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(設(shè)計、論文、報告)
桂林理工大學(xué)
GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
本科畢業(yè)設(shè)計(論文)
題目: 四自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及其PLC控制
學(xué) 院： 機械與控制工程學(xué)院
專業(yè)(方向)： 機械設(shè)計制造及其自動化
（機械裝備）
班 級
學(xué) 生
指導(dǎo)教師
摘要
隨著工業(yè)快速發(fā)展，機械手在機械加工制造、裝配及包裝等自動生產(chǎn)線上得到普遍應(yīng)用。機械手是一種能模仿實現(xiàn)人手部分功能，并能按編寫程序進行搬運物料或抓取工件、操作工具等的裝置；其對推動工業(yè)自動化生產(chǎn)發(fā)展起著重要作用。
本設(shè)計的機械手主要用于配合機床床上下料、搬運等用途；其采用液壓驅(qū)動、PLC控制、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu),具有四個自由度，其可分別實現(xiàn)抓取傳送帶的物料及手腕旋轉(zhuǎn)、手臂旋轉(zhuǎn)、手臂升降及伸縮等功能。本機械手涉及到機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械手動作的PLC控制設(shè)計。結(jié)構(gòu)部分：手爪選用滑槽杠桿驅(qū)動機構(gòu)的二指回轉(zhuǎn)型;手腕及手臂選用回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動實現(xiàn)回轉(zhuǎn)功能；手臂伸縮和機身升降是通過采用導(dǎo)向桿導(dǎo)向及花鍵軸導(dǎo)向，確保機械手運動精度；將回轉(zhuǎn)缸置于機身立柱的升降缸上，使結(jié)構(gòu)更緊湊?？刂撇糠郑焊鶕?jù)機械手的用途，通過編寫特定的PLC梯形圖程序，實現(xiàn)機械手自動、手動及單周期運轉(zhuǎn)的功能。
本文的設(shè)計重點是機械手各個部分液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的計算，確定其主要的技術(shù)參數(shù)；根據(jù)本機械手用途，設(shè)計特定的PLC梯形圖，實現(xiàn)機械手自動、手動及單周期運轉(zhuǎn)功能。并繪制零件設(shè)計圖、CAD裝配圖、液壓原理圖、三維造型、模擬仿真、PLC相關(guān)程序。
關(guān)鍵詞：機械手；液壓驅(qū)動；結(jié)構(gòu)設(shè)計；PLC控制設(shè)計
Four degrees of freedom manipulator structure design
and PLC control
Student: LV jin-cheng Teacher: SUN Jin-rong
Abstract:With the rapid industrial development, manipulator in machinery manufacturing, assembly and packaging such as the widely used on the automatic production line. Manipulator is a kind of can imitate people part functions, and can according to written procedure for handling materials or grab workpiece, operating tools of device; It play an important role to promote the development of industrial automation production.
The design of the manipulator is mainly used in matching machine tool bed up-down material, handling purposes; The PLC control, hydraulic drive, cylindrical coordinates structure, has four degrees of freedom, the materials can be realized respectively the scraping of the conveyor belt and wrist rotation, rotating, lifting and telescopic arm, and other functions. This involves the manipulator structure design, mechanical movement of manipulator PLC control design. Structural parts: hand claw choose chute lever is held back to drive mechanism transformation; Wrist and arm choose rotary cylinder driven rotary functions; Arm scaling and fuselage lift is by means of guide bar and spline shaft guidance, to ensure that the manipulator movement accuracy; Puts the rotary cylinder fuselage pillar lift cylinder, make the structure more compact. Control part: according to the purpose of the manipulator, by writing specific ladder diagram procedure of PLC, realize the manipulator automatic, manual and the function of the single cycle operation.
This article focuses on the design of the manipulator parts hydraulic cylinder structure size calculation, determine the main technical parameters; Specific purposes, according to the manipulator design of PLC ladder diagram, realize the manipulator automatic, manual and single cycle operation function. And draw parts design, CAD assembly, hydraulic principle diagram, three-dimensional modeling, simulation and PLC programs.
Key words: manipulator; Hydraulic drive; Structure design; PLC control design
目次
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 機械手的概述 1
1.2 機械手的歷史背景及其現(xiàn)狀 1
1.3 機械手的運用及發(fā)展趨勢 2
1.3.1機械手運用意義 2
1.3.2 PLC在機械手中的應(yīng)用 2
1.3.3機械手的發(fā)展趨勢 2
1.4 機械手的工作原理 2
1.5.1控制系統(tǒng) 3
1.5.2驅(qū)動系統(tǒng) 3
1.5.3執(zhí)行系統(tǒng) 3
1.5.4位置檢測裝置 3
1.6 本設(shè)計目的及研究內(nèi)容 4
1.6.1本設(shè)計目的 4
1.6.2本設(shè)計主要研究內(nèi)容 4
2 總方案設(shè)計 5
2.1 設(shè)計技術(shù)要求 5
2.2 機械手的運動分析 5
2.3 方案擬定 5
2.3.1執(zhí)行機構(gòu)方案 5
2.3.2驅(qū)動機構(gòu)方案 6
2.3.3控制方案 6
3 手部設(shè)計及計算校核 7
3.1 機械手部設(shè)計要求 7
3.2 手部設(shè)計方案制定 7
3.3 手部的設(shè)計及計算校核 8
3.3.1 驅(qū)動力及夾緊力的計算 8
3.3.2 確定液壓缸直徑D設(shè)計尺寸()p 9
3.4 機械手手爪夾持精度分析及計算 10
3.4.1手爪夾持精度分析 10
3.4.2手爪夾持精度計算 10
4 手腕設(shè)計及其計算校核 11
4.1 手腕設(shè)計要求 11
4.2 手腕設(shè)計方案的制定 11
4.3 腕部轉(zhuǎn)動所需動力矩計算 11
4.3.1驅(qū)動力矩計算 11
4.4 確定腕部液壓缸直徑D設(shè)計尺寸 12
4.5端蓋連接方式強度計算 12
4.6 動片與輸出軸連接螺釘計算 13
5 手臂設(shè)計及計算校核 15
5.1 機械手手臂的設(shè)計要求 15
5.3.1手臂驅(qū)動力的計算 15
5.4 手臂液壓缸的工作壓力及結(jié)構(gòu)設(shè)計 17
5.4.1確定液壓缸工作壓力 17
5.4.3活塞桿的計算及校核 18
5.4.4計算液壓缸缸筒長度 19
5.4.5端蓋連接方式強度計算 19
6 機身設(shè)計及其計算校核 21
6.1 機械手機身的設(shè)計要求 21
6.2 機身的設(shè)計方案制定 21
6.3 機身的設(shè)計及計算校核 22
6.5 升降液壓缸的工作壓力及結(jié)構(gòu)設(shè)計 23
6.5.1液壓缸工作壓力的確定 23
6.5.2液壓缸尺寸的確定 23
6.5.3液壓缸外徑的確定 23
6.5.4活塞桿的計算校核 23
6.5.5 液壓缸缸筒長度的確定 23
6.5.6缸蓋螺釘?shù)挠嬎?24
6.6 升降不自鎖條件分析計算 24
6.7 回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作壓力及計算 24
6.8 回轉(zhuǎn)缸尺寸的確定 25
6.8.1回轉(zhuǎn)缸油腔內(nèi)徑計算 25
6.9 動片與輸出軸之間的連接螺釘?shù)挠嬎?26
7 機械手液壓系統(tǒng) 27
7.1 機械手液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計 27
7.2液壓元件明細表 28
8 機械手動作PLC控制設(shè)計 29
8.1 可編程控制器（PLC）介紹 29
8.1.1 PLC的概述 29
8.1.2 PLC的工作原理及基本結(jié)構(gòu) 29
8.1.3機械手PLC型號選擇 29
8.2 機械手動作原理及說明 29
8.3 機械手運動動作控制要求 30
8.4 機械手PLC控制接線圖及主電路圖設(shè)計 31
8.5 機械手操作控制面板設(shè)計 31
8.6 機械手控制程序設(shè)計及說明 32
8.6.1傳送帶控制程序設(shè)計 32
8.6.2傳送帶的控制及物料檢測梯形圖說明 33
8.6.3機械手手動控制的控制梯形圖 34
8.6.4機械手手動控制梯形圖說明 34
8.6.6機械手工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖及輸出梯形圖 35
8.6.7機械手工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和輸入梯形圖說明 37
8.7 機械手總控制梯形圖（如附錄1示意） 38
8.8 機械手總控制指令表（如附錄2示意） 38
9 結(jié)論 39
致謝 40
參考文獻 40
附錄 41
附錄1(機械手的總控制梯形圖) 42
附錄2(指令表) 46
V
1 緒論
在工業(yè)生產(chǎn)線中，機械手應(yīng)用廣泛。它是工作生產(chǎn)中抓取與裝配等柔性系統(tǒng)中的一個重要組成部分。其基本功能是在指定位置抓取工件并將運送到別的位置進行裝配或加工。機械手代替了人繁重的勞動，提高了產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)率，并且操作精度高。
1.1 機械手的概述
機械手是指能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置[1] 。機械手是出現(xiàn)最早的工業(yè)機器人分支之一，而工業(yè)機器人是指具機械自動化和智能化生產(chǎn)裝備。機械手動作具有類似于人類及其他生物體的機體功能，更具有適應(yīng)性和智能性的特點；可通過編程完成動作和單一及更復(fù)雜的多種工作，有一定通用性及靈活性的特點。機械手在實際生產(chǎn)中，它不但將人從繁重單一的勞動中解放出來，同時提高了勞動生產(chǎn)率，提高了經(jīng)濟效率,而且改善了勞動環(huán)境，能在有害的環(huán)境下保護人身安全；同時實現(xiàn)了生產(chǎn)的機械化和自動化。因此，世界各國都普遍重視其研制和生產(chǎn)、應(yīng)用等；故其得到迅猛的發(fā)展。
機械手種類繁多.，機械手按照驅(qū)動方式.大致可分為液壓式.、電動式、氣動式和機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手；按運動軌跡控制方式可分為連續(xù)軌跡控制機械手和點位控制機械手等[3]。
機械手發(fā)展前景及應(yīng)用的廣泛，帶來極大效益；機械手的開發(fā)研制運用都對我國工業(yè)的機械化和自動化水平的提高等都有極大影響。因此，我們必須重視和加大投入，積極有效的開發(fā)研制機械手，使我國的自動化更進一步的發(fā)展。
1.2 機械手的歷史背景及其現(xiàn)狀
工業(yè)機械手迅猛發(fā)展是在第二次世界大戰(zhàn)期間，其中最早應(yīng)用于美國國家實驗室，其研制出一種主從型控制系統(tǒng)的遙控機械操作手。1958年，美國聯(lián)合控制公司研究出一種示教型機械手，之后在此基礎(chǔ)上，研制出一種更先進的控制系統(tǒng)；仿照坦克炮塔，臂可回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰，并用液壓驅(qū)動的機械手，對往后的機械手的發(fā)展有深遠影響。1962年，美國機械鑄造公司研制出一種靈活搬運，具有點位與軌跡控制功能的并稱為Veratran的機械手。從上世紀(jì)60年代后期，噴漆、弧焊的工業(yè)機器人陸續(xù)運用于生產(chǎn)中。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)于1970年著手機械手的應(yīng)用，其主要是用于起重運輸、焊接運用及設(shè)備的上下料等用途。日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快，應(yīng)用最多的國家之一，其從美國引進最典型的兩類機械手后，經(jīng)過大力發(fā)展扶植機械手的研制及其產(chǎn)業(yè)，使其工業(yè)機械手得以普遍應(yīng)用。
國外的大多數(shù)發(fā)達國家都有專門專業(yè)的機械手研究部門，并與企業(yè)合作，故具有發(fā)展水平高、應(yīng)用范圍廣、專業(yè)化程度高、產(chǎn)品生產(chǎn)系列化等特點，此外國際學(xué)術(shù)交流會、研討會等大大促進了機械手的發(fā)展。
我國工業(yè)機械手研究開發(fā)起步較晚，較之歐美較晚30多年。但我國仍很重視，于1972年在上海研制成第一臺機械手，此后全國各省均研制開發(fā)應(yīng)用機械手。可喜的是，第七個五年計劃，政府加大工業(yè)機器人的投入，在眾多的科學(xué)假的努力下研制出一系列的機器人，可用于點焊、裝卸載等用途。我國機械手領(lǐng)域也有著一定的發(fā)展前途。
1.3 機械手的運用及發(fā)展趨勢
1.3.1機械手運用意義
（1）提高生產(chǎn)過程自動化程度
（2）改善勞動環(huán)境及條件
（3）減輕人力便于有節(jié)奏的生產(chǎn),提高勞動生產(chǎn)率，增加經(jīng)濟效益
1.3.2 PLC在機械手中的應(yīng)用
可編程控制器PLC是一種從20世紀(jì)60年代末時，新發(fā)展起來的新型電氣控制裝置。其用途是以微處理器為核心，把計算機、自動控制及通信等技術(shù)整合一起，并將其結(jié)構(gòu)簡單，易于編程，性能可靠等優(yōu)點極大的運用在工業(yè)控制領(lǐng)域上，被廣泛應(yīng)用于機械機器和柔性制造自動化生產(chǎn)線上。PLC通過控制相應(yīng)的電磁閥來驅(qū)動液壓或氣動等執(zhí)行元件，來完成機械手按工作目的所要求的各個動作。這種控制系統(tǒng)能很好的嵌入各類的機械機器及工業(yè)生產(chǎn)線上去，能夠?qū)崿F(xiàn)物料在固定位置的搬運及工件的卸載，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中的自動化。
1.3.3機械手的發(fā)展趨勢
隨著自動化和機械化的發(fā)展，機械手發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在：
（1）重復(fù)高精度。重復(fù)精度是指動作重復(fù)多次，機械手能到達同位置的精準(zhǔn)程度。對于某些機械手來說，重復(fù)精度甚于精度。
（2）模塊化。模塊化拼裝氣動機械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置的更具備有靈活的安裝體系。它集成電接口、帶電纜及器官的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，可使機械手更具靈活性。
（3）機電一體化。發(fā)展智能機械手是機械手發(fā)展的重要方向之一。機電一體化的核心思想于發(fā)展電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動元件，使氣動技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
1.4 機械手的工作原理
機械手是一種生產(chǎn)設(shè)備，其主要的功能是為作業(yè)提供所需要的動力，其工作原理是通過控制系統(tǒng)PLC，在編寫的特定的程序控制驅(qū)動系統(tǒng)；同時在液壓傳動下驅(qū)動各個執(zhí)行機構(gòu)，并在位置檢測裝置的實時的位置監(jiān)測反饋給控制系統(tǒng)，使機構(gòu)位置得到相應(yīng)的調(diào)整，進而保證位置精度，從而完成機構(gòu)相應(yīng)的部位動作,達到機械手工作的要求。機械手的工作原理如圖1-1所示：
1.5 本機械手的組成
本機械手主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)及執(zhí)行系統(tǒng)、位置檢測裝置等組成。
圖1-1 機械手工作原理圖
1.5.1控制系統(tǒng)
機械手的自由度、工作空間、工作順序、工作速度、工作載荷都屬于控制系統(tǒng)所要考慮的要素。其通過PLC對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，從而使執(zhí)行機構(gòu)能按相對規(guī)定位置；當(dāng)發(fā)生錯誤警報信號時，由位置檢測系統(tǒng)反饋，從而實現(xiàn)精確控制。
1.5.2驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)就是為執(zhí)行系統(tǒng)的機構(gòu)提供所需的動力，使機械手能在控制系統(tǒng)下完成特定的位置動作。
1.5.3執(zhí)行系統(tǒng)
執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人在控制系統(tǒng)及驅(qū)動系統(tǒng)共同作用下，在特定位置要求下完成抓取物料，實現(xiàn)各個運動動作，其包括液壓手爪松緊、手腕旋轉(zhuǎn)、手臂升降、手臂伸縮及底座的旋轉(zhuǎn)等。
1.5.4位置檢測裝置
位置檢測裝置是指控制執(zhí)行機構(gòu)運動到達的位置，并隨時將部件實際位置信息反饋給控制系統(tǒng);方便與預(yù)設(shè)位置進行比較及調(diào)正，從而達到特定位置精度要求的一種設(shè)定位置的裝置。
1.6 本設(shè)計目的及研究內(nèi)容
1.6.1本設(shè)計目的
將機械手、柔性制造單元及柔性制造系統(tǒng)有效結(jié)合，從而改變機械制造手工操作的現(xiàn)狀，使生產(chǎn)更自動化及機械化，提高生產(chǎn)率。運用PLC控制，液壓驅(qū)動及使用相應(yīng)的電氣、液壓器件，來實現(xiàn)工件物料自動、手動及單周期運轉(zhuǎn)的機床上下料、搬運的柔性生產(chǎn)功能。如圖1-2所示：
圖1-2 機械手動作控制及功能簡要示意圖
1.6.2本設(shè)計主要研究內(nèi)容
本設(shè)計的題目是四自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及其PLC控制，主要研究四自由度的結(jié)構(gòu)設(shè)計，關(guān)于各個機構(gòu)的相關(guān)計算校核，論證可行性及制定解決方案，制定總的設(shè)計方案；在此基礎(chǔ)上設(shè)計相關(guān)PLC的控制、編寫控制梯形圖、機械手總控制指令表等，達到物料在傳送帶上運送，并在機械手各個動作進行機床上下料，能自動、手動及單周期連續(xù)控制整個工作流程的效果。
2 總方案設(shè)計
2.1 設(shè)計技術(shù)要求
主要用途：自動生線中機床的上下料及搬運。主要參數(shù)：生產(chǎn)綱領(lǐng)：100000件（為兩班制生產(chǎn)）；具有四個自由度；手臂能旋轉(zhuǎn)180o；手臂能升降450mm,速度小于或等于70mm/s；手臂伸縮450mm，速度小于或等于300mm/s；手腕旋轉(zhuǎn) 360o；運動速度預(yù)設(shè)：生產(chǎn)率達生產(chǎn)綱領(lǐng)的要求；定位方式：設(shè)定起止位置；定位精度：±0.3mm；驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動；控制方式：PLC；手指握力：400N；手指夾持范圍：圓棒料，30kg、直徑范圍65-100mm。
2.2 機械手的運動分析
根據(jù)本設(shè)計要求，其主要是在PLC控制下，在編寫程序后，物料在傳送帶運輸下，并被機械手運送。其主要動作順序為：機械位于立柱下限位，手臂后限位等待傳送帶運送物料，觸發(fā)光電開關(guān)使機械手開始動作:手爪夾緊—手腕旋轉(zhuǎn)90°—手臂上升—手臂中止—手臂前伸—手腕旋轉(zhuǎn)180°—手爪松開—手臂收縮—手臂前伸—手爪夾緊—手臂收縮—手腕旋轉(zhuǎn)270°—手臂右轉(zhuǎn)—手臂下降—手爪松開—手腕旋轉(zhuǎn)0°—手臂左轉(zhuǎn)至原始位置。運動簡圖如圖2-1所示：
圖2-1 機械手運動簡圖
2.3 方案擬定
2.3.1執(zhí)行機構(gòu)方案
根據(jù)設(shè)計要求，其為四自由度、位置相對固定,需實現(xiàn)手臂升降、手臂伸縮、手臂旋轉(zhuǎn)、手腕旋轉(zhuǎn)、手爪夾持等動作。故機械手采用固定的坐標(biāo)式形式，而坐標(biāo)式機器人形式有：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、多關(guān)節(jié)型（如圖所示）。而圓柱坐標(biāo)型在工業(yè)領(lǐng)域中運用最多，其較之結(jié)構(gòu)簡單、工作范圍大、直觀性好、所需空間小，綜和考慮，選擇圓柱坐標(biāo)型合適本設(shè)計要求。
(1)機械手部：
手部是指自接與工件接觸、安裝在機械手末端的機構(gòu)。手部用途是用于抓取物料，其結(jié)構(gòu)主要有夾持型、吸附型及托持型等。傳力機構(gòu)通過手指產(chǎn)生的夾緊力來完成放夾工件的動作，常用的傳力機構(gòu)有：連桿杠桿式、滑槽杠桿式、楔塊杠桿式、內(nèi)撐連桿式、右絲桿螺母式、齒輪齒條平行連桿式、重力式和彈簧式[1]。而手部的手指形式多樣，但結(jié)構(gòu)簡單以二指類型的居多。手指通用的運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型，而回轉(zhuǎn)型較結(jié)構(gòu)簡單,其應(yīng)用最普遍。
(2)機械手腕:
手腕是指與手部聯(lián)接及支承部分。手腕用途是調(diào)節(jié)手部相對空間方位,以拓展機械手動作范圍，使機械手靈活動作、更具適應(yīng)性。手腕有獨立自由度，例如：回轉(zhuǎn)、上下擺動、左右運動。而應(yīng)用最廣的是回轉(zhuǎn)液壓缸，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊、靈活回轉(zhuǎn)角小。
(3)機械手臂:
手臂部件是支承腕部及手部重要握持部分，其作用是帶動腕部及手部做相對空間運動。手臂各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中竟受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多，受力復(fù)雜[2]。
（4）機械手機身:
機身是指為機械手提供動力源及安裝支承的支架，其是機械手的基礎(chǔ)，用途是起到支承及連接、協(xié)調(diào)各個部件安裝位置的作用。
2.3.2驅(qū)動機構(gòu)方案
驅(qū)動機構(gòu)是機械手重要的組成部分之一，根據(jù)動力提供的不同大概可以分為氣動、液壓、電動及機械傳動。液壓驅(qū)動通常由油馬達、伺服閥、油箱油泵等組成。它利用擺動油缸、油馬達與齒輪齒條或鏈輪鏈條等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動，利用油缸和齒輪齒條實現(xiàn)直線運動根據(jù)設(shè)計參數(shù)的特點，機械手設(shè)計選用液壓驅(qū)動的方式，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，易于維修、速度反應(yīng)快、控制簡單、傳遞力矩大、控制精度高等。
2.3.3控制方案
機械控制有順序控制、示教方式、示教盒示教、脫機編程或預(yù)編程等。結(jié)合本設(shè)計的要求，本設(shè)計的控制采用順序控制，即編寫特定的PLC梯形圖，通過PLC控制液壓相關(guān)的器件并結(jié)合限位開關(guān)，達到位置的控制，從而實現(xiàn)機械手的運動動作。
3 手部設(shè)計及計算校核
3.1 機械手部設(shè)計要求
(1)具有一定的夾緊力與驅(qū)動力，在保證一定夾緊力基礎(chǔ)上，不同機構(gòu)可以有不同的驅(qū)動力。
(2)手爪上的手指應(yīng)具備有一定的夾持范圍及開閉角度，以便于抓取物料。
(3)有一定的定位方式，以便于保證手指夾持精度，更好實現(xiàn)工作要求。
(4)手部應(yīng)在考慮強度及剛度要求下,盡量達到結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、重量輕設(shè)計優(yōu)化的效果，以減少手部負荷。
(5)手部應(yīng)具備機械接口的標(biāo)準(zhǔn)化程度，便于標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)，便于安裝與維修，且利于PLC的控制。
3.2 手部設(shè)計方案制定
根據(jù)設(shè)計參數(shù)及其工作用途，可知其實現(xiàn)夾持物料在機床上下料，并結(jié)合皮帶運輸，達到物料從運輸?shù)綑C床上下料及機床加工，到傳送帶運送已加工工件的自動生產(chǎn)線。故搬運手部結(jié)構(gòu)是用來抓取及搬運物料的夾持裝置。通過綜合考慮，本機械手選擇采用二指雙支點回轉(zhuǎn)類型的、滑槽杠桿式、常開式夾緊裝置。如圖3-1所示：
圖3-1 手爪結(jié)構(gòu)示意圖
1-手指 2-銷軸 3-活塞桿
3.3 手部的設(shè)計及計算校核
3.3.1 驅(qū)動力及夾緊力的計算
圖3-2 滑槽杠桿手部結(jié)構(gòu)受力圖
(1)手部機構(gòu)受力分析（如圖3-2）：
在推桿作用下，銷軸有向上拉力F,其通過銷軸中心O處，兩指滑槽對銷軸反作用力F1和F2方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點，交F1和F2延長于A與B處。
由 得F1=F2
得
F1=F1`
由?Mol(F)=0?得F1=NF·h?
分析可知,驅(qū)動力一定時，α角增大，則握力增大，故導(dǎo)致拉桿行程過大，手部設(shè)計尺寸增大，故α=30°～45°最好。
(2)驅(qū)動力計算公式：
（3-1）
式中：F—驅(qū)動力；
a— 手指的回轉(zhuǎn)支點與對稱中心距離；
b— 手指所夾持的有效長度；
FN—手指的夾持力。
由設(shè)計參數(shù)可知，手指握力為400N，則設(shè)a=50mm,b=100mm,代入公式計算得:
(3)夾緊力計算：
手指對工件夾緊力如公式計算：
（3-2）
式中 —
—
—
VMax—運載
機械手響應(yīng)時間為0.5s，=1.6,=60mm/s,則夾緊力計算得：
=1+
=0.5
(4)實際所需驅(qū)動力，取
3.3.2 確定液壓缸直徑D設(shè)計尺寸()p
（3-2）
根據(jù)液壓缸標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，取活塞桿直徑d=0.5D，液壓缸油壓工作壓力取39.2MPa,則:
根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列表參數(shù)，取液壓缸內(nèi)徑為D=32mm,根據(jù)機械手裝配關(guān)系，其外徑取50mm。
3.4 機械手手爪夾持精度分析及計算
3.4.1手爪夾持精度分析
機械手精度設(shè)計需符合設(shè)計要求，使工件準(zhǔn)確定位，抓取精度合適，重復(fù)定位精度高及運動穩(wěn)定性好，能符合抓取范圍。能精確抓取物料，這取決于臂部與腕部的部件間運動情況，而本設(shè)計的機械手用途屬于運用在中小型多品種物料夾持。故需對機械手進行夾持誤差分析。如圖3-2：
機械手的夾持范圍為：?65---?100，且夾持誤差為：，
而：
手指長度為L=100mm,V型夾角為2θ=。
3.4.2手爪夾持精度計算
偏轉(zhuǎn)角：
平均理論半徑的計算：
因為＞＞
（3-3）
（3-4）
所以，故夾持誤差滿足設(shè)計要求。
4 手腕設(shè)計及其計算校核
4.1 手腕設(shè)計要求
（1）結(jié)構(gòu)簡單緊湊、重量輕；腕部結(jié)構(gòu)、重量及動力載荷都對臂部結(jié)構(gòu)、運轉(zhuǎn)性能都有著影響。
（2）結(jié)構(gòu)力學(xué)考慮、合理布局。在保證腕部強度及剛度基礎(chǔ)上，保證連接支承作用。
（3）需考慮工作條件。良好工作條件，能保證手腕材料特性，保證機械手正常運轉(zhuǎn)。
4.2 手腕設(shè)計方案的制定
根據(jù)本設(shè)計要求，本機械手腕部存在一個回轉(zhuǎn)自由度；腕部結(jié)構(gòu)有四種形式：
1、回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，2、齒條活塞驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，3、機-液結(jié)合的部結(jié)構(gòu)，4、齒條活塞式結(jié)構(gòu)。而本設(shè)計要求有一個回轉(zhuǎn)自由度，綜合考慮得，選擇第一種形式，其優(yōu)點是能直接使用回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運動，具有結(jié)構(gòu)簡單靈巧等特點。
4.3 腕部轉(zhuǎn)動所需動力矩計算
4.3.1驅(qū)動力矩計算
（4-1） (1)為其轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的慣性力矩，為其轉(zhuǎn)動加速度，為其轉(zhuǎn)動過程的時
為其轉(zhuǎn)過的角度。
（4-2）
或
式中：—;
—。
(2) 腕部轉(zhuǎn)動時其與工件的偏重在軸線處產(chǎn)生偏重力矩，因手抓持在工件中間處，則e=0,得：
（4-3）
(3) 腕部轉(zhuǎn)動軸在載軸處的摩擦阻力矩為，則：
（4-4）
(4) 回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、端蓋及定片等在密封處產(chǎn)生的摩擦助力矩，則與物料的選擇有關(guān)。
假設(shè)圓型物料的直徑取100mm,長度取500mm,重量為30Kg,則當(dāng)手部夾持工件中間處時并回轉(zhuǎn)時，其與手爪驅(qū)動及回轉(zhuǎn)液壓缸可等效為一個圓柱體，長h=150mm,半徑為50mm,所受的重力G=200N，，代入公式得：
（4-5）
（4-6）
代入得：
所以
4.4 確定腕部液壓缸直徑D設(shè)計尺寸
表4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66)
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
表4-2 液壓缸的外徑系列（JB826-67)
油缸內(nèi)徑
40
50
63
80
90
100
110
125
140
150
160
180
200
20號鋼，P〈16
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
45號鋼，P〈20
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
設(shè)定腕部的尺寸：根據(jù)表4-1可設(shè)缸體內(nèi)壁所需的半徑R=63mm,外經(jīng)按中等的壁厚來選取，則選取76mm,動片寬度，輸出軸。則回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為：
，故。 （4-6）
4.5端蓋連接方式強度計算
根據(jù)液壓缸蓋與螺釘?shù)墓ぷ鲏毫﹃P(guān)系，缸蓋上螺釘?shù)拈g距應(yīng)小于100mm,則試選擇螺釘數(shù)量為8個，根據(jù)πD/4=49.45≤100，故滿足設(shè)計的要求。則螺釘所要承受的總拉力為：
（4-7）
圖4-2 缸蓋螺釘間距示意
表4-3 螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系
工作壓力P（Mpa)
螺釘?shù)拈g距t(mm)
0.5～1.5
小于150
1.5～2.5
小于120
2.5～5.0
小于120
5.5～10.0
小于80
（4-8）
危險截面：
（4-9）
（4-10）
故：
選取螺釘為；則， （4-11）
螺釘直徑為：
故選取公稱直徑14mm的螺釘。
4.6 動片與輸出軸連接螺釘計算
動片與輸出軸間保證動片和輸出軸形成緊密配合，且其連接為對稱偶數(shù)的安裝，并用兩個定位銷來定位。于是根據(jù)動片所受的力矩平衡條件可得：
即 （4-12）
式中： ；
（4-13）
或
代入數(shù)據(jù)得：
螺釘材料選取Q235.則
螺釘?shù)闹睆絤
所以選取M15的開槽盤螺釘。
5 手臂設(shè)計及計算校核
5.1 機械手手臂的設(shè)計要求
（1）臂部因伸縮過長，應(yīng)保證其剛度及強度，承載能力、控制重量；
（2）臂部運動速度要快速，且慣性沖擊要相對的小；
（3）減少臂部部件間的運動摩擦阻力，保證手臂結(jié)構(gòu)簡單緊湊；
（4）設(shè)置導(dǎo)向支承裝置，使手爪運動精準(zhǔn)，傳動及導(dǎo)向性精確。
5.2 手臂設(shè)計方案的制定
本設(shè)計的手臂按工作要求，應(yīng)要實現(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)及升降這三個運動，而回轉(zhuǎn)及升降運動則由機身來實現(xiàn)。
手臂伸縮機構(gòu)常見的有：1、雙導(dǎo)桿手臂伸縮機構(gòu)；2、雙層油缸空心結(jié)構(gòu)；3、雙活塞桿液壓結(jié)構(gòu)；4、活塞桿及齒輪齒條結(jié)構(gòu)；5、雙活塞伸縮油缸結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計要求，手臂需進行較大范圍的伸縮，且其為直線運動。因此，選雙活塞伸縮缸結(jié)構(gòu)，其可實現(xiàn)雙活塞運動，行程范圍較大。其結(jié)構(gòu)如圖5-1所示：
圖5-1 雙活塞伸縮油缸結(jié)構(gòu)示意圖
1.油缸體 2.活塞套 3.活塞桿
5.3 手臂設(shè)計及計算校核
5.3.1手臂驅(qū)動力的計算
手臂部件中的液壓缸做伸縮直線水平運動時，需克服運動中的摩擦、慣性等方面的阻力。具體情況是：當(dāng)壓力油輸入到工作腔中，驅(qū)動手臂伸出，在克服伸出的慣性力下，同時手臂表面與密封裝置及回油腔之間的摩擦力。受力情況如圖5-2所示：
圖5-2 手臂驅(qū)動受力分析示意圖
手臂液壓缸活塞的驅(qū)動力計算如：
（5-1）
(1)摩擦力的計算：
由 （5-2）
式中：—
—
—；
—當(dāng)支撐桿選取鑄鐵，則導(dǎo)向桿為鋼，摩擦系數(shù)取0.25，則=1.5×0.25=0.375。工件的總重量估計為1200N，L=656mm,a=160mm,代入公式得：
(2)密封裝置處的的計算：
本設(shè)計的密封圈采用O型，而當(dāng)液壓缸工作的壓力小于10Mpa時，其總摩擦阻力近似：
(5-3)
(3)慣性力計算：
（5-4）
式中：G總—
Dn—
Dt—0.01~0.5。
根據(jù)預(yù)定的機械手運動參數(shù)，可知臂部的運動速度220mm/s,即Dn=220mm/s,而Dt=0.2，G=1700N,則代入公式得：
(4) 回轉(zhuǎn)慣性阻力計算：
因為本機械手臂處涉及到直線伸縮運動，由于較小背壓阻力，故其回轉(zhuǎn)慣性可?。?
（5-5）
結(jié)合以上的計算得：
5.4 手臂液壓缸的工作壓力及結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.4.1確定液壓缸工作壓力
根據(jù)以上公式計算，確定了液壓缸基本驅(qū)動力F驅(qū)=4429.73N，根據(jù)表5-1選取液壓缸工作壓力P=1MPa;
表5-1 液壓缸工作壓力表
作用在活塞上外力F（N)
液壓缸工作壓力（Mpa)
作用在活塞上外力F（N)
液壓缸工作壓力（Mpa)
小于5000
0.8～1.0
20000～30000
2.0～4.0
5000～10000
1.5～2.0
30000～50000
4.0～5.0
10000～20000
2.5～3.0
50000以上
5.0～8.0
5.4.2確定液壓缸的尺寸
液壓缸內(nèi)徑計算，如圖5-3所示：
圖5-3 有桿液壓缸受力分析示意圖
液壓缸直徑計算公式：
( 5-6）
( 5-7）
式中：
代入公式得：
(5-8）
根據(jù)表4-2可知，液壓缸內(nèi)徑取D=80mm,液壓缸外徑按中等壁厚要求，其可取95mm.
5.4.3活塞桿的計算及校核
活塞桿尺寸需符合活塞運動及強度的要求，且對于桿長L大于直徑d(15倍以上的），按拉、壓的強度來計算：
(5-9）
設(shè)計中的活塞材料采用碳鋼，且碳鋼許用應(yīng)力為[]=110
則： (5-10)
根據(jù)活塞桿直徑系列表5-2可知，d=20mm,則活塞桿可滿足強度的要求；如表5-2所示：
表5-2 活塞桿直徑系列（GB/T2348-93)
10
12
14
16
18
20
22
25
28
30
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
對活塞桿進行穩(wěn)定性的校核，其穩(wěn)定性條件為：
（5-11）
式中：Pk—臨界力(N);
nk—安全系數(shù)，nk=2~4
按中長桿進行穩(wěn)定性校核，臨界力：
(5-12)
式中：F—活塞桿截面面積；
a，b—常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)，碳鋼a=461,b=2.47
λ—柔度系數(shù)，取70.
代入數(shù)據(jù)，臨界力為：
所以活塞桿滿足穩(wěn)定性的要求。
5.4.4計算液壓缸缸筒長度
液壓缸缸筒長度計算：
L=J+B+A+M+C (5-13)
5.4.5端蓋連接方式強度計算
（1）缸體材料選取無縫鋼，端蓋多采用半環(huán)鏈，易于加工和裝卸；但缺點是缸體開環(huán)會削弱強度。
（2）缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
根據(jù)液壓缸蓋與螺釘?shù)墓ぷ鲏毫﹃P(guān)系，缸蓋上螺釘?shù)拈g距應(yīng)小于150mm,則選擇螺釘數(shù)量為4個，根據(jù)πD/4=62.8≤150，輸出軸r=30mm,故滿足設(shè)計的要求。則螺釘所要承受的總拉力為：
,
故:
選取螺釘?shù)牟牧蠟镼235；則，
螺釘直徑為：
故選取公稱直徑10mm的螺釘。
6 機身設(shè)計及其計算校核
6.1 機械手機身的設(shè)計要求
(1)安裝一個機身回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可保證機身精度及剛度；
(2)應(yīng)保證機身具有合適的安裝基面，確保機械手工作穩(wěn)定性；
(3)機身與手臂的聯(lián)結(jié)處要有可靠的定位基準(zhǔn)面，確保各個部件關(guān)節(jié)的位置精度，且機身整體設(shè)計需符合安裝及調(diào)整的要求。
6.2 機身的設(shè)計方案制定
根據(jù)設(shè)計參數(shù)可知，機身設(shè)計與手臂設(shè)計關(guān)聯(lián)性，確定選用活塞油缸結(jié)構(gòu)能使機械手完成直線運動。而手臂升降運動則由安裝于機身上的花鍵軸套導(dǎo)向升降結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。它的特點是具有剛度大、活塞桿的直徑大及傳動平穩(wěn)。
當(dāng)升降缸上下運動時，上下兩腔通液壓油，同時活塞桿做升降運動，而花鍵軸套與花鍵軸進行導(dǎo)向作用。
實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)繁多，常用的有：齒輪傳動機構(gòu)、連桿機構(gòu)、鏈輪式傳動機構(gòu)、葉片式回轉(zhuǎn)缸等。本設(shè)計取葉片回轉(zhuǎn)缸使手臂回轉(zhuǎn)運動，而回轉(zhuǎn)缸位于升降缸上，則靠手臂部件與回轉(zhuǎn)缸上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸動片則與缸體連接，由缸體帶動手臂實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。
具體結(jié)構(gòu)如圖6-1所示：
圖6-1 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸的機身立柱結(jié)構(gòu)示意圖
6.3 機身的設(shè)計及計算校核
如圖所示，可知臂上升運動是靠油壓作用于活塞上的推力來實現(xiàn)的，其不要克服臂伸縮工作狀態(tài)下的四種阻力，而且還要克服臂部及手部、腕部、物料等的重量，故升降時手臂計算為：
(6-1)
G總—升降時，機械手及物料的總重量，而負號是用于手臂下降情況。其它公式符號同（5-1）。
(1)總重量的估算：
(2)計算中心與回轉(zhuǎn)軸線之間的距離：
所以 (6-2)
(3)摩擦力的計算：
(6-3)
故
(4)慣性力的計算：
而G總=1700N，，
由(5-4)公式：
(5)密封裝置的摩擦阻力計算:
本設(shè)計采用的升降結(jié)構(gòu)是O型密封圈，由已知液壓缸工作壓力小于10MPa,因此：
(6-4)
(6)由于背壓阻力很小，故可以忽略不計，。
把各個參數(shù)代入公式：
6.5 升降液壓缸的工作壓力及結(jié)構(gòu)設(shè)計
6.5.1液壓缸工作壓力的確定
根據(jù)驅(qū)動力查表5-1可得液壓工作壓力可取P=1MPa.
6.5.2液壓缸尺寸的確定
由液壓缸的計算直徑的公式，且已知驅(qū)動力，其工作壓力是P=1MPa,則代入(3-2)公式可得直徑為：
根據(jù)表4-1（JB826-66)，則可選標(biāo)準(zhǔn)液壓內(nèi)徑系列，于是其取D=80mm。
6.5.3液壓缸外徑的確定
根據(jù)外徑按中等壁厚的設(shè)計原則，據(jù)表4-2（JB1068-67）可知，其可取133mm.
6.5.4活塞桿的計算校核
活塞桿尺寸設(shè)計要符合活塞運動和剛度及強度要求，其計算公式同上，則可計算得：活塞直徑為36mm。
6.5.5 液壓缸缸筒長度的確定
其長度計算公式同上，已知J=500mm,C=60mm,D=80mm,則代入計算可得L=776mm。
6.5.6缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
螺釘受力的公式同上公式，且已知液壓缸的工作壓力P=1MPa,故可知螺釘?shù)拈g距應(yīng)小與150mm,取螺釘數(shù)為4個，又因為D=80mm,可由公式計算得：
螺釘?shù)牟牧线x取Q235， Z取4（t為螺釘?shù)拈g據(jù)）
代入公式得;
,所以公稱直徑可取6mm。
6.6 升降不自鎖條件分析計算
手臂在總重量作用的情況下有向下傾斜趨勢.但導(dǎo)套阻止手臂的這種趨勢，故不自鎖條件的要求是升降立柱能夠在導(dǎo)套內(nèi)自由下滑，需滿足：
h>2|r (6-5)
式中：|—摩擦系數(shù)，一般鋼對于鑄鐵的滑動摩擦系數(shù)取0.1，因考慮到其它摩擦副的作用，故|=0.16。
r—偏重力臂即指手臂等部件的總重量重心到立柱軸線間的距離。 當(dāng)r=0.685m，|=0.16時，h>0.2224m，故立柱導(dǎo)套須大于222.4mm。
6.7 回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作壓力及計算
本設(shè)計采用回轉(zhuǎn)液缸結(jié)構(gòu)，手臂驅(qū)動時產(chǎn)生的力矩與手臂起動時產(chǎn)生的慣性力矩、及各個密封裝置產(chǎn)生的摩擦阻力矩相平衡。假若軸承處的摩擦力矩忽略不計時，則驅(qū)動力矩的計算如下：
（6-6）
式中：
而計算：
（6-7）
式中：
（6-8）
（6-9）
式中：
回轉(zhuǎn)的部件可等效為一個直徑為100mm,長度為1500mm的圓柱體，總重量為165Kg.設(shè)置旋轉(zhuǎn)起動角度w=180°，而起動角速度為Dw =0.314rad/s，啟動時間設(shè)計為0.2s.代入公式得：
而為了計算簡便，密封處摩擦阻力矩?。?
由于回背阻力很小，故忽略不計，即：
所以
6.8 回轉(zhuǎn)缸尺寸的確定
6.8.1回轉(zhuǎn)缸油腔內(nèi)徑計算
（6-10）
式中：
初步設(shè)計按
動片寬度，可按
設(shè)計回轉(zhuǎn)缸動片寬b=60mm,工作壓力取6MPa,d=50mm,則：
根據(jù)表可選取液壓缸內(nèi)徑為90mm，其按壁厚的設(shè)計要求取中等壁厚，其外徑取108mm。
6.8.2回轉(zhuǎn)液壓缸缸蓋螺釘尺寸的確定
已知液壓缸的工作壓力為P=6MPa,故可知螺釘?shù)拈g距需小于80mm,輸出軸r=40mm可試選取螺