球坐标机械手的设计【手臂水平】【含10张CAD图纸】
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手臂水平
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宁XX大学毕业设计(论文)球坐标工业机械手设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 2014年 月 日摘 要机械手是在在机械化、自动化生产过程中发展的一种新型装置,使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。机械手能代替人类、重复枯燥完成危险工作，提高劳动生产力,减轻人劳动强度。该装置涵盖了位置控制技术可编程控制技术、检测技术等。本课题拟开发的物料球坐标工业机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数,可代替人工在高温危险区进行作业，。关键词：机械手, 球坐标工业机械手，抓取，提升40AbstractThe manipulator is a new device developed in the mechanization, automation of production process, a grasping and moving the workpiece function of automation device use. The manipulator can repeat boring to do dangerous work instead of humans, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device covers the position control technology of programmable control technology, detection technology. The material of hydraulic manipulator this subject to the grasping be up in space objects, flexible, any changes to the relevant parameters according to the change and the movement flow requirements, but instead of manual operation in high risk areas,.Key Words: manipulator, hydraulic manipulator, crawl, enhance目 录摘 要2Abstract3目 录41 绪 论71.1 课题背景及目的71.2 机械手的定义71.3 球坐标工业机械手的组成71.4 球坐标工业机械手的应用82 球坐标工业机械手设计要求与方案92.1 球坐标工业机械手设计要求92.2 基本设计思路92.2.1 系统分析92.2.2 总体设计框图102.2.3 球坐标工业机械手的基本参数102.3 球坐标工业机械手结构设计112.4 机械手材料的选择112.5机械臂的运动方式122.6 球坐标工业机械手驱动方式的选择122.7 动作要求分析132.8 球坐标工业机械手结构及驱动系统选型133 系统各主要组成部分设计153.1夹持器结构设计与校核153.1.1 夹持器种类153.1.2 夹持器设计计算163.1.3 夹持器校核173.2 升降方向设计计算173.2.1 初步确系统压力173.2.2 升降油缸计算183.2.3 活塞杆的计算校核193.2.4 液压缸工作行程的确定213.2.5 活塞的设计213.2.6 导向套的设计与计算213.2.7 端盖和缸底的计算校核223.2.7 缸体长度的确定233.2.8 缓冲装置的设计233.3 水平方向设计计算233.3.1 水平方向计算233.3.2 油缸的选型243.4 底座回转机构设计计算243.4.1 回转部位负载计算校核243.4.2 油马达的选型263.5机身结构的设计校核273.5.1 油马达的选择273.5.2螺柱的设计与校核273.5.3机座的机械结构293.6 球坐标工业机械手的定位及平稳性确定293.6.1 常用的定位方式293.6.2 影响平稳性和定位精度的因素293.6.3 球坐标工业机械手运动的缓冲装置303.6.4 绘制液压系统图313.6.5 计算和选择液压元件323.6.6 液压系统性能的验算334 机械手控制系统设计344.1 机械手的工艺过程344.2 PLC 控制系统354.3 PLC 控制系统程序设计36总结与展望39参考文献40致 谢41 1 绪 论1.1 课题背景及目的毕业设计是机械设计制造及其自动化专业在校学习的最后一个环节，是对四年大学学习的继续深化和检验，即有实践性又有综合性，是其他单一课程所不能替代的，通过毕业设计更能提高综合训练能力，为即将走向工作岗位，提高实际工作能力起到十分重要的作用。以达到如下目的：（1）综合运用所学的基础理论、基本知识和基本技能，提高分析解决实际问题的能力。（2）接受工程师必须的综合训练，提高实际工作能力。如调查研究、查阅文献和收集资料并进行分析的能力；制订设计或试验方案的能力；设计、计算和绘图能力；总结提高撰写论文的能力。（3）检验综合素质与实践能力。1.2 机械手的定义目前，工业机械手的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机械手协会给工业机械手下的定义：工业机械手是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。1.3 球坐标工业机械手的组成执行系统一般包括手部、腕部、臂部、机身机座等，其中最主要是运动系统。球坐标工业机械手主要由执行系统、驱动系统及控制系统三部分组成。手部是夹紧（或吸附、托持）与松开工件或工具 的部件，由手指（或吸盘），驱动元件和传动元件等组成。时间、速度和加速度等参数。球坐标工业机械手与主机及其它有关装置之间的联系3。1.4 球坐标工业机械手的应用按球坐标工业机械手布局形式分可分为：架空式球坐标工业机械手、附机式球坐标工业机械手、落地式球坐标工业机械手三种。此外，还有安装在自动线料道上或料道旁，实现工件上、下料、传递转位、转向等用途的球坐标工业机械手，他们具有运动单一、结构简单，位置灵活及精度一般要求较低的特点。 2 球坐标工业机械手设计要求与方案2.1 球坐标工业机械手设计要求坐标形式:球坐标坐标系抓重自由度伸缩X升降Z球坐标250N4350mm，300mm/s150mm，300mm/s横移Y回转俯仰小臂俯仰2250mm，300mm/s0210，90/s045，90/s回转手指夹持范围0180，90/s棒料，直径4060，长度4501200mm2.2 基本设计思路2.2.1 系统分析机械手是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的一种有力工具。要在一个生产过程中实现自动化，需要对各种机械化、自动化装置进行综合的技术和经济分析，从而判断机械手是否合适。所以要完成机械手的设计，一般要先做如下工作：(1) 根据机械手的使用场合，明确机械手的目的和任务。(2) 分析机械手所在的系统工作环境。(3) 认真分析系统的工作要求，确定机械手的基本功能和方案，如机械手的自由度数目、动作速度、定位精度、抓取重量等。进一步根据抓取、液压物体的质量、形状、尺寸及生产批量等情况，来确定机械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。对此，我进行如下分析：(1) 本设计课题为物料球坐标工业机械手设计，是通过机械手进行两地物料运输的机械手。而机械手的使用场合，非常广泛，要涉及到物料的状态，运作流水线的环境等等因素，相较于我所掌握的理论知识和能力，我选择非批量生产的小型物体加工流水线上的物料球坐标工业机械手。(2) 由于我所选择的机械手是非批量生产的小型物体加工流水线上的物料球坐标工业机械手，所以，机械手所在的系统工作环境一定是工厂，要求精度高，容错率低，速度快。2.2.2 总体设计框图图2 总体设计框图如图2为总设计框图，说明如下：(1) 控制系统：任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制机械手的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为CPU的选择，CPU程序的编写调试等。(2) 驱动系统：驱动系统工作的驱动装置。(3) 机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式，并计算得出具体结构。(4) 感知系统：即传感器的选择及具体作用。2.2.3 球坐标工业机械手的基本参数1. 机械手的最大液压物料的重量是它的主参数。本论文物料球坐标工业机械手所液压的物料质量可设定为1吨。2. 运动速度直接影响机械手的动作快慢和机械手动作的稳定性，所以运动速度也是是物料物料球坐标工业机械手的一个主要的基本参数。设计速度过低的话，会无法满足机械手的动作功能，限制机械手的使用范围。设计的速度过高又会加重机械手的负载并影响机械手动作的平稳性。 3. 伸缩行程和工作半径是决定机械手工作范围及整机尺寸的关键，也是机械手设计的基本参数。3.定位精度也是机械手的主要基本参数之一。机械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味着成本的增加。综合考虑，该物料球坐标工业机械手的定位精度设定为士0.5到士1mm之间。物料球坐标工业机械手的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物料球坐标工业机械手各关节的行程和时间分配来决定。2.3 球坐标工业机械手结构设计根据所设计的机械手的运动方式：机械臂的转动，机械臂的升降。根据上文所说的，机械手按照坐标的分类情况，选择圆柱坐标式机械手更为妥当。2.4 机械手材料的选择机械手手臂的材料应根据手臂的工作状况来进行选择，并满足机械手的设计和制作要求。从设计的思想出发，机械手手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这必然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。此外，机械手手臂选用的材料与一般的结构材料不同。机械手手臂是一种伺服机构，要受到控制，必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时，可控性还要和材料的可加工性、结构性、质量等性质一起考虑。总之，选择机械手手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素。下面介绍几种机械手手臂常用的材料：(l)碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢:这类材料强度好，尤其是合金结构钢强度增加了45倍、弹性模量E大、抗变形能力强，是应用最广泛的材料;(2)铝、铝合金及其它轻合金材料:其共同特点是重量轻、弹性模量E不大，但是材料密度小，则E/p之比仍可与钢材相比;(3) 陶瓷:陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，可加工型不好，与金属等零件连接的接合部需要特殊设计。然而，日本己试制了在小型高速机械手上使用的陶瓷机械手手臂的样品;从本文设计的机械手的角度来看，在选用材料时不需要很大的负载能力，也不需要很高的弹性模量和抗变形能力，此外还要考虑材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各种因素和结合工作状况的条件下，初步选用铝合金作为机械臂的构件。2.5机械臂的运动方式常见的机械手的运动形式有五种: SCARA型、直角坐标型极坐标型、关节型和圆柱坐标型。根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。位置具体选用哪种形式，必须根据作业要求、工作现场、以及液压前后工件中心线方向的变化等情况，分析比较并择优选取。这类机械手一般由2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线，考虑到机械手的作业特点，即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧凑、占用空间小等特点，故选用关节型机械手。如图所示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占地面积小、关节上相对运动部位容易密封防尘。但是这类机械手运动学比较复杂，运动学的反解比较困难;确定末端杆件的姿态不够直观，且在进行控制时，计算量比较大。2.6 球坐标工业机械手驱动方式的选择机械手常用的驱动方式主要有液压驱动、液压驱动和油马达驱动四种基本形式。但与液压驱动相比，功率较小，液压驱动的能源、结构都比较简单速度不易控制，精度不高。油马达传动能源简单，速度和位置精度都很高，使用方便，噪声低，机构速度变化范围大，效率高，控制灵活。液压驱动的特点是功率大、结构简单，可省去减速装置，响应快，精度较高。但是需要有液压源，而且容易发生液体泄漏。起初，我先选择电动机的传动结构，但是考虑到机械手的升降运动运用纯机械结构并不能达到理想传动效果。而机械手臂旋转如若使用液压或者液压传动，就必须带有旋转液压或者旋转液压缸，相对来说结构较为复杂，不利于设计。故改良方案，将驱动方式分成两个部分。其中，机械臂的回转采用传动的驱动方式，通过油马达带动齿轮链进行旋转传动；而机械臂的伸缩、升降和机械手抓的抓取，都采用液压驱动方式。2.7 动作要求分析动作一：送 料动作二：预夹紧动作三：手臂上升动作四：手臂旋转动作五：小臂伸长动作六：手腕旋转 预夹紧 手臂上升 手臂旋转 手臂伸长 手臂转回 手腕旋转 图2.2 球坐标工业机械手动作简易图2.8 球坐标工业机械手结构及驱动系统选型本课题所设计的球坐标工业机械手为通用型的球坐标工业机械手，其中坐标系为圆柱坐标系结构。驱动系统选用油马达驱动和液压驱动，油马达驱动用于机座的旋转和手臂的上下移动，液压驱动用于手臂的伸缩和球坐标工业机械手的夹取和翻转3。 3 系统各主要组成部分设计3.1夹持器结构设计与校核3.1.1 夹持器种类1.连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。2.楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。3.齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。4.滑槽式手爪 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。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。5.平行杠杆式手爪不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多结合具体的工作情况，采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞 往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。本设计按照所要捆绑的重物最大使用 的钢丝绳直径为50mm来设计。a有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。b有足够的开闭范围工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关c力求结构简单，重量轻，体积小作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个球坐标工业机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。d手指应有一定的强度和刚度因此送料，采用最常用的外卡式两指钳爪，根据工件的形状，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。液压缸右腔停止进油时，液压缸右腔进油时松开工件。3.1.2 夹持器设计计算手爪要能抓起工件必须满足： （3-6）式中，-为所需夹持力；-安全系数，通常取1.22；-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，为重力加速度；-方位系数，查表选取；-被抓持工件的重量 250N；带入数据，计算得： ；理论驱动力的计算： （3-7）式中，-为柱塞缸所需理论驱动力；-为夹紧力至回转支点的垂直距离；-为扇形齿轮分度圆半径；-为手指夹紧力；-齿轮传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得 计算驱动力计算公式为： （3-8）式中，-为计算驱动力；-安全系数，此处选1.2；-工作条件系数，此处选1.1； 而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有 （3-9）式中，-为柱塞缸工作油压；-为柱塞截面积；选取缸内径为50mm3.1.3 夹持器校核活塞杆直径查液压传动与控制手册根据杆径比d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5-0.7。本设计选择d/D=0.7，d=35 mm=961625N37700N计算所得的力远远大于实际所需要的力，所以满足要求。经计算，所需的油压约为： (后续章节进行介绍)3.2 升降方向设计计算3.2.1 初步确系统压力表3-1 按负载选择工作压力1负载/ KN50工作压力/MPa1.25，满足最低速度的要求。2.活塞杆强度计算： 90mm （4-4）式中 许用应力；（Q235钢的抗拉强度为375-500MPa，取400MPa，为位安全系数取5，即活塞杆的强度适中）3活塞杆的结构设计 活塞杆的外端头部与负载的拖动油马达机构相连接，为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适当的活塞杆端部结构。4.活塞杆的密封与防尘活塞杆的密封形式有Y形密封圈、U形夹织物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等6。采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按H9/f9选取。薄钢片厚度为0.5mm。为方便设计和维护，本方案选择O型密封圈。3.2.4 液压缸工作行程的确定 液压缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定，并参照表4-4选取标准值。液压缸活塞行程参数优先次序按表4-4中的a、b、c选用。表4-4（a）液压缸行程系列（GB 2349-80）62550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表4-4（b） 液压缸行程系列（GB 2349-80）6 40 6390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表4-4（c） 液压缸形成系列（GB 2349-80）6240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800根据设计要求知快速接近工件，行程根据任务书要求，根据表3-8，可选取液压缸的工作行程为1050mm。3.2.5 活塞的设计由于活塞在液压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。考虑选用O型密封圈。3.2.6 导向套的设计与计算1.最小导向长度H的确定 当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度1。影响液压缸工作性能和稳定性。因此，在设计时必须保证液压缸有一定的最小导向长度。根据经验,当液压缸最大行程为L,缸筒直径为D时,最小导向长度为: （4-5）一般导向套滑动面的长度A，在缸径小于80mm时取A=(0.61.0)D，当缸径大于80mm时取A=(0.61.0)d.。活塞宽度B取B=(0.61.0)D。若导向长度H不够时,可在活塞杆上增加一个导向套K(见图4-1)来增加H值。隔套K的宽度。图4-1 液压缸最小导向长度1因此:最小导向长度，取H=9cm；导向套滑动面长度A=活塞宽度B=2.导向套的结构 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等，可按工作情况适当选择。3.2.7 端盖和缸底的计算校核 在单活塞液压缸中，有活塞杆通过的端盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受液压力，而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封圈槽，还有连接螺钉孔，受力情况比较复杂，设计的不好容易损坏。1.端盖的设计计算端盖厚h为：式中 D1螺钉孔分布直径，cm； P液压力，； 密封环形端面平均直径，cm； 材料的许用应力，。2.缸底的设计 缸底分平底缸，椭圆缸底，半球形缸底。3.2.7 缸体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度1。一般液压缸缸体长度不应大于缸体内经的2030倍。取系数为5,则液压缸缸体长度：L=5*10cm=50cm。3.2.8 缓冲装置的设计 液压缸的活塞杆（或柱塞杆）具有一定的质量，在液压力的驱动下运动时具有很大的动量。在它们的行程终端，当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击和噪声。采用缓冲装置，就是为了避免这种机械撞击，但冲击压力仍然存在，大约是额定工作压力的两倍，这就必然会严重影响液压缸和整个液压系统的强度及正常工作。缓冲装置可以防止和减少液压缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击，在它们的行程终端能实现速度的递减，直至为零。当液压缸中活塞活塞运动速度在6m/min以下时，一般不设缓冲装置，而运动速度在12m/min以上时，不需设置缓冲装置。在该组合机床液压系统中，动力滑台的最大速度为4m/min,因此没有必要设计缓冲装置。3.3 水平方向设计计算3.3.1 水平方向计算当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重250N，长度l =1000mm。如图3.4所示。工件图3.4 受力简图(1)计算扭矩4 (2)液压缸（伸缩）及其配件的估算扭矩 4F =250N S =50mm（最大行程时）带入公式2.9得=250501 =12500（Nmm） 由于水平方向的油缸与升降方向的有些类似，在此不在一一列举3.3.2 油缸的选型速易可目前主要产品有：无杆油缸、滑台油缸、止动油缸、回转油缸、机械夹、回转夹紧气（油）压缸、导杆油缸、带锁油缸、双轴缸、标准型油缸、控制阀、空气控制组件、真空系统组件及相关气动辅助零组件。3.4 底座回转机构设计计算腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求：回转0210，90/s3.4.1 回转部位负载计算校核.若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（折算到油马达轴）： （3-26）负载GD（折算到油马达轴）： （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；-为油马达轴回转速度，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），；-为油马达启动最大转矩，；-为负载转矩（折算到油马达轴上），；-为负载的，；-为负载（折算到油马达轴上），；-为油马达的，；具体到本设计，因为步进油马达是驱动腰部的回转，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25(250N)；-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 ；折算到油马达轴上的负载转矩为：。3.4.2 油马达的选型 根据参数，选型为BM-R100臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。球坐标工业机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了5。手臂的伸缩速度为200m/s行程L=1000mm(1)手臂右腔流量，公式（3.7）得： =100040 =1004800mm/s =0.1/10m/s =1000ml/s(2)手臂右腔工作压力，公式（3.8） 得： （3.12）式中：F 取工件重和手臂活动部件总重， F =1000kg，=10000N。 (4)由初步计算选油泵所需液压最高压力 P =10Mpa所需液压最大流量 Q =1000ml/s3.5机身结构的设计校核臂部和机身的配置形式基本上反映了球坐标工业机械手的总体布局。本课题球坐标工业机械手的机身设计成机座式，这样球坐标工业机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型球坐标工业机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求7-9。3.5.1 油马达的选择机身部使用了两个油马达，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的油马达安装在肋板上，带动机身回转的油马达安装在混凝土地基上。带动臂部升降的油马达：初选上升速度 V =100mm/s P =6KW所以转/分3.5.2螺柱的设计与校核螺杆是球坐标工业机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。螺杆的材料选择：从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。螺距 P =6mm 梯形螺纹螺纹的工作高度 h =0.5P （3.17）=3mm螺纹牙底宽度 b =0.65P=0.656=3.9mm （3.18）螺杆强度11 （3.19）=3050Mpa螺纹牙剪切 =40弯曲=4555(1)当量应力 (3.20)式中 T传递转矩Nmm螺杆材料的许用应力 所以代入公式（3.20）得： 6225025d12+11236900d16101262250250.0292+112369000.02961012即16471pa535340pa合格(2)剪切强度 （旋合圈数） （3.21） （3.22） =206.8103pa =0.206Mpa=40Mpa(3)弯曲强度=0.48Mpa=45Mpa合格3.5.3机座的机械结构带动机身回转的油马达：初选转速 W =60/s N =1/6转/秒=10转/分由于齿轮 I =3减速器 I =30所以 n =10330=900转/分3.6 球坐标工业机械手的定位及平稳性确定3.6.1 常用的定位方式机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当球坐标工业机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时球坐标工业机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低12。3.6.2 影响平稳性和定位精度的因素球坐标工业机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下：(1)定位方式不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。(2)定位速度定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。(3)精度球坐标工业机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。(4)刚度球坐标工业机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。(5)运动件的重量运动件的重量包括球坐标工业机械手本身的重量和被抓物的重量。运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。(6)驱动源液压的压力波动及电压、油温的波动都会影响球坐标工业机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节液压措施。(7)控制系统开关控制、电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关13。本课题所采用的定位精度为机械挡块定位。3.6.3 球坐标工业机械手运动的缓冲装置缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式。内缓冲形式有油缸端部缓冲装置和缓冲回路等。外缓冲形式有弹性机械元件和液压缓冲器。内缓冲的优点是结构简单，紧凑。但有时安置位置有限；外缓冲的优点是安置位置灵活，简便，缓冲性能好调等，但结构较庞大。本课题所采用的缓冲装置为油缸端部缓冲装置。当活塞运动到距油缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲室。利用节流的原理使缓冲室产生临时背压阻力，以使运动减速直至停止，而避免硬性冲击的装置，称为油缸端部缓冲装置12-15。在缓冲行程中，节流口恒定的，称为恒节流式油缸端部缓冲装置。设计油缸端部恒节流缓冲装置时，（最大加速度）、（缓冲腔最大冲击压力）和（残余速度）三个参数是受工作条件限制的。通常采用的办法是先选定其中一个参数，然后校验其余两个参数。步骤如下：(1)选择最大加速度通常，amax值按球坐标工业机械手类型和结构特点选取，同时要考虑速度与载荷大小。对于重载低速球坐标工业机械手，- 取5m/s2以下，对于轻载高速球坐标工业机械手，-取510 m/s2(2)计算沿运动方向作用在活塞上的外力F水平运动时： （3.23） =0.251033.62-7=138N(3)计算残余速度Vr （3.24）m/s3.6.4 绘制液压系统图 本机械手的液压系统图如图3-1所示，它拥有垂直手臂的上升、下降，水平伸缩缸/的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。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。3.6.5 计算和选择液压元件1.液压泵的计算（1）确定液压泵的实际工作压力 （3-12）式中，-计算工作压力，前以定为； -对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.51.5），这里取为1。因此，可以确定液压泵的实际工作压力为 （3-13）（2）确定液压泵的流量 （3-14）式中，-为泄露因数，取1.1；-为机械手工作时最大流量。 （3-15）经计算得 =3.140带入上式得 （3）确定液压泵电机的功率 （3-16）式中，-为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140；-液压泵实际工作压力，5；-为液压泵总效率，取为0.8；带入数据计算得： =。2.控制元件的选择根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。这部分在考虑具体的作业时根据详细的要求再结合具体情况进行详细，这里暂从略。3.油管及其他辅助装置的选择（1）查阅设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数液压泵出口流量以3.140L/MIN计，选取；液压泵吸油管稍微粗些，选择；其余都选为；（2）确定油箱的容量一般取泵流量的35倍，这里取为5倍，有效容积为 （3-17）3.6.6 液压系统性能的验算绘制液压系统图后，进行压力损失验算。因为该液压系统比较简单，该项验算从略。本系统采用液压回路简单，效率比较高，功率小，发热少，油箱容量取得较大，因此，不再进行温升验算。4 机械手控制系统设计4.1 机械手的工艺过程机械手的工作均由电机 驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。 分析工艺过程机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将原点下降夹紧（T）上升右移下降放松（T）上升左移到原点,动作完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降， 若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。1） 手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下降” 按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调整工作 位置和紧急停车后机械手返回原点。2） 单步工作方式：从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。3） 单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。4） 连续工作方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在连 续工作方式下设置两种停车状态：正常停车：在正常工作状态下停车。按下复位按钮，机械手在完成最后一个 周期的工作后，返回原点自动停机。紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停止 在当前状态。当故障排除后，需手动回到原点。4.2 PLC 控制系统1确定输入/输出点数并选择 PLC 型号1）输入信号位置检测信号：下限、上限、右限、左限共 4 个行程开关，需要 4 个输入端 子。“无工件检测”信号：用光电开关作检测元件，需要 1 个端子。“工作方式”选择开关：有手动、单步、单周期和连续 4 种工作方式，需要4 个输如端子。手动操作：需要有下降、上升、右移、左移、加紧、放松 6 个按钮，也需要6 个输入端子。自动工作：尚需启动、正常停车、紧急停车 3 个按钮，也需要 3 个输入端子。 以上共需要 18 个输入信号。2）输出信号PLC 的输出用于控制机械手的下降、上升、右移、左移、加紧、放松以三个 电动机转速的控制等，共需要 11 个输出点。机械手从原点开始工作，需要一个 原点指示灯，也需要 1 个输出点。所以，至少需要 6 个输出点。由于机械手的控制属于开关量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型 号的小型 PLC 均可满足要求。根据所需的 I/O 总点数并留有一定的备用量，可选用 FX2N-48RM，其输入和输出各 24 点，继电器输出型。FX2N-48RM 的各项工作参数已在第二章介绍，在此不在做介绍。2分配 PLC 的输入/输出端子PLC 的输入输出端子分配接线图，如图 5-2 所示。 图 5-2 输入/输出分配接线图所需元器件明细表4.3 PLC 控制系统程序设计为了方便编程，可将手动和自动程序分别编出相对独立的程序段，用跳转指 令进行选择，控制系统程序结构框图，如图 5-3 所示。选择手动方式时，X3 接 同，跳过自动程序，执行手动程序；选择自动工作方式时，X3 断开，执行自动 程序。（1）手动程序手动操作不需要按工序顺序进行动作，所以可按普通继电器程 序来设计。手动操作的梯形图，如图 5-4 所示，手动按钮 X20-X25 分别控制下 图 5-3 总程序结构框图图 5-4 手动程序 降、上升、右移、左移、加紧和放松各个动作。为了保证系统的的安全与进行， 设置了一些必要的连锁。其中在左、右移动的电路中加入 X11 作上限连锁，这是 因为机械手只有处于上限位置时，才允许左、右移动。（2） 自动程序自动程序如图 5-5 所示。1）连续及单周期操作。当机械手在原点时，程序处于初始状态 S0，执行下 降动作。当下降到下限位开关时，X10 接通，又接通下一个状态 S21，接着执行 下一步动作。当执行完最后一步动作，即左移到原点碰到左限位开关时，X13 接 通，如果是单周期操作，则 M0 断开，回到初始状态，如果连续操作，则 M0 接通， 状态转移至 S20，又开始下一个周期的循环。在运行中，如按正常停车按钮，则 X1 接通，M0 复位，机械手的动作继续执 行完一个周期后，回到初始状态。如按紧急停车按钮，则 X2 接通，状态 S0S33 全部复位，机械手工作停止。重新启动时，先用手动来将机械手移回原点，才能 再次进行自动操作。2）单步操作。当自动操作程序采
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