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目錄
摘要 1
關鍵詞 1
Abstract 1
Key words 1
前言 2
1.總體方案設計 2
2.手部設計 3
2.1 確定手部結構 4
2.2 手部受力分析 4
2.3 手部夾緊力的計算 5
2.4 手抓夾持誤差分析與計算 6
2.5 手部夾緊缸的設計計算 6
2.5.1 夾緊缸主要尺寸的計算 6
2.5.2 缸體結構及驗算 7
2.5.3 缸筒兩端部的計算 8
2.5.4 缸筒加工工藝要求 10
2.5.5 活塞與活塞桿的設計計算 10
3.臂部設計 12
3.1 臂部設計基本要求 12
3.2 臂部結構的確定 12
3.3 臂部設計計算 12
3.3.1 水平伸縮缸的設計計算 12
3.3.2 升降缸的設計計算 14
3.3.3 手臂回轉液壓缸的設計計算 15
4.液壓系統(tǒng)設計 16
4.1 系統(tǒng)參數(shù)的計算 16
4.1.1 確定系統(tǒng)工作壓力 16
4.1.2 各個液壓缸流量的計算 16
4.2設計液壓系統(tǒng)圖 17
4.3 選擇液壓元件 19
4.3.1泵和電機的選擇 19
4.3.2 選擇液壓控制閥和輔助元件 19
4.4根據(jù)動作要求編制電磁鐵動作順序表 20
5.控制系統(tǒng)設計 21
5.1 確定輸入、輸出點數(shù)，畫出接口端子分配圖 21
5.2 畫出梯形圖 21
5.3 按梯形圖編寫指令語句 23
6. 總結 24
參考文獻 25
致謝 26
28
抓件液壓機械手設計
摘要
機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置。目前液壓機械手被廣泛應用于工業(yè)領域中。使用機械手，可以實現(xiàn)生產(chǎn)加工的自動化，把人從繁重的體力勞動中解放出來。使用機械手可穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質量，提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。本次設計要求我們綜合運用液壓、機械、電控方面的知識，完成液壓機械手的設計，包括機械部分、液壓系統(tǒng)和PLC控制部分。機械部分是在力學計算的基礎上經(jīng)過結構分析進行設計，包括手部﹑手臂和機身。通常機械手的手部要求結構緊湊，重量輕，通用性好，夾持精度高。臂部則要求剛度好，重量輕，運動速度高，慣性小，動作靈活，位置精度高。液壓系統(tǒng)的設計包括液壓系統(tǒng)的計算和液壓元件的選用；PLC控制部分包括控制梯形圖的繪制及選擇控制元件。
關鍵詞
液壓機械手；液壓系統(tǒng)；設計；PLC
Abstract
Manipulator is a sort of automation device which has the function of grasp and transfer workpieces during the automated production. Today hydraulic manipulator is widely used in industry field. It can make the produce process automated and liberate the people from heavy physical labor. It can promote the quality of production and decrease the cost of production. In this design, we should use the knowledge of hydraulic, mechanism and electric control comprehensively to complete the design of hydraulic manipulator, including machine system, hydraulic and PLC control system. The mechanical part is designed on the basis of mechanics computation foundation after the structure analysis, including hand, arm and fuselage. Generally the manipulator’s hand should have four merits: compact structure, light weight, good universal property and high catch precision. Well, the arm should have merits that are good rigidity, light weight, high movement velocity, small inertia and flexible motion. The hydraulic system design including the hydraulic system computation and the selection of hydraulic components; The PLC control system design including plotting the ladder diagram and selecting the control component.
Key words
Hydraulic manipulator; hydraulic system; design; PLC
前言
機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。它是機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性（王承義，1995）。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用（王希敏，1992）。
機械手在工業(yè)生產(chǎn)中應用極為廣泛，這主要是因為它具有下列優(yōu)點：對環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險有害的工作；持久耐勞，動作準確，可穩(wěn)定和提高產(chǎn)品生產(chǎn)質量，避免人為操作錯誤；通用性好，動作靈活，能較好地適應產(chǎn)品品種的變化；可提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本（張軍，2004）。機械手按用途分為專業(yè)機械手和通用機械手。通用機械手具有獨立控制系統(tǒng)，程序可變，動作靈活可以改變。其工作范圍大，定位精度高，通用性強，適用于工件經(jīng)常變化的中、小批量自動化生產(chǎn)（李允文，1994）。
工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的。執(zhí)行機構由抓取部分、腕部、臂部等部件組成（李允文，1994）。對于執(zhí)行運動較簡單的機械手，可省去腕部的設計。驅動機械又有氣動、液動、電動、機械式四種形式，氣動和液動驅動方式較為常用。氣動式速度快，結構簡單，成本低，有較高的重復定位精度，但臂力一般在50牛頓以下。而液動式臂力大，可用電液伺服結構，能實現(xiàn)連續(xù)控制，使機械手的用途和通用性更廣（張雅琴，2004）。
液壓抓件機械手設計是一次比較完整的機電一體化整機設計。通過設計可以提高學生的機構分析與綜合分析的能力、機械結構設計的能力、機電一體化系統(tǒng)設計能力，掌握實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的設計方法。懂得如何將學過的知識應用到設計中去。
在機械手各部分的設計中，主要考慮了以下幾個方面：機械結構上，讓各部分的機構盡可能緊湊，自重和轉動慣量盡可能小，同時臂部和機身還要求有足夠的強度和剛度。除此之外，對臂部還要求運動速度高、慣性小、動作靈活，為之精度高。液壓部分的設計主要是確定好系統(tǒng)的工作壓力和流量。
這次設計使得我們對以往所學知識得到了鞏固和加深，熟悉了有關國家標準。初步掌握了機械手產(chǎn)品的設計一般步驟。培養(yǎng)了自身獨立工作的能力。
1.總體方案設計
根據(jù)課題設計任務書的要求，確定總體方案：
1. 抓重：10kg
2. 坐標形式：圓柱坐標
3. 自由度：3
4. 手臂運動參數(shù)：
運動名稱
符號
行程范圍
速度
伸縮
X
300mm
小于200mm/s
升降
Z
200mm
小于100mm/s
回轉
α
180°
小于90（°）/s
手指夾持范圍：棒料，半徑40mm～60mm。
定為方式：機械擋塊（行程開關）。
驅動方式：液壓驅動。
控制方式：PLC（可編程序控制）
定位精度：±2mm。
機械手的工作原理圖如圖1-1所示
手部1采用夾鉗式，具體為單支點回轉型夾緊機構。動力采用單作用液壓缸2驅動夾緊，反向則由彈簧復位而松開手指。
手臂的伸縮采用雙作用液壓缸３驅動，伸縮過程采用雙導管導向，在導向的同時，亦起到了一定的支撐作用，大大減少活塞桿的受力。夾緊缸的壓力油經(jīng)其中一導管進入缸內，此結構能使油管布置更加緊湊。
手臂的回轉采用擺動液壓缸４驅動，此擺動缸設計成輸出軸固定不動，而使缸體轉動從而帶動整個手臂回轉運動。
雙作用液壓缸5驅動手臂做升降運動
圖1-1 機械手工作原理圖
2.手部設計
手部（亦稱抓取機構）是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面處理等的不同，則機械手的手部機構是多種多樣的，大部分的手部結構是根據(jù)特定的工件要求而設計的（林建龍，王小北，2003）。常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持式和吸附式兩大類。本設計采用常用的夾鉗式手部結構，它是最常見的夾持式結構。
夾鉗式手部是由手指、傳動機構和驅動裝置三部分組成的，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸、盤和套類零件（殷際英，何廣平，2003）。一般情況下多采用兩個手指，少數(shù)采用三指或多指。本設計中的工件是棒料，所以選擇較簡單的兩指結構。
夾鉗式手部設計的基本要求：
1、應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力 手指握力（夾緊力）大小要合適，力量過大則動力消耗多，結構龐大，不經(jīng)濟，甚至會損壞工件；力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落。在確定握力時，除考慮工件總量外，還應考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，亦保證工件夾持安全可靠（楊永清等，2008）。對于手部的驅動裝置來說，應有足夠的驅動力。應當指出，由于機構傳動力比不同，在一定的夾持力條件下，不同的傳動機構所需驅動力的大小是不同的。
2、手指應具有一定的開閉范圍 手指應具有足夠的開閉角度或開閉距離，以便于抓取或退出工件。
3、應保證工件在手指內的夾持精度 應保證每個被夾持的工件，在手指內都有準確地相對位置。這對一些有方位要求的場合更為重要，如曲拐、凸輪軸一類復雜的工件，在機床上安裝的位置要求嚴格，因此機械手的手部在夾持工件后應保持相對的位置精度。
4、要求結構緊湊、重量輕、效率高 在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。
5、應考慮通用性和特殊要求 一般情況下，手部多是專用的，為了擴大它的適用范圍，提高它的通用化程度，以適應夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調整的辦法，如更換手指甚至更換整個手部。此外，還要考慮能適應工作環(huán)境提出的特殊要求，如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛錘沖擊力等。(李允文，1994)
2.1 確定手部結構
根據(jù)設計要求設計出的手部結構如圖2-1所示：
圖2-1 手部結構圖
圖中為手指對工件的夾緊力，F(xiàn)為夾緊缸活塞桿的推力。
2.2 手部受力分析
經(jīng)分析，手部受力圖如圖2-2所示
圖2-2 機械手手部受力分析圖
由圖可知，手部結構對稱，則
由 得
＝ 且＝
由 得
h=b 且＝
由幾何關系有 h＝
由上述等式可得：
FN＝ 即 F=
式中 b —手指回轉中心到夾緊力作用點之間的距離；
C —手指回轉中心到滑槽支點之間的距離；
—工件被夾緊時手指滑槽方向與回轉中心在水平方向的夾角。
2.3 手部夾緊力的計算
手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據(jù)。必須對其大小、方向和作用點進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。
手指對工件的夾緊力可按下式計算（李允文，1994）：
＝1.5×1.02×4×98=593N 取FN =600N
式中：K1—安全系數(shù)，取K1＝1.5；
K2—工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。取K2＝1.02；
K3—方位系數(shù)，根據(jù)工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定，K3＝4
G—被抓工件所受重力（N），G＝mg＝10×9.8＝98N。
則：
N
N
式中 —手指傳力效率，?。?.85。
2.4 手抓夾持誤差分析與計算
機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且還與手指的夾持誤差大小有關。在機械加工中，通常情況要求手抓的夾持誤差不超過±1mm就可以了。根據(jù)設計要求知棒料半徑為40mm～60mm。 則：
工件平均半徑：mm
取手指LAB為工件平均半徑的2倍：LAB＝2×50＝100mm
取V型鉗的夾角
偏轉角按最佳偏轉角確定：
計算mm
則定位誤差為和中的較大者。
∴＝＝0.821mm<1mm
夾持誤差滿足設計要求。
2.5 手部夾緊缸的設計計算
2.5.1 夾緊缸主要尺寸的計算
由前知，夾緊缸為單作用彈簧復位液壓缸，假設夾緊工件時的行程為25mm，時間為0.5s，則所需夾緊力為：
式中： F—活塞桿實際輸出力；
P彈—彈簧壓縮時的作用力。
其中：
式中： G—彈簧材料的剪切模量，對于鋼材，；
D—彈簧的鋼絲直徑（3mm）；
DZ—彈簧中徑（30mm）；
Z—彈簧的有效圈數(shù)（18圈）；
L及S—活塞的行程及彈簧的與預縮量，L=25mm, S=20mm。
∴ F=2647+462=3109N<5000N
查表 工作壓力取1，考慮到為使液壓缸結構尺寸簡單緊湊，取工作壓力為2。
由公式 得：
式中: D—液壓缸內徑；
P—液壓缸工作壓力；
—液壓缸工作效率，＝0.95。
由JB826－66標準系列將缸內徑圓整為D＝50mm，同理查得活塞桿直徑d＝32m，
2.5.2 缸體結構及驗算
缸體采用45號鋼無縫鋼管，由JB1068－67查得可取缸筒外徑為60m，則壁厚＝5mm。
（1）液壓缸額定工作壓力應低于一定極限值，以保證工作安全（李壯云，2008）。
式中： D—缸筒內徑（m）；
D1—缸筒外徑（m）；
σs—缸筒材料的屈服點，（45號鋼為340）。
已知工作壓力PN＝2<36.36，故安全。
（2）為避免缸筒在工作時發(fā)生塑形變形，液壓缸的額定壓力PN值應與塑性變形壓力有一定的比例范圍。
PN≤（0.35～0.42）PPl
式中：PPl－缸筒發(fā)生完全塑性變形時的壓力（），。
計算可得：
已知實際工作壓力PN＝2<21.67,故安全。
（3）缸筒爆裂壓力應遠遠大于耐壓試驗壓力PT。
查表知45號鋼，則：
取1.5＝3，可知遠遠大于耐壓實驗壓力。
2.5.3 缸筒兩端部的計算
（1）缸筒底部厚度的計算
此夾緊缸采用了平行缸底，且底部設有油孔，則底部厚度為（李壯云，2008）：
考慮結構要求，取h＝10mm
式中： D—缸筒內徑；
Pmax—液壓缸最大工作壓力，取Pmax＝2PN＝4。
—缸底材料的許用應力（），材料為45號鋼，＝600。則
＝，n為安全系數(shù)，取n＝5。
（2）缸筒底部聯(lián)接強度計算
缸筒底部采用外卡環(huán)聯(lián)接，材料為35號鋼，聯(lián)接圖如下：
圖2-3 外卡環(huán)聯(lián)接圖
卡環(huán)尺寸一般取：
;
外卡環(huán)側面上的擠壓應力（）為:
缸筒危險截面上的拉應力（）為:
故知缸筒底部聯(lián)接安全。
（3）缸筒端部聯(lián)接強度計算
缸筒端部與手指是用螺釘聯(lián)接，聯(lián)接圖如下：
圖2-4 螺釘聯(lián)接圖
螺紋處的拉應力：
螺紋處的剪應力：
則合成應力：
則知螺紋連接處安全可靠。
式中： K—擰緊螺紋的系數(shù)，取K＝3；
K1—螺紋連接處的摩擦系數(shù)K1＝0.12；
d0—螺紋外徑（m），d0＝0.005m；
d1—螺紋底徑（m），d1＝0.004134m；
Z—螺釘數(shù)量 Z＝4。
2.5.4 缸筒加工工藝要求
(1）缸筒內徑采用H8配合。表面粗糙度：活塞采用橡膠密封圈密封，取，需研磨加工處理。
（2）缸筒內徑的圓度公差值可按9、10或11級精度選取，圓柱度公差值可按8級精度選取(下為缸筒機加工圖)
圖2-5 缸筒機加工圖
（3）缸筒端面的垂直度公差值按7級精度選取
（4）為了防止腐蝕和提高壽命，缸筒內表面應鍍以厚度為的鉻層，鍍后進行拋光（李柱，2004）。
2.5.5 活塞與活塞桿的設計計算
（1）活塞設計
活塞的外徑與缸筒內徑一致為D=50mm，活塞寬度B一般為活塞外徑的0.6～1.0倍， 這里取為0.8倍，則B＝0.8×50＝40mm。因是單作用彈簧缸，活塞與活塞桿采用較簡單的螺紋連接?；钊c缸筒內壁采用O型密封圈密封（王懋瑤，2004）。活塞結構如下：
圖2-6 活塞結構圖
對于無導向環(huán)活塞的材料，一般選用高強度鑄鐵HT200或球墨鑄鐵(陳大先，2004)，這里我們選用HT200。
加工上，活塞外徑D對孔軸線的徑向圓跳動公差值，可按7、8級精度加工，同時其圓柱度公差值，按9、10級選取；端面T對軸線的垂直度公差值按8級精度加工；外表面粗糙度控制在之間。
（2）活塞桿設計
由前知活塞桿的直徑d＝32mm，活塞一端用螺紋與活塞相連接，另一端也采用外螺紋與手指連接（如圖）
圖2-7 活塞桿外端部結構圖
活塞桿直徑d＝32mm，故取，A＝40mm （螺紋長短型）
活塞桿結構（如圖）采用實心桿
圖2-8 活塞桿結構圖
桿體材料采用35號鋼，加工后調質到硬度為229～285HBS，必要時，再經(jīng)高頻淬火，硬度達45～55HRC。活塞桿直徑d的圓柱度公差值，應按8級精度加工，其圓度公差值，應按9、10級精度加工；端面T的垂直度公差值應加工成7級精度；外圓表面粗糙度應處于0.4～0.8 之間（鄭修本，1999）。
驗算活塞桿的強度
取活塞桿的計算長度為150mm，活塞桿已知32mm 則 ，屬于短行程活塞桿，主要驗算抗拉強度。
已知d＝32mm，故安全。
式中：F—液壓缸最大推力，F(xiàn)取1.5×3109＝4663.5；
D—活塞桿直徑，ns—安全系數(shù)，一般取ns＝3；
—活塞桿材料屈服極限（），查資料知35號鋼為310
3.臂部設計
手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。
臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內的任意一點。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右回轉和升降（或俯仰）運動。
手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或氣缸）和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既承受手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動有較多，故受力復雜。因而，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機械手的工作性能。（李允文，1994）
3.1 臂部設計基本要求
臂部設計首先要實現(xiàn)所旭要求的運動，為此，要滿足下列幾項要求：
（1） 臂部應承載能力大、剛度好、自重輕；
（2） 臂部運動速度要高，慣性要??；
（3） 手臂動作應靈活；
（4） 位置精度要高。
除此之外，要求機械手的通用性好，能適應多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手還要設置防塵裝置等。
3.2 臂部結構的確定
（1）由前知，手臂的伸縮采用雙導向桿狀作用液壓缸手臂結構，導向管在導向套內移動，且導向管內設有通向夾緊缸的油管。活塞桿只受拉壓作用，受力簡單，傳動平衡，外形整齊美觀，結構緊湊。
（2）手臂的水平回轉采用液壓擺動缸驅動。
（3）.手臂的升降采用雙作用液壓缸驅動。
3.3 臂部設計計算
3.3.1 水平伸縮缸的設計計算
（1）驅動力計算
根據(jù)液壓缸運動時所需克服的摩擦、回油背壓及慣性等幾方面的阻力，來確定液壓缸所需的驅動力。
理論驅動力：
估算參與手臂運動部件總重量 ，且重心位置距導向套前端面距離為200mm。
的計算：
由于導向桿對稱布置，導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。
由 知
則：
又 則
∴
式中： L—重心距導向套前端距離（200mm）；
—導向套長度（60mm）；
—當量摩擦系數(shù)，?。?.15。
F摩的計算：
當液壓缸的工作壓力小于10?；钊麠U直徑為液壓缸直徑的一半，則活塞和活塞桿都采用型密封圈，此時液壓缸的密封阻力為：
F回的計算：一般背壓阻力較小，F(xiàn)回?。?.05F驅
F慣的計算：
式中；－由靜止加速到常速的變化量（m/s）；
－ 起動過程時間（s），一般取0.01～0.5s，這里取＝0.2s。
則： 得出F理＝408N
實際驅動力 ；
式中：k—安全系數(shù) k＝2；—傳力機構機械效率 ＝0.8。
（2）結構尺寸的確定
缸內徑計算：
取工作壓力P＝2，則：
，圓整為D＝32mm。
根據(jù)強度要求，計算活塞桿直徑d：
，—材料許用應力，碳鋼?。?00。
考慮結構要求，取
壁厚計算：
此缸工作壓力為2，屬低壓，則缸筒壁厚采用薄壁計算公式（成大先，2004）：
，?。?mm。
聯(lián)接螺釘強度計算：
取螺釘數(shù)目Z＝4，工作載荷：
預緊力。
則，查手冊取螺紋直徑d1＝6mm，螺距p＝0.75，材料為35號鋼的內六角螺釘。
3.3.2 升降缸的設計計算
（1）驅動力計算
經(jīng)分析易知，升降缸在上升階段所需驅動力為最大，則以此為設計依據(jù)，此時相比伸縮缸，其驅動力還應加上手部上面各運動部件以及工件的重力。
理論驅動力；， 估算G總＝450N
F摩的計算：；
F密的計算：同理 ；
F回的計算：回油背壓小，取F回＝0.05F驅；
F慣的計算：。
則： 得出F理＝810N
實際驅動力
（2）結構尺寸的確定
缸內徑計算：
取工作壓力P＝2，則：
，圓整到D＝40mm
根據(jù)強度要求，計算活塞桿直徑d：
，同理取。
結構上，活塞桿內部裝有花鍵及花鍵套，能實現(xiàn)導向作用，同時可使活塞桿在升降運動中傳動平穩(wěn)，且獲得較大剛度。
壁厚同伸縮缸一樣，?。?mm。
聯(lián)接螺釘強度計算：
取螺釘數(shù)目Z＝4，工作載荷
預緊力。
則，查手冊取螺紋直徑d1＝6mm，螺距p＝0.75，材料為35號鋼的內六角螺釘。
3.3.3 手臂回轉液壓缸的設計計算
（1）驅動力矩的計算
驅動手臂水平回轉所需要的驅動力矩M驅應該與手臂啟動時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣及各密封裝置處的摩擦力矩M封相平衡，若軸承處的摩擦力忽略不計：則，在設計計算時，為簡化計算，可不計M封。直接計入回轉缸效率中，則 ，取0.9。
式中：—角速度變化量（rad/s），在起動過程中＝；
—起動過程時間，0.05～0.5s，取＝0.1s；
J0—手臂回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量（）。
經(jīng)分析知，當手臂完全伸出時，此時達到最大值，估算此時回轉零件的重心到
轉軸線的距離為＝150mm，則：
＝10.68
式中：Jc—回轉零件對重心軸線的轉動慣量；
m—回轉零件的總質量。
則
（2）回轉缸參數(shù)的計算
擺動缸驅動力
式中：D—回轉缸內徑（m）；
d—轉軸直徑（m）；
P—回轉缸工作壓力，取p＝2。
B—動片寬度（m）。
為了減少動片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度（即液壓缸寬度）時，可選用
，這里取，且D=2d。
經(jīng)計算得：d＝47mm，取d＝50mm，則D＝100mm，b＝75mm。
（3）缸蓋聯(lián)接螺栓和動片聯(lián)接螺釘強度計算
缸蓋聯(lián)接螺栓計算：
取螺栓數(shù)目Z＝8
工作載荷
計算載荷
螺栓內徑應滿足：。查手冊取d1＝10mm，公稱長度L＝100mm的六角頭螺栓。
動片聯(lián)接螺釘?shù)挠嬎悖?
螺釘數(shù)一般取雙數(shù)，對稱安裝，并用兩個銷釘定位。取Z=6，則：
式中：FQ—每個螺釘?shù)念A緊力；
—被聯(lián)接件配合面件的摩擦系數(shù)，鋼對鋼?。?.15。
螺釘內徑，查手冊取d1＝10mm，螺距p＝1.5mm的內六角螺釘。
（4）軸承的選擇
軸承主要承受向心力，且轉速較低，故選用深溝球軸承，型號為：
6005 d－D－B：25－47－12
（注：除夾緊缸外的另外三個缸的其它參數(shù)計算和校核，可參考夾緊缸部分。）
4.液壓系統(tǒng)設計
4.1 系統(tǒng)參數(shù)的計算
4.1.1 確定系統(tǒng)工作壓力
由前計算知，各缸的設計工作壓力均為2，則系統(tǒng)工作壓力還應加上回路上油管及各管接頭的壓力損失，。因此液壓系統(tǒng)較為簡單，估算＝0.5。則Ps=2+0.5=2.5。
4.1.2 各個液壓缸流量的計算
液壓系統(tǒng)所需流量為各液壓缸的最大流量（張利平，2005）。當各缸為無桿腔進油時，此時即為各缸的最大流量，因此，在此只計算無桿腔的流量。
（1）夾緊缸流量計算
假設夾緊缸在夾緊過程中的行程為＝25mm，所需時間t＝0.5s，則平均速度為:
已知缸內徑D=50mm＝5cm，則所需流量：
（2）手臂伸縮缸流量計算
由前知，伸縮缸行程為＝300mm，假設運動時間＝2s，則平均速度為：
已知缸內徑D＝32mm＝3.2cm，則所需流量：
（3）手臂升降缸流量計算
由前知，升降缸行程＝200mm，假設運動時間為＝2s，則平均速度為：
已知缸內徑D＝40mm＝4cm，則所需流量：
（4）手臂回轉缸流量的計算
假設回轉角度為，時間為2.5s，又已知D＝100mm，d＝50mm，b＝75mm。
則所需流量：
由以上計算可知，各缸的最大流量為＝21.18，則系統(tǒng)流量應以此為設計依據(jù)，此時液壓泵的流量為：
式中： K—泄漏系數(shù)，一般取K＝1.1～1.3，這里取K＝1.1。
4.2設計液壓系統(tǒng)圖
（1）換向回路 夾緊缸換向選用二位三通電磁換向閥，其它缸全部選用O型三位四通電磁換向閥。選電磁閥易于實現(xiàn)機械手的自動控制，選中位為O型可使定位準確，如圖4-1。
圖4-1 換向回路
（2）調速回路 本系統(tǒng)較為簡單，故選用簡單的進油路節(jié)流閥調速。同時選用單泵供油，力求獲得較好的經(jīng)濟性，如圖4-2。
圖4-2調速回路
（3）系統(tǒng)的安全可靠性 為防止夾緊缸壓力受系統(tǒng)壓力波動的影響，導致夾緊力過大而損壞工件，或因壓力過低無法夾緊工件，則需在油路上加減壓閥保證夾緊缸的壓力恒定不變。同時，為防止手臂升降缸在工作中因自重而下滑，可采用單向順序閥來平衡（楊春杰，2004），如圖4-3。
圖4-3 升降缸防滑保護回路
（4） 合成并完善液壓系統(tǒng)圖 將上述各回路進行組合并加上卸荷及測壓油路完善
整個液壓系統(tǒng)圖，如圖4-4。
圖4-4 機械手液壓系統(tǒng)圖
4.3 選擇液壓元件
4.3.1泵和電機的選擇
由前計算知，，。根據(jù)《液壓傳動手冊》選：
CB-B20，n＝1450r/min， ，
電動機的選用：取泵的總效率＝0.65，則
選電動機：YZC100L1-4，N＝2.2kW，n＝1430r/min。
4.3.2 選擇液壓控制閥和輔助元件
根據(jù)控制閥的額定壓力和額定流量大于系統(tǒng)最高壓力和流量的原則，選擇控制閥及輔助元件（黎啟柏，1999），如表4-1所示：
表4-1 液壓元件表
序號
元件名稱
型 號
規(guī) 格
數(shù) 量
1
線隙式濾油器
XU-25×200
25L/min
1
3
溢流閥
P-B25B
2.5 Ф10mm
1
4
電磁換向閥
22D-25B
2.5 Ф10mm
1
5,15，25
單向閥
L-25B
6.3 Ф10mm
2
6
壓力表
Y－60
0～4
1
7，8，9
電磁換向閥
34D－10B
6.3 Ф10mm
3
10
電磁換向閥
23D－10B
6.3 Ф10mm
1
11，12，13，14
節(jié)流閥
L－10B
6.3 Ф10mm
4
16
單向順序閥
XL－B25B
2.5 Ф10mm
1
21，22
壓力繼電器
DP1—63B
1.0～6.3
2
23
減壓閥
J—10B
1
24
壓力表開關
E-6B
1
4.4根據(jù)動作要求編制電磁鐵動作順序表
（1）機械手動作要求：
回轉工位1
升降工位1
伸縮工位1
夾緊工件
伸縮工位2
升降工位2
放松工件
回轉工位2
圖4-5 機械手動作順序圖
（2）繪制電磁鐵動作順序表：
表4-2 電磁鐵動作順序表
動作循環(huán)
電 磁 鐵
1
2
3
4
5
6
7
8
手臂伸縮
手臂伸出
+
手臂縮回
+
手臂升降
手臂上升
+
手臂下降
+
手臂回轉
正轉
+
反轉
+
手指夾緊
夾緊
+
松開
原位卸荷
+
5.控制系統(tǒng)設計
本機械手采用PLC(可編程序控制器)進行控制，通過控制各電磁換向閥，從而控制油液方向，實現(xiàn)機械手的順序動作。使用PLC進行控制，可輕易的更改用戶程序以適應機械手工藝流程變更的要求（張雅琴，2006）。
5.1 確定輸入、輸出點數(shù)，畫出接口端子分配圖
經(jīng)分析知，該機械手控制系統(tǒng)需12個輸入端口，9個輸出端口。選用三菱F1-40M型主機，該微機有24個輸入端口，16個輸出端口。接口分配圖如下：
輸入端口 輸出端口
圖5-1 接口端子分配圖
5.2 畫出梯形圖
根據(jù)機械手動作順序圖（圖4-5）及電磁鐵動作順序表（表4-2），畫出控制系統(tǒng)的程序梯形圖如下所示：
圖5-2 梯形圖
5.3 按梯形圖編寫指令語句
按上述梯形圖編寫的指令語句如下表：
表5-1 指令語句表
步序
指令
地址號
步序
指令
地址號
00
LD
X502
37
SFT
M100
01
OR
Y530
38
LD
M107
02
ANI
X503
39
AND
X406
03
OUT
Y530
40
SFT
M100
04
LD
X406
41
LD
M101
05
AND
X407
42
OUT
Y432
06
ANI
M101
43
LD
M102
07
ANI
M102
44
OUT
Y436
08
ANI
M103
45
LD
M103
09
ANI
M104
46
OUT
Y434
10
ANI
M105
47
LD
M104
11
ANI
M106
48
S
M201
12
ANI
M107
49
LD
M201
13
ANI
M110
50
OUT
Y430
14
OUT
M100
51
LD
M105
15
LD
T451
52
OUT
Y435
16
RST
M100
53
LD
M106
17
LD
M100
54
OUT
Y433
18
AND
X400
55
LD
M107
19
SFT
M100
56
OUT
Y437
20
LD
M101
57
LD
M110
21
AND
X404
58
OUT
T451
22
SFT
M100
59
K
3
23
LD
M102
60
R
M201
24
AND
X403
61
LD
X500
25
SFT
M100
62
S
M202
26
LD
M103
63
LD
X406
27
AND
X402
64
AND
X407
28
SFT
M100
65
AND
M202
29
LD
M104
66
OR
Y431
30
AND
X401
67
ANI
X501
31
SFT
M100
68
OUT
Y431
32
LD
M105
69
R
M202
33
AND
X405
70
END
34
SFT
M100
35
LD
M106
36
AND
X407
6. 總結
該機械手的爪部采用單支點推力夾緊機構，重量輕，結構簡單，夾持精度高，且夾緊缸利用彈簧復位，減少了回油路的設計，使液壓系統(tǒng)得到了一定的簡化。臂部的伸縮采用雙導向桿手臂伸縮機構，手臂伸縮缸安裝在兩導桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，受力簡單，傳動平穩(wěn)，并且通向夾緊缸的油路經(jīng)過其中一導向桿，這簡化了油管的布置，使線路更為緊湊。在手臂升降缸的設計中，采用了花鍵和花鍵套，兩者相互配合，不僅能夠實現(xiàn)良好的導向作用，使傳動平穩(wěn)可靠，而且增大了整個缸的剛度。控制方面，采用移位指令SFT實現(xiàn)機械手過程的步進控制。這種設計方法解決了一般邏輯組合順序控制方法必須考慮自鎖、互鎖、記憶等環(huán)節(jié)的問題，使得程序設計大為簡化。該機械手的整個設計過程主要本著結構簡單、外形輕巧、成本低廉的原則。
由于水平有限，整個機械手設計工作量很大，難以全面考慮設計中的各個環(huán)節(jié)，因此設計中定有不足之處，望各位老師予以批評指正。
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致謝
在論文完成之際，我首先向我的指導老師陳紅教授表示真摯的謝意!在論文的選題、方案的確定和參考資料的選擇方面中給予了悉心指導和諄諄教誨；在課題研究方面給我提供的先進的設計理念和治學為人之道，使得課題得以順利完成。老師淵博的知識、敏捷的才思、治學嚴謹和誨人不倦的精神以及勤奮的工作熱情也給與我深刻的印象，是我在以后的學習和工作中的榜樣，我再次向老師表示深深的謝意！
感謝我的父母、親人，正是他們的關心、支持、理解和幫助才使我的論文得以順利完成。
最后向百忙之中評閱論文的各位專家、教授表示我衷心的感謝