四自由度-上料液压传动机械手的设计

摘要在机械制造业中，机械手已被广泛应用，大大地改善了工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。本文通过对机械手的组成和分类，及国内外的发展状况的了解，对本课题任务进行了总体方案设计。确定了机械手用四个自由度和圆柱坐标型式。设计了机械手的夹持式手部结构；以及设计了机械手的总体结构，以实现机械手伸缩，升降，两个回转四个自由度及手爪的开合。驱动方式由液压缸来实现手臂伸缩和升降，手臂旋转和手腕旋转。运用了FX系列可编程序控制器（PLC）对上下料机械手进行控制,论述了电气控制系统的硬件设计,控制软件结构以及手动控制程序和自动控制程序的设计。关键词：机械手，液压缸，可编程序控制器2AbstractInmechanicalmanufacturingindustry,manipulatorhasbeenappliedextensivelysothatthelaborconditionofworkerhasbeengreatlyimproved,laborproductivityraisednotably,thestepofindustrialproductionmechanizationandautomationrealizedrapidly.Thisarticlethroughtomanipulatorscompositionandtheclassification,andthedomesticandforeigndevelopmentconditionsunderstanding,hascarriedontheoverallconceptdesigntothistopicduty.Haddeterminedthemanipulatorusesfourdegrees-of-freedomandthecircularcylindricalcoordinatepattern.Designedmanipulatorgripper-typehandstructure;anddesignoftheoverallstructureofthemechanicalhandtorealizethemechanicalhandstretching,lifting,turningtwooffourdegreesoffreedom,andtheopeningandclosinggripper.Drivenapproachtoachievebythehydrauliccylinderandliftarmstretching,armrotationandwristrotation.ThepaperillustratesthatthecontroloftheupperandlowermaterialbymeansofthePLCandalsoincludesthehardwaredesignoftheelectriccontrolsystem,thecontrolsoftwarestructureandthedesignofthemanualandautomaticcontrolprogram.Keywords:manipulator,Hydrauliccylinder,PLC3目录1.绪言-41.1机械手的概述-41.2国内外机械手的现状与发展趋势-51.3本课题设计要求-62.机械手手部结构设计及计算-72.1手部结构-72.2机械手手抓设计计算-72.3夹紧液压缸的设计-102.4弹簧的设计计算-113.腕部的设计计算-143.1腕部设计的基本要求-143.2腕部的结构以及选择-143.3腕部的设计计算-144.臂部的设计及有关的计算-194.1手臂的设计要求-194.2伸缩液压缸的设计-194.3导向装置-235.机械手腰部和机座结构设计及计算-245.1结构设计-245.2控制手臂上下移动的腰部液压缸的设计-245.3导向装置-275.4平衡装置-275.5机身回转机构的设计-276.液动系统的设计-296.1液压传动工作原理图-297.机械手的PLC控制系统设计-317.1可编程序控制器的选择及工作过程-317.2可编程序控制器的使用步骤-327.3机械手可编程序控制器控制方案-32结论和展望参考文献41绪言在工业生产线中，机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品质量和生产效率。1.1机械手的概述机械手的组成：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。它可代替人的繁重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。机械手主要由手部、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，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，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）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6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，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。1.1.1机械手的种类机械手的种类，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。1.1.2机械手的特点(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。5(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。1.2国内外机械手的现状和发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、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，相应的发展通用机械手，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、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，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、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。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）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，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装配作业的能力也将进一6步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和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。1.3本课题设计要求1.3.1本课题预计达到的目的本课题研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了上料机械手的搬运的工作的原理。在此基础上，确定了上料搬运机械手的基本系统机构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。运用液压传动的技术和PLC的控制系统来对上料搬运机械手来实施控制，进而分析它的运动过程，来完成最后的机械手设计。1.3.2本课题的关键理论和技术机械原理、理论力学、材料力学、机械设计、液压传动和PLC控制等。1.3.3本课题的技术方案（技术路线、技术措施）运用液压传动来控制机械手的放松，伸缩，升降，回转，横移和抓紧等自由度，最后运用PLC来编程来实施各自由度的总控制。1.3.4本课题要解决的主要问题和技术的关键1）.机械手的结构设计：机械设计、理论力学、机械制图等2）.传动结构的设计：液压传动3）.控制系统的设计：PLC技术1.3.4本课题可能遇到的困难及应对措施1）.结构设计方案不合理，应对的措施：做完后腰及时给老师审核，然后进行其他方面的设计。2）.计算及校核方面的不合理，应对的措施：计算要有相当的严密性，并且要合理的应用公式，不要乱用公式。做完要仔细的校核，同时也要有相当的耐心。3）.文献翻译的不合理，应对措施：要多翻课外的参考资料，不懂就要查字典。或者自己觉得翻得不够好就找专业的英文老师来教导。4）.作图方面的不合理，应对措施：要熟悉自己的作图软件并且作图时要仔细。5）.控制方面的不合理，应对措施：要画出T形图、方框图，然后再进行合7理的编程。2机械手手部结构设计及计算21手部结构四自由度液动机械手采用夹持式手部结构，由手抓和传力机构所组成。其传力结构形式多样，有楔块杠杆式、滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条平行连杆式、左右旋丝杠平移型等，本设计采用滑槽杠杆式的传力机构。2.1.1端执行器的要求1)不论是夹持或是吸附，末端执行器需具有满足作业要求的的足够的夹持力和所需的夹持位置精度。2）应尽可能使末端执行器结构简单，紧凑、重量轻，以减轻手臂的负荷。专用的末端执行器机构简单，工作效率高，而能完成多种作业的万能末端执行器可能具有结构复杂、费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器。2.1.2手爪的分类和选取工业机器人中应用的机械式夹持器多为双指手爪式，按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手爪又可分为单支点回转和双支点回转型，按夹持方式可分为外夹式和内撑式，按驱动方式有电动、液压和气动三种。回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变化时，将引起工件的轴心偏移。这个偏移量称为夹持误差。平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置，但其架构复杂，体积大，制造精度要求高。当设计机械式夹持器式，在满足工件定位精度要求的条件下，尽可能采用结构较简单的回转型夹持器。结合机械手设计任务书中要求：手爪开合角为60度，且能够抓取重约6kg的圆柱形铁质工件。所以本设计采用双支点回转型滑槽杠杆式手爪。82.2机械手手爪设计计算2.2.1手爪的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆图2.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。图2.1滑槽杠杆式手部结构、受力分析1手指2销轴3杠杆=（2.1）PF2cosNba式中：驱动力P夹紧力NFa手指的回转支点到对称中心的距离b手指长度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，则夹紧力也随之增大，PFNF9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=。0342.2.2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：（2.2）sin2XNakPF式中：K安全系数，通常1.22.0；:-轴向力xP-V形手抓的开合角a-工件和手抓间的摩擦系数计算：设a=40mm,b=80mm,=，求夹紧力和驱动力。035NFP（1）设K=1.5，0.3xmgP根据公式，将已知条件带入：1.569.8sin0127.30NFN（2）根据驱动力公式得：22pbcos8cos5349a40N由于实际采用的液压缸驱动力大于计算，把手抓的机械效率考虑在内，一般取。0.8.9（3）取p4387.900.9FN实102.3夹紧液压缸的设计2.3.1主要尺寸的确定1.液压缸工作压力的确定由表2-1取液压缸工作压力0.4pMPa表2-1液压压负载常用的工作压力负载F/N50000工作压力p/MPa572.液压缸内径和活塞杆直径的确定Dd确定液压压缸的内径D（2.3）24FDdp实际预设活塞杆直径d=0.5D,液压缸工作压力P=0.4MPa,624390.396.1.7510.5p实际根据机械设计手册液压压传动分册，选取液压缸内径为：D=40mm则活塞杆内径为:d=400.5=20mm，选取d=18mm3.缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩液压油压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:（2.4）2/pDP式中，-缸筒壁厚，mm-液压缸内径，mmD-液压缸试验压力，一般取（Pa）pPpP5.1-液压缸工作压力（Pa）-缸筒材料许用应力（Pa）11本设计手爪夹紧液压缸缸筒材料采用为:铝合金ZL1060,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:2/pDP366401.5041/(230)()m取，则缸筒外径为:4m18()m4.手部活塞杆行程长L计算活塞杆的位移量（2.5）0tg35t6.127液压缸的活塞行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。为保证夹紧效果，必须按计算行程多加的行程余量。m201（2.6）6.1l故液压压传动手册圆整为75.手抓部分总质量估算零件气缸手爪m（2.7）其中：手爪部分和活塞杆材料采用45钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金ZL106查相关手册，45号钢密度为7.853/10mkgZL1060的密度为2.733手抓部分总质量约为m0.14.267.14kg2.4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2.2所示，计算过程如下。12图2.2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410.65CK（2.8）.464810.65.183(3).根据安装空间选择弹簧中径D=30mm，估算弹簧丝直径30.7548DdmC（2.9）(4).试算弹簧丝直径1.6MAXFKC（2.10）=1.6d.MAX63901.83.2md取4mm(5).根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数：38MAXGdnFC（2.11）13=38MAXGdnFC63801.042.9选择标准为，弹簧的总圈数圈1.51.5n(6)最后确定,d=4mm,30Dm26Ddm234Ddm(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07.43Hb是2端自由，根据下列选取：当两端固定时，,当一端固定；一端自由时，；当两端自由转5.3b.动时，。.6b结论本设计弹簧，因此弹簧稳定性合适。2.47.6(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310N不大时，可只进行静应力强度验算）。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：（2.12）maxcaS选取1.31.7（力学性精确能高）（2.13）sS:max38KDFd=max38KDFd1.0.429718ax.7casS结论：经过校核，弹簧适应。143.腕部的设计计算3.1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。3.2腕部的结构以及选择3.2.1典型的腕部结构15(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027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。3.2.2腕部结构和驱动机构的选择本设计要求手腕回转-115-115，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由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。3.3腕部的设计计算3.3.1腕部设计考虑的参数夹取工件重量6Kg，回转-115-115。3.3.2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80mm，长度150mm，重量6Kg，当手部回转230时，计算力矩：（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230.6.7809.810GKgmNg（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01。.6rad/s（3.1）2J惯工件启16查取转动惯量公式有：（3.2）2222190.60.34.8NJMRmsNsKg2222G1.8(3)(5.).0165lmS工件（3.3）代入：2.160.342.50.37N4M惯（）（3.4）.1M惯摩惯0.42m3.3.3腕部驱动力的计算表3-1液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250设定腕部的部分尺寸：根据表3-1设缸体内空半径R=26mm，外径根据表3-2选择100mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，动片宽度b=40mm,输出轴r=20mm.基本尺寸示如图4.1所示。则回转缸工作压力=76086Pa,选择1MPa（3.5）2()MPbRr表3.2标准液压缸外径（JB1068-67）（mm）液压缸内径405063809010011012514015016018020020钢P160pa5060769510812113316814618019421924545钢2M506076951081211331681461801942192453.3.4液压缸盖螺钉的选择17图3.1缸盖螺钉间距示意表3.3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（3.6）0sQF计算：液压缸工作压强为P=1Mpa,所以螺钉间距t小于150mm,试选择4个螺钉，=150,所以选择螺钉数目合适Z=4个4D3.1/86.35危险截面（3.7）22220.1.450.7985SRrm（3.8）QPFZ所以，610.8204QSN（3.9）SFK.51:1.5203sQ工作压力P（Mpa）螺钉的间距t(mm)0.51:小于1502小于120.小于100小于8018所以=2000+3000=5000N0sQF螺钉材料选择Q235，（）24016.5MPan则1.25n:（3.10）螺钉的直径041.3QFd（3.11）=041.3Qd641.350.719m螺钉的直径选择d=8mm3.3.5动片和输出轴间的螺钉选择（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（3.12）24bpDdfD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（3.13）21.34QFd合或1Q（3.14）带入有关数据，得=6157N2()QbpDdFZf6220.1(0.45)45.4（3.15）螺钉材料选择Q235，则（）21.snMPa1.n:19（3.16）螺钉的直径041.3.714QFdm（3.17）螺钉的直径选择d=8mm.选择M8的开槽盘头螺钉。204.臂部的设计及有关的计算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。4.1手臂的设计要求（1）臂部应承载能力大，自重轻。（2）臂部运动速度高，惯性小。（3）手臂动作灵活。（4）位置精度高。4.2伸缩液压压缸的设计4.2.1液压缸主要尺寸的确定1液压缸内径和活塞杆直径的确定根据设计要求，结合末端执行器的尺寸，采用单活塞杆双作用液压缸，初定内径为。80由,可得活塞杆直径:3.2/Dd(0.25)1640dDm（4.1）圆整后，取活塞杆直径md18由液压设计手册，取液压缸工作压力MPap4.0（4.2）421DF（4.3）)(22pd21计入载荷率就能保证液压缸工作时的动态特性。若液压缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取，速度高时取小值，速度低时5.03取大值。若液压缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取。85.07得。NF621，2缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩液压油压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚按薄壁筒公式（4-9）计算:（4.4）2/pDP设计的伸缩液压缸缸筒材料为:铝合金ZL106,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:2/p56801.4/(310)7()m取，则缸筒外径为:。m7)(6251D3手部活塞杆行程长确定l按设计要求，X轴小臂伸缩距离为15cm，即150mm。为防止活塞与缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。故行程查有关手册圆整为L=180mm。4活塞杆稳定性的计算：当活塞杆的长度时，一般按压杆稳定性来计算活塞杆直径。dL10当液压缸承受的轴向负载达到极限值后，极微小的干扰力都会使活puFkF塞杆产生弯曲变形，出现不稳定现象，导致液压缸不能正常工作。活塞杆稳定性条件是：kpun（4.5）式中,-液压缸承受的轴向负载，即气缸的理论输出推力，puFN22液压缸的压杆稳定极限力，kFN-液压缸的压杆稳定性安全系数，一般取n62kn液压缸的压杆稳定极限力与缸的安装形式、活塞杆直径及行程有关。当长细比时，mKL852/LFk（4.6）当长细比时，L8521)(KLnafFkA（4.7）式中，活塞杆计算长度L)(m活塞杆横截面回转半径，K实心杆（4.8）41dKA空心杆（4.9）/20活塞杆断面惯性矩实心杆64d（4.10）空心杆/)(40（4.11）空心活塞杆内孔直径0d)(m活塞杆截面积A1实心杆421dA（4.12）空心杆)(201（4.13）23系数，查下表m材料弹性模量，对钢取pa10.2材料强度实验值，对钢取ff749系数，对钢取a501a查阅机械手册液压缸设计章由表得安装方式为固定-自由式取41m代入公式：实心杆5.4dK639.178L.245m由于K5用公式：21)(LnafFkA2756.390418)(N)(675.92316581FnFpuk所以该活塞杆满足稳定性条件。5驱动力校核测定手爪与手爪液压缸质量为7.8kg，估算为8kg，设计加速度a=1m/s，则惯性力：maF惯（4.14）=81=8N考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数,2.0k24惯Fkm.（4.15）=0.28=1.6N总受力m惯0（4.16）=1.6+6=7.6N10F所以该液压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。6.估算机械手伸长了不会发生倾覆现象考虑到手抓和手部回转液压缸的重量为8kg，而夹取的物料重量为6kg,所以估算总重量为14kg.根据力矩的平衡：F螺300=(600-170)(8+6)9.8（4.17）F螺=196N而：14Qd（4.18）螺钉材料选择Q235，则（）201.snMPa1.25n:（4.19）代入求得螺钉的直径大于或等于0.00016m即为1.6mm而图中的螺钉选用了M8的螺钉，所以不会发生由于手腕伸出到极限位置时，整个手部会发生倾覆的现象.4.3导向装置液压压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。25265机械手腰部和基座结构设计及计算5.1结构设计通过安装在机座上的旋转液压缸转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在转动壳体上的液压缸实现手臂的上下移动。采用了双导柱导向，以防止手臂在液压缸活塞杆上转动，确保手臂随机座一起转动。支撑梁采用铝合金，以减轻重量和节省材料，5.2控制手臂上下移动的腰部液压缸的设计5.2.1确定主要尺寸1液压缸内径和活塞杆直径的确定根据设计要求，结合末端执行器的尺寸以及伸缩液压缸的结构尺寸，采用单活塞杆双作用液压缸，初定内径为。10由,可得活塞杆直径:3.02/Dd（5.1）mDd32).(圆整后，取活塞杆直径d查手册取液压缸工作压力MPap4.0由公式：（5.2）421DF（5.3）)(22pd计入载荷率就能保证液压缸工作时的动态特性。若液压缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取，速度高时取小值，速度低时5.03取大值。若液压缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取。得85.07129817.9FN，2缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩液压油压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:27（5.4）2/pDP液压缸缸筒材料采用为:铝合金ZL1060,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:2/pP)(10)103(45.65m取，则缸筒外径为:m10)(2mD3手部活塞杆行程长确定l按设计要求，腰部上下运行距离为17cm，即170mm。为防止活塞与缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。故行程查有关手册圆整为20lm4活塞杆稳定性的计算：当活塞杆的长度时，一般按压杆稳定性来计算活塞杆直径。dL1当液压缸承受的轴向负载达到极限值后，极微小的干扰力都会使活puFkF塞杆产生弯曲变形，出现不稳定现象，导致液压缸不能正常工作。活塞杆稳定性条件公式（5.5）kpun当长细比时，mKL85用公式：（5.6）21)(KLafFkA实心杆41dK实心杆21A系数，由查表安装方式为固定-固定式得m4m材料强度实验值，对钢取fpaf71049系数，对钢取a501a28代入公式：实心杆84dK065L178m得K21)(LmafFkA27804513.9)(.23N198.7298()6kpuFFNn所以该活塞杆满足稳定性条件。5.2.2液压缸结构设计1.缸筒和缸盖的连接查阅机械手册，选择拉杆式螺栓连接。该结构简单，易于加工，易于装卸。2活塞杆与活塞的连接结构活塞杆与活塞的常用连接形式分整体结构和组合结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。该液压缸选择螺纹连接，结构简单，装卸方便，应用较多。3密封液压缸密封的好坏，直接影响液压缸的性能和使用寿命，正确设计、选择和使用密封装置，对保证液压缸的正常工作非常重要。查阅机械手册的活塞的结构与密封型式采用O型密封圈。工作可靠，静摩擦因素大，活塞的结构比较简单，目前使用的范围较广。4液压缸的安装连接结构根据安装位置和工作要求不同可有法兰式、脚架式、支座式、铰轴式。29由于结构需要，该液压缸用法兰式安装连接。5.3导向装置液压压驱动的机械手臂在进行上下运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。在本设计中才用双导向杆来增加腰部的刚性和导向性。5.4平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩液压缸一侧加装平衡装置，根据抓取物体的重量和液压缸的运行参数配一重量8kg的铁块。这样，机械手臂的倾覆力矩就非常小，不会有翻到的状况发生。5.5机身回转机构的计算回转液压缸所需，M驱回惯密5.5.1计算惯（5.7）02ctgml1cJGJ惯总（+3R）将回转部件等效为一个圆柱体，长为1500mm，半径为60mm，其重力=800N，设启动角速度，启动时间t=0.1sG总0.4rad/s所以=2cml1J（+3R）22296Nm.8S:（15+3.6）/1=5=20gcG总220.4730=147461.60tMJ惯0.314Nm:5.5.2的计算回密，为了方便计算，0.3M驱密0回所以=461.6+0.03+0（5.8）驱回惯密驱476NmM:驱5.5.3回转液压压缸参数计算设b=60mm，工作压力P=4Mpa，d=50mm则由得（5.9）2b8P驱（D-d）226470.5.36m0.1M驱取液压缸内径40mm316液动系统设计6.1液压传动系统工作原理图图6-1为机械手的液压传动系统工作原理图。它由液压油通过过滤器，液压泵，溢流阀，压力继电器，进入各并联液路上的电磁阀，以控制液压缸和手部动作。图6-1机械手液压压传动系统工作原理图32表6-1液动元件图各通行机构的调速，凡是能采用排油口节流方式的，都在电磁阀的排油口安装节流阻尼螺钉进行调节，这种方法的特点是结构简单效果好。如手臂伸缩液压缸在接近液压缸处安装两个快速排油阀，可加快启动速度，也可调节全程的速度。为简化液路，减少电磁阀的数量，各工作液压缸的缓冲均采用液压缓冲器，这样可以省去电磁阀和切换节流阀或行程节流阀的气路阻尼元件。337机械手的PLC控制系统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。7.1可编程序控制器的选择及工作过程7.1.1可编程序控制器的选择目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATICN5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了三菱公司的FX2N系列可编程序控制器。7.1.2可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为四个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。第二阶段是处理输入信号阶段。在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这34个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期21。7.2可编程序控制器的使用步骤在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时，通常以七个步骤进行:（1）系统设计即确定被控对象的工作原理，控制要求，动作及动作顺序。（2）I/0分配即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号；哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号。此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。（3）画梯形图它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。（4）助记符机器程序相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中22。（5）编制程序即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。（6）调试程序即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件23。（7）保存程序调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。357.3机械手可编程序控制器控制方案7.3.1控制系统的工作原理及控制要求1控制对象为圆柱坐标液动机械手。它具有四个自由度，即水平方向的前、后;竖直方向的上、下；手臂和手腕的顺时针逆时针旋转。另外，除抓放外，其余八个动作末端均放置一限位开关，以检测动作是否到位，如果某动作没有到位，则出错指示灯亮。2控制要求为了满足生产需要，机械手应设置手动工作方式、单动工作方式和自动工作方式。（1）手动工作方式便于对设备进行调整和检修，设置手动工作方式。用按钮对机械手每一动作单独进行控制。（2）单动工作方式从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按下一次起动按钮，机械手完成一步的工作后，自动停止。（3