工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)說明書

1、工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) -指導(dǎo)老師 ：郝健 組員： * * 24目錄第一章 引 言第二章 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案第三章 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第五章 機(jī)械手伸縮，升降，回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸設(shè) 計(jì)與校核第六章 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第七章 機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一章 引 言1.1 工業(yè)機(jī)械手概述 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。

2、液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮液體的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)源極為方便，輸出力小，液壓動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。液壓技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn): （1）體積小、重量輕，因此慣性力較小，當(dāng)突然過載或停車時(shí)，不會(huì)發(fā)生大的沖擊； （2）能在給定范圍內(nèi)平穩(wěn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)牽引速度，并可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速； （3）換向容易，在不改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的情況下，可以較方便地實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換； （4）液壓

3、泵和液壓馬達(dá)之間用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴(yán)格限制； （5）由于采用油液為工作介質(zhì)，元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命長； （6）操縱控制簡便，自動(dòng)化程度高； （7）容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。1.2 液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求1.2.2 課題的設(shè)計(jì)要求本課題將要完成的主要任務(wù)如下:(1)機(jī)械手為通用機(jī)械手，因此相對(duì)于專用機(jī)械手來說，它的適用面相對(duì)較廣。(2)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度。(3)設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用于夾持式手爪來抓取棒狀物體等。(4)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，包括液壓元器件的選取，液壓回路的設(shè)計(jì)。(

4、5)機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本機(jī)械手?jǐn)M采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。1.3 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖如圖1-1所示。 控制系統(tǒng)（PLC）位置檢測裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（液壓傳動(dòng)）執(zhí)行機(jī)構(gòu)立柱手臂手腕手爪 圖1-1機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖 機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用液壓傳動(dòng)方式，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。位置檢

5、測裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。1、手爪即與物件接觸的部件。在本課題中我們采用夾持式手爪結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手爪和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手爪是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸

6、。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有:連桿杠桿式和重力式等。2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)3、手臂手臂是支承被抓物件、手爪、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手爪去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如液壓缸等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。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，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。5、底座底座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于底座上，故起支撐和連接

7、的作用。(二)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。它由動(dòng)力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 機(jī)械傳動(dòng)。 (三)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(四)位置檢測裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)

8、構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。 第二章 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案對(duì)液壓機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)液壓機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計(jì)制

9、造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用液壓上下料機(jī)械手（如圖2-1所示），是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)作強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。圖2-1機(jī)械手的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)2.1 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、伸縮、夾緊與松開、旋轉(zhuǎn)及左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有五個(gè)自由度。2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手更好地夾持物料，將其手

10、部設(shè)計(jì)成類似V字形狀，這樣就能更穩(wěn)固地夾住棒狀產(chǎn)品（如保溫杯）。2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸。2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有兩個(gè)自由度，即左右回轉(zhuǎn)和升降。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，手臂的各種運(yùn)動(dòng)由液壓缸來實(shí)現(xiàn)。2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)由于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用液壓傳動(dòng)方式。2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)

11、使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。2.7 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)一.機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用液壓方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為2.5公斤。二.基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。平均移動(dòng)速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有

12、啟動(dòng)、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為。三. 用途:用于自動(dòng)輸送線的上下料。四設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):1、抓重 2.5kg 2、自由度數(shù) 5個(gè)自由度3、座標(biāo)型式 圓柱座標(biāo)4、最大工作半徑 5、手臂最大中心高 6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 伸縮行程 伸縮速度 升降行程 升降速度 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍

13、 回轉(zhuǎn)速度8、手指夾持范圍 棒料:9、定位方式 行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等10、定位精度 11、驅(qū)動(dòng)方式 液壓傳動(dòng)12、控制方式 點(diǎn)位程序控制(采用PLC) 第三章 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)夾持式手部結(jié)構(gòu)由手爪和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜彈簧杠桿式等。3.1.1手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。3.1.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題(一)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手爪的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。(二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手爪

14、張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手爪的開閉角。手爪的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。(三)保證工件準(zhǔn)確定位為使手爪和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。(四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。(五)考慮被抓取對(duì)象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比

15、較，我們采用的機(jī)械手的手爪結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)， 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。3.1.3手部夾緊液壓缸的設(shè)計(jì)1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 其工件重量G=2.5公斤，V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為: (2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式:所以(3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力: 1、因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為氣動(dòng)傳動(dòng)，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時(shí)，則:所以 所以夾持工件時(shí)所需夾緊液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為。2、液壓缸的直徑本液壓缸屬于單向作用液壓缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式

16、為:式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N- 液壓缸工作時(shí)的總阻力，N- 液壓缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算:Gf = 式中:- 彈簧剛度，N/m- 彈簧預(yù)壓縮量，m- 活塞行程，m- 彈簧鋼絲直徑，m- 彈簧平均直徑，.- 彈簧有效圈數(shù).- 彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:由以上分析得單向作用液壓缸的直徑:代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以:查有關(guān)手冊(cè)圓整，得由,可得活塞桿直徑:圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式有:其中，則:滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。3、缸筒壁厚的設(shè)計(jì)缸筒直接承受壓縮空液壓力，必須有一定厚度。一般液壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚

17、可按薄壁筒公式計(jì)算:式中:6- 缸筒壁厚，mm- 液壓缸內(nèi)徑，mm- 實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa材料為:ZL3,=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:取，則缸筒外徑為: 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 手腕的自由度手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)氣缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)液壓缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度

18、小于，并且要求嚴(yán)格的密封。4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算4.2.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算: 式中: - 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩();- 慣性力矩();下面以手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算:1、手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣若手腕起動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為，起動(dòng)過程所用的時(shí)間為，則: 式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)

19、動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;- 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:式中: - 工件對(duì)過重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm), - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s);- 起動(dòng)過程所需的時(shí)間(s); 起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩M摩 ()式中: ，- 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm);- 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承;,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，根據(jù),得:同理，根據(jù)(F),得:式中:- 的重量(N), 長度尺寸(cm)4.2.2回轉(zhuǎn)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算

20、在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)液壓缸，它的原理如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把氣腔分隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)。單葉液壓缸的壓力P驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為: 或 4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核1.尺寸設(shè)計(jì)液壓缸長度設(shè)計(jì)為,液壓缸內(nèi)徑為=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑,液壓缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間=0.1s, 壓強(qiáng), 則力矩： 2.尺寸校核（1）測定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

21、 （）工件的質(zhì)量為5,質(zhì)量分布于長的棒料上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，對(duì)于長的棒料來說，最大偏心距，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: （3）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承=0.1， ，為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì), 26.3+0.05 26.35（N.m） 設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。第五章 機(jī)械手伸縮，升降，回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1 手腕伸縮液壓缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1.1手腕伸縮液壓缸的尺寸設(shè)計(jì)手腕伸縮液壓缸采用液壓元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)液壓缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，液壓缸用此

22、型液壓缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63。 5.1.2 尺寸校核1. 在校核尺寸時(shí)，只需校核液壓缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的液壓缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng), 則驅(qū)動(dòng)力： 2測定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計(jì)加速度，則慣性力： 3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), 總受力 所以標(biāo)準(zhǔn)CTA液壓缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。5.1.3 導(dǎo)向裝置液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手腕在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手腕繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手爪的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手腕的剛性，在設(shè)計(jì)手腕結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同

23、時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中才用單導(dǎo)向桿來增加手腕的剛性和導(dǎo)向性。5.1.4 平衡裝置在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對(duì)性能的影響，故在手腕伸縮液壓缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和液壓缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。5.2 立柱升降液壓缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.2.1 尺寸設(shè)計(jì)液壓缸運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為=118mm,液壓缸內(nèi)徑為=110mm,半徑R=55mm,液壓缸運(yùn)行速度，加速度時(shí)間=0.1s,

24、壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力： 5.2.2 尺寸校核1測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力： 2設(shè)計(jì)加速度，則慣性力： 3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)， 總受力 所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。5.3 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.3.1 尺寸設(shè)計(jì) 液壓缸長度設(shè)計(jì)為,液壓缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,液壓缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間0.5s,壓強(qiáng), 則力矩： 5.3.2 尺寸校核1測定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （） 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù), 總驅(qū)動(dòng)力矩： 設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。 724

25、DH-10-S1二位五通電磁滑閥1824D2H-10-S1二位五通電磁滑閥4924D2H-15-S1二位五通電磁滑閥110單向節(jié)流閥211LI-25單向節(jié)流閥212快速排氣閥213氣液轉(zhuǎn)換器1 各通行機(jī)構(gòu)的調(diào)速，凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單效果好。如平臂伸縮液壓缸在接近液壓缸處安裝兩個(gè)快速排氣閥，可加快啟動(dòng)速度，也可調(diào)節(jié)全程的速度。升降液壓缸采用氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器液壓缸的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。為簡化

26、氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作液壓缸的緩沖均采用液壓緩沖器，這樣可以省去電磁閥和切換節(jié)流閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。電磁閥的通徑，是根據(jù)各工作液壓缸的尺寸，行程，速度計(jì)算出所需壓縮空氣流量，與選用的電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應(yīng)來確定的。 第七章 機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。7.1 可編程序控制器的選擇及工作過程7.1.1 可編程序控制器的選擇考慮到本機(jī)械手的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡單，因此在本次設(shè)計(jì)中選擇了三菱公司的F系

27、列FX2N-32MR型號(hào)PLC可編程序控制器。7.1.2 可編程序控制器的工作過程可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為四個(gè)階段。第一階段是初始化處理。可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連，CPU對(duì)輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個(gè)專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機(jī)時(shí)，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。第二階段是處理

28、輸入信號(hào)階段。在處理輸入信號(hào)階段，CPU對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個(gè)輸入端子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會(huì)受到各個(gè)輸入端子信號(hào)變化的影響，因此不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。第三階段是程序處理階段。當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進(jìn)入到第三個(gè)階段。在這個(gè)階段中，可編程序控制器對(duì)用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后將結(jié)果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。第四階段是輸出處理階段。 CPU對(duì)用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時(shí)將輸入信號(hào)從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)的掃描周期。7.2 機(jī)械手可編程序控制器控制方案7.3.1 控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求1.控制對(duì)象為圓柱座標(biāo)液壓機(jī)械手。它的手臂具有三個(gè)自由度，即水平方向的伸、縮;豎直方向的上、下;繞豎直軸的順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)及逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。另外，其末端執(zhí)行裝置 機(jī)械手，還可完成抓、放功能。以上各動(dòng)作均采用液壓方式驅(qū)動(dòng)，即用五個(gè)二位五通電磁閥(每個(gè)閥有兩個(gè)線圈，對(duì)應(yīng)兩個(gè)相反動(dòng)作)分別控制五個(gè)液壓缸，使機(jī)械手完成伸