啤酒装箱机的毕业设计说明书

湖北工业大学毕业设计（论文）PAGEPAGE45摘要随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计计算过程。首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体坐标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。关键词：机械手、运动仿真、液压传动、液压缸。AbstractAlongwithindustryautomationdevelopmentofdemand,themachinehandisintheindustrytheapplicationmoreandmoreimportance.Thearticlewasmaindescribethedesignofthemachinehandcalculationprocess.First,thefunctionofthistextintroductionmachinehand,constituteofmachinehandwithclassification,elucidationfreedomtheformofthedegreeandthemachinehandwholecoordinates.Inthemeantime,thistextgivethemainfunctionspecificationofthissetmachinehandbethreequantities.Inthearticleintroductionporteragemachinehandofdesigntheoriesandmethod.Overalldetailedofdiscussionporteragemachinehandofthestructureofthemainpartsessuchashand,wristdepartment,armandfuselageetc.design.Keywords:manipulater;motionsimulation;hydraulictransmission;hydrauliccylinder.目录1绪论 11.1前言 11.2工业机械手的简史 21.3工业机械手在生产中的应用 31.3.1建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 31.3.2在实现单机自动化方面 41.3.3铸、锻、焊热处理等热加工方面 41.4机械手的组成 41.4.1执行机构 41.4.2驱动机构 51.4.3控制系统分类 51.5工业机械手的发展趋势 51.6本文主要研究内容 72机械手的总体设计方案 82.1机械手基本形式的选择 82.2机械手的主要部件及运动 82.3驱动机构的选择 92.4机械手的技术参数列表 93手部的设计 113.1手部设计的基本要求 113.2典型的手部结构 113.3选择手爪的类型及夹紧装置 113.4手部设计的计算过程 113.4.1手爪的设计模型与实现 113.4.2手爪的力学分析 123.4.3驱动力的计算及液压缸基本尺寸的确定 123.5本章小结 154手臂的设计 164.1臂部设计的基本要求 164.2手臂的典型机构以及结构的选择 174.3臂部设计的计算过程 174.3.1摩擦力的计算 184.3.2手臂惯性力的计算 194.3.3密封装置的摩擦阻力 204.3.4液压缸工作压力和基本尺寸的确定 204.4本章小结 225机身的设计计算 235.1机身的整体设计 235.2机身升降机构的设计与计算 245.2.1手臂偏重力矩的计算 245.2.2升降不自锁条件分析计算 265.2.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 265.3机身回转机构的设计与计算 295.4轴承的选择分析 325.5本章小结 326液压系统的设计 336.1液压系统的工作要求 337.2液压系统原理图 336.3液压系统电磁铁动作顺序表 346.4本章小结 347电气控制系统的设计 357.1PLC的结构和原理 357.1.1PLC的结构 357.1.2PLC的工作原理 357.2PLC指令系统 367.3PLC控制系统的设计 377.3.1PLC的控制系统的功能 377.3.2PLC控制系统的运行方式 377.3.3外部接线图 387.3.4PLC程序梯形图 39总结 42致谢 43参考资料 44附录 451绪论1.1前言用于再现人手的的功能的技术装置称为。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的。机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2工业机械手的简史现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingsystem)和柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell)中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。1.3工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1.3.1建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。1.3.2在实现单机自动化方面各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。1.3.3铸、锻、焊热处理等热加工方面模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。1.4机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1.4.1执行机构（1）手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。（2）传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（3）臂部，手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。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，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。行走机构有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。1.4.2驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。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。1.4.3控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.5工业机械手的发展趋势（1）工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。（7）机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行之列。1.6本文主要研究内容本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对装箱机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械结构（包括手臂、手腕、手指部分）、驱动系统以及控制部分的设计工作。2机械手的总体设计方案本课题是轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计。在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。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)球坐标(极坐标)型机械手;(4)多关节型机机械手。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。图2.1是机四自由度圆柱坐标机械手示意图。图中机械手四自由度如图所示。(该图仅作示意用，机械手非本文设计机械手)图2-1机械手基本形式示意图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：手部回转；手臂回转；手臂升降；手臂伸缩4个主要运动。本设计机械手主要由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）臂部，采用直线缸来实现手臂平动。（3）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。（4）腕部，采用一个回转液压缸实现手部180°回转。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。2.4机械手的技术参数列表一、用途：生产线啤酒装箱二、设计技术参数:1、抓重:30Kg(夹持式手部)2、自由度数:4个自由度3、坐标型式:圆柱坐标4、最大工作半径:1600mm，手臂最大中心高:1248mm5、手臂运动参数伸缩行程(X):800mm伸缩速度:≤250mm/s升降行程(Z):330mm升降速度:≤60mm/s回转范围():0180°回转速度:70°S6、手腕运动参数回转范围:0180°回转速度:90°S7夹持范围:3手部的设计3.1手部设计的基本要求（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）手指应该具有一定的开闭范围，满足容易抓取瓶子，且不易使瓶子破碎，在运动过程中瓶子不掉落，瓶间不相互碰撞。（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。（5）应考虑通用性和特殊性。3.2典型的手部结构（1）回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。（2）移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。（3）平面平移型。3.3选择手爪的类型及夹紧装置本设计是设计啤酒装箱的机械手，啤酒瓶（350ml）的尺寸如图3-1（单位mm）。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。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。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。本设计采用三指夹持的方案，这样既可以夹持稳定，同时也能自动对中。3.4手部设计的计算过程3.4.1手爪的设计模型与实现采用三指夹紧的机械手，这样可以受力均匀，夹持稳定，其大致结构如图3-2所示。工作时手指下半部分套橡胶套，以防止夹持力过大夹碎酒瓶带来不必要的损失。图3.1啤酒瓶外观尺寸图3.2手抓3.4.2手爪的力学分析经计算得，其中F为活塞杆的作用力，C为两节点间的距离，b为上节点到力作用点间的距离。为瓶对爪的作用力。3.4.3驱动力的计算及液压缸基本尺寸的确定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。手指对工件的夹紧力可按公式计算：式中——安全系数，通常1.22.0；——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。（可近似按下式估其中a是重力加速度，ab是运载工件时重力方向的最大上升加速度；b=——运载时工件最大上升速度——系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s——方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。G——被抓取工件所受重力（N）。表3-1液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力（）作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力（）计算：取C=20mm,b=60mm,10°＜＜40°工件垂直方向的移动速度为0.1m/s，机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力和驱动力和驱动液压缸的尺寸。设=1.5表3-2液压缸的内径系列（JB826-66）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250查相关表的=5根据公式，将已知条件带入：=1.51.025300=2295N（2）根据驱动力公式得：（3）取（4）确定液压缸的直径D，活塞杆直径d选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa,，取P=0.9MP=0.163m根据表3-2，选取液压缸内径为：D=20mm则活塞杆内径为:D=200.5=10mm，选取d=10mm（5）缸体厚度及外径强度校验缸体厚度的取植由强度条件决定。当时可按薄壁公式校验强度，即：最高工作压力，单位为Pa;;材料叙用应力，，为材料抗拉强度，单位为Pa，n为安全系数，一般情况n=5。取液压缸的最大压力，缸筒材料为45钢，，，代入数据得取=4mm。缸筒外径Dm=D+2=28mm（6）油缸长度L的确定从制造上考虑，一半油缸长度不大于其内径的20-30倍，即取：L=88mm3.5本章小结通过本章的设计计算，先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析，然后分别对滑槽杠杆式手部结构的夹紧力、驱动力进行计算，在满足基本要求后，对手部的夹持精度进行分析计算。4手臂的设计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（或俯仰）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。4.1臂部设计的基本要求一、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻A．根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。B．提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。C．合理布置作用力的位置和方向。D．注意简化结构。E．提高配合精度。二、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。一般情况下，手臂的移动和回转、俯仰均要求匀速运动，但在开始运动和停止的瞬间运动是变化的，为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前的减速度不能太大，否则易引起冲击和振动。运动速度一般根据生产节拍要求来决定，确定了生产节拍和行程范围就确定了手臂的运行速度（或角速度）。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在1000-1500mm每秒,最大回转角速度设计在/s内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。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：A．减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。B．减少臂部运动件的轮廓尺寸。C．减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。D．驱动系统中设有缓冲装置。三、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。4.2手臂的典型机构以及结构的选择常见的手臂伸缩机构有以下几种：（一）双导杆手臂伸缩机构。手臂的典型运动形式有：直线运动，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。（二）双活塞杆液压岗结构。（三）活塞杆和齿轮齿条机构。通过以上，综合考虑，本设计选择单导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。4.3臂部设计的计算过程先进行粗略的估算，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的计算式中——为摩擦阻力，手臂运动时，为运动表面间的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力；——密封装置处的摩擦阻力；——液压缸回油腔低压油液所造成的阻力；——启动或制动时，活塞杆所受的平均惯性力。4.3.1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。得=又得式中参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；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（m）;a——导向支撑的长度（m）;——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面：——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取钢对铸铁：取计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁，，L=1.69-0.028=1.41m,导向支撑a设计为160mm将有关数据代入进行计算4.3.2手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度V=0.083m/s,4.3.3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O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：。经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：故F=3466.7N4.3.4液压缸工作压力和基本尺寸的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=4126.6N，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4.2所示当油进入无杆腔，当油进入有杆腔中，液压缸的有效面积：图4.2双作用液压缸示意图故有(无杆腔)(有杆腔)已知，，选择机械效率将有关数据代入：根据表3-2（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=50mm.活塞杆直径d对于单杆双作用液压缸可根据速度比来确定，即代入数据，=1.33，D=50mm得d=25mm（2）液压缸外径的设计根据装配等一苏，考虑到液压缸的壁厚在7mm，所以液压缸的外径为64mm，考虑到标准化容易选用，选择液压缸外径为63mm，最终确认液压缸外径为63mm。（3）缸体厚度及外径强度校验缸体厚度的取植由强度条件决定。当时可按薄壁公式校验强度，即：最高工作压力，单位为Pa;;材料叙用应力，，为材料抗拉强度，单位为Pa，n为安全系数，一般情况n=5。取液压缸的最大压力缸筒材料为45钢，，代入数据得=0.00083m取=4mm。缸筒外径Dm=D+2=63mm（4）油缸长度L的确定从制造上考虑，一半油缸长度不大于其内径的20-30倍，即取：L=800mm4.4本章小结本章设计了机械手的手臂结构，手臂采用双导杆手臂伸缩机构，对驱动的液压缸的驱动力进行了详细的计算，并对液压缸的基本尺寸进行了设计。5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。5.1机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂180°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相连接的齿轮往复回转，从而使手臂左右摆动。经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之下的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。分析：经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之下的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如下图5.1所示，回转机构置于升降缸之下的机身结构。手臂部件与升降缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动带动升降部分和手臂旋转。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个出油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片的回转。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，设计动片和静片之间可以回转180°。5.2机身升降机构的设计与计算5.2.1手臂偏重力矩的计算图5.1回转机构置于升降缸之下的机身结构图5.2手臂各部件重心位置图（1）零件重量、、等。现在对机械手手臂做粗略估算：（2）计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离。=1920mm=1690mm=880mm所以，取回转半径（3）计算偏重力矩5.2.2升降不自锁条件分析计算手臂在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=h=即所谓的不自锁条件为：即取(6.8)当时，因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于468mm5.2.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算式中——摩擦阻力，取f=0.16G——零件及工件所受的总重。（1）的计算设定速度为;起动或制动的时间差t=0.02s，近似估算为250Kg;将数据带入上面公式有：（2）的计算（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时，F=5126N当液压缸向下驱动时，（4）确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图5.3所示当油进入无杆腔，当油进入有杆腔中，图5.3双作用液压缸示意图液压缸的有效面积：故有F=5126N，P1=4Mpa，选择机械效率将有关数据代入：D=0.04684m根据表3-2（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=50mm.活塞杆直径d对于单杆双作用液压缸可根据速度比来确定，即代入数据，=1.33，D=50mm得d=25mm（5）缸体厚度与长度机身缸体较手部与手臂部的特殊，在此，选取缸体厚度为25mm，则外径为100mm，很显然满足设计要求。从制造上考虑，一般油缸长度不大于其内径的20-30倍，即取：L=600mm5.3机身回转机构的设计与计算（1）回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡。惯性力矩的计算式中——回转缸动片角速度变化量（），在起动过程中=；t——起动过程的时间(s);——手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（）。若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则式中——回转零件的重心的转动惯量。回转部件可以等效为一个长1800mm，直径为80mm的圆柱体，质量为159.2Kg.设置起动角度=180，则起动角速度=0.314，起动时间设计为0.1s。密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03，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=4839.5回转缸尺寸的初步确定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8Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算：D=151mm既设计液压缸的内径为150mm,根据设计手册选择液压缸的基本外径尺寸180mm(不是最终尺寸)，再经过配合等条件的考虑。液压缸盖螺钉的计算根据机械设计手册所示，因为回转缸的工作压力为8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,根据初步估算，，,所以缸盖螺钉的数目为（一个面6个，两个面是12个）。危险截面所以，所以螺钉材料选择Q235，则（n）螺钉的直径螺钉的直径选择d=20mm.选择M20的开槽盘头螺钉。经过以上的计算，需要螺钉来连接，最终确定的液压缸的截面尺寸如图5.2所示，内径为150mm，外径为230mm，输出轴径为50mm图5.4回转缸的截面图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如图5.3。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：使东片和输出轴之间的配合紧密。于是得式中——每个螺钉预紧力；D——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螺钉的强度条件为或带入有关数据，得螺钉材料选择Q235，则螺钉的直径螺钉的直径选择d=14mm.选择M14的开槽盘头螺钉。5.4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。本设计采用两个深沟球轴承，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。5.5本章小结本章对机械手的机身进行了设计，分别对机身的回转机构和升降机构进行设计计算。同时也计算了升降立柱不自锁的条件，这是机身设计中不可缺少的部分。6液压系统的设计6.1液压系统的工作要求根据工况要求，执行机构要具有手臂升降、手臂伸缩、手臂回转三个自由度。执行机构相应由手臂升降机构、手臂伸缩机构、手腕回转机构、手指夹紧机构等组成，每一部分均由液压缸驱动与控制它完成的动作循环为：手臂上升→手臂前伸→手臂下降→手指夹紧→手臂上升→手腕回转（正）→手臂下降→手指松开→手臂上升→手腕回转（反）→手臂缩回→手臂下降→待料，泵卸载。7.2液压系统原理图图7.1液压原理图6.3液压系统电磁铁动作顺序表1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA9YA10YA手指夹紧+手臂正转+手臂上升+手臂前伸+手指松开+手臂缩回+手臂下降+手臂反转+待料卸荷++6.4本章小结本章在结构设计的基础上，对机械手的液压控制作了基本的分析，并满足了机械手的工作需要。7电气控制系统的设计工业机械手的电气控制相当于人的大脑，它指挥机械手的动作，并协调机械手与生产系统之间的关系。机械手的工作顺序、应达到的位置，如手臂的上下移动、机身的回转、手臂的伸缩、手指的开合动作，以及各个动作的时间、速度等，都是在控制系统的指挥下，通过每一段运动部件沿个坐标轴的动作按照预先整定好的程序来实现的。本设计采用PLC控制系统。7.1PLC的结构和原理7.1.1PLC的结构可编程序控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和电源模块组成。CPU模块：是运算和控制中心，起心脏作用。由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与I/O接口电路连接。存储器：系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序、监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3～5年。输入/输出接口：输入接口：光电耦合器由两个发光二极管和一个光电三极管组成。发光二极管：在输入端输入变化的电信号，则会输出与之变化规律相同的光信号。光电三极管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。输出接口：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。电源模块：可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。7.1.2PLC的工作原理PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。1.每次扫描过程。集中对输入信号进行采样，集中对输出信号进行刷新。2.输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入，只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3.一个扫描周期分为输入采样、程序执行、输出刷新。4.元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5.扫描周期的长短由三条决定：CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数6.由于采用集中采样，集中输出的方式存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。7.2PLC指令系统（1）输入输出指令LD：取指令，用于连接动合触电；LDI：取反指令，用于连接的动断触点；OUT：输出指令，用于驱动输出继电器、辅助继电器、定时器和计数器；（2）与指令AND：常开触点串联连接指令；ANI：常闭触点串联连接指令。从左到右、自上至下编程。目标元件：X、Y、M、T、C。（3）或指令OR：动合触点并联追缉令；ORI：动断触点并联指令。目标元件：X、Y、M、T、C。（4）块电路或指令ORB：块并联。目标元件：不带元件号，只表示一条连线。（5）块电路串指令ANB：块串联。目标元件：不带元件号，只表示一条连线。（6）复位指令RST：清楚计数器。目标元件：M100、M120、M140、M160、M200、M220、M360、C(除c661外)（7）脉冲指令PLS：使继电器获得瞬时闭合信号。目标元件：M（8）移位指令SFT：移位寄存器移位输入指令。目标元件：M。（9）空操作指令NOP：使该步序不起作用或空操作。（10）保持指令S：操作保持位置指令，自保持ON指令；R：操作保持复位指令，自保持OFF指令。目标元件：Y、M00-M377。（11）结束指令END：编程结束时写入END指令，可以缩短演算周期。7.3PLC控制系统的设计7.3.1PLC的控制系统的功能对于任何装置的控制系统，都要设置控制任务，机械手的控制任务是：机械手的运动过程：包括手臂的升降、手臂的水平伸缩、腰部的回转、手指的开合。主要工艺参数的实时采集和显示：包括传感器的状态和液压缸的状态。7.3.2PLC控制系统的运行方式由PLC的构成的机械手控制系统有两种运行方式，即手动运行方式和自动运行方式。手动运行方式下，通过按钮对机械手的各动作进行点动控制。自动运行方式下，全部动作都是用PLC控制。7.3.3外部接线图7.3.4PLC程序梯形图7.4本章小结本章对啤酒装箱机械手的控制部分进行了设计，选用PLC控制，设计了PLC外部接线图个编制了控制梯形图。总结几个月的毕业设计就快要结束了，在这段时间里我觉得生活非常的充实，把以前的知识温习回顾了，进一步巩固了专业知识，而且对很对未知的也有所了解，同时使自己具有一定的自主设计能力。这也是为即将参加的工作做了一个很好的铺垫。毕业设计是对大学四年所学知识的一个综合考察，它兼顾了四年中所学的基础和专业知识，老师只给一个课题，自我发挥空间较大。以前虽然也做过课程设计，但是大多课程设计都有完整的资料可供参考，因此毕业设计不同于以前的课程设计，是课程设计一个升华，是大学四年不可缺少的一部分！致谢在完成本论文的工作中，自始至终得到了湖北工业大学机械工程学院王海涛老师的精心指导和亲切关怀，并且在整个毕业设计过程中，不断对我得到的结论进行总结，并提出新的问题，使得我的毕业设计课题能够深入地进行下去，也使我接触到了许多理论和实际上的新问题，使我做了许多有益的思考。导师严谨的治学态度、严于律己、宽以待人的做人风范是我终身学习的榜样。同时也得到很多其他老师的帮助，在此特表深深谢意！我由衷的感谢湖北工业大学对我们的培养，感谢机械学院对我们的负责，正是因为学校和学院严抓教学，让我们基础知识和专业知识足够扎实、课外知识足够丰富才可以顺利完成毕业设计。同时对和我一起研究探讨机械手机械结构设计和电气控制的同学，表示感谢。最后对所有这四年来给予我各方面关心和支持的老师、同学、朋友表示深深感谢！参考资料[1]李允文·工业机械手设计[M]·北京：机械工业出版社，1996[2]吴振彪，王正家·工业机器人（第二版）[M]·武汉：华中科技大大学出版社，2006[3]何铭新，钱可强·机械制图（第五版）[M]·北京：高等教育出版社，2004[4]陈伟珍，韦余萍·机械制图与CAD（机类）[M]·北京：北京理工大学出版社，2009[5]王为，汪建晓·机械设计[M]·武汉：华中科技大学出版社，2007[6]唐增宝，常建娥·机械设计课程设计（第三版）[M]·武汉：华中科技大学出版社，2008[7]杨曙东，何存兴·液压传动与气压传动（第三版）[M]·武汉：华中科技大学出版社，2008[8]邓星钟·机电传动控制（第四版）[M]·武汉：华中科技大学出版社，2008[9]廖常初·可编程控制器的编程方法与工程应用[M]·重庆：重庆大学出版社，2007[10]刘鸿文·材料力学（第四版）[M]·北京：高等教育出版社，2007[11]单丽云，强颖怀，张亚非·工程材料[M]·徐州：中国矿业大学出版社，2003[12]哈尔滨工业大学理论力学教研室·理论力学[M]·北京：高等教育出版社，2007[13]蔡自兴·机器人原理及其应用[M]·湖南：中南工业大学出版社，1988[14]索罗门采夫·工业机器人图册[M]·北京：机械工业出版社，1991[15]《工业机械手图册》编写组·工业机械手图册[M]·北京：机械工业出版社，1978[16]孙迪生，王炎·机器人控制技术[M]·北京：机械工业出版社，1998[17]范印越·机器人技术[M]·北京：电子工业出版社，1988[18]郭洪红·工业机器人运用技术[M]·北京：科学出版社，2008附录基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基