基于PLC的玻璃搬运机械手系统设计

1、本科毕业设计（论文）玻璃搬运机械手系统设计学院（系）： 工业工程系 专 业： 机电一体化09-3班 学生 姓名： 指导 教师： 答辩 日期： 2012-5-19 摘 要机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可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，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC 控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对玻璃搬运机械手的

2、整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气压驱动，控制系统中选择PLC 的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。 通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型玻璃搬运机械手的设计方案，对其他经济型PLC 控制系统的设计也有一定的借鉴价值。 关键词: 机械手；气动控制；可编程控制器（PLC）； 自动化控制 AbstractManipulator plays an extremely important role in the field of advanced manufactu

3、ring. It can carry goods, sort materials and do heavy works instead of the human being. It also can realize mechanization and automation of the production, do the jobs in harmful environment to protect the personal safety. So it is widely used in metallurgy, machinery manufacturing, electronics, lig

4、ht industry and atomic energy etc. In this paper,by reviewing the developmental status of the manipulator in recent years, combining the design of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, We proposed the design scheme that the manipulator was driven by the pneumatic and th

5、e system was controlled by PLC. Integrative idea was adopted in this design to fully consider the characteristics of the software and hardware and complementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the ma

6、nipulator. We used pneumatic-driven in the driving system, PLC control unit in the control system to complete initialization of the system, manipulators moving, failure alarm and so on. Finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize, and clear theoretical significance. Th

7、rough the work above, a practical, economical, high-reliability sorting material manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types of economical PLC control system design. Key words: Manipulator ；Pneumatic-driven； Programmable logic controller; Automatic control 目录

8、 第1 章 绪论 .1 1.1 研究的目的及意义 .1 1.2 机械手在国内外现状和发展趋势 .1 1.3 主要研究的内容 .2 1.3.1玻璃搬运机械手执行系统的分析与选择1.3.2玻璃搬运机械手驱动系统的分析与选择1.3.3玻璃搬运机械手控制系统的设计1.4 解决的关键问题 .3 第2 章 执行系统的分析与选择 .4 2.1 执行机构坐标形式的选择 .4 2.2 执行机构的组成 .6 2.3 驱动系统2.4 控制系统2.5 位置检测装置第3 章 机械手的整体设计方案3.1 机械手的左边形式和自由度3.2 机械手的手部结构方案设计3.3 机械手的手腕结构方案设计3.4机械手的手臂结构方案设计

9、3.5机械手的驱动方案设计3.6机械手的控制方案设计3.7机械手的主要技术参数3.8执行机构各部分的分析与选择3.8.1手部的选择与计算3.8.2手部的选择3.9真空吸盘的计算3.10腕部的设计计算3.10.1腕部设计的基本要求3.10.2腕部的结构以及选择3.10.3腕部的驱动力矩计算3.10.4腕部的驱动力的计算3.10.5液压缸盖螺钉的计算3.10.6动片和输出轴间的连接螺钉3.11臂部的合计及有关计算3.11.1臂部设计的基本要求3.11.2手臂的典型机构以及结构的选择3.11.3手臂伸缩液压缸的尺寸设计与校核3.11.4导向装置3.11.5平衡装置3.11.6手臂摩擦力的分析与计算3

10、.11.7手臂惯性力的计算3.11.8密封装置的摩擦阻力3.11.9液压缸工作压力和结构的确定3.12机身的设计计算3.12.1机身的整体设计3.12.2手臂升降液压缸的尺寸设计与校核3.13机身回转机构的设计计算3.13.1回转缸驱动力矩的计算3.13.2回转缸尺寸的初步确定3.14机身升降机构的计算3.14.1臂偏重力矩的计算3.14.2升降不自锁条件的分析计算3.14.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算3.14.4轴承的选择分析3.14.5设计液压系统图3.14.6液压回路的工作原理2.3 执行机构各部分的分析与选择.6 2.3.1 手部的选择及计算 .6 2.3.2 手臂结构的选择

11、.7 2.3.3 纵向直动气缸的设计计算与校核 .8 2.3.4 横向气缸的设计计算与校核 . 14 2.3.5 机身回转力矩的计算 . 17 2.3.6 回转液压缸所驱动力矩计算 . 18 2.3.7 气压缸盖螺钉的计算 . 19 2.3.8 静片和输出轴间的连接螺钉 . 20 2.3.9 矩形导轨的弯曲强度及挠度的校核 . 21 2.3.10 机座结构的选择 . 22 2.3.11 机身部位轴承选择与校核 . 23 2.4 执行机构的工作原理 . 23 第3 章 驱动系统的分析与选择 . 24 3.1 驱动系统的分析与选择 . 24 3.2 机械手驱动系统的控制设计 . 25 3.3 气动

12、元件选取及工作原理 . 26 3.3.1 气源装置 . 26 3.3.2 执行元件 . 27 3.3.3 控制元件 . 28 3.3.4 辅助元件 . 29 3.3.5 真空发生器 . 29 IV 3.3.6 吸盘 . 30 3.4 气动回路的工作原理 . 30 第4 章 控制系统的分析设计 . 33 4.1 控制系统的组成结构 . 33 4.2 控制系统的性能要求 . 33 4.3 传感器的选择 . 34 4.3.1 位置检测装置 . 34 4.3.2 滑觉传感器 . 34 4.4 控制系统PLC 的选型及控制原理 . 35 4.4.1 PLC 控制系统设计的基本原则 . 35 4.4.2

13、PLC 种类及型号选择 . 39 4.4.3 I/O 点数分配 . 39 4.4.4 PLC 外部接线图 . 41 4.4.5 机械手控制原理 . 42 4.5 PLC 程序设计 . 43 4.5.1 总体程序框图 . 43 4.5.2 初始化及报警程序 . 45 4.5.3 手动控制程序 . 47 4.5.4 自动控制程序 . 48 总 结 . 51 参考文献 . 52 致 谢 . 53 附录：英文及翻译 . 。54 第1章 绪论1.1 研究的目的及意义 机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物

14、、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。 随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。 可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优

15、点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。适应工业需要，本课题试图开发PLC对玻璃搬运机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够按预定的程序进行搬运，动作灵活多样，适用于中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行玻璃搬运的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。本设计主要完成机械手的

16、硬件部分与软件部分设计。主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。 1.2 机械手在国内外现状和发展趋势 机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日

17、益扩大。 目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS及瑞典的ABB公司。 我国机械手起步于 20 世纪 70 年代初期，经过 30 多年发展，大致经历了 3个阶段：70 年代萌芽期，80 年代的开发期和90 年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的

18、资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。 随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。 1.3 主要研究的内容 随着机械手技术的飞速发

19、展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。本论文主要研究玻璃搬运机械手以下几个方面的内容： 1.3.1 玻璃搬运机械手执行系统的分析与选择 执行系统是由传动部件与机械构件组成，是机械手赖以实现各种运动的实体。主要包括机身、手臂、末端执行器3部分组成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。执行系统的设计主要是对机械手的手部、手臂和机座进行设计。 1.3.2 玻璃搬运机械手驱动系统的分析与选择 驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。通过对液压、气压、电气三种驱动方式的比较，本设计选择气压驱动的方式。内容包括气动元件的选择及其工

20、作原理、气动回路的设计和气动原理图的绘制。 1.3.3 玻璃搬运机械手控制系统的设计 控制系统是机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要求和时序进行工作。本机械手采用可编程控制器（PLC）对机械手进行控制，主要包括对PLC的型号选择、传感器类型进行选择、I/O口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图的绘制等内容。 1.4 解决的关键问题 1.4.1 解决机械手机械结构的设计问题，要求机械手结构简单、经济、具有一定的代表性。 1.4.2 执行部件的运动精度的问题。 1.4.3 机械手的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决工件和控制系统的协调问题。 1.4.4 元件的匹配

21、规则和知识的获取及其表达形式。 1.4.5 传感器的类型选择。 第2章 执行系统的分析与选择 2.1 执行机构坐标形式的选择 机械手的基本型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。下面就各型式机械手作简单的分析对比。2.2 执行机构的组成 2.2.1 工业机械手的执行系统主要以下机械部分组成： 2.2.1.1 手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题 中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件 直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简

22、单，制造容易， 故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时， 工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于 被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通 过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。 传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、 连杆 杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 2.2.1.2 手腕 手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。 2.2.1.3 手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，

23、并 按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、 液压缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、液压或电机 等)相配合，以实现手臂的各种运动。 2.2.1.4 立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰) 运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移 3 式立柱。 2.2.1.5 机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起 支撑和连接的作用。2.3 驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。 它由动力装置、

24、调节装置和辅助装置组成。 常用的驱动系统有液压传动、 液压传动、机械传动。2.4 控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一 般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。 该机械手采用的是PLC程序控制系 统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运 动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械 手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 2.5 位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与 设定的位置进

25、行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。第三章 机械手的整体设计方案对液压机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、 快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特 性。设计液压机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业 工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要 求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制 的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现

26、柔性 转换和编程控制.本次设计的机械手是通用液压上下料机械手，是一种适合于 成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频 繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。3.1 机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标 式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此， 采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增 加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。 3.2 机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强， 把机械手的手

27、部结构设计成可更换结构， 当工件是棒料时， 使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。3.3 机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动 才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。 3.4 机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或 俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由液压缸来实现。3.5 机械手的驱动方案设计由于液压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，

28、成本低廉因此本机械 手采用液压传动方式。 3.6 机械手的控制方案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。3.7 机械手的主要技术参数3.7.1 机械手的抓重机械手的最大抓重是其规格的主参数由于是采用液压方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为50公斤。 3.7.2 基本运动参数运动速度是机械手主要的基本参数。 操作节拍对机械手速度提出了要求， 设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作

29、快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为1.0m /s。最大回转速度设计为 90 / s 。平均移动速度为 0.8m / s 。平均回转速度为 60 / s 。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速 度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均 速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩 行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大 的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定

30、为600mm,最大工作半径约为 1400mm 。手臂升降行程定为 120mm 。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为 1mm。3.8 执行机构各部分的分析与选择 3.8.1 手部的选择及计算 3.8.1.1 手部形式的确定 手部就是用来握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，手部机构也是多种多样。常用的手部结构按其握持原理可以分为如下两类: 1）夹持式 夹持式手部的结构与人手类似，是工业机械广泛应用的一种手部形式。它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。其又可分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作方向相反。 夹持式手

31、部设计时应注意以下事项： （1）手指应有一定的开闭范围。 （2）手指应具有适当的夹紧力。 （3）要保证工件在手指内的定位精度。 （4）结构紧凑，重量轻，效率高。 （5）通用性和可换性。 2）气吸式 气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密，没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。 气吸式又可分为： 负压吸盘：

32、真空式、喷气式、自挤式空气吸盘。 磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。 真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空，故称真空式。喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的，所以气流速度逐渐增大，在管路的最小截面处，气流速度达到临界速度，此时的气体受压，密度加大。在排气管路中因界面逐渐增大，气流膨胀减压而使密度大大下降，致使气流速度继续增高，在吸气口处形成负压。吸附头与吸气口连同，故形成真空，以吸住工件。自挤式空气吸盘的工作原理是将软质吸盘按压在工件的表面，挤出吸盘内的空气、从而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的导磁性，利用永久磁铁或电磁铁通电后

33、产生的磁力来吸附材料工件。磁吸式手部不会破坏被吸附表面质量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑，影响正常工作。 通过以上对手部的分析真空式具有结构简单、质量轻、不损伤工件、使用方便、不影响机械手的正常工作等优点。而且满足所设计机械手的要求，所以选用真空式吸盘。 3.8.2 手臂结构的选择 手臂是机械手的主要部分，是支撑手腕、手指和工件并使它们运动的机构。手臂一般有三个运动伸缩、旋转和升降。手臂的基本动作是将手部移动到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。 3.8.2.1 手臂的组成： (1)动作元件，如油缸、液压缸等是驱动手臂运动的部件。 (2)导向装置，是保证手

34、臂的正确方向及承受由工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。 (3)手臂，起着连接和承受外力的作用。 3.8.2.2 手臂设计的要求： (1)手臂承载能力大、刚性好、自重轻。 (2)手臂的运动速度要适当，惯性要小。 (3)手臂的动作要灵活。 (4)位置精度要高。 (5)通用性要强。 3.8.2.3 手臂的结构 手臂的伸缩和升降运动一般采用直线油（气）缸驱动。手臂作直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置所组成。驱动机构一般用油缸、油马达加齿轮、齿条来实现直线运动。往复直线油（气）缸可以分为以下几种。 双作用单活塞杆油缸:液压机械手中实现手臂的往复运动用得最多的是双作用单活塞杆油缸。活塞在油压下作

35、双向运动。机构上可以是油缸体固定、活塞杆运动；也可以是活塞杆固定，而缸体运动。 双作用双活塞杆油缸：当需要很大的行程时，将油缸做的很长、体积很大，则加工上有困难。如做成伸缩式双活塞杆油缸，既能满足行程要求，油缸的体积又小。其缺点是一次行程有两种速度。 丝杆螺母机构：该机构传动的特点是易于自锁，但传动效率低。如采用滚珠丝杠，效率可以提高，但因其较长，制造比较困难。 本机械手的手臂有往复的直线运动，不需要很大的行程，考虑到结构的简单性和设计的经济性，选用缸体固定活塞杆运动的单作用单活塞杆油缸。 3.9 真空吸盘的计算 吸盘对于工件上的吸力是设计手部的主要依据，必须对其大小、作用点进行分析、计算。一

36、般来说，吸力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。 吸盘对工件的吸力可按下列公式计算： FN=K1K2K3G 式中： K1 安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.22.0，取1.5； K2 工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况系数K 2。 K2 = 1 + = 1 + a 为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）； K3 方位系数，根据吸盘与工件形状以及吸盘与工件位置不同进行选定，吸盘与工件位置：吸盘垂直放置 工件垂直放置； 根据经验 K3=4G被抓取工件的重量为50KG 求得吸力FN：FN =K

37、1K2K3mg=1.51.00245 09.8=2946N ，取整为2950N。吸盘的额定吸重为900N，4900=3600N，故选择4个真空吸盘。3.10 腕部的设计计算3.10.1. 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）

38、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。 3.10.2 腕部的结构以及选择腕部是连接手部与臂部的部件，起支撑手部的作用。其功能是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端执行器的姿态。故腕部也称作机器人的姿态机构。典型的腕部结构有：(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 270 ） 。 (

39、2) 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。本设计要求手腕回转90度，综合以上的分析，综合考虑各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部机构，采用液压驱动。 腕部设计考虑的参数：夹取工件重量 60Kg ，回转 90度 。 3.10.3 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 M摩 。 机械手吸取玻璃的重量为60Kg，当手

40、部回转 90度时，计算力矩：吸盘、吸盘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 G = 0.0620.22 7800 Kg/m39.8 N/ Kg = 190 N 擦力矩 M摩 = 0.1m 。 （3） 启动过程所转过的角度启= 180 =0.314rad，等速转动角速度 = 2.616s-2 。 M惯 = ( J + J工件 ) 查取转动惯量公式有： J=MR2 =0.062 Nms2 = 0.0342Nms J工件=(l2+3R2)=9.8(12 + 3 0.052 ) = 5.0125 N m s2 代入： M惯 = ( 0.0342

41、+ 5.0125 )= 55 N mM = M惯 + M摩 = M惯 + 0.1MM= 61.11N m 3.10.4 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=110mm，外径根据表 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b=66mm, 输出轴 r=22.5mm.基本尺寸示 如图所示。 则回转缸 作压力 P2M/b(R2-r2)=261.1

42、1/0.066(0.0552-0.02252)= 7.35Mpa ，选择 8Mpa。 表 3-2标准液压缸外径（JB1068-67） （mm） 腕部液压缸剖截面结构3.10.5 液压缸盖螺钉的计算 缸盖螺钉间距示意图 表 3-3 螺钉间距 t 与压力P之间的关系工作压力 P（Mpa）螺钉的间距 t(mm)0.5小于1501.5小于1202.5小于1005.0小于80缸盖螺钉的计算，如图所示，t 为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表3-3，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力 FQ0 = FQ + FQs 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

43、 8 个螺钉，=0.11 = 43.17 80，所以选择螺钉数目合适 Z=8 个 危险截面S = R2 - r2 = (0.112-0.452)/4= 0.m2 所以， FQ = 7908.875N FQs= KFQ K = 1.5 FQs = KFQ = 1.5 7908.8 = 11863.3 N所以 FQo = FQ + FQs =11863.3+10545=19772N 螺钉材料选择Q235， 则 =s /n = 240/1.5 = 160 MPa（ n = 1.2 2 ）螺钉的直径 dd= 0.0159m 所以螺钉的直径选择 d=16mm.3.10.6 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。 ( D2- d2 ) = M摩 = FQZfd/2 于是得 FQ =( D2 -d2 )D动片的外径