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目錄 摘要 1 關(guān)鍵詞 1 Abstract 1 Key words 1 前言 2 1.總體方案設(shè)計(jì) 2 2.手部設(shè)計(jì) 3 2.1 確定手部結(jié)構(gòu) 4 2.2 手部受力分析 4 2.3 手部夾緊力的計(jì)算 5 2.4 手抓夾持誤差分析與計(jì)算 6 2.5 手部夾緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 6 2.5.1 夾緊缸主要尺寸的計(jì)算 6 2.5.2 缸體結(jié)構(gòu)及驗(yàn)算 7 2.5.3 缸筒兩端部的計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算 10 3.臂部設(shè)計(jì) 12 3.1 臂部設(shè)計(jì)基本要求 12 3.2 臂部結(jié)構(gòu)的確定 12 3.3 臂部設(shè)計(jì)計(jì)算 12 3.3.1 水平伸縮缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 12 3.3.2 升降缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 14 3.3.3 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 15 4.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 4.1 系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算 16 4.1.1 確定系統(tǒng)工作壓力 16 4.1.2 各個(gè)液壓缸流量的計(jì)算 16 4.2設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)圖 17 4.3 選擇液壓元件 19 4.3.1泵和電機(jī)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(dòng)作要求編制電磁鐵動(dòng)作順序表 20 5.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 5.1 確定輸入、輸出點(diǎn)數(shù)，畫(huà)出接口端子分配圖 21 5.2 畫(huà)出梯形圖 21 5.3 按梯形圖編寫(xiě)指令語(yǔ)句 23 6. 總結(jié) 24 參考文獻(xiàn) 25 致謝 26 28 抓件液壓機(jī)械手設(shè)計(jì) 摘要 機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)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。目前液壓機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。使用機(jī)械手，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工的自動(dòng)化，把人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)。使用機(jī)械手可穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。本次設(shè)計(jì)要求我們綜合運(yùn)用液壓、機(jī)械、電控方面的知識(shí)，完成液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)，包括機(jī)械部分、液壓系統(tǒng)和PLC控制部分。機(jī)械部分是在力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括手部﹑手臂和機(jī)身。通常機(jī)械手的手部要求結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)速度高，慣性小，動(dòng)作靈活，位置精度高。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括液壓系統(tǒng)的計(jì)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(guān)鍵詞 液壓機(jī)械手；液壓系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；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(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。它是機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性（王承義，1995）。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用（王希敏，1992）。 機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛，這主要是因?yàn)樗哂邢铝袃?yōu)點(diǎn)：對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，能代替人從事危險(xiǎn)有害的工作；持久耐勞，動(dòng)作準(zhǔn)確，可穩(wěn)定和提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，避免人為操作錯(cuò)誤；通用性好，動(dòng)作靈活，能較好地適應(yīng)產(chǎn)品品種的變化；可提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本（張軍，2004）。機(jī)械手按用途分為專(zhuān)業(yè)機(jī)械手和通用機(jī)械手。通用機(jī)械手具有獨(dú)立控制系統(tǒng)，程序可變，動(dòng)作靈活可以改變。其工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，適用于工件經(jīng)常變化的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)（李允文，1994）。 工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由抓取部分、腕部、臂部等部件組成（李允文，1994）。對(duì)于執(zhí)行運(yùn)動(dòng)較簡(jiǎn)單的機(jī)械手，可省去腕部的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)機(jī)械又有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)、機(jī)械式四種形式，氣動(dòng)和液動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式較為常用。氣動(dòng)式速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在50牛頓以下。而液動(dòng)式臂力大，可用電液伺服結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，使機(jī)械手的用途和通用性更廣（張雅琴，2004）。 液壓抓件機(jī)械手設(shè)計(jì)是一次比較完整的機(jī)電一體化整機(jī)設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)可以提高學(xué)生的機(jī)構(gòu)分析與綜合分析的能力、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，掌握實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的設(shè)計(jì)方法。懂得如何將學(xué)過(guò)的知識(shí)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中去。 在機(jī)械手各部分的設(shè)計(jì)中，主要考慮了以下幾個(gè)方面：機(jī)械結(jié)構(gòu)上，讓各部分的機(jī)構(gòu)盡可能緊湊，自重和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡可能小，同時(shí)臂部和機(jī)身還要求有足夠的強(qiáng)度和剛度。除此之外，對(duì)臂部還要求運(yùn)動(dòng)速度高、慣性小、動(dòng)作靈活，為之精度高。液壓部分的設(shè)計(jì)主要是確定好系統(tǒng)的工作壓力和流量。 這次設(shè)計(jì)使得我們對(duì)以往所學(xué)知識(shí)得到了鞏固和加深，熟悉了有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。初步掌握了機(jī)械手產(chǎn)品的設(shè)計(jì)一般步驟。培養(yǎng)了自身獨(dú)立工作的能力。 1.總體方案設(shè)計(jì) 根據(jù)課題設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，確定總體方案： 1. 抓重：10kg 2. 坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo) 3. 自由度：3 4. 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 運(yùn)動(dòng)名稱 符號(hào) 行程范圍 速度 伸縮 X 300mm 小于200mm/s 升降 Z 200mm 小于100mm/s 回轉(zhuǎn) α 180° 小于90（°）/s 手指夾持范圍：棒料，半徑40mm～60mm。 定為方式：機(jī)械擋塊（行程開(kāi)關(guān)）。 驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)。 控制方式：PLC（可編程序控制） 定位精度：±2mm。 機(jī)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(diǎn)回轉(zhuǎn)型夾緊機(jī)構(gòu)。動(dòng)力采用單作用液壓缸2驅(qū)動(dòng)夾緊，反向則由彈簧復(fù)位而松開(kāi)手指。 手臂的伸縮采用雙作用液壓缸３驅(qū)動(dòng)，伸縮過(guò)程采用雙導(dǎo)管導(dǎo)向，在導(dǎo)向的同時(shí)，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(dǎo)管進(jìn)入缸內(nèi)，此結(jié)構(gòu)能使油管布置更加緊湊。 手臂的回轉(zhuǎn)采用擺動(dòng)液壓缸４驅(qū)動(dòng)，此擺動(dòng)缸設(shè)計(jì)成輸出軸固定不動(dòng)，而使缸體轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)整個(gè)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 雙作用液壓缸5驅(qū)動(dòng)手臂做升降運(yùn)動(dòng) 圖1-1 機(jī)械手工作原理圖 2.手部設(shè)計(jì) 手部（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來(lái)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(jī)械手的手部機(jī)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而設(shè)計(jì)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(lèi)。本設(shè)計(jì)采用常用的夾鉗式手部結(jié)構(gòu)，它是最常見(jiàn)的夾持式結(jié)構(gòu)。 夾鉗式手部是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成的，它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤(pán)和套類(lèi)零件（殷際英，何廣平，2003）。一般情況下多采用兩個(gè)手指，少數(shù)采用三指或多指。本設(shè)計(jì)中的工件是棒料，所以選擇較簡(jiǎn)單的兩指結(jié)構(gòu)。 夾鉗式手部設(shè)計(jì)的基本要求： 1、應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力 手指握力（夾緊力）大小要合適，力量過(guò)大則動(dòng)力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)，甚至?xí)p壞工件；力量過(guò)小則夾持不住或產(chǎn)生松動(dòng)、脫落。在確定握力時(shí)，除考慮工件總量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，亦保證工件夾持安全可靠（楊永清等，2008）。對(duì)于手部的驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)說(shuō)，應(yīng)有足夠的驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)指出，由于機(jī)構(gòu)傳動(dòng)力比不同，在一定的夾持力條件下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動(dòng)力的大小是不同的。 2、手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉范圍 手指應(yīng)具有足夠的開(kāi)閉角度或開(kāi)閉距離，以便于抓取或退出工件。 3、應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度 應(yīng)保證每個(gè)被夾持的工件，在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確地相對(duì)位置。這對(duì)一些有方位要求的場(chǎng)合更為重要，如曲拐、凸輪軸一類(lèi)復(fù)雜的工件，在機(jī)床上安裝的位置要求嚴(yán)格，因此機(jī)械手的手部在夾持工件后應(yīng)保持相對(duì)的位置精度。 4、要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高 在保證本身剛度、強(qiáng)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(fù)載。 5、應(yīng)考慮通用性和特殊要求 一般情況下，手部多是專(zhuān)用的，為了擴(kuò)大它的適用范圍，提高它的通用化程度，以適應(yīng)夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調(diào)整的辦法，如更換手指甚至更換整個(gè)手部。此外，還要考慮能適應(yīng)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(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出的手部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示： 圖2-1 手部結(jié)構(gòu)圖 圖中為手指對(duì)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(jī)械手手部受力分析圖 由圖可知，手部結(jié)構(gòu)對(duì)稱，則 由 得 ＝ 且＝ 由 得 h=b 且＝ 由幾何關(guān)系有 h＝ 由上述等式可得： FN＝ 即 F= 式中 b —手指回轉(zhuǎn)中心到夾緊力作用點(diǎn)之間的距離； C —手指回轉(zhuǎn)中心到滑槽支點(diǎn)之間的距離； —工件被夾緊時(shí)手指滑槽方向與回轉(zhuǎn)中心在水平方向的夾角。 2.3 手部夾緊力的計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)其大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)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(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)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(jìn)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?jìng)髁π剩。?.85。 2.4 手抓夾持誤差分析與計(jì)算 機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件確定），而且還與手指的夾持誤差大小有關(guān)。在機(jī)械加工中，通常情況要求手抓的夾持誤差不超過(guò)±1mm就可以了。根據(jù)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： 計(jì)算mm 則定位誤差為和中的較大者。 ∴＝＝0.821mm<1mm 夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。 2.5 手部夾緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.5.1 夾緊缸主要尺寸的計(jì)算 由前知，夾緊缸為單作用彈簧復(fù)位液壓缸，假設(shè)夾緊工件時(shí)的行程為25mm，時(shí)間為0.5s，則所需夾緊力為： 式中： F—活塞桿實(shí)際輸出力； P彈—彈簧壓縮時(shí)的作用力。 其中： 式中： G—彈簧材料的剪切模量，對(duì)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(yù)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(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)單緊湊，取工作壓力為2。 由公式 得： 式中: D—液壓缸內(nèi)徑； P—液壓缸工作壓力； —液壓缸工作效率，＝0.95。 由JB826－66標(biāo)準(zhǔn)系列將缸內(nèi)徑圓整為D＝50mm，同理查得活塞桿直徑d＝32m， 2.5.2 缸體結(jié)構(gòu)及驗(yàn)算 缸體采用45號(hào)鋼無(wú)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(yīng)低于一定極限值，以保證工作安全（李壯云，2008）。 式中： D—缸筒內(nèi)徑（m）； D1—缸筒外徑（m）； σs—缸筒材料的屈服點(diǎn)，（45號(hào)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(shí)發(fā)生塑形變形，液壓缸的額定壓力PN值應(yīng)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(shí)的壓力（），。 計(jì)算可得： 已知實(shí)際工作壓力PN＝2<21.67,故安全。 （3）缸筒爆裂壓力應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐壓試驗(yàn)壓力PT。 查表知45號(hào)鋼，則： 取1.5＝3，可知遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐壓實(shí)驗(yàn)壓力。 2.5.3 缸筒兩端部的計(jì)算 （1）缸筒底部厚度的計(jì)算 此夾緊缸采用了平行缸底，且底部設(shè)有油孔，則底部厚度為（李壯云，2008）： 考慮結(jié)構(gòu)要求，取h＝10mm 式中： D—缸筒內(nèi)徑； Pmax—液壓缸最大工作壓力，取Pmax＝2PN＝4。 —缸底材料的許用應(yīng)力（），材料為45號(hào)鋼，＝600。則 ＝，n為安全系數(shù)，取n＝5。 （2）缸筒底部聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算 缸筒底部采用外卡環(huán)聯(lián)接，材料為35號(hào)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(cè)面上的擠壓應(yīng)力（）為: 缸筒危險(xiǎn)截面上的拉應(yīng)力（）為: 故知缸筒底部聯(lián)接安全。 （3）缸筒端部聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)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(yīng)力： 螺紋處的剪應(yīng)力： 則合成應(yīng)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(nèi)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(nèi)徑的圓度公差值可按9、10或11級(jí)精度選取，圓柱度公差值可按8級(jí)精度選取(下為缸筒機(jī)加工圖) 圖2-5 缸筒機(jī)加工圖 （3）缸筒端面的垂直度公差值按7級(jí)精度選取 （4）為了防止腐蝕和提高壽命，缸筒內(nèi)表面應(yīng)鍍以厚度為的鉻層，鍍后進(jìn)行拋光（李柱，2004）。 2.5.5 活塞與活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）活塞設(shè)計(jì) 活塞的外徑與缸筒內(nèi)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(jiǎn)單的螺紋連接?；钊c缸筒內(nèi)壁采用O型密封圈密封（王懋瑤，2004）。活塞結(jié)構(gòu)如下： 圖2-6 活塞結(jié)構(gòu)圖 對(duì)于無(wú)導(dǎo)向環(huán)活塞的材料，一般選用高強(qiáng)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(duì)孔軸線的徑向圓跳動(dòng)公差值，可按7、8級(jí)精度加工，同時(shí)其圓柱度公差值，按9、10級(jí)選取；端面T對(duì)軸線的垂直度公差值按8級(jí)精度加工；外表面粗糙度控制在之間。 （2）活塞桿設(shè)計(jì) 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(jié)構(gòu)圖 活塞桿直徑d＝32mm，故取，A＝40mm （螺紋長(zhǎng)短型） 活塞桿結(jié)構(gòu)（如圖）采用實(shí)心桿 圖2-8 活塞桿結(jié)構(gòu)圖 桿體材料采用35號(hào)鋼，加工后調(diào)質(zhì)到硬度為229～285HBS，必要時(shí)，再經(jīng)高頻淬火，硬度達(dá)45～55HRC。活塞桿直徑d的圓柱度公差值，應(yīng)按8級(jí)精度加工，其圓度公差值，應(yīng)按9、10級(jí)精度加工；端面T的垂直度公差值應(yīng)加工成7級(jí)精度；外圓表面粗糙度應(yīng)處于0.4～0.8 之間（鄭修本，1999）。 驗(yàn)算活塞桿的強(qiáng)度 取活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度為150mm，活塞桿已知32mm 則 ，屬于短行程活塞桿，主要驗(yàn)算抗拉強(qiáng)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(hào)鋼為310 3.臂部設(shè)計(jì) 手臂部件是機(jī)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(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。 手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)有較多，故受力復(fù)雜。因而，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機(jī)械手的工作性能。（李允文，1994） 3.1 臂部設(shè)計(jì)基本要求 臂部設(shè)計(jì)首先要實(shí)現(xiàn)所旭要求的運(yùn)動(dòng)，為此，要滿足下列幾項(xiàng)要求： （1） 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕； （2） 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要??； （3） 手臂動(dòng)作應(yīng)靈活； （4） 位置精度要高。 除此之外，要求機(jī)械手的通用性好，能適應(yīng)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(jī)械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手還要設(shè)置防塵裝置等。 3.2 臂部結(jié)構(gòu)的確定 （1）由前知，手臂的伸縮采用雙導(dǎo)向桿狀作用液壓缸手臂結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向管在導(dǎo)向套內(nèi)移動(dòng)，且導(dǎo)向管內(nèi)設(shè)有通向夾緊缸的油管?；钊麠U只受拉壓作用，受力簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平衡，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。 （2）手臂的水平回轉(zhuǎn)采用液壓擺動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)。 （3）.手臂的升降采用雙作用液壓缸驅(qū)動(dòng)。 3.3 臂部設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.1 水平伸縮缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所需克服的摩擦、回油背壓及慣性等幾方面的阻力，來(lái)確定液壓缸所需的驅(qū)動(dòng)力。 理論驅(qū)動(dòng)力： 估算參與手臂運(yùn)動(dòng)部件總重量 ，且重心位置距導(dǎo)向套前端面距離為200mm。 的計(jì)算： 由于導(dǎo)向桿對(duì)稱布置，導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。 由 知 則： 又 則 ∴ 式中： L—重心距導(dǎo)向套前端距離（200mm）； —導(dǎo)向套長(zhǎng)度（60mm）； —當(dāng)量摩擦系數(shù)，?。?.15。 F摩的計(jì)算： 當(dāng)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(shí)液壓缸的密封阻力為： F回的計(jì)算：一般背壓阻力較小，F(xiàn)回?。?.05F驅(qū) F慣的計(jì)算： 式中；－由靜止加速到常速的變化量（m/s）； － 起動(dòng)過(guò)程時(shí)間（s），一般取0.01～0.5s，這里取＝0.2s。 則： 得出F理＝408N 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 ； 式中：k—安全系數(shù) k＝2；—傳力機(jī)構(gòu)機(jī)械效率 ＝0.8。 （2）結(jié)構(gòu)尺寸的確定 缸內(nèi)徑計(jì)算： 取工作壓力P＝2，則： ，圓整為D＝32mm。 根據(jù)強(qiáng)度要求，計(jì)算活塞桿直徑d： ，—材料許用應(yīng)力，碳鋼取＝100。 考慮結(jié)構(gòu)要求，取 壁厚計(jì)算： 此缸工作壓力為2，屬低壓，則缸筒壁厚采用薄壁計(jì)算公式（成大先，2004）： ，取＝4mm。 聯(lián)接螺釘強(qiáng)度計(jì)算： 取螺釘數(shù)目Z＝4，工作載荷： 預(yù)緊力。 則，查手冊(cè)取螺紋直徑d1＝6mm，螺距p＝0.75，材料為35號(hào)鋼的內(nèi)六角螺釘。 3.3.2 升降缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 經(jīng)分析易知，升降缸在上升階段所需驅(qū)動(dòng)力為最大，則以此為設(shè)計(jì)依據(jù)，此時(shí)相比伸縮缸，其驅(qū)動(dòng)力還應(yīng)加上手部上面各運(yùn)動(dòng)部件以及工件的重力。 理論驅(qū)動(dòng)力；， 估算G總＝450N F摩的計(jì)算：； F密的計(jì)算：同理 ； F回的計(jì)算：回油背壓小，取F回＝0.05F驅(qū)； F慣的計(jì)算：。 則： 得出F理＝810N 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 （2）結(jié)構(gòu)尺寸的確定 缸內(nèi)徑計(jì)算： 取工作壓力P＝2，則： ，圓整到D＝40mm 根據(jù)強(qiáng)度要求，計(jì)算活塞桿直徑d： ，同理取。 結(jié)構(gòu)上，活塞桿內(nèi)部裝有花鍵及花鍵套，能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向作用，同時(shí)可使活塞桿在升降運(yùn)動(dòng)中傳動(dòng)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(qiáng)度計(jì)算： 取螺釘數(shù)目Z＝4，工作載荷 預(yù)緊力。 則，查手冊(cè)取螺紋直徑d1＝6mm，螺距p＝0.75，材料為35號(hào)鋼的內(nèi)六角螺釘。 3.3.3 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 驅(qū)動(dòng)手臂水平回轉(zhuǎn)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩M驅(qū)應(yīng)該與手臂啟動(dòng)時(shí)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(jì)：則，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可不計(jì)M封。直接計(jì)入回轉(zhuǎn)缸效率中，則 ，取0.9。 式中：—角速度變化量（rad/s），在起動(dòng)過(guò)程中＝； —起動(dòng)過(guò)程時(shí)間，0.05～0.5s，取＝0.1s； J0—手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）。 經(jīng)分析知，當(dāng)手臂完全伸出時(shí)，此時(shí)達(dá)到最大值，估算此時(shí)回轉(zhuǎn)零件的重心到 轉(zhuǎn)軸線的距離為＝150mm，則： ＝10.68 式中：Jc—回轉(zhuǎn)零件對(duì)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； m—回轉(zhuǎn)零件的總質(zhì)量。 則 （2）回轉(zhuǎn)缸參數(shù)的計(jì)算 擺動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)力 式中：D—回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑（m）； d—轉(zhuǎn)軸直徑（m）； P—回轉(zhuǎn)缸工作壓力，取p＝2。 B—?jiǎng)悠瑢挾龋╩）。 為了減少動(dòng)片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及動(dòng)片的懸伸長(zhǎng)度，選擇動(dòng)片寬度（即液壓缸寬度）時(shí)，可選用 ，這里取，且D=2d。 經(jīng)計(jì)算得：d＝47mm，取d＝50mm，則D＝100mm，b＝75mm。 （3）缸蓋聯(lián)接螺栓和動(dòng)片聯(lián)接螺釘強(qiáng)度計(jì)算 缸蓋聯(lián)接螺栓計(jì)算： 取螺栓數(shù)目Z＝8 工作載荷 計(jì)算載荷 螺栓內(nèi)徑應(yīng)滿足：。查手冊(cè)取d1＝10mm，公稱長(zhǎng)度L＝100mm的六角頭螺栓。 動(dòng)片聯(lián)接螺釘?shù)挠?jì)算： 螺釘數(shù)一般取雙數(shù)，對(duì)稱安裝，并用兩個(gè)銷(xiāo)釘定位。取Z=6，則： 式中：FQ—每個(gè)螺釘?shù)念A(yù)緊力； —被聯(lián)接件配合面件的摩擦系數(shù)，鋼對(duì)鋼取＝0.15。 螺釘內(nèi)徑，查手冊(cè)取d1＝10mm，螺距p＝1.5mm的內(nèi)六角螺釘。 （4）軸承的選擇 軸承主要承受向心力，且轉(zhuǎn)速較低，故選用深溝球軸承，型號(hào)為： 6005 d－D－B：25－47－12 （注：除夾緊缸外的另外三個(gè)缸的其它參數(shù)計(jì)算和校核，可參考夾緊缸部分。） 4.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算 4.1.1 確定系統(tǒng)工作壓力 由前計(jì)算知，各缸的設(shè)計(jì)工作壓力均為2，則系統(tǒng)工作壓力還應(yīng)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(jiǎn)單，估算＝0.5。則Ps=2+0.5=2.5。 4.1.2 各個(gè)液壓缸流量的計(jì)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(dāng)各缸為無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，此時(shí)即為各缸的最大流量，因此，在此只計(jì)算無(wú)桿腔的流量。 （1）夾緊缸流量計(jì)算 假設(shè)夾緊缸在夾緊過(guò)程中的行程為＝25mm，所需時(shí)間t＝0.5s，則平均速度為: 已知缸內(nèi)徑D=50mm＝5cm，則所需流量： （2）手臂伸縮缸流量計(jì)算 由前知，伸縮缸行程為＝300mm，假設(shè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間＝2s，則平均速度為： 已知缸內(nèi)徑D＝32mm＝3.2cm，則所需流量： （3）手臂升降缸流量計(jì)算 由前知，升降缸行程＝200mm，假設(shè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為＝2s，則平均速度為： 已知缸內(nèi)徑D＝40mm＝4cm，則所需流量： （4）手臂回轉(zhuǎn)缸流量的計(jì)算 假設(shè)回轉(zhuǎn)角度為，時(shí)間為2.5s，又已知D＝100mm，d＝50mm，b＝75mm。 則所需流量： 由以上計(jì)算可知，各缸的最大流量為＝21.18，則系統(tǒng)流量應(yīng)以此為設(shè)計(jì)依據(jù)，此時(shí)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)控制，選中位為O型可使定位準(zhǔn)確，如圖4-1。 圖4-1 換向回路 （2）調(diào)速回路 本系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，故選用簡(jiǎn)單的進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速。同時(shí)選用單泵供油，力求獲得較好的經(jīng)濟(jì)性，如圖4-2。 圖4-2調(diào)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(dòng)的影響，導(dǎo)致夾緊力過(guò)大而損壞工件，或因壓力過(guò)低無(wú)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(shí)，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(lái)平衡（楊春杰，2004），如圖4-3。 圖4-3 升降缸防滑保護(hù)回路 （4） 合成并完善液壓系統(tǒng)圖 將上述各回路進(jìn)行組合并加上卸荷及測(cè)壓油路完善 整個(gè)液壓系統(tǒng)圖，如圖4-4。 圖4-4 機(jī)械手液壓系統(tǒng)圖 4.3 選擇液壓元件 4.3.1泵和電機(jī)的選擇 由前計(jì)算知，，。根據(jù)《液壓傳動(dòng)手冊(cè)》選： CB-B20，n＝1450r/min， ， 電動(dòng)機(jī)的選用：取泵的總效率＝0.65，則 選電動(dòng)機(jī)：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(hào) 元件名稱 型 號(hào) 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(kāi)關(guān) E-6B 1 4.4根據(jù)動(dòng)作要求編制電磁鐵動(dòng)作順序表 （1）機(jī)械手動(dòng)作要求： 回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)工位2 圖4-5 機(jī)械手動(dòng)作順序圖 （2）繪制電磁鐵動(dòng)作順序表： 表4-2 電磁鐵動(dòng)作順序表 動(dòng)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(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) + 反轉(zhuǎn) + 手指夾緊 夾緊 + 松開(kāi) 原位卸荷 + 5.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本機(jī)械手采用PLC(可編程序控制器)進(jìn)行控制，通過(guò)控制各電磁換向閥，從而控制油液方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的順序動(dòng)作。使用PLC進(jìn)行控制，可輕易的更改用戶程序以適應(yīng)機(jī)械手工藝流程變更的要求（張雅琴，2006）。 5.1 確定輸入、輸出點(diǎn)數(shù)，畫(huà)出接口端子分配圖 經(jīng)分析知，該機(jī)械手控制系統(tǒng)需12個(gè)輸入端口，9個(gè)輸出端口。選用三菱F1-40M型主機(jī)，該微機(jī)有24個(gè)輸入端口，16個(gè)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(huà)出梯形圖 根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作順序圖（圖4-5）及電磁鐵動(dòng)作順序表（表4-2），畫(huà)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(xiě)指令語(yǔ)句 按上述梯形圖編寫(xiě)的指令語(yǔ)句如下表： 表5-1 指令語(yǔ)句表 步序 指令 地址號(hào) 步序 指令 地址號(hào) 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(jié) 該機(jī)械手的爪部采用單支點(diǎn)推力夾緊機(jī)構(gòu)，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，夾持精度高，且?jiàn)A緊缸利用彈簧復(fù)位，減少了回油路的設(shè)計(jì)，使液壓系統(tǒng)得到了一定的簡(jiǎn)化。臂部的伸縮采用雙導(dǎo)向桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)，手臂伸縮缸安裝在兩導(dǎo)桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，受力簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，并且通向夾緊缸的油路經(jīng)過(guò)其中一導(dǎo)向桿，這簡(jiǎn)化了油管的布置，使線路更為緊湊。在手臂升降缸的設(shè)計(jì)中，采用了花鍵和花鍵套，兩者相互配合，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)良好的導(dǎo)向作用，使傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，而且增大了整個(gè)缸的剛度?？刂品矫?，采用移位指令SFT實(shí)現(xiàn)機(jī)械手過(guò)程的步進(jìn)控制。這種設(shè)計(jì)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(wèn)題，使得程序設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。該機(jī)械手的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程主要本著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形輕巧、成本低廉的原則。 由于水平有限，整個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)工作量很大，難以全面考慮設(shè)計(jì)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，因此設(shè)計(jì)中定有不足之處，望各位老師予以批評(píng)指正。 參考文獻(xiàn) 1. 陳大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004 2. 鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制.第三版.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001 3. 宮淑貞等.可編程控制器原理及應(yīng)用.北京:人民郵電出版社，2002 4. 林建龍,王小北.抓箱機(jī)械手選型設(shè)計(jì).輕工機(jī)械,2003,(3): 70-71 5. 黎啟柏.液壓元件手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999 6. 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