多自由度机械手课程设计

1、机电一体化系统设计课程设计设计题目：内 装：1. 设计说明书2. 装配图3. 控制电路原理图4. 专业：姓名：学号：指导教师：完成日期：成 绩：福建农林大学机电工程学院机电一体化系统设计课程设计说明书设计题目：学 院：专业年级： 学 号：学生姓名：指导教师：一、机械手的概述 1.1.1 机械手的组成和分类 1.1.2 应用机械手的意义 1.二、总体方案设计 3.2.1 设计任务 3.2.2 总体方案确定 3.2.2.1 机械手基本形式的选择 3.2.2.2 机械手的主要部件及运动 3.2.2.3 驱动机构的选择 4.三、机械系统设计 5.3.1 机械手手部的设计计算 5.3.1.1 手部设计基

2、本要求 5.3.1.3 机械手手抓的设计计算 5.3.1.4.机械手手抓夹持精度的分析计算 8.3.1.5 弹簧的设计计算 9.3.2 腕部的设计计算 1.1.3.2.1 腕部设计的基本要求 1.13.2.3 腕部结构和驱动机构的选择 1.23.2.4 腕部的设计计算 1.23.3 臂部的设计及有关计算 1.53.3.1 臂部设计的基本要求 1.53.3.2 手臂的典型机构以及结构的选择 1.63.3.3 液压缸工作压力和结构的确定 1.83.4 机身的设计计算 1.9.3.4.1 机身的整体设计 1.93.4.2 机身回转机构的设计计算 2.03.4.3 机身升降机构的计算 2.23.4.4

3、 轴承的选择分析 2.5四、控制系统硬件电路设计 2.64.1 可编程序控器的简介 2.64.2 PLC的结构，种类和分类264.3 FX2n系列三菱PLC特点 304.4 接近开关传感器 2.8.4.5 I/O 接口简介 2.9.4.6 行程开关的介绍 3.0.4.6.1 行程开关的概念 3.04.6.2 行程开关的作用及原理 3.04.7 电路的总体设计 3.0.4.7.1回路的设计 3.0.4.7.2 系统输入 /输出分布表 3.14 . 7 . 3机械手的程序设计 3.34.7.4 步进电机的运行控制 3.3五、参 考 文 献3.4.、机械手的概述机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某

4、些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物 件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在 有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等 领域。随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛 应用在生产自动化的各个行业。1.1 机械手的组成和分类1.1.1 机械手的组成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具） 的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持 型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动） 、移动或复合运

5、动来实现规 定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式， 称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 23个自由度。1.1.2 机械手的分类机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属 于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序 , 以完成各项规定的操作。它的特点是具 备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的， 称为操作机。它起源于原子、军事工业，

6、先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用 无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是 用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械 手在国外称为“ Mechanical Hand,它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程 序一般是固定的，因此是专用的。在国外,目前主要是搞第一类通用机械手,国外称为机器人。本课题所做的机械手是属 于第三类机械手。1.2 应用机械手的意义随着科学技术的发展,机械手也越来越多的地被应用在各行各业中。在机械工业中,铸、 焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都

7、有应用的实理。其 他领域,如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中,应用机械手的意义可以概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的 程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件，避免人身事故在高 温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭 窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械 手即可部分或全部代 替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中， 以机械手代替人进行工作，可以避免由于操

8、作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻 人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同 时由于应用机械手可以连续 的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综 合加自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有 节 奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。、总体方案设计2.1设计任务基本要求：设计一个多自由度机械手（至少要有三个自由度）将最大重量为24Kg的工件，由车间的一条流水线搬到别一条线上；二条流水线的距离为：1000mm ；工作节拍为：40s；工件：最大直径为160mm的棒料；

9、2.2总体方案确定2.2.1机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下4种:（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）极坐标型机械手；（4）关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标，如下图所示。Hid L V 4yL J4 /J J XIs* f u J 严亠图2.4柱坐标型机器人2.2.2机械手的主要部件及运动在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有 4个自由度既：手抓张合；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降5个主要运动。本设计机械手

10、主要由 4个大部件和5个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压缸， 通过机构运动实现手抓的张合。（2）腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动 1.2m。（ 4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。2.2.3 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分 , 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于 驱动方案及其装置。 根据动力源的不同 , 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、 气动、电动 和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。三、机械系统设计3

11、.1机械手手部的设计计算3.1.1手部设计基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需 的驱动力大小是不同的。（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧 凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4）应保证手抓的夹持精度。3.1.3机械手手抓的设计计算1选择手抓的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角= 60，夹取重量为30Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件

12、的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭 合靠手指的平行移动，这种手指结构简单，适于夹持平板方料，且工件径向尺寸的变化不影 响其轴心的位置，其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指，驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选 择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从 而机械手手指张

13、开。2 手抓的力学分析F面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆图3.1 （ a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。 j(a)(b)图3.1滑槽杠杆式手部结构、受力分析1手指 2销轴 3杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F,并通过销轴中心 0点，两手指1的滑槽对销 轴的反作用力为Fi和F2,其力的方向垂直于滑槽的中心线 001和。2并指向0点，交Fi和F2的 延长线于A及Bo由 Fx =0得 f1 F2Fy =0得F1 -2cosF1F；由 Mo1 F =0 得 F；FzhcosF=bcos2Fn(3.1 )式中 a手指的回转支点到对称中心的距离（mr).工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹

14、角。由分析可知，当驱动力F 定时，角增大，则握力 Fn也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=3040 o3夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分 析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生 的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。(3.2 )手指对工件的夹紧力可按公式计算：Fn K1K2K3G式中 K1 安全系数，通常 1.2 2.0 ;k2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估K21 -其中a,a重力方向的最大上升加速度；aVmaxt响Vmax 运载时工件最大

15、上升速度t响一一系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5SK3 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。被抓取工件所受重力（N）。作用在活塞上外力（N）F液压缸工作压力 Mpa作用在活塞上外力（N）F液压缸工作压力 Mpa小于50000.8 120000300002.0 4.05000100001.5 2.030000500004.0 5.010000200002.5 3.050000以上5.0 8.0表3-1液压缸的工作压力040 ；机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力Fn和驱计算：设 a=100mm,b=50mm10 动力F和驱动液压缸的尺寸。设Ki 1.5b0.1K2 1

16、= 15=1.02a 9.8K30.5根据公式，将已知条件带入：Fn=1.5 1.02 0.5 588N 449.8N（2）根据驱动力公式得：F计算（3）取 0.85F计算卜实际（4）确定液压缸的直径 D0 cos30 2 449.8=1378N50空81621N0.852Q F实际 D 4选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力d2 pP=0.81MPa,4F实际p 1 0.524 16210.5870.8 105 0.75根据表4.1 （ JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆内径为：D=63 0.5=31.5mm,选取 d=32mm4.手抓夹持范围计算 为

17、了保证手抓张开角为 60，活塞杆运动长度为34mm手抓夹持范围，手指长100m m当手抓没有张开角的时候，根据机构设计，它的最小夹持半径0R140，当张开60时，如图3.2 （b）所示，最大夹持半径R2计算如下:R2100 tg30 40cos30903.1.4.机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好 ，并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂 部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、 小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定

18、进行机械手的夹持误差。二图3.3手抓夹持误差分析示意图 该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为 般夹持误差不超过工件的平均半径:Rep80mm200mm1mm分析如下：90 40 65mm手指长l 100mm,取 v型夹角 21200偏转角按最佳偏转角确定:cos1l sin1 60 0cos046100 sin 60计算Rol sin cos 100sin 60cos4660.15当RoRmaxRmins时带入有:22Rmax2si n2l Rmax cos sinrmaxsin2l Rmin cos sin0.678夹持误差满足设计要求。3.1.5弹簧的设计计算选择弹簧

19、是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图3.4所示,计算过程13如下。n.IL图3.4圆柱螺旋弹簧的几何参数(1).选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力800MPa(2).选择旋绕比C=8,贝 U4C 14C 40.6156(3.3)4C 14C 40.6154 810.6154 846 1J83(3).根据安装空间选择弹簧中径428(4).试算弹簧丝直径D=42mm估算弹簧丝直径5.25mmd1.6 FmaxKC(3.4 )d 1.6F MAX KC16 1621巴 8 7mmV 800 10(5).根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数:Gd8 F max CMAX(3.5 )Gd8 F MAX C6800

20、00 10MAX16210.007厂2.86选择标准为n3，弹簧的总圈数n11.53 1.54.5圈确定D 42mm7mmD1 D d 4235mmD2 D d 42 7 52mm（7）.对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了H 74避免这种现象压缩弹簧的长细比b 0 1.76，本设计弹簧是2端自由，根据下列选D 12取：当两端固定时，b 5.3,当一端固定；一端自由时，b 3.7 ；当两端自由转动时，b 2.6。结论本设计弹簧b 1.762.6，因此弹簧稳定性合适。（8）.疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作

21、的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强 度进行验算（如果变载荷的作用次数 N 103，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式:Ssca-Ssmax；Ss选取1.3 1.7 （力学性精确能高）8KDmaxmax8KD F3厂d38 1.184 0.0423.14 0.00731621 598756479结论:经过校核，弹簧适应。Sscamax800 106 pa598756479pa1.33613.2腕部的设计计算3.2.1腕部设计的基本要求（1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载

22、荷均由臂部承担。显然，腕 部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此， 在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2 ）结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足 够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3）必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太 受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太 多不利因素。323腕部结构和驱动机构的选择本设计要求手腕回转1800,综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自

23、由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。324腕部的设计计算1. 腕部设计考虑的参数0夹取工件重量30Kg ，回转180。2. 腕部的驱动力矩计算(1) 腕部的驱动力矩需要的力矩(2) 腕部回转支撑处的摩擦力矩M摩。夹取棒料直径100mm长度1000mm重量30Kg，当手部回转180时，计算 力矩：(1) 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm直径120mm其重力估算G=3.14G0.062 0.22 7800Kg； m3 9.8N Kg 190N(2) 擦力矩M摩 0.1m。(3)启动过程所转过的角度018 =0.314rad，等速转动角速度22.616s 。(

24、4.1)查取转动惯量公式有:JMR221190N2 9.8N Kg0.062N m s20.0342N m s2J工件1 G 1212 g3R2丄亜斗129.83 0.0525.0125N m s2代入:0.03425.01252.61622 0.31455N mM M 惯 M 摩 M 惯 0.1M ； M61.11N m0.93.腕部驱动力的计算表4-1液压缸的内径系列(JB826-66)( mm)2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250设定腕部的部分尺寸： 根据表4-1设缸体内空半径 R=110mn，外径根据表3-

25、2选择121mm, 这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为226mm动片宽度b=66mm输出2Mb R2 r22 61.110.0660.055 0.022527.35Mpa，选择 8Mpa轴 r=22.5mm.基本尺寸示如图 4.1 所示。则回转缸工作压力图4.1腕部液压缸剖截面结构示意表4.2标准液压缸外径(JB1068-67)( mm)径 内 缸 压 液40O5638090O10O1152401O5601801O O220钢O5O6765908112133861461O89419524PUUUUUUUU钢076508112133861461O89419524PUUUUUU

26、UU4.液压缸盖螺钉的计算工作压力p( Mpa螺钉的间距t(mm)0.51.5小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.0 10.0小于80缸盖螺钉的计算，如图 4.2所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4.3，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力(4.2)计算：液压缸工作压强为P=8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm试选择8个螺钉，D 3.14 0.1143.1780，所以选择螺钉数目合适Z=8个危险截面SR22 20.110.045420.007908875 m所以螺钉材料选择螺钉的直径7908.875N ； Fqs KFqK 1.5: 1.81.5 79

27、08.811863.3 NFqFqFq =11863.3+10545=19772NQ235,41.3 FQ04 1.3 Fq0240160MPa ( n1.54 1.3 1977263.14 160 101.2 : 2.5)0.0159m(4.4)螺钉的直径选择 d=16mm.5.动片和输出轴间的连接螺钉（1）动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位 销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。bp 22dD d M 摩FQZf8于是得fq 誥 d2 d2(4.5)D一一动片的外径；f 被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f

28、=0.151.3Fq合d12螺钉的强度条件为或带入有关数据，得d1件6)(4.7)4Zfd60.066 8 10 0 112 4 Z 0.15 0.032.0.045224627N螺钉材料选择Q235,则240n 1.2200MPa （ n 匸2： 2.5）螺钉的直径4一1.3246273.14 200 1060.012m螺钉的直径选择 d=12mm选择M12的开槽盘头螺钉。3.3臂部的设计及有关计算手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身

29、处，将在下一章叙述。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实 现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而 且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。3.3.1臂部设计的基本要求1臂部应承载能力大、刚度好、自重轻（1）根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。（2）提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。（3）合理布置作用力的位置和

30、方向。（4）注意简化结构。（5）提高配合精度。2臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速 度运动的机械手，其最大移动速度设计在 10001500mm/s,最大回转角速度设计在 180 /s内, 大部分平均移动速度为 1000mm/s,平均回转角速度在 90 /s。在速度和回转角速度一定的情 况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径：（1）减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。（2）减少臂部运动件的轮廓尺寸。（3） 减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回

31、转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。（4）驱动系统中设有缓冲装置。3手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬 臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡， 以减少对升降支撑轴线的偏心力矩， 特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此, 必须计算使之满足不自锁的条件。总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出 完美的、性能良好的机械手。3.3.2手臂的典型机构以及结构的选择1. 手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：（1）双导杆手臂伸缩机构。（2）手臂的典型运动形式有：直线运动，

32、如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动， 如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运 动的双层液压缸空心结构。（3）双活塞杆液压岗结构。（4）活塞杆和齿轮齿条机构。2. 手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动，液压缸选取双作用液压缸。3. 手臂直线运动的驱动力计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再 进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方 面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力

33、的计算。(5.1)4. 手臂摩擦力的分析与计算 分析：摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情 况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两 侧。图5.1机械手臂部受力示意计算如下:由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。Ma 0G总 LaFbFbG总L得a丫 0G总FbFaFaG总L a得aF摩Fa摩Fb摩FaFb2L a(5.2)F摩G总a式中 6总参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）;m）,参考上一L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（节的计算；a导向支撑的长度（m）;

34、I 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。4:1.27 : 1.57对于圆柱面：2摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时:钢对青铜：取卩=0.1 0.15钢对铸铁：取卩=0.18 0.3导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁0.20 1.50.31070NL=1.69-0.028=1.41m, 导向支撑 a 设计为 0.016m将有关数据代入进行计算2La1070 0.32 1.410.160.165978.6N5. 手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是V=5mmin ,在计算惯性力的时候,设置启动时间V=V=0.083m St 0.2s，启动G总v 卜惯 g t(5.3)G总v1070N0.083S

35、卜惯45.5N人Xg t9.8N Kg0.02S6.密封装置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用0型密封，当液压缸工作压力小于10Mpa液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：F封 0.03F 。经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：F 0.03F F 摩 F 惯=6210N3.3.3液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=6210N,根据表3.1选择液压缸的工作压力P=2MPa（1）确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图5.2所示1r1L1 口i111W1图5.2双作用液压缸示意图当油进入无杆腔:F1D2P当油进入有杆腔中:F2D2 d2

36、P液压缸的有效面积:P1故有4FP11.13 FP1（无杆腔）F=6210N, P1 = 24F d2P1（有杆腔）(5.4)(5.5)610 pa，选择机械效率0.95将有关数据代入:1.131.13.62100.95 2 100.06460m根据表4-1 （JB826-66 ）,选择标准液压缸内径系列，选择D=65mm.（2） 液压缸外径的设计根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm所以该液压缸的外径为79mm.（3） 活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算：(5.6)设计中活塞杆取材料为碳刚，故=100

37、120Mpa，活塞直径 d=20mm,L=1360mm现在进0.02210 Mpa 100 10行校核。44结论：活塞杆的强度足够。3.4机身的设计计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些 运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂 部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是 行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。3.4.1机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械

38、手的重要组成部分。常用的机身结构有以 下几种：（1）回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运 动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。（2）回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回 转缸与臂部一起升降，运动部件较大。（3）活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运 动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析:经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括 两个运动，机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结 构。手臂部件与回转缸的上端

39、盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手 臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装 一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用 键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花 键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转 叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶 片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转180。342机身回转机构的设计计算（1）回

40、转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩M驱，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩M惯及各密封装置处的摩擦阻力矩 M阻相平衡。M驱M惯M阻M回（6.1）惯性力矩的计算M 惯 JJ（6.2）式中回转缸动片角速度变化量（rad/s），在起动过程中 =；t起动过程的时间（s）;若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则G 2J J20 cg(6.3)N m s2 )。式中Jc 回转零件的重心的转动惯量。Jc ml2z3R2 12回转部件可以等效为一个长（6.4）1800mm直径为60mm的圆柱体，质量为159.2Kg.设置起动Jo 手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（角度 =18，则起动角速度

41、=0.314 rad s，起动时间设计为 0.1s。JCz m l2 3R2 /12 43N m s2G 22J0 Jc1495N m sg0 3142M 惯 J。 J。=1495 -4694.3 N m St0.1密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下M阻=0.03 M驱，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。经过以上的计算 M驱=4839.5 N m S2（2）回转缸尺寸的初步确定8Mps。d为输出轴与动片设计回转缸的静片和动片宽b=60mm选择液压缸的工作压强为连接处的直径，设 d=50m m则回转缸的内径通过下列计算：(6.5)D=151mm既设计液压缸的内径为 150mm根据表4.2

42、选择液压缸的基本外径尺寸 再经过配合等条件的考虑。液压缸盖螺钉的计算4.3所示，因为回转缸的工作压力为180mm不是最终尺寸），算,（3）根据表t小于80mm根据初步估D 3.14 150 471mm，t8Mpa所以螺钉间距47178.5 p t,所以缸盖螺钉的数目为（68M 驱 J2 bp个面6个，两个面是12个）。危险截面SR2r20.1520.05240.0157m2PS所以，Fq三20933NKFqK 1.5: 1.8FqsKFq=1.5 20933 31400N所以 Fq=20933+31400=52333N螺钉材料选择Q235,则240n 1.2200MPa( n 1.2: 2.5

43、)螺钉的直径d4 1.3Fq(一41.3523333.14 200 1060.020m螺钉的直径选择 d=20mm选择M20的开槽盘头螺钉。150mm外径为230mm输经过以上的计算，需要螺钉来连接，最终确定的液压缸内径为 出轴径为50mm（4）动片和输出轴间的连接螺钉和输出轴之间的配合紧密。坐 D2 d28dM 摩 FQZf Fq 旦 D2d2得4Zfd式中Fq 每个螺钉预紧力；D一一动片的外径；f 被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15螺钉的强度条件为1.3Fq4 1.3 40000 3.14 200 1060.0135m合W4Fqdi或带入有关数据，得Fq 旦 D2 d20.0

44、6 8 1062 20.1520.0524Zfd=4 Z 0.15 0.05螺钉材料选择Q235,则240 200MPa（ n 匸2： 2.5）ni.2440000N螺钉的直径 d螺钉的直径选择 d=14mm选择M14的开槽盘头螺钉。3.4.3机身升降机构的计算1手臂偏重力矩的计算图6.3手臂各部件重心位置图(1)零件重量G工件G2、0腕、G 等。G工件 60Kg现在对机械手手臂做粗略估算:G爪和G腕 总共=33KgG 臂 16.2KgG总G工件+G爪+ G腕+G臂=109.2Kg(2)计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离工件=1920mm手和腕=i.69mm臂=0.88mm工件G工件

45、手腕G手腕臂 G臂G总(6.6)工件G工件手腕G手腕臂G臂1650mm所以，回转半径1650mm(3)计算偏重力矩M偏6总(6.7)M 偏 G总109.2Kg 9.8 1.650m 1765N m2 升降不自锁条件分析计算手臂在G总的作用下有向下的趋势，而里柱导套有防止这种趋势。由力的平衡条件有 Fr1=Fr2，F%h=G总G总即所谓的不自锁条件为:F% =FR2= hG总 f F1 F22F12Fr, fG总G总 f 2 h f ， h f 2 f取 f0.16则h f 0.32(6.8)当=1650mn时，0.32=528mm因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于528mm3.手臂做升降运

46、动的液压缸驱动力的计算(6.9)式中F摩一一摩擦阻力，参考图 5.3F摩2F1 f取 f=0.16G零件及工件所受的总重。G总v总卜惯 (1)F惯的计算g tt=0.02s; G总近似估算为286.1Kg;将设定速度为v=4m min ;起动或制动的时间差数据带入上面公式有：958.1NG总 v 286 0.067 msg t =9.8 0.02s(2)摩的计算F摩 2Fr fFrFr228盹 98N Kg 16亦 8725.6N0.53mF摩2Fr f 2 8725.6 0.16=2792.2N(3)液压缸在这里选择 O型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算 最后通过以上计算当液压缸向上驱动

47、时，F=6756NF密 0.03F当液压缸向下驱动时，F=6756- 286 2 =6184N3.4.4轴承的选择分析对于升降缸的运动，对于机身回转用的轴承有影响，因此，这里要充分考虑这个问题。 对于本设计，采用一支点，双固定，另一支点游动的支撑结构。作为固定支撑的轴承，应能 承受双向轴向载荷，故内外圈在轴向全要固定。其结构参看本章开始的一一机身结构示意图 5.3。本设计采用两个角接触球轴承，面对面或者背对背的组合结构。这种结构可以承受双向 轴向载荷。四、控制系统硬件电路设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时

48、，只需改变 PLC程序即可实 现，非常方便快捷。4.1 可编程序控器的简介1969 年，美国数字设备公司 (DEC) 研制出第一台 PLC ，在美国通用汽车 自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操 作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在 美国其他工业领域推广应用。到 1971 年，已经成功地应用于食品，饮料，冶 金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高 度重视。 1971 年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台 P LC 。 1973 年，西欧国家也研制出它们的第一台 P LC 。我国从 1

49、974 年开始研 制 , 于 1977 年开始工业应用。4.2 PLC 的结构，种类和分类PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计 算机相同，如图所示：图 5-1中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照 PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、 I/O 以及 警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。（二） 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。（三） 电源PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。 如果没有一个良好的、 可 靠得电源系统是

50、无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也 十分重视。一般交流电压波动在 +10%（+15%） 范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去。常见的PLC的类型挺多的，有三菱的FX系列、西门子的S7系列、台湾的丰炜等 等。plc 的分类有：（ 一） 小型 PLC小型 PLC 的 I/O 点数一般在 128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个 硬件融为一体， 除了开关量 I/O 以外，还可以连接模拟量 I/O 以及其他各种特殊功 能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通 讯联网以及各种应用指令。（ 二） 中型 PLC中型 PLC 采用模块化结构