臂縮回YA3+底座快速左轉(zhuǎn)YA8+底座慢速左轉(zhuǎn)YA9+升降臂下降YA1+機械手松開YA6+升降臂上升YA2+6.3油泵的選擇計算根據(jù)設(shè)計工作要求，整個機構(gòu)選用YBX型限壓式葉片變量泵6.3.1流量計算根據(jù)其余各組數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下 計算得： （6-1）升降缸： ; 伸縮缸： 加緊缸： ; 回轉(zhuǎn)缸： 選擇系數(shù)1.1 （6-1） 確定泵的壓力四個液壓缸的壓力分別為升降缸： ;伸縮缸：;加緊缸：;回轉(zhuǎn)缸：液壓缸最大工作壓力： （6-2） 個液壓缸壓力最大數(shù)值;進油路總壓力損失取。泵的額定壓力為： 油泵具體型號的選定：油泵型號：YBX16技術(shù)參數(shù):排

50、量調(diào)節(jié)：0-16ml/r；額定壓力：6.3MPa；額定轉(zhuǎn)速：6001-800r/min；驅(qū)動功率：2.6KW6.3.2油泵電機的選擇有公式計算電動機功率其中：液壓泵總效率取0.85液壓系統(tǒng)總流量；泵的壓力電動機功率： （6-3） 選擇電動機型號為Y100_6型異步電動機電動機規(guī)格及參數(shù)如下：額定功率：1.5kw；電流：4A轉(zhuǎn)速：940r/min；效率：77.5%；功率因數(shù)：0.14軸管內(nèi)徑一般可以參照所接元件的接口尺寸確定，也可以按照管路允許的流速進行計算，本系統(tǒng)中油管選用181.5無縫鋼管。油箱的選擇計算油箱的容量：其中：V為油箱的有效容積 （L）；為液壓泵的流量（L/min）；m為系數(shù)，（min）低壓系統(tǒng)為2-4 min，中壓系統(tǒng)為5-7 min，中高壓系統(tǒng)和大功率系統(tǒng)為6-12 min。本系統(tǒng)選擇5-7 min。所以油箱容積為 （6-4） =（5-7）20.8 =104-145.62L6.3.3液壓系統(tǒng)性能驗算由于本液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，壓力損失驗算可以從略。有由于系統(tǒng)采用限壓式變量葉片泵，而且本系統(tǒng)功率較低，油箱體積相對較大，所以系統(tǒng)升溫的現(xiàn)象不明顯，其余元件性能滿足要求，因此本系統(tǒng)性能符合要求。第7章 PLC控制系統(tǒng)7.1 F1系列PLC的組成與性能簡介F1系列PLC屬于小低檔機，為整體式的結(jié)構(gòu)，共有三個不同的單元：即基本單元（主機）、擴展單元和特殊單元。每