机械系统标准设计机械手

机械系统设计——机械手

第一章引言

1.1机械手概述

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱劭系统和检测传感装置组成，是一个仿

人操作，自动控制、可反复编程、能在三维空间完成多种作业机电一体化自动化生产设备。

尤其适合于多品种、变批量柔性生产。它对稳定、提升产品质量，提升生产效率，改善劳动

条件和产品快速更新换代起着十分关键作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平

关键标志。生产中应用机械手能够提升生产自动化水平，能够减轻劳动强度、确保产品质量、

实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣环境

中，它替换人进行正常工作，意义更为重大。所以，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热

处理、电镀、喷漆、装配和轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛引用。机械手结构形

式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床上下料装置，是隶属于该机床专用机械手。伴

随工业技术发展，制成了能够独立按程序控制实现反复操作，适用范围比较广“程序控制通

用机械手”，简称通用机械手。因为通用机械手能很快改变工作程序，适应性较强，所以它

在不停变换生产品种中小批量生产中取得广泛引用。

液压传动机械手是以压缩液体压力来驱动实施机构运动机械手。其关键特点是:介质李源

极为方便，输出力小，液压动作快速，结构简单，成本低。不过，因为空气含有匕压缩特征,

工作速度稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重通常在30千克以下，在一样抓重条

件下它比液压机械手结构大，所以适适用于高速、轻载、高温和粉尘大环境中进行工作。

液压技术有以下优点：

（1）体积小、重量轻，所以惯性力较小，当忽然过载或停车时，不会发生大冲击；

（2）能在给定范围内平稳自动调整牵引速度，并可实现无极调速；

（3）换向轻易，在不改变电机旋转方向情况下，能够较方便地实现工作机构旋转和直线往复

运动转换；

（4）液压泵和液压马达之间月油管连接，在空间部署上相互不受严格限制；

(5)因为采取油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；

(6)操纵控制简便，自动化程度高；

(7)轻易实现过载保护。

1.2液压机械手设计要求

1.2.2课题设计要求

本课题将要完成关键任务以下：

(1)机械手为通用机械手，所以相对于专用机械手来说，它适用面相对较广。

(2)选择机械手座标型式和自由度。

(3)设计出机械手各实施机构，包含:手部、手腕、手臂等部件设计。为了使通用性更强,

手部设计成可更换结构，不仅能够应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要时候还能

够用气流负压式吸盘来吸收板料工件。

(4)液压传动系统设计

本课题将设计出机械手液压传动系统，包含液压元器件选择，液压回路设计，并绘出

液压原理图。

(5)机械手控制系统设计

本机械手拟采取可编程序控制器(PLC)对机械手进吁控制，本课题将要选择PLC型号，依

据机械手工作步骤编制出PLC程序，并画出梯形图。

1.3机械手系统工作原理及组成

机械手系统工作原理框图图1-1所表示。

立赫机构

图1-1机械手系统工作原理框图

机械手工作原理：机械手关键由实施机构、驱动系统、控制系统和位置检测装置等所组成。

在PLC程序控制条件下，采取液压传动方法，来实现实施机构对应部位发生要求要求，有次序,

有运动轨迹，有一定速度和时间动作。同时按其控制系统信息对实施机构发出指令，必需时可

对机械手动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将实

施机构实际位置反馈给控制系统，并和设定位置进行比较，然后经过控制系统进行调整，从而

使实施机构以一定精度达成设定位置.

（一）实施机构

包含手部、手腕、手臂和立柱等部件，有还增设行走机构。

1、手部

即和物件接触部件。因为和物件接触形式不一样，可分为夹持式和吸附式手在本课题中

我们采取夹持式手部结构。夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所组成。手指是和物件直

接接触构件，常见手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造轻易，故应

用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件

直径改变不影响其轴心位置，所以适宜夹持直径改变范围大工件。手指结构取决于被抓取物

件表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件重量及尺寸。而传力机构则经过手指产生夹

紧力来完成夹放物件任务。传力机构型式较多时常见有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆

式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。

2、手腕

是连接手部和手臂部件，并可用来调整被抓取物件方位（即姿势）

3、手臂

快速反应、一定承载能力、足够工作空间和灵活自由度及在任意位置全部能自动定位等特征。

设计液压机械手标准是:充足分析作业对象（工件）作业技术要求，确定最合理作业工序和工艺,

并满足系统功效要求和环境条件；明确工件结构形状和材料特征，定位精度要求，抓取、搬运

时受力特征、尺寸和质量参数等，从而深入确定对机械手结构及运行控制要求;尽可能选择定

型标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.此次

设计机械手是通用液压上下料机械手（图2-1所表示），是一个适合丁成批或中、小批生产、

能嵯改变动作程序自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁生产场所。它可用于操作

环境恶劣场所。

图2-1机械手整体机械结构

2.1机械手座标型式和自由度

按机械手手臂不一样运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标

式、球座标式和关节式。因为本机械手在上下料时手臂含有升降、收缩及回转运动，所以，

采取圆柱座标型式。对应机械手含有三个自由度，为了填补升降运动行程较小缺点，增加手

臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动自由度。（图2-2所表示）

左右愕曲

图2-2机械手运动示意图

2.2机械手手部结构方案设计

为了使机械手通用性更强，把机械手手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使

用夹持式手部;当工件是板模时，使用气流负压式吸盘。

2.3机械手手腕结构方案设计

考虑到机械手通用性，同时因为被抓取工件是水平放置，所以手腕必需设有回转运动才

可满足工作要求。所以，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动机构为回转液压缸。

2.4机械手手臂结构方案设计

根据抓取工件要求，本机械手手臂有三个自由度，即手臂伸缩、左右回转和降（或俯仰）

运动。手臂回转和升降运动是经过立柱来实现，立柱横向移动即为手臂横移。手臂多种运动

由液压缸来实现。

2.5机械手驱动方案设计

因为液压传动系统动作快速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉所以本机械手

采取液压传动方法。

2.6机械手控制方案设计

考虑到机械手通用性，同时使用点位控制，所以我们采取可编程序控制器（PLC）对机械手

进行控制。当机械手动作步骤改变时，只需改变PLC程序即可实现，很方便快捷。

2.7机械手关键技术参数

一.机械手最大抓重是其规格主参数，因为是采取液压方法驱动，所以考虑抓取物体不应

该太重，查阅相关机械手设计参数，结合工业生产实际情况，本设计设计抓取工件质量为5

千克。

二.基础参数运动速度是机械手关键基础参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计

速度过低限制了它使用范围。（图2-3所表示）而影响机械手动作快慢关键原因是手臂伸缩及

回转速度。该机械手最大移动速度设计为1.0〃z/s。最大回转速度设“为90。/5。平均移动速

度为08〃/s。平均回转速度为6(y/s。机械手动作时有开启、停止过程加、减速度存在，用

速度一行程川I线来说明速度恃征较为全方面，因为平均速度和行程相关，故用平均速度表示

速度快慢更为符合速度特征。除了运动速度以外，手臂设计基础参数还有伸缩行程和工作半

径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作空间。过大伸缩夕亍程和工作

半径，肯定带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采取自动传送装置为好。依据统

计和比较，该机械手手臂伸缩行程定为600mm，最大工作半径约为1400〃〃〃。手臂升降行程定

为120〃〃〃。定位精度也是基础参数之一。该机械手定位精度为±1格〃。

三.用途：

用于自动输送线上下料。

四.设计技术参数：

1、抓重5kg

2、自由度数4个自由度

3、座标型式圆柱座标

4、最大工作半径14OO/77/7Z

5、手臂最大中心高1250/77/7?

6、手臂运动参数

伸缩行程1200〃〃〃

伸缩速度400mm/s

升降行程120/%/〃

升降速度250mm/s

回转范围0-180。

回转速度90°/s

7、手腕运动参数回转范围0°-180°

回转速度90。/s

8、手指夹持范围棒料:50mm

9、定位方法行程开关或可调机械挡块等

10、定位精度±1mm

11、驱动方法液压传动

12、控制方法点位程序控制（采取PLC）

图2-3机械手工作范围

第三章手部结构设计

3.1夹持式手部结构

夹持式手部结构由手指［或手爪）和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠

杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。

3.1.1手指形状和分类

夹持式是最常见一个，其中常见有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件部位又

可分为内卡式（或内涨式）和外夹式两种:按模拟人手手指动作，手指可分为一支点回转型，二

支点回转型和移动型（或称直进型），其中以二支点回转型为基础型式。当二支点回转型手指

两个回转支点距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指

手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造轻易，应

用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径改变零件时不影响

其轴心位置，能适应不一样直径工件。

3.1.2设计时考虑多个问题

（一）含有足够握力（即夹紧力）

在确定手指握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生惯性力和

振动，以确保工件不致产生松动或脱落。

（二）手指间应含有一定开闭角

两手指张开和闭合两个极限位置所夹角度称为手指开闭角。手指开闭角应确保工件能顺

利进入或脱开，若夹持不一样直径工件，应按最大直径工件考虑。对于移动型手指只有开闭

幅度要求。

（三）确保工件正确定位

为使手指和被夹持工件保持正确相对位置，必需依据被抓取工件形状，选择对应手指形

状。比如圆柱形工件采取带“V”形面手指，方便自动定心。

（四）含有足够强度和刚度

手指除受到被夹持工件反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生惯性力和振动影

响，要求有足够强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽可能使结构简单紧凑，自重轻，并

使手部中心在手腕回转轴线上，以使手腕扭转力矩最小为佳。

（五）考虑被抓取对象要求

依据机械手工作需要，经过比较，我们采取机械手手部结构是一支点，两指回转型，因

为工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所表示。

3.1.3手部夹紧液压缸设计

1、手部驱动力计算

本课题液压机械手手部结构图3-1所表示：

在公

图37齿轮齿条式手部

其工件重量G=5千克，

V形手指角度2»9=120,，b=\20/77/ZZ>R=24nun，摩擦系数为/=0.10

（：）依据手部结构传动示意图，其驱动力为：

2b

p——Nxr

R

⑵依据手指夹持工件方位，可得握力计算公式：

N-0.5/g（，-（p）

=0.5x5xr^(60-5042)

=25(N)

所以

p=：N=245(N)

⑶实际驱动力：

、K】K,

〃实际之P—^

1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取？=0.94,并取&=1.5。若被抓取工件最大加速度

取o=3g时，则：K,=1+-=4

g

1Sx4

所以p实际=245x^[=1563(N)

所以夹持工件时所需夹紧液压缸驱动力为1563N。

2,液压缸直径

本液压缸属于单向作用液压缸。依据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上输出推力必需

克服弹簧反作用力和活塞杆工作时总阻力，其公式为：

F\=-^--匕-%

式中：匕-活塞杆上推力，N

F,-弹簧反作用力，N

£-液压缸工作时总阻力，N

P-液压缸工作压力，Pa

弹簧反作用按下式计算：

*=G/(l+s)

「_Gd：

Gf=k

£)!n

Gf=黑

8。)

式中：Gf-弹簧刚度，N/m

1-弹簧预压缩量，m

s-活塞行程，m

d-弹簧钢丝直径，m

Dr弹簧平均直径，.

〃-弹簧有效圈数.

G-弹簧材料剪切模量，通常取G=79.4x1()90。

在设计中，必需考虑负载率〃影响，贝IJ:

4

由以上分析得单向作用液压缸直径：

D=)

V冲n

代入相关数据，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(〃〃〃)

查相关手册圆整，得。=65mm

由d/。=().2-0.3,可得活塞杆直径：d=(0.2-0.3)由=13-19.5mm

圆整后，取活塞杆直径4=18"7m校核，按公式々/(万/4，)工［日

有：dN(4"l/i[b])°5

其中，[b]=120M&,F}=750AZ

则：dN(4x490/万x120产

=2.28<18

满足实际设计要求。

3、缸筒壁厚设计

缸筒直接承受压缩空液压力，必需有一定厚度。通常液压缸缸筒壁厚和内径之比小于或等

于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算：

^=DPp/2[a]

式中:6-缸筒壁厚，mm

D­液压缸内径，mm

匕-试验压力，取尸〃=1.5P,Pa

材料为:ZL3,[b]=3MPa

代入己知数据，则壁厚为：

6=DPp/2[cy]

=65X6XI05/(2X3X106)

=6.5(〃〃〃)

取3=7.5mm，则缸筒外径为:D,=65+7.5x2=80（即）

第四章手腕结构设计

4.1手腕自由度

手腕是连接手部和手臂部件，它作用是调整或改变工件方位，所以它含有独立自由度，

以使机械手适应复杂动作要求。手腕自由度选择和机械手通用性、加工工艺要求、工件放置

方位和定位精度等很多原因相关.因为本机械手抓取工件是水平放置，同时考虑到通用性，

所以给手腕设一绕X轴转动回转运动才可满足工作要求现在实现手腕回转运动机构，应用最多

为回转油（气）缸，所以我们选择回转液压缸。它结构紧凑，但回转角度小于360°,而且要求

严格密封。

4.2手腕驱动力矩计算

4.2.1手腕转动时所需驱动力矩

手腕回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时驱动力矩必需克服手腕起动

时所产生惯性力矩，手腕转动轴和支承孔处摩擦阻力矩，动片和缸径、定片、端盖等处密封

装置摩擦阻力矩和因为转动件中心和转动轴线不重合所产生偏重力矩.图4T所表示为手腕受

力示意图。

1.工件2.手部3.手腕

图4T手碗回转时受力状态

手腕转动时所需驱动力矩可成下式计算：

%="惯+M偏摩+M封

式中：M骤-驱动手腕转动驱动力矩（N・c5）；

M惯-惯性力矩（N・C7%）;

M偏-参与转动零部件重量（包含工件、手部、手腕回转缸动片）对转动轴线所产生偏重力

矩（Mcm）.

M封一手腕回转缸动片和定片、缸径、端盖等处密封装置摩擦阻力

矩（Mem）;

下面以图4T所表示手腕受力情况，分析各阻力矩计算：

1、手腕加速运动时所产生惯性力矩M悦

若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时角速度为切，起动过程所用时间为加，则:

M惯="+J*(N.cm)

式中：./-参与手腕转动部件对转动轴线转动惯量(N.C〃?『)；

J}-工件对手腕转动轴线转动惯量(N.cm.V)。

若工件中心和转动轴线不重合，其转动惯量，为：

式中：jc-工件对过重心轴线转动惯量(N.C"?』)：

G-工件重量(N)；

q-工件重心到转动轴线偏心距(cm),

①-手腕转动时角速度(弧度/s);

\t~起动过程所需时间(s);

△夕一起动过程所转过角度(弧度)。

2、手腕转动件和工件偏重友转动轴线所产生偏重力矩M偏

A/偏=G©+G3e3(N-cm)

式中：G3-手腕转动件重量(N);

g-手腕转动件重心到转动轴线偏心距(cm)

当工件重心和手腕转动轴线重合时，则G©=0.

3、手腕转动轴在轴颈处摩擦阻力矩股封

M封=4(R/2+%4)(

式中：4,d2-转动轴粕颈直径(cm);

/-摩擦系数，对于滚动轴承/=0.01,对于滑动轴承/=0.1；

RA，RB-处支承反力(N),可按手腕转动轴受力分析求解，

依据£%(尸)=0,得：

RR!+G3I3=G、【->+GJ

G+GlG

R=J\22-^

B~I

同理，依据ZM/F)=O,得：

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

4_/

式中：G2-重量(N)

IJiL,h，—图4T所表示长度尺寸(cm).

4、转缸动片和缸径、定片、端盖等处密封装置摩擦阻力矩M封，和选择密衬装置类型相关，

应依据具体情况加以分析。

4.2.2回转液压缸驱动力矩计算

在机械手手腕回转运动中所采取回转缸是单叶片回转液压缸，它原理图4-2所表示，定片

1和缸体2固连，动片3和回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时,

推进输出轴作逆时4回转，则低压腔气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶液

压缸压力P驱动力矩M关系为：

2Mpb(R?-/)

M=

22

b(R-r)或

式中+回转液压£的蛔）力（1»«）

广回转液画的工作压力（H«c.）

R缸体内壁半径（»）

L给出轴半径（»）

b■动片宽度（»）

上城必动力矩和压力的关系式是对于低压总背压为零的情况下而言的-若低

小腔有一定的背压.则上式中的P应代以工作压力P.与背压P,之叁.

4.2.3手腕回转缸尺寸及其校核

1.尺寸设计

液压缸长度设计为Z?=100〃〃〃,液压缸内径为0=96【】叫半径R=48〃⑼，轴径

&=26〃"〃D2=26mm,半径火=13〃〃〃，液压缸运行角速度0=90°/s,加速度时间4=0.Is,

压强P=0.4MPa,

则力矩：

2

0.4x106u0.1(0.0482-0.0262)

一2

=32.6(N."z)

2.尺寸校核

(1)测定参与手腕转动部件质量叫=10必，分析部件质量分布情况,

质量密度等效分布在一个半经r=5O〃7Z圆盘上，那么转动惯量：

*

J-

2

lOxQ.052

=0.0125(kg.m2)

工件质量为5/g,质量分布于长/=100〃"72棒料上，那么转动惯量；

ml2

J

c012

5x0.12

__112-

=0.0042(^.m2)

假如工件中心和转动轴线不重合，对于长/=100〃?〃2棒料来说，最大偏心距

150〃〃〃,其转动惯量为：

J=Jc+犯6；

=0.0042+5x0.052

二().()167伏&62)

M愠二("4琮

=(0.0125+0.0167)言

=26.3(M〃?)

(2)手腕转动件和工件偏重对转动轴线所产生偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心

和转动轴线重合，修=0,夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线6二50如〃，贝I」：

%=+6363

=10x10x0+5x10x0.05

=2.5(N.m)

(3)手腕转动轴在轴颈处摩擦阻力矩为M摩，对于滚动轴承/=0.01,对于滑动轴承/=0.1,

4,为手腕转动轴轴颈直径，4=30皿〃，出=20〃"〃，&，时为轴颈处支承反力，粗

略估量%=300N,RB=1507V,

“摩=彳(&d2+七4)

=号(300X0.02+150X0.03)

=0.05(N〃)

4.回转缸动片和缸径、定片、端盖等处密封装置摩擦阻力矩M封，和选择密衬装置类型相关,

应依据具体情况加以分析。在此处估量M封为M摩3倍，

M封=3xM摩

=3x0.05

=0.15(N.M

M驱="惯+M偏+M摩+M的

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

=29(N.m)

M.£M

设计尺寸符合使用要求，安全。

第五章手臂伸缩，升降，回转液压缸尺寸设计和校核

5.1手臂伸缩液压缸尺寸设计和校核

5.1.1手臂伸缩液压缸尺寸设计

手臂伸缩液压缸采取烟台液压元件厂生产标准液压缸，参看此企业生产多种型号结构特

点，尺寸参数，结合本设计实际要求，液压缸用CTA型液压缸，尺寸系列初选内径为。100/63,

相关此液压缸资料详情请参看烟台液压元件厂企业主页：

.cn/products.asp.

5.1.2尺寸校核

1.在校核尺寸时，只需校核液压缸内径半径R=31.5mm液压缸尺寸满足使用要求即

可，设计使用压强2=0.4A/Pa,

则驱动力：

F=P力R?

=0.4X106X3.14X0.03152

=1246(N)

2.测定手腕质量为50kg,设计加速度。=10(〃?/s),则惯性力:

F}=nia

=50x10

=500(N)

3.考虑活塞等摩擦力，设定摩擦系数2=0.2,

『k耳

=0.2x500

=100(N)

总、受力F。=F、+%

=500+100

=600(?/)

所以标准CTA液压缸尺寸符合实际使用驱动力要求。

5.1.3导向装置

液压驱动机械手臂在进行伸缩运动时，为了预防手臂绕轴线转动，以确保手指正确方向,

并使活塞杆不受较大弯曲力矩作用，以增加手臂刚性，在设计手臂结构时，应该采取导向装

置。具体安装形式应该依据本设计具体结构和抓取物体重量等原因来确定，同时在结构设计

和布局上应该尽可能降低运动部件重量和降低对回转中心惯量。

导向杆现在常采取装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆

来增加手臂刚性和导向性。

5.1.4平衡装置

在本设计中，为了使手臂两端能够尽可能靠近重力矩平衡状态，降低手抓一侧重力矩对

性能影响，故在手臂伸缩液压缸一侧加装平衡装置，装置内加放祛码，祛码块质量依据抓取

物体重量和液压缸运行参数视具体情况加以调整，务求使两端尽可能靠近平衡。

5.2手臂升降液压缸尺寸设计和校核

5.2.1尺寸设计

液压缸运行长度设计为/=液压缸内径为。尸110mm,半径R=55uim,液压缸运行速度，

加速度时间Az=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力:

2

Go=p.7rR

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

=3799(N)

5.2.2尺寸校核

1.测定手腕质量为80kg,则重力:

G=mg

=80x10

=800(N)

2.设计加速度。=5(〃?/s),则惯性力：

G]=ma

=80x5

=400(N)

3.考虑活塞等摩擦力，设定一摩擦系数4=0.1,

=k.G\

=0.1x400

=40(N)

・••总受力G,/=G+G1+G,”

=8004-400+40

=1240(/V)

Gq<G。

所以设计尺寸符合实际使用要求。

5.3手臂回转液压缸尺寸设计和校核

5.3.1尺寸设计

液压缸长度设计为〃=12()〃〃〃，液压缸内径为A=210〃〃〃，半径R=105mm,轴径

S

D2=40〃〃〃半径R=20〃〃〃，液压缸运行角速度0=90°/,加速度时间△1二().5s,压强

P=0.4MPa,

pb(R2-r2)

则力矩：M-

2

0.4x106x0.12(0.1052-0.0202)

2

=255(N.m)

5.3.2尺寸校核

1.测定参与手臂转动部件质量叫=120心，分析部件质量分布情况,

质量密度等效分布在一个半径一=200〃〃圆盘上，那么转动惯量:

2

120x0.10

=0.6(kg.m2)

M愤=J

」90

=0.6x——

0.5

=1()8(N.M

考虑轴承，油封之间摩擦力，设定一摩擦系数2=0.2,

M摩惯

=0.2x108

=5.4(N.加

总驱动力矩:

M强=加惯+”擘

=108+5.4

=113.4(N.M

第六章气动系统设计

6.1气压传动系统工作原理图附PW7]

图6—1所示为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压

缩机（排气压力大于0・4〜0.6MPa）通过快换接头进入储气罐，经分水过滤渊、

调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。

手指央宗气缸手臂加

田6—1机械孑气压传动系统工作原理图

Fig.6-1PrincipiunDiagramOfAirPressureSystemofManipulator

表6-1气路元件表

序号型号规格名称数量

1QF-44手动截止阀1

2储气缸2

3QSL-26-Sj分水滤气器1

4QTY-20-S,减压阀1

5QIU-20-Sj油雾岩1

6YJ-1压力继电器1

-32-

724DH-10-S1二位五通电磁滑阀1

824D2H-10-S1二位五通电磁滑阀4

924D2H-15-S1二位五通电磁滑阀1

10单向节流阀2

11LI-25单向节流阀2

12快速排气阀2

13气液转换器1

各通行机构调速，通常能采取排气口节流方法，全部在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉

进行调整，这种方法特点是结构简单效果好。如平臂伸缩液压缸在靠近液压缸处安装两个快

速排气阀，可加紧开启速度，也可调整全程速度。升降液压缸采取气节流单向节流阀以调整

手臂上升速度，因为手臂靠自重下降，其速度调整仍采取在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉

来完成。气液传送器液压缸排气节流，可用来调整回转液压缓冲器背压大小U

为简化气路，降低电磁阀数量，各工作液压缸缓冲均采取液压缓冲器，这么能够省去电

磁阀和切换节流阀或行程节流阀气路阻尼元件。

电磁阀通径，是依据各工作液压缸尺寸，行程，速度计算出所需压缩空气流量，和选择

电磁阀在压力状态下公称使用流量相适应来确定。

第七章机械手PLC控制系统设计

考虑到机械手通用性，同时使用点位控制，所以我们采取可编程序控制器(PLC)对机械

手进行控制.当机械手动作步骤改变时，只需改变PLC程序即可实现，很方便快捷。

7.1可编程序控制器选择及工作过程

7.1.1可编程序控制器选择

现在，国际上生产可编程序控制器厂家很多，如E本三菱企业F系列PC,德国西门子企业

SZMATTCN5系列PC、日本OMRON(立石)企业C型、P型PC等。考虑到本机械手输入输出点不多，

工作步骤较简单，同时考虑到制造成本，所以在此次设计中选择了OMRON企业C28P型可编程序

控制器。

7.1.2可编程序控制器工作过程

可编程序控制器是经过实施用户程序来完成多种不一样控制任务。为此采取了循环扫描

工作方法。具体工作过程可分为四个阶段。

第一阶段是初始化处理。

可编程序控制器输入端了•不是直接和主机相连,CPU对输入输HI状态问询是针对输入输出

状态暂存部而言。输入输出状态暂存器也称为I/O状态表.该表是一个专门存放输入输出状态

信息存放区。其中存放输入状态信息存放器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息存放器叫输

出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/O状态表清零，然后进行自诊疗。当确定其硬件工作正

常后，进入下一阶段。

第二阶段是处理输入信号阶段。

在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，洛取得各个输入端子状态信息送到I/O

状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点状态在I/O状态表中一直保持不变，不会受到

各个输入端子信号改变影响，所以不能造成运算结果混乱，确保了本周期内用户程序正确实

施。

第三阶段是程序处理阶段。

当输入状态信息全部进入I/O状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可

编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并依据各I/O状态和相关指令进行运算和处理，最终

将结果写入I/O状态表输出状态暂存器中。

第四阶段是输出处理阶段。

CPU对用户程序已扫描处理完成，并将运算结果写入到I/O状态表状态暂存器中。此时将

输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设

备进行多种对应动作。然后，CPU又返回实施下一个循环扫描周期。

7.2可编程序控制器使用步骤

在可编程序控制器和被控对象(机器、设备或生产过程)组成一个自动控制系统时，通常

以七个步骤进行：

(1)系统设计

即确定被控对象T作原理，控制要求,动作及动作次序c

(2)I/O分配

即确定哪些信号是送到可编程序控制器，并分配给对应输入端号;哪些信号是由可编程序

控制器送到被控对象，并分配对应输出端号.另外，对用到可编程序控制器内部计数器、定时

器等也要进行分配。可编程序控制器是经过编号来识别信号。

(3)画梯形图

它和继电器控制逻辑梯形图概念相同，表示了系统中全部动作相互关系。假如使用图形

编程器(LCD或CRT),则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制

器。对简易编程器，则往往要经过下一步助记符程序转换过程。

(4)助记符机器程序

相当于微机助记符程序，是面向机器(即不一样厂家可编程序控制器，助记符指令形式

不一样)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制

器中。

(5)编制程序

即检验程序中每条语法错误，若有则修改。这项二作在编程器上进行。

(6)调试程序

即检验程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，能够在编程器上修改。程序设计(包

含画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别工具上进行。如IBM-PC机，只要这个

机器配有对应软件。

(7)保留程序

调试经过程序，能够固化在EPROM中或保留在磁盘上备用。

7.3机械手可编程序控制器控制方案

7.3.1控制系统工作原理及控制要求

1.控制对象为圆柱座标液压机械手。它手臂含有三个自由度，即水平方向伸、缩;竖直方

向上、下;绕竖直轴顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末端实施装置一机械手，

还可完成抓、放功效。以上各动作均采取液压方法驱动，即用五个二位五通电磁阀(每个阀有

两个线圈，对应两个相反动作)分别控制五个液压缸，使机械手完成伸、缩、上、下、旋转及

机械手抓放动作C其中旋转运动用一组齿轮齿条.使液压缸直线运动转化为旋转运动C这么，

可用PLC8个输出端和电磁阀8个线圈相连，经过编程，使电磁阀各线圈按一定序列激励，从而

使机械手按预先安排动作序列工作.假如欲改变机械手动作，不需改变接线，只需将程序中动

作代码及次序稍加修改即可。另外，除抓放外，其它六个动作末端均放置一限位开关，以检

测动作是否到位，假如某动作没有到位，则犯错指示灯亮。

2.控制要求

为了满足生产需要，机械手应设置手动工作方法、单动工作方法和自动工作方法°

（1）手动工作方法

便于对设备进行调整和检修，设置手动工作方法。用按钮对机械手每一动作单独进行控

制。

（2）单动工作方法

从原点开始，根据自动工作循环步序，每按下一次起动按钮，机械手完成一步工作后，

自动停止。

（3）自动工作方法

按下起动按钮，机械手从原点开始，按工序自动反复连续工作，直到按下停上按钮，机

械手在完成最终一个周期动作后，返回原点自动停机。

7.3.2液压机械手工作步骤（图77所表示）

液压机械手T作步骤以下：

（1）当按下机械手开启按钮以后，首先立柱右转电磁阀通电，机械手右转，至右限

位开关动作。

（2）立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作。

（3）手臂伸长电磁阀通电，手臂开始伸长，至限位开关动作。

（4）手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。

（5）立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作。

（6）手爪抓紧电磁阀通电，手爪抓紧，至限位开关动作。

（7）立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作。

（8）手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。

（9）手腕收缩电磁阀通电，手腕收缩，至限位开关动作。

（10）立柱左转电磁阀通电，机械手左转，至左限位开关动作。

(11)手臂伸长电磁阀通电，手臂开始伸长，至限位开关动作。

(12)手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。

(13)立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作。

(14)手爪松开电磁阀通电，手爪松开，至限位开关动作。

(15)手腕收缩电磁阀通电，手腕收缩，至限位开关动作。完成一次循环，然后反复

以上循环动作。

(16)按下停止按钮或停电时，机械手停止在现行工步上，重新开启时，机械手按上

一工步继续工作。

图7-1机械手自动控制工作步骤框图

7.3.3I/O分配

依据系统输入输出点数目，选择OMRONC28P型PC,它有16个输入点，

标号为0000-0015;12个输H点,标号为0500-0511.如表7-1所表示。

表7-1I/O分配

输入输出

手臂左转

启动0000

0500

手臂后转

停止0001

0501

手臂伸长

手爪抓紧0002

0502

手臂收缩

左转限位开关0003

0503

手看上升

右转限位开关0004

0504

手臂下降

伸长限位开关0005

0505

手也逆转

收缩限位开关0006

0506

手艇顺转

上升限位开关0007

0507_____

手爪抓麻

下降限位开关0008

0508

左转限位开关手爪放松

0009

050»

顿转限位开关0010

物品检测—0011

其它地址分配：

1、夹紧定时器:T1,定时5s2、放松定时器:T2,定时5s3、自动方法标志:M0.0

4、单动方法标志:MO.15、手动方法标志:M0.26、结束标志:M0.5

7.3.4梯形图设计

依据机械手逻辑时序图及1/0分配，能够画出控制梯形图。控制梯形图可分为子程序部分

和主程序部分。

子程序部分包含：自动方法控制梯形图（7-2）和手动方法控制梯形图（7-3）o

1.自动控制方法梯形图以下：

网络1：启动机械手下降

I10.410.611.5Q4.1ML1Q4.0

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

网络2：机械手下降到位，停止下降并后动夹紧控制

IQ4.010.610.5M1.2Q4.0

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

Q4.4

—（S）

网络3：机械手夹紧并启动夹紧定时器，定时5s

S5T#5s

网络4：定时时间到，并且机械手没有下降时，启动上引

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

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

网络5：机械手上升到位，停止上升并启动右移控带

10.610.4Q4.1

Q4.3M1.4Q4.2

-(S)

网络6：机械手右移到位，停止右移并启动下降控带

Q4.210.410.7Q4.2

Q4.1Ml.lQ4.0

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

网络7：机械手下降到位，停止下降并启动松开控带

IQ4.010.710.5M1.2Q4.0

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

Q4.4

—（R）

网络&机械手松开并启动松开定时器，定时5s

Q4.410.710.5Q4.1T2

一并一11——II~~牙——（SD）

S5T#5s

网络9：定时时间到，并且机械手没有下降时启动上升控制

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

|——11——11——II升——阴——（S）

网络10：机械手上升到位，停止上升并启动左移控制

网络11：机械