具有触觉功能的机械手结构设计论文

毕业设计说明书Beyeshejishuomingshu地 市： 准考证号： 姓 名： 河南省高等教育自学考试2019整理的各行业企管，经济，房产，策划，方案等工作范文，希望你用得上，不足之处请指正具有触觉功能的机械手结构设计摘 要本文简要地介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，气动技术的特点，PLC控制的特点及国内外的发展状况。本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，详细设计了机械手的夹持式手部结构;设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩;设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩。设计出了机械手的液压系统，绘制了机械手液压系统工作原理图。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。关键词：机械手、液压缸、可编程序控制器（PLC）、压电传感器 HAVING TACTILE FUNCTION STRUCTURE DESIGN OF MECHANCAI HANDABSTRACTThis paper briefly introduces the concept of industrial robots, composing and classification of the manipulator, the degrees of freedom manipulator and the coordinate type, the characteristics of pneumatic technology, PLC control characteristics and the domestic and foreign development condition.In this paper, the mechanical hand the overall scheme design, the manipulator to determine the coordinates of the types and degrees of freedom, determine the technical parameters of the manipulator. At the same time, the detailed design of the manipulator clamping type structure of hand; designed the structure of robot wrist, the wrist to calculate the rotation of the driving torque required and a rotary cylinder driving torque; the design of the manipulator arm structure, design of the telescopic arm.Design of mechanical hand hydraulic system, rendering the manipulator hydraulic system principle diagram. Using programmable controller to control the mechanical hand, the appropriate selection of PLC models, according to the manipulator workflow developed programmable controller control scheme, draw the mechanical hand work sequence diagram and ladder diagram, and the preparation of PLC control program.KEY WORDS：Manipulator、Hydraulic cylinder、Programmable controller、Piezoelectric sensor目录前言1第1章 机械手概况21.1 搬运机械手的应用简况21.2 机械手的应用意义31.3 机械手的发展概况31.4 机械手的发展趋势41.5 PLC概况及在机械手中的应用5第2章 机械手机构总体方案的设计72.1 机械手的基本结构72.2 机械手的主要参数9第3章 手部结构设计93.1 手部设计基本要求93.2 典型的手部结构103.3 机械手手爪的设计计算103.4 手爪的力学分析103.5 夹紧力及驱动力的计算123.6 手爪夹持范围的计算143.7 机械手手爪夹持精度的分析计算15第4章 横向手臂的设计计算164.1 伸缩臂设计基本要求164.2 臂部的结构选择184.3 手臂伸缩驱动力的计算194.4 手臂伸缩液压缸参数计算214.5 竖向液压缸的设计说明23第5章 机身回转机构的设计23第6章 液压控制设计246.1 控制系统设计要求246.2 控制流程25第7章 PLC控制设计267.1 PLC的构成及工作原理267.2 PLC的选择257.3 程序设计287.4 指令表25结论33参考文献34致谢35附录35前言机械手：mechanical hand，也被称为自动手auto hand；能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，它可代替人的繁殖劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要有手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持部件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而又多种结构形式，如：夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动、摆动、移动或复合运功来实现规定的动作，改变被夹持部件的位置和姿势，运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，成为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需要有六个自由度。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也就越复杂，一般专用机械手有2-3个自由度，机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床和其他机器的附加装置，如在自动机床和自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等一般没有独立的控制装置。有些操作装置是由人直接操纵的，如用于原子能部门的操持危险物品的主从式操作手，也成为机械手，机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 第一章 机械手概况1.1搬运机械手的应用简况在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：1、热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。2、冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。3、拆修装方面拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。1.2机械手的应用意义在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：1、可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2、 可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3、可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1.3机械手的发展概况专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。5060年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。6070年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。总之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。1.4机械手的发展趋势目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.5 PLC概况及在机械手中的应用1、 可编程序控制器的应用和发展概况可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为PLC（programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通 信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。2、PLC的应用概况PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面：1）、用于逻辑控制这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。2）、用于模拟量控制PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。3）、用于机械加工中的数字控制现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。4）、 用于工业机器人控制5）、用于多层分布式控制系统高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。3、PLC的特点1）、可靠性高、抗干扰能力强PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万h，这是一般微机所不能比拟的。2）、控制系统构成简单、通用性强由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。3）、编程简单、使用、维护方便4）、组合方便、功能强、应用范围广PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此，PLC应用范围很广。5）、体积小、重量轻、功耗低PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约1.2KW。4、PLC在机械手中的应用机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强;编程简单、使用、维护方便;组合方便、功能强、应用范围广; 体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动作。第二章 机械手总体方案的设计对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，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.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。2.1机械手的基本结构机械手是一个水平、垂直运动的机械设备，用来将工件由左工作台搬到右工作台。有上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，实现生产自动化。本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。图2.1为机械手简图,其中 1-竖直气缸，2-执行气爪，3-工件，4-水平气缸，5-旋转轴，6-支架，7-底座125673左右4图2-1 机械手简图图2-1中工件所处位置为原点位置，根据课题设计的要求：机械手初始位置在原点位置，每次循环动作都从原点位置开始，完成上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制，并能实现手动操作和自动操作方式。当机械手在原点位置下启动按钮，系统启动，左传送带运转。当光电开关检测到物品后，左传送带停止运行根据分析可得出机械手的工作流程图，如图2-2所示。可见，实现要求功能需要如下条件：(1)底座与横梁之间需要旋转盘，旋转盘的驱动由电机来完成，普通电机转速较高，需要考虑安装减速机，在这种频繁启动制动的场合下，选用直流步进电机会更方便。上限延时工件下限原位下降夹紧上升右移停止左移上升松开下降下限延时上限左限启动右限图2-2 机械手工作流程图(2)横梁在普通情况下，长度是固定的，如果工作台不进行调整，横梁长度可永远不变。(3)竖直方向上是频繁上下工作的机构，可选用电机传动的齿轮齿条啮合机构，也可选用执行气缸，后者是新技术更经济、环保、噪音低，也更符合课题要求。(4)抓紧机构也可选用气动执行爪和执行气缸并用组成气动执行模块根据以上分析，机械构造方案基本固定。整个机械手一共用到三个气缸，横梁长气缸进行横向移动，执行气爪进行夹持与放松、竖导杆气缸执行升降运动。2.2机械手的主要参数1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为3公斤，高速动作时抓重减半。2、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。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的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为1.2cm/s，最大回转速度设计为90/s，平均移动速度为50mm/s，平均回转速度为45/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本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的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1500mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为2400(应大于180否则需安装多只手臂)。手臂升降行程定为150mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5lmm。第三章 手部结构设计3.1 手部设计基本要求1. 手部应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。2. 手部应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。3. 应能保证工件在手部准确定位。4. 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。5. 根据应用条件考虑通用性。3.2 典型的手部结构1. 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。2. 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。3.平面平移型。3.3机械手手抓的设计计算本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角=，夹取重量为3Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。 通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。3.4手抓的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3-1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。图3-1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1手指 2销轴 3杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线001和002并指向0点，交F1和F2的延长线于A及B。由Fx =0 得 F1=F2 Fy=0 得 由=0 得h F= 式中 a手指的回转支点到对称中心的距离（mm）. 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好= 。3.5 夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算： 式中 K1安全系数，通常1.2 - 2.0； K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a为重力方向的最大上升加速度；即： 运载时工件最大上升速度 系统达到最高速度的时间，一般选取0.3 - 2sK3方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指与工件形状：型指端夹持圆柱型工件，为摩擦系数，为型手指半角，此处粗略计算.表3-1 液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于500050000以上表3-1计算：设a=100mm,b=500mm,;机械手达到最高响应时间为2s，求夹紧力和驱动力和 驱动液压缸的尺寸。设K1=1.5 =1.02 K3=4 根据公式，将已知条件带入： =1.5x1.02x4x3x9.8=177.75N 取整为：177N （2）根据驱动力公式得：根据驱动力和夹紧力之间的关系式：式中：c滚子至销轴之间的距离；b爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角可得，得出为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.80.9，此处取0.88，则： ，取 （3）取 F实际= F计算/= 40.5/0.85=50N （4）确定液压缸的直径D 选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8MPa, 2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）根据表（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆内径为:D=630.5=31.5mm，选取d=32mm3.6 手抓夹持范围的计算为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3-3（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径mm，当张开时，如图3-3（b）所示，最大夹持半径计算如下： mm机械手的夹持半径从40-90mm图3-3手抓张开示意图3.7 机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。图3-4 手抓夹持误差分析示意图图3-4 手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为80mm180mm。一般夹持误差不超过1mm,分析如下：工件的平均半径：手指长,取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定：计算 当S时带入有：夹持误差满足设计要求。第四章 横向手臂的设计计算4.1伸缩臂设计基本要求设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装竖向油缸和机械手，完成直线伸缩动作。（1）功能性的要求机械手伸缩臂安装在大臂上，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（2）适应性的要求为便于调整，适应工件大小不同的要求，起止位置要方便调整，要求设置可调式定位机构。为了控制惯性力，减少运动冲击，动力的大小要能与负载大小相适应，如步进电机通过程序设计改变运动速度，力矩电机通过调整工作电压，改变堵力矩的大小，达到工作平稳、动作快捷、定位准确的要求。（3）可靠性的要求可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。（4）寿命的要求产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施，如：选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损的零件要便于更换。（5）经济的要求机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中。（6）人机工程学的要求人机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。本设计中要充分考虑外形设计，各调整环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。（7）安全保护和自动报警的要求按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须考虑的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警装置。设计参数（1）伸缩长度：300mm；（2）单方向伸缩时间：1.52.5S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm；（4）前端安装竖向油缸和机械手，伸缩终点无刚性冲击；4.2 臂部的结构选择常见的手臂伸缩机构由以下五种：1）双导向杆手臂伸缩机构手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆均受拉压，故受力简单传动平稳。2）双层液压缸空心活塞杆单杆导向机构其特点是工作液压缸容积小、运动速度快、外形整齐、活塞杆直径大、增加手臂刚性。3）采用花键套导向的手臂升降机构内部导向，活塞杆直径大、刚度大、传动平稳，花键轴端部的定位装置值得注意，必须保证手臂安装在正确的初始设计位置上。 4）双活塞杆液压缸结构活塞杆速度先慢后快，是用短液压缸实现大行程的结构。5）活塞杆和齿轮齿条机构手臂的回转运动是通过齿轮齿条机构实现的，齿条的往复运动带动与手臂联接的齿轮做往复回转而使手臂左右摆动。通过以上，综合考虑，本设计选择双导向杆手臂伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。4.3 手臂伸缩驱动力计算伸缩液压缸活塞驱动力的计算公式为：式中 手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。 密封装置处的摩擦阻力。液压缸回油腔低压油液所造成的摩擦阻力。启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。（1）的计算经计算 式中 参与运动的零部件所受的总重量。手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑前端的距离导向支撑的长度当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面形状有关。对于圆柱面：摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取钢对铸铁：取计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁，,导向支撑，带入数据得：（2）的计算经计算 式中 由静止加速到常速的变化量。 启动过程时间，一般取。手臂启动速度，启动时间，带入数据得：（3）的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用型密封圈，当液压缸工作压力小于时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为： （4）的计算一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。经过以上分析计算，液压缸的驱动力为：所以手臂伸缩驱动力 4.4 手臂伸缩液压缸参数计算经过上面计算，确定了液压缸的驱动力F=4100，因此选择液压缸的工作压力。（1）液压缸内径计算图4-1 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔： 当油进入油杆腔： 所以 （无杆腔） (有杆腔)式中 手臂伸缩液压缸驱动力 液压缸内径 活塞杆直径 液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取 液压缸的工作压力带入数据得： 根据液压缸内径系列（JB826-66），选取液压缸的内径为：（2）活塞杆直径计算活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求，对于杆长大于直径15倍的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。按强度条件决定活塞杆直径 按拉压强度计算： 设活塞杆材料为碳钢，碳钢，取即 456810121416182022252830323540455055606365707580859095活塞杆直径系列（JB826-66）根据活塞杆直径系列（JB826-66）选取活塞杆直径。所以横向伸缩液压缸主要参数为：液压缸内径D工作压力P活塞杆直径d驱动力F80mm1MPa50mm4100N4.5竖向液压缸的设计说明由于竖向液压缸的设计过程与横向液压缸的设计过程基本相似，所以，在此竖向液压缸不做详细说明。所以横向伸缩液压缸主要参数为：液压缸内径D工作压力P活塞杆直径d驱动力F70mm1MPa35mm2000N第五章 机身回转机构的设计1、 回转轴驱动力矩的计算手臂回转轴的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡。 (5.1)惯性力矩的计算 (5.2)式中 回转轴动片角速度变化量（），在起动过程中=；t起动过程的时间(s);手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（）。若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则 (5.3)式中 回转零件的重心的转动惯量。 (5.4)回转部件可以等效为一个长1000mm，直径为60mm的圆柱体，质量为150Kg.设置起动角度=180，则起动角速度=0.314，起动时间设计为0.1s。=12.5=162.5510.25密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。经过以上的计算=5102、回转轴尺寸的初步确定 设计回转轴的静片和动片宽b=60mm，d为输出轴与动片连接处的直径，设d=50mm,则回转轴的内径通过下列计算： (5.5)D=80mm即：设计回转轴的内径为80mm。 3、整体结构装配图如下：第六章 液压控制系统6.1控制系统设计要求本次设计的具有触觉功能的机械手具有回转、伸缩、升降、加紧等功能，因此，相应地有手臂伸缩机构，手臂回转机构，手臂升降机构等构成。各部分均用液压缸或电机驱动与控制。设计要求：其中前伸、后退、夹紧、放松这几个动作用液压缸带动机械手来实现。手臂和手指所用的液压缸分别用一个定时换向阀控制。而在手臂的液压缸上安装一个行程开关，当手臂伸到指定位置后触动SQ2，臂停止前伸。当手臂收缩，触动行程开关SQ3，手臂停止收缩。而手指上装上了一个压电传感器，当手指夹紧后停止一定时间后液压缸缩回，当手指处于张开或没有夹到东西的时候，其控制的液压缸处于静止状态。整体结构的左转和右转用步进电动机带动齿轮来实现。手臂的旋转也有一个行程开关控制电机的正反转。6.2控制流程整机的初始状态为：缸1、缸2、缸3绝处于缩回状态，故手指也处于加紧状态。整机的运动过程为：启动开关S0缸1伸出，到头缸2伸出，到头缸3伸出保持一定时间（定时）缸3缩回收到压电信号缸2缩回缸1缩回触动行程开关电机正转180（反转）；然后循环以上动作。液压回路控制流程图如下：第七章 PLC控制系统7.1 PLC的构成及工作原理可编程逻辑控制器（PLC）又称可编程控制器。它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统。它使用可编程存储器存储用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来控制各种机电一体化，程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低，特别是易于、价格便宜等特点，具有广泛的应用前景。正是基于PLC这些特点，远远可以满足该套机械手的要求。机械手输入输出端口分配表7-1所示输入输出输入继电器输入元件作用输出继电器输出元件作用X0SA1启动/停止KM1Y5电机正转使Y1得点/失电KM2Y6电机反转X1SQ1使Y4得电YA1Y1使缸1伸出X2SQ2使Y3得电YA2Y2使缸2缩回X3SQ3确定工作台处于A处YA3Y3使缸3伸出X4SQ4确定工作台处于B处YA4Y4使缸2伸出X5SQ5使KM1得电X6SQ6使KM2得电X7压电触感器使YA4失电表7-17.2 PLC的选择可编程逻辑控制器（PLC）是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，又称可编程控制器。它使用可编程存储器存储用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来控制各种机电一体化，程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低