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自动生产线
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自动生产线搬运机器人设计,自动生产线,搬运,机器人,设计
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自动生产线搬运机器人设计摘 要机械手是通过控制系统实现自动化控制的工业机械，向着工业4.0发展，越来越多的机器人加入了工厂生产取代了人力，在总体上，通过自动控制完成人力所能完成的或不能完成的工作的设备都能称之为机器人，机器人的定义并不局限于它的形貌，它所能完成的工作才是它真正的命名方式，顾名思义，搬运机器人的工作就是搬运物料，焊接机器人的工作就是焊接工件，它们可能形状外貌都很相似，但功能不同决定了他名字的不同。如今的机器人都无一是电动液动或气动，控制方式有PLC，单片机之类的控制按方案，本次设计采用液动PLC控制，机器人分为手部，腕部，臂部和机身，本次均采用液压缸和连接件将其整合在一起，实现搬运物料的工作，通过对工业机器人的使用，可大幅度降低人力的参与，从长久来看，也是可以说是节省了成本，工业机器人近些年来出现在了更多的行业，不再单单是工厂，像家用的清扫机器人，还有那个下围棋很厉害的阿尔法狗，都是机器人离我们生活越来越近的表现。本次设计的内容主要包括机器人结构的选取，传动方案的选取，控制方案的选取，机器人各部件的设计计算和对整体机器人的连接件的设计，通过PLC的自动控制，完成任务书中所要求的连续动作。IAbstractManipulator is a kind of industrial machinery which can be controlled automatically by programming. With the development of industry 4.0, more and more robots have joined the factory production to replace the manpower. In general, the equipment that can complete or cannot complete the work of manpower through automatic control can be called robot. The definition of robot is not limited to its appearance, but the work it can complete Its the real way to name it. As the name implies, the work of the robot is to carry materials, and the work of the welding robot is to weld workpieces. They may have similar shapes and appearances, but different functions determine the different names. Nowadays, none of the robots are electro-hydraulic or pneumatic. The control methods include PLC, single-chip microcomputer and so on. According to the scheme, this design adopts hydraulic PLC control. The robot is divided into hand, wrist, arm and fuselage. This time, hydraulic cylinder and connecting parts are used to integrate them to realize the work of material handling. Through the use of industrial robots, the manpower can be greatly reduced In the long run, it can also be said that the participation of industrial robots has saved costs. In recent years, industrial robots have appeared in more industries, not only in factories, such as household cleaning robots, but also the alpha dog who plays go very well, which are the performance of robots getting closer to our lives.The design content of this paper mainly includes the selection of manipulator structure, the design of hand, arm, wrist, fuselage, connector, control system, and the use of hydraulic system to complete the handling work required in the specification. 78目 录摘要I目录III1 绪论11.1 概述11.2 选题背景与研究意义11.3搬运机器人国内外研究现状21.4论文研究的主要内容32搬运机器人的总体设计方案52.1搬运机器人的运动作要求52.2搬运机器人的基本组成52.3搬运机器人结构驱动方式控制方式的选择62.4传动方案设计72.5主要技术参数82.6小结83搬运机器人手臂各部件设计93.1机械手手部的设计计算93.2腕部的设计计算193.3臂部的设计计算264机身的设计计算414.1机身的总体设计414.2机身的升降机构设计计算424.3机身的回转机构设计计算494.4联接板的设计545液压驱动系统与控制电路的设计565.1驱动系统设计要求565.2驱动系统设计方案565.3驱动系统设计575.4控制电路设计656经济性分析667总结67参考文献68ContestAbstractI ContestIII1 Introduction11.1 Overview11.2 Topic selection background and research significance11.3 The research status of carrying robot at home and abroad21.4 The main content of the paper32 Overall design scheme of the carrying robot52.1 The movement of the moving robot is required52.2 The basic components of a moving robot52.3 The selection of driving mode and controlling mode for carrying robot structure62.4 Transmission scheme design72.5 Main technical parameters82.6 summary83 Carrying robot arm parts design93.1 Manipulator hand design calculation93.2 Wrist design calculation193.3 Arm design calculation264 Fuselage design calculation414.1 The overall design of the fuselage414.2 Design and calculation of the lifting mechanism of the fuselage424.3 Fuselage slewing mechanism design calculation494.4 Design of connecting plate545 Design of hydraulic drive system and control circuit565.1 Driving system design requirements565.2 Driving system design scheme565.3 Driving system design575.4 Control circuit design656 Economic analysis667 Summary67Reference681 绪论1 绪论1 Introduction1.1 概述（Overview）工业机器人是计算机控制技术在机械结构上的应用，通过事先编写好行程的各部动作的控制语句，通过计算机单片机或PLC来实现对各行程动作的控制，在工业4.0的推进下，工厂中的一些人力劳动一步步被工业机器人所取代，在一条以前很多人的生产线上，通过工业机器人的取代，可能一条生产线上空无一人，在工作的只有机械手，人们的工作就变成了在机械手出问题的时候进行及时的维修，通过对工业机器人的引用，不仅可以提高工作效率，还可以降低生产的成本。1.2 选题背景与研究意义(Topic selection background and research significance)伴随着工业4.0的发展，人们积极响应着智能制造的号召，在一条生产线上利用工业机器人的自动化生产线经济效益显著高于一条人力的生产线，虽说一条自动生产线的建造就耗资巨大，但从生产的长远角度看，自动生产线的建立是有利无害的。再加上国内正号召着工业4.0，对此的政策也很积极，尤其是对自动化的智能制造，按照不同地区的要求还会获取政府给予的补贴，这就让工厂中对自动化技术的引进增加了兴趣。产业间的竞争也推动了工业机器人的发展，国内产业的需求在降低，同时还要和一些新兴国家的产品竞争，要想提高提高自己产品在市场中的份额，价格和质量就成了硬性指标，国内展业为了提高产品质量，如果单一靠人力的生产线，可能精度高的器件就会更费时费力，这样生产同一件产品的成本就会提高，而当用上工业机器人，可有效提高工件的生产效率，而对于高精度器械，机器的精度还是要比人工制造的精度要高的，为了提高生产效率和降低生产成本，自然就有越来越多的工厂加大对工业机器人的使用，这也是工业机器人在近些年来有良好发展的一个重要原因。国产的产品越来越受到国人的重视，大部分国人还是有着支持国产的心，再加上教育事业的蓬勃发展，国内受教育的人口也普遍提高，国内的研究生博士生数量也显著增加，知识红利的带动下促使了脑力工作者的发展，而智能制造这种高兴技术需要的正是这样的人才，这些人才也在为国产机器人产业提供援助，让国内的机器人行业有良好的发展环境，这一产业也在迅速扩大，有可能在将来的某一天，人们不再去学习如何完成一项工作，而是去学习如何用机器人完成这项工作。对于自动生产线而言，如果只是对物料单一的上料和下料，一台设备就需要一个人的工作，而这只是单一重复的工作，对人而言会有疲劳，当然由于工资关系这一项不会表现得很明显，但这种工作也是极大耗费人力的，机器人不会疲惫，工作效率也远高于人，对工业机器人的引用可有效减少作业的人力参与，可能一个车间只需要几个必要部分的工人，在这种竞争激烈的行情下，对工业机器人的使用也无疑是一种提高竞争力的好方法。搬运机器人的应用范围也很广。如果需要移动，可以在底部增加行走机构。例如，各种机械的装卸基本上都可以由搬运机器人来完成，主要是因为机器人的编程不同。搬运机器人在大规模生产制造中的应用可以提高生产效率，搬运机器人在自动化生产线上也可以使用，它已被广泛应用于保证产品质量。机器人是机械发展进化的必然产物，在工业生产上起着重要作用，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工业机器人的研究不仅可以保证产品的质量，而且可以提高生产效率，是实现智能制造的重要一步。1.3搬运机器人国内外研究现状(The research status of carrying robot at home and abroad)1.3.1搬运机器人国外研究现状1959年，第一台工业机器人在美国出现，早在二十世纪中期，没过联合控制公司便制造出了第一台机器人，利用电磁铁抓取物料，算是世界上最早的搬运机器人，因为国外资本主义国家的资本积累，国外的工业水平早于国内一大截，对工业的投入也有相较国内来说有大把时间，因此欧洲，美国，韩国，日本在对机器人方面的研究还是有一线水品，也可能是信息化的发展，让更多的信息足不出户便可获取，极大增加了信息的交互，使其在对机器人的研究上也起到了积极的促进作用，导致在很长时间内，国外的机器人产品在工作中更受人们的欢迎，生产效率高，产品质量好，这无疑是一个好选择。对于搬运机器人的研究，就国外而言，处于首位的就是德国，德国的工业水平在世界上都是顶尖的，质量好精度高，受到世界的广泛认同，对于搬运机器人而言，德国的研究水平也毫不逊色，德国的KuKA公司，致力于对搬运机器人的研究，长时间研究中生产了多种不同类型的搬运机器人，生产水平也位于世界前列。为解决在车间中的反复搬运工作，加拿大机器人公司研究的产品解决了大体积大数量的搬运工作。美国和日本在对机器人的研究上也处于领先水平，日本生产的机器人种类和数量目前居于世界首位。伴随着信息化的发展，越来越多的资源可以共享，科学技术水平的迅速发展，让人们对于机器人的要求便不仅仅于只完成单一的作业，目前并没有完成对此的研究，一个原因是为了完成作业只需要一项指令就可完成那多余的指令对此就是累赘，并不需要集成化一体化可以完成各项工作的机器人，各司其职也是提高从生产效率的重要措施.从二十世纪五十年代至今都是机器人飞速发展的时期，在以前无法想象的东西在现在正一步步被创造，确实如今已经拥有可以完美工作的搬运机器人，但人们还是渴求未知的，对此的研究并不会结束，甚至可以说人们对搬运机器人的研究每天都在进行着。1.3.2搬运机器人国内研究现状国内对于机器人的研究，相较于世界而言，属于起步很晚的，但发展速度却很迅速，正是因为信息的交互，还有先行者对此的研究，对于工业机器人的一些结论国内在研究时便可做些参考，同时，为了加快对机器人的研究，国内也在寻求国外先进机器人技术的帮助，并规划着从引进外来技术，仿造，向改造，创新方面进行，现在伴随工业4.0的发展，智能制造便是重中之重，而这一项不可缺少的就是工业机器人，国内也在加大对工业机器人的研究，致力于研发高速高精的自动搬运机器人。从目前的市场来看，在大规模生产的工厂，搬运机器人很受欢迎，但受欢迎的产品大多是国外的产品，中国对此的研究起步较晚，产品质量确实无法和领先的技术相比，不过有一个词叫勤能补拙，这个拙就体现在了起步晚上面，而勤有着信息化的帮衬，信息交互更为容易，加大对此的研究，还是会一步步走向世界前列的。1.4论文研究的主要内容(The main content of the paper)查阅了相关搬运机器人的资料后，了解搬运机器人国内外的研究现状以及发展趋势，根据设计任务书的要求，制定搬运机器人本体结构设计方案，完成机械装置，控制系统的设计，图纸绘制等内容。对于本次设计，具体方案如下：（1） 了解设计背景首先查阅关于搬运机器人的资料，了解国内外的研究现状和发展趋势（2） 机械结构设计首先要学习机器人的相关知识，再根据任务书了解搬运机器人具体的工作动作，在资料中参考现有的搬运机器人，根据数据库选取适合于任务书的机械结构和驱动方式，并进行结构设计和力学分析，进行计算与校核，完成搬运机器人机械结构的设计（3） 控制部分设计查找工业机器人控制方面的相关资料，对搬运机器人的控制进行设计（4） 绘制图纸在设计并计算各部位相应的尺寸后，根据所选型的机器人结构，完成机器人的总装图，绘制在机械结构上设计的连接部分的图纸，绘制必要的零件图。2 搬运机器人的总体方案设计2搬运机器人的总体设计方案2 Overall design scheme of the carrying robot2.1搬运机器人的运动作要求(The movement of the moving robot is required)胚料一端加热后，机械手将物料由水平姿态变为竖直姿态，机械手平推，将竖直的圆钢棒料推入锻压机；锻压后，保持垂直平拉出锻压机，再由垂直方向转为水平方向，放到传送链。2.2搬运机器人的基本组成(The basic components of a moving robot)搬运机器人是由执行机构，驱动机构以及控制机构三大部分组成。对于搬运机器人而言，机械执行结构又可下分为手部，腕部，臂部和机座。（1）末端执行机构：常称为手部，是在机构末端用于执行任务的机构，在搬运机器人上，此部件一般为夹具，为了完成不同的工作内容，选取的夹具也会有所不同。（2）腕部结构：在一些搬运机器人中，腕部不仅做到了连接件的作用，还可以完成手部机构的回转，连接主要是指手部与臂部的连接。（3）臂部结构：是腕部和机身间的连接部分，可将所受到的载荷传递至机身，在需要伸缩的工况下，臂部也是一个良好的伸缩结构，可做到推拉手部的运动。（4）机身：机身也称为机座，对于一个良好的机器人，其机身强度需求也是很高的，在机器人的一系列动作中，载荷都会传递至机身，机身对机器人的固定起到很大作用，由于机座与臂部直接相连，所以在臂部的一系列动作就会给机座不同的受力，为了弥补这些不同方式的力，就需要更加复杂的结构确保机身的支撑作用。（5）驱动机构：对于机器人而言，驱动机构就是机器人的动力来源，如果使用液压系统使各部件运动，就称为液压，按照这种方式，在现在的工业机器人的使用中，还有电动和气动，一般液压都用在重载上，轻载一般为气动和电动。（6）控制方式：在机械手的工作需要一系列动作完成，一般应用较为广泛的是连续控制方式，通过使用PLC或微型计算机进行机械手连贯的动作控制，也有比较死板的点动方式，在你需要它输出时操作其相应动作的按钮进行一步一步的控制机械手的动作。2.3搬运机器人结构驱动方式控制方式的选择(The selection of driving mode and controlling mode for carrying robot structure)2.3.1搬运机器人结构选择通过对工业机人资料的查找，找出以上四种机器人结构作为参考：（1）直角坐标系型称为直角坐标系型因为其正是根据由直角坐标系所建造的，这一类型的机器人三根轴彼此垂直，并通过X轴，Y轴和Z轴来确定其在空间中的位置，结构较为简单，因此运动的控制方式也简单，控制的精度很高，有利有弊，简单的运动方式使其灵活性很差，工作范围也很小，利用三轴建立的直角坐标系机器人一般都有较大的结构。（2）圆柱坐标型其结构像是将臂部套入机身，可围绕机身回转，也可通过机身升降，这一结构运动速度快，但控制的精度低，工作中的协调能力也很差，（3）球坐标型球坐标型的另一种叫法为俯仰型，两个转动关节和一个移动关节，臂部可拥有三个自由度，这种结构可以做到大范围内都可工作，结构的集成也使得其拥有较小的结构，但结构较为复杂，臂部的伸长将影响到控制的精度。（5） 关节型关节型的机器人利用了人体仿生结构，整体结构就像人的手臂一样，人的手臂大臂连接身体，而机械手也只需要一个底座对其进行固定，手臂的活动范围打，使其工作范围也很大，但运动模型复杂，比较难控制。搬运机器人就本设计题目而言，需要的工作有抓取物料，平推物料，旋转物料，物料为圆钢棒料，尺寸较长，在旋转物料与在控制传送带与夹具位置时，可能需要提升臂部的高度，工况简单，采用4自由度圆柱坐标系型结构即可。2.3.2驱动方式选择目前工业机器人的驱动方式分为液压，气压和电动三种。由于采用圆柱坐标系型的结构，利用液压驱动可简化其结构，液压驱动本就有结构简单，尺寸紧凑，重量轻，控制方便的优点，本次设计决定用液压驱动。2.3.3控制方式选择目前对工业机器人的控制一般都是利用PLC或单片机进行控制，对于这种顺序动作，自动化技术，PLC相较于单片机而言，不光光是功能，可靠性也远高于单片机，利用PLC对机器人个各个动作进行顺序控制，只需先编号程序，将PLC的输出接口与液压系统相应的电磁阀相连，从而控制机器人的顺序动作。2.4传动方案设计(Transmission scheme design)本设计选择的是圆柱坐标系型4自由度机器人，驱动方式为液压驱动，这样在机器人需要旋转的部位将使用回转油缸带动机器人旋转，腕部和机身动作需要旋转，腕部主体为回转油缸，臂部和机身需要伸缩作业，主体为伸缩油缸和升降油缸，纯液压式搬运机器人。2.5主要技术参数(Main technical parameters)（1）胚料为48-55mm，长1350-1590mm的圆钢棒料（2）抓取质量小于30Kg（3）生产节拍为70秒10秒（4）4自由度（5）10年使用寿命2.6小结(summary)本章节首先对搬运机器人的动作分析，确定搬运机器人的工作动作并不需要很复杂，再根据查找资料对工业搬运机器人的应用，大部分工场中使用的都是液压驱动圆柱坐标系型的机器人，由于具有结构简单，便于控制，结构紧凑等优点，便选择了圆柱坐标系型液压驱动搬运机器人。3 搬运机器人手臂各部件设计3搬运机器人手臂各部件设计3 Carrying robot arm parts design3.1机械手手部的设计计算(Manipulator hand design calculation)3.1.1手部设计基本要求（1） 手部需要适当的力来抓取物料，而这手部抓取力的来源与手部的机械结构有关，在抓取力合适的情况下选择合理的机械结构。（2） 机械手在抓取物料时，物料会受挤压作用，有发生损坏的可能，不可无限制的施加抓取力。（3） 机械手的手指部分需要一定的张角，一边抓取不同尺寸的物料，张角大时，可抓取半径较大的物料，设计好角度可有利于抓取物料。（4） 机械手的结构需要严实的结构，并且对手部的要求不能过重，否则会加大机器人的载荷，对机器手的刚度也有一定要求，避免在抓取物料过程中力过大导致机器手的损坏。（5） 机械手需要向锻压机运送物料，机械手的抓取和运送对精度有一定要求。3.1.2 手部机构的选择机器人所要完成的任务是抓取圆钢棒料，为了确保抓取的牢固性，由于棒料长度较长，在手部最好使用两个具有一定间距的夹具，以此来保证抓取的平稳，不会让物料出现在抓取过程中出现不平衡的现象，对于棒料的抓取最好采用V型指，以防抓不稳。对于机器人手部的动作主要为闭合和张开，可以选用滑槽式的机械结构，因为需要保证物料或者机械手不会因驱动力持续输出而损坏，选用液压缸拉升连杆来驱动机械手的张闭，如果选用螺母丝杠来控制张闭，将不好控制电极在何时停止输出，这一点液压系统可以保证。3.1.3手抓的设计计算3.1.3.1手抓结构的力学分析指型选取的是V型指，指块用销轴连接，对此部件进行受力分析，可得：图3.1 受力分析图在上图中在拉杆的带动下，在销轴处的受力为F方向向上，并通过销轴中心点O点，两手指的滑槽对销轴的反作用为F1和F2，这两个力由指的固定点指向销轴的作用点。 通过分析可知：Fx=0得F1=F2Fy=0得 F1=F2cosF1=-F1M01（F）=0得 F1h=FNbh=acos指部驱动力：F=2baFNcos2a-手指的回转定点到销轴的垂直距离-工件被夹紧时手指的滑槽方向与水平方向的夹角由此可得，当驱动力F一定时，抓取力会随着工件夹紧时与水平方向的夹角增大而增大，但当角度在增大的过程中，手部所需要的尺寸将会增大，一般选选取角度在300-400之间，为了减小手部的尺寸，本次设计选取300.滑槽拉杆式的手部结构简单，指部的张开闭合角度打，很适合对本次材料抓取的机械结构。3.1.3.2手指驱动力的计算根据手指形式的不同，计算手指的驱动力也会有所不同，不仅如此，手指的驱动力还和手指抓取工件时的位姿有关，水平抓取物料和竖直抓取物料所需要的驱动力也是不一样的，由工业机械手设计基础中可得到手指不同形式和不同位姿时的驱动力计算方式：图3.2 夹紧力计算公式本次设计中，物料通过传送带带动，抓取前保持水平姿态，为了抓取牢固选用V形指经行抓取工件，对于V形指而言，一般为90和120两种，本次设计选用120的V形指，根据表中内容：FN=0.5GG-圆钢棒料的质量G=30kg10N/kg=300N得： FN=0.5300=150N驱动力： F=2baFNcos2=2ba150cos230圆钢棒料在被抓取的过程中，会产生震动等影响机械效率的其他因素，上述为理论驱动力的大小，实际的驱动力则为： F实FK1K2-手部的机械效率=0.9-安全系数=1.5-工作情况系数可近似按以下估为：为工件运动时的最大加速度:为重力加速度（10）vm=0.1m/st=0.5s得：K2=1+0.1/0.510=1.02此时，在驱动力的计算公式中，尺寸a和b还是未知的量，a和b的尺寸确定了机械手的抓取精度，需要对手部抓取定位分析。3.1.3.3手指抓取精度的分析计算 机械手对物料的夹取并不是很困难，但如果需要将物料运送至规定好的地点，对机械手的抓取精度有一定要求，但这一点也不仅仅和机械手的精度有关，和机械手手指的尺寸有一定的关系，这一尺寸可以确定手指的抓取精度。在自动化生产线上，传送带上运送的物料并不是尺寸相同的，物料的尺寸都在一个范围内，对手指确定适合的尺寸，就可以让手指可抓取范围更广的物料。如下图所示：图3.3 手指抓取精度图钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O的距离为x,则x=l2-(R/sin+b-a)2对于不同半径的物料，选取最大尺寸和最小尺寸计算两者x之差即可得到手部的抓取精度：=l2-(Rmax/sin+b-a)2-l2-(Rmin/sin+b-a)2在本次设计任务书中，对物料的尺寸要求是48-52mm，对于本次设计，机械手的手指抓取精度要小于1mm，当确定无聊的最大和最小尺寸时，可自行选择合适的手部尺寸完成对精度的要求。假设a=60mm，l=80mm，b=10mm代入公式计算得： =79.158-78.85=0.961选取尺寸符合精度要求。3.1.3.4手抓滑槽长度图3.5 手抓夹持最大半径对于无聊的抓取，当从2位置移动至1位置，便是对物料的抓取，而此时移动的距离便是滑槽需要的长度d=h-a=acos30-a9.2mm驱动缸与手指的拉伸距离要大于滑槽的距离，可确定滑槽的长度 d9.2 固取d=12mm3.1.3.5手抓液压缸的确定综上所述，设计确定的机械手尺寸a=60mm，l=80mm，驱动力F：F=2baFNcos2=28060150cos2303000N则实际驱动力为：F实FK1K2=3001.51.020.9=510N由下表可知：驱动力 F=510N5000N，在此驱动力的作用下，根据上表，可得到工作压力在0.8-1Mpa之间，选取1Mpa。设液压缸的直径D，活塞杆的直径d=0.5D，则有F=4D2-d2p所以带入数据可求得：D=4FP1-0.520.0294m=29.4mm 根据上表，选取标准系列缸径D=32mm。依照d=0.5D=0.532=16mm满足条件。活塞杆长度为：l=atan30=550.5831.75mm=32mm缸筒壁厚：当D/10时，为薄壁 D2+0.4Py-1.3Py-1当 D/10 时 ，为厚壁D2+0.4Py-1.3Py-1 D-缸筒直径Py-取Py=1.5Pn=b/n=108。缸筒壁厚：PyD2=1.5322108=0.222D2+0.4Py-1.3Py-10.385所以缸筒为厚壁。活塞宽度：b=0.61.0D=0.532=16mm3.1.3.6缸体长度的确定缸体长度为：l=d+b=16+8.5=24.5mmd：活塞杆行程b：活塞宽度3.1.3.7连接结构设计根据上式计算过程，得到的液压缸内径和行程都很小， 不宜使用复杂的结构，因此，在本次设计中，决定使用结构简单的整体式结构。3.1.3.8液压缸端盖的设计计算（1）端盖螺钉的设计计算螺钉在危险截面上所承受的拉力为： F总=F+F预根据上表3.4，工作压力为1MPa，预选选取4个螺钉验证计算： D4=324=25.12mmM总阻力矩图3.8 回转缸简图驱动力矩为：M=PbR2-r22M总阻力矩P2M总阻力矩bR2-r2M总阻力矩-总阻力矩NmP-工作压力PaR-缸体内孔半径mr-Dd=1.52.5b-动片宽度 m对于回转油缸动片的选取，需满足：bR-r2本次设计中，腕部选用回转油缸完成对物料的翻转任务，回转油缸的动片与驱动缸缸壁相连，静片与回转油缸缸壁相连，这么链接的目的就是让手腕带动手部回转，这里带动的是手腕整体，动片连接驱动缸，将手部的驱动缸一起带动旋转，使机械手的结构更加紧凑。通过计算：r=12.5 R=31.5 b=40 P=4MPa3.2.3.3液压缸盖螺钉的计算 螺钉在危险截面所承受的拉力为：F总=F+F预根据上表3.4，工作压力为4MPa，预选选取6个螺钉验证计算：D6=636=32.97mm80mm通过计算，螺钉数目合适。受力截面：S=R2-r2=31.52-12.52=2625.04mm2=0.00262504m2F=PSZ=41060.002625046=1750.03NF预=KF取K=1.6F预=KF=1.6433.9N=2800.04N总拉力为： F总=F+F预=1750.03N+2800.04N=4550.07N螺钉材料使用选取为Q235=sn=2401.5=160Mpan取1.5螺钉的直径计算： d=41.3F式中F为总拉力d=41.3F=41.31128.1543.141606.86mm根据机械设计手册选取六角头螺栓（GB/T65）M83.2.3.4连接螺钉计算在回转液压缸的资料中，动片和从动件的连接一般为螺钉连接，一般都有偶数个螺钉确保连接稳定，在本次设计中，从动件是手部的液压缸，根据资料可得： PbD2-d2/4=M摩擦=fF0Zi式中F0-预紧力f-摩擦系数取0.15i=2Z=2D-静片的外径d-输出轴直径代入上述数据： F0=bP4ZfiD2-d2 螺钉的强度条件为： 将上述内容代入强度计算公式：F0=bP4ZfiD2-d2=0.044106420.1520.0632-0.0252223N螺钉材料使用选取为Q235=sn=2401.5=160Mpa螺钉的直径计算： d41.3F0=41.32233.141601.52mm根据机械设计手册选取开槽盘头螺钉（GB/T65）M53.2.3.5腕部轴承选择在腕部动作中，回转缸所驱动的液压缸仅受到径向力的作用，并没有轴向力的直接参与，此次选用径向接触轴承。 本机器人中用到的轴承仅供液压缸的回转，速度较慢，径向力也较小，在油缸的两端均选用深沟球轴承承载油缸。轴承基本数据如下：Cr=10kN，当量动载荷P=XFr，径向系数X取1，Fr=900N，则P=900N，由公式：Lh=10660nCP设油缸最快在半秒内回转半圈可得转速n=60r/min，C=Cr， =3代入得：Lh=10660nCP=1066060101039003=3.8105h2436510=87360h使用寿命符合要求由于油缸的两端尺寸不一样，所以对深沟球轴承的选取也有一定区别，分别为6005和6013。3.2.3.6密封件的选择端盖内孔壁选用O型橡胶密封圈规格（GB3452.1-2005），材料为丁腈，规格为252.65。活塞壁选用O型橡胶密封圈规格（GB3452.1-2005），材料为丁腈，规格为632.65。3.3臂部的设计计算（Arm design calculation）3.3.1臂部设计基本要求在本次设计中，机械手需要水平推拉物料，臂部需要伸缩作业，臂部要与腕部和手部连接，需要一定的连接结构，臂部整体需要固定在机身上，需要适当的连接件使其牢固固定。（1）功能性的要求机械手对锻压机上料下料，运送过程最关键的便是平稳，动作可以不快，必须稳定，因为上料对物料的进给速度并没有要求，但上料口只有那么大，若不平稳运行，很可能出现意外状况。（2）适应性的要求在工作中，机械手抓取物料后的频繁移动或回转，将给臂部带来大量负载和冲击，臂部结构需要有一定的抗冲击能力。（3）可靠性的要求臂部的前端连接这手部和腕部，当工作时，工件也在臂部一段，工作时的载荷也传至臂部，一部分载荷被传递至机身，但剩下的就要自己抗了，如果没有强度较高的臂部结构，很可能在长时间工作中发生机体损坏的状况。（4）寿命的要求本次设计中，对机械手的寿命设定为十年，在这短时间内，机械手是不能因为强度不够，什么的损坏的，设备需要一定的润滑，使其在运行中更平稳，使用的时间更长。3.3.2 臂部机构方案选择液压驱动方案（1）伸缩原理在本次设计中，机械手需要抓取30Kg的物料，在最对物料搬运的过程中，对臂部有一定的强度要求，可以选取双导杆双作用的液压缸作为臂部结构，跟单导杆单作用的油缸相比较，有更强的力学结构，更利于平衡臂部的受力，对于单导杆的液压缸，当导杆伸长到最远距离时，臂部收到的弯矩最大，单导杆的油缸很可能因为强度不够而导致变形，双导杆就不会出现此类问题，受力分担在了两根杆上，双导杆的油缸与手部的链接，可顺便提供手部油缸的油液，结构也比较紧凑，可有效提高臂部的刚度。采用单向调速阀进行回油节流调速。接近终点时，发送信号进行调速缓冲。通过定位气缸行程极限，采用导杆防止旋转，采用电液换向阀控制方向。（2）液压系统的设计计算在控制方面，整个液压系统需要满足机械臂的各个动作和拥有足够的驱动力完成动作要求。臂部结构需要伸缩作业，过程中都要抓取着30Kg的物料，在满足效率要求的前提下，若臂部动作过快，对于手臂的冲击也会增大，为了减小工作中的冲击，在液压系统中，需要增加缓冲措施。设计计算参数及要求：1.电磁阀流量：要满足伸缩速度的要求。2.油缸直径：推力大小要能克服机构起动惯性并有一定的起动加速度，要满足运动时间要求。3.导向杆刚度：按最长伸出时机械手端部的挠度不超过规定要求。（3）结构方案设计及强度和刚度计算 结构方案：1.支座安装在机器人身上，用于安装伸缩臂油缸和导向杆等零部件。2.法兰用于安装机械手，其形式和尺寸要与机械手相协调。3.液压缸伸出杆带动导向杆同时伸出500mm，伸出长度较大，设计、制造和安装时要考虑液压缸与导向杆的平行度要求。（4）臂部强度及刚度计算对于本次设计的机器人，工作中需要搬运30Kg的圆钢棒料，由于需要给锻压机上料，动作中需要用到臂部的伸缩功能，当导杆伸至最长时，对机器人而言，是在水平面的最长长度，此时的力矩也是最大的，同时，在这一工作状态下，机器人的变形也是最大的。3.3.3臂部的设计计算3.3.3.1工作负载R和工作压力P工作负载R：R=Re+Rf+RgRe-工作机构的工作阻力及自重对液压缸产生的作用力；Rm-工作机构在满负载起动时的静摩擦力对液压缸产生的作用力； Rg-工作机构满负载起动时的惯性力对液压缸产生的作用力。由上述公式即可算出液压缸的最大负载，下面进行位置数据的确定。（1）Re对于工作机构而言，可分为三个部分，机械手搬运的物料，为已知量，机械手手部和臂部结构，这两个部分并没有明确质量，按照估计的质量计算，在这些部件间，还存在连接件，质量也有估计为准。1、工件的质量30kg 2、夹持器的质量15kg3、伸缩臂的质量50kg4、其它零部件的质量10kgRe=30+15+50+1010=1050N（2）Rm ：Rm=uRe=0.21050=210N（3）Rg ：Rg=Gvgt=10500.2100.1=210Nt=0.1sv=0.2m/s工作的总负载为R=Re+Rf+Rg=1050+210+210=1470N总负载为计算所得，在实际工作中，可能出现负载会增加，取最大负载时稍取大一些，取最大工作负载为R=1500NR=1500N5000N ,P在 0.81MPa,可取P=1MPa。3.3.3.2工作速度和速比的确定速比可按下表选取，工作压力高的液压缸选用较大值，工作压力低的则选较小值。由上表可得本设计中的速比为： =1.33 3.3.3.3液压缸缸筒内径D和活塞杆直径d的确定（1）缸内径D的计算：D=4RP=415003.141MPa43.71mmR=1500NP=1MPa由上表3.2可选取标准缸径，取内径D=50mm（2）活塞杆直径d的计算：d=-1D=1.33-11.335024.9mm由上表3.3可选取标准活塞杆直径d=25mm3.3.3.4最大工作行程和最小导向长度液压缸的最小导向长度是指当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离，若导向长度太小，式液压缸因间隙引起的初始挠度增大，从而影响液压缸的稳定性。对于一般液压缸的最小导向长度H应满足下列要求：HL20+D2=50020+502=50mmL=0.5m=500mm一般导向套滑动面的长度A，在缸筒D80mm时，取缸筒内径D的0.61.0倍，活塞宽度B取缸筒内径D的0.61.0倍，为保证最小导向长度而过分的增大导向套长度和活塞宽度都是不适宜的，最好的办法是在导向套与活塞之间装一隔离套K，其长度C由所需的最小导向长度决定。采用导向套不仅能保证最小导向长度，而且还能扩大导向套及活塞的通用性。如下图所示：图3.8 导向长度可通过上述内容进行设计：A=0.850=40mmB=0.850=40mmC=H-B2-A2=35mm3.3.3.5缸筒壁厚和外径计算根据标准液压缸外径系列表选取液压缸外径为D=D+2=60mm可计算出壁厚 =5mm当D/10时，为薄壁 D2+0.4Py-1.3Py-1当 D/10 时，为厚壁D2+0.4Py-1.3Py-1D-缸筒直径Py-缸筒试验应力Py=1.5=b/n=108缸筒壁厚：PyD2=1.55021080.347D2+0.4Py-1.3Py-10.3通过上述计算可确定此液压缸为厚壁。液压缸外径的计算：De=D+2=50+10=60mm3.3.3.6缸底参数计算及校核液压缸缸底使用的材料选取为35号钢，通过查表：b=540Mpa壁厚的校核：=0.5DPy=0.5501.5108=2.95mm在上一小节中，选取的壁厚为=5mm，通过校核，液压缸的壁厚需要大于2.95mm，选取的壁厚符合要求。3.3.3.7液压缸稳定性和活塞杆强度校核（1） 油缸稳定性的计算根据所查找的资料，液压缸工作的稳定性的要求是：FFkF-活塞杆推力Fk-极限应力Fk的计算公式为：Fk=FkJ12J1上述中FkJ1不可直接算出，能直接得到的只有l2l1和J2J1，在确定二者的数据后，根据下图，便可找出相应的值，代入公式，便可计算出Fk。 图3.9 J2J1=5时临界力的计算图J1=d1464J2=D14-D464d1为活塞杆直径D1为缸体外径D为缸体内径式中的转动惯量：J1=d1464=3.1425464=19165J2=D14-D464=3.14604-50464=329209.375得：J2J1=329209.375191654.14 将计算值取整：J2J1=5图3.10 液压缸纵向弯曲根据上表，通过计算的值，可从表中查出l2l1=1且l1=500即可得到FkJ1=58。l1头部到A点的距离l2:尾部到A点的距离Fk=FkJ12J1=58219165=64471060F=150010时，活塞杆为细长杆，这时活塞杆强度需同时考虑压缩和弯曲。活塞杆最大挠度点x的计算为：x=2E1J1FE1- E=2.11011Pa=2.1105MPaJ1-活塞杆截面惯性矩代入数据：x=2E1J1F=3.1422.11051916515002571.7l=500活塞杆强度校核：=F4（d2-d12）d-活塞杆外径d1-空心活塞杆内径F-液压缸的最大推力-活塞杆的压应力-=sn=355MPa代入可计算：=s/n=3551.4=253.6得：=F4（d2-d12）=15003.1442523.06经计算，符合要求。3.3.3.8连接件强度计算（1）缸筒与缸底焊缝的强度计算对接焊缝的应力及强度条件为：=4FDe2-de2F-液压缸的最大推力De-缸筒外径d2-焊接内径-焊接效率取=0.7 =bn=4204=105MPa经过计算，符合要求。（2）螺纹连接强度计算拉应力计算：=KFd12-D2剪应力计算：=K1KFd0d10.4d14-D4需要满足的要求为：n=2+32F-油缸的最大推力D-缸筒内径d0-螺纹外径d1-螺纹内径d1=d0-1.22tt为螺距K-预紧力系数取K=1.5K1-摩擦系数取K1=0.12=s/n=3102.5=124通过上述计算，可以得到D=50mm，根据机械设计手册，可查出需要的相应数据t=2 ，d0=60。可得：d1=d0-1.22t=60-1.222=57.56mm=KFd12-D2=1.515003.1457.562-502=2.9922=K1KFd0d10.4d14-D4=0.121.515006057.560.457.564-504=0.493n=2+32=2.99222+30.4932=3.1117通过上述计算n ，强度符合条件。3.3.3.9其它零部件的确定 （1）活塞与缸筒和活塞杆间的密封装置由于活塞与缸筒内壁间存在相对运动，因此该密封属于动密封，这里采用O型密封圈，具有结构简单，密封性能好，安装空间小，拆装方便等优点。此处选用GB/T3452.3-2005标准O型圈 502.65 。活塞与活塞杆件的密封属于静密封，通常是在活塞与活塞杆连接部位的配合间隙表面之间采用O型圈密封，密封槽通常开在轴上，以便于加工与拆装。但当活塞杆与活塞连接部位的轴径较小时，密封槽开在活塞内孔上。此处选用GB/T3452.3-2005标准O型圈252.65 ，密封槽开在活塞内孔上。（2）活塞杆的导向套和防尘活塞杆导向套在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处。防尘圈选用A型防尘圈，直径范围6-390mm，材料为丁腈橡胶，在外表面上具有梳子型截面的密封表面，保证了它在沟槽中可靠的定位。3.3.3.10导向机构的设计机械手需要伸缩动作，做工作过程中，需要抓取物料，对导向机构的使用可以有效增加臂部的刚度，让臂部的工作更加安全，对锻压机的上下料过程中，如果出现方向不够精确时，会出现工作的失误，为了减小方位的偏差，增加导向机构可有效解决，选择材料为45号钢。导向机构的校核：（1） 导轨的弯曲应力：maxMWZM=Fl=1500N500mm=750000NmmWz=D3321-dD4=3.14403321-30404=4292.97max=MWZ=7500004292.97通过之前的计算，可得到已知数据：=253.6MPa，经过上式计算max ，符合设计要求。（2）杆的挠度 ：=Fl22EIw=Fl33EIEI-抗弯刚度E-E=200GPaI=D4641-dD4=3.14404641-30404=858594=Fl22EI=150050022200103858594=0.00109w=Fl33EI=150050033200103858594=0.000728F1+F2=2F1=2FRf得 G总2G总lfhf摩擦系数h立柱导套的长度h2lf0.5870=435mmG总回转缸及部件的总重量G总=G总+G回转缸+G活塞杆G回转缸=250N， G活塞杆=550N可得：G总=G总+G回转缸+G活塞杆=1050+250+550=1850N可得：FR=G总lh=1850870435=3700N通过上述计算，需要满足自锁条件的长度必须要大于435mm。4.2.3机身驱动力矩的计算驱动力的公式为：F驱=F摩+F惯+F密+F回G总（1）F摩：F摩=2FRf从上一小节可以得到 FR=3700N，可得F摩=2FRf=237000.25=1850N（2）F惯：F惯=G总vgtv=0.025m/st=0.02sg=10N/kg通过上述数据进行计算可以得到：F惯=G总vgt=18500.0259.80.02=235.97N236N（3）F回： 回油压力较小，忽略不计。（4）F密： F密=0.03F驱根据上述内容：F驱=F摩+F惯+F密+F回G总=1850+236+0.03F驱1850机身升起时：F驱3994N机身降落时：F驱244N4.2.4升降液压缸计算经过上一小节的内容，可以得到机身升降缸的驱动力，经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F驱 ，通过上图可得到工作压力P=1MPa 。4.2.4.1液压缸内径的确定液压油由无杆腔输入时的驱动力：F驱=F1=P1D24液压油由有杆腔输入是的驱动力：F驱=F2=P2D2-d24油缸有效面积为：S=FP可以得到：D（无）=4FP1D（有）=4FP2+d2F驱-驱动力ND-液压缸内径mmd-活塞杆直径mm-机械效率取=0.90P-工作压力MPa由此可得：D4FP将上述内容代入计算得到:D75.2mm根据上表，可选型标准油缸内径D=80mm。4.2.4.2活塞杆直径计算根据已知条件，查表可选取速比：=1.33 ，活塞杆的直径d的计算为： d=-1D=1.33-11.338039.85mm根据上表3.3，可以由表3.3可查活塞杆直径为：d=56mm4.2.4.3油缸壁厚与外径计算液压缸外径为：D=D+2=95mm=7.5mm通过上述计算，下表列出主要参数：4.2.4.5机身升降缸螺钉的计算螺钉在危险截面所受拉力为：F总=F+F预由之前计算可以得到P=1MPa, t小于150mm,通过查表预选择4个螺钉，D4=804=62.8mm10当油缸的壁厚为薄壁时可知：D2+0.4Py-1.3Py-1D-缸筒直径Py-取Py=1.5=b/n=108代入上述数据计算可得：PyD2=1.58021080.56经校验，符合条件。4.2.4.7花键轴强度校核花键轴符合强度的要求为：P=2000TzhldmPT-转矩，Nm-不均匀系数z-齿数l-工作长度h-工作高度dm-dm=D+d2P-取P=10整合上述内容：P=2000Tzhldm=2000305.20.86650028=1.514MPaP=10MPa经校验，符合要求。图4.1 机身升降液压缸4.3机身的回转机构设计计算（Fuselage slewing mechanism design calculation）4.3.1机身回转液压缸驱动力矩计算通过力矩平衡，可得到： M驱=M惯+M密+M回（1）M惯为： M惯=J0=J0t- =；t-启动时间（s）J0-转动惯量（Nms2）l=870mm，可计算出转动惯量为：J0=Jc+G总l2gJc-工件的转动惯量Jc=mh2+3R212 在这一过程中，为了方便估算，将需要回转的部分假象成一个圆柱体，高为1200mm，半径为60mm，可估计它的重量为 G总=1050N,其余数据可估计为=0.314rad/s, t=0.1s。可以得到Jc=mh2+3R212=10509.81.22+30.0621213Nms2J0=Jc+G总l2g=13+10500.8729.894.1Nms2M惯=J0=J0t=94.10.3140.1296Nm（2）M密，M回 ：M密=0.03M驱取M回=0可得：M驱=M惯+M密+M回=296+0.03M驱可计算出：M驱305.2N4.3.2机身回转液压缸主要参数机器人要正常运行，回转缸的驱动力要满足下式：M驱动力矩M总阻力矩M=PbR2-r22M总阻力矩通过转换，可以得到下式：P2M总阻力矩bR2-r2M总阻力矩-手总阻力矩NmP-工作压力MPaR-内孔半径mr-计算为 Dd=1.52.5b-动片宽度 mbR-r2将上述内容整合可以得到： 估选b=80mm，P=4MPa，r=18mm ，将其带入：M=PbR2-r22即R=2MbP+r2=2305.20.084106+0.0182=0.047m可选取标准油缸内径D=100mm，外径D=121mm。下表列出其数据：4.3.4机身回转液压缸螺钉的计算螺钉在危险截面受的拉力为：F总=F+F预通过之前计算，已知P=1MPa，查表可得到 t小于150mm,预选选取6个螺钉。验证：D6=2006=104.7mm150mm经检验，选择合理。受力截面S=R2-r2=0.12-0.0182=0.0304m2可得F=PSZ=1060.03046=5064NF预=KF， k取1.6F预=KF=1.65064N=8102.4N可得F总=F+F预=5064N+8102.4N=13166.4N=sn=2401.5=160Mpan取1.5可得到螺钉直径的计算公式：d=41.3F代入相应数据 d=41.3F=41.313166.43.1416010611.68mm根据机械设计手册选取六角头螺栓（GB/T65）M12 。4.3.5动片与输出轴间的连接螺钉计算由公式：PbD2-d2/4=M摩擦=fF0ZiF0-预紧力f-摩擦系数为0.15-i=2Z-Z=2D-为静片的外径d-为输出轴直径代入数据：F0=bP4ZfiD2-d2螺钉符合要求的条件为下式：d14F0得到F0=bP4ZfiD2-d2=0.08106420.1520.12-0.0362290.14N=sn=2401.5=160Mpa计算螺钉直径为：d41.3F0=41.3290.143.141601061.733mm根据机械设计手册选取六角头螺栓（GB/T5783-2000）M5 。4.3.6回转液压缸筒的壁厚校核回转油缸的壁厚： =121-1002=10.5mm壁厚条件需满足： D=10010.5=9.5210可确定回转油缸的壁为厚壁。D2+0.4Py-1.3Py-1D-缸筒直径Py- Py=1.5=b/n=108。由上述可以得到：D2+0.4Py-1.3Py-1=1002108+0.41.5108-1.31.5-17.75经校验，符合要求图4.2 回转液压缸4.4联接件的设计 （Design of connecting plate） 图4.3 连接件上部图4.4 连接件下部 5 液压驱动系统与控制电路的设计5液压驱动系统与控制电路的设计5 Design of hydraulic drive system and control circuit5.1驱动系统设计要求（Driving system design requirements）本次设计的是搬运机器人，结构采用圆柱坐标系型的机器人，在对物料的搬运过程中，需要对物料抓取，回转，推拉，这些动作对应到机器人上，机器人就要做到，机身的升降，手部的抓取，手腕的旋转，臂部的伸缩，机身的回转，本次设计为了完成这些动作，各部分都是利用对液压缸的控制，完成对机器人各动作的控制。设计要求（1）机器人能够连续完成设计任务中的各项动作。（2）机器人的工作协调能力要较强，运作平稳，动作迅速。（3）在控制系统设计中，要符合任务书中要求的生产节拍。5.2驱动系统设计方案（Driving system design scheme）本次驱动使用单叶片泵供油，需要完成的顺序动作为：启动-机身下降，到达传送到摆放物料的位置-手部驱动缸启动，手部抓取物料-腕部回转缸启动，将棒料有水平转向竖直-机身抬起-臂部油缸运作，将物料推入锻压机-等待加工完成-臂部运作，收回加工完成的物料-机身下降-腕部回转缸工作，将物料由竖直转向水平-手部液压缸动作，手部松开，将物料放入传送带-回到初始位置，做好下一次连续动作的准备。对于机器人所要完成的动作，在控制系统中，每一步发生时，都要激活每一步对应的电磁换向阀，根据顺序动作，一步步激活电磁阀，完成接下来的各项动作。（1）各液压缸间的换向回路本次设计内容为自动生产线搬运机器人，能够在无人操作的情况下进行自动搬运，这一点就需要事先写好程序完成机器人的一系列动作，从控制方便和稳定的角度考虑，使用PLC对机器人实现自动控制，设计中采用的液压泵站为单泵供油，整个机器人的工作压力并不大，所需要的流量也不大，使用单个叶片泵对液压系统供油完全可行，没必要增加资源的浪费，但当使用单泵供油这一过程中，机器人的所有油缸都需要一个泵来完成，在这一过程中，可能会出现相互干扰的现象，为了减小这一干扰，可以采用各油缸并联的方法，也可以使用O型换向阀来减少干扰作用。（2）调速方案设计在本次的液压泵站设计中，所有的油缸都需要一个仅有的叶片泵来实现，不同的油缸供给的流量也有一定区别，为了弥补这项不足，可在系统中加入节流阀进行调速，毕竟流量有大有小，但泵只有一个，通过这一措施，也可以增加系统的稳定性，让整个机械手的各个动作更加平稳。使用单个叶片泵对全部油缸供油，油缸中所需的最大流量便是整个液压泵站所需要的最大流量，通过这种方式，一些泵站的数据更容易确定下来，使用一个泵供油，也只需要调整好回路，相较于多泵供油的泵站，本次原则的还是结构简单的，只需适当加入节流阀就可以了，并没有过多的器件，建造成本也会大大下降。（3）缓冲回路设计臂部的动作中，上料下料这一步，需要抓着30Kg的物料推拉动作，动作中移动速度较快，对臂部而言，更容易造成较大的冲击，所以在臂部需要设计缓冲装置减小臂部的冲击作用，以增加机器人的寿命，使用单项节流阀即可完成任务。（4）系统安全性考虑在机器人工作时，还是有可能出现意外情况，像工厂突然停电，机械手将失去抓取的驱动力，各油缸都失去了压力油的输入，无聊可能掉落在不安全的地方，机身可能迅速退回造成机器人的损伤，所以，为了防止这些以外的发生，需要给液压系统增加保压回路，像蓄能器这类的器件，当压力骤降时，可提供一定的压力稍微缓和这一失压过程，防止器械的损耗，降低人员受伤的可能性。5.3驱动系统设计（Driving system design）5.3.1各部分功能设计分析（1）手部需要将物料牢牢抓住，保证物料不会因为抓取不牢固二脱落，选用双爪结构，由单个液压缸连杆驱动两个手抓，并且两手抓间保持一定距离，这样让棒料的支持受力向两边分散，更容易把物料抓牢。（2）腕部构件需要保证机械手的紧凑结构，还要完成手部的回转任务，采用回转液压缸最为合适，回转缸和手部的驱动缸完美连接，让动片直接带动驱动缸回转，既能做到结构紧凑，又能完成腕部的任务。（3）对于机械手的手臂而言，稳定性最为重要，臂部动作既有回转，也有伸缩动作，在本次设计中，臂部使用的是双导杆双作用的油缸，在抓取重物时，推拉回转过程中，在这个结构的作用下，臂部的动作会更加稳定，强度更高，不易弯曲损坏，根据之前的分析，对于臂部结构的推拉作业，很容易对这一部分产生冲击，根据上一节中缓冲回路的设计便可有效解决此类问题。（4）在机身的上部，使用了回转油缸，在这一部分，也需要增加单向调速阀对这一部分进行调速，在机身的回转动作中，需要带着手部和物料一起，动能相比于其他位置都要大，为了有效调速，最好加入溢流阀，在油压过大时，可及时排回油缸，不会让过大的油压使回转速度增加，这一措施，正适用于机身的回转机构。（5）机身需要升降作业，在设计中，选用的也是单杆双作用液压缸，因为在上升过程中，需要液压油的通入，降低时，如果单靠重力作用，可能会出现机器人的损坏，还有一点是因为，由重力降低的时间不满足生产节拍的要求，采用双作用，就是为了解决这一问题。（6）根据之前的安全性分析，在整个液压系统中，保压回路是必要存在的，而完成这一项工作的，便是蓄能器，可以起到稳定油压的作用，就算泵站失电也不会损坏系统中的器件。5.3.2液压泵的确定与所需功率计算5.3.2.1确定各部件的流量计算（1）流量计算当手指抓住物料时：q1=A2v=4D2-d2v=4322-162100=60288mm3/s=60.288mL/s当手指放下物料后：q2=A1v=4D2v=4322100=80384mm3/s=80.384mL/s（2） 手腕回转液压缸的流量计算 v=r=0.31431.5=19.792mm/sq=vA=vD2-d24=19.7923.14632-2524=51954.792mm3/s=51.955mL/s（3）臂部双导式油缸流量计算当臂部推进时：q2=A1v=4D2v=4502200=392500mm3/s=392.5mL/s当臂部拉回时：q1=A2v=4D2-d2v=4502-252200=294375mm3/s=294.375mL/s（4） 机身回转缸的流量计算v=r=0.31450=15.7mm/sq=vA=vD2-d24=15.73.141002-3624=107272.45mm3/s=107.28mL/s（5）升降缸的流量计算当油缸升起：q2=A1v=4D2v=480225=125600mm3/s=125.6mL/s当油缸退回：q1=A2v=4D2-d2v=4802-45225=85859.375mm3/s=85.9mL/s5.3.2.2液压泵站额定流量计算qpKqmaxqp-输出流量K-泄漏系数qmax-执行元件最大流量可得qpKqminmax5.3.2.3确定泵的额定工作压力PpKPmaxPp-工作压力Pmax-最高工作压力K-压力损失系数可得PpKPmax5.3.2.4液压泵型号的选择通过以上的分析，本次设计的液压泵站中，选用叶片泵，下表为选用叶片泵的规格如下：5.3.2.5电机功率计算P=Ppiqpi/pPpi-工作压力qpi-流量p-总效率，代入数据可得：P=Ppiqpi/p=742.70.760=7.12kw按标准选用Y系列三相异步电机5.3.2.6辅助元件的选择油箱容量的计算：V=mqpV-有效容积（L）m-5-7minqp-流量（L/min）代入可计算出V=mqp=5742.7=213.5L298.9L5.3.2.8液压原理图图5.1 液压控制系统图5.3.2.9液压系统控制顺序（1）机身的下降动作：当机器人开始运行后，物料由传送带传至指定区域，传送带停止，发送信号给2YA，收到信号的电磁阀打开，机身的升降缸开始工作，在机身退回的过程中，当到达指定位置时，会遇到触发器ST1这一信号使电磁阀关闭，机身不再下降，并将信号传至手部动作；（2）手部抓取物料：触发器ST1通电后，将信号发给4YA激活手部驱动缸的电磁阀，导杆拉回，使手部将物料抓，在驱动力的持续输出下，被压会增大，当达到预计值后发回信号给4YA使电磁阀关闭，手部保持抓取的姿势；（3）机身的升起动作：当手部驱动缸电磁阀4YA关闭时，发送信号传给3YA激活机身升降缸的电磁阀，升降缸开始升起动作，当达到预计高度后，会遇到触发器ST2发送信号使升起动作电磁阀关闭，并将激活信号传至下一步动作；（4）机身回转缸的动作：当ST2得电后将电信号送给11YA激活机身的回转液压缸电磁阀，回转缸开始回转作业，当到达指定位置时，压下触发器ST5将信号传至下步动作；（5）手腕回转动作：触发器ST5得电后，发出信号给9YA使手腕回转缸的电磁阀激活，手腕开始回转作业，当物料由水平转至竖直状态时，会压下触发器ST6此时返回信号使回转动作停止并发信号给下一步动作；（6）臂部伸出动作：ST6得电后发信号送给7YA使臂部的液压缸电磁阀得电，臂部开始伸出当作，当到达指定位置，会压ST7发送返回信号使臂部伸出动作停止，并发信号给下一步动作； （7）手部松开物料：ST7得电后发信号送给5YA使手部驱动缸的伸出动作电磁阀得电，导杆伸出，手部物料松开，进行锻压作业，并且在手部松开时会压下触发器ST8返回信号停止伸出动作并传递信号至下一步；（8）臂部缩回动作：ST8得电后发信号送给6YA使臂部缩回动作电磁阀激活，臂部缩回动作进行，当到达指定位置，会压下ST9发送返回信号停止缩回动作并发送信号给锻压机开始工作，工作完成后，返回信号至7YA进行下一步动作；（9）臂部伸出动作：7YA激活后，臂部开始伸出，到达指定位置会压下ST10返回信号使臂部伸出动作停止并发信号至下一步动作； （10）手部抓取物料：ST10激活4YA完成手部抓取动作，使手部将物料抓，在驱动力的持续输出下，被压会增大，当达到预计值后发回信号给4YA使电磁阀关闭，手部保持抓取的姿势； （11）臂部缩回动作：4YA关闭后，发送信号至6YA使臂部缩回电磁阀激活，臂部缩回动作开始，压下ST8发出信号给8YA进行下一步动作并终止臂部的缩回动作。（12）伸缩臂缩回：当回油路压力达到某一固定值时，压力继电器工作将电信号传送给6YA使伸缩臂缩回，到位后压下触发器ST4并撞上挡铁停下来；（13）手腕回转动作： 8YA激活使腕部回转油缸的电磁阀打开，腕部回转缸开始工作，到达指定位置时，会压下ST11返回信号使回转缸停止工作并发送信号至下一步动作；（14）机身下降动作：ST11激活后，发送信号给2YA使机身的下降电磁阀激活，机身开始下降动作压下触发器ST1后，返回信号使下降动作停止并发信号至下一步动作；（15）手部松开动作：ST1激活后，发信号给5YA激活手部松开动作的电磁阀，手部动作开始，当导杆伸出至指定位置时，压下ST12返回信号停止手部动作并将信号传至下一步； （16）机身复位：ST12发出信号给3YA使机身升起电磁阀打开，机身升起回到初始位置。5.4控制电路设计（Control circuit design）PLC控制电路图6 经济学性分析6经济性分析本次设计对机器人类型的选择为纯液压机器人，由于对机器人的动作要求较为简单，并没有复杂的动作，圆柱坐标系型的机器人完全符合动作要求，便选择了结构简单的类型，这也是经济的另一种体现，本有很多种类型的机器人，别人结构对此次搬运任务来说，确实是大材小用，用简单的结构，完成简单的任务，这也是经济的体现，对于很多机器人，驱动都是电动，但是一但用到点击，那少不了的就是减速器，对于机器人的动作而言，一个自由度就需要一个电机和一个减速器，减速器的使用要求也很高，很多齿轮
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