三自由度圆柱坐标机械手毕业设计

河北工程大学毕业设计 摘要自上世纪工业革命以来，大型重工业已经成为了人类社会发展的不可缺少的一部风。自从美国诞生了世界上第一台机械人后，很多国家都争先研究机器人技术。因为机器人技术可以帮助甚至替代人类在重工业生产，特别是高污染，高强度，高温度等人类不适宜的工作环境下高效率的工作。机械手作为机器人的重要组成部分，它种类繁多。动力方面，可以是电动的，也可以是液压差传动。主要由控制系统，执行系统，动力系统等系统组成，由伸缩臂，升降臂，机械抓手等部分，以PLC软件为操作，使机器手更加方便快捷的运用于人类的生产活动当中。关键词：机械手 手臂 圆柱坐标 液压缸 PLC目录 第1章 绪论 51.1 机械手发展现状 51.2机器手种类51.3 机器手由哪些部分组成 51.4设计机器手目的6第2章 三自由度直角坐标机械手的整体设计方案72.1机械手的自由度和坐标形式的确定72.2 机械手的手部结构的确定方法72.3 机械手的手臂结构的确定72.4机械手的驱动方案的确定72.5机械手的控制方案的确定72.6机械手的参数确定8第3章 机械手底座9 3.1设计参数9 3.2方案设计10 3.3液压马达的选择10 3.4回转支撑的选择11 3.5齿轮的强度校核13 3.6底座的方案确定13 第 4 章 机械手升降臂15 4.1升降臂设计要求15 4.1.1 设计要求15 4.1.2 设计方案的选择15 4.2液压缸的选择15 4.3执行原件主要参数的确定16 4.4升降臂的设计与计算18 4.5升降臂滑台设计19 4.6撞快与形成开关的设计20第5章机械手伸缩臂22 5.1伸缩臂的设计22 5.1.1设计参数22 5.1.2设计方案23 5.2液压缸的选择23 5.3导向杆的设计23 5.4底板的设计25 5.5伸缩臂的确定27第6章 机械手夹持器29 6.1夹持器的方案选择29 6.2手抓部分的设计驱动计算31 6.3液压缸的选择31 6.4 V抓型的设计32 6.5连杆的设计36第7章 机械手液压控制系统38 7.1设计内容及要求38 7.1.1设计内柔39 7.1.2设计要求39 7.2设计方案41 7.3液压泵的选择及其参数确定41 7.3.1个执行系统的最大流量计算41 7.3.2确定液压泵功率42 7.3.3液压泵原件选择42 7.4压力影响43第8章 机械手控制系统45 8.1设计内容45 8.2主电路图46 8.3 PLC控制49 8.4 软件设计52第9章 致谢56第10章 参考文献57第1章 概述1.1机器手的发展 机器手在当今社会中已经扮演的重要的角色，它在我们的日常生活里都特别的重要，我国的机械手事业不断的发展，已在当今社会中占有了一定地位。随着中国的崛起，相信我国的机械手会越来越好，越来越发达。 1.2机器手的分类 图1-2 机器人结构形式1.3机器手的组成 机械手的设计可以帮助我提高，升华大学四年所学的相关知识。帮助我进一步了解机械领域的一些东西。同时也使我明白工作的不容易，我们应该在工作当中更加细心，才能减少错误。 第2章：三自由度圆柱坐标机械手设计方案 2.1 机械手的参数的确定 1、抓重 20kg 2、自由度数 3个自由度3、座标型式 圆柱坐标4、最大工作距离 150mm 5、手臂最大中心高 250mm 6、手臂运动参数 伸缩行程150mm 伸缩速度400m/s 升降行程250mm 升降速度 7、定位方式 行程开关或可调机械挡块等8、定位精度 9、驱动方式 液压传动10、控制方式 PLC第3章 底座的设计3.1 设计参数1、底座高400mm；2、转动角度90 度，单向运动时间2 秒；3.2 方案设计底座采用液压马达驱动，结构形式采用圆筒结构，圆筒上端与回转支承连结。 由液压马达上的齿轮驱动。外圈通过法兰与上端的升降臂相连，并拖动升降臂回转。根据设计方案初定底座结构示意图如下:图21 底座结构示意图3.3 底座液压马达的选择选用整体式小型马达，同时考虑底座转速与承受转矩等因素，在满足条件的马达中：初步选定型号BYM160 摆线齿轮液压马达，排量为160ml/r。3.4 回转支撑的选择故此设计选用01 系列的回转支承。考虑尺寸需要，初选011.20.280 型号,外圈直径360mm，外圈带有的齿圈齿顶圆直径为384mm，齿数为94，模数m=4。 回转支承的尺寸如表2-1 编号4基本型号0.11.20.280外型尺寸 安装尺寸=328mm =232mm 结构尺寸 齿轮参数 外齿参数 Z=943.5 齿圈齿轮的强度校核 1)马达齿轮的齿数：初定液压马达的输出转速为40 r/min,底座的回转速度为，所以传动比又因为 ，即得：式中马达输出速度 回转支承转速 马达齿轮齿数2. 按齿面接触强度计算，即 (2-1)1)确定公式内各计算数值（1）试选载荷系数 = （2）估算底座需要的转矩，这里选定马达齿轮传递的转矩为（4）按齿面硬度查的马达齿轮的解除疲劳强度极限齿圈的解除疲劳强度极限 (2-2) (2-3)校核：计算马达齿轮分度圆直径，带入中较小值原定马达齿轮的分度圆直径，满足强度要求。3 (2-4)确定公式内的各个计算数值（1）由图查的马达齿轮的弯曲疲劳强度极限 ，齿轮的弯曲疲劳强度极限s（2）由图查的弯曲疲劳寿命系数 ， （3） (2-5)(4) 计算载荷系数K (2-6)(5)查取齿形系数由表可查得,(6) 由表可查得,(7) 计算齿轮和马达齿轮的并加以比较 (2-7)齿圈的数值大2） 校核对比设计结果，原定齿轮模数m=4 符合要求.3.6 底座结构的确定设计底座结构如图3-13-1底座结构第4章 升降臂设计4.1 升降臂设计方案 4.1.1 设计方案的选择 更具所学相关知识查阅资料可选用：(1)液压驱动方式采用液压缸作为动力源，液压缸直接驱动升降滑块。 (2)圆柱导轨为保证升降滑台的运动平稳，且起到平稳导向作用，该设计大臂立柱采用双圆柱导轨。根据方案制定升降臂示意图如图3-1图4-1升降臂示意图4.2 液压缸的选择 (1)工作负载w大约为850N。(3)惯性负载 由设计任务可知取0.25m/s,查液压传动,取0.1，重力负载。 4.3 执行原件主要参数的确定 需确定的结构尺寸是指液压缸的内径和活塞杆的直径d，首先受力分析由静止启动时，液压缸受力最大，受力分析如图3-2图4-2 液压缸受压简图所以 (4-1)，初定。 (4-2)归为标准，D 取 50mm。对 。(2)校核已知背压 ，受力分析如图 33 Pb p图4-3由受力平衡可得 所以的液压缸选择合理。 （4-3） （4-4）由于长径比不大于10 （4-5） (3)液压缸的选择与安装选用中部轴销连接，液压缸的型号选择为B2*3*11*00。4.4 升降臂导轨的设计与计算4.4.1 升降臂导轨的结构设计结构简单，便于加工，材料为Q235。两圆柱导轨的直径为35mm；长为1200mm，接近法兰段为直径42 毫米，高21mm 的一段。 4.4.2 导轨的弯曲强度校核 (3-6)抗拉强度：抗弯强度安全系数：所以： (3-7) 设滑台、伸缩臂、末端执行器等在内的质量约为50kg，重心偏离导轨中心约200。图4-4 导轨受弯示意图所以 (3-8) (3-9) 式中F 为包括滑台、伸缩臂、末端执行器等在内的质量运动时产生的动载荷，由此抗弯截面系数所确定的升降臂截面尺寸是安全的。4.4.3 导轨的刚度材料力学的挠度计算公: (3-10) ； 升降到最高位时的高度 4.5 升降臂滑台设计设计简图如图3-5 所示图4-5 套筒结构图滑块在升降导轨上上下滑动，升降过程速度变化均匀，升降臂导轨光滑，无刚性冲击无卡紧现象。所以要在滑块上装有铜套筒，以使升降平稳。其结构如图3-61-导轨2-套筒图4-6 套筒结构图4.6 撞块与行程开关的设计 如图47所示结构：图4-7行程开关及调节块4.7 升降臂安装所需的其他部件设计(1)导轨两端为直径为20mm 的螺纹，查机械设计课程设计手册P47 端螺母应选择GB/T6170 M20。(2)液压缸与底座相连为法兰联接，查机械设计手册,其定位销选择：GB117-86。(3)固定液压缸支撑板的为直径为12mm 的螺栓，其规格查课程设计机械设计手册：GB/T5782-2000 M1260。第5章 伸缩臂的设计5.1 伸缩臂的设计5.1.1 设计方案液压伸缩机构示意图如图4-1 1、支座 2、液压缸 3、法兰 4、夹持器支撑板 5、直线导轨 6、支撑板图5-1 液压伸缩机构示意图 。5.2 液压缸的选择5.2.1 工作负载R （4-1）式中： -工作机构的载荷及自重对液压缸产生的作用力； (1) 的确定1) 工件的质量 （4-2）2)夹持器的质量15kg(已知)3)伸缩臂的质量15kg(估计)4)其他部件的质量15kg(估计)工作机构荷重： （4-3）取(2) 的确定 （4-4）(3) 的确定 （4-5） ， 总负载 取实际负载为 5.2.2 液压缸缸筒内径D 的确定 （4-6）式中：，可取，选缸径为40mm 的 图5-2 伸缩臂液压缸杆为C 型杆径缸:40 A:25 KK:M161.5 MM:18 E:65 EE:ZG3/8 FP:38 W:30AB:11 AE:75.5 AH:430.15 AU:32 AT:8 AO:13 TR:46 HL:141UA:695.3 导向杆的设计5.3.1 导向杆结构的确定导向杆的材料选择为40Cr，其弯曲应力为210MPa。 5.3.2 导向杆的弯曲强度及挠度的校核(1) 杆的弯曲应力 （4-7） （4-8） （4-9） 符合要求（2） 杆的挠度 （5-10） （5-11） 转角 弧度=1.6 符合要求。5.3.3 导向杆的表面处理及润滑 故选用直线轴承。直线轴承的润滑采用润滑脂推荐用高质量的2 号锂基润滑脂或采用润滑油润滑如机油、透平油或主轴油，要以适当的时间加满润滑脂或润滑油。 图5-3 直线轴承其中：5.3.4 导向杆与外界的连接导向杆右端加工有外螺纹，安装一个法兰盘与夹持器的支承板连接，连接螺栓为.导向杆支座有两个，由螺栓与底板连接，螺栓 ，两支座之间的距离为 92mm。5.4 底板的设计5.4.1 底板结构的确定1、底板材料选择为 Q235, 235 ；2、长度544mm，宽260mm，两肋板中心距离为255mm； （5-12） t-启动反应时间0.10.5s，取t=0.1s （5-13）式中：预紧力； 接合面数目； 摩擦系数取0.1预紧力 翻转力矩所产生的对螺栓轴向拉力：总轴向力：由计算的式中：s-螺栓联接的安全系数，取s 为4螺纹的小径: （5-14）为保证机构受冲击时的安全性，与伸缩臂联接螺栓取M125.4.2 底板弯曲强度的校核 5.5 伸缩臂结构的确定根据设计要求，确定伸缩臂结构如图4-5第6章 夹持器设计6.1设计方案夹持器通常利用手指或卡抓与工件接触面的摩擦力来夹紧工件，夹持器采用液压缸来驱动，由液压缸驱动活塞，连接滑块带动手抓开合，刚的伸缩带动滑块的移动；手抓采用杠杆连杆型，缸端部的滑块连接连杆，连杆带动杠杆，杠杆带动爪开合。根据方案确定夹持器示意如图5-11、杠杆 2、连杆 3、夹持器体 4、推杆图6-1 连杆杠杆式回转型夹持器夹持和松开动作：当驱动器驱动杆4 移动时，由推杆4、连杆2、抓和夹持体3 组成四杆机构，使手指完成加紧和松开动作。6.2 手爪部分的驱动设计计算 工件质量夹紧力 （5-1）系数：取得取驱动力 （5-2） =取设计的难点在于支撑点的设计，直接关系到整体的结构、受力是否合宜。如图5-2示：活动构件: n=5 , 运动低副:Pl=7自由度: 图6-2 手抓结构简图6.3 液压缸的选择6.3.1 设计计算(1) 液压缸驱动力选工作压力液压缸内径 （5-3）取标准液压缸内径活塞杆直径 (2)活塞行程1) 抓取80mm 工件时图6-3 抓紧时手抓简图2) 当手爪放松状态最大爪距120mm 时图6-4 放松时手爪简图液压缸行程取标准液压缸行程S=20mm。根据设计要求 密封材料为聚氨脂橡胶。6.3.2 校核液压缸行程 图6-5 死点时手抓简图 6.3.3 液压缸流量放松时的流量 （5-4）式中:q流量，L/min , D缸筒内径，mmd活塞杆直径，mm， s 活塞杆移动距离，mm夹紧时流量 （5-5）6.3.4 夹持器液压缸的参数根据夹持器的驱动力由液压缸提供的原则，选用的液压缸必须满足该工作场合的使用条件。 。其主要参数如表5-1表6-1 夹持器液压缸参数表项目系列70额定压力/MPa7最大允许压力/MPa10.5耐压力/MPa10.5最低启动压力90传动介质常见矿物液压油缸径/mm40受压面积/无杆腔12.5有杆腔8.6速度比1.45允许行程/mm允许行程/mm6.4 V 形爪的设计加工方法为铸造,结构如图5-6所示。V 形爪两内侧粘贴上一面有粗糙波纹的橡胶板，用来增加夹持工件时的摩擦力,使夹持工件更牢固,此外为防止V 形爪夹持损伤工件表面,起到保护作用。要求橡胶板与V 形爪粘接处的黏膜牢固以防橡胶板脱落。且V 形爪与杠杆采用螺纹销连接，末端执行器便于更换。图6-6 V 形爪6.5 杠杆的设计加工方法为铸造。形状结构入图5-7 所示图6-7 杠杆图5-7 杠杆强度校核：工件约为58N，自身重量约为3N图6-8 受力弯矩图 （6-6）则杠杆的弯曲应力 (6-7) 6.6 连杆的设计6.6.1 结构设计连杆用于将由活塞杆驱动的滑块的驱动力传给杠杆，由于运动频繁，并且 有一定的轻度硬度和塑造性，所以也选用一般工程用铸造碳钢ZG270500，加工方法为铸造。图6-9 连杆6.6.2 强度校核连杆是一个二力杆，所以它的最大弯矩： （5-8）则连杆的弯曲应力由公式 （5-9） 6.7 连接件的设计夹持器上两销孔用于与V 形爪连接，两销孔用于与固定支承连接，两销孔用于与滑块连接。a 与支承件连接的螺栓规格： 螺栓直径 长度L=35mmb 与 V 形爪连接的螺栓规格： 螺栓直径 长度L=12mmc 杠杆与连杆连接的螺栓规格： 螺栓直径 长度L=40mmd 杠杆与滑块连接的螺栓规格：螺栓直径 长度L=65mm6.8 夹持器结构的确定根据设计要求，确定夹持器结构如图5-10 所示图6-10 夹持器第7章 液压控制系统设计7.1设计内容 由于本次三自由度的圆柱边的设计，应用液压缸和液压马达对其进行控制。7.1.2 设计要求动作快，运动灵敏，工作协调可靠，满足运动时间运动快慢等以上工作要求。7.3.1 系统各执行元件最大需用流夹紧缸： 伸缩缸：升降缸： （7-1）泵的排量： （7-2） 夹紧缸：伸缩缸：升降缸： （7-3） 为 0.20.5Mpa表7-1 YB-A16B 泵参数型号项目排量压力输入功率额定转速最低转速最高转速YB-A16B16.3ml/r5MPa1.69Kw1000r/min600r/min1800r/min7.3.2 确定泵的电机功率N (6-4)p泵的实际最大工作压力Q泵在p 压力下的实际流量l/min-泵的总效率0.650.75考虑到压力损失，故按标准选用1.5kw 的电机7.3.3 液压元件的选择如表7-2 所示表7-2 各液压元件参数编号元件名称阀最大通过流量L/min型号公称流量L/min1滤油器（粗）19.074XU-CJ4550BS403溢流阀19.074YF3-10L634电磁换向阀23DO-B8C226滤油器（精）XU-CJ4530BSXU-CJ4530BS409电磁换向阀（夹紧）10、11液控单向阀CPT-03-04-504013压力继电器HED10A20/3514电磁换向阀（伸缩）1534DF30-E10B-D2515单向调速阀AQF3-10C3017电磁换向阀（回转）17、3434DF30-E10B-D2518、19单向调速阀AQF3-10d321电磁换向阀（升降）7.536DG55-522单向顺序阀HCT-03-A-3-225023、24单向节流阀SRCT-0.3-50307.3.4 辅助元件的选择 （6-5）V油箱有效容积（L）m系数m 值对于中压系统可以为57min液泵流量（L/min）7.4 压力影响 1、油温的允许值正常工作温度最高允许油及油箱温度 7.5 液压系统图7.5.1液压系统图设计的液压系统图如7-1 所示1-滤油器 2-油泵 3-溢流阀 4-二位二通电磁换向阀 5-压力表 6-滤油器（精） 7-单向阀 8-油路分配器 9、14、17、21-三位四通电磁换向阀 13-压力继电器 10、11-液控单向阀 15、18、19-单向调速阀 22-单向顺序阀 23、24-单向节流阀 26-蓄能器图6-1 液压系统图第8章 PLC 控制系统设计 8.1 设计内容 以F1 系列基本指令编程，编写I/O 分配图，总框图，各部分梯形图和总语句表。8.2 主电路图本设计共四部分的驱动全部由液压驱动。因此，主电路图中应画出一个电机的电源接线图，电机的转动控制由PLC 控制。画出主电路图如图8-1 所示：图8-1 主控制电路图如图7-1，当在PLC 控制系统中按下液压泵电机启动按钮，KM1 线圈通电，使得其相应的主触头闭合，液压泵电机连续转动。8.4.3PLC 控制系统设计由任务书要求,机械手的动作可分为16 步。 绘制工艺流程图由机械手的16 步动作,可绘制出其工艺流程图如图7-2图8-2 工序流程图图中,ST 代表限位开关,YA 代表电磁阀,KM 代表电磁铁线圈。(2)动作顺序表由工艺流程图可列出动作顺序表如表8-1表8-1 动作顺序表步序转换输入条件输出状态KM2KM3YA1YA2YA3YA4YA5YA6HL1HL2初位SB1+下降ST3+夹紧YP1+上升ST4+快进ST6+慢进ST5（+）伸出ST1+放松YP2+缩回ST2+等待KT1+伸出ST1+夹紧YP1+缩回ST2+快退ST8+慢退ST7下降ST3+放松YP2+上升ST4+初位SB1+(“+”表示器件正在工作,“空白”表示器件未工作)(3)确定现场器件表根据上面的工艺流程图和动作顺序表可确定现场器件，并将其列于表7-2 中表7-2 现场器件表按钮限位开关接触器线圈电磁阀指示灯SB114ST18KM1，KM2，KM3YA16HL1，HL2(4)估算I/O 点数由表7-2 可确定输出点数为12，输入点数为22，综上I/O 总点数为34扩充后为指令容量设为点数的10倍为460 条。 (5)制定I/O 分配表和I/O 分配图根据工艺流程图，动作顺序表和PLC 型号列出I/O 分配表如表7-3表8-3 I/O 分配表现场器件内部继电器地址说明输入SB1按钮X400液压泵电机启动SB2X401液压泵电机停止SB3X402PC启动SB4X403PC停止SB5X415上升SB6X416下降SB7X420伸出SB8X421缩回SB9X417右转SB10X420左转SB11X421夹紧SB12X422松开SA1X426手动SA2X500自动ST1限位开关X423伸出ST2X424缩回ST3X404下限位ST4X405上限升ST5X406正转快限位ST6X407正转慢限位ST7X410反转快限位ST8X411反转慢限位输出KM1线圈Y533油泵电机连续转动YA5Y433底座快进（反）YA6Y434底座慢进（反）KM2Y432上升KM3Y430下降YA1电磁阀Y415夹紧YA2Y435放松YA3Y536伸出YA4Y441缩回YA7Y437卸荷HL1Y537初位指示灯HL2Y440加工指示灯由I/O 分配表画出I/O 分配图，如图8-3图8-3 PLC 现场接线图8.4 软件设计根据毕业设计要求，整个控制系统的设计应采用模块化设计。(1) 模块化设计 图8-4公共程序图7-5 手动程序图8-6 自动程序（2）总程序的梯形图的编写程序见附录2控制面板如图7-7图8-7 控制面板第9章：致谢 时间匆匆流逝，在此感谢郝爱云老师的四个月的时间的毕业设计的指导。当我看到题目时感觉什么也不会，是郝老师教会了我们查阅相关的资料，才使我们在这