多自由度機械手課程設(shè)計

1、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計設(shè)計題目：多自由度機械手機電系統(tǒng)設(shè)計內(nèi) 裝：1. 設(shè)計說明書2. 裝配圖3. 控制電路原理圖4. .專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：葉大鵬 方兵完成日期：2014.1.12成 績：福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計說明書設(shè)計題目： 多自由度機械手機電系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 院： 金山學(xué)院 專業(yè)年級： 10機械 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 葉大鵬 方兵 2014年1月14日一、總體方案設(shè)計51.1 設(shè)計任務(wù)51.2 總體方案確定51.2.1機械手基本形式的選擇51.2.2機械手的主要部件及運動51.2.3驅(qū)動機構(gòu)的選擇51.2.4 機

2、械手的技術(shù)參數(shù)列表5二、機械系統(tǒng)設(shè)計62.1機械手手部的設(shè)計計算62.1 .1手部設(shè)計基本要求62.1.2 典型的手部結(jié)構(gòu)62.1.3機械手手抓的設(shè)計計算62.1.4.機械手手抓夾持精度的分析計算102.1.5彈簧的設(shè)計計算112.2腕部的設(shè)計計算132.2.1 腕部設(shè)計的基本要求132.2.2典型的腕部結(jié)構(gòu)142.2.3 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的選擇142.2.4 腕部的設(shè)計計算142.3臂部的設(shè)計及有關(guān)計算172.3.1 臂部設(shè)計的基本要求172.3.2 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇182.3.3 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定202.4機身的設(shè)計計算212.4.1 機身的整體設(shè)計212.4.2

3、機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計計算222.4.3 機身升降機構(gòu)的計算252.4.4 軸承的選擇分析27三、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計273.1可編程序控器的簡介273.2 PLC的結(jié)構(gòu)，種類和分類283.3 FX2n系列三菱PLC特點293.4 接近開關(guān)傳感器303.5 I/O接口簡介313.6 行程開關(guān)的介紹313.6.1 行程開關(guān)的概念313.6.2 行程開關(guān)的作用及原理313.7電路的總體設(shè)計323.7.1回路的設(shè)計323.7.2 系統(tǒng)輸入/輸出分布表333.7.3機械手的程序設(shè)計343.7.4 步進電機的運行控制34四、參 考 文 獻35一、總體方案設(shè)計1.1 設(shè)計任務(wù)基本要求: 設(shè)計一個多自由度機械手

4、（至少要有三個自由度）將最大重量為4Kg的工件，由車間的一條流水線搬到別一條線上；二條流水線的距離為：460mm；工作節(jié)拍為：8s；工件：最大直徑為48mm 的棒料；1.2 總體方案確定1.2.1機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標型機械手;(2)圓柱坐標型機械手; ( 3)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關(guān)節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標 。圖1.1 是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B。圖1.1 機械手基本形式示意1.

5、2.2機械手的主要部件及運動在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計關(guān)于機械手具有5個自由度既：手抓張合；手部回轉(zhuǎn)；手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降5個主要運動。本設(shè)計機械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成：（1）手部，采用一個直線液壓缸，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手抓的張合。（2） 腕部，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)（3）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平動1.2m。（4）機身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。1.2.3驅(qū)動機構(gòu)的選擇驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)

6、機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動力大等優(yōu)點。因此，機械手的驅(qū)動方案選擇液壓驅(qū)動。1.2.4 機械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途：搬運:用于傳送帶間搬運二、設(shè)計技術(shù)參數(shù):1、抓重:4Kg (夾持式手部)2、自由度數(shù):5個自由度3、座標型式:圓柱座標4、最大工作半徑:460mm5、手臂最大中心高:1248mm6、手臂運動參數(shù)伸縮行程：148mm伸縮速度：83mm/s升降行程：300mm升降速度：67mm/s回轉(zhuǎn)范圍：01807、手腕運動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍：0180二、機械系統(tǒng)設(shè)計2.1機械手手部的設(shè)計計算2.1 .1

7、手部設(shè)計基本要求（1） 應(yīng)具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。應(yīng)當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。（2） 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度），以便于抓取工件。（3） 要求結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。（4） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。2.1.2 典型的手部結(jié)構(gòu)（1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。（2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復(fù)運動。（3）平面平移型。2.1.3機械手手抓的設(shè)計計算1.選擇手抓的類型及夾緊裝置本設(shè)計是設(shè)計平動搬

8、運機械手的設(shè)計，考慮到所要達到的原始參數(shù)：手抓張合角=，夾取重量為4Kg。常用的工業(yè)機械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設(shè)計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結(jié)構(gòu)簡單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指, 驅(qū)動力需加在手指移動方向上,這樣會使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。通過綜合考慮，本設(shè)計選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式

9、。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機械手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機械手手指張開。2 .手抓的力學(xué)分析下面對其基本結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析：滑槽杠桿 圖3.1（a）為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。(a) (b)圖3.1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析1手指 2銷軸 3杠桿在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點，交和的延長線于A及B。由=0 得 =0 得 由=0 得h F= （3.1）式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離（mm）. 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。

10、由分析可知，當驅(qū)動力一定時，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=。3.夾緊力及驅(qū)動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： （3.2）式中 安全系數(shù)，通常1.22.0； 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋，重力方向的最大上升加速度； 運載時工件最大上升速度 系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.030.5s 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置

11、不同進行選擇。 G被抓取工件所受重力（N）。表3-1 液壓缸的工作壓力作用在活塞上外力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50000.8120000300002.04.05000100001.52.030000500004.05.010000200002.53.050000以上5.08.0計算：設(shè)a=100mm,b=50mm,;機械手達到最高響應(yīng)時間為0.5s，求夾緊力和驅(qū)動力和 驅(qū)動液壓缸的尺寸。(1) 設(shè) =1.02 根據(jù)公式，將已知條件帶入： =1.5 （2）根據(jù)驅(qū)動力公式得： =1378N （3）取 （4）確定液壓缸的直徑D 選取活塞桿直徑d=0

12、.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.81MPa, 根據(jù)表4.1（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm則活塞桿內(nèi)徑為:D=630.5=31.5mm，選取d=32mm4. 手抓夾持范圍計算為了保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34mm。手抓夾持范圍，手指長100mm,當手抓沒有張開角的時候，根據(jù)機構(gòu)設(shè)計，它的最小夾持半徑，當張開時，如圖3.2（b）所示，最大夾持半徑計算如下： 機械手的夾持半徑從4090mm 圖3.2 手抓張開示意圖2.1.4.機械手手抓夾持精度的分析計算機械手的精度設(shè)計要求工件定位準確,抓取精度高,重復(fù)定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能。機械手能否準確夾持

13、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來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進行機械手的夾持誤差。圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖該設(shè)計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。機械手的夾持范圍為80mm48mm。一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：工件的平均半徑：手指長,取V型夾角偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：計算 當S時帶入有：夾持誤差滿足設(shè)計要求。2.1.5彈簧的設(shè)計計算選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計算如下。圖3.4 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)(1).選擇硅錳彈簧鋼，

14、查取許用切應(yīng)力(2).選擇旋繞比C=8，則 （3.3）(3).根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=42mm，估算彈簧絲直徑 (4).試算彈簧絲直徑 （3.4）(5). 根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （3.5）選擇標準為，彈簧的總?cè)?shù)圈(6).最后確定，(7).對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象壓縮彈簧的長細比，本設(shè)計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選取： 當兩端固定時，,當一端固定；一端自由時，；當兩端自由轉(zhuǎn)動時，。結(jié)論本設(shè)計彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。(8).疲勞強度和應(yīng)力強度的驗算。對于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，

15、還應(yīng)該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應(yīng)力強度進行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時，可只進行靜應(yīng)力強度驗算）?，F(xiàn)在由于本設(shè)計是在恒定載荷情況下，所以只進行靜應(yīng)力強度驗算。計算公式： ；選取1.31.7（力學(xué)性精確能高） 結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應(yīng)。2.2腕部的設(shè)計計算2.2.1 腕部設(shè)計的基本要求（1） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動

16、的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。（3） 必須考慮工作條件對于本設(shè)計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。2.2.2典型的腕部結(jié)構(gòu)(1) 具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用。回轉(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于）。(2) 齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛

17、式臂部。(3) 具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。(4) 機-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。2.2.3 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的選擇 本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動。2.2.4 腕部的設(shè)計計算1. 腕部設(shè)計考慮的參數(shù) 夾取工件重量4Kg，回轉(zhuǎn)。2. 腕部的驅(qū)動力矩計算（1） 腕部的驅(qū)動力矩需要的力矩。（2） 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩。夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量4Kg，當手部回轉(zhuǎn)時，計算 力矩：（1） 手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，高為220mm，

18、直徑120mm，其重力估算G=3.14（2） 擦力矩。（3） 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角速度。 （4.1）查取轉(zhuǎn)動慣量公式有：代入： ；3. 腕部驅(qū)動力的計算表4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表4-1設(shè)缸體內(nèi)空半徑R=110mm，外徑根據(jù)表3-2選擇121mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為226mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖4.1所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓

19、力，選擇8Mpa圖4.1 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意表4.2 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）液壓缸內(nèi)徑40 5063809010011012514015016018020020鋼P5060769510812113316814618019421924545鋼506076951081211331681461801942192454. 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎銏D4.2 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)0.51.5小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.010.0小于80缸蓋螺釘?shù)挠嬎?，如圖4.2所示，t為螺釘?shù)拈g

20、距，間距跟工作壓強有關(guān)，見表4.3，在這種聯(lián)結(jié)中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力 （4.2）計算：液壓缸工作壓強為P=8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇8個螺釘，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=8個 危險截面； ； 所以 =11863.3+10545=19772N螺釘材料選擇Q235，（）螺釘?shù)闹睆?（4.4）螺釘?shù)闹睆竭x擇d=16mm.5.動片和輸出軸間的連接螺釘（1） 動片和輸出軸間的連接螺釘動片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見上圖。連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。 于是得 (4.5)D動片的外徑；f被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對

21、銅取f=0.15螺釘?shù)膹姸葪l件為 (4.6)或 (4.7)帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得螺釘材料選擇Q235，則（）螺釘?shù)闹睆?螺釘?shù)闹睆竭x擇d=12mm.選擇M12的開槽盤頭螺釘。2.3臂部的設(shè)計及有關(guān)計算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。手臂運動應(yīng)該包括3個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的伸縮運動，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動設(shè)置在機身處，將在下一章敘述。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動

22、。手臂的各種運動通常用驅(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，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。 2.3.1 臂部設(shè)計的基本要求一、 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕（1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。（2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離。（3） 合理布置作用力的位置和方向。（4） 注意簡化結(jié)構(gòu)。（5） 提高配合精度。二、 臂部運動速度要高，慣性要小機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設(shè)計在100

23、01500mm/s,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在180/s內(nèi)，大部分平均移動速度為1000mm/s，平均回轉(zhuǎn)角速度在90/s。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有3個途徑：（1） 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。（2） 減少臂部運動件的輪廓尺寸。（3） 減少回轉(zhuǎn)半徑，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作。（4） 驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。三、手臂動作應(yīng)該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件

24、布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件?？偨Y(jié)：以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美的、性能良好的機械手。2.3.2 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇1. 手臂的典型運動機構(gòu)常見的手臂伸縮機構(gòu)有以下幾種：（1） 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機構(gòu)。（2） 手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。（3） 雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。（4） 活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)。2. 手臂運

25、動機構(gòu)的選擇通過以上，綜合考慮，本設(shè)計選擇雙導(dǎo)桿伸縮機構(gòu)，使用液壓驅(qū)動,液壓缸選取雙作用液壓缸。3. 手臂直線運動的驅(qū)動力計算先進行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)的主要尺寸，再進行校核計算，修正設(shè)計。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅(qū)動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定液壓缸所需要的驅(qū)動力。液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算。 (5.1)4. 手臂摩擦力的分析與計算分析：摩擦力的計算 不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進行估算。上圖是機械手的手臂示意圖，本設(shè)計是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮崗

26、兩側(cè)。圖 5.1 機械手臂部受力示意計算如下：由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個導(dǎo)向桿計算。 ，得 ， ，得 ， (5.2)式中 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L手臂與運動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m）,參考上一節(jié)的計算; a導(dǎo)向支撐的長度（m）; 當量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。對于圓柱面：摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取=0.10.15鋼對鑄鐵：取=0.180.3導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 ，L=1.69-0.028=1.41m,導(dǎo)向支撐a設(shè)計為0.016m將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進行計算5.手臂慣性力的計算本設(shè)計要求手

27、臂平動是V=,在計算慣性力的時候,設(shè)置啟動時間，啟動速度V=V=, (5.3)6. 密封裝置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用O型密封，當液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力：2.3.3 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=6210N，根據(jù)表3.1選擇液壓缸的工作壓力P=2MPa（1） 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計算，如圖5.2所示圖5.2 雙作用液壓缸示意圖當油進入無桿腔：當油進入有桿腔中：液壓缸的有效面積：故有 （無桿腔） (5.4) （有桿腔） (5.5)F

28、=6210N，=，選擇機械效率將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： 根據(jù)表4-1（JB826-66），選擇標準液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=65mm.（2） 液壓缸外徑的設(shè)計根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm，所以該液壓缸的外徑為79mm.（3） 活塞桿的計算校核活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算： (5.6)設(shè)計中活塞桿取材料為碳剛，故=100120Mpa，活塞直徑d=20mm,L=1360mm,現(xiàn)在進行校核。結(jié)論： 活塞桿的強度足夠。2.4機身的設(shè)計計算機身是直接支撐和驅(qū)動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動，這些運動的傳動機構(gòu)都安

29、在機身上，或者直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。2.4.1 機身的整體設(shè)計按照設(shè)計要求，機械手要實現(xiàn)手臂1800的回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)一般設(shè)計在機身處。為了設(shè)計出合理的運動機構(gòu)，就要綜合考慮，分析。機身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉(zhuǎn)運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大。（2） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向

30、，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運動部件較大。（3） 活塞缸和齒條齒輪機構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運動是通過齒條齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)：齒條的往復(fù)運動帶動與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動。分析：經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計機身包括兩個運動，機身的回轉(zhuǎn)和升降。如上圖所示，回轉(zhuǎn)機構(gòu)置于升降缸之上的機身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉(zhuǎn)運動?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊麠U采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向?；ㄦI軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也

31、就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)見下圖。驅(qū)動機構(gòu)是液壓驅(qū)動，回轉(zhuǎn)缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來實現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設(shè)計就是考慮兩個葉片之間可以轉(zhuǎn)動的角度，為滿足設(shè)計要求，設(shè)計中動片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)1800。2.4.2 機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計計算（1） 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩，應(yīng)該與手臂運動時所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡。 (6.1)慣性力矩的計算 (6.2)式中 回轉(zhuǎn)缸動片角速度變化量（），在起動過程中=；t起動過程的時間(s);手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對

32、回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（）。若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為，則 (6.3)式中 回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動慣量。 (6.4)回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長460mm，直徑為60mm的圓柱體，質(zhì)量為159.2Kg.設(shè)置起動角度=180，則起動角速度=0.314，起動時間設(shè)計為0.1s。4694.3密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計。經(jīng)過以上的計算=4839.5（2） 回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定 設(shè)計回轉(zhuǎn)缸的靜片和動片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強為8Mpa。d為輸出軸與動片連接處的直徑，設(shè)d=50mm,則回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑通過下列計算： (6.5)D=151m

33、m既設(shè)計液壓缸的內(nèi)徑為150mm,根據(jù)表4.2選擇液壓缸的基本外徑尺寸180mm(不是最終尺寸)，再經(jīng)過配合等條件的考慮。（3） 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎愀鶕?jù)表4.3所示，因為回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,根據(jù)初步估算， ，,所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目為（一個面6個，兩個面是12個）。危險截面所以， 所以螺釘材料選擇Q235，則（）螺釘?shù)闹睆铰葆數(shù)闹睆竭x擇d=20mm.選擇M20的開槽盤頭螺釘。經(jīng)過以上的計算，需要螺釘來連接，最終確定的液壓缸內(nèi)徑為150mm，外徑為230mm，輸出軸徑為50mm（4） 動片和輸出軸間的連接螺釘連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺

34、釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。 于是得 式中每個螺釘預(yù)緊力；D動片的外徑；f被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對銅取f=0.15螺釘?shù)膹姸葪l件為 或 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得=螺釘材料選擇Q235，則（）螺釘?shù)闹睆?螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm.選擇M14的開槽盤頭螺釘。2.4.3 機身升降機構(gòu)的計算1.手臂偏重力矩的計算圖 6.3 手臂各部件重心位置圖（1） 零件重量、等?，F(xiàn)在對機械手手臂做粗略估算：總共=33Kg+=109.2Kg (2)計算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離。=1920mm=1.69mm=0.88mm (6.6)所以，回轉(zhuǎn)半徑(3) 計算偏重力矩 (6.7)2 .升降不

35、自鎖條件分析計算手臂在的作用下有向下的趨勢，而里柱導(dǎo)套有防止這種趨勢。由力的平衡條件有= ，h=即 =所謂的不自鎖條件為：即 ，取 (6.8) 當=1650mm時，0.32=528mm因此在設(shè)計中必須考慮到立柱導(dǎo)套必須大于528mm3. 手臂做升降運動的液壓缸驅(qū)動力的計算 (6.9)式中摩擦阻力，參考圖5.3 取f=0.16G零件及工件所受的總重。（1）的計算設(shè)定速度為V=4;起動或制動的時間差t=0.02s;近似估算為286.1Kg;將數(shù)據(jù)帶入上面公式有：=（2）的計算 28725.6=2792.2N（3）液壓缸在這里選擇O型密封，所以密封摩擦力可以通過近似估算 最后通過以上計算 當液壓缸向

36、上驅(qū)動時，F(xiàn)=6756N 當液壓缸向下驅(qū)動時，F(xiàn)=6756-=6184N2.4.4 軸承的選擇分析 對于升降缸的運動，對于機身回轉(zhuǎn)用的軸承有影響，因此，這里要充分考慮這個問題。對于本設(shè)計，采用一支點，雙固定，另一支點游動的支撐結(jié)構(gòu)。作為固定支撐的軸承，應(yīng)能承受雙向軸向載荷，故內(nèi)外圈在軸向全要固定。其結(jié)構(gòu)參看本章開始的機身結(jié)構(gòu)示意圖5.3。本設(shè)計采用兩個角接觸球軸承，面對面或者背對背的組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以承受雙向軸向載荷。三、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制.當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非

37、常方便快捷。3.1可編程序控器的簡介1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC) 研制出第一臺PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優(yōu)點，很快地在美國其他工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。到1971年，已經(jīng)成功地應(yīng)用于食品，飲料，冶金，造紙等工業(yè)。這一新型工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國家的高度重視。1971年，日本從美國引進了這項新技術(shù)，很快研制出了日本第一臺PLC。1973年，西歐國家也研制出它們的第一臺PLC。我國從1974年開始研制,于1977年開始工業(yè)應(yīng)用。3.2 PLC的結(jié)構(gòu)，種類和分類 PL

38、C實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，如圖所示：圖5-1（一）中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。 （二） 存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。（三） 電源 PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍

39、內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。常見的PLC的類型挺多的，有三菱的FX系列、西門子的S7系列、臺灣的豐煒等等。 plc的分類有：(一) 小型PLC 小型PLC的I/O點數(shù)一般在128點以下，其特點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個硬件融為一體，除了開關(guān)量I/O以外，還可以連接模擬量I/O以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行包括邏輯運算、計時、計數(shù)、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊聯(lián)網(wǎng)以及各種應(yīng)用指令。(二) 中型PLC中型PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，其I/O點數(shù)一般在2561024點之間。I/O的處理方式除了采用一般PLC通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過程中

40、，直接讀輸入，刷新輸出。它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快。(三) 大型PLC一般I/O點數(shù)在1024點以上的稱為大型PLC。大型PLC的軟、硬件功能極強。具有極強的自診斷功能。通訊聯(lián)網(wǎng)功能強，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊，可以構(gòu)成三級通訊網(wǎng)，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化。大型PLC還可以采用三CPU構(gòu)成表決式系統(tǒng)，使機器的可靠性更高。3.3 FX2n系列三菱PLC特點：1、集成型高性能。CPU、電源、輸入輸出三為一體。 對6種基本單元，可以以最小8點為單元連接輸入輸出擴展設(shè)備，最大可以擴展輸入輸出256點。2、高速運算 基本指令：0.08s/指令 應(yīng)用指

41、令:1.52數(shù)100s/指令3、安心、寬裕的存儲器規(guī)格 內(nèi)置8000步RAM存貯器 安裝存儲盒后，最大可以擴展到16000步。 4、豐富的軟元件范圍 輔助繼電器：3072點，定時器：256點，計數(shù)：235點 數(shù)據(jù)寄存器；8000點 5、除了具有輸入輸出16256點的一般速途，還有模擬量控制、定位控制等特殊控制。 6、面向海外的產(chǎn)品適合各種安全規(guī)格 為大量實際應(yīng)用而開發(fā)的特殊功能： 開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要-模擬I/O，高速計數(shù)器。 定位控制達到16軸，脈沖串輸出或為J和K型熱電偶或Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。對每一個FX2n主單元可配置總計達8個特殊功能模塊。3.4 接近開關(guān)

42、傳感器1 接近開關(guān)傳感器的概念 在各類開關(guān)中，有一種對接近它物件有“感知”能力的元件位移傳感器。利用位移傳感器對接近物體的敏感特性達到控制開關(guān)通或斷的目的，這就是接近開關(guān)。當有物體移向接近開關(guān)，并接近到一定距離時，位移傳感器才有“感知”，開關(guān)才會動作。通常把這個距離叫“檢出距離”。不同的接近開關(guān)檢出距離也不同。2 接近傳感器的選型和檢測對于不同的材質(zhì)的檢測體和不同的檢測距離，應(yīng)選用不同類型的接近傳感器，以使其在系統(tǒng)中具有高的性能價格比，為此在選型中應(yīng)遵循以下原則： （1）當檢測體為金屬材料時，應(yīng)選用高頻振蕩型接近傳感器，該類型接近傳感器對鐵鎳、A3鋼類檢測體檢測最靈敏。對鋁、黃銅和不銹鋼類檢測

43、體，其檢測靈敏度就低。 （2）當檢測體為非金屬材料時，如；木材、紙張、塑料、玻璃和水等，應(yīng)選用電容型接近傳感器。 （3）金屬體和非金屬要進行遠距離檢測和控制時，應(yīng)選用光電型接近傳感器或超聲波型接近傳感器。 （4）對于檢測體為金屬時，若檢測靈敏度要求不高時，可選用價格低廉的磁性接近式傳感器或霍爾式接近傳感器。 3 接近開關(guān)傳感器的原理圖: 3.5 I/O接口簡介（1）I/O接口的概念 CPU與外部設(shè)備、存儲器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過接口設(shè)備來實現(xiàn)，前者被稱為I/O接口，而后者則被稱為存儲器接口。存儲器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡單；而I/O設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)的接口電路也各不相

44、同，因此，習(xí)慣上說到接口只是指I/O接口。(2）接口的分類 I/O接口的功能是負責(zé)實現(xiàn)CPU通過系統(tǒng)總線把I/O電路和 外圍設(shè)備聯(lián)系在一起，按照電路和設(shè)備的復(fù)雜程度，I/O接口的硬件主要分為兩大類： 1）I/O接口芯片 這些芯片大都是集成電路，通過CPU輸入不同的命令和參數(shù)，并控制相關(guān)的I/O電路和簡單的外設(shè)作相應(yīng)的操作，常見的接口芯片如定時計數(shù)器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等。 2）I/O接口控制卡 有若干個集成電路按一定的邏輯組成為一個部件，或者直接與CPU同在主板上，或是一個插件插在系統(tǒng)總線插槽上。 按照接口的連接對象來分，又可以將他們分為串行接口、并行接口、鍵盤接口和磁盤接口等

45、。 3.6 行程開關(guān)的介紹3.6.1 行程開關(guān)的概念 行程開關(guān)就是一種由物體的位移來決定電路通斷的開關(guān)。行程開關(guān)又稱限位開關(guān),可以安裝在相對靜止的物體(如固定架、門框等，簡稱靜物)上或者運動的物體（如行車、門等，簡稱動物）上。當物體接近靜物時，開關(guān)的連桿驅(qū)動開關(guān)的接點引起閉合的接點分斷或者斷開的接點閉合。由開關(guān)接點開、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂齐娐泛蜋C構(gòu)的動作。3.6.2 行程開關(guān)的作用及原理 行程開關(guān)用于控制機械設(shè)備的行程及限位保護。在實際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當裝于生產(chǎn)機械運動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關(guān)廣泛用于各類機床和起重機械，用以控制其行程、進行終端限位保護。在電梯的控制電路中，還利用行程開關(guān)來控制開關(guān)