毕业论文-基于plc控制的球坐标机械手设计

毕业论文球坐标工业机械手设计专业班级学生姓名学号指导教师目录中文摘要1英文摘要2第一章绪论311工业机械手的组成和分类312工业机械手设计内容和要求313毕业设计目的与意义4第二章手部的设计521手部设计计算522手指夹持误差分析与计算8第三章腕部设计1031腕部设计的基本要求1032腕部的结构以及选择1033腕部的设计计算1134驱动力矩的计算1435回转液压缸的确定15第四章臂部的设计计算1641臂部设计的基本要求1642手臂的典型机构以及结构的选择1743手臂直线运动的驱动力计算1844确定液压缸工作压力和结构2045液压缸盖螺钉的计算22第五章臂部俯仰缸的设计计算2551驱动力矩的计算2652俯仰摆动油缸驱动力的计算2653俯仰摆动油缸的设计计算2754液压缸盖螺钉的计算28第六章机身的设计计算3061机身的整体设计3062机身回转机构的设计计算3163回转缸尺寸的初步确定31第七章液压传动与控制系统设计3371各液压控制回路的选取3372液压元件的计算和选择3473液压控制阀的选择3574液压辅助元件的选择和计算3575液压系统的计算参数3676作各液压缸工况图3777计算和选择液压元件4278液压系统的分析43第八章电气控制系统设计4681可编程控制器简介及设计原则4682可编程控制器电器元件的动作顺序47设计感想与致谢50参考文献51中文摘要摘要自从上世纪50年代末美国研发出第一代工业机器人开始，人类的工业化生产从此步入了一个自动化的时代。随着自动化技术的不断深入发展，欧美等发达国家早已进入自动化生产阶段。当前，我国要想完成产业升级必然要加大自动化设备在企业应用的力度。其中以机械手为代表的自动化设备必然有广泛的天地。本文设计的机械手就是针对企业工厂自动化生产线上而设计的，它主要实现物料的搬运。它通过液压驱动能够实现300N的抓重，通过PLC控制，能够实现各种规定动作的控制，具有4个自由度，可实现X方向的伸缩。该机械手具有自动化程度高，夹紧力大，效率高，能够完成复杂环境下的工作等特点，能够减轻工人劳动的强度，节约工作时间，提高企业的生产效率。关键词机械手自动化PLC英文摘要ABSTRACTSINCETHELATE1950STHEUNITEDSTATESDEVELOPEDTHEFIRSTGENERATIONOFINDUSTRIALROBOTS,HUMANINDUSTRIALPRODUCTIONHASENTEREDINTOANERAOFAUTOMATIONWITHTHEDEEPENINGDEVELOPMENTOFAUTOMATIONTECHNOLOGY,EUROPEANDTHEUNITEDSTATESANDOTHERDEVELOPEDCOUNTRIESHASENTEREDASTAGEOFAUTOMATEDPRODUCTIONATPRESENT,OURCOUNTRYTOCOMPLETEINDUSTRIALUPGRADINGISBOUNDTOINTENSIFYAUTOMATIONEQUIPMENTINENTERPRISEAPPLICATIONSWHICHREPRESENTEDBYMECHANICALAUTOMATIONEQUIPMENTMUSTHAVEAWIDERANGEOFHEAVENANDEARTHINTHISPAPER,DESIGNOFMANIPULATORISDESIGNEDONFACTORYAUTOMATIONPRODUCTIONLINEFORENTERPRISE,ITSMAINMATERIALHANDLINGITBYHYDRAULICDRIVECANACHIEVE300NCATCHWEIGHT,THROUGHTHEPLCCONTROL,MOTIONCONTROLCANACHIEVEAVARIETYOFREGULATIONSANDHASFOURDEGREESOFFREEDOM,WHICHCANREALIZETHEXDIRECTIONOFSCALINGTHISMANIPULATORHASAHIGHDEGREEOFAUTOMATION,LARGECLAMPINGFORCE,HIGHEFFICIENCY,ABLETOCOMPLETETHEWORKINACOMPLICATEDENVIRONMENTETC,CANREDUCEWORKERSLABORINTENSITY,SAVEWORKTIME,IMPROVETHEPRODUCTIONEFFICIENCYOFENTERPRISESKEYWORDSAUTOMATIONPLCMANIPULATOR第一章绪论11工业机械手的组成和分类111、工业机械手的组成工业机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置监测装置等组成。各系统相互之间的关系如下图所示。112、工业机械手的分类1、按规格分类微型机械手（重力在10N以下）小型机械手（重力在100N以下）中型机械手（重力在500N以下）大型机械手（重力在500N以上）2、按用途分类专用机械手通用机械手3、按控制方式分类点位控制连续轨迹控制12工业机械手设计内容和要求121、主要参数主要参数的确定1、坐标形式球坐标控制系统驱动系统执行机构工件位置监测装置2、抓重300N3、自由度4个4、臂的运动参数运动名称符号行程范围速度伸缩X350MM250MM/S回转021090/S俯仰04590/S升降Z无无横移Y无无腕部的运动参数运动名称符号行程范围速度回转018090/S小臂俯仰2无无定位方式电位器或接近开关等设定，点位控制驱动方式液压中、低压系统手指指夹持范围棒料直径4060MM，长度4501200MM9、定位精度3MM10、控制方式PLC控制13毕业设计目的与意义毕业设计是一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程设计问题而进行的一次基本训练，是对所学知识的一次综合考查，是毕业前的一次综合演练，这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有重要意义。其主要目的一、培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。二、培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。三、养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。第二章手部的设计21手部设计计算211、手部设计的基本要求1、应当具有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。在确定夹紧力时，除考虑工件的重量外，还应该考虑在传送或操作过程中所带来的惯性力和振动，对于刚性很差的工作夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。2、应当具有足够的开闭范围机械手的手部手指都有张开和闭合的动作。手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭的范围大一些较好。若夹持不同尺寸的工件，应该按最大尺寸的工件考虑。3、要求手部结构简单，重量轻，体积小、效率高手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，在保证一定的强度和刚度的前提下，必须力求结构简单，重量轻，体积小，以利于减轻臂部的负载。4、应保证工件夹持精度应保证每个被夹持的工件，在手指内都有相对准确的位置，避免工件在手指内的滑动或者不稳定性的产生。5、设计时应考虑通用性和特殊位置的要求在设计时，应考虑到扩大机械手的适用范围，尽量实现一机多用，提高机械手的通用程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件的需要，以外，还应该考虑到使用环境的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀等。综上考虑，根据工件的形状和设计的参数要求，此次设计的机械手将采用最常用的滑槽杠杆式夹钳手，此种结构手部较为简单，制造方便，通用性强。212、手部参数的计算滑槽杠杆式夹钳手结构如下图，其原理是在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并且通过销轴中心点O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A与B由得0FXP21得YCOS得因1MONBH1COSAH所以21ABP2S式中手指的回转支点到对称中心线的距离；工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角（一般取）4031手指2轴销3拉杆4指座图21213、手部握力计算1、理论驱动力计算由上面可知，驱动力为NABP2COS在此设计中，我们选择V型指型夹方料，手指与工件位置选择手指水平位置夹水平放置的工件。由课程设计指导书表21查得握力计算公式GN50由设计参数可知，G300N，故可求得N05300N150（N），将N150N代入驱动力的计算公式中，并且在此设计中，我们选择使用参数A40MM,B80MM，30，可求得理论驱动力P450N2、实际驱动力计算夹持手部在工作过程中，其实际驱动力的大小，除理论驱动力P外，还应考虑传力机构的效率及工件运送过程中所产生的惯性力等因素的影响。实际驱动力的计算公式22KP21实际式中，P理论驱动力，K1安全系数，取152K2实际工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按下式估算（其中，A为手部抓取工件后手臂运动的最大加速度，G为重G力加速度）手部的机械效率，一般取故取085095，此处取09。K1为安全系数，一般取122，此处K115若被抓取工件的最大加速度取AG时，则K2112所以,即夹持工件时所需夹紧油缸的驱动NP50921450实际力为1500N。3确定液压缸的直径D由机械设计手册液压传动与控制可知23PF210573由于作用在活塞上的外力小于5000N,故选择液压缸压力油工作压力P1MPA,MPFD0541260573105732根据机械设计手册液压传动与控制表23633，选取液压缸内径为D63MM则活塞杆内径为D6305315MM，选取D32MM表21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500008120320450152552350000以上822手指夹持误差分析与计算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，为使机械手能适用于多品种小批量工件直径在一定范围内变化的生产中，必须使用合理的手部结构参数，可以采用自动定心的手部结构来减少机械手的调整工作，从而使加持误差控制在较小范围内。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40MM60MM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2035CPRMML120012图22手抓夹持误差分析示意图偏转角按最佳偏转角确定2404861SINARCOLARCP计算ML7COS0因，即和在双曲线的对称点的同侧，故其夹持MAXINAXINR0R误差为2MIN2IN2AX2AX2SSCOSINSIALLLRL6157MM夹持误差15MM，因此本设计的夹持误差3MM,满足设计的要求。第三章腕部设计31腕部设计的基本要求1、力求结构紧凑、重量轻。腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。2、综合考虑，合理布局。腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除了保证力和运动的要求，及具有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，如应解决好腕部与臂部和手部的连接，碗部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题。3、必须考虑工作条件。对于本设计，机械手的工作条件是在正常工作场合中搬运加工的棒料，不会受到环境的影响，对机械手的腕部没有太多不利因素。如果机械手处在高温和腐蚀性的工作介质中，就应在设计时充分考虑环境对机械手腕部的影响。32腕部的结构以及选择321、典型的腕部结构1、具有单自由度的回转缸驱动的腕部结构。它直接用回转缸驱动实现腕部的回转运动，具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛采用。2、用齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于270的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。3、具有两个自由度的回转缸驱动的腕部结构。它是来实现腕部的回转和左右摆动。4、机液结合的腕部结构322、腕部结构和驱动机构的选择本设计要求手腕回转180，通过以上的分析，腕部的结构采用具有一个自由度的回转缸驱动的腕部结构，驱动方式采用液压驱动，采用具有一个自由度的回转缸驱动的腕部机构，直接用回转液体压驱动来实现腕部的回转，具有机构紧凑，灵活等优点。如图下图22所示的腕部结构，采用一个回转液压缸，实现的旋转运动。从AA剖面视图上可以看出，回转叶片（简称动片）用螺订，销钉和转轴10连接在一起，定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔5，7进出油涳，实现手部12的旋转。如下图图31机械手腕部结构33腕部的设计计算331、腕部设计考虑的参数基本参数抓重G300N,回转符号，行程，速度,以最大W01890/OS负荷计算，当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，用估算法，工件重300N，长度取1200MM，如图所示图32腕部受力简图332、腕部的驱动力矩计算1、腕部转动时所需的驱动力矩力矩可按下式计算驱M25驱惯偏摩封驱动腕部转动的驱动力矩NMM驱惯性力矩NM惯参与转动的零部件的重量包括工件手部腕部回转缸的动片对转动偏轴线所产生的偏重力矩NM腕部转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩NMM摩腕部回转缸的动片与定片缸径端盖等处密封装置的摩擦阻力矩NM封棒料的计算采用最大值，夹取棒料直径60MM，长度1200MM，重量30KG,因为腕部的伸缩缸为腕部回转的转动缸的轴，故将其整体视为一圆柱体，直径为180MM，其长为185MM，故估算其重为，另外，工件重NKGG360/780150921为G2300N。其总重为G660N。等速转动角速度。SRADS/57/90腕部加速运动时所产生的惯性力矩惯M（26惯J12式中J参与腕部转动的部件对转动轴线的转动惯量J1工件对转动轴线的转动惯量01492MR2GG20983612SMN839581J2LM5222S003678395833惯1043701033驱M总驱力矩3822驱MN333、回转液压缸的设计计算单叶片回转缸的压力P与驱动力矩M的关系为272驱PBRR）式中R缸体内壁半径R输出轴半径B动片宽度根据表51选择液压缸内径R64MM,输出轴直径D32MM,动片宽度B25MM那么回转缸工作压力为A89316032508RB22MPRMP）（）（驱选择工作压力为P4MPA表31液压缸的内径系列（JB82666）（MM）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250表32标准液压缸外径（JB106867）（MM）液压缸内径405063809010011012514015016018020020钢P160MPA5060769510812113316814618019421924545钢2P50607695108121133168146180194219245334、腕部与臂部连接处的回转液压缸的设计计算在上节的计算中，可知腕部及手指和工件的重力分别为G1360N,G2300N回转油缸等效为高为150MM,直径为105MM的圆柱体，其重力为28NKGMGG0/89/780150233臂部伸缩油缸等效为高为730MM,直径为135MM的圆柱体，其重力为291/3632434驱动力矩的计算341、惯性力矩的计算若腕部启动过程按等加速运动，腕部转动时的角速度，启动过程/RADS所用的时间为，则TS2101MJT惯若腕部转过的角速度为，启动过程所转过的角度为，则RAD21121J惯式中参与腕部转动的部件对转动轴线的转动惯量NM2KGM工件对腕部转动轴线的转动惯量1J2KG设置转过的角度，启动时间008S，那么角速度9T1963，/RADS解得2221402103418398JMLNMS222155598那么63017MN惯342、摩擦阻力矩的计算摩21201驱摩三、偏重力矩的计算M偏0偏解得728NM驱35回转液压缸的确定根据表选择液压缸内径，输出轴直径为，动片宽度为60D25DM，那么回转缸工作压力为50BM2132MPBRR式中R缸体内壁半径（M）R输出轴半径（M）B动片宽度（M）解得2227843053015MPMPARR第四章臂部的设计计算臂部是机械手的主要执行。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动。臂部运动的目的是把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态方位则由腕部的自由度实现。因而机械手的臂部一般具有三个自由度才能满足基本要求即手部的伸缩回转和俯仰运动。臂部的各种运动通常用驱动机构油缸或气缸和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况看，他在工作中既直接承受腕部手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，因而它的结构和工作范围灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。41臂部设计的基本要求411、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻1根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。2提高支撑刚度和合理选择支撑间的距离。3合理布置作用力的位置和方向。4尽可能使结构简单化5水平放置的手臂，应该增加导向杆的刚度6提高活塞和缸体内径配合精度，以提高手臂伸缩时的刚度。412、臂部要运动速度高，惯性小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在,最大105MS回转角速度设计在内，在大部分行程上平均移动速度为回转角速度在180S。平均回转速度为10MS9/S在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯性冲击的措施有1、减少臂部运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料2、减少臂部运动件的轮廓尺寸3、减少回转半径P，在安排机械手运动顺序时，先缩回回转或先回转后伸，尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作4、驱动系统中设有缓冲装置。413、臂部动作应灵活为减少臂部运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式机械手，其传动件、导向件和定位件布置应合理，使臂部运动尽可能保持平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。4、位置精度要高。42手臂的典型机构以及结构的选择421、典型的臂部运动结构臂部的典型运动的形式有直线运动，如臂部的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如臂部的左右摆动，上下摆动；复合运动，如直线运动和回转运动，两直线运动的组合，两回转运动的组合等。422、部作直线运动的结构1、双导向杆手臂伸缩结构2、双层油缸空心活塞杆单杆导向结构3、采用花键套导向的手臂升降结构4、双活塞伸缩油缸结构423、臂部作直线运动的结构1、回转缸置于升降缸之下的机身结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大2、回转缸置于升降缸之上的机身结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。3、活塞杆和齿条齿轮结构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。424、臂部做俯仰运动的结构俯仰运动大多采用摆动式直线缸驱动，而回转运动大多采用回转缸或齿条缸来实现。通过以上，综合考虑，本设计的伸缩运动选择单花键轴导向的伸缩机构,俯仰运动选择摆动式直线缸驱动，回转运动选择回转液压缸驱动。43手臂直线运动的驱动力计算通常先进行粗略的估算，或类比同类型的结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复数次，绘出最终的结构。根据液压缸运动时所克服的负载、摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算为214PP回摩密惯式中摩擦阻力（N）臂部运动时，运动件表面间的摩擦力。摩密封装置处的摩擦阻力（N）密油缸回油腔低压油造成的阻力，一般背压阻力较小，可取P回05回臂部启动或制动时活塞杆上受到的平均惯性力（N）P惯431、手臂摩擦力的分析与计算2150SQF计算如下本机械手采用花键轴导向，在活塞杆与花键轴接触处采用花键轴套，如图中所示。根据受力平衡，有0AMBGLRA总得B总216AF总得ALRG总217ABABR摩摩摩2182L总摩式中参与运动的零部件的总重力（包含被抓去的工件）（N）；G总L臂部参与运动的零部件的总重心到导向支撑前端的距离（M）；A导向支撑的长度（M）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21941275摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时钢对青铜取0钢对铸铁取0183计算导向杆的材料选择钢，导向支撑选择青铜，01258，L540MM,花键轴套A60MM1450GN总将有关数据代入进行计算2202205461450895LAPN总摩432、手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是V,设置启动时间015/MS012TS221GVPGT总惯解得T总惯1450/185982NSNK433、密封装置的摩擦阻力密封圈的形式有O型密封圈，Y型密封圈，V型密封圈。不同的密封圈，其摩擦阻力是不同的。在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于10MPA。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为。03P封经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力22203591NPP摩惯44确定液压缸工作压力和结构经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F5591N，根据表31选择液压缸的工作压力P2MPA,机械效率096441、确定液压缸的结构尺寸液压缸内径的计算，如下图所示图41液压缸受力示意当油进入无杆腔，223214DPP当油进入有杆腔中，224224DP液压缸的有效面积2251PFP2M故有（无杆腔）2261143DP（有杆腔）22721PDP式中P活塞的驱动力（N）油缸的工作压力（MPA）1D活塞杆直径（MM）D油缸内径（MM）机械效率，在工程机械中用耐用胶可取096F5591N，选择机械效率1P620A096将有关数据代入228221445917086190506PDDMP根据表31，选择标准液压缸内径系列，选择D100MM1、液压缸外径的设计根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在15MM，所以该液压缸的外径为130MM2、活塞杆的设计计算按强度条件决定活塞杆直径按直杆拉压强度计算22924PD即MM230式中P活塞杆所受的总载荷（N）,即活塞的驱动力活塞杆材料的许用应力MPA,其中为活塞杆的抗BNB拉强度，N为安全系数，一般取；碳钢取14N102BMPA现取10BMPA计算解得59718430DM由于采用花键轴在活塞杆内部进行导向，会使活塞杆的结构变大，因此根据实际情况并参照表41，选择活塞杆直径D70MM表41活塞杆直径系列（GB/T234893）（MM）1012141618202225283232364045505663708090100110125140160180活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径D的15倍以上，按拉、压强度计算23124FD因为活塞杆不满足的条件，所以不必对活塞杆进行校核。15L表42螺钉距离T1与工作压力P1的关系工作压力P1螺钉距离T1工作压力P1螺钉距离T1051515025510015251205108045液压缸盖螺钉的计算根据表所示，因为回转缸的工作压力为2MPA,所以螺钉间距T小于120MM,每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷和剩余预紧力之和0Q,SQ231,0SQ式中工作载荷（N），24DPPZP缸盖所受的合成液压力，即驱动力（N）Z螺钉数目，01T螺钉中心所在圆的直径（MM）0D工作压力MPAP剩余预紧力，,SQ,158SQK螺钉所在圆的直径，根据表选择018DM62TM那么螺钉数目取为15962ZTZ工作载荷23120417PQN剩余预紧力232,15649SK5K螺钉材料选择45，则233352176SMPANN为安全系数，,现取为212N螺钉的强度条件为234022114JLQD合螺钉的直径235143JD计算载荷，JQ0JQ许用抗拉强度，SLN螺钉材料的屈服点（MPA）S表43常用螺钉材料的屈服强度钢号10Q215Q235354540CRMPAS205215235313352784螺钉螺纹内径（MM）,D为螺钉公称直径，S为螺1D124D距。03986JQN解得236145817DM螺钉的直径选择D10MM的圆柱头螺钉，螺距S15MM,螺钉螺纹内径为12486S螺钉的强度为满足强度条件。2491875LMPA合第五章臂部俯仰缸的设计计算驱动臂部俯仰的驱动力矩，应克服臂部等部件在启动时的重量对回转轴线所产生的偏重力矩和臂部在启动时所产生的惯性力矩以及各回转副处摩擦力矩，即236M驱惯偏摩图51臂部俯仰缸设计示意图一般手臂座与立柱连接轴在O处装有滚动轴承，其摩擦力矩较小，在铰链处配合直径较小，相对转角亦小，故，则0M摩式中手臂等部件重力对回转轴线的偏重力矩N,臂部上仰时为正，M偏下仰时为负，计算时主要考虑上仰的驱动力矩237JT惯工件起手臂做俯仰运动，在启动时的惯性力矩NM,惯工件对臂部回转中心的转动惯量J工件2KGM臂部俯仰对回转中心的转动惯量臂部俯仰过程的角速度/RADS臂部俯仰运动启动过程所需的时间S,一般取T起05351驱动力矩的计算1450871243MNM偏惯性力矩的计算M惯23822213017049855361JMLKGM工件设置启动角度为，启动时间01S,那么角速度T起157/RADS那么7704261620MNM惯的计算摩由前面的分析可知摩驱动力矩的计算驱2391243602863MNMNM驱惯偏52俯仰摆动油缸驱动力的计算如图所示，当臂部与水平位置成时，则铰接活塞杆的驱动12仰角和俯角力即俯仰摆动油缸的驱动力P的作用线与铅垂线的夹角是在范围内12变化，而作用在活塞上的驱动力通过连杆机构产生的驱动力矩与臂部俯仰M驱角有关。1、当臂部处于上仰时，24012COSMPB驱24111INATG242111COSSIPBAT驱解得1936N2、当臂部处于下仰时，2432COSMPB驱244122COSINBATG245122COSSIMPBAT驱解得23187N选择其中最大值作为俯仰摆动缸设计的驱动力。196P俯仰摆动油缸计算出驱动力后即可按照直线伸缩油缸的设计计算。53俯仰摆动油缸的设计计算根据表选择最大工作压力13PMPA1、活塞杆的设计计算取24643967840DM10BPA根据表选择活塞杆直径0D那么油缸内径221396407819PDMP圆整后取油缸内径90M2、活塞杆的校核因为活塞杆不满足的条件，所以不必对活塞杆进行校核。15LD54液压缸盖螺钉的计算因为回转缸的工作压力为3MPA,所以螺钉间距T小于120MM,每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷和剩余预紧力之和0Q,SQ247,0SQ式中工作载荷（N），24824DPPZP缸盖所受的合成液压力，即驱动力（N）Z螺钉数目，24901DZT螺钉中心所在圆的直径（MM）0D工作压力MPAP剩余预紧力，250,SQ,158SQK螺钉所在圆的直径，根据表选择01DM2TM那么螺钉数目取为1603852ZT6Z工作载荷2512416PQN剩余预紧力,175342SK7K螺钉材料选择45，则SMPANN为安全系数，,现取为22N螺钉的强度条件为2520221143JLQD合螺钉的直径25314JD计算载荷，JQ03JQ许用抗拉强度，SLN螺钉材料的屈服点（MPA）S螺钉螺纹内径（MM）,D为螺钉公称直径，S为螺距。1D124D03821JQN解得14638797DM螺钉的直径选择D10MM的圆柱头螺钉。螺纹内径124816DSM螺钉强度的校核24816LMPA合满足要求。第六章机身的设计计算机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降或俯仰运动，这些运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因而，其设计与臂部的设计经常一起考虑。机身可以是固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。61机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂的回转运动，实现手臂的回转运动210的机构设计在机身处。经过综合考虑，臂部的回转运动选用回转缸置于机身上的结构。如下图所示，臂部的回转通过安装在机身上回转油缸来实现，因为臂部的回转角度为，所以要将动片和静片的夹角设计为，由于臂部的重力过大会影响回210210转缸的工作，所以采用圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承即能承受径向力，也可以承受轴向力，通过图中可知，由回转轴传递的重力分配到圆锥滚子轴承上。同时在回转轴上安装了另一个圆锥滚子轴承，这个轴承的采用是为了阻止回转轴向上的运动。考虑到安装的问题，动片与回转轴的连接采用键连接，便于安装。图61臂部回转液压缸示意图62机身回转机构的设计计算621、回转缸驱动力矩的计算驱动臂部回转的力矩应该与臂部运动时所产生的惯性力矩及各密M驱M惯封装置处的摩擦阻力矩相平衡。M封254驱回惯封1、惯性力矩的计算2550JT惯式中回转缸动片角速度变化量（），在起动过程中RADS；/RADST起动过程的时间S臂部回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（）。0J2KGM回转部件（包括手部工件腕部臂部）质量为145KG设置起动角度210，则起动角速度366，起动时间设计为03S。RADS256222221145041385633MJLLNS257068MJNMT惯2、密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下003，由于回油背差一M阻驱般非常的小，故在这里忽略不计。经过以上的计算1076驱2NS63回转缸尺寸的初步确定设计回转缸的静片和动片宽B60MM，选择液压缸的工作压强为2MPA。D为输出轴与动片连接处的直径，设D50MM,则回转缸的内径通过下列计算（MM）25832810MDD驱BP计算得D9836MM,既设计液压缸的内径为100MM,根据表42选择液压缸的基本外径尺寸135MM第七章液压传动与控制系统设计71各液压控制回路的选取711、各液压缸的换向回路因为机械手是用一位微机或可编程序顺控器进行控制的，以及从工况图可知压力和流量都不高，因此一般都选取电磁换向阀的换向回路。712、调速方案整个液压系统一般只用单泵或双泵工作，根据工况图可知，各液压缸所需的流量相差较大，各液压缸都用泵的全流量工作是无法满足设计的。尽管有的液压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速。各缸可选择进油路或回油路节流调速，由于一般机械手对速度稳定性要求不高，一般适宜选择节流阀。713、减速缓冲回路通用机械手要求可变行程，它是由微机控制可在形成中任意点定位，故应在液压系统中采用缓冲回路。714、系统安全可靠性臂部俯仰缸（或臂部升降缸）在系统失压情况下会自由下落，应在回路中增加平衡回路，方法可用单项顺序阀（或平衡阀）。臂部伸缩缸若有俯仰状态时亦应同样考虑。夹紧缸在夹持工件时，为防止失电等意外情况，应加锁紧保压回路。为防止夹紧缸压力过高，导致夹紧力过大损坏工件，可用减压回路保证夹紧缸的压力一定。715、液压系统的合成与完善在上述主要液压回路选好后，再配上其他功能的辅助回路（如卸荷测压回路等），就可以进行合并完善为完整的液压系统。72液压元件的计算和选择721、液压泵的工作压力P泵泵的工作压力是所有液压缸中工作压力最大者与管道压力损失之和，即259MAXP泵式中为油缸或油马达的最大工作油压（MPA）AX为管道和各类阀的全部油压损失（MPA）,预估时，一般取058PMA722、液压泵的流量Q泵泵的流量应根据系统各回路按设计要求在工作时实际所需的最大流量，并考虑系统的总泻油量来确定，则（L/MIN）260MAXK泵式中K为泄露折算系数，一般取,大流量时取最小值，小流量13时取最大值。为在系统中同时工作的各个并联油缸及油马达，以最大速度运动时所MAXQ需的总流量（L/MIN）。723、选择液压泵的规格参照设计手册或产品样本，选取其额定压力比高2560，其流量与上述P泵计算一致的液压泵。724、计算电机所需功率，选用电动机N电按工况图找出所有刚NT图中最高功率点的对应的（计算值）和泵MAXNP泵的额定流量的乘积，然后除以泵的总效率（KW）26106PQN泵电式中为液压泵的工作压力（MPA）P泵为液压泵的工作流量（L/MIN）0Q为油泵总效率，一般齿轮泵，叶片泵，柱塞泵0680758。075973液压控制阀的选择根据液压系统原理图，审查图上各阀在各种工况下达到的最大工作压力和最大流量，按液压控制阀的额定压力和额定流量大于系统最高工作压力和通过该阀的最大流量的原则选择。一般情况下，阀的实际压力和流量应与额定值接近，但必要时允许实际流量超过额定流量20。74液压辅助元件的选择和计算741、过滤器过滤器在液压系统中可以清除液压油中的污染物，保持油液清洁，确保系统元件工作可靠。过滤器根据泵的额定压力和最大流量以及过滤精度选取，选取的过滤器的流量应比泵的最大流量略大些。742、油管和管接头油管和管接头应满足工作条件，按最大工作压力来选取，其通径与液压阀一直。743、油箱容积（L）2625VQ泵式中为液压泵的流量（L/MIN）泵75液压系统的计算参数751、夹钳式手部单作用弹簧复位的夹紧缸26311129863,2745NDMDF0TS0/VS752、腕部回转油缸22290,3560DMDBM26426134NM19602TST0/WRADS753、臂部与腕部连接处的回转油缸3336,2,50DMBM26537852NM83204TST06/WRADS754、臂部伸缩油缸449,DM266451062NF0123TST/VS755、臂部俯仰油缸5580,4DMD267526317NF0145TST0/VS756、臂部回转油缸6661,50,DMDBM2686107324NMM0371TST1/WRADS76作各液压缸工况图761、夹钳式手部单作用弹簧复位的夹紧缸2692198/63095457MPAP05TST270261630132/MIN4QL271198594WN05TS图71762、腕部回转油缸272322326018/9504396014/950438MPAPA01296012TSTS273326260195104208/MIN8QL27424830296WN无意义，不考虑）12096TST图72763、臂部与腕部连接处的回转油缸27532332501728/63790850182/63MPAPA083204TSTST276326201028/MIN8QL2772764350153WN无意义，不考虑）0324TST图73臂部伸缩油缸无杆腔进油时278242591/087965/1MPAP012213TSTSTS26490573/MINQL27945189207315WN0123TST图74无杆腔进油时280242591/0619028351/90617MPAPA012213TSTSTS24564/MINQL图75764、臂部俯仰油缸2812522863/047614337/80410MPAPA无意义，不考虑）01405TSTST265245/MINQL2825863017544982WN无意义，不考虑）1045TST图76765、臂部回转油缸28332632017/501988327014/501868MPAPA03701TSTST32661235/MINQL28461079853274632WN无意义，不考虑）071TST图7777计算和选择液压元件771、液压泵1、工作压力PMAXP3576MPA，估算P05MPA所以P泵57605626MPA2、流量QMAX7024L/MIN，取K11所以Q泵K702477264L/MIN，设容积效率为090，则排量为54ML/R。3、规格选用淮安清江液压机械有限公司的2CBNE300系列双联齿轮泵，型号为2CBNE330/324RLHR，N1450R/MIN，Q额90L/MIN，P额10MPA772、电机选用取泵的总效率085，则N60P额额95KW选电机Y160M4，N11KW，N1460R/MIN。773确定油箱容量V总300L液压元件的选择表71表71液压元件一览表序号元件名称型号规格数量1线隙式过滤器WT375025MPA，100L/MIN12电动机Y160M411KW，1460R/MIN13双联齿轮泵2CBNE330/324RLHR10MPA，1450R/MIN14溢流阀QI63B25MPA，1225电液换向阀30DY63B63MPA，1226单向阀I2563MPA，1247液控单向阀1Y25B25MPA，818压力表DPG20008MPA19单向节流阀QI63B63MPA，8710电磁换向阀34D25B63MPA，12211电磁换向阀24D10B63MPA，12112单向顺序阀QI63B25MPA，12113电磁换向阀23D10B63MPA，8114行程节流阀QI63B63MPA，8115压力继电器DP63B163MPA116减压阀J1063MPA，8117压力表开关KFL4/10E63MPA，4178液压系统的分析本机械手具有手臂升降、伸缩、回转和手腕回转四个自由度。执行机构相应由手部、手腕、手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构和回转定位装置等组成，每部分均由液压缸驱动与控制。它完成的动作循环为插定位销手臂前伸手指张开手指夹紧抓料手臂上升手臂缩回手腕回转180拔定位销手臂回95插定位销手臂前伸手臂中停此时主机的夹头下降夹料手指松开此时主机夹头夹着料上升手指闭合手臂缩回手臂下降手腕回转复位拨定位销手臂回转夏位待料，泵卸载。该液压系统的特点归纳如下1）系统采用了双联泵供油，额定压力为10MPA，手臂升降及伸缩时由两个泵同时供油，流量为（4525）L/MIN，手臂及手腕回转，手指松紧及定位缸工作时，只由小流量泵2供油，大流量泵1自动卸载。由于定位缸和控制油路所需压力较低，在定位缸去路上串联有减压阀8，使之获得稳定的1518MPA压力。2）手臂的伸缩和升降采用单杆双作用液压缸驱动，手臂的伸出和升降速度分别由单向调速阀15、13和11实现回油节流调速；手臂及手腕的回转由摆动液压缸驱动，其正反向运动亦采用单向调速阀17和18、23和24回油节流调速。3）执行机构的定位和缓冲是机械手工作平稳可靠的关键。从提高生产率来说，希望机械手正常工作速度越快越好，但工作速度越高，启动和停止时的惯性力就越大，振动和冲击就越大，这不仅会影响到机械手的定位精度，严重时还会损伤机件。因此为达到机械手的定位精度和运动平稳性的要求，一般在定位前要采取缓冲措施。该机械手手臂伸出、手腕回转由死挡铁定位保证精度，端点到达前发信号切断油路，滑行缓冲；手臂缩回和手臂上升由行程开关适时发信号，提前切断油路滑行缓冲并定位。此外，手臂伸缩缸和升降缸采用了电液换向阀换向，调节换向时间，亦增加缓冲效果。由于手臂的回转部分质量大，转速较高，运动惯性矩大，系统的手臂回转缸除采用单向调速阀回油节流调速外，还在回油路上安装有行程和节流阀19进行减速缓冲，最后由定位缸插销定位，满足定位精度要求。4）为使手指夹紧缸夹紧工件后不受系统压力波动的影响，保证牢固地夹紧工件，采用了液控单向阀21的锁紧回路。5）手臂升降缸为立式液压缸，为支承平衡手臂运动部件的自重，采用了单向顺序阀12的平衡回路。机械手液压系统电磁铁、压力继电器动作顺序表如表32所示。表32机械手液压系统电磁铁、压力继电器动作顺序表动作顺序1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9Y10Y11Y12YK26插销定位手臂前伸手指张开手指抓料手臂上升手臂缩回手腕回转拔定位销手臂回转插定位销手臂前伸手臂中停手指张开手指闭合手臂缩回手臂下降手腕反转拔定位销手臂反转待料卸载第八章电气控制系统设计81可编程控制器简介及设计原则811可编程控制器简介可编程控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER，简称PC）。与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。可编程控制器是由微机控制的电子装置，不仅能完成各种程序控制，而且还有数字运算、数据处理、模拟量调节、操作显示、联网通信等功能，在工业控制当中发挥着越来越大的作用。暂时可把它看作是继电器、定时器和计数器的集合。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC