基于PLC控制的面粉码垛机设计

面粉码垛机器人 11毕 业 设 计 说 明 书设计题目: 基于 PLC 控制的面粉码垛机设计 学生姓名学 号专业班级指导教师面粉码垛机器人 22目录摘要 .4第 1 章 绪论 .51.1 课题的意义 .51.2 课题的主要内容 .61.3 任务分析及其要求： .61.4 设计进度安排： .71.5 设计方案的确定： .71.6 本设计主要研究的内容: .10第 2 章 面粉码垛机的总体设计 .112.1 码垛机器人的组成及各部分关系概述： .112.2 码垛机械手的设计分析： .12第 3 章 码垛机抓取结构的设计分析 .153.1 末端操作器的设计分析： .153.2 码垛机手腕的设计分析： .163.3 手臂的设计分析： .163.4 机身和机座的设计分析： .19第 4 章 机械手各部件的载荷计算 .204.1 设计要求分析： .204.2 手指夹紧机构的设计: .204.3 手臂伸缩机构载荷的计算： .214.4 手臂俯仰机构载荷的计算： .224.5 机身摆动机构载荷力矩的计算： .234.6 初选系统工作压力： .24第 5 章 机械手各部件结构尺寸计算及校核 .265.1 手腕油缸尺寸的确定： .265.2 手臂伸缩机构结构尺寸的确定： .295.3 手臂俯仰机构结构尺寸的确定： .295.4 机身摆动机构的确定： .295.5 强度校核： .295.6 弯曲稳定性校核 .30第 6 章 液压系统的设计 .326.1 制定基本方案： .326.2 液压元件的选择： .33第 7 章控制系统的设计 .397.1 控制系统方式选择 .397.2 PLC 概述 .397.3 PLC 选型及硬件配备 .407.4 输入输出地址分配 .40面粉码垛机器人 33可编程控制器的输入、输出接线图如图 .417.5 电气控制系统线路设计 .42结论 .43参考文献 .44致谢 .45面粉码垛机器人 44摘要随着现代科学技术的发展，机器人技术越来越受到广泛关注，在工业生产日益现代化的今天，机器人的使用变得越来越普及。因此，对于机器人技术的研究也变得越来越迫切，尤其是工业机器人方面。本论文作者针对这一领域，设计了一款液压机械机械手，该机器人拥有五个自由度。首先，作者针对该机器人的设计要求，对结构设计选择了一个最优方案，对关键零件设计并进行校核。本课题是一个机械、液压紧密的实用性项目，文中对机械手机械结构的设计、液压系统的设计讨。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。关键字：码垛，液压，自由度AbstractWith the development of modern science and technology, the robot technology has been paid more and more attention, in an increasingly modernized industrial production, the use of robots is becoming more and more popular. Therefore, the research of robot technology becomes more and more urgent, especially industrial robots. The author of this thesis in this field, design of a hydraulic mechanical manipulator, the robot has five degrees of freedom. First of all, the author according to the requirement of the design of this robot, an optimal scheme of the structure design of the selection, the design of key parts and checked.This topic is a mechanical, hydraulic close practical project, design of mechanical design, mechanical structure of the hydraulic system of the mobile phone in. Finally, summarized the full text, points out the improvement measures, manipulator application prospect and development direction.面粉码垛机器人 55第 1 章 绪论1.1 课题的意义随着工业自动化的飞速发展，工业机械手在当今社会的工业生产应用中越来越重要。机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它能模仿人手的部分动作，按给定的程序，轨迹和要求实现自动抓取，搬运或者操作的自动机械装置。在工业生产和其他制造领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，实现了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，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。它可以部分甚至全部代替人类来完成一些工作为抓取任意位置的物品，机械手一般需要六个自由度，自由度越多，机械手灵活性越大，通用性越广。机械手的出现不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是社会生产发展到一定阶段的必然要求。而且近年来 PLC 采用微处理器作为中央处理单元，不仅有逻辑控制功能，还有算术运算功能，模拟量处理甚至通用联网功能。该系统的运行可靠度高，故障率低，维修方便，取得良好地工作效果。使学生通过这次的毕业设计培养学生对于专业知识的学习和机械手基本结构的设计，培养学生对于机械设计、机电一体化设计、控制技术设计等方面的专业能力。方便面粉的生产，提高面粉行业的生产效率，更加方便人们的生活。采用全自动的面粉袋码垛机使面粉袋码垛方式的调整十分方便、简单。堆垛效率高，可大大节省人力资源，降低工人的劳动强度。自动化程度高，能够大大的提高生产效率。该课题研究的内容对码垛机器人的研究是一项有益的扩展，也可以用于机器人的示教活动。使学生通过毕业设计，能掌握机械设计的方法和思路，将学到的理论知识应用于实践，将本科四年所学的知识进行综合理解和利用，从而培养学生独立学习、研究的能力。强化学生查阅英文资料的能力和绘图以及三维建模的能力。1.2 课题的主要内容本次课题主要是要让码垛机装运面粉袋，主要是完成面粉袋的的码垛效果，需要设计机械结构来实现码垛几的操作。需要整机机械结构的设计，完成总装配图，零件图。整体由电机带动齿轮转动让机器整体旋转，电机带动滚珠丝杆运动使机器上下，前后移动。手抓部分由手臂水平移动，通过导轨，丝杆螺母，或者齿轮齿条来完成此次运动。面粉码垛机器人 66面粉袋再货架上放置，码垛他们放置。1.3 任务分析及其要求：使学生经历机械设计的综合训练，回顾以前所学知识，并综合利用所学知识。本课题内容包括机械传动和机械结构设计，没有参考图纸和资料，根据功能要求进行设计，完成规定任务。该课题要实现码垛机装运面粉袋的全过程，需要设计机械结构实现码垛操作。1.4 设计进度安排：2013.12-2013学期末 调研，查找相关资料，确定方案，开题答辩；2014. 1- 2周 方案修正，零部件设计计算；2014. 2- 7周 完成总装图、部分部件图和零件图，中期检查；2014. 8-14周 完成运动控制设计，撰写设计说明书，完成图纸，准备答辩工作；2014.15-17周 答辩、修改、归档工作。面粉码垛机器人 771.5 设计方案的确定：1.5.1 方案一：码垛机器人主要实现不同型包装的码垛物体的搬运功能，此码垛机须有四个运动来实现，即腰部的旋转，后大臂上下运动，前臂的前后运动和手臂的回转运动。而且这四个动作都由交流伺服电动机驱动。由于腕部旋转较低，特使用减速机来驱动，且选用重量较轻的减速机。此时由于轴立起来以后就有往下窜动的趋势，而且还要转动，既要保证轴的正常转动，其次还要轴一定的支撑，由此引入了角接触轴承。电机轴与传动轴之间用联轴器连接。手臂做成工字型或打孔以减小重量，减少加工面积。为保证机构运动的精度，将手臂设计成平行四边行机构。为减小摩擦，在手臂与手臂、手臂与支撑架之间的销轴处采用关节轴承。为了使手臂传动准确，手臂驱动系统增加了直线滚动导轨作为导向装置，这就要考虑导轨的受力问题，由于负载和手臂的重量基本都加在了导轨上，因此要进行受力分析。手臂驱动系统采用低速交流伺服电机带动滚动丝杠副旋转从而实现前大臂的左右运动，后大臂的上下运动。此处驱动电机选择伺服电机。轴承选用角接触球轴承。腰部旋转速度低，因此选用中低速电机。由于腰部以上所有构件的载荷都由腰部轴承来承担，故选用主要承受轴向载荷的推力球轴承。如下图 1-1 所示图 1-1面粉码垛机器人 881.5.2 方案二：图 1-2如上图 1-2 所示，这种手臂和机身的配置形式是立柱式，适合于回转型，俯仰型和屈伸型机械手，因而这是一种最常见的配置方式。这种配置形式的手臂可以在水平面内回转，具有占地面积小，工作范围大的特点。立柱可以安装在生产线的末端上，为一台机床服务，也可以在立柱上添加加行走装置，为多台机床服务。如图所示即为单臂的立柱式机械手，它可以实现多个方向的运动。绕竖直方向的转动既需要抓持机构的转动，也需要手臂绕立柱的转动。把抓持机构安装在大臂的前端，使手爪可以绕小臂转动，由于要求面粉袋在托盘上能交错放置，所以手爪的转动使用间歇机构来实现。但竖直方向的立柱可以固定不动，竖直方向的移动可以安置在小臂上，通过蜗轮蜗杆传动来实现。水平方向的移动通过丝杠螺母传动来完成。这四个运动都用伺服电动机来驱动。1.5.3 方案三：下图 1-3 这是一种框架式码垛机，在空间坐标系中可实现沿 x,y,z 轴三个方向的移动和绕 z 轴的转动，以保证在各个方向和位置的面粉袋的夹持，并且转动的手爪可以实现面粉袋在托盘上的交错放置。导轨实现的是 x,y 轴方向的移动，需要通过伺服电动机来驱动。Z 轴方向的运动可以通过螺旋机构实现。抓持机构的安装如图所示，使手爪可以绕数值立柱转动，由于要求面粉袋在托盘上能交错放置，所以手爪的转动使用间歇机构来实现。这种方案码垛机的设计比较简单，但占地面积比较大，且控制装置不好安装。面粉码垛机器人 99图 1-31.6 本设计主要研究的内容:本课题研究的机械手一共拥有五个自由度，采用全液压的方式驱动，本说明书所陈述的具体解决问题如下：1.6.1（1）：机械部分：码垛机应有的实行机构，由手爪、手腕、手臂、支座组成。手爪是抓取机构，用来夹紧或是松开喷枪，具体可以模范人手做参考，可以像人手一样抓取面粉袋。手腕是连接手指和手臂的元件，可以进行俯仰动作。简单的码垛机可以没有手腕，而只有手臂，手臂的动作和手腕相类似，只是动作范围更大，可以前后伸缩，上下俯仰和左右摆动等。支柱用来支撑手臂，它是固定的。结构部分说明：1.机身结构：机身采用回转与俯仰结构机身。实现回转的驱动方案有几种，摆动油缸驱动，升缩油缸在上，回转油缸在下。实现机身回转采用液压马达驱动。1. 运动形式方案选择：为了实现不同的运动，应该选用不同的设计方案，所以本设计本人确定采用球坐标机构。2. 手臂结构：手臂的运动方式为左右转动、前后伸缩及上下摆动，其中上下摆动采用手臂俯仰油缸与活塞杆机构连用来实现，手臂的前后伸缩采用直线缸来实现。面粉码垛机器人 10103. 手腕结构：手腕设计根据我所设计的机械手的要求，选择双自由度手腕。手腕的俯仰动作由液压缸直接驱动，抓取同样用液压缸驱动。1.6.2（2）：码垛机的驱动方案：采用液压驱动，液压实现机身的回转与俯仰，以及各部件的伸缩俯仰运动。为实现机身的旋转，选用液压马达驱动。手臂伸缩与俯仰都采用液压缸驱动。手腕俯仰采用液压缸驱动，手抓的驱动同样采用液压驱动。面粉码垛机器人 1111第 2 章 面粉码垛机的总体设计2.1 码垛机器人的组成及各部分关系概述：首先作为工业用机械，虽然工业机器人不同于专用设备，具有较强的灵活性，但是要设计和制造万能机器人是不现实的。作为工业用码垛机器人，首先最重要的是要有“手” ，这样它才能根据电脑发出的命令执行相应的动作。机械手由三大部分（机械部分、传感部分、控制部分）六个子系统（驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统）组成。机械结构系统：机器人的机械结构又主要包括末端操作器、手腕、手臂、机身（立柱） 。驱动系统：驱动器是把从动力源获得的能量变换成机械能，使机器人各关节工作的装置，常见的驱动形式有步进电机驱动、直流电机驱动、交流电机驱动、液压驱动、气压驱动以及近些年出现的一些特殊的新型驱动（例如超声波驱动、磁致伸缩驱动、静电驱动等） 。控制系统：机器人的控制方式多种多样，根据作业任务不同，主要可分为点位控制方式（PTP） 、连续轨迹控制方式（ CP） 、力（力矩）控制方式和智能控制方式。2.2 码垛机械手的设计分析：2.2.1 设计要求：该机械手的动作流程：初始位姿手爪松开抓住物体机身转动手臂向上运动手臂进行伸长手腕上下俯仰放下物体手腕归位手臂回缩手臂向下归到原位机身回转回到初始位姿。2.2.2 总体设计任务分析：(1) 结构形式的设计 : 机械手常见的运动形式有 1）直角坐标型 2）圆柱坐标型 3）球坐标（极坐标）型 4）关节型（回转坐标）型 5）平面关节型五种 。1圆柱坐标型是由三个自由度组成的运动系统，工作空间为圆柱形，它与直角坐标型比较，在相同的空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。直角坐标型，其运动部分的三个相互垂直的直线组成，其工作空间为长方体，它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和面粉码垛机器人 1212姿态的编程计算，定位精度高，结构简单，但机体所占空间大，灵活性较差。球坐标型，它由两个转动和一个直线组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩，其工作空间图形唯一球体，它可以做上下俯仰动作并能够抓取地面上的东西或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作范围大的特点，但是结构比较复杂。关节型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个自由度都是回转关节，这种机器人一般由和大小臂组成，立柱与大臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰运动，小臂作俯仰摆动，其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的工件。平面关节型，采用两个回转关节和一个移动关节，两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节控制上下运动。这种机器人在水平方向上有柔顺度，在垂直方向上有较大的刚度，它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合中小规格零件的插接装配。综上，本次设计中采用回转坐标型。(2) 自由度的确定：自由度(Degrees of Freedom),指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。在运动形式上分为为直线运动 P，为旋转运动 R。自由度数的多少反映了这种机械手能完成动作的复杂程度，根据对机械手必须完成的动作的研究，设计五个自由度的机械手即可完成所规定的工作任务。(3) 驱动方式的选择:1）驱动系统有液压驱动 2）气压驱动 3）电机驱动4）机械联动四种，其中液压驱动和气压驱动较为通用 。5液压驱动：结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐振动、防爆性好。而且液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。气压驱动：具有速度快、系统结构简单、造价较低、维修方便、清洁等特点，适用于中小负载的系统中，但对速度很难进行精确控制，且气压不可太高，所以抓举能力较低，难于实现伺服控制。电机驱动：步进或伺服电机可用于程序复杂、运动轨迹要求严格的小型通用机械手； 异步电机、直流电机适用于抓重大、速度低的专用机械手；电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，控制方式灵活，安装维修方便。但控制性能差，惯性大，不易精确定位。机械联动：动作可靠，动作范围小，结构比较复杂，适用于自由度少、速度快的专用机械手。并且，同其他转动方式相比较，传动功率相同时，液压传动装置的重量轻，体积紧凑，可实现无级变速，调速范围大。运动件的惯性小，能够频繁顺序换向，传动工作平稳，系统容易实现缓冲吸着震，并能自动防止过载。与电气配面粉码垛机器人 1313合，容易实现动作和操作自动化，与微电子技术和计算机配合，能够实现各种自动控制工作。液压元件基本已经上系列化、通用化和标准化，利于 CAD 技术的应用、提高工效，降低成本。容易达到较高的单位面积压力，较小的体积可获得较大的出力（推力或转距） 。液压系统介质的可压缩性小，工作较平稳，可靠，并可实现较高的位置精度。液压传动中，力，速度和方向比较容易实现自动控制。液压装置采用油液做介质，具有防锈性和自润滑效能，可以提高机械效率，使用寿命长。综上，本次设计采用液压驱动。(4) 控制方式的选择:1）点位控制方式（PTP）2）连续轨迹控制方式（CP ） 3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式 。1点位控制的特点是只控制工业机器人末端执行机构在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹不做任何规定。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需时间。由于其控制方式易于实现，常应用于上下料、搬运、点焊等工业机器人。连续轨迹控制的特点是连续的控制工业机器人末端执行器在作业空间的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度要求内运动，而且速度可控，轨迹光滑且运动平稳。这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端操作器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。常用于弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人。力（力矩）控制方式常用于准确定位并要求使用适度的力或力矩来完成装配、抓放物体等工作。智能控制方式是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库相应做出决策。采用智能控制技术的机器人具有较强的环境适应性及自学能力，技术难度及成本要求都比较高。综上，本次设计采用点位控制。面粉码垛机器人 14142.2.3 总体方案拟定：因为本机械手工作范围大，位置精度要求高。考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设计采用悬臂式五自由度的机械手： 自由度具体分配如下：1）手臂回转自由度。拟采用液压马达来实现，液压马达通过齿轮传动通过带动与之相连的缸体也发生转动，从而实现机身的回转。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。2）手臂俯仰自由度。机器人的手臂俯仰运动，一般采用活塞油（气）与连杆机构联用来实现。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，缸体采用尾部耳环与机身连接，而其活塞杆的伸出端则与手臂通过铰链相连。其行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。3）手臂伸缩自由度。由于油缸或气缸的体积小，质量轻，因而在机器人手臂结构中应用较多。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，其伸缩行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。4）手腕俯仰自由度。拟采用液压缸来实现。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。5）手抓的抓取自由度。拟采用液压缸来实现。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。面粉码垛机器人 1515第 3 章 码垛机抓取结构的设计分析3.1 末端操作器的设计分析：工业机器人末端操作器是多种多样的，主要是根据物体的各个不同来决定取用什么操作器，大致可分为夹钳式取料收 吸附式取料手 专用操作器及转换器 仿生多指灵巧手 。1夹钳式手部与人手相似，是工业码垛机器人广为应用的一种手部形式。它一般由手指（手爪）和驱动机构，传功机构及连接与支承元件组成，并能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。吸附式取料手靠吸附力取材，根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种。吸附式取料手适应于大平面（单面接触无法抓取），易碎（玻璃，磁盘），微小（不易抓取）的物体，因此使用面很广。工业用码垛机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求完成各种动作，再配上各种专用的末端操作器后，就能完成各种动作。3.2 码垛机手腕的设计分析：设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力矩外，还要求手腕结构简单，紧凑轻巧，避免干涉，传动灵活。多数情况下，要求将腕部结构的驱动部分安排再小臂上，使外形整齐。工业码垛机手腕是连接末端操作器和手臂的不件，它的作用是调节或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，使得工业用码垛机器人末端操作器适应复杂的动作要求。工业用码垛机器人一般需要 6 个自由度才能使手部达到目标位置并处于期望的姿态。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间 3 个坐标轴 X,Y,Z 的转动，即具有翻转，俯仰和偏转 3 个自由度。通常把手腕的翻转叫做 ROLL，用 R 表示，俯仰叫做 PITCH，用 P 表示，把手腕的偏转叫做 YAW，用 Y 表示。本设计本人用的翻转动作，此运动主要表现在手部和臂部的旋转运动上。3.3 手臂的设计分析：手臂是对于一个机体的重要部件，它的作用是将被抓取的工件运送到给定的位置上。因而，一般都有 3 个自由度，即手臂的伸缩，左右回转，升降（或面粉码垛机器人 1616俯仰）运动。本人设计此课题主要是运用到了伸缩运动，而实现手臂直线往复等运动的机构形式较多，常用的有活塞油（气）缸，活塞缸和齿轮齿条机构，丝杠螺母机构等。此次设计本人主要采用单作用（单活塞杆）缸来实现手臂的伸缩。为了保证手臂的力度和增加它的刚性，不让手臂再抓取物体时变形和扭曲发生变形，因而需要设计导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。根据手臂的结构、抓重等因素，为了使抓取时不产生偏重力矩使抓取可靠，本设计中采用四根导向柱的臂伸缩结构。这种结构的特点是行程长，抓重大，而工件不规则时还可以防止产生过大的偏重力矩。下图 3-1 为四导向杆式手臂机构简图：图3-1从上图就可以看出来此结构的连接和其他部件的连接关系。可以很清楚的看到手臂伸缩油缸的结构。手臂的俯仰运动一般采用活塞油（气）缸与连杆机构联用来实现。手臂的俯仰运动使用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂用铰链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱联接。此外，还有采用无杆活塞缸驱动齿轮齿条或四连杆机构实现手臂的俯仰运动。本次课题本人采用单作用（单活塞杆）缸来驱动。由于俯仰油缸是采用底部耳环摆动式直线缸，所以在活塞杆往复运动的同时，缸体可在平面内摆动。如下图 3-2 所示面粉码垛机器人 1717图 3-2实现码垛机手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式回转缸，齿轮传动机构，链轮传动机构和连杆机构。此课题本人运用摆动马达来实现此机构的回转。下图 3-3 所示图 3-3从能量转换的观点来看，液压泵与液压马达是可逆工作的液压元件，向任何一种液压泵输入工作液体，都可使其变成液压马达工况；反之，当液压马达的主轴由外力矩驱动旋转时，也可变为液压泵工况。因为它们具有同样的基本结构要素-密闭而又可以周期变化的容积和相应的配油机构。但是，由于液压马达和液压泵的工作条件不同，对它们的性能要求也不一样，所以同类型的液压马达和液压泵之间，仍存在许多差别。首先液压马达应能够正、反转，因而要求其内部结构对称；液压马达的转速范围需要足够大，特别对它的最低稳定转速有一定的要求。因此，它通常都采滚动轴承或静压滑动轴承；其次液压马达由于在输入压力油条件下工作，因而不必具备自吸能力，但需要一定的初始密封性，才能提供必要的起动转矩。由于存在着这些差别，使得液压马达和液压泵在结构上比较相似，但不能可逆工作。面粉码垛机器人 18183.4 机身和机座的设计分析：工业型码垛机器人机座可分成固定和行走式两种，一般的工业机器人为固定式的。但随着海洋科学，原子能工业及宇宙空间事业的发展，移动机器人和自动行走机器人的应用也越来越多了。本课题由于运动的范围比较小，所以采用固定式机座，固定式机座直接联接在地面基础上，也可以固定再机身上。本课题本人采用机身与机座用螺柱连接，机座用螺栓固定再地面的基础上进行操作。对于机身的设计需求要刚度和强度要大，运动要灵活，稳定性要好，导套不可以太短，以免造成不必要的卡死现象发生，驱动方式适宜，结构布置合理。第 4 章 机械手各部件的载荷计算4.1 设计要求分析：本课题设计的多自由度机械手采用关节型坐标系、全液压驱动，具有手臂面粉码垛机器人 1919伸缩、俯仰、回转、抓取和手腕回转五个自由度。执行机构相应由手部抓取机构、手腕回转机构、手臂伸缩机构、手臂俯仰机构、手臂回转机构和手抓的抓取机构等组成，每一部分均由液压缸驱动与控制。4.2 手指夹紧机构的设计:手指是直接与工件接触的部件。手部松开和夹紧工件，就是通过手指的张开与闭合来实现的。机器人的手部一般有两个手指，也有3个或多个手指，其结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。指端的形状通常有两类：V型指和平面指。指面的形状常有光滑指面，齿形指面和柔性指面等，光滑指面平整光滑，用来夹持已加工表面，避免已加工表面受损。本设计采用了四指V型结构。手指的驱动采用弹簧复位（单活塞杆）单作用液压缸，传动机构采用斜楔杠杆式复合回转传动，并在杠杆上装有张紧弹簧，以保证手指夹紧驱动液压缸的复位手指在夹取工件的力度是此次设计手部机构的重要依据，此次设计要关系到工件夹取时物品对重力的载荷和物品再移动中的外力影响，再运动状态下产生的载荷需要考虑，从而才能达到物品的夹紧状态。 NF： 对于工件的夹紧力的计算 （4-1）GK321为安全系数，通常取 1.2 2.0；1为工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。2K可以估算为： = （4-2Kga12）其中： 在此式中为重力加速度；g在此式中为运载工件时重力方向的最大上升加速度，可表示计算为：a（4-3） 响tvamx为运载物体时重力的方向的最大上升的速度， 0.07 。maxv maxvs/面粉码垛机器人 2020为系统达到了最高速度时所产生的时间，一般取 0.3 0.5 。响t s为方位系数，根据情况的不同取 0.9 1.1。3K3K为被抓取工件所受重力（ ） 。GN计算可得： NFGK321 N1608.50.8.93/071. 则手指夹紧缸的载荷为： 160 （此手指运用单作用液压缸驱动夹 紧FN实现） 。4.3 手臂伸缩机构载荷的计算：手臂的伸缩运动采用了双作用液压缸来实现他们的运动，首先要考虑到的是伸缩时各个部件的摩擦阻力，其驱动力 计算如下：伸 缩FmafF/)(伸 缩 （4-4）为各支承处的的摩擦阻力，其转换公式的大小可以按下方程估算：fF)(NfFG （4-5）G 为运动部件所受的重力（ ） ；为外载荷作用于导轨上的正压力（ ） ，其大小可按下式计算：NFN面粉码垛机器人 2121（4-手 腕手 部工 件 GFN6）为摩擦系数，取 0.1。机械设计手册查表得。为启动过程中的惯性力（ ） ，其大小可按下式估算：aFN（4-tvgGFa总7）为重力加速度，取 9.8 ；g2/sm为速度变化量（ ） 。如果臂部从静止状态加速到工作速度 时，则这个v v过程的速度变化量就等于臂部的工作速度。为启动或制动时间（ ） ，一般为 0.1 。对轻载低速运动部件取小值，t ss5.0对重载高速部件取大值，行走机械一般取 0.5 1.5 。tvsm/经过计算得：)294168.590(1.)( NfFG N7.=tvga总 .7.62maf 6.2935.0/)1(/)(伸 缩4.4 手臂俯仰机构载荷的计算：俯 仰F （4-aM3.1面粉码垛机器人 22228）当手臂从一个水平面变成角 或者从 角变成水平面时所产生的加速和减速的过程，铰接活塞杆的载荷 达到最大。其在垂直方向上的加速时间为俯 仰F0.1 ，最大线速度为 0.07 ，又由于加速的过程并不是等加速度而运tsvsm/行的，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。所以上式为公式所得。式中 为手臂俯仰缸所支撑的重量（ ） ，由下式可得：MkgkgM103216工 件手 指手 腕手 臂为手臂俯仰缸的活塞杆的加速度。a经过计算得： 06.15.763.1. aF俯 仰4.5 机身摆动机构载荷力矩的计算：手臂部分的回转运动的驱动力矩,需要依据启动时产生的惯性力矩与回转时部件回转和连接支承处的摩擦力矩来计算。回转运动时,由于并不是等加速运动,所以最大的驱动力矩比以往原理上的要大一些，所以计算时一般取它的 1.3 倍。计算时还要考虑液压马达的机械效率 （ 0.9 0.99） ，驱动力矩按下式计算：m（4-mafTT/)(3.1手 臂9）上式中： 为摩擦力矩(包括各支承处的摩擦力矩 ) （ ） ；fT M为 起动时惯性力矩（ ） ，一般按下式计算:a mMtJTa为臂部对其回转轴线的转动惯量（ ） ；J 为 速度变化量（ ） ；srd/为回转运动起动或制动所需的时间（ s）, 一般为 0.1 0.5s。对轻t载低速运动部件取小值，对重载高速部件取大值，行走机械一般取面粉码垛机器人 2323=0.5 1.5m/s。tv/在计算臂部部件的转动惯量时，可以将有些形状比较复杂的零件变得简单化，然后依次求出简单的零件的转动惯量。若零部件沿臂部伸缩运动方向上的轴向尺寸与其重心到回转轴线的距离比值不超过二分之一时，一般情况下可把它当作质点来计算，这样简化的计算情况下的误差不能超过百分之 5。下面就是计算的过程的出的结论： 0fTmNtJTa 6.235.)284.(=maf/)(3.1手 臂 .189/(314.6 初选系统工作压力：如何选择压力，本人根据设备的类型和载荷的大小来确定压力的选择。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济；反之，压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固定的尺寸不太受限制的设备，压力选低一些，行走机械重载设备压力要选得高一些。选择可参考一下两表：机床机械类型磨床 组合机床 龙门刨床 拉床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机起重机械起重运输机械工作压力/MPa0.8 2 3 5 2 8 8 10 10 18 20 32表 4-1 各种机械常用的系统工作压力 9面粉码垛机器人 2424载荷/KN 50工作压力/MPa80 时，导向套滑动面长度 （0.6 1.0） 。BDmAd为了减少加工难度，通常情况下液压缸缸筒长度不易于大于内径的 20 30 倍。所以根据从上面描述的并结合实际工况取得夹紧液压缸缸筒长度 160 。Lm缸筒属于液压缸中非常重要的零件,它要承受液体作用下产生的压力,其臂厚需进行计算。活塞杆受轴向压缩负载时，为避免产生变形和弯曲，需要进行压杆稳定性验算。（5-8）pD2max式中： 为缸筒内最高工作压力；p面粉码垛机器人 2828为缸筒材料的许用应力：p=（5-9） pbn式中： 为材料的抗拉强度，通过查找机械手册得到 610MPa；b为安全系数n通过计算得到 10 。m5.2 手臂伸缩机构结构尺寸的确定：手臂伸缩机构采用的双作用活塞缸，由以上章节可以得知载荷力的大小。经过计算可得夹紧液压缸的液压缸内径 145 ，活塞杆直径Dm101.5 。按照 GB/T2348-1993 标准，圆整其值为 160 ，活塞杆直dm径 100 。根据以上原则并联系实际工况取手臂伸缩液压缸缸筒长度2000 ，壁厚 36 。Lm5.3 手臂俯仰机构结构尺寸的确定：手臂俯仰机构同样采用的双作用活塞缸，由以上章节可以得知载荷力大小。同理，经过计算可得夹紧液压缸的液压缸内径 101 ，活塞杆直径Dm70.7 。按照 GB/T2348-1993 标准，圆整其值为 100 ，活塞杆直径dm70 。根据以上原则并联系实际工况取手臂俯仰液压缸缸筒长度 630L，壁厚 28 。5.4 机身摆动机构的确定：机身摆动选用的液压马达，其排量计算如下公式：/r46105.210834.2臂V3m所以选取 GM05 型 的液压马达。5.5 强度校核：活塞杆在稳定的工作情况下，如果只是受到轴向的拉力和推理的影响，可以直接的运用下面的公式进行计算：面粉码垛机器人 2929（5-10）pdF26410式中： 为活塞杆的作用力，单位 ；FN为活塞杆直径，单位 ；dm为材料的许用应力，查机械设计手册得到 600MPa。p以下式子为各液压缸的活塞杆校核:MPa626105.7041.358手 腕626.1. 伸 缩MPa62610.74.30俯 仰故 ，则满足强度要求。p5.6 弯曲稳定性校核当活塞杆受到轴向的压力时，有可能使之产生变形现象，当此轴向力达到临界值 时，则压杆会有不太稳定的现象发生，临界值的大小与缸的安装方式kF和活塞杆长和直径等有关。所以只有当活塞杆的计算长度 10 时，才需要Ld计算活塞杆的纵向稳定性。所以此设计这里只需校核手臂伸缩液压缸。下面就是杆的稳定条件计算公式：（5-knF11）（5-NLKIEk261012）面粉码垛机器人 3030（5-MPabE)1(113）（5-14）64dIm式中： 为缸承受的轴向压力（ ） ；FN为安全系数kn为液压缸导向系数。K为活塞杆弯曲失稳的临界压力（ ） kL 为液压缸支承长度（ ） ；m为活塞杆横截面惯性矩（ ）I 4为实际弹性模数1E为材料的弹性模数（ ） MPa为材料组织缺陷系数 a为活塞杆截面不均匀系数 b；b13/为活塞杆直径（ ） 。dm计算可得：4.9I6104mMPaE518.NFk729nk1.43/6.3所以弯曲强度满足要求。面粉码垛机器人 3131第 6 章 液压系统的设计6.1 制定基本方案：一个液压系统最主要是要合理，实用，这样才能确保可靠和全面地实现任务书中的标准，我们通常是要先选定系统的类型，选择基本回路，然后把各个回路拼合而成一个完整的液压系统。本人再书中看到影响液压系统的因素很多，所以本人还是要在老师的经验指导下完成。6.1.1 基本回路的选择：1压力源回路：压力源回路又称动力源回路，其功能是向液压系统提高满足执行机构需要的压力和流量。压力源回路是由油箱、油箱附件、液压泵、电动机（发动机） 、安全阀、过滤器、单向阀等组成。本设计中主要采用高低压双联泵液压源回路。2压力控制回路：压力控制回路是利用压力控制阀来控制系统整体或某一部分的压力，以满足液压执行元件队里或转矩要求的回路。这类回路包括调压，减压，增压，卸荷和平衡等多种回路。本设计中采用通常将调压、限压回路与油源回路合并考虑。3速度控制回路：液压系统原理图的核心是调速回路，调速方案和调速回路对其它回路的选择具有决定性的影响。本系统是功率较小的，故选用简单的进油路节流阀调速。同样的道路选用单泵供油，力求较好的经济性。在机械手的升降缸采用单伸出杆时，为了使往复运动速度一致时要采用两个单向节流阀来实现。若只用一个节流阀调速时，则应将节流阀放到换向阀下面，并按有杆腔进油达到最大允许速度，但仍然符合设计要求。4方向控制回路：方向控制回路用来控制液压系统各油路中液流的接通，切断或变向，从而使各执行元件按需要相应地实现起动，停止或换向等一系列动作。这类控制回路有换向回路，锁紧回路等。实现方向控制的基本方法有：阀控主要是采用控制阀分配液流；泵控是采用双向定量泵或双向变量泵改变液面粉码垛机器人 3232流的方向和流量；执行元件控制是采用双向液压马达来改变液流方向。6.2 液压元件的选择：6.2.1 液压泵的选择：液压泵是一种将机械能转换为液压能的能量转换装置，是液压系统的心脏，为执行元件提供压力油。液压泵性能好坏直接影响液压系统工作的可靠性和稳定性。液压泵按排量能否改变分为定量泵和变量泵；按进、出油口的方向是否可变分为单向泵和双向泵；按运动构件的形状和运动方式分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵。液压泵的选择：（1） 是否要求变量： 变量的话我们可以选用变量泵，工作压力较低的为单作用叶片泵，仅适用于机床系统。（2） 工作压力： 目前位置很多液压泵的额定功率普遍都有所提高，但相对而言，额定压力高的还属柱塞泵。（3） 工作环境： 说到工作环境，这里了解到齿轮泵的抗污染力最好，所以要工作环境好的话选用齿轮泵。（4） 噪音指标：有啮合齿轮泵、双作用叶片泵和螺杆泵属于低噪音的液压泵。（5） 效率： 按结构形式分析，可以知道柱塞泵的额定压力最高；而相同的一种液压泵，总效率的排量也大；排量相同的液压泵，在额定的工作情况（额定转速、额定压力、最大排量）时总效率最高，若工作压力低于额定压力或转速低于额定转速、排量小于最大排量，泵的总效率将下降，甚至下降很多。固然，液压泵需在额定工作情况下工作。目前在工业用码垛机上多数采用齿轮泵，从流量特性的角度来看，定量泵的采用数量较多。本设计中采用 PV2R 双联叶片泵。系统压力为 8MPa，选取PV2R12，查机械设计手册表选取其前泵排量 V1 为 33mL/r，后泵排量 V2 为12mL/r，其允许最高转速 1800r/min，最低转速 750r/min。该泵使用普通液压油时前泵的最高使用压力为 14MPa，后泵为 16MPa，满足系统要求的 8MPa。面粉码垛机器人 3333前泵的流量：（6-1） nVq前式中： 为泵的排量（ ） ；rmL/为泵的额定转速（ ） 。nmin/rin/4.591803axLq前 72min前后泵的流量：（6-2） nVq后为泵的排量（ ） ；rmL/为泵的额定转速（ ） 。nin/rin/6.2180maxLq后 975in后6.2.2 液压泵所需要的电机功率：（6-3） /maxqPN为油泵所需要的电动机功率；为油泵的最大工作压力（ ） ；P为油泵最大流量（ ） ；maxqs/3为油泵总效率，一般叶片泵 0.75 0