1、畢業設計說明書Beyeshejishuomingshu地 市： 準考證號： 姓 名： 河南省高等教育自學考試具有觸覺功能的機械手結構設計摘 要關鍵詞：機械手、液壓缸、可編程序控制器（PLC）、壓電傳感器 HAVING TACTILE FUNCTION STRUCTURE DESIGN OF MECHANCAI HANDABSTRACTThis paper briefly introduces the concept of industrial robots, composing and classification of the manipulator, the degrees of free

2、dom manipulator and the coordinate type, the characteristics of pneumatic technology, PLC control characteristics and the domestic and foreign development condition.In this paper, the mechanical hand the overall scheme design, the manipulator to determine the coordinates of the types and degrees of

3、freedom, determine the technical parameters of the manipulator. At the same time, the detailed design of the manipulator clamping type structure of hand; designed the structure of robot wrist, the wrist to calculate the rotation of the driving torque required and a rotary cylinder driving torque; th

4、e design of the manipulator arm structure, design of the telescopic arm.Design of mechanical hand hydraulic system, rendering the manipulator hydraulic system principle diagram. Using programmable controller to control the mechanical hand, the appropriate selection of PLC models, according to the ma

5、nipulator workflow developed programmable controller control scheme, draw the mechanical hand work sequence diagram and ladder diagram, and the preparation of PLC control program.KEY WORDS：Manipulator、Hydraulic cylinder、Programmable controller、Piezoelectric sensor目錄前言1第1章 機械手概況2§1.1 搬運機械手的應用簡況2

6、§1.2 機械手的應用意義3§1.3 機械手的發展概況3§1.4 機械手的發展趨勢4§1.5 PLC概況及在機械手中的應用5第2章 機械手機構總體方案的設計7§2.1 機械手的基本結構7§2.2 機械手的主要參數9第3章 手部結構設計9§3.1 手部設計基本要求9§3.2 典型的手部結構10§3.3 機械手手爪的設計計算10§3.4 手爪的力學分析10§3.5 夾緊力及驅動力的計算12§3.6 手爪夾持范圍的計算14§3.7 機械手手爪夾持精度的分析計算15第4章

7、橫向手臂的設計計算16§4.1 伸縮臂設計基本要求16§4.2 臂部的結構選擇18§4.3 手臂伸縮驅動力的計算19§4.4 手臂伸縮液壓缸參數計算21§4.5 豎向液壓缸的設計說明23第5章 機身回轉機構的設計23第6章 液壓控制設計24§6.1 控制系統設計要求24§6.2 控制流程25第7章 PLC控制設計26§7.1 PLC的構成及工作原理26§7.2 PLC的選擇25§7.3 程序設計28§7.4 指令表25結論33參考文獻34致謝35附錄35前言機械手：mechanical

8、 hand，也被稱為自動手auto hand；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，它可代替人的繁殖勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手主要有手部、運動機構和控制系統三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持部件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而又多種結構形式，如：夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動、擺動、移動或復合運功來實現規定的動作，改變被夾持部件的位置和姿勢，運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，成為機械手的

9、自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需要有六個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數，自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也就越復雜，一般專用機械手有2-3個自由度，機械手按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、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兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床和其他機器的附加裝置，如在自動機床和自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置是由人直接操縱的，如用于原子能部門的操持危險物品的主從式操作手，也成為機械手，機械手在鍛造工業中的應用能進一步發展

10、鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。 第一章 機械手概況第二章 機械手總體方案的設計圖2-1 機械手簡圖圖2-1中工件所處位置為原點位置，根據課題設計的要求：機械手初始位置在原點位置，每次循環動作都從原點位置開始，完成上升、下降運動，左移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制，并能實現手動操作和自動操作方式。當機械手在原點位置下啟動按鈕，系統啟動，左傳送帶運轉。當光電開關檢測到物品后，左傳送帶停止運行根據分析可得出機械手的工作流程圖，如圖2-2所示。可見，實現要求功能需要如下條件：(1)底座與橫梁之間需要旋轉盤，旋轉盤的驅動由電機來完成，普通電機轉速較高，需要考慮安裝減速機，在這種頻繁啟動

11、制動的場合下，選用直流步進電機會更方便。上限延時工件下限圖2-2 機械手工作流程圖(2)橫梁在普通情況下，長度是固定的，如果工作臺不進行調整，橫梁長度可永遠不變。(3)豎直方向上是頻繁上下工作的機構，可選用電機傳動的齒輪齒條嚙合機構，也可選用執行氣缸，后者是新技術更經濟、環保、噪音低，也更符合課題要求。(4)抓緊機構也可選用氣動執行爪和執行氣缸并用組成氣動執行模塊根據以上分析，機械構造方案基本固定。整個機械手一共用到三個氣缸，橫梁長氣缸進行橫向移動，執行氣爪進行夾持與放松、豎導桿氣缸執行升降運動。1、主參數機械手的最大抓重是其規格的主參數，目前機械手最大抓重以10公斤左右的為數最多。故該機械手

12、主參數定為3公斤，高速動作時抓重減半。2、基本參數運動速度是機械手主要的基本參數。操作節拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。該機械手最大移動速度設計為1.2cm/s，最大回轉速度設計為90°/s，平均移動速度為50mm/s，平均回轉速度為45°/s。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略

13、有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據統計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調200mm。手臂回轉行程范圍定為2400(應大于180否則需安裝多只手臂)。手臂升降行程定為150mm。定位精度也是基本參數之一。該機械手的定位精度為土0.5±lmm。第三章 手部結構設計3.1 手部設計基本要求1. 手部應有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應考慮工件在傳送過程中的動載荷。2. 手部應有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關

14、，而且應注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。3. 應能保證工件在手部準確定位。4. 結構盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計。5. 根據應用條件考慮通用性。3.2 典型的手部結構1. 回轉型 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運動。3.平面平移型。3.3機械手手抓的設計計算本設計是設計平動搬運機械手的設計，考慮到所要達到的原始參數：手抓張合角=，夾取重量為3Kg。常用的工業機械手手部,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。本設計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可

15、分為回轉型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結構簡單, 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, 驅動力需加在手指移動方向上,這樣會使結構變得復雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。 通過綜合考慮，本設計選擇二指回轉型手抓，采用滑槽杠桿這種結構方式。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合，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機械手手指張開。3.4手抓的力學分析下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿 圖3-1（a）為常見的滑槽杠桿式手部結構。圖3-1 滑槽杠桿式手部結構、受力分析 1

16、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001和002并指向0點，交F1和F2的延長線于A及B。由Fx =0 得 F1=F2 Fy=0 得 由=0 得h F= 式中 a手指的回轉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支點的夾角。由分析可知，當驅動力一定時，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好= 。3.5 夾緊力及驅動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。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來

17、說，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： 式中 K1安全系數，通常1.2 - 2.0； K2工作情況系數，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估其中a為重力方向的最大上升加速度；即： 運載時工件最大上升速度 系統達到最高速度的時間，一般選取0.3 - 2sK3方位系數，根據手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定，手指與工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指與工件形狀：型指端夾持圓柱型工件，為摩擦系數，為型手指半角，此處粗略計算.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

18、Mpa作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa小于500050000以上表3-1計算：設a=100mm,b=500mm,<<機械手達到最高響應時間為2s，求夾緊力和驅動力和 驅動液壓缸的尺寸。設K1=1.5 =1.02 K3=4 根據公式，將已知條件帶入： =1.5x1.02x4x3x9.8=177.75N 取整為：177N （2）根據驅動力公式得：根據驅動力和夾緊力之間的關系式：式中：c滾子至銷軸之間的距離；b爪至銷軸之間的距離；楔塊的傾斜角可得，得出為理論計算值，實際采取的液壓缸驅動力要大于理論計算值，考慮手爪的機械效率，一般取0.80.9，此處取0.88，則： ，取 （3

19、）取 F實際= F計算/= 40.5/0.85=50N （4）確定液壓缸的直徑D 選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.8MPa, 2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250液壓缸的內徑系列（JB826-66）（mm）根據表（JB826-66），選取液壓缸內徑為：D=63mm則活塞桿內徑為:D=630.5=31.5mm，選取d=32mm3.6 手抓夾持范圍的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，如圖3-3（a）所示，根據機構設計，

20、它的最小夾持半徑mm，當張開時，如圖3-3（b）所示，最大夾持半徑計算如下： mm機械手的夾持半徑從40-90mm圖3-3手抓張開示意圖機械手的精度設計要求工件定位準確,抓取精度高,重復定位精度和運動穩定性好,并有足夠的抓取能力。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來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，一定進行機械手的夾持誤差。圖3-4 手抓夾持誤差分析示意圖圖3-4 手抓夾持誤差分析示意圖該設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80mm180mm

21、。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型夾角偏轉角按最佳偏轉角確定：計算 當S時帶入有：夾持誤差滿足設計要求。第四章 橫向手臂的設計計算4.1伸縮臂設計基本要求設計機械手伸縮臂，底板固定在大臂上，前端法蘭安裝豎向油缸和機械手，完成直線伸縮動作。（1）功能性的要求機械手伸縮臂安裝在大臂上，按控制系統的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩靈活，動作快捷，定位準確，工作協調。（2）適應性的要求為便于調整，適應工件大小不同的要求，起止位置要方便調整，要求設置可調式定位機構。為了控制慣性力，減少運動沖擊，動力的大小要能與負載大小相適應，如步進電機通過程序設計改變運動速度，

22、力矩電機通過調整工作電壓，改變堵力矩的大小，達到工作平穩、動作快捷、定位準確的要求。（3）可靠性的要求可靠性是指產品在規定的工作條件下，在預定使用壽命期內能完成規定功能的概率。工業機械手可自動完成預定工作，廣泛應用在自動化生產線上，因此要求機械手工作必須可靠。設計時要進行可靠性分析。（4）壽命的要求產品壽命是產品正常使用時因磨損而使性能下降在允許范圍內而且無需大修的連續工作期限。設計中要考慮采取減少摩擦和磨損的措施，如：選擇耐磨材料、采取潤滑措施、合理設計零件的形面等。因各零部件難以設計成相等壽命，所以易磨損的零件要便于更換。（5）經濟的要求機械產品設備的經濟性包括設計制造的經濟性和使用的經濟

23、性。機械產品的制造成本構成中材料費、加工費占有很大的比重，設計時必須給予充分注意。將機械設計課程中學到的基本設計思想貫穿到設計中。（6）人機工程學的要求人機工程學也稱為技術美學，包括操作方便宜人，調節省力有效，照明適度，顯示清晰，造型美觀，色彩和諧，維護保養容易等。本設計中要充分考慮外形設計，各調整環節的設計要方便人體接近，方便工具的使用。（7）安全保護和自動報警的要求按規范要求，采取適當的防護措施，確保操作人員的人身安全，這是任何設計都必須考慮的，是必不可少的。在程序設計中要考慮因故障造成的突然工作中斷，如機構卡死、工件不到位、突然斷電等情況，要設置報警裝置。設計參數（1）伸縮長度：300m

24、m；（2）單方向伸縮時間：1.52.5S；（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；（4）前端安裝豎向油缸和機械手，伸縮終點無剛性沖擊；4.2 臂部的結構選擇常見的手臂伸縮機構由以下五種：1）雙導向桿手臂伸縮機構手臂的伸縮缸安裝在兩根導向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿均受拉壓，故受力簡單傳動平穩。2）雙層液壓缸空心活塞桿單桿導向機構其特點是工作液壓缸容積小、運動速度快、外形整齊、活塞桿直徑大、增加手臂剛性。3）采用花鍵套導向的手臂升降機構內部導向，活塞桿直徑大、剛度大、傳動平穩，花鍵軸端部的定位裝置值得注意，必須保證手臂安裝在正確的初始設計位置上。 4）雙活塞桿液壓缸結構活塞桿速

25、度先慢后快，是用短液壓缸實現大行程的結構。5）活塞桿和齒輪齒條機構手臂的回轉運動是通過齒輪齒條機構實現的，齒條的往復運動帶動與手臂聯接的齒輪做往復回轉而使手臂左右擺動。通過以上，綜合考慮，本設計選擇雙導向桿手臂伸縮機構，使用液壓驅動,液壓缸選取雙作用液壓缸。4.3 手臂伸縮驅動力計算伸縮液壓缸活塞驅動力的計算公式為：式中 手臂運動時，為運動件表面間的摩擦阻力。 密封裝置處的摩擦阻力。液壓缸回油腔低壓油液所造成的摩擦阻力。啟動或制動時，活塞桿所受平均慣性力。（1）的計算經計算 式中 參與運動的零部件所受的總重量。手臂參與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐前端的距離導向支撐的長度當量摩擦系數，其

26、值與導向支撐的截面形狀有關。對于圓柱面：摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取鋼對鑄鐵：取計算：導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵，,導向支撐，帶入數據得：（2）的計算經計算 式中 由靜止加速到常速的變化量。 啟動過程時間，一般取。手臂啟動速度，啟動時間，帶入數據得：（3）的計算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用型密封圈，當液壓缸工作壓力小于時，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為： （4）的計算一般背壓阻力較小，為了計算方便，將其省略。經過以上分析計算，液壓缸的驅動力為：所以手臂伸縮驅動力 4.4 手臂伸縮液壓缸參數計算經過上面計算，確定了液壓缸的驅動力F=4100，因此選擇液壓缸的工作壓力。（1）液壓缸內徑計算圖4-1 雙作用液壓缸示意圖當油進入無桿腔： 當油進入油桿腔： 所以 （無桿腔） (有桿腔)式中 手臂伸縮液壓缸驅動力 液壓缸內徑 活塞桿直徑 液壓缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取 液壓缸的