棒料抓裝機械手的設計

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畢 業(yè) 設 計設計題目 棒料抓裝機械手的設計 學生姓名 學 號 專業(yè)班級 指導教師 院系名稱 1目 錄中文摘要 3英文摘要 4第一章 緒 論 .51.1 工業(yè)機械手 .51.1.1 工業(yè)機械手概述 51.1.2 選題背景 61.1.3 設計目的 61.2 機械手的組成和分類 .71.2.1 機械手的組成 .71.2.2 機械手的分類 .101.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況 .121.4 課題的主要要求 .13第二章 手部結(jié)構 142.1 手部結(jié)構設計 .142.1.1 概述 .142.2 手部計算 162.2.1 驅(qū)動力的計算 162.2.2 夾緊缸驅(qū)動力計算 .182.3 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 .18第三章 腕部結(jié)構 193.1 腕部的結(jié)構設計 193.1.1 概述 .193.1.2 腕部的結(jié)構形式 203.2 手腕驅(qū)動力矩的計算 20第四章 臂部的結(jié)構 224.1 臂部設計的基本要求 .224.2 手臂的典型機構以及結(jié)構的選擇 .234.2.1 手臂的典型運動機構 234.2.2 手臂運動機構的選擇 234.3 手臂直線運動的驅(qū)動力計算 .234.3.1 手臂摩擦力的分析與計算 234.3.2 手臂慣性力的計算 254.3.3 密封裝置的摩擦阻力 254.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構的確定 .26第五章 機身的設計計算 2925.1 機身的整體設計 .295.2 機身回轉(zhuǎn)機構的設計計算 .305.3 機身升降機構的計算 .335.3.1 手臂偏重力矩的計算 335.3.2 升降不自鎖條件分析計算 345.3.3 手臂做升降運動的液壓缸驅(qū)動力的計算 345.3.4 油缸結(jié)構尺寸的確定 35第六章 液壓系統(tǒng) 376.1 液壓系統(tǒng)的設計 376.1.1 液壓系統(tǒng)簡介 .376.1.2 液壓系統(tǒng)的組成 .376.2 機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 376.2.1 壓力控制回路 376.2.2 速度控制回路 386.2.3 方向控制回路 .386.3 機械手的液壓傳動系統(tǒng) .396.3.1 上料機械手的動作順序 .396.3.2 自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理介紹 .396.4 機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算 416.4.1 雙作用單桿活塞油缸 426.4.2 油泵的選擇 .456.4.3 確定油泵電動機功率 N46第七章 PLC 控制回路的設計 .477.1 電磁鐵動作順序 477.2 根據(jù)機械手的動作順序表 .487.3 PLC 與現(xiàn)場器件的實際連接圖 .497.4 梯形圖 .507.5 指令程序 52結(jié) 論 56致 謝 57參考文獻： 583棒料抓裝機械手的設計摘 要：當今社會信息化、科技化時代到來，機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，可以通過編程控制及檢測反饋技術的成熟實現(xiàn)無人化操作，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。機械手的發(fā)展可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。關鍵詞：減輕勞動強度、提高生產(chǎn)率、適應惡劣環(huán)境、自動化、產(chǎn)品質(zhì)量高。4THE DESIGN OF MANIPULATOR FOR THE CLAVATE MATERAL GRABBED THE DEVICEAbstract: With the development of information and science 尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結(jié)構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械6手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.1.2 選題背景機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。1.1.3 設計目的本設計通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)夜大 2.5 年的所學知識進行整合，完成一個通用形式的普通圓棒料搬運的機械手的設計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。7目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)中圓棒料的搬運擺放仍由人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應現(xiàn)代自動化大生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,利用機器人技術，設計用一臺裝卸機械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。隨著科學技術的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應用。在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。本機械手主要與多工位沖床組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設計能夠應用到加工工廠車間，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。81.2 機械手的組成和分類1.2.1 機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖2-1所示。圖2-1機械手組成方框圖(一)執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。1、手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結(jié)構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的 :手指有外夾式和內(nèi)撐式 ;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則9通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。圖1-1 機械手手抓結(jié)構2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機構當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。106、機座機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。(二)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。(四)位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。1.2.2 機械手的分類業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。(一)按用途分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:1、專用機械手11它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手。2、通用機械手它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。(二)按驅(qū)動方式分1、液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。2、氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。3、機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構較大，動作程序不可變。4、電力傳動機械手即有特殊結(jié)構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構運動12的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構，故機械結(jié)構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(三)按控制方式分1、點位控制它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。(2)機械結(jié)構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。(5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。(6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使13智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.4 課題的主要要求設計通用圓柱坐標系機械手及控制系統(tǒng)。設計中的機械手各動作由液壓缸驅(qū)動，并有電磁閥控制，技術指標如下：（1、 ）原始數(shù)據(jù)：14a、 抓重：200Nb、 自由度（四個自由度）c、 動作 符號 行程范圍 速度伸縮 X 500mm 小于 300mm/s升降 Z 330mm 小于 70mm/s回轉(zhuǎn) φ 0——180o 小于 90o/sd、 手腕運動參數(shù)回轉(zhuǎn) φ 行程范圍 0——180o 速度 小于 90o/se、 手指夾持范圍：棒料，直徑 65——85mm，長度 450——1200mm f、 定位方式：電位器（或接近開關等）設定，點位控制g、 驅(qū)動方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)）h、 定位精度：±3mm。 i、 控制方式：PLC 1.5 設計內(nèi)容及安排a、熟悉任務，查閱資料b、畫出機械手裝配圖c、畫出液壓控制原理圖d、根據(jù)控制要求，選擇 PLC 型號及輸入輸出元件e、畫出 PLC 控制的輸出輸入接線圖f、完成梯形圖和語句表的程序設計g、整理設計說明書，答辯 要求：a、上述工作要求扎扎實實完成，絕不能打過場b、培養(yǎng)獨立思考的，獨立動手，獨立查閱資料，嚴謹治學、一絲不茍的精神c、培養(yǎng)獨立分析問題、解決問題的能力d、有關問題按照課程設計大綱要求進行15第二章 手部結(jié)構2.1 手部結(jié)構設計 2.1.1 概述手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。機械手結(jié)構型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、 ，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結(jié)構及型式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設計各種類型的手部結(jié)構，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構由手指和傳力機構組成。其傳力機構形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用連桿杠桿式。2.1.2 設計時應考慮的幾個問題①應具有足夠的握力（即夾緊力）在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。②手指間應有一定的開閉角兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。③應保證工件的準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動定心。④應具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應盡量使結(jié)構簡單緊湊，自重輕。16⑤應考慮被抓取對象的要求應根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設計和確定手指的形狀。2.2 手部計算2.2.1 驅(qū)動力的計算 1.手指 2.連桿 3.拉桿 4.指座圖 1 連桿杠桿式手部受力分析如圖所示為連桿式手部結(jié)構。作用在拉桿上的驅(qū)動力 3 為 P，兩連桿 2 對拉桿反作用力為 P1、P2 ，其力的方向沿連桿兩鉸鏈中心的連線，指向 O 點并與水平方向成 α 角，由拉桿的力平衡條件可知，即 17∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0P=2P1cosαP1=P/2cosα連桿對手指的作用力為 p1′，因連桿 2 為 2 力桿。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力） ，假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設兩力的大小相等，方向相反，以 N 表示。由手指的力矩平衡條件，即 ∑m01(F)=0 得P1′h=Nb因 h=c cosα 所以 P=2 b tgα N/c式中 b——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米） 。c——手指的回轉(zhuǎn)支點到連桿鉸鏈連接點的距離（毫米）α——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角。由上式可知，當驅(qū)動力 P 一定時，握力 N 與 α 角成正切反比。α 角小時可獲得較大的握力，α=0 的時候使手指閉合到最小位置即為自鎖位置，這時去掉驅(qū)動力，工件也不會自行脫落。若拉桿再往下移動，則手指反而會松開，為避免這種情況的發(fā)生，需保持 α 大于零，一般取 α=30°~40°。這里取角 α=30 度。這種手部結(jié)構簡單，具有動作靈活等特點。查《工業(yè)機械手設計基礎》中表 2-1 可知，V 形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式 N=0.5G，綜合前面驅(qū)動力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機構效率的影響，其實際的驅(qū)動力 P 實際應按以下公式計算，即：P 實際 =PK1K2/η式中 η——手部的機械效率，一般取 0.85~0.95；K1——安全系數(shù)，一般取 1.2~2K2——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，K2=1+a/g，其中 a 為被抓取工件運動時的最大加速度，g 為重力加速度。本機械手的工件只做水平和垂直平移，當它的移動速度為 500 毫米/秒，移動加速度為 1000 毫米/秒 ，工件重量 G 為 300 牛頓，V 型鉗口的夾角為 120°,α=30°時，2拉緊油缸的驅(qū)動力 P 和 P 實際計算如下：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量夾緊力計算公式N=0.5G=150（N）18選取 b=50 c=30由連桿杠桿式結(jié)構的驅(qū)動力計算公式P=2btgα N/c 得P=P 計算=2 ×50×tg（30°）×150／30 ≈288.68（N）P 實際 =P 計算 K1K2/η取 η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1則 P 實際 =288.68×1.5×1.1/0.85≈560.38(N)2.2.2 夾緊缸驅(qū)動力計算夾緊裝置是使手指夾緊工件的動力裝置，此外，選用液壓驅(qū)動，為單向作用缸，回程用彈簧驅(qū)動，手指夾緊工件時，缸的驅(qū)動力為P 推=D 2Pπ／4 其中 D——活塞直徑，選取直徑 28mm 的液壓缸P——驅(qū)動流體壓力，選取 P=1MPa計算可得：P 推=28 2×1×π／4=615.44（N）P 推＞P 實際 故夾緊缸的選擇滿足題目要求192.3 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析圖 2 帶浮動鉗口的鉗爪鉗口與鉗爪的連接點 E 為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關系 ,若設鉗爪對稱中心 O 到工件中心 O′的距離為 x,則x=22)sin/(abRl????當工件直徑變化時,x 的變化量即為定位誤差△,設工件半徑 R 由 Rmax 變化到 Rmin 時,其最大定位誤差為△=∣ - ∣ 22 )sinmax/(abRl????2)sinm/(abl???其中 l=50mm ,b=10mm ,a=45mm ,2 =120° ,Rmin=25mm ,Rmax=35mm代入公式計算得最大定位誤差△= ∣49.71—49.62∣=0.09＜0.8故符合要求.20第三章 腕部結(jié)構3.1 腕部的結(jié)構設計3.1.1 概述腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設計腕部時要注意以下幾點：① 結(jié)構緊湊，重量盡量輕。② 轉(zhuǎn)動靈活，密封性要好。③ 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題 ④ 要適應工作環(huán)境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。3.1.2 腕部的結(jié)構形式本機械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運動，結(jié)構緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為 180°.如下圖所示為腕部的結(jié)構，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進行連接和定位，動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。當回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅(qū)動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動，即為手腕的回轉(zhuǎn)運動。213.2 手腕驅(qū)動力矩的計算驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動時所需要的驅(qū)動力矩可按下式計算：M 驅(qū)=M 慣+M 偏+M 摩 +M 封 （N·m）式中 M 驅(qū)——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩M 慣——慣性力矩 （N·m） M 偏——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （N ·m） M 摩——手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦力矩 （N·m ） M 封——腕部回轉(zhuǎn)缸的東片與定片、缸內(nèi)壁、端蓋、等處密封裝置的摩擦阻力距（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）22e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離） ，當工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時，M 偏為零當 e=0.020，G1=300N 時M 偏 =6（N·m） ⑶ 腕部啟動時的慣性阻力矩 M 慣 ① 當知道手腕回轉(zhuǎn)角速度 時，可用下式計算 M 慣?M 慣 =（J+J 工件） （N·m） t式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）?T——手腕啟動過程中所用時間（ s） ， （假定啟動過程中近為加速運動）J——手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（ kg·m ）2J 工件——工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 （kg·m ） 按已知計算得 J=2.5，J 工件 =6.25， =0.3m/ m ,t=2?2故 M 慣 = 1.3（N·m） ② 當知道啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度 時，也可以用下面的公式計算 M 慣：?M 慣=（J+J 工件） （N·m） 2式中 ——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）;?——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s） 。?考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可取M =1.1∽1.2 （M 慣+M 偏+M 摩 ） （N.m） M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m） 第四章 臂部的結(jié)構手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具） ，并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括 3 個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的伸縮運動，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動設置在機身處，將在下一章敘述。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位） ，則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應該具備 3 個自由度才23能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。 4.1 臂部設計的基本要求一、 臂部應承載能力大、剛度好、自重輕（1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。（2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離。（3） 合理布置作用力的位置和方向。（4） 注意簡化結(jié)構。（5） 提高配合精度。二、 臂部運動速度要高，慣性要小機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在 ,最大回轉(zhuǎn)角速105ms:度設計在 內(nèi)，大部分平均移動速度為 ，平均回轉(zhuǎn)角速度在 。018s s09s在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有 3 個途徑：（1） 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。（2） 減少臂部運動件的輪廓尺寸。（3） 減少回轉(zhuǎn)半徑 ，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮） ，?盡可能在較小的前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作。（4） 驅(qū)動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。三、手臂動作應該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構卡死（自鎖現(xiàn)象） 。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。244.2 手臂的典型機構以及結(jié)構的選擇4.2.1 手臂的典型運動機構常見的手臂伸縮機構有以下幾種：（1） 雙導桿手臂伸縮機構。（2） 手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結(jié)構。（3） 雙活塞桿液壓崗結(jié)構。（4） 活塞桿和齒輪齒條機構。4.2.2 手臂運動機構的選擇通過以上，綜合考慮，本設計選擇雙導桿伸縮機構，使用液壓驅(qū)動,液壓缸選取雙作用液壓缸。4.3 手臂直線運動的驅(qū)動力計算先進行粗略的估算，或類比同類結(jié)構，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關機構的主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結(jié)構。做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅(qū)動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性、密封等幾個方面的阻力，來確定液壓缸所需要的驅(qū)動力。液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算。PP??回摩 密 慣----摩擦阻力(N)。臂部運動時，運動件表面間的摩擦力，如導向裝置、摩活塞和缸壁等處的阻力。----密封裝置處的摩擦阻力 (N)。P密----油缸回油腔低壓油造成的阻力 (N)，一般背壓阻力較小，可取回=0.05P?；?---臂部起動或制動時活塞桿上受到的平均慣性力(N)。P慣254.3.1 手臂摩擦力的分析與計算分析：摩擦力的計算 不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進行估算。下圖是機械手的手臂示意圖。圖 4.1 機械手臂部受力示意計算如下：不同的配置和不同的導向截面形狀， 是不同的，要根據(jù)具體情況進行估算，P摩本案為圓柱面雙導向桿導向，導向桿對稱配置在油缸兩側(cè)的水平伸縮缸，起動時，導向裝置處的摩擦阻力較大，由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。 0AM??bGLaP總得 b?總0YbaGP??總得 aL??????總26''ababPP???摩 摩摩'2LG???????總摩式中 參與運動的零部件所受的總重力（含工件） （N） ；G總 —L——手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m）a——導向支撐的長度（m）;——當量摩擦系數(shù)，其值與導向支撐的截面有關。'?對于圓柱面： ??'41.27.5????????????::——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時：?鋼對青銅：取 0.15鋼對鑄鐵：取 8.3計算：導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵 '0.215.3???估算： ，L=0.5m,導向支撐 a 設計為 0.08m250GN?總將有關數(shù)據(jù)代入進行計算 ' 20.58.3102.5LP Na????????????????總摩4.3.2 手臂慣性力的計算本設計要求手臂平動是 V=0.3m/s,在計算慣性力的時候,設置啟動時間 ，0.5ts??啟動速度 V=V=0.3m/s,?GvPgt?總慣 t總慣 250.3/15.9.8NmsNKgS??4.3.3 密封裝置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用 O 型密封，當液壓缸工作壓力小于 10Mpa，活塞桿直徑為油缸直徑的一半，活塞與活塞桿處都采用 O 形圈密封27時，液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： (因手部軸線與臂部伸縮軸0.3F?封線垂直，手部油管不會經(jīng)過臂部，故油管密封不考慮)。經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力： 0.3+0.5P=17.2NP??摩 慣4.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構的確定經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力 P=1117.2N，根據(jù)表 3.2 選擇液壓缸的工作壓力 P=1MPa（1） 確定液壓缸的結(jié)構尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計算，如圖 5.2 所示圖 4.2 雙作用液壓缸示意圖當油進入無桿腔， 214DPp???當油進入有桿腔中， ??221 149dP????液壓缸的有效面積： 1PFp?故有 （無桿腔） 114.3Dp???28（有桿腔） 192PDp???式中 P----活塞的驅(qū)動力(N)P1----油缸的工作壓力(MPa)d----活塞桿直徑(mm),本案初設 d=D/3D----油缸內(nèi)徑(mm)η----油缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取 η=0.96據(jù)上述計算，P=1076.4N P1=1MPa，按有桿腔進行計算，其結(jié)果必然滿足無桿腔的力學要求。將有關數(shù)據(jù)代入：1917.2340.8296PDmp?????根據(jù)表 3-2 油缸內(nèi)徑系列（GB/T2348-93） ，選擇標準液壓缸內(nèi)徑， D=50mm.活塞桿直徑 d=50/3=16.67mm，圓整為 d=18mm。（2） 液壓缸外徑的設計本案液壓缸考慮鑄造結(jié)構，考慮到鑄造的最小壁厚要求，故最小不小于 3mm，而驅(qū)動壓力又較低，故厚度不超過 10mm。按中等壁厚進行計算(16D/δ3.2)：??(2.3)PDC??????計 計式中 ----強度系數(shù)(當為無縫鋼管時取值為 1，本案為鑄造式，取值 0.7)C----計入管壁公差及侵蝕的附加厚度----油缸材料的許用應力(MPa)； ，其中 為油缸材料的?? ??bn??b抗拉強度，n 為安全系數(shù)，一般 n=3～5一般常用缸體材料的許用應力 為：鍛鋼 =110～120MPa???鑄鋼 =60MPa無縫管 =100～110MPa代入數(shù)據(jù)：??1.3502.7(2.3)(26).PDCm???????????計 計圓整為 3mm，即缸體外徑 56mm。（3） 活塞桿的計算校核29①強度校核活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長 L 大于直徑 d 的 15 倍以上，按拉、壓強度計算：??24P????設計中活塞桿取材料為碳剛，故 ，活塞直徑?102Mpa?:d=18mm,L=1000mm,現(xiàn)在進行校核。 221076.438PPd?????結(jié)論： 活塞桿的強度足夠。②穩(wěn)定性校核本案 L15d，應進行穩(wěn)定性校核。穩(wěn)定性條件可表示為;kPn?式中 ----臨界力(N)k----安全系數(shù)，一般取 2～4kn本案中， ，故按大柔度桿計算10.51.0584li???????222209471.kEPFN???式中 ----活塞桿計算柔度?----活塞桿長度(mm)，本案取值 1000mml----活塞桿橫截面的慣性半徑，取值為 d/4iF----活塞桿截面積E----彈性模量(MPa) E=210000----長度折算系數(shù)，本案取值 0.5?----特定柔度值，本案取 1051?將 值代入：kP42701681076.4kNPn??:故穩(wěn)定性符合要求。