多自由度机械手机电系统设计

机电一体化系统设计课程设计说明书设计题目： 多自由度机械手机电系统设计 学 院： 专业年级： 一、总体方案设计 .51.1 设计任务 .51.2 总体方案确定 .51.2.1 机械手基本形式的选择 .51.2.2 机械手的主要部件及运动 .51.2.3 驱动机构的选择 .51.2.4 机械手的技术参数列表 .5二、机械系统设计 .62.1 机械手手部的设计计算 .62.1 .1 手部设计基本要求 .62.1.2 典型的手部结构 .62.1.3 机械手手抓的设计计算 .62.1.4.机械手手抓夹持精度的分析计算 .102.1.5 弹簧的设计计算 .112.2 腕部的设计计算 .132.2.1 腕部设计的基本要求 .132.2.2 典型的腕部结构 .142.2.3 腕部结构和驱动机构的选择 .142.2.4 腕部的设计计算 .142.3 臂部的设计及有关计算 .172.3.1 臂部设计的基本要求 .172.3.2 手臂的典型机构以及结构的选择 .182.3.3 液压缸工作压力和结构的确定 .202.4 机身的设计计算 .212.4.1 机身的整体设计 .212.4.2 机身回转机构的设计计算 .222.4.3 机身升降机构的计算 .252.4.4 轴承的选择分析 .27三、控制系统硬件电路设计 .273.1 可编程序控器的简介 .273.2 PLC 的结构，种类和分类 .283.3 FX2n 系列三菱 PLC 特点 .293.4 接近开关传感器 .303.5 I/O 接口简介 .313.6 行程开关的介绍 .313.6.1 行程开关的概念 .313.6.2 行程开关的作用及原理 .313.7 电路的总体设计 .323.7.1 回路的设计 .323.7.2 系统输入/输出分布表 .333.7.3 机械手的程序设计 .343.7.4 步进电机的运行控制 .34四、参 考 文 献 .35一、总体方案设计1.1 设计任务基本要求: 设计一个多自由度机械手（至少要有三个自由度）将最大重量为 30Kg 的工件，由车间的一条流水线搬到别一条线上；二条流水线的距离为：1800mm；工作节拍为：50s；工件：最大直径为 200mm 的棒料；1.2 总体方案确定1.2.1 机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下 4 种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标) 型机械手 ; (4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标 。图 1.1 是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带 A 上的物品搬运到传送带 B。图 1.1 机械手基本形式示意1.2.2 机械手的主要部件及运动在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有 5 个自由度既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降 5个主要运动。本设计机械手主要由 4 个大部件和 5 个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。 （2） 腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动 1.2m 。 （4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。1.2.3 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。1.2.4 机械手的技术参数列表一、用途：搬运:用于传送带间搬运二、设计技术参数:1、抓重:30Kg (夹持式手部)2、自由度数:5 个自由度3、座标型式:圆柱座标4、最大工作半径:1800mm5、手臂最大中心高:1248mm6、手臂运动参数伸缩行程：1200mm伸缩速度：83mm/s升降行程：300mm升降速度：67mm/s回转范围：01807、手腕运动参数回转范围：0180二、机械系统设计2.1 机械手手部的设计计算2.1 .1 手部设计基本要求（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度） ，以便于抓取工件。（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4） 应保证手抓的夹持精度。2.1.2 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。2.1.3 机械手手抓的设计计算1.选择手抓的类型及夹紧装置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30Kg。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。06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和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。2 .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。 (a) (b)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 和 并指向 点，交 和1o2oF的延长线于 A 及 B。2F由 =0 得 x12=0 得y12cosF由 =0 得 h01M1NcosaF= 2NbF（3.1）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FNF杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好 = 。0343.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： 123NFKG（3.2）式中 安全系数，通常 1.22.0；1K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2k 21baa，重力方向的最大上升加速度； maxvt响运载时工件最大上升速度maxv系统达到最高速度的时间，一般选取 0.030.5st响方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。3KG被抓取工件所受重力（N） 。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 5000 0.81 2000030000 2.04.0500010000 1.52.0 3000050000 4.05.01000020000 2.53.0 50000 以上 5.08.0计算：设 a=100mm,b=50mm, ;机械手达到最高响应时间为 0.5s，求夹紧力 和0104 NF驱动力 和 驱动液压缸的尺寸。F(1)设 1.5K= =1.022ba0.15983.根据公式，将已知条件带入： =1.5NF1.025849.N（2）根据驱动力公式得：=1378N20cos3.8计 算（3）取 0.85178620.5FN计 算实 际（4）确定液压缸的直径 D24dp实 际选取活塞杆直径 d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力 P=0.81MPa,524160.870.8.10.5Fp实 际根据表 4.1（JB826-66） ，选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆内径为:D=63 0.5=31.5mm，选取 d=32mm4. 手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为 ，活塞杆运动长度为34mm。06手抓夹持范围，手指长 100mm,当手抓没有张开角的时候，根据机构设计，它的最小夹持半径，当张开 时，如图 3.2（b）所示，最1R400大夹持半径 计算如下：2002134cos9Rtg机械手的夹持半径从 4090mm 图 3.2 手抓张开示意图2.1.4.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 。12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 3.3 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 80mm200mm。一般夹持误差不超过 1mm,分析如下：工件的平均半径： 9042cpR65m手指长 ,取 V 型夹角10lm01偏转角 按最佳偏转角确定：1106coscos4in0inCPRl计算 0sin0Rl064.5当 S 时带入有：MAXIN2 22 2max mincos cos0.678sini sinMAXMAXRRllll:夹持误差满足设计要求。2.1.5 弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图 3.4 所示，计算 如下。13过 程图 3.4 圆柱螺旋弹簧的几何参数(1).选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力 80MPa(2).选择旋绕比 C=8，则（3.3）410.65CK.4810.65.183(3).根据安装空间选择弹簧中径 D=42mm，估算弹簧丝直径425.8DdmC(4).试算弹簧丝直径 （3.4）1.6MAXFKC.AXd612.83.670m(5). 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数：38MAXGnFC（3.5） 3MAXd63801.072.86选择标准为 ，弹簧的总圈数 圈n1.5.45n(6).最后确定 ， ， ，42Dm7d142735Ddm25d(7).对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比 ，本设计弹簧是 2 端自由，根据下列0741.62HbD选取： 当两端固定时， ,当一端固定；一端自由时， ；当两端自由转动时，5.33.7b。2.6b结论本设计弹簧 ，因此弹簧稳定性合适。1762b(8).疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数 ，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力310N强度验算） 。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式：； 选取 1.31.7（力学性精确能高） maxcaSs max38KDFdax38KDFd31.840.216597476max.59casSpa结论：经过校核，弹簧适应。2.2 腕部的设计计算2.2.1 腕部设计的基本要求（1） 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，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）结构考虑，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，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3） 必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。2.2.2 典型的腕部结构(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩 M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于 ） 。027(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于 的情况下，可采用齿条活塞驱动的027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驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4) 机-液结合的腕部结构。2.2.3 腕部结构和驱动机构的选择本设计要求手腕回转 ，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自018由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。2.2.4 腕部的设计计算1. 腕部设计考虑的参数夹取工件重量 30Kg ，回转 。0182. 腕部的驱动力矩计算（1） 腕部的驱动力矩需要的力矩 。M惯（2） 腕部回转支撑处的摩擦力矩 。摩夹取棒料直径 100mm，长度 1000mm，重量 30Kg，当手部回转 时，计算 力矩：018（1） 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为 220mm，直径120mm，其重力估算 G=3.14 230.6.7809.0GKgmNg（2） 擦力矩 。1Mm摩（3） 启动过程所转过的角度 =0.314rad，等速转动角速度 。启 0 2.61s（4.1）2J惯 工 件 启查取转动惯量公式有： 2222190.60.34.8NJMRmsNsKg2 22219.83.5.11Gl m工 件代入： 2.610.3425.5034MNm惯；.1惯 摩 惯.93. 腕部驱动力的计算表 4-1 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm ）20 25 32 40 50 55 63 6570 75 80 85 90 95 100 105110 125 130 140 160 180 200 250设定腕部的部分尺寸：根据表 4-1 设缸体内空半径 R=110mm，外径根据表 3-2 选择121mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为 226mm；动片宽度b=66mm,输出轴 r=22.5mm.基本尺寸示如图 4.1 所示。则回转缸工作压力，选择 8Mpa2 2261.7.350.50MP MpabRr图 4.1 腕部液压缸剖截面结构示意表 4.2 标准液压缸外径（JB1068-67） （mm ）液压缸内径 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 20020 钢 P160Mpa50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 24545 钢 250 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 2454. 液压缸盖螺钉的计算图 4.2 缸盖螺钉间距示意表 4.3 螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系缸盖螺钉的计算，如图 4.2 所示，t 为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表 4.3，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力（4.2）0sQF计算：液压缸工作压强为 P=8Mpa,所以螺钉间距 t 小于 80mm,试选择 8 个螺钉，所以选择螺钉数目合适 Z=8 个 3.143.17808D危险截面222 2.450.7985SRr m； ； QPFZ7908.5NSQFK1.:1.5163SK所以 =11863.3+10545=19772N0sQ螺钉材料选择 Q235， （ ）2401.5MPan则 1.25n:螺钉的直径 （4.4）041.3QFd0.641.39720.159m螺钉的直径选择 d=16mm.5.动片和输出轴间的连接螺钉（1） 动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。 282QbpdDdMFZf摩于是得 (4.5)24bpDfD动片的外径；f被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取 f=0.15工作压力 P（Mpa） 螺钉的间距 t(mm)0.51.5 小于 1501.52.5 小于 1202.55.0 小于 1005.010.0 小于 80螺钉的强度条件为 (4.6)21.34QFd合或 (4.7)1Q带入有关数据，得 62 220.810.4567445.3QbpFDd NZfZ螺钉材料选择 Q235，则 （ ）.sn2MPa.n:螺钉的直径 0 61.3170.12.4Qd m螺钉的直径选择 d=12mm.选择 M12 的开槽盘头螺钉。2.3 臂部的设计及有关计算手臂部件是机械手的主要握持部件。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：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位） ，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备 3 个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。 2.3.1 臂部设计的基本要求一、 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点的距离。（3） 合理布置作用力的位置和方向。（4） 注意简化结构。（5） 提高配合精度。二、 臂部运动速度要高，惯性要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 10001500mm/s,最大回转角速度设计在 180/s内，大部分平均移动速度为 1000mm/s，平均回转角速度在 90/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。减少惯量具体有 3 个途径：（1） 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。（2） 减少臂部运动件的轮廓尺寸。（3） 减少回转半径 ，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩） ，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。三、手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，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。总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。2.3.2 手臂的典型机构以及结构的选择1. 手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：（1） 双导杆手臂伸缩机构。（2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。（3） 双活塞杆液压岗结构。（4） 活塞杆和齿轮齿条机构。2. 手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。3. 手臂直线运动的驱动力计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，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，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定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。(5.1)FF回摩 密 惯4. 手臂摩擦力的分析与计算分析：摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。图 5.1 机械手臂部受力示意计算如下：由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。，0AMbGLaF总得 ， ，bGLFa总 Yba总得 ，a总 ababFF摩 摩摩(5.2)2LG总摩式中 参与运动的零部件所受的总重力（含工件） （N） ；G总 L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算;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有关。对于圆柱面：41.27.5:摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取 =0.10.15钢对铸铁：取 =0.180.3导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁 ， ，L=1.69-0.215.3107GN总0.028=1.41m,导向支撑 a 设计为 0.016m将有关数据代入进行计算221.406107.35978.LFGNa 总摩5.手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是 V= ,在计算惯性力的时候,设置启动时间 ，启5min 0.2ts动速度 V=V= , 0.83SvFgt总惯(5.3) Gvt总惯 107.8345.9.2NSNK6. 密封装置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，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： 。0.3F封经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力： 0.3=621NF摩 惯2.3.3 液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力 F=6210N，根据表 3.1 选择液压缸的工作压力P=2MPa（1） 确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图 5.2 所示图 5.2 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔：214DFp当油进入有杆腔中：22d液压缸的有效面积： 1FSp故有 （无杆腔） (5.4)114.3D（有杆腔） (5.5)21FdpF=6210N， = ，选择机械效率1620a0.95将有关数据代入：611421.3. 0.4FDmpp 根据表 4-1（JB826-66） ，选择标准液压缸内径系列，选择 D=65mm.（2） 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 7mm，所以该液压缸的外径为 79mm.（3） 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：(5.6)24Fd设计中活塞杆取材料为碳刚，故 =100120Mpa，活塞直径 d=20mm,L=1360mm,现在进行校核。66226109.810.4FMpad结论： 活塞杆的强度足够。2.4 机身的设计计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。2.4.1 机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂 1800 的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：（1） 回转缸置于升降之下的结构。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） 回转缸置于升降之上的结构。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） 活塞缸和齿条齿轮机构。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。分析：经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转 1800。2.4.2 机身回转机构的设计计算（1） 回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩 ，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩 及各密封装M驱 M惯置处的摩擦阻力矩 相平衡。阻(6.1)驱 阻 回惯惯性力矩的计算(6.2)0MJt惯式中 回转缸动片角速度变化量（ ） ，在起动过程中 = ；radst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（ ） 。0J 2Nms若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为 ，则(6.3)20cGJg式中 回转零件的重心的转动惯量。 cJ(6.4)231zcmlR回转部件可以等效为一个长 1800mm，直径为 60mm 的圆柱体，质量为 159.2Kg.设置起动角度 =180，则起动角速度 =0.314 ，起动时间设计为 0.1s。rads2 2314zcJlRNm22095cGsg4694.300.314=MJt惯 2Ns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，故阻 M驱在这里忽略不计。经过以上的计算 =4839.5驱 2Nms（2） 回转缸尺寸的初步确定 设计回转缸的静片和动片宽 b=60mm，选择液压缸的工作压强为 8Mpa。d 为输出轴与动片连接处的直径，设 d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算：(6.5)28MDd驱bpD=151mm既设计液压缸的内径为 150mm,根据表 4.2 选择液压缸的基本外径尺寸 180mm(不是最终尺寸)，再经过配合等条件的考虑。（3） 液压缸盖螺钉的计算根据表 4.3 所示，因为回转缸的工作压力为 8Mpa,所以螺钉间距 t 小于 80mm,根据初步估算， ， ,所以缸盖螺钉的数目为3.14507LDmt4718.56LZ（一个面 6 个，两个面是 12 个） 。危险截面22 2.05.174SRrm所以， QF093PNZSQFK1.58:=1.5214SQK所以 093+03NF螺钉材料选择 Q235，则 （ ）2401.snMPa1.25n:螺钉的直径 0 641.335.0.QFd m螺钉的直径选择 d=20mm.选择 M20 的开槽盘头螺钉。经过以上的计算，需要螺钉来连接，最终确定的液压缸内径为 150mm，外径为 230mm，输出轴径为 50mm（4） 动片和输出轴间的连接螺钉连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。 282QbpdDdMFZf摩于是得 24QFZfd式中 每个螺钉预紧力；QD动片的外径；f被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取 f=0.15螺钉的强度条件为 21.34QFd合或 1Q带入有关数据，得=24QbpFDdZf620.810.5.404 NZ螺钉材料选择 Q235，则 （ ）.sn2MPa.n:螺钉的直径 0 61.3130.135.4Qd m螺钉的直径选择 d=14mm.选择 M14 的开槽盘头螺钉。2.4.3 机身升降机构的计算1.手臂偏重力矩的计算图 6.3 手臂各部件重心位置图（1） 零件重量 、 、 、 等。G工 件 爪 腕 G臂 60Kg工 件现在对机械手手臂做粗略估算： 总共=33Kg爪 和 腕 1.2G臂+ + + =109.2Kg总 工 件 爪 腕 臂(2)计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离 。=1920mm工 件=1.69mm手 和 腕=0.88mm臂(6.6)GG手 腕 手 腕工 件 工 件 臂 臂 总GG手 腕 手 腕工 件 工 件 臂 臂 总 1650m所以，回转半径 1650(3) 计算偏重力矩(6.7)M总偏G总偏 109.2.816507KgmN2 .升降不自锁条件分析计算手臂在 的作用下有向下的趋势，而里柱导套有防止这种趋势。总由力的平衡条件有 = ， h=1RF21RG总 即 = =1R2Fh总所谓的不自锁条件为： G总 112RFf即 ，总 h总 ff取 (6.8)0.16f则 0.32h当 =1650mm 时，0.32 =528mm因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于 528mm3. 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算(6.9)FFG回惯 摩 密式中 摩擦阻力，参考图 5.3F摩 取 f=0.1612f摩G零件及工件所受的总重。（1） 的计算F惯 Gvgt总惯设定速度为 V=4 ;起动或制动的时间差 t=0.02s; 近似估算为 286.1Kg;minG总将数据带入上面公式有：=GvFgt总惯 2860.7958.19sN（2） 的计算 F摩 12RFf摩 12869.1.65872.03GKgNmNh总2 8725.6 =2792.2N1RFf摩 0.1（3）液压缸在这里选择 O 型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算 0.3F密最后通过以上计算当液压缸向上驱动时，F=6756N当液压缸向下驱动时，F=6756- =6184N2862.4.4 轴承的选择分析对于升降缸的运动，对于机身回转用的轴承有影响，因此，这里要充分考虑这个问题。对于本设计，采用一支点，双固定，另一支点游动的支撑结构。作为固定支撑的轴承，应能承受双向轴向载荷，故内外圈在轴向全要固定。其结构参看本章开始的机身结构示意图5.3。本设计采用两个角接触球轴承，面对面或者背对背的组合结构。这种结构可以承受双向轴向载荷。三、控制系统硬件电路设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。3.1 可编程序控器的简介1969 年 ， 美 国 数 字 设 备 公 司 (DEC) 研 制 出 第 一 台 PLC， 在 美 国 通 用 汽 车自 动 装 配 线 上 试 用 ， 获 得 了 成 功 。 这 种 新 型 的 工 业 控 制 装 置 以 其 简 单 易 懂 ， 操作 方 便 ， 可 靠 性 高 ， 通 用 灵 活 ， 体 积 小 ， 使 用 寿 命 长 等 一 系 列 优 点 ， 很 快 地 在美 国 其 他 工 业 领 域 推 广 应 用 。 到 1971 年 ， 已 经 成 功 地 应 用 于 食 品 ， 饮 料 ， 冶金 ， 造 纸 等 工 业 。 这 一 新 型 工 业 控 制 装 置 的 出 现 ， 也 受 到 了 世 界 其 他 国 家 的 高度 重 视 。 1971 年 ， 日 本 从 美 国 引 进 了 这 项 新 技 术 ， 很 快 研 制 出 了 日 本 第 一 台PLC。 1973 年 ， 西 欧 国 家 也 研 制 出 它 们 的 第 一 台 PLC。 我 国 从 1974 年 开 始 研制 ,于 1977 年 开 始 工 业 应 用 。3.2 PLC 的结构，种类和分类PLC 实 质 是 一 种 专 用 于 工 业 控 制 的 计 算 机 ， 其 硬 件 结 构 基 本 上 与 微 型 计算 机 相 同 ， 如 图 所 示 ：图 5-1（ 一 ）