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湖 南 科 技 大 學(xué)
開題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名： 王志全
學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)及班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化四班
指導(dǎo)教師： 馬繼英
2015 年 3 月 8 日
4
湖南科技大學(xué) 2015 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題 目
自動(dòng)送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)
作者姓名
王志全
學(xué)號(hào)
1103010404
所學(xué)專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
1、 研究的意義，同類研究工作國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、存在問題（列出主要參考文獻(xiàn)）
研究的意義：
1、可以提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度；
2、可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故；
3、可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。
國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、存在的問題：
目前國(guó)內(nèi)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要
提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。
國(guó)外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究
視覺功能和觸覺功能，目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。
雖然機(jī)械手已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電器行業(yè)等領(lǐng)域，但也有一些問題，現(xiàn)有的裝夾機(jī)械手為了達(dá)到所要求的通用性，在結(jié)構(gòu)、控制以及最后的制造上往往比較復(fù)雜，因此價(jià)格也比較昂貴。
2、 研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題（根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)一步具體化）
研究目標(biāo)：
希望通過本設(shè)計(jì)完成一個(gè)自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能夠比較好的體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手能力和專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和時(shí)間的有機(jī)結(jié)合。目前，在國(guó)內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上組合機(jī)床上下料仍由人共完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率，降低勞動(dòng)成本，并使生產(chǎn)線發(fā)展為柔性制造系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn)，針對(duì)具體生產(chǎn)工藝，利用機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
研究?jī)?nèi)容：
1、 傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖；
2、 機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算；
3、 機(jī)械手液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；
4、 PLC選型及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
擬解決的關(guān)鍵問題：
1、機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：機(jī)械設(shè)計(jì)、理論力學(xué)、機(jī)械制圖等；
2、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：液壓傳動(dòng)；
3、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：PLC技術(shù)。
3、 特色與創(chuàng)新之處
機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)布置合理，效率高，噪聲低，安全可靠、操作和維護(hù)方便。
4、 擬采取的研究方法、步驟、技術(shù)路線
研究方法：
(1) 調(diào)查法?通過查找圖書館資料以及網(wǎng)上查詢。?
(2) 計(jì)算法?通過計(jì)算自由度以及各強(qiáng)度計(jì)算，確定機(jī)械手各部分。?
(3) 模擬法?利用三微軟年模擬機(jī)械手運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理。
步驟、技術(shù)路線：
（1） 詳細(xì)了解裝料與卸料工作時(shí)具體情況，制定出機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方案；?
（2） 參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，以及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，做出機(jī)械手各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；?
（3） 參考單片機(jī)控制有關(guān)書籍，做出機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；?
（4）最后，繪制出各零部件裝配圖和零件圖以及控制原理圖。?
5、 擬使用的主要儀器設(shè)備、試劑和藥品
CAD、PRO/E
6、參考文獻(xiàn)
[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]第三版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1993.
[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]第四版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002．
[3] 機(jī)電工程手冊(cè)編輯委員會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.
[4] 加藤一郎.機(jī)械手圖冊(cè)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1979.
[5] 臧克江.液壓缸[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.
[6] 王積偉,章宏甲,黃誼.液壓傳動(dòng)[M]第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.
[7] 秦曾煌.電工學(xué)[M]第7版.北京:高等教育出版社,2009.
[8] 魯遠(yuǎn)棟.PLC機(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.
[9] 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M]第8版.北京:高等教育出版社,2006.
[10] 劉小年.AutoCAD計(jì)算機(jī)繪圖基礎(chǔ)[M].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)出版社,2010.
[11] 大連理工大學(xué)工程圖學(xué)教研室[M].機(jī)械制圖第6版.北京:高等教育出版
社,2007.
[12] 李必文.機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測(cè)[M]第二版.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2012.
[13] 高為國(guó),鐘利萍.機(jī)械工程材料[M]第二版.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2012.?
注：
1、開題報(bào)告是本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的一個(gè)重要組成部分。學(xué)生應(yīng)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書的要求和文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，在開始撰寫論文之前寫出開題報(bào)告。
2、參考文獻(xiàn)按下列格式（A為期刊，B為專著）
A：[序號(hào)]、作者（外文姓前名后，名縮寫，不加縮寫點(diǎn)，3人以上作者只寫前3人，后用“等”代替。）、題名、期刊名（外文可縮寫，不加縮寫點(diǎn)）年份、卷號(hào)（期號(hào)）：起止頁(yè)碼。
B：[序號(hào)]、作者、書名、版次、（初版不寫）、出版地、出版單位、出版時(shí)間、頁(yè)碼。
3、表中各項(xiàng)可加附頁(yè)。
湖 南 科 技 大 學(xué)
英文文獻(xiàn)翻譯
學(xué) 生 姓 名： 王志全
學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)及班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化四班
學(xué) 號(hào)： 1103010404
指導(dǎo)教師： 馬繼英
2015 年 5 月 30 日
Robots
The industrial robot is used in the manufacturing environment to increase productivity . It can be used to do routine and tedious assembly line jobs , or it can perform jobs that might be hazardous to do routine and tedious assembly line jobs , or it can perform jobs that might be hazardous to the human worker . For example , one of the first industrial robots was used to replace the nuclear fuel rods in nuclear power plants . A human doing this job might be exposed to harmful amounts of radiation . The industrial robot can also operate on the assembly line , putting together small components , such as placing electronic components on a printed circuit board . Thus , the human worker can be relieved of the routine operation of this tedious task . Robots can also be programmed to defuse bombs , to serve the handicapped , and to perform functions in numerous applications in our society .
The robot can be thought of as a machine that will move an end-of-arm tool , sensor , and gripper to a preprogrammed location . When the robot arrives at this location , it will perform some sort of task . This task could be welding , sealing , machine loading , machine unloading , or a host of assembly jobs . Generally , this work can be accomplished without the involvement of a human being , except for programming and for turning the system on and off .
The basic terminology of robotic systems is introduced in the following :
1. A robot is a reprogrammable , multifunctional manipulator designed to move parts , materials , tools , or special devices through variable programmed motions for the performance of a variety of different task . This basic definition leads to other definitions , presented in the following paragraphs , that give a complete picture of a robotic system .?
2. Preprogrammed locations are paths that the robot must follow to accomplish work . At some of these locations , the robot will stop and perform some operation , such as assembly of parts , spray painting , or welding . These preprogrammed locations are stored in the robot’s memory and are recalled later for continuous operation . Furthermore , these preprogrammed locations , as well as other program data , can be changed later as the work requirements change . Thus , with regard to this programming feature , an industrial robot is very much like a computer , where data can be stored and later recalled and edited .
3. The manipulator is the arm of the robot . It allows the robot to bend , reach , and twist . This movement is provided by the manipulator’s axes , also called the degrees of freedom of the robot . A robot can have from 3 to 16 axes . The term degrees of freedom of freedom will always relate to the number of axes found on a robot .
4. The tooling and grippers are not part of the robotic system itself ; rather , they are attachments that fit on the end of the robot’s arm . These attachments connected to the end of the robot’s arm allow the robot to lift parts , spot-weld , paint , arc-weld , drill , deburr , and do a variety of tasks , depending on what is required of the robot .
5. The robotic system can also control the work cell of the operating robot . the work cell of the robot is the total environment in which the robot must perform its task . Included within this cell may be the controller , the robot manipulator , a work table , safety features , or a conveyor . All the equipment that is required in order for the robot to do its job is included in the work cell . In addition , signals from outside devices can communicate with the robot in order to tell the robot when it should assemble parts , pick up parts , or unload parts to a conveyor .
The robotic system has three basic components : the manipulator , the controller , and the power source .
A . Manipulator
The manipulator , which does the physical work of the robotic system , consists of two sections : the mechanical section and the attached appendage .? The manipulator also has a base to which the appendages are attached . Fig.1 illustrates the connection of the base and the appendage of a robot .
The base of the manipulator is usually fixed to the floor of the work area .Sometimes , though , the base may be movable . In this case , the base is attached to either a rail or a track , allowing the manipulator to be moved from one location to another .
As mentioned previously , the appendage extends from the base of the robot . The appendage is the arm of the robot . It can be either a straight , movable arm or a jointed arm . the jointed arm is also known as an articulated arm .
The appendages of the robot manipulator give the manipulator its various axes of motion . These axes are attached to a fixed base , which , in turn , is secured to a mounting . This mounting ensures that the manipulator will remain in one location。
At the end of the arm , a wrist? is connected . The wrist is made up of additional axes and a wrist flange . The wrist flange allows the robot user to connect different tooling to the wrist for different jobs .
The manipulator’s axes allow it to perform work within a certain area . This area is called the work cell of the robot , and its size corresponds to the size of the manipulator . Fig.2 illustrates the work cell of a typical assembly robot . As the robot’s physical size increases , the size of the work cell must also increase .
The movement of the manipulator is controlled by actuators , or drive systems . The actuators , or drive system , allows the various axes to move within the work cell . The drive system can use electric , hydraulic , or pneumatic power . The energy developed by the drive system is converted to mechanical power by various mechanical drive systems .The drive systems are coupled through mechanical linkages .These linkages, in turn , drive the different axes of the robot . The mechanical linkages may be composed of chains , gears ,and ball screws.
B. Controller
The controller in the robotic system is the heart of the operation. The controller stores preprogrammed information for later recall, control peripheral devices, and communicates with computers within the plant for constant updates in production
The controllers is used to control the robot manipulator’s movements as well as to control peripheral components within the work cell. The user can program the movements of the manipulator into the controller through the use of a hand-held teach pendent. This information is stored in the memory of the controller for later recall. The controller stores all program data of the robotic system. It can store several different programs, and any of these programs can be edited.
The controller is also required to communicate with peripheral equipment within the work cell. For example, the controller has an input line that identifies when a machining operation is completed. When the machine cycle is completed, the input line turns on, telling the controller to position the manipulator so that it can pick up the finished part. Then, a new part is picked up by the manipulator and placed into the machine. Next, the controller signals the machine to start operation.
The controller can be made from mechanically operated drums that step through a sequence of events. This type of controller operates with a very simple robotic system. The controllers found on the majority of robotic systems are more complex devices and represent state-of-the-art electronics. That is, they are microprocessor-operated. These microprocessors are either 8-bit, 16-bit, or 32-bit processors. This power allows the controller to be very flexible in its operation.
The controller can send electric signals over communication lines that allow it to talk with the various axes of manipulator. This two-way communication between the robot manipulator and the controller maintains a constant update of the location and the operation of the system. The controller also controls any tooling placed on the end of the robot’s wrist.
The controller also has the job of communicating with the different plant computers . The communication link establishes the robot as part of a computer-assisted manufacturing (CAM) system.
As the basic definition stated , the robot is a reprogrammable , multifunctional manipulator . Therefore , the controller must contain some type of memory storage . The microprocessor-based systems operate in conjunction with solid-state memory devices . These memory devices may be magnetic bubbles , random-access memory , floppy disks , or magnetic tape . Each memory storage device stores program information for later recall or for editing .
C. Power supply
The power supply is the unit that supplies power to the controller and the manipulator . Two types of power are delivered to the robotic system . One type of power is the AC power for operation of the controller . The other type of power is used for driving the various axes of the manipulator . For example , if the robot manipulator id controlled by hydraulic or pneumatic manipulator drives , control signals are sent to these devices , causing motion of the robot .
For each robotic system , power is required to operate the manipulator . This power can be developed from either a hydraulic power source , a pneumatic power source , or an electric power source , These power sources are part of the total components of the robotic work cell .
機(jī)器人
工業(yè)機(jī)器人是在生產(chǎn)環(huán)境中用以提高生產(chǎn)效率的工具，它能做常規(guī)乏味的裝配線工作，或能做那些對(duì)于工人來說是危險(xiǎn)的工作，例如：第一代工業(yè)機(jī)器人是用來在核電站中更換核燃料棒，如果人去做這項(xiàng)工作，將會(huì)遭受有害射線的輻射。工業(yè)機(jī)器人亦能工作在裝配線上將小元件裝配到一起，如將電子元件安放在電路印刷板，這樣，工人就能從這項(xiàng)乏味的常規(guī)工作中解放出來。機(jī)器人也能按程序要求用來拆除炸彈，輔助殘疾人，在社會(huì)的很多應(yīng)用場(chǎng)合下履行職能。
機(jī)器人可以認(rèn)為是將手臂末端的工具、傳感器和手爪移動(dòng)到程序指定位置的一種機(jī)器。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)位置后，它將執(zhí)行某種任務(wù)。這些任務(wù)可以是焊接、密封、機(jī)器裝料、拆裝以及裝配工作。除了編程以及系統(tǒng)的開停之外，一般來說這些工作可以在無人干預(yù)下完成。
如下敘述的是機(jī)器人系統(tǒng)基本術(shù)語(yǔ)：
1. 機(jī)器人是一個(gè)可編程、多功能的機(jī)械手，通過給要完成的不同任務(wù)編制各種動(dòng)作，它可以運(yùn)動(dòng)零件、材料、工具以及特殊裝置。這個(gè)基本定義引導(dǎo)出后續(xù)段落的其他定義，從而描繪出一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)。
2. 預(yù)編程位置點(diǎn)是機(jī)器人為完成工作而必須跟蹤的軌跡。在某些位置點(diǎn)上機(jī)器人將停下來做某些操作，如裝配零件、噴涂油漆或者焊接。這些預(yù)編程點(diǎn)貯存在機(jī)器人的貯存器中，并為后續(xù)的連續(xù)操作所調(diào)用，而且這些預(yù)編程點(diǎn)像其他程序數(shù)據(jù)一樣，可在日后隨工作需要而變化。因且，正是這種可編程的特征，一個(gè)工業(yè)機(jī)器人很像一臺(tái)計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)可以在這里儲(chǔ)存、后續(xù)調(diào)用與編輯。
3.機(jī)械手是機(jī)器人的手臂，它使機(jī)器人能彎屈、延伸和旋轉(zhuǎn)，提供這些運(yùn)動(dòng)的是機(jī)械手的軸，亦是所謂的機(jī)械手的自由度。一個(gè)機(jī)械人能有3-16軸，自由度一詞總是與機(jī)器人軸數(shù)相關(guān)。
4.工具和手爪不是機(jī)器人自身組成部分，但它們是安裝在機(jī)器人手臂末端的附件。這些連在機(jī)器人手臂末端的附件可使機(jī)器人抬起工件、點(diǎn)焊、刷漆、電焊弧、鉆孔、打毛刺以及根據(jù)機(jī)器人的要求去做各種各樣的工作。
5.機(jī)器人系統(tǒng)還可以控制機(jī)器人的工作單元，工作單元是機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)所處的整體環(huán)境，該單元包括控制器、機(jī)械手、工作平臺(tái)、安全保護(hù)裝置或者傳輸裝置。所有這些為保證機(jī)器人完成自己任務(wù)而必需的裝置都包括在這一工作單元中。另外，來自外設(shè)的信號(hào)與機(jī)器人何時(shí)裝配工作、取工件或放工件到傳輸裝置上。
機(jī)器人系統(tǒng)有三個(gè)基本不見：機(jī)械手、控制器和動(dòng)力源。
A．機(jī)械手
機(jī)械手做機(jī)器人系統(tǒng)中粗重工作，它包括兩個(gè)部分：機(jī)構(gòu)和附件,機(jī)械手也有聯(lián)接附件基座，如下圖所示一機(jī)器人基座與附件之間的聯(lián)接情況。
機(jī)械手基座通常固定在工作區(qū)域的地基上，有時(shí)基座也可以移動(dòng)，在這種情況下基座安裝在導(dǎo)軌或者軌道上，允許機(jī)械手從一個(gè)位置移動(dòng)到另外一個(gè)位置。
正如前面所提到的那樣，附件從機(jī)器人基座上延伸出來，附件就是
機(jī)器人的手臂，它可以是直線型，也可以是軸節(jié)型手臂，軸節(jié)型手臂也是大家所知的關(guān)節(jié)型手臂。
機(jī)械臂使機(jī)械手產(chǎn)生各軸的運(yùn)動(dòng)。這些軸連在一個(gè)安裝基座上，然后再練到托架上，托架確保機(jī)械手停留在某一位置。
在手臂的末端上，連接著手腕，手腕由輔助軸和手腕凸緣組成，手腕是讓機(jī)器人用戶在手腕凸緣上安裝不同工具來做不同種工作。
機(jī)器手的軸使機(jī)械手在某一區(qū)域內(nèi)執(zhí)行任務(wù)，我們將這個(gè)區(qū)域?yàn)闄C(jī)器人的工作單元，該區(qū)域的大小與機(jī)械手的尺寸相對(duì)應(yīng)，一個(gè)典型裝配機(jī)器人的工作單元。隨著機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸的增加，工作單元的范圍也必須相應(yīng)增加。
機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由執(zhí)行元件或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來控制。執(zhí)行元件或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)允許各軸在工作單元內(nèi)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可用電氣液壓和氣壓動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械傳動(dòng)鏈相匹配。由鏈、齒輪和滾珠絲杠組成的機(jī)械傳動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)著機(jī)器人的各軸。
B.控制器
機(jī)器人控制器是工作單元的核心?？刂破鲀?chǔ)存著預(yù)編程序供后續(xù)條用、控制外設(shè)，及與廠內(nèi)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊以滿足產(chǎn)品經(jīng)常更新的需要。
控制器用于控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)和在工作單元內(nèi)控制機(jī)器人外設(shè)。用戶可通過手持的示教盒將機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的程序編入控制器。這些信息儲(chǔ)存在控制器的存儲(chǔ)器中以備后續(xù)調(diào)用，控制器存儲(chǔ)了機(jī)器人系統(tǒng)的所有編程數(shù)據(jù)，它能存儲(chǔ)幾個(gè)不同的程序，并且所有這些程序均能編輯。
控制器要求能夠在工作單元內(nèi)與外設(shè)進(jìn)行通信。例如控制器有一個(gè)輸入端，它能標(biāo)識(shí)某個(gè)機(jī)加工操作何時(shí)完成。當(dāng)該加工循環(huán)完成后，輸入端接通，告訴控制器定位機(jī)械手以便能抓取以加工工件，隨后機(jī)械手抓取一未加工工件，將其放置在機(jī)床上。接著，控制器給機(jī)床開始加工的信號(hào)。
控制器可以由根據(jù)時(shí)間順序而步進(jìn)的機(jī)械式輪轂組成，這種類型的控制器可用在非常簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)中。用于大多數(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中的控制器代表現(xiàn)代電子學(xué)的水平，是更復(fù)雜的裝置，即它們是由微處理器操縱的。這些微處理器可以是8位，16位或32位處理器。它們可以使得控制器在操作工程中顯得非常柔性。
控制器能通過通信線發(fā)送電信號(hào)，使它能與機(jī)器手各軸交流信息，在機(jī)器人的機(jī)械手和控制器之間的雙向交流信息可以保持系統(tǒng)操作和位置經(jīng)常更新，控制器亦能控制安裝在機(jī)器人手腕上的任何工具。
控制器也有與廠內(nèi)各計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的任務(wù)，這種通信聯(lián)系使機(jī)器人成為計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。
存儲(chǔ)器?；谖⑻幚砥鞯南到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)要與固態(tài)的存儲(chǔ)裝置相連,這些存儲(chǔ)裝置可以是磁泡，隨機(jī)存儲(chǔ)器、軟盤、磁帶等。每種記憶存儲(chǔ)裝置均能貯存、編輯信息以備后續(xù)調(diào)用和編輯。
C.動(dòng)力源
動(dòng)力源是給機(jī)器人和機(jī)器手提供動(dòng)力的單元。傳給機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力源有兩種，一種是用于控制器的交流電，另一種是用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械手各軸的動(dòng)力源，例如，如果機(jī)器人的機(jī)械手是由液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)的，控制信號(hào)便傳送到這些裝置中，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。
對(duì)于每一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，動(dòng)力是用來操縱機(jī)械手的。這些動(dòng)力可來源于液壓動(dòng)力源、氣壓動(dòng)力源或電源，這些能源是機(jī)器人工作單元整體的一部分。
- 6 -
湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）
題目
自動(dòng)送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)
作者
王志全
學(xué)院
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)號(hào)
1103010404
指導(dǎo)教師
馬繼英
二〇一五 年 五 月 三十 日
i
摘 要
本課題研究的是用于數(shù)控車床軸類零件加工自動(dòng)送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)。機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照事前設(shè)定的要求運(yùn)送工件或夾持工件進(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)化和推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。
本課題主要涉及機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算、液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、PLC選型及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過Auto-CAD 技術(shù)對(duì)機(jī)械手的的夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配圖和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖及其PLC控制系統(tǒng)梯形圖的繪制，使其達(dá)到自動(dòng)送料的功能。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；Auto-CAD；PLC
ABSTRACT
This research project is designed for CNC lathe machining shaft parts automatic feeding robot. Robot is the inevitable product of the industrial production automation, which is a part of imitating human upper limb function, automation technology and equipment in accordance with the requirements set in advance the delivery of the work-piece or work-piece clamping operation, the realization of industrial automation and promote the further development of industrial production plays a crucial role. Robot can replace humans complete dangerous, repeated boring work, reduce human labor intensity and improve labor productivity. Robot has been applied more widely in the machinery industry, it can be used for assembling parts, work-piece handling, loading and unloading, the use of more common, especially in the automation of CNC machine tools, combined machine tools.
This topic mainly involved in the design and calculation, the hydraulic control system design, selection and design of PLC control system of the robot holding means, and through Auto-CAD technology for robot assembly drawing and clamping mechanism and hydraulic drive system diagram PLC control system ladder draw to reach the automatic feeding function.
Keywords：Manipulator；Auto-CAD；PLC
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目 錄
第一章 緒 論 - 1 -
1.1 課題研究背景及意義 - 1 -
1.2 機(jī)械手的研制動(dòng)向 - 2 -
1.3 機(jī)械手新的應(yīng)用領(lǐng)域 - 2 -
1.4 設(shè)計(jì)目的及原則 - 2 -
第二章 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介及傳動(dòng)系統(tǒng)圖 - 4 -
2.1 機(jī)械手簡(jiǎn)介 - 4 -
2.2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類型 - 4 -
2.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 - 4 -
2.4 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 - 6 -
第三章 機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 - 7 -
3.1 夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) - 7 -
3.2 確定手部結(jié)構(gòu) - 7 -
3.3 手部受力分析 - 8 -
3.4 手部夾緊力的計(jì)算 - 9 -
3.5 手抓夾持誤差分析與計(jì)算 - 10 -
3.6 夾緊缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 - 11 -
3.7 活塞與活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 - 14 -
第四章 機(jī)械手液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 17 -
4.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案 - 17 -
4.2 擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路 - 18 -
4.3 擬定液壓系統(tǒng)圖 - 19 -
4.4 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) - 20 -
4.4.1 水平伸縮液壓缸強(qiáng)度的校核 - 20 -
4.4.2 垂直升降液壓缸強(qiáng)度的校核 - 22 -
4.5 計(jì)算和選擇液壓元件 - 24 -
4.5.1 液壓泵和電機(jī)的選擇 - 24 -
4.5.2 選擇液壓控制閥和輔助元件 - 26 -
4.6 根據(jù)動(dòng)作要求編制電磁鐵動(dòng)作表 - 26 -
第五章 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 28 -
5.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) - 28 -
5.1.1 機(jī)械手的工藝過程和要求 - 28 -
5.1.2 機(jī)械手的作用流程 - 28 -
5.1.3 機(jī)械手操作面板的布置 - 29 -
5.1.4 PLC控制器的選型 - 30 -
5.1.5 PLC輸入輸出地址分配 - 31 -
5.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 31 -
5.2.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)主程序流程圖 - 31 -
5.2.2 機(jī)械手整體程序結(jié)構(gòu) - 31 -
5.2.2 機(jī)械手單操作工作的程序 - 31 -
5.2.3 自動(dòng)操作程序 - 32 -
5.2.4 自動(dòng)操作程序指令語(yǔ)句 - 35 -
第六章 設(shè)計(jì)總結(jié) - 38 -
參考文獻(xiàn) - 39 -
致 謝 - 40 -
iii
第一章 緒 論
1.1 課題研究背景及意義
在近代工業(yè)發(fā)展的進(jìn)程中，機(jī)械手在自動(dòng)化領(lǐng)域可以說是一項(xiàng)具有技術(shù)性突破的新技術(shù)，它已經(jīng)成為了現(xiàn)代生產(chǎn)制造系統(tǒng)中不可或缺的一部分。機(jī)械手首先可以提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度；其次能夠改善勞動(dòng)條件、避免人身事故；再者可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)，正是因?yàn)闄C(jī)械手有以上幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，才能得到迅速的發(fā)展。也正因?yàn)樗饶苡行У母纳埔痪€工人的工作條件，給一線工人帶來了便利和良好的工作環(huán)境，也對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和機(jī)械化的具有很大的推動(dòng)力，機(jī)械手也提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，增加企業(yè)的效率，因此機(jī)械手也逐漸引起了各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家高度重視，也因此投入了大量的人力和物力去認(rèn)真的研究和應(yīng)用，特別是在諸如高溫、高壓、噪聲、粉塵以及帶有污染性和放射性的惡劣環(huán)境下應(yīng)用更為廣泛。
隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，在工業(yè)化生產(chǎn)中機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)控制顯得越來越重要，并且由于工作的需要，人們經(jīng)常需要在有腐蝕、高溫及有毒氣體的惡劣環(huán)境下進(jìn)行人工操作，不僅增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且更有可能危及人的生命安全。隨著科學(xué)技術(shù)的越來越發(fā)達(dá)，在這互聯(lián)網(wǎng)信息盛行的時(shí)代，我們對(duì)保證人身安全越來越重視的時(shí)代，我們對(duì)機(jī)械手的要求也越來越高，因此，在不同的工作條件，我們需要有不同控制類型的機(jī)械手來適應(yīng)不同的工作場(chǎng)合，因?yàn)闄C(jī)械手的突出性能給人類生活帶來了越來越多的方便與利益，所以機(jī)械手不僅在工業(yè)發(fā)展上深受重視，在人類生活文明上也越來越多的被接受。在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中特別是比較危險(xiǎn)的工作環(huán)境中，如果能用具有遠(yuǎn)程控制功能的機(jī)械手來代替，則不僅可以增加人身的安全性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也能大大的降低損耗，提高工作效率。所以在工業(yè)化自動(dòng)生產(chǎn)的進(jìn)程中，在特殊背景環(huán)境下機(jī)械手的使用已經(jīng)成為一種必然的趨勢(shì)。
采用PLC控制生產(chǎn)線的現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的控制精度準(zhǔn)確，抗干擾性能大大提高；一套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種控制操作，電路接線簡(jiǎn)單，調(diào)試更方便；根據(jù)工藝要求靈活的改變生產(chǎn)流程，擴(kuò)充系統(tǒng)更為方便。因此減少了殘次品，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率大為提高；原材料得到節(jié)省，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度得到降低，方便了生產(chǎn)，提高了效率。
此次設(shè)計(jì)采用可編程控制器PLC來實(shí)現(xiàn)控制機(jī)械手液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程的手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)控制，可使控制過程精準(zhǔn)可靠，操作過程更加清晰明確，具有重要意義。
1.2 機(jī)械手的研制動(dòng)向
研制機(jī)械手的時(shí)候，主要可分為兩個(gè)方向的研究，一個(gè)是工業(yè)機(jī)械手，另一個(gè)是假手。工業(yè)機(jī)械手在某些操作場(chǎng)合可以代替我們的一線工人進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)著重于它的功能設(shè)計(jì)，假手是可以代替斷肢者的上肢，因此對(duì)它要求比較高，要求其功能和形狀都像真的一樣。
我們通常說得“手”，具有兩種意思，一種指的是人手的整個(gè)上肢，另一種指的是從手腕處到手指尖部之間的“手部”。上肢是由臂部和手部組成的，從功能這一特點(diǎn)來說，臂部起著關(guān)鍵的作用，因?yàn)樗鼪Q定著手部的位置。
1.3 機(jī)械手新的應(yīng)用領(lǐng)域
工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，不僅在工業(yè)界，而且在宇宙開發(fā)和海底開發(fā)方面也得到了廣泛的應(yīng)用，在近代的醫(yī)術(shù)界，機(jī)械手也占有一席之地，它已作為新的應(yīng)用領(lǐng)域被引進(jìn)了醫(yī)療系統(tǒng)。在醫(yī)療系統(tǒng)中，機(jī)械手技術(shù)可住診斷、手術(shù)、護(hù)理等方便進(jìn)行應(yīng)用。
其中在診斷方便的應(yīng)用，一個(gè)是機(jī)械手可以代替醫(yī)生用手觸診乳癌，另一個(gè)是機(jī)械手可以代替人手作X光攝影。在手術(shù)方面的應(yīng)用則表現(xiàn)在遠(yuǎn)程控制上，就是設(shè)想由一線城市里面的名醫(yī)、專家通過操縱遙控機(jī)械手給二線三線城市或者比較偏僻地方的病人進(jìn)行手術(shù)，這樣不僅能節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用，更能讓病人在更短的時(shí)間內(nèi)得到更好的醫(yī)術(shù)治療，可以說是在人類發(fā)展史上一項(xiàng)歷史性的突破。在護(hù)理方面的用意則主要體現(xiàn)在由機(jī)械手來代替人手做一些護(hù)理患有重度病癥人的費(fèi)力工作。
以上這些用來醫(yī)療系統(tǒng)的機(jī)械手與以往的機(jī)械手在應(yīng)用上有很大的區(qū)別，它們的工作對(duì)象不一樣，有著很大的區(qū)別，它們面對(duì)的是病人而不是冷冷清清的工件，因此在研制機(jī)械手的時(shí)候有著很高的要求，它必須要有與人一樣的皮膚感覺，否則就是傷害到病人。
1.4 設(shè)計(jì)目的及原則
本次設(shè)計(jì)是大學(xué)里最后的一個(gè)學(xué)術(shù)性研究的問題，也是最重要的一次設(shè)計(jì)，它是對(duì)我們大學(xué)四年來學(xué)習(xí)程度的一次檢測(cè)，不僅使檢測(cè)，更可以說是一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，以使我們更加牢固的掌握所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，因?yàn)楫厴I(yè)設(shè)計(jì)所針對(duì)的都是專業(yè)方面的知識(shí)，必須將我們所學(xué)過的專業(yè)進(jìn)行整合以及綜合，這樣才能很好的，順利的完成這次的畢業(yè)大考，在此設(shè)計(jì)過程中，不僅能使我們鞏固所學(xué)過的課本知識(shí)，更是對(duì)我們自學(xué)能力的一次檢測(cè)，畢業(yè)設(shè)計(jì)不同于課程設(shè)計(jì)，因?yàn)樗枰檎掖罅康臅?，需要我們自己學(xué)會(huì)去查表，去看表，更是對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的一次考驗(yàn)，所以我覺得此次設(shè)計(jì)的目的很明確，培養(yǎng)大家自己的動(dòng)手能力和鞏固專業(yè)知識(shí)以適應(yīng)即將面對(duì)的社會(huì)工作。
此次設(shè)計(jì)本著以老師發(fā)給的任務(wù)書為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的要求以及使用場(chǎng)合，在滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在保證可靠性的同時(shí)盡可能減低成本的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。
第二章 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介及傳動(dòng)系統(tǒng)圖
2.1 機(jī)械手簡(jiǎn)介
隨著科技日新月異的進(jìn)展，機(jī)械人的手臂與人類的手臂最大的區(qū)別就在于靈活度與耐力度，也就是機(jī)械手在機(jī)械正常情況下可以重復(fù)的做同一動(dòng)作。機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備，機(jī)械手臂也將得到越來越廣泛的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)械手是機(jī)器人的一個(gè)重要分支。
按驅(qū)動(dòng)方式機(jī)械手可分為氣動(dòng)式、液壓式、機(jī)械式、電動(dòng)式，這幾種方式都可以利用計(jì)算機(jī)編程控制機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)而完成各種作業(yè)。
2.2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類型
機(jī)器人結(jié)構(gòu)的種類大致我們可以分成4個(gè)種類，它們分別為直角、圓柱、球坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型4鐘，具體可見圖2-1。
圖2-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式
本次課題設(shè)計(jì)的主要是圓柱坐標(biāo)型的機(jī)器人機(jī)械手，圓柱型主要是包括腰部的旋轉(zhuǎn)，以及上下移動(dòng)和左右移動(dòng)三個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)形式也比較簡(jiǎn)單，可用于一般送料系統(tǒng)，精度要求不是高。圓柱型機(jī)器人工作是一個(gè)圓柱型的空間故此成為圓柱坐標(biāo)型的機(jī)器人。
2.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案
本次課題設(shè)計(jì)的自動(dòng)送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，假設(shè)機(jī)械手的工作布局圖如圖2-2所示。機(jī)械手的腰部回轉(zhuǎn)角度為90度，上下行程為100mm，左右移動(dòng)200mm。腰部的回轉(zhuǎn)有兩種方式來進(jìn)行控制，一是通過電機(jī)帶動(dòng)齒輪來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)，另一個(gè)是通過液壓缸液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是利用電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)，要求設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)可參照?qǐng)D2-3所示；對(duì)于機(jī)械手的升降和左右移動(dòng)采用的是單活塞桿左右的液壓缸，機(jī)械手爪的夾緊與放松則是通過單活塞桿彈簧復(fù)位缸來實(shí)現(xiàn)。
圖2-2 機(jī)械手工作布局
圖2-3 腰座結(jié)構(gòu)圖
2.4 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的手部設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)手部夾緊缸的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)中采用PLC控制。
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2-4。
圖2-4 傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
第三章 機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.1 夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
機(jī)械手的夾持機(jī)構(gòu)是根據(jù)機(jī)械手的工作條件而確定的，它由被夾持工件的形狀、大小、重量等方面綜合而確定的，因此機(jī)械手的夾持機(jī)構(gòu)的樣式也是各種各樣的，機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)可大致分為兩大類，一類是人型的，這類機(jī)械手主要用作于假手，另一種是自由型，自由型機(jī)械手又包括以下幾類：捏持型、夾持型、吸附型、磁力型。
本此設(shè)計(jì)采用常用的液壓夾持式手部結(jié)構(gòu)，它也是國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中很常見的一種夾持式結(jié)構(gòu)。
夾鉗式手部是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成的，它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤和套類零件。一般情況下多采用兩個(gè)手指，少數(shù)采用三指或多指。本設(shè)計(jì)中的工件是棒料，所以選擇較簡(jiǎn)單的兩指結(jié)構(gòu)。
夾鉗式手部設(shè)計(jì)的基本要求：
（1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力；
（2）手指應(yīng)具有一定的開閉范圍；
（3）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；
（4）要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；
（5）應(yīng)考慮通用性和特殊要求。
設(shè)計(jì)參數(shù)及要求
（1）采用夾鉗式夾手部，執(zhí)行動(dòng)作為夾緊—放松；
（2）手部設(shè)計(jì)需要抓取的工件直徑范圍為65mm-85mm，夾緊與放松的時(shí)間都是1s,水平液壓缸的行程為200mm，速度為200m/s，升降液壓缸的行程為100mm，速度為100m/s，左右轉(zhuǎn)動(dòng)90°；
（3）所被夾持的工件質(zhì)量為10kg；
（4）夾持器有足夠的夾持力；
（5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上，由液壓缸提供動(dòng)力。
3.2 確定手部結(jié)構(gòu)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出的手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：
圖3-1 手部結(jié)構(gòu)圖
圖中F為手指對(duì)工件的夾緊力，為夾緊缸活塞桿的推力。
3.3 手部受力分析
經(jīng)分析，手部受力圖如圖3-2所示
圖3-2 機(jī)械手手部受力分析圖
由圖可知，手部結(jié)構(gòu)對(duì)稱，則
由 得
＝ （3.1）
且＝
由 得
h=b （3.2）
且F＝
由幾何關(guān)系有
h＝ （3.3）
由上述等式可得：
F＝ （3.4）
即 =
式中 b —手指回轉(zhuǎn)中心到夾緊力作用點(diǎn)之間的距離；
c —手指回轉(zhuǎn)中心到滑槽支點(diǎn)之間的距離；
—工件被夾緊時(shí)手指滑槽方向與回轉(zhuǎn)中心在水平方向的夾角。
3.4 手部夾緊力的計(jì)算
手指加在工件上的夾緊力，是機(jī)械手的手部設(shè)計(jì)的一個(gè)重要依據(jù)。必須夾緊力作用力的三要素進(jìn)行分析和計(jì)算（作用力的大小、方向及作用點(diǎn)）。為保證夾持性能的穩(wěn)定性與可靠型，夾緊力必須克服工件的動(dòng)載荷與靜載荷。
工件的所受的夾緊力可按以下公式進(jìn)行計(jì)算：
＝1.5×1.002×4×98=589.18N （3.5）
取FN =590N
式中：K1—安全系數(shù)，取K1＝1.5；
K2—?jiǎng)虞d系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？砂垂浪?。a為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程中的加速度,g=9.8,g為重力加速度。取=1.002；
K3—方位系數(shù)，按機(jī)械工程手冊(cè)第10卷表56.2-3選取，取K3＝4
G—被抓持工件的重量，取G＝mg＝10×9.8＝98N。
則：
（3.6）
（3.7）
式中 —手指?jìng)髁π剩话銥?.8~0.9，?。?.85。
表3-1 驅(qū)動(dòng)力與液壓缸工作壓力關(guān)系圖
作用在活塞上外力
F(N)
液壓缸工作壓力
MPa
作用在活塞上外力
F(N)
液壓缸工作壓力
MPa
<5000
0.8~1.0
20000~30000
2.0~4.0
5000~10000
1.5~2.0
30000~50000
4.0~5.0
10000~20000
2.5~3.0
>50000
5.0~8.0
由上表可知，2064<5000，所以取液壓缸的工作壓力為1MPa，考慮到為使液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)單緊湊，取工作壓力為2MPa。
3.5 手抓夾持誤差分析與計(jì)算
機(jī)械手是否能準(zhǔn)確無誤夾持工件，并把工件送到指定的位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度，還與手指的夾持誤差大小有著很大的相關(guān)程度，所以既要保證定位精度，而且要保證手指的夾持誤差在一定的范圍內(nèi)。在機(jī)械加工中，通常情況要求手抓的夾持誤差不超過±1mm就可以了。根據(jù)設(shè)計(jì)要求知棒料半徑為65mm～85mm。 則：
工件平均半徑：
mm （3.8）
取手指LAB為工件平均半徑的2倍：LAB＝2×75＝150mm
取V型鉗的夾角
偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：
（3.9）
計(jì)算
則定位誤差為和中的較大者。
（3.10）
（3.11）
∴＝＝0.544mm<1mm 夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。
3.6夾緊缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
（1）由前面計(jì)算可知夾持機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力和液壓缸的工作壓力分別為2604N和2MPa。
由此可以計(jì)算得液壓缸的直徑：
（3.12）
式中: D—夾緊缸內(nèi)徑；
P—液壓缸工作壓力。
由液壓缸內(nèi)徑系列（GB/T2348-1993）將缸內(nèi)徑圓整到D=50mm，取d=0.5D=25mm。
（2）缸體壁厚計(jì)算及驗(yàn)算
缸體采用45號(hào)鋼無縫鋼管，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第四版第4卷表17-6-9查得可取缸筒外徑為60m，則壁厚＝5mm。
? 液壓缸額定工作壓力應(yīng)低于一定極限值，以保證工作安全：
（3.13）
式中： D—缸筒內(nèi)徑（m）；
D1—缸筒外徑（m）；
σs—缸筒材料的屈服強(qiáng)度，（45號(hào)鋼為340）。
已知工作壓力PN＝2<36.36，故安全。
? 同時(shí)為避免缸筒在工作時(shí)發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定壓力值也應(yīng)與完全塑性變形壓力有一定的比例范圍。
≤（0.35～0.42） （3.14）
式中：－缸筒發(fā)生完全塑性變形時(shí)的壓力（），。
計(jì)算可得：61.92
已知實(shí)際工作壓力PN＝2<21.67,故安全。
? 缸筒爆裂壓力應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐壓試驗(yàn)壓力PT。
（3.15）
查表知45號(hào)鋼，則：
取1.5＝3，可知遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐壓實(shí)驗(yàn)壓力。
（3）缸筒底部厚度的計(jì)算
此夾緊缸采用了平行缸底，且底部設(shè)有油孔，則底部厚度為：
mm （3.16）
考慮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和缸底的強(qiáng)度，?。?0mm
式中： D—缸筒內(nèi)徑（m）；
Pmax—液壓缸最大工作壓力，取Pmax＝2PN＝4。
—缸底材料的許用應(yīng)力（），材料為45號(hào)鋼，＝600。則
＝，n為安全系數(shù)，取n＝5。
（4）缸筒與端部聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算
缸筒與端部采用焊接，材料為45號(hào)鋼，其焊縫應(yīng)力應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力。
焊縫應(yīng)力計(jì)算如下：
（3.17）
式中：F-缸內(nèi)最大推力；
-缸筒外徑；
-焊接底徑；
-焊接效率，取0.7；
-焊接材料的抗拉強(qiáng)度，600MPa；
n-安全系數(shù)，取n=5.
（5）缸筒端部聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算
缸筒與端蓋是用法蘭聯(lián)接，螺栓的強(qiáng)度計(jì)算如下：
螺紋處的拉應(yīng)力：
（3.18）
螺紋處的剪應(yīng)力
（3.19）
則合成應(yīng)力：
（3.20）
則知螺紋連接處安全可靠。
式中： K—擰緊螺紋的系數(shù)，取K＝3；
K1—螺紋連接處的摩擦系數(shù)K1＝0.12；
d0—螺紋外徑（mm），d0＝12mm；
d1—螺紋底徑（mm），d1＝10.106mm；
Z—螺釘數(shù)量 Z＝4。
(6）缸筒制造加工要求（如圖所示）
? 熱處理：調(diào)質(zhì)，硬度HBS≥241-285。
? 缸筒內(nèi)徑D采用H8配合。表面粗糙度取為0.2-3.2um需進(jìn)行研磨。
? 缸筒內(nèi)徑的圓度公差值可按9級(jí)精度選取，圓柱度公差值可按8級(jí)精度選取。
④ 缸筒端面的垂直度公差值按7級(jí)精度選取。
此外，為了不損壞密封件和為了裝配，缸筒內(nèi)孔口應(yīng)倒15°角，同時(shí)為了防止腐蝕生銹和提高使用壽命，在缸筒內(nèi)表面可以鍍鉻，再進(jìn)行研磨拋光。
圖3-3 缸筒機(jī)加要求
3.7 活塞與活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）活塞設(shè)計(jì)
由于活塞在液壓油壓力的作用下沿缸筒做往復(fù)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過緊，也不能間隙過大。間隙過大，會(huì)引起液壓缸內(nèi)部泄露，降低容積效率，使液壓缸達(dá)不到要求的設(shè)計(jì)性能；配合過緊，不僅使最低啟動(dòng)壓力增大，降低機(jī)械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的滑動(dòng)配合表面。
液壓力的大小與活塞的有效工作面積有關(guān)，活塞直徑應(yīng)與缸筒內(nèi)徑一直。
活塞的外徑與缸筒內(nèi)徑一致為D=50mm，活塞寬度B一般為活塞外徑的0.6～1.0倍， 這里取為0.6倍，則B＝0.6×50＝30mm。因是單作用彈簧缸，活塞與活塞桿采用較簡(jiǎn)單的螺栓連接?；钊c缸筒內(nèi)壁采用O型密封圈密封?；钊Y(jié)構(gòu)如下：
圖3-4 活塞結(jié)構(gòu)圖
對(duì)于無導(dǎo)向環(huán)活塞的材料，一般選用高強(qiáng)度鑄鐵HT200-HT300，此處我選用的是高強(qiáng)度鑄鐵HT200。
加工上，活塞外徑與缸筒的配合采用h7，內(nèi)孔與活塞桿的配合采用H8，外徑對(duì)內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.02mm，外表面的圓度和圓柱度一般不大于外徑公差之半，端面與軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面粗糙度控制在0.4um-0.8um之間。
（2）活塞桿設(shè)計(jì)
由前知活塞桿的直徑d＝25mm，活塞桿一端用螺栓與活塞相連接，另一端采用軸銷與手指連接（如圖）
圖3-5 活塞桿外端部結(jié)構(gòu)圖
活塞桿直徑d＝25mm，故取，L＝22mm （螺紋長(zhǎng)度短型）
活塞桿結(jié)構(gòu)（如圖）采用實(shí)心桿
圖3-6 活塞桿結(jié)構(gòu)圖
桿體材料采用45號(hào)鋼，加工后調(diào)質(zhì)到硬度為229～285HBS，必要時(shí)，再經(jīng)高頻淬火，硬度達(dá)45～55HRC。
活塞桿與活塞之間的H8/h7一般配合，方便拆卸與更換，其圓度和圓柱度公差不大于0.03mm，安裝活塞的軸頸與外圓的同軸度公差不大于0.01mm，是為了保證活塞桿外圓和活塞外圓的同軸度，避免活塞與缸筒之間的卡滯現(xiàn)象，安裝活塞的軸肩斷面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于0.03mm，以保證活塞安裝不產(chǎn)生歪斜，活塞桿外圓表面粗糙度一般為1.6um～3.2um。
（3）驗(yàn)算活塞桿的強(qiáng)度
假設(shè)活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度為180mm，活塞桿的行程為25mm 則 ，屬于短行程活塞桿，則主要驗(yàn)算抗拉強(qiáng)度，不需要驗(yàn)算彎曲穩(wěn)定性。
活塞桿承受拉壓載荷的強(qiáng)度計(jì)算公式：
（3.21）
活塞桿螺紋處危險(xiǎn)截面的合成應(yīng)力應(yīng)滿足：
（3.22）
式中：F—活塞桿的作用力，N；
d—活塞桿直徑，m；
—危險(xiǎn)截面直徑，此處取螺紋直徑m。
第四章 機(jī)械手液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案
液壓執(zhí)行元件的類型大致分為液壓缸和液壓馬達(dá)，前者實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，后者實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓執(zhí)行元件的選擇可參考表4-1：
表4-1 液壓執(zhí)行元件表
名 稱
特 點(diǎn)
應(yīng)用
柱塞缸
單出桿
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，靠自重或外力回程
液壓機(jī)，千斤頂，小缸用于定位和夾緊
雙出桿
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，桿在兩處有導(dǎo)向，可做得細(xì)長(zhǎng)
液壓機(jī)，注塑機(jī)動(dòng)梁回程缸
液壓缸
雙出桿
兩桿直徑相等，往返速度和力相同，反之亦然
磨床，往返速度相同和不同的機(jī)構(gòu)
單出桿
一般連接，往返方向的速度和出力不同
各類機(jī)械
葉片式擺動(dòng)缸
單葉片式轉(zhuǎn)角小于360
雙葉片式轉(zhuǎn)角小于180
機(jī)床夾具，流水線轉(zhuǎn)向調(diào)頭裝置，裝載機(jī)翻斗
擺線齒輪馬達(dá)
速度中等，扭矩范圍寬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜
塑料機(jī)械，煤礦機(jī)械，挖掘機(jī)行走機(jī)械
葉片馬達(dá)
轉(zhuǎn)速高，扭矩小，動(dòng)作靈敏，噪聲低
磨床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，機(jī)床操縱機(jī)構(gòu)
球塞馬達(dá)
速度中等，扭矩較大，軸向尺寸小
塑料機(jī)械，行走機(jī)械
軸向柱塞馬達(dá)
速度大，可變速，扭矩中等，低速平穩(wěn)性好
起重機(jī)，絞車，鏟車，內(nèi)燃機(jī)車，數(shù)控機(jī)床
徑向柱塞馬達(dá)
轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出轉(zhuǎn)矩大
挖掘機(jī)，冶金機(jī)械，起重機(jī)
本課題研究的是包括一個(gè)自由度為轉(zhuǎn)動(dòng)，另外兩個(gè)自由度為移動(dòng)的三自由度機(jī)械手。在滿足基本的設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，我們盡可能的將將進(jìn)行簡(jiǎn)單化。其中機(jī)械手的上升與下降，左移和右移我們采用的是單活塞的液壓缸來現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)我們采用的是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。腰部的回轉(zhuǎn)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)也是國(guó)內(nèi)廣泛利用的一種，可以保證機(jī)械手的定位精度和較好的穩(wěn)定性。
4.2 擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路
液壓執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的控制是液壓回路的核心問題。
（1）換向回路 方向控制一般是用換向閥或是邏輯控制單元來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，可以通過換向閥的有機(jī)組合來實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作，由于夾緊采用的是彈簧的復(fù)位，故夾緊缸選用二位三通電磁換向閥來進(jìn)行換向，其他液壓缸為單桿雙作用缸，則全部選用O型三位四通電磁換向閥進(jìn)行換向。選電磁閥易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)控制，選中位為O型可使定位準(zhǔn)確，如圖4-1。
圖4-1 換向回路
（2）調(diào)速回路 速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實(shí)現(xiàn)。本液壓系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，故選用簡(jiǎn)單采用節(jié)流閥進(jìn)行速度的調(diào)節(jié)。同時(shí)選用單泵供油，力求獲得較好的經(jīng)濟(jì)性，如圖4-2。
圖4-2調(diào)速回路
（3）系統(tǒng)的安全可靠性 為防止夾緊缸壓力受系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響，導(dǎo)致夾緊力過低無法夾緊工件，或因壓力過大而損壞工件，則需在油路上加減壓閥保證夾緊缸的壓力恒定不變。同時(shí)，由于機(jī)械手垂直升降缸在工作時(shí)其下降方向與負(fù)荷重力作用方向一致，下降時(shí)有使運(yùn)動(dòng)速度加快的趨勢(shì)，為使運(yùn)動(dòng)過程的平穩(wěn)，同時(shí)盡量減小沖擊、振動(dòng)，保證系統(tǒng)的安全性，可采用單向順序閥來平衡，如圖4-3。
圖4-3 升降缸防滑保護(hù)回路
4.3 擬定液壓系統(tǒng)圖
本機(jī)械手的總的液壓系統(tǒng)圖如圖4-4所示，
圖4-4 機(jī)械手的液壓系統(tǒng)原理圖
4.4 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，我們需著重考慮液壓系統(tǒng)的壓力和流量，因?yàn)樗鼈兪俏覀冞x擇液壓元件的一個(gè)主要的依據(jù)。液壓系統(tǒng)的壓力取決于外部載荷，流量則主要決定于活塞桿的行程以及運(yùn)動(dòng)速度和液壓缸的基本尺寸。由于本次主要是夾緊缸的設(shè)計(jì)，在此就不進(jìn)行對(duì)其他液壓缸的詳細(xì)尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算了，經(jīng)過仔細(xì)分析與討論，所以初步把垂直升降缸和水平伸縮缸的基本參數(shù)如下面表4-2與4-3所示：
表4-2 垂直升降液壓缸參數(shù)
缸內(nèi)徑
壁厚
桿直徑
行程
工作壓力
40
5
20
200
2
因?yàn)榇怪鄙狄簤焊姿惺艿妮d荷方向主要是來自垂直方向，所受力也來自垂直方向的力，所以我們需要對(duì)液壓缸活塞桿抗壓強(qiáng)度進(jìn)行校核以及液壓缸壁厚和液壓缸底部強(qiáng)度的驗(yàn)算，需保證各部分的強(qiáng)度時(shí)液壓缸滿足機(jī)械手的動(dòng)作要求。
缸內(nèi)徑
壁厚
桿直徑
行程
工作壓力
32
5
16
200
2
表4-3 水平伸縮液壓缸參數(shù)
因?yàn)樗缴炜s液壓缸主要是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的左移和右移，主要受力方向也是水平方向，主要是克服摩擦力矩，為保證工作的穩(wěn)定性，保證活塞在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)產(chǎn)生變形，因此需要對(duì)活塞進(jìn)行強(qiáng)度的校核。此設(shè)計(jì)的液壓缸的行程屬于短程，所以在穩(wěn)定相和剛度要求方面不需要進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)算及其強(qiáng)度的校核。
4.4.1 水平伸縮液壓缸強(qiáng)度的校核
（1）缸體壁厚計(jì)算及驗(yàn)算
缸體采用45號(hào)鋼無縫鋼管，缸筒內(nèi)徑為32mm，壁厚＝5mm。
? 液壓缸額定工作壓力應(yīng)低于一定極限值，以保證工作安全：
（4.1）
式中： D—缸筒內(nèi)徑（m）；
D1—缸筒外徑（m）；
σs—缸筒材料的屈服點(diǎn)，（45號(hào)鋼為340）。
已知工作壓力PN＝2<49.92，故安全。
? 為避免缸筒在工作時(shí)發(fā)生塑形變形，液壓缸的額定壓力PN值應(yīng)與塑性變形壓力有一定的比例范圍。
≤（0.35～0.42） （4.2）
式中：－缸筒發(fā)生完全塑性變形時(shí)的壓力（），。
計(jì)算可得：=92.35
（4.3）
已知實(shí)際工作壓力PN＝2<21.67,故安全。
? 缸筒爆裂壓力應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐壓試驗(yàn)壓力PT。
（4.4）
查表知45號(hào)鋼，則：
取1.5＝3，可知遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐壓實(shí)驗(yàn)壓力。
（3）缸筒底部厚度的計(jì)算
此伸縮缸采用了平行缸底，且底部設(shè)有油孔，則底部厚度為：
mm （4.5）
考慮結(jié)構(gòu)要求，?。?0mm
式中： D—缸筒內(nèi)徑；
Pmax—液壓缸最大工作壓力，取Pmax＝2PN＝4。
—缸底材料的許用應(yīng)力（），材料為45號(hào)鋼，＝600。則：
＝，n為安全系數(shù)，取n＝5。
（4）缸筒與底部聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算
缸筒與端部采用焊接，材料為45號(hào)鋼，其焊縫應(yīng)力應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力
焊縫應(yīng)力計(jì)算如下：
（4.6）
式中：F-缸內(nèi)最大推力；
-缸筒外徑；
-焊接底徑；
-焊接效率，取0.7；
-焊接材料的抗拉強(qiáng)度，600MPa；
n-安全系數(shù)，取n=5.
（5）缸筒與端蓋聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算
此處強(qiáng)度計(jì)算與夾緊缸計(jì)算一致。
（6）缸筒制造加工要求
此處的要求與夾緊缸要求一致。
（7）活塞桿強(qiáng)度的校核
活塞桿承受拉壓載荷的強(qiáng)度計(jì)算公式：
（4.7）
活塞桿螺紋處危險(xiǎn)截面的合成應(yīng)力應(yīng)滿足：
（4.8）
式中：F—活塞桿的作用力，N；
d—活塞桿直徑，m；
—危險(xiǎn)截面直徑，此處取螺紋直徑m。
4.4.2 垂直升降液壓缸強(qiáng)度的校核
（1）缸體壁厚計(jì)算及驗(yàn)算
缸體采用45號(hào)鋼無縫鋼管，缸筒內(nèi)徑為40mm，壁厚＝5mm。
? 液壓缸額定工作壓力應(yīng)低于一定極限值，以保證工作安全：
（4.9）
式中： D—缸筒內(nèi)徑（m）；
D1—缸筒外徑（m）；
σs—缸筒材料的屈服點(diǎn)，（45號(hào)鋼為340）。
已知工作壓力PN＝2<42.84，故安全。
? 為避免缸筒在工作時(shí)發(fā)生塑形變形，液壓缸的額定壓力PN值應(yīng)與塑性變形壓力有一定的比例范圍。
≤（0.35～0.42） （4.10）
式中：－缸筒發(fā)生完全塑性變形時(shí)的壓力（），。
計(jì)算可得：=75.78
已知實(shí)際工作壓力PN＝2<26.52,故安全。
? 缸筒爆裂壓力應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐壓試驗(yàn)壓力PT。
（4.11）
查表知45號(hào)鋼，則：
取1.5＝3，可知遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐壓實(shí)驗(yàn)壓力。
（3）缸筒底部厚度的計(jì)算
此升降缸采用了平行缸底，且底部設(shè)有油孔，則底部厚度為：
mm （4.12）
考慮結(jié)構(gòu)要求，取＝10mm
式中： D—缸筒內(nèi)徑；
Pmax—液壓缸最大工作壓力，取Pmax＝2PN＝4。
—缸底材料的許用應(yīng)力（），材料為45號(hào)鋼，＝600。則
＝，n為安全系數(shù)，取n＝5。
（4）缸筒與底部聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算
缸筒與端部采用焊接，材料為45號(hào)鋼，其焊縫應(yīng)用應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力
焊縫應(yīng)力計(jì)算如下：
（4.13）
式中：F-缸內(nèi)最大推力；
-缸筒外徑；
-焊接底徑；
-焊接效率，取0.7；
-焊接材料的抗拉強(qiáng)度，600MPa；
n-安全系數(shù)，取n=5.
（5） 缸筒與端蓋聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算
此處強(qiáng)度計(jì)算和夾緊缸計(jì)算基本一致。
(6）缸筒制造加工要求
此處強(qiáng)度計(jì)算和夾緊缸要求基本一致。
（7）活塞桿強(qiáng)度的校核
假設(shè)活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度為150mm，活塞桿已知16mm，則，屬于短行程活塞桿，主要驗(yàn)算抗拉強(qiáng)度，不需要驗(yàn)算彎曲穩(wěn)定性。
活塞桿承受拉壓載荷的強(qiáng)度計(jì)算公式：
（4.14）
活塞桿螺紋處危險(xiǎn)截面的合成應(yīng)力應(yīng)滿足：
（4.15）
式中：F—活塞桿的作用力，N；
d—活塞桿直徑，m；
—危險(xiǎn)截面直徑，此處取螺紋直徑m。
4.5 計(jì)算和選擇液壓元件
4.5.1 液壓泵和電機(jī)的選擇
1、確定系統(tǒng)工作壓力
由第三張及本章計(jì)算可知，各缸的設(shè)計(jì)工作壓力均為2，則系統(tǒng)工作壓力還應(yīng)加上各管接頭及回路上油管的壓力損失，。因本液壓系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，估算＝0.5。則Ps=2+0.5=2.5。
2、各個(gè)液壓缸流量的計(jì)算
液壓系統(tǒng)所需流量為各液壓缸的最大流量，當(dāng)各缸為無桿腔進(jìn)油時(shí)，此時(shí)即為各缸的最大流量，因此，在此只計(jì)算無桿腔的流量。
（1）夾緊缸流量計(jì)算
假設(shè)夾緊缸在夾緊過程中的行程為＝25mm，所需時(shí)間t＝0.5s，則平均速度為:
（4.16）
已知缸內(nèi)徑D=50mm＝5cm，則所需流量：
（4.17）
（2）水平伸縮缸流量計(jì)算
由前知，伸縮缸行程為＝200mm，假設(shè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間＝1s，則平均速度為：
（4.18）
已知缸內(nèi)徑D＝32mm＝3.2cm，則所需流量：
（4.19）
（3）垂直升降缸流量計(jì)算
由前知，升降缸行程＝100mm，假設(shè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為＝1s，則平均速度為：
（4.20）
已知缸內(nèi)徑D＝40mm＝4cm，則所需流量：
（4.21）
由以上計(jì)算可知，各缸的最大流量為＝9.64，則系統(tǒng)流量應(yīng)以此為設(shè)計(jì)依據(jù)，此時(shí)液壓泵的流量為：
（4.22）
式中： K—泄漏系數(shù)，一般取K＝1.1～1.3，這里取K＝1.1。
3、液壓泵和電機(jī)的確定
由前計(jì)算知，，。根據(jù)《液壓傳動(dòng)手冊(cè)》選：
CB-B20，n＝1450r/min， ，
電動(dòng)機(jī)的選用：取泵的總效率＝0.65，則
（4.23）
選電動(dòng)機(jī)：YZC100L1-4，N＝2.2kW，n＝1430r/min。
4.5.2 選擇液壓控制閥和輔助元件
根據(jù)控制閥的額定壓力和額定流量大于系統(tǒng)最高壓力和流量的原則，選擇控制閥及輔助元件，如表3-4所示：
表4-4 液壓元件表
序號(hào)
元件名稱
型 號(hào)
規(guī) 格
數(shù) 量
1
線隙式濾油器
XU-25×200
25L/min
1
4
溢流閥
P-B25B
2.5 Ф10mm
1
5
電磁換向閥
22D-25B
2.5 Ф10mm
1
6,18
單向閥
L-25B
6.3 Ф10mm
2
7,8,9
節(jié)流閥
L－10B
6.3 Ф10mm
3
10,11
電磁換向閥
34D－10B
6.3 Ф10mm
2
12
電磁換向閥
23D－10B
6.3 Ф10mm
1
14
單向順序閥
XL－B25B
2.5 Ф10mm
1
17
減壓閥
J—10B
1
4.6 根據(jù)動(dòng)作要求編制電磁鐵動(dòng)作表
（1）機(jī)械手動(dòng)作要求：
下降
夾緊
上升
右移
下降
上升
左移
放松
圖4-5 機(jī)械手動(dòng)作順序圖
（2）繪制電磁鐵動(dòng)作表：
表4-5 電磁鐵動(dòng)作表
動(dòng)作循環(huán)
電磁鐵工作狀態(tài)
1
2
3
4
5
6
7
手臂伸縮
手臂伸出
+
手臂縮回
+
手臂升降
手臂上升
+
手臂下降
+
手指夾緊
夾緊
+
松開
原位卸荷
+
第五章 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
5.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
5.1.1 機(jī)械手的工藝過程和要求
本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手為三自由度的機(jī)械手，它的動(dòng)作分別由機(jī)械手臂的垂直上升下降和左右移動(dòng)，以及腰部的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械手爪的夾緊與放松組成。由于腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)是由電機(jī)帶動(dòng)齒輪直接驅(qū)動(dòng)的，故在此只需設(shè)計(jì)機(jī)械手的的上升與下降，左移和右移，夾緊與放松電磁閥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
由前面的第四章我們可以得知機(jī)械手的動(dòng)作都是通過電磁閥控制液壓缸來實(shí)現(xiàn)各動(dòng)作的有序工作，根據(jù)液壓控制系統(tǒng)圖我們可以得知，機(jī)械手的上升/下降的動(dòng)作和左移/右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制。例如，當(dāng)1YA通電時(shí)，左邊油路接通，機(jī)械手右移，當(dāng)1YA斷電時(shí)，則機(jī)械手停止左移，只有當(dāng)接通2YA時(shí)，機(jī)械手才會(huì)實(shí)現(xiàn)右移。同樣，機(jī)械手的上升與下降分別由3YA與4YA來控制，當(dāng)某一個(gè)電磁閥接通時(shí)則實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，斷電則停止動(dòng)作。機(jī)械手的夾緊與放松則是由單線圈的電磁閥來控制，當(dāng)5YA處于斷電狀態(tài)時(shí)，機(jī)械手爪是放松狀態(tài)，當(dāng)5YA接通時(shí)，則機(jī)械手夾緊。
為了確保我們的工作安全可靠，在機(jī)械手執(zhí)行下降動(dòng)作的時(shí)候我們需先檢測(cè)工作臺(tái)上是否有工件，如果有的話，必須停止下降，只有當(dāng)無工件的狀況下才允許機(jī)械手的下降，因此，我們可以利用光電開關(guān)進(jìn)行工作臺(tái)上有無工件的檢測(cè)。
5.1.2 機(jī)械手的作用流程
由前面的設(shè)計(jì)，機(jī)械手的動(dòng)作過程可見圖5-1：
圖5-1 機(jī)械手動(dòng)作過程圖
由上面的圖我們可以很清楚的了解到，從原點(diǎn)位開始，當(dāng)按下啟動(dòng)鍵的時(shí)候，下降電磁閥也就是4YA接通，機(jī)械手執(zhí)行下降的動(dòng)作，當(dāng)下降到底碰到下降限位開關(guān)后，4YA電磁閥斷電，機(jī)械手停止下降；同時(shí)5YA電磁閥接通，機(jī)械手執(zhí)行夾緊動(dòng)作，夾緊工件之后，3YA電磁閥通電，機(jī)械手執(zhí)行上升動(dòng)作，當(dāng)上升到碰到上升限位開關(guān)時(shí)，3YA立即斷電，機(jī)械手停止上升；與此同時(shí)，1YA電磁閥接通，機(jī)械手執(zhí)行右移動(dòng)作，當(dāng)右移到碰到右移限位開關(guān)時(shí)，1YA斷電，機(jī)械手停止右移；若此時(shí)沒有工件在工作臺(tái)上，則光電開關(guān)接通，4YA電磁閥也接通，機(jī)械手執(zhí)行下降的動(dòng)作，當(dāng)下降到碰到下降限位開關(guān)的時(shí)候4YA電磁閥斷電，機(jī)械手停止下降；同時(shí)5YA電磁閥斷電，機(jī)械手放開工件。放開之后，3YA電磁閥有繼續(xù)接通，機(jī)械手執(zhí)行上升的動(dòng)作，當(dāng)上升到碰到上升限位開關(guān)的時(shí)候則3YA電磁閥斷電，機(jī)械手停止上升，同時(shí)接通2YA電磁閥，機(jī)械手執(zhí)行左移的動(dòng)作，當(dāng)左移到原點(diǎn)碰到左移限位開關(guān)的時(shí)候，2YA電磁閥斷電，機(jī)械手停止左移。到此，機(jī)械手完成了一個(gè)以上面9步動(dòng)作組成的周期的工作。當(dāng)然我們?cè)O(shè)置機(jī)械手的每次循環(huán)都是由原點(diǎn)開始的。
5.1.3 機(jī)械手操作面板的布置
操作面板的布置可見圖5-2所示。
圖5-2 PLC操作面板示意圖
由上面的操作面板我們可以很輕易的看出，機(jī)械手的加載方式有三種，上/下，左/右，夾/松，工作方式總的大致可以分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作。
1、 手動(dòng)操作：手動(dòng)操作方式為每一步分操作都必須進(jìn)行人工操作才能完成動(dòng)作的執(zhí)行，例如，當(dāng)加載的方式打到上下時(shí)，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，則機(jī)械手執(zhí)行上升動(dòng)作，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手執(zhí)行下降動(dòng)作，；當(dāng)選擇左右加載方式時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，則機(jī)械手執(zhí)行右移動(dòng)作，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，則機(jī)械手執(zhí)行左移的動(dòng)作；同樣，當(dāng)選擇加載方式為夾緊放松的時(shí)候，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手執(zhí)行夾緊動(dòng)作，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，則機(jī)械手執(zhí)行放松動(dòng)作。
2、 自動(dòng)操作：自動(dòng)操作只需人工按下啟動(dòng)鍵，機(jī)械手將會(huì)從原點(diǎn)位自動(dòng)的開始執(zhí)行連續(xù)的動(dòng)作，進(jìn)行周期性的循環(huán)。只有當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手將會(huì)完成一個(gè)周期動(dòng)作后回到原始點(diǎn)的位置。
5.1.4 PLC控制器的選型
1、PLC的硬件結(jié)構(gòu)
PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-3所示。
圖5-3 PLC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2、 機(jī)型的選擇基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)及使用維護(hù)方便，一般需考慮一下幾個(gè)方面：
（1） I/0點(diǎn)數(shù)；
（2） 用戶程序儲(chǔ)存器的存儲(chǔ)容量；
（3） 響應(yīng)速度；
（4） 輸入、輸出方式及負(fù)載能力。
S7-200 CPU224行PLC控制器擁有14個(gè) 輸入I和10個(gè)輸出共24 個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，在存儲(chǔ)容量，響應(yīng)速度，輸入/輸出方式等等方面都滿足我們的設(shè)計(jì)要求，再綜合考慮機(jī)械手工作當(dāng)中的可靠性與穩(wěn)定性，同時(shí)各控制元件之間連接的方便性和靈活性，我們所選擇的必須擁有非常強(qiáng)的可靠性、而且專門面對(duì)惡劣環(huán)境有很強(qiáng)的穩(wěn)定性的PLC控制器，所以在此我們選擇在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛的西門子S7-200型PLC。，它的外觀圖可見圖5-4。
5.1.5 PLC輸入輸出地址分配
本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)所采用的PLC是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的S7-200CPU224，圖5-4是S7-200CPU224輸入/輸出端子分配圖。該機(jī)械手的控制系統(tǒng)共使用了14個(gè)輸入點(diǎn)，6個(gè)輸出點(diǎn)。
機(jī)械手輸入/輸出接線圖見圖5-5。
圖5-4 S7-200 CPU外觀圖
圖5-5 機(jī)械手的輸入/輸出接線圖
5.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
5.2.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)主程序流程圖
機(jī)械手控制系統(tǒng)主程序流程圖見圖5-6。
5.2.2 機(jī)械手整體程序結(jié)構(gòu)
機(jī)械手整體程序見圖5-7.
5.2.2 機(jī)械手單操作工作的程序
機(jī)械手單操作程序見圖5-8.
5.2.3 自動(dòng)操作程序
機(jī)械手自動(dòng)操作功能圖見圖5-9。
自動(dòng)操作梯形圖見CAD圖紙。
圖5-6 機(jī)械手控制系統(tǒng)主程序流程圖
圖5-7 機(jī)械手控制系統(tǒng)整體程序圖
圖5-8 單操作程序
圖5-9 自動(dòng)操作功能圖
由上面的自動(dòng)操作功能圖，我們可以對(duì)自動(dòng)操作的動(dòng)作進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，當(dāng)PLC由停止到工作時(shí)，PLC初始脈沖SM0.1對(duì)機(jī)械手的狀態(tài)進(jìn)行初始化為0，當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，將狀態(tài)繼電器S0.0進(jìn)行置位，置位1，這是最先準(zhǔn)備的第一步，當(dāng)選擇為自動(dòng)連續(xù)操作時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕后，將狀態(tài)繼電器S0.1進(jìn)行置位，與此同時(shí)，將清零原工作狀態(tài)繼電器S0.0，輸出繼電器Q0.0得電，機(jī)械手執(zhí)行下降動(dòng)作，同時(shí)Q0.5復(fù)位，原點(diǎn)指示燈熄滅；當(dāng)機(jī)械手下降到碰到下降限位開關(guān)的時(shí)候，I0.1接通，使得狀態(tài)繼電器S0.2得電置位，同時(shí)也清零上步的繼電器S0.1，復(fù)位輸出繼電器Q0.0，同時(shí)將Q0.2置為1，機(jī)械手也停止下降，夾持工件此時(shí)T37定時(shí)器開始進(jìn)行定時(shí)，在計(jì)時(shí)1s后，T37定時(shí)器接通，同時(shí)將狀態(tài)繼電器S0.3置為1，清零上步的狀態(tài)繼電器S0.2，此時(shí)輸出繼電器Q0.1得電，機(jī)械手執(zhí)行上升動(dòng)作，因?yàn)镼0.2在置位狀態(tài)，所以機(jī)械手繼續(xù)保持夾緊動(dòng)；當(dāng)機(jī)械手上升到上升限位開關(guān)的時(shí)候，I0.2接通，使得狀態(tài)繼電器S0.4得電置位，同時(shí)也清零上步的繼電器S0.3，Q0.1失電，機(jī)械手停止上升，而此時(shí)Q0.3得電，機(jī)械手將進(jìn)行右移動(dòng)作，當(dāng)右移到右移限位開關(guān)的時(shí)候，I0.3接通，Q0.3失電，機(jī)械手停止右移，此時(shí)再將I0.5接通，則置位狀態(tài)繼電器S00.5，同時(shí)也將清零上步的狀態(tài)繼電器S0.4，此時(shí)，輸出繼電器Q0.0再次得電，機(jī)械手執(zhí)行下降的動(dòng)作，當(dāng)機(jī)械手下降到觸到下降限位開關(guān)的時(shí)候，I0.1再次接通，狀態(tài)繼電器S0.6得電置位，同時(shí)將清零上步的S0.5，復(fù)位輸出繼電器Q0.0，同時(shí)，SM0.0接通使得Q0.2置為1，機(jī)械手下降動(dòng)作停止，同時(shí)將工件松開放下，此時(shí)T38定時(shí)器開始定時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)1s后，T38定時(shí)器接通，使得狀態(tài)繼電器S0.7置為1，同時(shí)清零上步的S0.6，Q0.1再次得電，所以機(jī)械手也再次執(zhí)行上升動(dòng)作，當(dāng)上升到觸到上升限位開關(guān)的時(shí)候，I0.2接通使得狀態(tài)繼電器S1.0得電置為1，同時(shí)將清零上步的狀態(tài)繼電器S0.7，Q0.1失電，機(jī)械手上升停止，此時(shí)輸出繼電器Q0.得電接通，機(jī)械手執(zhí)行左移動(dòng)作，當(dāng)左移到觸到左移限位開關(guān)的時(shí)候，I0.4接通，同時(shí)清零上步的狀態(tài)繼電器S1.0。到此，一個(gè)周期的動(dòng)作都完成了，如果工作方式為連續(xù)方式的話，則輔助繼電器M1.0將置為1，將會(huì)反復(fù)執(zhí)行自動(dòng)程序，機(jī)械手循環(huán)的工作，直到按下停止鍵，如果此時(shí)的操作方式為單周期的話，狀態(tài)繼電器S0.0置為1，機(jī)械手則會(huì)完成一個(gè)周期后停在原點(diǎn)位。
5.2.4 自動(dòng)操作程序指令語(yǔ)句
自動(dòng)操作程序的指令語(yǔ)句如下：
步序 指令 地址號(hào)
00 LD SM01
01 MOVW 0，SW0
02 LD I0.2
03 A I0.4
04 S S0.0，1
05 LSCR S0.0
06 LD SM0.0
07 = Q0.5
08 LD I0.1
09 SCRT S0.1
10 SCRE
11 LSCR S0.1
12 LDN I0.1
13 = Q0.0
14 LD I0.1
15 SCRT S0.2
16 SCRE
17 LSCR S0.2
18 LD SM0.0
19 S Q0.2，1
20 TON T37，+10
21 LD