搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)含5張CAD圖,搬運(yùn),機(jī)械手,結(jié)構(gòu),控制系統(tǒng),設(shè)計(jì),cad
搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要
通過對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)四年所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行整合，對(duì)工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行論述和分析，設(shè)計(jì)了一種圓柱坐標(biāo)式的上下料機(jī)械手。
重點(diǎn)針對(duì)機(jī)械手的腰座、手臂、手爪等各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。具體進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)，腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算。通過對(duì)機(jī)械手作業(yè)的工藝過程和控制要求的分析，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)程序設(shè)計(jì)，同時(shí)編寫PLC控制程序及梯形圖等，設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；液壓系統(tǒng)；PLC
i
Carrying manipulator structure and the control system design
Abstract
By means of mechanical design and manufacturing and its automation professional knowledge for four years in integration, on the structure and function of industrial manipulator is discussed and analysis, we design a cylindrical coordinates type of manipulator.
Focus on the waist, arm manipulator, the gripper and so on various parts of the mechanical structure and design of manipulator control system in detail. Concrete has carried on the overall design of the manipulator, waist the design of the bridge structure, the structural design of the manipulator arm and carries on the analysis and calculation, structure design of robot hand wrist, gripper and carries on the analysis and calculation of structure design, the design of the mechanical drive system, and the hydraulic system and control system has carried on the theoretical analysis and calculation. Through the technological process and control of the manipulator operation requirements analysis, into the design of control system, at the same time to write and ladder diagram of PLC control program, the design has reached the design target.
Key words: manipulator; The hydraulic system; PLC
目錄
摘 要 iii
Abstract iv
緒論 1
第一章 設(shè)計(jì)方案的目的 4
第一節(jié) 選題背景 4
第二節(jié) 設(shè)計(jì)目的 5
第三節(jié) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì) 5
第四節(jié) 設(shè)計(jì)原則 6
第二章 設(shè)計(jì)方案的討論 8
第一節(jié) 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 9
第二節(jié) 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11
一、 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 11
二、 設(shè)計(jì)具體采用方案 11
第三節(jié) 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
一、 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 13
二、 設(shè)計(jì)具體采用方案 14
三、 機(jī)械手小臂的具體設(shè)計(jì)計(jì)算 14
第四節(jié) 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
一、 機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 25
二、 設(shè)計(jì)具體采用方案 25
第五節(jié) 機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25
一、 機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 25
二、 機(jī)器人夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式 26
三、 機(jī)器人夾持器的典型結(jié)構(gòu) 27
四、 設(shè)計(jì)具體采用方案 30
五、 機(jī)械手手指的具體設(shè)計(jì)計(jì)算 30
第六節(jié) 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 42
一、 機(jī)器人各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 42
二、 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則 42
三、 設(shè)計(jì)具體采用方案 43
第三章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 44
第一節(jié) 確定液壓系統(tǒng)基本方案 44
一、 擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路 45
二、 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 45
三、 繪制液壓系統(tǒng)圖 46
第二節(jié) 計(jì)算和選擇液壓元件 47
一、 動(dòng)力原件－液壓泵的選擇 47
二、 執(zhí)行元件液壓缸的選擇 48
三、 控制元件－方向閥、壓力閥、流量閥 50
四、 輔助元件－管道、管接頭、過濾箱、油箱、蓄能器 51
第四章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 55
第一節(jié) 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 55
第二節(jié) 機(jī)械手的作業(yè)流程 56
第三節(jié) 繪制控制系統(tǒng)的接線圖 57
第四節(jié) 編寫PLC的控制程序 58
結(jié) 論 67
致謝 69
vi
緒論
在21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使人類文明發(fā)生了極大的變化。由于產(chǎn)品更新速度的加快，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高。過去以大規(guī)模、大批量為特點(diǎn)的福特生產(chǎn)方式正面臨著如何適應(yīng)大批量、多品種為標(biāo)志的新的市場(chǎng)需求的挑戰(zhàn)。機(jī)器人因它對(duì)多種作業(yè)環(huán)境顯示出巨大的通用性而引起人們的重視，成為高技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容。機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的名為《羅薩姆的萬能機(jī)器人》劇本中。在該劇中，機(jī)器人“Robota”這個(gè)詞的本義是“強(qiáng)制勞動(dòng)”。而真正的機(jī)器人是從二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的，一般認(rèn)為始于40年代在美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開始的搬運(yùn)核原料的遙控機(jī)械操作手的研究。1954年美國人Geogre C.Devol發(fā)明了一種裝置，成為可編程的關(guān)節(jié)型搬運(yùn)裝置。1959年Devol和J.F.Engelberger進(jìn)一步發(fā)展了這一概念，組建了Unimation公司，生產(chǎn)出了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。1963年美國AMF公司生產(chǎn)出商用機(jī)器人Versatran。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機(jī)械手，是后來國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
目前，機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)節(jié)。
這種仿工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、大批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)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(jiǎn)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。
我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。
第1章 設(shè)計(jì)方案的目的
第1節(jié) 選題背景
機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。因此機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。
第二節(jié) 設(shè)計(jì)目的
本設(shè)計(jì)通過對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)四年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，完成一個(gè)特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。
目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn),針對(duì)具體生產(chǎn)工藝,利用機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)一臺(tái)裝卸機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
本機(jī)械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約加工輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。
第3節(jié) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)
目前，在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢(shì)如下：
A．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。
B．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
C．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。
D．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)；
E．焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。
總的來說，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對(duì)具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價(jià)比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。
第4節(jié) 設(shè)計(jì)原則
在設(shè)計(jì)之前，必須要有一個(gè)指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時(shí)提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則，將大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、液壓與氣壓傳動(dòng)、PLC等知識(shí)盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過本次設(shè)計(jì)對(duì)大學(xué)階段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。
液壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
a. 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；
b. 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；
c. 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；
d. 液壓泵和液壓馬達(dá)之間用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴(yán)格限制；
e. 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(rùn)滑，易于散熱，磨損小，使用壽命長(zhǎng)；
f. 操縱控制簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高；
g. 容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。
PLC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):
在機(jī)械手控制方面，PLC具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，控制程序可變，無線接觸點(diǎn)，編程簡(jiǎn)單，擴(kuò)充方便，體積小等優(yōu)點(diǎn)。采用PLC作為核心控制器來控制機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作，不僅可以節(jié)約人力成本，而且可以消除人工操作帶來的諸多不可靠因素，從而大大極高機(jī)械手的工作穩(wěn)定性及加工精度。
本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手為基于PLC控制的液壓機(jī)械手。
本課題將要完成的主要任務(wù)如下:
a. 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。
b. 選取機(jī)械手的坐標(biāo)型式和自由度。
c. 設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括:手部、手臂等部件的設(shè)計(jì)。
d. 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 包括：大臂的升降，小臂的升縮，以及手爪的夾緊與放松。
e. PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 我所設(shè)計(jì)的機(jī)械手是用于實(shí)現(xiàn)某加工生產(chǎn)線上零件的上料與卸料。該生產(chǎn)線的布局圖如圖一所示，工件及隨行夾具采用步伐式輸送帶實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)床的自動(dòng)運(yùn)輸。搬運(yùn)機(jī)械手1，2分別位于生產(chǎn)線兩端的上料和卸料工位，用以實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)裝卸。其中，搬運(yùn)機(jī)械手1，2的部件結(jié)構(gòu)和工作原理完全相同。
圖1-1生產(chǎn)線布局圖
第二章 設(shè)計(jì)方案的討論
第一節(jié) 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
機(jī)械手的組成
工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)有簡(jiǎn)單的也有復(fù)雜的，但從結(jié)構(gòu)形式分析主要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)等組成。
機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型
工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下。
1.直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖a2-1.。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
2.圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。由于結(jié)構(gòu)關(guān)系，不能抓取地面上的物件。
3. 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.c。這種機(jī)器人動(dòng)作靈活、占地面積小、工作范圍大、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。
4. 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.d。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，但定位精度。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。
圖2-1四種坐標(biāo)形式示意圖
圖2-2四種機(jī)械手的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的最大質(zhì)量質(zhì)量達(dá)27Kg，且最大長(zhǎng)度達(dá)300mm，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手在工作中需要3種運(yùn)動(dòng),其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng),另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為3，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)移動(dòng)自由度，其特點(diǎn)是:占地面積小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,手臂運(yùn)動(dòng)范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度。
第2節(jié) 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對(duì)機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、手爪等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
1、 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求
腰座就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)機(jī)座。它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部件全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則：
1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。
2.腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。
3.機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對(duì)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保證。
4.腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器（電動(dòng)、液壓及氣動(dòng)）及減速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)器。
5.腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。
6.為了減輕機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。
二、 設(shè)計(jì)具體采用方案
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手，它的腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是一種單回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。有的機(jī)械手不是單回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而是復(fù)合式的運(yùn)動(dòng)，在此不考慮復(fù)合運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)單回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以有以下幾種方案。
回轉(zhuǎn)缸又稱擺動(dòng)缸。應(yīng)用回轉(zhuǎn)油缸要比齒輪齒條帶動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輕巧美觀。但是，由于回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸體之間配合精度要求較高，加工比較困難，如果精度達(dá)不到要求，就會(huì)造成嚴(yán)重泄漏，影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須嚴(yán)加密封。直線缸回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)齒輪齒條結(jié)構(gòu)是通過齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪回轉(zhuǎn)，其驅(qū)動(dòng)源可以是液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)。
此外，腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式還可以通過電機(jī)減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是用電機(jī)來驅(qū)動(dòng)腰部的回轉(zhuǎn)。因?yàn)殡妱?dòng)方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計(jì)另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動(dòng)，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。因?yàn)辇X輪傳動(dòng)存在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比（大于100），同時(shí)為了減小機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖2-3腰座結(jié)構(gòu)圖
第三節(jié) 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一、 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求
手臂是機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要部件，它能做前后伸縮、上下升降、左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則；
1.應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，有利于機(jī)器人的控制。
2.機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對(duì)機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。
3.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)器人手臂的重量。
4.機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。
5.機(jī)器人的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對(duì)減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。
6.機(jī)器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。
二、 設(shè)計(jì)具體采用方案
機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)。考慮到搬運(yùn)工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達(dá)27Kg，屬中型重量，同時(shí)考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，對(duì)手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動(dòng)均選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，不用再設(shè)計(jì)另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。
因?yàn)橐簤合到y(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。
同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了以個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。
三、 機(jī)械手小臂的具體設(shè)計(jì)計(jì)算
手臂中液壓缸的設(shè)計(jì)
1 缸筒
本次設(shè)計(jì)缸筒與端蓋的連接方式采用焊接的連接方式，因其強(qiáng)度高，能避免法蘭或螺紋連接所產(chǎn)生的泄露問題，還能承受高壓。根據(jù)缸筒的連接形式選擇缸筒的材料為35鋼
⑵對(duì)鋼筒的要求
①有足夠的強(qiáng)度，能長(zhǎng)期承受最高工作壓力及短期動(dòng)態(tài)試驗(yàn)壓力而不導(dǎo)致產(chǎn)生永久變形。
②有足夠的強(qiáng)度，能承受活塞側(cè)壓力和安裝的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲。
③ 密封的可靠性。缸筒內(nèi)表面與活塞密封組件、支撐環(huán)處的尺寸公差等級(jí)、行位公差精度設(shè)計(jì)要合理，既要保證可靠的密封要求，又要減小磨損。
④需要焊接的缸筒還要求有良好的可焊性。
總之，缸筒是液壓缸的主要零件，它與端蓋、活塞等零件構(gòu)成密封的容腔，用以容納壓力油液，同時(shí)它是活塞運(yùn)動(dòng)的軌道。設(shè)計(jì)液壓缸缸筒時(shí)，應(yīng)該正確確定各部分的尺寸，保證液壓缸有足夠的輸出力、運(yùn)動(dòng)速度和有效行程，同時(shí)還必須有一定的強(qiáng)度，能足以承受液壓力、負(fù)載力和意外的沖擊力；缸筒的內(nèi)表面應(yīng)具有合適的尺寸公差等級(jí)、表面粗糙度和形位公差等級(jí)，以保證液壓缸的密封性、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和耐用性。
⑶缸筒的計(jì)算
(2-1)
（2-2）
式中:
-活塞桿上的實(shí)際作用力，
-負(fù)載率，一般取0.5～0.7 本次取=0.5
-液壓缸的總效率，
機(jī)械效率，由活塞及活塞桿密封件的摩擦阻力所造成的摩擦損失，在額 定壓力下，通?？扇?0.9～0.95 取=0.9
容積效率，由各密封件泄漏所造成，通常去活塞封為彈性材料時(shí)=1，活塞封為金屬環(huán)時(shí)=0.98 ，取活塞封為彈性材料=1。
作用力效率，由排油口背壓所產(chǎn)生的反向作用力造成，取=1
則=0.9
-缸筒內(nèi)徑
-供油壓力， 由任務(wù)書取=2.94
由式（2-1）可見：
由式（2-2）可見：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-液壓傳動(dòng)》對(duì)缸筒內(nèi)徑進(jìn)行圓整取=40mm
缸筒厚度計(jì)算
當(dāng)時(shí)可用薄壁缸筒公式計(jì)算壁厚
(2-3)
式中:
-缸筒材料強(qiáng)度要求的最小值，
-缸筒內(nèi)最高工作壓力，
為缸的額定壓力，取額定壓力=16
-缸筒內(nèi)徑
-鋼筒材料的作用應(yīng)力，
其中材料的抗拉強(qiáng)度 安全系數(shù)，通常取
35鋼的
由式（2-3）可見：
所以壁厚取5mm
缸筒壁厚的驗(yàn)算
（2-4）
式中:
-為缸的額定壓力
-缸筒材料屈服點(diǎn)， 35鋼
-缸筒的外徑，
由式（2-4）可見：
壁厚滿足設(shè)計(jì)要求。
因此由缸筒的內(nèi)徑外徑查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-液壓傳動(dòng)》
選標(biāo)準(zhǔn)值型號(hào)為HSG·01-40/dE
缸筒與端部采用的連接方式為焊接，因此需要對(duì)其焊接處進(jìn)行校核
（2-5）
式中:
-缸內(nèi)最大推力， 缸HSG·01-40/dE
-缸筒外徑，
-焊縫底徑，
-焊接效率，取
焊條材料的抗拉強(qiáng)度，
-安全系數(shù)，一般取5
查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》知碳鋼的最小焊縫為1～3mm，選擇焊縫的長(zhǎng)度為3mm，即mm 。焊條選擇E4303，焊條的抗拉強(qiáng)度為
由式（2-5）可見：
焊接滿足連接要求
活塞設(shè)計(jì)
由于活塞在液體壓力的作用下沿缸筒往復(fù)滑動(dòng)，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動(dòng)壓力增大，降低機(jī)械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的滑動(dòng)配合表面；間隙過大，會(huì)引起液壓缸內(nèi)部泄漏，降低容積效率，使液壓缸達(dá)不到要求的設(shè)計(jì)性能。
液壓力的大小與活塞的有效工作面積有關(guān)，活塞直徑應(yīng)該與缸筒內(nèi)徑一致。設(shè)計(jì)活塞時(shí)，主要任務(wù)是確定活塞的結(jié)構(gòu)型式。
⑴活塞結(jié)構(gòu)型式
根據(jù)密封裝置型式來選用活塞結(jié)構(gòu)型式，通常分為整體活塞和組合活塞兩類。
整體活塞在活塞圓周上開溝槽，安裝密封圈，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但給活塞的加工帶來困難，密封圈的安裝時(shí)也容易拉傷和扭曲。組合活塞結(jié)構(gòu)多樣，主要由密封型式?jīng)Q定。組合活塞大多數(shù)可以多次拆裝，密封件使用壽命長(zhǎng)。隨著耐磨導(dǎo)向環(huán)的大量使用，多數(shù)密封圈與導(dǎo)向環(huán)聯(lián)合使用，大大降低了活塞的加工成本。本次設(shè)計(jì)選用組合式活塞。
⑵活塞與活塞桿的連接方式采用螺紋連接方式。
⑶活塞密封結(jié)構(gòu)
活塞的密封型式與活塞的結(jié)構(gòu)有關(guān)，可根據(jù)液壓缸的不同作用和不同工作壓力來選擇。
本次設(shè)計(jì)選用O形密封圈
⑷活塞的材料選擇
活塞材料選用高強(qiáng)度的鑄鐵HT300。
⑸活塞的寬度一般為活塞外徑的0.6～1.0倍，取活塞厚度為5mm。
活塞桿的設(shè)計(jì)
由上述可知活塞桿與活塞采用螺紋連接，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》活塞桿螺紋尺寸系列(GB/T2350-1980)螺紋直徑與螺距的大小應(yīng)取決于活塞桿直徑。
活塞桿直徑的計(jì)算
活塞桿是液壓缸傳遞力的重要零件，它承受拉力、壓力、彎曲力和振動(dòng)沖擊等多種作用力，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。
對(duì)于液壓缸無速比要求，可按下式計(jì)算活塞桿直徑
（2-6）
式中:
-液壓缸的推力，
-材料的許用應(yīng)力， 實(shí)心活塞桿材料一般選用35鋼
由式（2-6）可見：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》直徑取22mm
活塞桿強(qiáng)度計(jì)算
活塞桿在穩(wěn)定的工況下，如果只受軸向推力或拉力，可以近似地用直桿承受拉壓載荷的簡(jiǎn)單強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算:
（2-7）
式中：
-活塞桿的作用力，
-材料的許用應(yīng)力，
活塞桿材料一般選用35鋼
-活塞桿直徑，mm
由式（2-7）可見：
設(shè)計(jì)活塞桿直徑d=22mm滿足要求
則活塞桿螺紋選擇，M20×1.5，查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》與該螺紋配合的螺母為GB/T 6170 M20
活塞桿彎曲穩(wěn)定性驗(yàn)算
液壓缸HSG·01-40/dE中速比的液壓缸行程（最大行程為500，由行程系列取400mm）， ，
當(dāng)液壓缸支撐長(zhǎng)度(10～15)時(shí)，需要驗(yàn)算活塞桿彎曲穩(wěn)定性
（2-8）
其中
圓截面
式中：
-活塞桿的作用力，
-活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力，
-安全系數(shù)，通常取=3.5～6，本次選取=5
-液壓缸的安裝及導(dǎo)向系數(shù)，根據(jù)安裝情況取
-實(shí)際彈性模量，
-材料的彈性模量，鋼材
-活塞桿截面慣性矩，
-液壓缸的支撐長(zhǎng)度
-材料組織缺陷系數(shù)，鋼材一般取
-活塞桿截面不均勻系數(shù)，
代入數(shù)據(jù)得：
由式（2-8）可見：
則活塞桿的穩(wěn)定性滿足要求。
活塞桿的導(dǎo)向套
活塞桿的導(dǎo)向套裝在液壓缸的有桿側(cè)缸頭內(nèi)，用以對(duì)活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向，內(nèi)裝有密封裝置以保證缸筒有桿腔的密封。外側(cè)裝有防塵圈，以防止活塞桿在后退時(shí)把雜質(zhì)，灰塵及水分帶到密封裝置處，損壞密封裝置。內(nèi)應(yīng)裝密封圈，以防泄漏。 導(dǎo)向套的典型結(jié)構(gòu)型式有軸套式和端蓋式兩種。
本設(shè)計(jì)采用軸套式導(dǎo)向套，導(dǎo)向套的材料選用鑄造青銅。
導(dǎo)向套長(zhǎng)度的確定
導(dǎo)向套長(zhǎng)度過短，將使缸因配合間隙引起的初始撓度增大，影響液壓缸的工作性能和穩(wěn)定性，因此，設(shè)計(jì)必須保證缸有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度，一般缸的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度應(yīng)滿足
（2-9）
式中：
-導(dǎo)向套的最小長(zhǎng)度
-最大工作行程
-缸筒內(nèi)徑
由式（2-9）可見：
本次設(shè)計(jì)導(dǎo)向套的長(zhǎng)度選為40mm
排氣閥的選擇
排氣閥的位置要合理，排氣閥應(yīng)該設(shè)在兩腔端部的上方，均應(yīng)與壓力腔相同，以便安裝后調(diào)試前排除液壓缸內(nèi)的空氣。由于空氣比油輕，總會(huì)向上浮動(dòng)，不會(huì)讓空氣有積存的殘留死角。如果排氣閥設(shè)置不當(dāng)或者沒有設(shè)置，壓力油進(jìn)入液壓缸后，缸內(nèi)仍會(huì)存有空氣。由于空氣具有壓縮性和滯后擴(kuò)張性，會(huì)造成液壓缸和整個(gè)液壓系統(tǒng)在工作中的顫動(dòng)和爬行，影響液壓缸的正常工作。
油口的選擇
油口包括油口孔和油口連接螺紋，液壓缸的進(jìn)出口可布置在端蓋或缸筒上。根據(jù)液壓缸的內(nèi)徑選用油口連接螺紋，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T2878-1993)選擇M20×1.5
密封件、防塵圈
①活塞和活塞桿的密封件
選用O型密封圈，材料為聚氨酯。聚氨酯的機(jī)械性能極好，耐磨、耐高壓耐老化性、耐臭氧性、耐油性也好。
②防塵圈
防塵圈安裝在前端蓋與活塞桿的接觸處，選用O型密封圈防塵，材料為聚氨酯。
定向裝置
機(jī)械手手臂在進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩的作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，采用適當(dāng)?shù)亩ㄏ蜓b置。它根據(jù)手臂的形式安裝，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
本設(shè)計(jì)定向裝置材料選用鋁合金ZL101
機(jī)械手的最大抓重
機(jī)械手重量的估算
手抓的重量:
近似一只手指的重量
手部外框的重量約為
因此手部的重量及重物的總重量為
水平手臂的最大回轉(zhuǎn)半徑為
力矩
定向桿的主要作用對(duì)活塞進(jìn)行定向，因此其直徑的選擇應(yīng)按照扭轉(zhuǎn)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
由材料力學(xué)中設(shè)計(jì)公式：
（2-10）
式中:
-定向桿直徑
-定向桿所受最大扭矩，取。
-材料的剪切應(yīng)力，對(duì)于塑性材料（0.5～0.7）
，n為安全系數(shù)，一般取5。
則
由式（2-10）可見：
取，用M8的六角螺母與液壓缸的端蓋進(jìn)行連接。
第四節(jié)、機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手部設(shè)計(jì)要求
a. 手部應(yīng)有足夠的夾緊力。除工件的重力外，還要能不使工件在傳遞過程中松動(dòng)或脫落；
b. 夾持范圍要與工件相適應(yīng)。手爪的開閉角度（手爪張開或閉合時(shí)的極限位置所擺動(dòng)的角度）應(yīng)能適應(yīng)夾緊較大的直徑范圍；
c. 夾持精度要高。既要求工件在手爪內(nèi)定位準(zhǔn)確，又不夾壞工件的表面。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應(yīng)的手爪結(jié)構(gòu)：如圓柱形工件應(yīng)采用帶V形槽的手爪來定位；對(duì)于工件表面光潔度要求較高的，應(yīng)在手爪上鑲銅、夾布膠木或其它軟質(zhì)墊片等；
d. 夾持動(dòng)作要迅速、靈活；
e. 手部結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單緊湊、剛性好、自重輕、易磨損處應(yīng)該便于更換，在腕部或臂部上安裝要方便，更換要迅速。
機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)（包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)），給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置，而安裝在機(jī)器人手臂末端的手腕，則給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。機(jī)器人手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。
一、 機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求
1.機(jī)器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計(jì)。 一般機(jī)器人的自由度數(shù)為2~3個(gè)。自由度數(shù)越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。
2.機(jī)器人腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕時(shí)，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。
3.機(jī)器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。
4.機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動(dòng)的傳遞。
5.要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。
6.手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。
二、 設(shè)計(jì)具體采用方案
通過搬運(yùn)上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對(duì)機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。
第五節(jié)、 機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一、 機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求
機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測(cè)量用等。
搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運(yùn)的物體。
加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)器人附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。
測(cè)量用末端執(zhí)行器是裝有測(cè)量頭或傳感器的附加裝置，用來進(jìn)行測(cè)量及檢驗(yàn)作業(yè)。
在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問題；
1.機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。一個(gè)新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)器人新的應(yīng)用場(chǎng)所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機(jī)器人容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。
3.機(jī)器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多種作業(yè)功能。
4.通用性和萬能性是兩個(gè)概念，萬能性是指一機(jī)多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機(jī)器人 。
二、 機(jī)器人夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式
機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。一般工業(yè)機(jī)器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。
機(jī)器人夾持器（手爪）的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種：
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)力和力矩 。
液壓驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制
優(yōu)點(diǎn)
1)從結(jié)構(gòu)上看，其單位重量的輸出功率和單位尺寸輸出功率在四類傳動(dòng)方式中是力壓群芳的，有很大的力矩慣量比，在傳遞相同功率的情況下，液壓傳動(dòng)裝置的體積小、重量輕、慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊、布局靈活。
2)從工作性能上看，速度、扭矩、功率均可無級(jí)調(diào)節(jié)，動(dòng)作響應(yīng)性快，能迅速換向和變速，調(diào)速范圍寬，調(diào)速范圍可達(dá)100：l到2000：1；動(dòng)作快速性好，控制、調(diào)節(jié)比較簡(jiǎn)單，操縱比較方便、省力，便于與電氣控制相配合，以及與CPU(計(jì)算機(jī))的連接，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
3)從使用維護(hù)上看，元件的自潤(rùn)滑性好，易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)與保壓，安全可靠；元件易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。
4）所有采用液壓技術(shù)的設(shè)備安全可靠性好。
5）經(jīng)濟(jì)：液壓技術(shù)的可塑性和可變性很強(qiáng)，可以增加柔性生產(chǎn)的柔度，和容易對(duì)生產(chǎn)程序進(jìn)行改變和調(diào)整，液壓元件相對(duì)說來制造成本也不高，適應(yīng)性比較強(qiáng)。
6)液壓易與微機(jī)控制等新技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成“機(jī)-電-液-光”一體化已成為世界發(fā)展的潮流，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。
綜上所述，本設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)作為夾持器的驅(qū)動(dòng)方式。
三、 機(jī)器人夾持器的典型結(jié)構(gòu)
機(jī)器人夾持器即機(jī)器人手爪，根據(jù)夾持方式，分為內(nèi)撐式和外夾式；根據(jù)手指的運(yùn)動(dòng)方式可分為移動(dòng)式和回轉(zhuǎn)式。
下面介紹一些常用的夾持器的典型結(jié)構(gòu)。
1.挈塊杠桿式手爪
圖2-4（a)所示為單作用斜楔式手部的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。斜楔2向下運(yùn)動(dòng)，克服彈簧5拉力，使杠桿手指裝著滾子3的一端向外撐開，從而夾緊工件8。斜楔向上移動(dòng)，則在彈簧拉力作用下，使手指7松開。手指與斜楔通過滾子接觸可以減少摩擦力，提高機(jī)械效率。有時(shí)為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，也可讓手指與斜楔直接相接觸。
圖2-4（a）挈塊杠桿式手爪
l—?dú)んw 2—斜契驅(qū)動(dòng)桿 3—滾子 4—圓柱銷 5—拉簧 6—鉸銷 7—手指 8—工件
2.滑槽式手爪
圖2-4（b）為滑槽式杠桿雙支點(diǎn)手部的簡(jiǎn)圖。杠桿形手指4的一端裝有V型指5，另一端則開有長(zhǎng)滑槽。驅(qū)動(dòng)桿1上的圓柱銷2套在滑槽內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)連桿同圓柱銷一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可撥動(dòng)兩個(gè)手指各繞其支點(diǎn)（鉸銷3）作相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指對(duì)工件6的夾緊與松開動(dòng)作?；鄹軛U式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的定心精度與滑槽的制造精度有關(guān)。因活動(dòng)環(huán)節(jié)較多，配合間隙的影響不可忽視。此機(jī)構(gòu)依靠驅(qū)動(dòng)力鎖緊，機(jī)構(gòu)本身無自鎖性能。
圖2-4（b）滑槽式手爪
1—驅(qū)動(dòng)桐桿 2—圓柱銷 3—鉸銷 4—手指 5—V型指 6—工件
3.連桿杠桿式手爪
圖2-4（c）為雙支點(diǎn)連桿杠桿式手部的簡(jiǎn)圖。驅(qū)動(dòng)桿2末端與連桿4由鉸銷3鉸接，當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿2作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則通過連桿推動(dòng)兩桿手指各繞支點(diǎn)7作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使手指松開或閉合。該機(jī)構(gòu)的活動(dòng)環(huán)節(jié)較多，故定心精度一般比斜楔傳動(dòng)差。
圖2-4（c）連桿杠桿式手爪
l—?dú)んw 2—驅(qū)動(dòng)桿 3—鉸銷 4—連桿 5、7—圓柱銷 6—手指 8—V型指 9—工件
這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。
4.齒輪齒條式手爪
圖2-4（d）這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。d為由齒條直接傳動(dòng)的齒輪杠桿式手部的結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)桿2末端制成雙面齒條，與扇形齒輪4相嚙合，而扇齒輪4與手指5固連在一起，可繞支點(diǎn)回轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)齒條作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即可帶動(dòng)扇形齒輪回轉(zhuǎn)，從而使手指閉合或松開。
圖2-4（d）齒輪齒條式手爪
1—?dú)んw 2—驅(qū)動(dòng)桿 3—小軸 4—扇齒輪 5—手指 6—V型指 7—工件
四、 設(shè)計(jì)具體采用方案
結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)。它通過活塞桿1的銷2推動(dòng)手爪使之張開，活塞向右移動(dòng)使手爪閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為120mm來設(shè)計(jì)。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖五所示：
圖2-5杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)
五、 機(jī)械手手指的具體設(shè)計(jì)計(jì)算
手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)
手指加持范圍
棒料直徑：80～120mm
棒料長(zhǎng)度范圍：30～300mm
定位精度：±10mm
驅(qū)動(dòng)方式：液壓
手指長(zhǎng)度計(jì)算
圖2-6手指長(zhǎng)度關(guān)系圖
其中：2a為兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)間的距離
-手指長(zhǎng)
-V形槽夾角
-偏轉(zhuǎn)角，即V形槽的角平分線BC與手指AB間的夾角
R-工件的半徑
X-工件的軸心位置C到手指兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線的垂直距離
根據(jù)幾何關(guān)系由△ABC可得
由△ABC可得
所以
因?yàn)?
故
當(dāng)Rmin
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