3自由度机械手设计说明书

PAGEPAGE8目录一、确定机械手设计方案……………………31.1、机械手基本形式和自由度数的选择…………………31.2、机械手手部夹紧结构方案设计………41.3、机械手的手臂（水平方向和垂直方向）结构方案设计……………41.4、机械手的腰座结构方案设计…………4二、部分执行机构的理论分析和设计计算…………………52.1、手爪执行机构的分析计算及相关尺寸的确定………52.1.1、手抓的力学分析………………52.1.2、手爪夹紧力和驱动力的的计算………………72.1.3、液压缸主要参数的确定………82.2、水平手臂的设计和计算………………102.3、机身升降机构的计算………………112.3.1、手臂偏重力矩的计算…………112.3.2、升降不自锁条件分析计算……122.3.3、手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算以及相关尺寸的确定……………………132.4、驱动回转轴回转的电机选型有关参数计算…………152.4.1、有关参数的计算………………152.4.2、电机型号的选择………………162.5、液压传动系统设计…………………172.5.1、确定液压系统基本方案………172.5.2、拟定液压执行元件运动控制回路……………172.5.3、液压源系统的设计………………172.5.4、绘制液压系统图…………………18三、机械手控制系统的硬件设计………………183.1、机械手工艺过程与控制要求……………183.2、机械手的作业流程………183.3、机械手操作面板布置……………………193.4、控制器的选型……………193.5、控制系统原理分析………203.6、I/O地址分配……………203.7、PLC原理接线图…………21四、参考文献……………………21

一、确定机械手设计方案1.1、机械手基本形式和自由度数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。因为设计要求搬运的棒料的质量达40KG，且直径达160MM，长度大约为250MM，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,考虑到2流水线之间的距离仅为300MM，只需将手臂设计到足够长度，便可省略手臂伸缩这个自由度，因此综合考虑，机械手的坐标形式选择圆柱坐标形式，自由度取为3个，即：手抓张合；手臂回转；手臂升降3个主要运动。图1.1是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将送流水线1的棒料搬运到流水线2上。图1.1机械手搬运物品示意图1.2、机械手手部夹紧结构方案设计本机械手是用来搬运圆柱形棒料，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，并使用液压柱塞缸驱动，当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。手部具体结构图见附图——执行手爪结构图。1.3、机械手的手臂（水平方向和垂直方向）结构方案设计本机械手的垂直手臂（大臂）升降为直线运动，水平手臂（小臂）固定在垂直手臂上，不做任何相对垂直手臂的运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运棒料的重量较大，达40KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，垂直手臂的驱动选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了。因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的水平手臂的结构不能太大，应在不明显增加总体重量的前提下，合理设计水平手臂的结构，尽量增加其刚度；另外，垂直方向的大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。1.4、机械手的腰座结构方案设计腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，本设计采用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。腰座具体结构如图2-3所示：图1.2腰座结构图二、部分执行机构的理论分析和设计计算2.1、手爪执行机构的分析计算及相关尺寸的确定2.1.1、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2.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。(a)(b)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(活塞杆)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，交和的延长线于A及B。由=0得由=0得而由=0得hF（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，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=。2.1.2、手爪夹紧力和驱动力的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：（3.2）式中——安全系数，通常1.22.0；——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a，重力方向的最大上升加速度；——运载时工件最大上升速度——系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。G——被抓取工件所受重力（N）。表2-1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 50000以上计算：设a=115mm,b=180mm,<<;机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力和驱动力和驱动液压缸的尺寸。设==1.02根据公式，将已知条件带入：=1.5（2）根据驱动力公式得：=1450N（3）取则2.1.3、液压缸主要参数的确定（1）确定液压缸的内径D和活塞杆直径d选取活塞杆直径d=0.5D,根据表3-1选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa,表2-2液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250根据表2-2，选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆直径为:D=630.5=31.5mm，选取d=32mm。活塞杆直径校核，按公式其中=120MPa,F==1706NPAGE15则:，满足设计要求。(2).确定液压缸缸筒壁厚缸筒直接承受液压油压力，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:式中:——缸筒壁厚mmD——液压缸内径mmP——实验压力，取P=1.5P材料为:45钢,[]=Mpa代入己知数据，则壁厚为:==0.3mm取=6.5mm即可满足强度要求，则缸筒外径为:D=63+6.52=76mm。（3）、确定液压缸长度L

液压缸的长度L应根据所需最大工作行程长度而定，液压缸的行程系列可查表2-3，同时要注意考虑制造工艺的可能性。液压缸的长度L一般不大于缸筒内径的20倍。

表2-3液压缸行程系列（mm）

10

16

20

25

32

40

50

60

(70)

80

(90)

100

(110)

125

(140)

160

(180)

200

(220)

250

(280)

320

(360)

400

(450)

500

(560)

630

(710)

800

(900)

1000

(1120)

1250

(1400)

1600

(1800)

2000

(2240)

2500最大工作行程长度为67mm，故根据表2-3取L=80mm。综上，手爪执行柱塞缸的参数确定如下表所示：表2-4手爪执行柱塞缸参数缸内径D壁厚（）活塞杆直径缸筒长L（）工作压力P（）6313.532800.8~1 2..2、水平手臂的设计和计算水平手臂的总长度应该满足整个系统水平方向的平衡（即不会倾覆）要求，因此本设计结合机械手的整体尺寸确定手臂总长为650mm，与执行手爪机构连结的部分的长度为235mm，该长度范围内手臂的横截面为如图的矩形，剩余部分为直径90mm的圆柱，与手臂联接座配合，以固定手臂。下面确定长度为235mm范围内的手臂横截面尺寸。手臂从联接座伸出的左边部分其实可视为一段悬臂梁，因此可按悬臂梁的强度设计准则来确定横截面尺寸。其受力分析示意图如下图2-2所示：图2-2根据强度设计准则：其中：把上面数据代入设计准则得：取b=40mm，则h=2b=80mm。2.3、机身升降机构的计算2.3.1、手臂偏重力矩的计算图2-3手臂各部件重心位置图确定各部分重量、、、及总重。，=30Kg，则：++=85Kg(2)计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离。=654mm=454mmmm所以，回转半径(3)计算偏重力矩2.3.2、升降不自锁条件分析计算手臂在的作用下有向下的趋势，而立柱导套有防止这种趋势。由力的平衡条件有=h=即==所谓的不自锁条件为：即取当=507mm时，h>=0.32=124mm因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于或等于124mm,h取250mm。2.3.3、手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算以及相关尺寸的确定（1）、确定液压缸驱动力液压缸驱动力计算公式为：式中——机械系统的惯性阻力摩擦阻力——密封摩擦阻力——回油阻力，这里由于液压缸一端与空气连通，故取=0——零件及工件所受的总重。这里取=120X9.8=1176Na.的计算设定速度为V=4;起动或制动的时间差t=0.02s;将数据带入上面公式有：b.的计算22484.3=795Nc.的计算液压缸在这里选择O型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算：最后通过以上计算，当液压缸向上驱动时，求得F=4175.9N；当液压缸向下驱动时，F=4175.9-=1823.9N。取F=3815.9作为液压缸最大驱动力。（2）确定液压缸的直径D选取活塞杆直径d=0.5D,根据表2-1选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa,根据表2-2，选取液压缸内径为：D=80mm则活塞杆直径为:d=800.5=40mm。△活塞杆直径校核，按公式活塞杆材料为45钢，其中=120MPa,F=3815.9N，d=40mm.则:<<=120满足设计要求。(3)确定液压缸壁厚、外径、缸筒长材料为:45钢,[]=MPa代入己知数据，则壁厚为:==0.5mm取=7mm即可满足强度要求，则缸筒外径为:D=80+72=94mm，活塞杆行程取150mm缸筒长取200mm2.4、驱动回转轴回转的电机选型有关参数计算2.4.1、有关参数的计算传动负载作回转运动负载额定功率：（3-24）负载加速功率：（3-25）负载力矩（折算到电机轴）：（3-26）负载GD（折算到电机轴）：（3-27）起动时间：（3-28）制动时间：（3-29）式中，为额定功率，KW；为加速功率，KW；为负载轴回转速度，r/min；为电机轴回转速度，r/min；为负载的速度，m/min；为减速机效率；为摩擦系数；为负载转矩（负载轴），；为电机启动最大转矩，；为负载转矩（折算到电机轴上），；为负载的，；为负载（折算到电机轴上），；为电机的，；具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；（3-30）式中，为滚动轴承摩擦系数，取0.005；为机械手本身与负载的重量之和，取120；为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240；带入数据，计算得=0.12；同时，腰部回转速度定为=5r/min；传动比定为1/120；且，带入数据得：=10.45667。将其带入上（3-24）~（3-30）式，得：启动时间；制动时间；折算到电机轴上的负载转矩为：。2.4.2、电机型号的选择根据以上结果，综合考虑各种因素，选择国产北京和利时电机技术有限公司（原北京四通电机公司）的步进电机，具体型号为：110BYG550B-SAKRMA-0301或110BYG550B-SAKRMT-0301或110BYG550B-BAKRMT-0301,该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好。下图为110BYG550B-SAKRMA-0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。驱动方式：升频升压；步距角：0.36°；其中步距角0.36，同时因为腰部齿轮传动比为1：120，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的1/120（理论上），虽然实际上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相当高的，完全能满足机械手上下料的定位精度要求。所选电机相关参数图2-42.5、液压传动系统设计2.5.1、确定液压系统基本方案本设计因为机械手的形式为圆柱坐标形式，具有3个自由度，同时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具体要求以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，剩下的两个运动均为直线运动。因此，机械手的手爪和垂直手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。2.5.2、拟定液压执行元件运动控制回路液压执行元件确定后，其运动方向和运动速度的控制是液压回路的核心问题。方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速。本设计的方向控制采用电磁换向阀来实现，而速度的控制主要采用节流调速，主要方式是采用比较简单的节流阀来实现。2.5.3、液压源系统的设计液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀V1来调定系统压力。为了保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。2.5.4、绘制液压系统图本机械手的液压系统图具体见附图。它拥有垂直手臂的上升、下降，和执行手爪的夹紧、张开2个执行机构。其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5DT得电时，工作液体经由节流阀V5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用V2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。三、机械手控制系统的硬件设计3.1、机械手工艺过程与控制方式的选择机械手的动作有垂直手臂的升降，执行手爪的加紧与松开以及腰部的旋转。其中，垂直升降和水平伸缩有液压实现驱动。而液压缸又由相应的电磁阀控制。其中，升降分别由双线圈的两位电磁阀控制，例如，当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；而当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。而执行手爪的夹紧与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现。柱塞缸由单线圈的电磁阀（夹紧电磁阀）来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，手爪闭合。实现这些动作的控制方式有很多种，比如PLC控制、单片机控制和数控等等，本设计采用PLC控制。3.2、机械手的作业流程机械手的作业动作流程为：从原点开始，按下启动键，且有上下料命令，则下降电磁阀通电，机械手下降，同时手爪柱塞缸伸出电磁阀也通电，张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同时手爪柱塞缸伸出电磁阀断电，收缩电磁阀通电，手爪夹紧，抓住工件；——→上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；——→PLC开始输出高速脉冲，通过驱动步进电动机顺时针转动使得机械手逆时针转动，当转过20度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动；——→接着下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后，碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同时手爪柱塞缸收缩电磁阀断电，伸出电磁阀通电，机械手松开手爪，放下棒料；——→接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；——→PLC启动高速脉冲通过驱动步进电动机逆时针转动使得机械手作顺时针转动，当转过20度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手回到原点，停止转动，准备下一个工作周期的动作。机械手的每次循环都从原点位置开始动作。3.3、机械手操作面板布置操作面板布置如图4-2所示。机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种工作方式可以选择。1.手动操作：就是用按钮作机械手的每一步运动进行单独的控制。例如，当选择上/下按钮时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手下降。当选择逆转/顺转按钮时，按下启动按钮，机械手顺时针转动，而按下停止按钮时，机械手逆时针转动。同