第 0 頁 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） （說 明 書） 題 目： 搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì) 姓 名： 編 號(hào)： XXXXX 學(xué)院 年 月 日 第 1 頁 摘要 本課題設(shè)計(jì)的為通用圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn) 物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn) 行操作的自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā) 展起著重要作用。因而具有強(qiáng)大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實(shí)踐證 明，工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞 動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬 運(yùn)和長期頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、 深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性， 有著廣闊的發(fā)展前途。 通過對(duì)機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和液壓傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)，它能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料運(yùn)動(dòng)， 自動(dòng)搬運(yùn)棒料。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度是按著滿足生產(chǎn)率的要求來設(shè)定。 關(guān)鍵詞： 搬運(yùn)機(jī)械手,手爪,手腕,手臂,液壓，PLC 第 2 頁 Abstract This topic design for general cylindrical coordinate manipulator. Industrial machinery hand is the inevitable product of industrial production, it is a copy of the upper part of the human body functions, in accordance with a predetermined transfer request or the workpiece hold the tools to operate the equipment automation technology, to achieve industrial production automation, the promotion of industrial production of the further development plays an important role in. So they have strong vitality of the people by the extensive attention and welcome. Practice has proved, the industrial robot can replace the staff of the heavy labor, significantly reduced labor intensity of workers, improve working conditions, improve labor productivity and the level of automation. Industrial production often appears in the bulky workpiece handling and frequent long-term, monotonous operation, a mechanical hand to be effective. In addition, it can be in high temperature, low temperature, water, the universe, radioactive and other toxic, pollution of the environment under the conditions of operation, but also show its superiority, there are broad development prospects. Through the mechanical hand for structure design and the hydraulic transmission principle design, it can realize the automatic feeding, automatic handling bar. The manipulator motion speed is to meet the requirements to set the productivity. Key words: manipulator, gripper, wrist, arm, hydraulic, PLC 第 3 頁 目錄 摘要 .1 ABSTRACT .2 第一章 緒論 .4 1.1 搬運(yùn)機(jī)械手的組成 .4 1.2 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 .5 第二章 搬運(yùn)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .7 2.1 手部設(shè)計(jì)計(jì)算 .7 2.1.1 對(duì)手部設(shè)計(jì)的要求 .7 2.1.2 拉緊裝置原理 .8 2.1.3 手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 .8 2.2 腕部回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算 .11 2.2.1 腕部的結(jié)構(gòu)形式 .11 2.2.2 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 .12 2.3 手臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 .14 2.4 手臂升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .15 2.4.1 尺寸設(shè)計(jì) .16 2.4.2 尺寸校核 .17 2.5 手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .18 2.5.1 計(jì)算扭矩 M1 .19 2.5.2 機(jī)構(gòu)工作參數(shù)總結(jié)： .20 2.6 液壓泵的初選擇 .20 第三章 搬運(yùn)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .23 3.1 手部抓取缸 .23 3.2 腕部擺動(dòng)液壓回路 .24 3.3 手臂伸縮液壓缸回路 .25 3.5 手臂回轉(zhuǎn)擺動(dòng)缸回路 .26 3.6 總體系統(tǒng)圖 .26 第四章 搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .29 4.1 機(jī)械手的模擬工作過程 .29 4.2 機(jī)械手的操作原理 .31 4.3 機(jī)械手傳送系統(tǒng)梯形圖 .31 參考文獻(xiàn) .34 致謝 .35 第 4 頁 第一章 緒論 1.1 搬運(yùn)機(jī)械手的組成 搬運(yùn)機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成 圖 1.1 搬運(yùn)機(jī)械手的動(dòng)作順序和檢測(cè)元件、執(zhí)行元件的布置示意圖 1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)：包括手部、手腕、手臂和立柱等部件 手部：是機(jī)械手與工件接觸的部件。由于與物體接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附 式手部。由于本課題的工件是圓柱狀棒料，所以采用夾持式。由手指和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成，手 指與工件接觸而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指夾緊力來完成夾放工件的任務(wù)。 手腕：是聯(lián)接手部和手臂的部件，起調(diào)整或改變工件方位的作用。 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。 立柱：是支承手臂的部件。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手 的立柱通常為固定不動(dòng)的。 第 5 頁 機(jī)座：是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故 起支承和聯(lián)接的作用。 2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。常用的有液壓傳動(dòng)、氣壓 傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四種形式。 3.控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng) ，它控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定的 要求進(jìn)行工作，并檢測(cè)其正確與否。一般常見的為電器與電子回路控制，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也 不斷增多。 搬運(yùn)機(jī)械手各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖 1.2 所示。 圖1.2 機(jī)械手組成方框圖 1.2 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 設(shè)計(jì)通用圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手及控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中的機(jī)械手各動(dòng)作由液壓缸驅(qū)動(dòng)，并有電 磁閥控制，技術(shù)指標(biāo)如下： 抓重：50N-200N 自由度（四個(gè)自由度） 動(dòng)作 符號(hào) 行程范圍 速度 伸縮 X 400mm 小于 250mm/s 升降 Z 300mm 小于 70mm/s 第 6 頁 回轉(zhuǎn) 0120 小于 90/s 手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù) 回轉(zhuǎn) 行程范圍 0180 速度 小于 90/s 手指夾持范圍：棒料，直徑 5070mm，長度 4501200mm 定位精度：3mm。 控制方式：PLC 第 7 頁 第二章 搬運(yùn)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.1 手部設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1.1 對(duì)手部設(shè)計(jì)的要求 1、有適當(dāng)?shù)膴A緊力 手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞棒料的 已加工表面。對(duì)于剛性很差的棒料夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于本應(yīng)考慮采用自鎖 安全裝置。 2、有足夠的開閉范圍 本機(jī)械手手部的手指有張開和閉合裝置。工作時(shí)，一個(gè)手指開閉位置以最大變化量稱為 開閉范圍。對(duì)于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范 圍的要求與許多因素有關(guān)，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，工 作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好，如圖 2.1 所示。 圖 2.1 機(jī)械手開閉示例簡(jiǎn)圖 第 8 頁 3、力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小 手部處于腕部的最前端，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)機(jī)械 手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 重量輕，體積小。 4、手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度 5、其它要求 對(duì)于夾緊機(jī)械手，根據(jù)工件的形狀為圓形棒料，因此最常采用的是外卡式兩指鉗爪，夾 緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時(shí)，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造方便。 2.1.2 拉緊裝置原理 如圖 2.3 所示：油缸右腔停止進(jìn)油時(shí)，彈簧力向右工件，油缸右腔進(jìn)油時(shí)松開工件。 當(dāng)油缸的右腔停止進(jìn)油時(shí)，彈簧收到向右的力，使與彈簧相連的手部受到向右的拉力， 從而使手爪合攏。當(dāng)油腔的右腔進(jìn)油時(shí)，彈簧受到向左的壓力，使與彈簧相連的手爪向外伸 出，從而放松工件。 左出油口 右進(jìn)油口 圖 2.2 缸示意簡(jiǎn)圖 2.1.3 手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 第 9 頁 圖 2.3 手部受力分析 1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座 如圖所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿 3 作用下銷軸 2 向上的拉力為 P，并通過銷軸中心 O 點(diǎn)，兩手指 1 的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為 P1、P2 ，其力的方向垂直于滑槽中心線 OO1 和 OO2 并指向 O 點(diǎn)，P1 和 P2 的延長線交 O1O2 于 A 及 B，由于 O1OA 和O2OA 均為直角 三角形，故 AOC=BOC=。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即 Fx=0,P1=P2;Fy=0 P=2P1cos P1=P/2cos 銷軸對(duì)手指的作用力為 p1。手指握緊工件時(shí)所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握 力作用在過手指與工件接觸面的對(duì)稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以 N 表示。 由手指的力矩平衡條件，即m01(F)=0 得 P1h=Nb 因 h=a/cos 所以 P=2b(cos) N/a2 式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離（毫米）。 工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。 由上式可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力 P 一定時(shí)， 角增大則握力 N 也隨之增加，但 角過大會(huì)導(dǎo)致 第 10 頁 拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取 =3040。這里取角 =30 度。 這種手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有動(dòng)作靈活，手指開閉角大等特點(diǎn)。查工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 中表 2-1 可知，V 形手指夾緊圓棒料時(shí)，握力的計(jì)算公式 N=0.5G，綜合前面驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 方法，可求出驅(qū)動(dòng)力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動(dòng)以及傳力機(jī)構(gòu) 效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力 P 實(shí)際應(yīng)按以下公式計(jì)算，即： P 實(shí)際=PK1K2/ 式中 手部的機(jī)械效率，一般取 0.850.95； K1安全系數(shù)，一般取 1.22 K2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， K2 可近似按下式估計(jì)， K2=1+a/g，其中 a 為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，g 為重力加速度。 本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動(dòng)速度為 500 毫米/秒，移動(dòng)加速度為 1000 毫米/秒 ，工件重量 G 為 98 牛頓，V 型鉗口的夾角為 120,=30時(shí)，拉緊油缸的驅(qū)2 動(dòng)力 P 和 P 實(shí)際計(jì)算如下： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計(jì)算 公式 N=0.5G 把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為 N=49（N） 由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式 P=2b(cos) N/a 得2 P=P 計(jì)算=245/27(cos30) 49=122.5(N) P 實(shí)際=P 計(jì)算 K1K2/ 取 =0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1 則 P 實(shí)際=122.51.51.1/0.85=238(N) 第 11 頁 2.2 腕部回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算 腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運(yùn)動(dòng)主要用來改變被夾物體的方位，它動(dòng)作靈活， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個(gè)自由度，可采用具有一個(gè)活動(dòng)度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕 部結(jié)構(gòu)。 要求：回轉(zhuǎn) 0180，即90 角速度 W 小于 90/s 以最大負(fù)荷計(jì)算 2.2.1 腕部的結(jié)構(gòu)形式 本搬運(yùn)機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差， 回轉(zhuǎn)角度為115. 如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進(jìn)行連接和 定位，動(dòng)片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩 腔分別通入壓力油時(shí)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動(dòng)，即為手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 圖 2.4 機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu) 第 12 頁 2.2.2 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動(dòng) 時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等 處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 所需要的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： M 驅(qū)=M 慣+M 偏+M 摩 （N.m） 式中 M 驅(qū)驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 M 慣慣性力矩 （N.m） M 偏參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的 動(dòng)片）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （N.m） M 摩手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m） 圖 2.5 腕部回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算圖 摩擦阻力矩 M 摩 M 摩 = （N1D1+N2D2） （N.m）2f 式中 f軸承的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)軸承取 f=0.02，滑動(dòng)軸承取 f=0.1； N1 、N2 軸承支承反力 （N）； D1 、D2 軸承直徑（m） 第 13 頁 由設(shè)計(jì)知 D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=98N e=0.020 時(shí) M 摩 =0.1（2000.035+8000.054）/2 得 M 摩 =2.50（N.m） 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M 偏 M 偏 =G1 e （N.m） 式中 G1工件重量（N） e偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心 線重合時(shí)，M 偏為零 當(dāng) e=0.020，G1=98N 時(shí) M 偏 =1.96 （Nm） 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩 M 慣 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度 時(shí)，可用下式計(jì)算 M 慣 M 慣 =（J+J 工件） （Nm） t 式中 手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s） T手腕啟動(dòng)過程中所用時(shí)間（ s），（假定啟動(dòng)過程中近為加速 運(yùn)動(dòng)） J手腕回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kgm ）2 J 工件工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （kgm ） 按已知計(jì)算得 J=2.5，J 工件 =6.25， =0.3m/ m ,t=22 故 M 慣 = 1.3（ Nm） 當(dāng)知道啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度 時(shí)，也可以用下面的公式計(jì)算 M 慣： M 慣= （J+J 工件） （Nm）2 式中 啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）; 手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）。 考慮到驅(qū)動(dòng)缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可取 M =1.11.2 （M 慣+M 偏+M 摩 ） （N.m） 第 14 頁 M = 1.2（2.5+1.96+1.3 ） =6.9 （N.m） 2.3 手臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的，一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意點(diǎn)上，從臂部的受力情況看， 它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動(dòng)、靜載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力較 復(fù)雜。 機(jī)械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導(dǎo)向裝置和定位 方式就顯得尤其重要了。 手臂的伸縮速度為小于 250m/s 行程 L=400mm 1.手臂右腔工作壓力，公式得： P=（F+ F 摩）/S 式中：F取工件重和手臂活動(dòng)部件總重，估算 F=30+25=55kg， F 摩=1800N。 所以代入公式得：F=2350N 由課本液壓與氣壓傳動(dòng)表 9-2 表得：負(fù)載小于 5KN 時(shí)，工作壓力小于 0.8MPa， 取 P=0.6MPa S=（F+ F 摩）/P =（5510+1800）/0.6 =3917mm 由 S=R得 R= =35.3mm 則 D=70.6mm3.14/S 由課本液壓與氣壓傳動(dòng)查表 4-2 得直徑為 80mm 2.手臂右腔流量，公式得： Qmax=sv 第 15 頁 =25040 =1256000.65mm/s =1256ml/s 2.4 手臂升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 手臂執(zhí)行機(jī)械手動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手功能，通過升降機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手整體的上升與下 降，聯(lián)接手爪可以實(shí)現(xiàn)貨物的上升與下降。 由于手臂重量較大，因此，升降需要導(dǎo)向和支撐部件來實(shí)現(xiàn)功能。 手臂的升降速度小于 70mm/s，行程為 300mm，符號(hào)為 Z 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 手臂升降機(jī)構(gòu)如圖 2.6 圖 2.6 手臂升降機(jī)構(gòu) 工作原理： 第 16 頁 當(dāng)液壓油從下端油口輸入時(shí)，升降液壓缸將做上升運(yùn)動(dòng)，液壓油從上端油口回油；當(dāng)液 壓油從上端油口進(jìn)油時(shí)，液壓缸做下降運(yùn)動(dòng)，液壓油從下端油口回油 2.4.1 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸長度設(shè)計(jì)為 ,氣缸內(nèi)徑為 ,半徑 R=105mm,軸徑 半mb120mD210mD402 徑 ,氣缸運(yùn)行角速度 = ，加速度時(shí)間 0.5s,壓強(qiáng) ,mR20s/9 tMPa.0 則力矩： 2 )(rRpM ).(5 )02.15.(04.6mN 2.4.2 尺寸校核 測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 ,分析部件的質(zhì)量分布情況，kgm120 質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：r 2 1J10.2 （ ）6.2.mkg tJM.慣 ).(108596mN 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) ,2k 第 17 頁 慣摩 Mk.）（ mN.451082 總驅(qū)動(dòng)力矩 摩慣驅(qū) ）（ mN.413508 設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。M驅(qū) 2.5 手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 本課題手臂具有回轉(zhuǎn)這一個(gè)自由度，可采用具有一個(gè)活動(dòng)度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的手臂結(jié)構(gòu)。 要求：回轉(zhuǎn) 0210 角速度 W 小于 90/s 以最大負(fù)荷計(jì)算： 當(dāng)工件裝夾在手爪上，伸縮手臂處于最大長度時(shí)，采用估算法，總重為 100Kg，伸縮液 壓缸伸出總長度 L=800mm。 第 18 頁 圖 2.7 手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 回轉(zhuǎn)液壓缸的工作原理： 改回轉(zhuǎn)液壓缸為，軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，缸桶轉(zhuǎn)動(dòng)。軸當(dāng)液壓油從 B 側(cè)進(jìn)入時(shí)，回轉(zhuǎn)液壓缸缸桶 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)液壓油從 A 側(cè)進(jìn)入時(shí)，回轉(zhuǎn)液壓缸缸桶順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 本課題手臂具有回轉(zhuǎn)這一個(gè)自由度，可采用具有一個(gè)活動(dòng)度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的手臂結(jié)構(gòu)。 要求：回轉(zhuǎn) 0210 角速度 W 小于 90/s 以最大負(fù)荷計(jì)算： 當(dāng)工件裝夾在手爪上，伸縮手臂處于最大長度時(shí)，采用估算法，總重為 100Kg，伸縮液 壓缸伸出總長度 L=800mm。 2.5.1 計(jì)算扭矩 M1 設(shè)重力集中于離手指中心 250mm 處，假設(shè)所夾的重物的重力為 F，即扭矩 M2 為： M2=FS =10000.25=250（NM） 由于有油缸配件、擺動(dòng)缸的摩擦力矩的存在，暫且在計(jì)算力矩的基礎(chǔ)上乘以系數(shù) =1.2 第 19 頁 則 M 總= M2=2501.2=300（NM） 由公式 T=Pb（A1-mm ）106/8 其中： b葉片密度，這里取 b=3cm； A1擺動(dòng)缸內(nèi)徑, 這里取 A1=15cm； mm轉(zhuǎn)軸直徑 , 這里取 mm=6cm。 所以代入公式 P=8T/b（A1-mm）106 =8300/0.03（0.15-0.06）106 =4.23Mpa 由 W=8Q/（A1-mm）b 所以 Q=W（A1-mm）b/8 =（/4）（0.15-0.06）0.03/8 =0.5610-4m/s =56ml/s 2.5.2 機(jī)構(gòu)工作參數(shù)總結(jié)： 手部抓緊 直徑 70mm 行程 50mm 工作壓力 4.18MPa 流量 251.2ml/s 速度 50mm/s 腕部回轉(zhuǎn) 內(nèi)徑 120mm 轉(zhuǎn)軸直徑 50mm 行程 0180（90） 工作壓力 2.71MPa 流量 35ml/s 速度小于 90/s 小臂伸縮 內(nèi)徑 80mm 行程 400mm 工作壓力 0.6MPa 流量 1256ml/s 速度小于 250m/s 手臂升降 內(nèi)徑 100mm 行程 300mm 工作壓力 0.6MPa 速度小于 70mm/s 第 20 頁 流量 549.5ml 手臂回轉(zhuǎn) 內(nèi)徑 150mm 轉(zhuǎn)軸直徑 60mm 行程 0210 工作壓力 4.23MPa 流量 56ml/s 速度小于 90/s 2.6 液壓泵的初選擇 1.根據(jù)小節(jié) 2.5.2 中計(jì)算所得參數(shù)可知 所需液壓最高壓力 P=4.23Mpa 所需液壓最大流量 Q=1256ml/s 選取 CB-D 型液壓泵（齒輪泵） 此泵工作壓力為 10Mpa，轉(zhuǎn)速為 1800r/min，工作流量 Q 在 3270ml/r 之間，即 900mm/s2100mm/s，可以滿足需要。 2.驗(yàn)算腕部擺動(dòng)缸： T=Pb（A1-mm） m106/8 W=8v/（A1- mm）b 式中：m機(jī)械效率取： 0.850.9 v容積效率?。?0.70.95 所以代入公式得： T=2.710.03（0.12-0.05 ）0.85106/8 =102.8（N M） TM=121（N M） 代入公式得： Wmax=（83510-6）0.85/（ 0.12-0.05）0.03 第 21 頁 =0.667rad/s W/21.57rad/s 因此，取腕部回轉(zhuǎn)油缸工作壓力 P=3Mpa 流量 Q=40ml/s 3.驗(yàn)算手臂回轉(zhuǎn)擺動(dòng)缸： T=Pb（A1-mm） m106/8 W=8v/（A1- mm）b 式中：m機(jī)械效率?。?0.850.9 v容積效率?。?0.70.95 所以代入公式得： T=4.230.03（0.15-0.06）0.85106/8 =254.8（NM） TM 總 =300（NM） 代入公式得： Wmax=（85610-6）0.85/（ 0.15-0.06）0.03 =0.672rad/s W/21.57rad/s 因此，取腕部回轉(zhuǎn)油缸工作壓力 P=5Mpa 流量 Q=60ml/s 圓整其他缸的數(shù)值： 手部抓取缸工作壓力 P =4.5Mpa 流量 Q=300ml/ s 小臂伸縮缸工作壓力 P =0.6Mpa 流量 Q=1300ml/s 手臂升降缸工作壓力 P =0.6Mpa 流量 Q=600ml/s 4.確定電機(jī)規(guī)格： 第 22 頁 通過對(duì)液壓泵的型號(hào)的確定，液壓泵選取 CB-D 型液壓泵，額定壓力 P=10Mpa，工作流 量在 3270ml/r 之間。選取 1500ml/s（90L/min）為額定流量的泵 因此：傳動(dòng)功率 功率=壓力流量/（60效率） N=PQ/ 式中：=0.8 （經(jīng)驗(yàn)值） 所以代入公式得： N=1090/（ 600.8） =18.75KW 選取 380V 交流異步電動(dòng)機(jī)的額定功率 20KW，轉(zhuǎn)速為 2940r/min。 第三章 搬運(yùn)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 23 頁 經(jīng)過比較分析以及工業(yè)上的應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)裝置 3.1 手部抓取缸 圖 3.1 鉗式手爪缸液壓原理圖 泵的供油壓力 P 取 10Mpa，流量 Q 取系統(tǒng)所需最大流量即 Q=1300ml/s。 因此，需裝調(diào)速閥，流量定為 300ml/s，工作壓力 P=5Mpa。 采用： YF-B10B 溢流閥 2FRM5-20/102 調(diào)速閥 23E1-10B 二位三通閥 第 24 頁 3.2 腕部擺動(dòng)液壓回路 圖 3.2 腕部擺動(dòng)液壓回路 工作壓力 P=3Mpa 流量 Q=40ml/s 采用： 2FRM5-20/102 調(diào)速閥 34E1-10B 三位四通換向閥 YF-B10B 溢流閥 第 25 頁 3.3 手臂伸縮液壓缸回路 圖 3.3 手臂伸縮液壓缸回路 工作壓力 P=0.6Mpa 流量 Q=1300ml/s 采用： YF-B10B 溢流閥 2FRM5-20/102 調(diào)速閥 23E1-10B 三位四通閥 圖 3.3 手臂伸縮液壓缸回路 3.4 手臂升降液壓缸回路 圖 3.4 手臂升降液壓缸回路 第 26 頁 工作壓力 P=0.6Mpa 流量 Q=600ml/s 采用： YF-B10B 溢流閥 2FRM5-20/102 調(diào)速閥 23E1-10B 三位四通閥 3.5 手臂回轉(zhuǎn)擺動(dòng)缸回路 圖 3.5 手臂回轉(zhuǎn)擺動(dòng)缸回路 工作壓力 P=4.23MPa 流量 Q=56ml/s 采用： 2FRM5-20/102 調(diào)速閥 34E1-10B 三位四通換向閥 YF-B10B 溢流閥 3.6 總體系統(tǒng)圖 第 27 頁 圖 3.6 總體系統(tǒng)圖 工作過程 小臂伸長手部抓緊腕部回轉(zhuǎn)小臂回轉(zhuǎn)小臂收縮手部放松 電磁鐵動(dòng)作順序如表 3.1 第 28 頁 表 3.1 電磁鐵動(dòng)作順序表 元件 動(dòng)作 YA1 YA2 YA3 YA4 YA5 YA6 YA7 YA8 小臂伸長 + + - + - + 手部抓緊 + + - + - + - 腕部回轉(zhuǎn) + + - + - - - 小臂收縮 + - - - + - + - 手部放松 + - - - + - + 第 29 頁 第四章 搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)是機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)本課題的要求采用 PLC 控制方式，機(jī)械手的手 部、腕部、臂部等的動(dòng)作以及相關(guān)機(jī)械的協(xié)調(diào)動(dòng)作都是通過 PLC 的控制來實(shí)現(xiàn)的。主要控制 內(nèi)容有動(dòng)作的順序，動(dòng)作的位置與路徑、動(dòng)作的時(shí)間。 4.1 機(jī)械手的模擬工作過程 圖 4.1 機(jī)械手的工作過程 由于控制點(diǎn)數(shù)比較少，因此我們選擇使用小型 PLC 來控制，通過對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的比較， 我們采用三菱 PLC，采用 FX2N-40MR 1 輸入輸出點(diǎn)數(shù)的分配 - 第 30 頁 表 4.1 輸入和輸出點(diǎn)的分配 名 稱 代號(hào) 輸入 名 稱 代號(hào) 輸入 名 稱 代號(hào) 輸出 啟動(dòng) SB1 X000 夾緊 SB5 X010 電磁閥下降 YV1 Y000 下限行程 SQ1 X001 放松 SB6 X011 電磁閥夾緊 YV2 Y001 上限行程 SQ2 X002 單步上升 SB7 X012 電磁閥上升 YV3 Y002 右限行程 SQ3 X003 單步下降 SB8 X013 電磁閥右行 YV4 Y003 左限行程 SQ4 X004 單步左移 SB9 X014 電磁閥左行 YV5 Y004 停止 SB2 X005 單步右移 SB10 X015 原點(diǎn)指示 EL Y005 手動(dòng)操作 SB3 X006 回原點(diǎn) SB11 X016 連續(xù)操作 SB4 X007 工件檢測(cè) SQ5 X017 2.輸入和輸出點(diǎn)原理接線圖 輸入和輸出點(diǎn)原理接線圖如圖 4.2 所示。 圖 4.2 原理接線圖 第 31 頁 4.2 機(jī)械手的操作原理 操作原理圖如 4.3 所示。 圖 4.3 自動(dòng)操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 4.3 機(jī)械手傳送系統(tǒng)梯形圖 回原位程序和自動(dòng)操作程序。是用步進(jìn)順控方式編程。在各步進(jìn)順控末行，都以 RET 第 32 頁 結(jié)束本步進(jìn)順控程序塊。但兩者又有不同?；卦怀绦虿荒茏詣?dòng)返回初始態(tài) S1。而自動(dòng)操 作程序能自動(dòng)返回初態(tài) S2。 第 33 頁 圖 4.4 機(jī)械手傳遞系統(tǒng)梯形圖 第 34 頁 參考文獻(xiàn) 1 張應(yīng)金 . PLC 在機(jī)械手搬運(yùn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.自動(dòng)化博覽，2008 年 02 月刊：71- 73. 2 曾繁鈴 . 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ). 常熟理工學(xué)院報(bào)， 2008 年 4 月第 22 卷第 4 期 101- 104. 3 羅庚合.蔡霞. 搬運(yùn)機(jī)械手的 PLC 控制. 西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校，2002 年，第 20 卷第一期：7-9. 4 言紀(jì)蘭.懂峰. 基于 PLC 控制的搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用. 機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008 年 4 月第 2 期：156-158 5 楊峰. SMR 搬運(yùn)機(jī)械手的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 機(jī)車車輛工藝，1998 年第 6 期： 36-40. 6 詹貴印.周紅梅.三自由度液壓機(jī)械手的 PLC 控制研究. 裝備制造行業(yè)應(yīng)用，2007 年 7 月：109-112. 7 姜培剛.蓋玉先. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008 年. 8 王坤.何小柏. 機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，1996 年. 9宋學(xué)義著. 袖珍液壓氣動(dòng)手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995 年 3 月 10陳奎生著. 液壓與氣壓傳動(dòng). 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2008 年 5 月 11SMC（中國）有限公司 . 現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003 年 10 月 12徐文燦著. 氣動(dòng)元件及系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995 13曾孔庚.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì). 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用論壇 14壽慶豐.一種多指多關(guān)節(jié)機(jī)器手爪. 機(jī)械設(shè)計(jì) 1999 年第 3 期，第 3 卷 15高微,楊中平,趙榮飛等.機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì). 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2006 年第 1 期 第 35 頁 致謝 本次設(shè)計(jì)是在我的導(dǎo)師悉心指導(dǎo)下完成的。劉老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和精益求精的工作作 風(fēng)使我受益匪淺。在此，我首先向劉老師表示誠摯的感謝，并致以崇高的敬意! 本次畢業(yè)設(shè) 計(jì)是大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，通過這次設(shè)計(jì)把所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)課程作了一個(gè)總 結(jié)和回顧，加深了對(duì)理論的理解，能夠掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的全套思路，為即將走上工作崗位和以 后的發(fā)展打下了一定的基礎(chǔ)。 在設(shè)計(jì)過程中，我查閱了大量的圖書資料以及網(wǎng)絡(luò)上的資料，包括機(jī)械零件、材料力學(xué)、 液壓控制、幾何量公差與測(cè)量、機(jī)械制圖、機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等等，尤其是在從對(duì)各類設(shè)計(jì)手 冊(cè)的查閱中，我的知識(shí)面得到了很大的提高；通過對(duì)該課題的獨(dú)立設(shè)計(jì)，使我對(duì)機(jī)械知識(shí)有 了一個(gè)更加深入的了解，對(duì)機(jī)械這門學(xué)科有了進(jìn)一步的理解。也使我獨(dú)立設(shè)計(jì)的能里有了極 大的提高。 在課題的研究和開發(fā)階段，我得到了很多老師的大力支持和幫助，在此一并向他們表示 衷心的感謝。在設(shè)計(jì)過程中，遇到不懂的地方，我也經(jīng)常與同事、同學(xué)進(jìn)行討論，解決難題。 感謝所有關(guān)心我的朋友和老師，同時(shí)感謝平職學(xué)院的良好學(xué)習(xí)環(huán)境使我避免了很多的彎路。 當(dāng)然，由于本人設(shè)計(jì)水平有限、在課程中沒有接觸過機(jī)械手的相關(guān)課程，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的不 足，以及時(shí)間上的限制，在設(shè)計(jì)中難免存在一些錯(cuò)誤。懇請(qǐng)老師給予以批評(píng)以及指正。