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 要本文簡要地介紹了工業機器人的概念，機械手的組成和分類，機械手的自由度和座標型式，氣動技術的特點，PLC控制的特點及國內外的發展狀況。本文對機械手進行了總體方案設計，確定了機械手的座標型式和自由度，確定了機械手的技術參數。同時，詳細設計了機械手的夾持式手部結構;設計了機械手的手腕結構，計算出了手腕轉動時所需的驅動力矩和回轉氣缸的驅動力矩;設計了機械手的手臂結構，設計了手臂伸縮。設計出了機械手的液壓系統，繪制了機械手液壓系統工作原理圖。利用可編程序控制器對機

2、械手進行控制，選取了合適的PLC型號，根據機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，畫出了機械手的工作時序圖和梯形圖，并編制了可編程序控制器的控制程序。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

3、 of freedom 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 deg

4、rees of 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 to

5、rque; the 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 t

6、o the manipulator 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21.1 搬運機械手的應用簡

7、況21.2 機械手的應用意義31.3 機械手的發展概況31.4 機械手的發展趨勢41.5 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72.1 機械手的基本結構72.2 機械手的主要參數9第3章 手部結構設計93.1 手部設計基本要求93.2 典型的手部結構103.3 機械手手爪的設計計算103.4 手爪的力學分析103.5 夾緊力及驅動力的計算123.6 手爪夾持范圍的計算143.7 機械手手爪夾持精度的分析計算15第4章 橫向手臂的設計計算164.1 伸縮臂設計基本要求164.2 臂部的結構選擇184.3 手臂伸縮驅動力的計算194.4 手臂伸縮液壓缸參數計算214.5

8、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246.1 控制系統設計要求246.2 控制流程25第7章 PLC控制設計267.1 PLC的構成及工作原理267.2 PLC的選擇257.3 程序設計287.4 指令表25結論33參考文獻34致謝35附錄35前言機械手：mechanical 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

9、、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

10、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1.1搬運機械手的應用簡況在現代工業中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業中，加工、裝配等生產是不連續的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法，程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批

11、量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業，有待于進一步實現機械化。據資料介紹，美國生產的全部工業零件中，有75是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產品種的中、小批量自動化生產，廣泛應用于柔性自動線。國內外機械工業、鐵路部門中機搬運械手主要應用于以下幾方面：1、熱加工方面的應用熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現自動化。為了提高工作效率

12、，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業就更需要采用機械手操作。2、冷加工方面的應用冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數字控制等機床上應用，成為設備的一個組成部分。最近更在加工生產線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯接的重要于段。3、拆修裝方面拆修裝是鐵路工業系統繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內噴漆通用機

13、械手，可用以對客車內部進行連續噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質量和效率。近些年，隨著計算機技術、電子技術以及傳感技術等在機械手中越來越多的應用，工業機械手已經成為工業生產中提高勞動生產率的重要因素。1.2機械手的應用意義在機械工業中，機械手的應用意義可以概括如下：1、可以提高生產過程的自動化程度應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產率，降低生產成本，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。2、 可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直

14、接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3、可以減少人力，便于有節奏地生產應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產的節拍，便于有節奏地進行生產。綜上所述，有效地應用機械手是發展機械工業的必然趨勢。1.3機械手的發展概況專用機械手經過幾十年的發展，如今已進入以通

15、用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應用和發展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，而且還應用一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術。目前國內外對發展這一新技術都很重視，幾十年來，這項技術的研究和發展一直比較活躍，設計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應用領域也在不斷地擴大。早在40年代，隨著原子能工業的發展，已出現了模擬關節式的第一代機械手。5060年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數控示教再現型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(Unimate)

16、機械手即屬于這種類型。6070年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術進入了應用階段。80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。90年代機械手在特殊用途上有較大的發展，除了在工業上廣泛應用外，農、林、礦業、航天、海洋、文娛、體育、醫療、服務業、軍事領域上有較大的應用。90年代以后，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發展，機械手技術也得到飛速的多元化發展。總之，目前機械手的主要經歷分為三代：第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度；第二代機械手設有電子計算機控制系統，

17、具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發展成為柔性系統FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環。1.4機械手的發展趨勢目前國內工業機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數量、品種、性能方面都不能滿足工業生產發展的需要。因此，國內主要是逐步擴大機械手應用范圍，重點發展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業條件。在應用專用機械

18、手的同時，相應地發展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，以及適于不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算機聯用，逐步成為整個機械制造系統中的一個基本單元。在國外機械制造業中，工業機械手應用較多，發展較快。目前主要用于機床、模鍛壓力機

19、的上下料，以及點焊、噴漆等作業中，它可按照事先制定的作業程序完成規定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此，國外機械手的發展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應的變更。如位置發生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及衛星計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即在機械手

20、上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內的壓力敏感元件產生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內側的壓力敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小。總之，隨著傳感技術的發展，機械手的裝配作業的能力將進一步提高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機械手裝配。現今機械手的發展更主要的是將機械手和柔性制造系統以及柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統的人工操作狀態。1.5 PLC概況及在機械手中的應用1、 可編程序控制器的應用和發展概況可編程序控制器（programmable controller），現在一般簡稱為PLC（progra

21、mmable logic controller），它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數字技術、通 信網絡技發展起來的一種通用的工業自動控制裝置。以其顯著的優點在冶金、化工、交通、電力等領域獲得了廣泛的應用，成為了現代工業控制三大支柱之一。在可編程序控制器問世以前，工業控制領域中是繼電器控制占主導地位。傳統的繼電器控制具有結構簡單、易于掌握、價格便宜等優點，在工業生產中應用甚廣。但是控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構成系統，接線繁雜，當生產工藝或控制對象改變時，原有的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較

22、差。2、PLC的應用概況PLC的應用領域非常廣，并在迅速擴大，對于而今的PLC幾乎可以說凡是需要控制系統存在的地方就需要PLC，尤其近幾年來PLC的性價比不斷提高已被廣泛應用在冶金、機械、石油、化工、輕功、電力等各行業。按PLC的控制類型，其應用大致可分為以下幾個方面：1）、用于邏輯控制這是PLC最基本，也是最廣泛的應用方面。用PLC取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機床的電氣控制、包裝機械的控制、自動電梯控制等。2）、用于模擬量控制PLC通過模擬量I/O模塊，可實現模擬量和數字量之間轉換，并對模擬量控制。3）、用于機械加工中的數字控制現代PLC具有很強的數據處理功能，它可以與機械加工中的數

23、字控制（NC）及計算機控制（CNC）緊密結合，實現數字控制。4）、 用于工業機器人控制5）、用于多層分布式控制系統高功能的PLC具有較強的通信聯通能力，可實現PLC與PLC之間、PLC與遠程I/O之間、PLC與上位機之間的通信。從而形成多層分布式控制系統或工廠自動化網絡。3、PLC的特點1）、可靠性高、抗干擾能力強PLC能在惡劣的環境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等中可靠地工作，PLC的平均無故障間隔時間高，日本三菱公司的F1系列PLC平均無故障時間間隔長達30萬h，這是一般微機所不能比擬的。2）、控制系統構成簡單、通用性強由于PLC是采用軟件編程來實現控制功能，對同一控制對象，

24、當控制要求改變需改變控制系統的功能時，不必改變PLC的硬件設備，只需相應改變軟件程序。3）、編程簡單、使用、維護方便4）、組合方便、功能強、應用范圍廣PLC既可用于開關量的控制又可用于模擬量的控制；既可用單片機控制，又可用于組成多級控制系統；既可控制簡單系統，又可控制復雜系統。因此，PLC應用范圍很廣。5）、體積小、重量輕、功耗低PLC采用了半導體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時功耗也很低，空載功耗約1.2KW。4、PLC在機械手中的應用機械手通常應用于動作復雜的場合來代替人的反復的操作，從而節省人的勞動，普通繼電器由于其體積和接口等各方面限制，經常被應用于動作簡單的電氣及流水線控制，而P

25、LC以其可靠性高、抗干擾能力強;控制系統構成簡單、通用性強;編程簡單、使用、維護方便;組合方便、功能強、應用范圍廣; 體積小、重量輕、功耗低等有點被廣泛應用于類似機械手的控制動作復雜的場合，本設計正是以PLC控制為基礎從而實現機械手的各種動作。第二章 機械手總體方案的設計對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾一放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業對象(工件)的作業技術要求，擬定最合理的作業工序和工藝，并滿足系統功能要求和環境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要

26、求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現柔性轉換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批生產的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動強度大和操作單調頻繁的生產場合。它可用于操作環境惡劣，勞動強度大和操作單調頻繁的生產場合。2.1機械手的基本結構機械手是一個水平、垂直運動的機械設備，用來將工件由左工作臺搬到右工作臺。有上升、下降運動，左移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制。簡易機械手在各類全自動和半自動生產線上應用得十分廣泛，主要用于

27、零部件或成品在固定位置之間的移動，替代人工作業，實現生產自動化。本設計中的機械手采用上下升降加平面轉動式結構，機械手的動作由氣動缸驅動，氣動缸由相應的電磁閥來控制，電磁閥由PLC控制。驅動執行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業生產線中。圖2.1為機械手簡圖,其中 1-豎直氣缸，2-執行氣爪，3-工件，4-水平氣缸，5-旋轉軸，6-支架，7-底座125673左右4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

28、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。上限延時工件下限原位下降夾緊上升右移停止左移上升松開下降下限延時上限左限啟動右限圖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

29、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。2.2機械手的主要參數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/

30、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1

31、80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0.5lmm。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，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

32、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

33、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

34、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

35、： 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.

36、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）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（

37、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，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3.7 機械手手抓夾持精度的分析計算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

38、，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。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

39、，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，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

40、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

41、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：300mm；（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

42、，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

43、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

44、，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 液壓缸的工作壓力帶入數據得：

45、根據液壓缸內徑系列（JB826-66），選取液壓缸的內徑為：（2）活塞桿直徑計算活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度的要求，對于桿長大于直徑15倍的活塞桿，還必須具有足夠的穩定性。按強度條件決定活塞桿直徑 按拉壓強度計算： 設活塞桿材料為碳鋼，碳鋼，取即 456810121416182022252830323540455055606365707580859095活塞桿直徑系列（JB826-66）根據活塞桿直徑系列（JB826-66）選取活塞桿直徑。所以橫向伸縮液壓缸主要參數為：液壓缸內徑D工作壓力P活塞桿直徑d驅動力F80mm1MPa50mm4100N4.5豎向液壓缸的設計說明由

46、于豎向液壓缸的設計過程與橫向液壓缸的設計過程基本相似，所以，在此豎向液壓缸不做詳細說明。所以橫向伸縮液壓缸主要參數為：液壓缸內徑D工作壓力P活塞桿直徑d驅動力F70mm1MPa35mm2000N第五章 機身回轉機構的設計1、 回轉軸驅動力矩的計算手臂回轉軸的回轉驅動力矩，應該與手臂運動時所產生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡。 (5.1)慣性力矩的計算 (5.2)式中 回轉軸動片角速度變化量（），在起動過程中=；t起動過程的時間(s);手臂回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量（）。若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為，則 (5.3)式中 回轉零件的重心的轉動慣量。 (5.4)回轉

47、部件可以等效為一個長1000mm，直徑為60mm的圓柱體，質量為150Kg.設置起動角度=180，則起動角速度=0.314，起動時間設計為0.1s。=12.5=162.5510.25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。經過以上的計算=5102、回轉軸尺寸的初步確定 設計回轉軸的靜片和動片寬b=60mm，d為輸出軸與動片連接處的直徑，設d=50mm,則回轉軸的內徑通過下列計算： (5.5)D=80mm即：設計回轉軸的內徑為80mm。 3、整體結構裝配圖如下：第六章 液壓控制系統6.1控制系統設計要求本次設計的具有觸覺功能的機械手具有回轉、伸縮、

48、升降、加緊等功能，因此，相應地有手臂伸縮機構，手臂回轉機構，手臂升降機構等構成。各部分均用液壓缸或電機驅動與控制。設計要求：其中前伸、后退、夾緊、放松這幾個動作用液壓缸帶動機械手來實現。手臂和手指所用的液壓缸分別用一個定時換向閥控制。而在手臂的液壓缸上安裝一個行程開關，當手臂伸到指定位置后觸動SQ2，臂停止前伸。當手臂收縮，觸動行程開關SQ3，手臂停止收縮。而手指上裝上了一個壓電傳感器，當手指夾緊后停止一定時間后液壓缸縮回，當手指處于張開或沒有夾到東西的時候，其控制的液壓缸處于靜止狀態。整體結構的左轉和右轉用步進電動機帶動齒輪來實現。手臂的旋轉也有一個行程開關控制電機的正反轉。6.2控制流程整

49、機的初始狀態為：缸1、缸2、缸3絕處于縮回狀態，故手指也處于加緊狀態。整機的運動過程為：啟動開關S0缸1伸出，到頭缸2伸出，到頭缸3伸出保持一定時間（定時）缸3縮回收到壓電信號缸2縮回缸1縮回觸動行程開關電機正轉180（反轉）；然后循環以上動作。液壓回路控制流程圖如下：第七章 PLC控制系統7.1 PLC的構成及工作原理可編程邏輯控制器（PLC）又稱可編程控制器。它是在工業環境中使用的數字操作的電子系統。它使用可編程存儲器存儲用戶設計的程序指令，這些指令用來實現邏輯運算、順序操作、定時、計數及算術運算和通過數字或模擬輸入/輸出來控制各種機電一體化，程序可變、抗干擾能力強、可靠性高、功能強、體積

50、小、耗電低，特別是易于、價格便宜等特點，具有廣泛的應用前景。正是基于PLC這些特點，遠遠可以滿足該套機械手的要求。機械手輸入輸出端口分配表7-1所示輸入輸出輸入繼電器輸入元件作用輸出繼電器輸出元件作用X0SA1啟動/停止KM1Y5電機正轉使Y1得點/失電KM2Y6電機反轉X1SQ1使Y4得電YA1Y1使缸1伸出X2SQ2使Y3得電YA2Y2使缸2縮回X3SQ3確定工作臺處于A處YA3Y3使缸3伸出X4SQ4確定工作臺處于B處YA4Y4使缸2伸出X5SQ5使KM1得電X6SQ6使KM2得電X7壓電觸感器使YA4失電表7-17.2 PLC的選擇可編程邏輯控制器（PLC）是在工業環境中使用的數字操作的電子系統，又稱可編程控制器。它使用可編程存儲器存儲用戶設計的程序指令，這些指令用來實現邏輯運算、順序操作、定時、計數及算術運算和通過數字或模擬輸入/輸出來控制各種機電一體化，程序可變、抗干擾能力強、可靠性高、功能強、體積小、耗電低，特別是易于控制、價格便宜等特點，具有廣泛的應用前景。PLC的按