球坐標工業(yè)機械手設計

球坐標工業(yè)機械手設計,球坐標工業(yè)機械手設計,坐標,工業(yè),機械手,設計 寧XX大學 畢業(yè)設計(論文) 球坐標工業(yè)機械手設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 2014年 月 日 摘 要 機械手是在在機械化、自動化生產過程中發(fā)展的一種新型裝置,使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置。機械手能代替人類、重復枯燥完成危險工作，提高勞動生產力,減輕人勞動強度。該裝置涵蓋了位置控制技術可編程控制技術、檢測技術等。本課題擬開發(fā)的物料球坐標工業(yè)機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數(shù),可代替人工在高溫危險區(qū)進行作業(yè)，。 關鍵詞：機械手, 球坐標工業(yè)機械手，抓取，提升 40 Abstract The manipulator is a new device developed in the mechanization, automation of production process, a grasping and moving the workpiece function of automation device use. The manipulator can repeat boring to do dangerous work instead of humans,, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device covers the position control technology of programmable control technology, detection technology. The material of hydraulic manipulator this subject to the grasping be up in space objects, flexible, any changes to the relevant parameters according to the change and the movement flow requirements, but instead of manual operation in high risk areas,. Key Words: manipulator, hydraulic manipulator, crawl, enhance 目 錄 摘 要 2 Abstract 3 目 錄 4 1 緒 論 7 1.1 課題背景及目的 7 1.2 機械手的定義 7 1.3 球坐標工業(yè)機械手的組成 7 1.4 球坐標工業(yè)機械手的應用 8 2 球坐標工業(yè)機械手設計要求與方案 9 2.1 球坐標工業(yè)機械手設計要求 9 2.2 基本設計思路 9 2.2.1 系統(tǒng)分析 9 2.2.2 總體設計框圖 10 2.2.3 球坐標工業(yè)機械手的基本參數(shù) 10 2.3 球坐標工業(yè)機械手結構設計 11 2.4 機械手材料的選擇 11 2.5機械臂的運動方式 12 2.6 球坐標工業(yè)機械手驅動方式的選擇 12 2.7 動作要求分析 13 2.8 球坐標工業(yè)機械手結構及驅動系統(tǒng)選型 13 3 系統(tǒng)各主要組成部分設計 15 3.1夾持器結構設計與校核 15 3.1.1 夾持器種類 15 3.1.2 夾持器設計計算 16 3.1.3 夾持器校核 17 3.2 升降方向設計計算 17 3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力 17 3.2.2 升降油缸計算 18 3.2.3 活塞桿的計算校核 19 3.2.4 液壓缸工作行程的確定 21 3.2.5 活塞的設計 21 3.2.6 導向套的設計與計算 21 3.2.7 端蓋和缸底的計算校核 22 3.2.7 缸體長度的確定 23 3.2.8 緩沖裝置的設計 23 3.3 水平方向設計計算 23 3.3.1 水平方向計算 23 3.3.2 油缸的選型 24 3.4 底座回轉機構設計計算 24 3.4.1 回轉部位負載計算校核 24 3.4.2 油馬達的選型 26 3.5機身結構的設計校核 27 3.5.1 油馬達的選擇 27 3.5.2螺柱的設計與校核 27 3.5.3機座的機械結構 29 3.6 球坐標工業(yè)機械手的定位及平穩(wěn)性確定 29 3.6.1 常用的定位方式 29 3.6.2 影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 29 3.6.3 球坐標工業(yè)機械手運動的緩沖裝置 30 3.6.4 繪制液壓系統(tǒng)圖 31 3.6.5 計算和選擇液壓元件 32 3.6.6 液壓系統(tǒng)性能的驗算 33 4 機械手控制系統(tǒng)設計 34 4.1 機械手的工藝過程 34 4.2 PLC 控制系統(tǒng) 35 4.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設計 36 總結與展望 39 參考文獻 40 致 謝 41 1 緒 論 1.1 課題背景及目的 畢業(yè)設計是機械設計制造及其自動化專業(yè)在校學習的最后一個環(huán)節(jié)，是對四年大學學習的繼續(xù)深化和檢驗，即有實踐性又有綜合性，是其他單一課程所不能替代的，通過畢業(yè)設計更能提高綜合訓練能力，為即將走向工作崗位，提高實際工作能力起到十分重要的作用。以達到如下目的： （1）綜合運用所學的基礎理論、基本知識和基本技能，提高分析解決實際問題的能力。 （2）接受工程師必須的綜合訓練，提高實際工作能力。如調查研究、查閱文獻和收集資料并進行分析的能力；制訂設計或試驗方案的能力；設計、計算和繪圖能力；總結提高撰寫論文的能力。 （3）檢驗綜合素質與實踐能力。 1.2 機械手的定義 目前，工業(yè)機械手的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標準化組織采納了美國機械手協(xié)會給工業(yè)機械手下的定義：工業(yè)機械手是一種可重復編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運材料，傳遞工件。 1.3 球坐標工業(yè)機械手的組成 執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手部、腕部、臂部、機身機座等，其中最主要是運動系統(tǒng)。 球坐標工業(yè)機械手主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分組成。 手部是夾緊（或吸附、托持）與松開工件或工具 的部件，由手指（或吸盤），驅動元件和傳動元件等組成。 時間、速度和加速度等參數(shù)。 球坐標工業(yè)機械手與主機及其它有關裝置之間的聯(lián)系[3]。 1.4 球坐標工業(yè)機械手的應用 按球坐標工業(yè)機械手布局形式分可分為：架空式球坐標工業(yè)機械手、附機式球坐標工業(yè)機械手、落地式球坐標工業(yè)機械手三種。此外，還有安裝在自動線料道上或料道旁，實現(xiàn)工件上、下料、傳遞轉位、轉向等用途的球坐標工業(yè)機械手，他們具有運動單一、結構簡單，位置靈活及精度一般要求較低的特點。 2 球坐標工業(yè)機械手設計要求與方案 2.1 球坐標工業(yè)機械手設計要求 坐標形式:球坐標 坐標系 抓重 自由度 伸縮X 升降Z 球坐標 250N 4 350mm，<300mm/s 150mm，<300mm/s 橫移Y 回轉φ 俯仰θ 小臂俯仰θ2 250mm，<300mm/s 0°~210°，<90°/s 0°~45°，<90°/s 　 回轉ω 手指夾持范圍 0°~180°，<90°/s 棒料，直徑φ40~φ60，長度450~1200mm 2.2 基本設計思路 2.2.1 系統(tǒng)分析 機械手是實現(xiàn)生產過程自動化、提高勞動生產率的一種有力工具。要在一個生產過程中實現(xiàn)自動化，需要對各種機械化、自動化裝置進行綜合的技術和經濟分析，從而判斷機械手是否合適。所以要完成機械手的設計，一般要先做如下工作： (1) 根據(jù)機械手的使用場合，明確機械手的目的和任務。 (2) 分析機械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境。 (3) 認真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機械手的基本功能和方案，如機械手的自由度數(shù)目、動作速度、定位精度、抓取重量等。進一步根據(jù)抓取、液壓物體的質量、形狀、尺寸及生產批量等情況，來確定機械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。 對此，我進行如下分析： (1) 本設計課題為物料球坐標工業(yè)機械手設計，是通過機械手進行兩地物料運輸?shù)臋C械手。而機械手的使用場合，非常廣泛，要涉及到物料的狀態(tài)，運作流水線的環(huán)境等等因素，相較于我所掌握的理論知識和能力，我選擇非批量生產的小型物體加工流水線上的物料球坐標工業(yè)機械手。 (2) 由于我所選擇的機械手是非批量生產的小型物體加工流水線上的物料球坐標工業(yè)機械手，所以，機械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境一定是工廠，要求精度高，容錯率低，速度快。 2.2.2 總體設計框圖 圖2 總體設計框圖 如圖2為總設計框圖，說明如下： (1) 控制系統(tǒng)：任務是根據(jù)機械手的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來的信號，控制機械手的執(zhí)行機構，使其完成規(guī)定的運動和功能。主要設計目標為CPU的選擇，CPU程序的編寫調試等。 (2) 驅動系統(tǒng)：驅動系統(tǒng)工作的驅動裝置。 (3) 機械系統(tǒng)：包括機身、機械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標形式，并計算得出具體結構。 (4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。 2.2.3 球坐標工業(yè)機械手的基本參數(shù) 1. 機械手的最大液壓物料的重量是它的主參數(shù)。本論文物料球坐標工業(yè)機械手所液壓的物料質量可設定為1噸。 2. 運動速度直接影響機械手的動作快慢和機械手動作的穩(wěn)定性，所以運動速度也是是物料物料球坐標工業(yè)機械手的一個主要的基本參數(shù)。設計速度過低的話，會無法滿足機械手的動作功能，限制機械手的使用范圍。設計的速度過高又會加重機械手的負載并影響機械手動作的平穩(wěn)性。 3. 伸縮行程和工作半徑是決定機械手工作范圍及整機尺寸的關鍵，也是機械手設計的基本參數(shù)。 3.定位精度也是機械手的主要基本參數(shù)之一。機械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味著成本的增加。綜合考慮，該物料球坐標工業(yè)機械手的定位精度設定為士0.5到士1mm之間。物料球坐標工業(yè)機械手的各個部分的基本參數(shù)可以由上面已經知道的物料球坐標工業(yè)機械手各關節(jié)的行程和時間分配來決定。 2.3 球坐標工業(yè)機械手結構設計 根據(jù)所設計的機械手的運動方式：機械臂的轉動，機械臂的升降。根據(jù)上文所說的，機械手按照坐標的分類情況，選擇圓柱坐標式機械手更為妥當。 2.4 機械手材料的選擇 機械手手臂的材料應根據(jù)手臂的工作狀況來進行選擇，并滿足機械手的設計和制作要求。從設計的思想出發(fā)，機械手手臂要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料。另一方面，手臂在運動過程中往往會產生振動，這必然大大降低它的運動精度。所以在選擇材料時，需要對質量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。此外，機械手手臂選用的材料與一般的結構材料不同。機械手手臂是一種伺服機構，要受到控制，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時，可控性還要和材料的可加工性、結構性、質量等性質一起考慮。 總之，選擇機械手手臂的材料時，要綜合考慮強度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價格等多方面因素。下面介紹幾種機械手手臂常用的材料： (l)碳素結構鋼和合金結構鋼等高強度鋼:這類材料強度好，尤其是合金結構鋼強度增加了4~5倍、彈性模量E大、抗變形能力強，是應用最廣泛的材料; (2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料:其共同特點是重量輕、彈性模量E不大，但是材料密度小，則E/p之比仍可與鋼材相比; (3) 陶瓷:陶瓷材料具有良好的品質，但是脆性大，可加工型不好，與金屬等零件連接的接合部需要特殊設計。然而，日本己試制了在小型高速機械手上使用的陶瓷機械手手臂的樣品; 從本文設計的機械手的角度來看，在選用材料時不需要很大的負載能力，也不需要很高的彈性模量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各種因素和結合工作狀況的條件下，初步選用鋁合金作為機械臂的構件。 2.5機械臂的運動方式 常見的機械手的運動形式有五種: SCARA型、直角坐標型極坐標型、關節(jié)型和圓柱坐標型。根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是結構設計的基礎。同一種運動形式為適應不同生產工藝的需要，可采用不同的結構。位置具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場、以及液壓前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。 這類機械手一般由2個肩關節(jié)和1個肘關節(jié)進行定位，由2個或3個腕關節(jié)進行定向。其中，一個肩關節(jié)繞鉛直軸旋轉，另一個肩關節(jié)實現(xiàn)俯仰。這兩個肩關節(jié)軸線正交。肘關節(jié)平行于第二個肩關節(jié)軸線，考慮到機械手的作業(yè)特點，即要求其動作靈活、有較大的工作空間、且要求結構緊湊、占用空間小等特點，故選用關節(jié)型機械手。如圖所示。這種構形動作靈活、工作空間大、在作業(yè)時空間內手臂的干涉最小、結構緊湊、占地面積小、關節(jié)上相對運動部位容易密封防塵。但是這類機械手運動學比較復雜，運動學的反解比較困難;確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進行控制時，計算量比較大。 2.6 球坐標工業(yè)機械手驅動方式的選擇 機械手常用的驅動方式主要有液壓驅動、液壓驅動和油馬達驅動四種基本形式。 但與液壓驅動相比，功率較小，液壓驅動的能源、結構都比較簡單速度不易控制，精度不高。 油馬達傳動能源簡單，速度和位置精度都很高，使用方便，噪聲低，機構速度變化范圍大，效率高，控制靈活。 液壓驅動的特點是功率大、結構簡單，可省去減速裝置，響應快，精度較高。但是需要有液壓源，而且容易發(fā)生液體泄漏。 起初，我先選擇電動機的傳動結構，但是考慮到機械手的升降運動運用純機械結構并不能達到理想傳動效果。而機械手臂旋轉如若使用液壓或者液壓傳動，就必須帶有旋轉液壓或者旋轉液壓缸，相對來說結構較為復雜，不利于設計。 故改良方案，將驅動方式分成兩個部分。其中，機械臂的回轉采用傳動的驅動方式，通過油馬達帶動齒輪鏈進行旋轉傳動；而機械臂的伸縮、升降和機械手抓的抓取，都采用液壓驅動方式。 2.7 動作要求分析 動作一：送 料 動作二：預夾緊 動作三：手臂上升 動作四：手臂旋轉 動作五：小臂伸長 動作六：手腕旋轉 預夾緊 手臂上升 手臂旋轉 手臂伸長 手臂轉回 手腕旋轉 圖2.2 球坐標工業(yè)機械手動作簡易圖 2.8 球坐標工業(yè)機械手結構及驅動系統(tǒng)選型 本課題所設計的球坐標工業(yè)機械手為通用型的球坐標工業(yè)機械手，其中坐標系為圓柱坐標系結構。驅動系統(tǒng)選用油馬達驅動和液壓驅動，油馬達驅動用于機座的旋轉和手臂的上下移動，液壓驅動用于手臂的伸縮和球坐標工業(yè)機械手的夾取和翻轉[3]。 3 系統(tǒng)各主要組成部分設計 3.1夾持器結構設計與校核 3.1.1 夾持器種類 1.連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。 2.楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。 3.齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。 4.滑槽式手爪 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。 5.平行杠桿式手爪 不 需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動采用平行四邊形機構，因此，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多 結合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅動活塞 往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工 工件的直徑來調定。本設計按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來設計。 a．有適當?shù)膴A緊力 手部在工作時，應具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。 b．有足夠的開閉范圍 工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長度表示。于回轉型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關 c．力求結構簡單，重量輕，體積小 作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個球坐標工業(yè)機械手的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。 d．手指應有一定的強度和剛度 因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，根據(jù)工件的形狀，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。 液壓缸右腔停止進油時，液壓缸右腔進油時松開工件。 3.1.2 夾持器設計計算 手爪要能抓起工件必須滿足： （3-6） 式中，-----為所需夾持力； -----安全系數(shù)，通常取1.2~2； -----為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機械手在搬運工件過程的加速度，，為重力加速度； -----方位系數(shù)，查表選??； -----被抓持工件的重量 250N； 帶入數(shù)據(jù)，計算得： ； 理論驅動力的計算： （3-7） 式中，----為柱塞缸所需理論驅動力； ----為夾緊力至回轉支點的垂直距離； -----為扇形齒輪分度圓半徑； -----為手指夾緊力； ---齒輪傳動機構的效率，此處選為0.92； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得 計算驅動力計算公式為： （3-8） 式中，-----為計算驅動力； ---安全系數(shù)，此處選1.2； ---工作條件系數(shù)，此處選1.1； 而液壓缸的工作驅動力是由缸內油壓提供的，故有 （3-9） 式中，---為柱塞缸工作油壓； ----為柱塞截面積；選取缸內徑為50mm 3.1.3 夾持器校核 活塞桿直徑查《液壓傳動與控制手冊》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。本設計選擇d/D=0.7，d=35 mm ==961625N》37700N 計算所得的力遠遠大于實際所需要的力，所以滿足要求。 經計算，所需的油壓約為： (后續(xù)章節(jié)進行介紹) 3.2 升降方向設計計算 3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力 表3-1 按負載選擇工作壓力[1] 負載/ KN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 工作壓力/MPa < 0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 ≥5 表3-2 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力[1] 機械類型 機 床 農業(yè)機械 小型工程機械 建筑機械 液壓鑿巖機 液壓機 大中型挖掘機 重型機械 起重運輸機械 磨床 組合 機床 龍門 刨床 拉床 工作壓力/MPa 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32 由表2-1和表2-2可知，液壓系統(tǒng)的最大負載約為15000N（其中重物250N，其它零部件重量加上摩擦超載等因素），初選液壓缸的設計壓力P1=10MPa 3.2.2 升降油缸計算 為了滿足工作臺快速進退速度相等，并減小液壓泵的流量，則液壓缸無桿腔與有桿腔的等效面積A1與A2應滿足A1=2A2（即液壓缸內徑D和活塞桿直徑d應滿足：d=0.707D。為防止切削后工件突然前沖，液壓缸需保持一定的回油背壓，并取液壓缸機械效率。則液壓缸上的平衡方程 故液壓缸無桿腔的有效面積： 液壓缸直徑 表1 液壓缸內徑系列GB/T2348-1980mm 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 500 按GB/T2348-1980，取標準值D=63mm；本來可以取50的，考慮不可預測的超載等因素，故在這取的略微大一些。 查《液壓傳動與控制手冊》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。 因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.5D=31.5mm 取d=32（標準直徑） 表2 活塞桿直徑系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 (4) 液壓缸缸體厚度計算 缸體是液壓缸中最重要的零件，當液壓缸的工作壓力較高和缸體內經較大時，必須進行強度校核。缸體的常用材料為20、25、35、45號鋼的無縫鋼管。在這幾種材料中45號鋼的性能最為優(yōu)良，所以這里選用45號鋼作為缸體的材料。 式中，——實驗壓力，MPa。當液壓缸額定壓力Pn5.1 MPa時，Py=1.5Pn，當Pn16MPa時，Py=1.25Pn。 []——缸筒材料許用應力，N/mm。[]=，為材料的抗拉強度。 注：1.額定壓力Pn 額定壓力又稱公稱壓力即系統(tǒng)壓力，Pn=10MPa 2.最高允許壓力Pmax Pmax1.5Pn=1.2510=12.5MPa 液壓缸缸筒材料采用45鋼，則抗拉強度：σb=600MPa 安全系數(shù)n按《液壓傳動與控制手冊》P243表2—10，取n=5。 則許用應力[]==120MPa = =5.5mm ,滿足。所以液壓缸厚度取10mm。 則液壓缸缸體外徑為83mm。 3.缸筒結構設計 缸筒兩端分別與缸蓋和缸底鏈接，構成密封的壓力腔，因而它的結構形式往往和缸蓋及缸底密切相關[6]。因此，在設計缸筒結構時，應根據(jù)實際情況，選用結構便于裝配、拆卸和維修的鏈接形式，缸筒內外徑應根據(jù)標準進行圓整。 3.2.3 活塞桿的計算校核 活塞桿是液壓缸傳遞力的主要零件，它主要承受拉力、壓力、彎曲力及振動沖擊等多種作用，必須有足夠的強度和剛度。其材料取Q235鋼。 1. 活塞桿直徑的計算[1] 查《液壓傳動與控制手冊》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。 因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.707D=88.375mm按GB/T2348—1993將所計算的d值圓整到標準直徑，以便采用標準的密封裝置。圓整后得： 取d=90（標準直徑） 表2 活塞桿直徑系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 按最低工進速度驗算液壓缸尺寸，查產品樣本，調速閥最小穩(wěn)定流量，因工進速度 為最小速度，則由式 （4-3） 本例=122.65625>1.25，滿足最低速度的要求。 2.活塞桿強度計算： <90mm （4-4） 式中 ————許用應力；（Q235鋼的抗拉強度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即活塞桿的強度適中） 3．活塞桿的結構設計 活塞桿的外端頭部與負載的拖動油馬達機構相連接，為了避免活塞桿在工作生產中偏心負載力，適應液壓缸的安裝要求，提高其作用效率，應根據(jù)負載的具體情況，選擇適當?shù)幕钊麠U端部結構。 4.活塞桿的密封與防塵 活塞桿的密封形式有Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。采用薄鋼片組合防塵圈時，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。為方便設計和維護，本方案選擇O型密封圈。 3.2.4 液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程長度可以根據(jù)執(zhí)行機構實際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標準值。液壓缸活塞行程參數(shù)優(yōu)先次序按表4-4中的a、b、c選用。 表4-4（a）液壓缸行程系列（GB 2349-80）[6] 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 表4-4（b） 液壓缸行程系列（GB 2349-80）[6] 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 表4-4（c） 液壓缸形成系列（GB 2349-80）[6] 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3400 3800 根據(jù)設計要求知快速接近工件，行程根據(jù)任務書要求，根據(jù)表3-8，可選取液壓缸的工作行程為1050mm。 3.2.5 活塞的設計 由于活塞在液壓力的作用下沿缸筒往復滑動，因此，它與缸筒的配合應適當，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動壓力增大，降低機械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的配合表面；間隙過大，會引起液壓缸內部泄露，降低容積效率，使液壓缸達不到要求的設計性能。考慮選用O型密封圈。 3.2.6 導向套的設計與計算 1.最小導向長度H的確定 當活塞桿全部伸出時，從活塞支承面中點到到導向套滑動面中點的距離稱為最小導向長度[1]。影響液壓缸工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設計時必須保證液壓缸有一定的最小導向長度。根據(jù)經驗,當液壓缸最大行程為L,缸筒直徑為D時,最小導向長度為: （4-5） 一般導向套滑動面的長度A，在缸徑小于80mm時取A=(0.6~1.0)D，當缸徑大于80mm時取A=(0.6~1.0)d.?；钊麑挾菳取B=(0.6~1.0)D。若導向長度H不夠時,可在活塞桿上增加一個導向套K(見圖4-1)來增加H值。隔套K的寬度。 圖4-1 液壓缸最小導向長度[1] 因此:最小導向長度，取H=9cm； 導向套滑動面長度A= 活塞寬度B= 2.導向套的結構 導向套有普通導向套、易拆導向套、球面導向套和靜壓導向套等，可按工作情況適當選擇。 3.2.7 端蓋和缸底的計算校核 在單活塞液壓缸中，有活塞桿通過的端蓋叫端蓋，無活塞桿通過的缸蓋叫缸頭或缸底。端蓋、缸底與缸筒構成密封的壓力容腔，它不僅要有足夠的強度以承受液壓力，而且必須具有一定的連接強度。端蓋上有活塞桿導向孔（或裝導向套的孔）及防塵圈、密封圈槽，還有連接螺釘孔，受力情況比較復雜，設計的不好容易損壞。 1.端蓋的設計計算 端蓋厚h為： 式中 D1——螺釘孔分布直徑，cm； P——液壓力，； ——密封環(huán)形端面平均直徑，cm； ——材料的許用應力，。 2.缸底的設計 缸底分平底缸，橢圓缸底，半球形缸底。 3.2.7 缸體長度的確定 液壓缸缸體內部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還需要考慮到兩端端蓋的厚度[1]。一般液壓缸缸體長度不應大于缸體內經的20~30倍。取系數(shù)為5,則液壓缸缸體長度：L=5*10cm=50cm。 3.2.8 緩沖裝置的設計 液壓缸的活塞桿（或柱塞桿）具有一定的質量，在液壓力的驅動下運動時具有很大的動量。在它們的行程終端，當桿頭進入液壓缸的端蓋和缸底部分時，會引起機械碰撞，產生很大的沖擊和噪聲。采用緩沖裝置，就是為了避免這種機械撞擊，但沖擊壓力仍然存在，大約是額定工作壓力的兩倍，這就必然會嚴重影響液壓缸和整個液壓系統(tǒng)的強度及正常工作。緩沖裝置可以防止和減少液壓缸活塞及活塞桿等運動部件在運動時對缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實現(xiàn)速度的遞減，直至為零。 當液壓缸中活塞活塞運動速度在6m/min以下時，一般不設緩沖裝置，而運動速度在12m/min以上時，不需設置緩沖裝置。在該組合機床液壓系統(tǒng)中，動力滑臺的最大速度為4m/min,因此沒有必要設計緩沖裝置。 3.3 水平方向設計計算 3.3.1 水平方向計算 當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重250N，長度l =1000mm。如圖3.4所示。 工件 圖3.4 受力簡圖 (1)計算扭矩[4] (2)液壓缸（伸縮）及其配件的估算扭矩 [4] F =250N S =50mm（最大行程時） 帶入公式2.9得 =250×50×1 =12500（N·mm） 由于水平方向的油缸與升降方向的有些類似，在此不在一一列舉 3.3.2 油缸的選型 速易可目前主要產品有：無桿油缸、滑臺油缸、止動油缸、回轉油缸、機械夾、回轉夾緊氣（油）壓缸、導桿油缸、帶鎖油缸、雙軸缸、標準型油缸、控制閥、空氣控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關氣動輔助零組件。 3.4 底座回轉機構設計計算 腕部是聯(lián)結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。本課題腕部具有回轉這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉缸驅動的腕部結構。 要求：回轉0°~210°，<90°/s 3.4.1 回轉部位負載計算校核 .若傳動負載作回轉運動 負載額定功率： （3-24） 負載加速功率： （3-25） 負載力矩（折算到油馬達軸）： （3-26） 負載GD（折算到油馬達軸）： （3-27） 起動時間： （3-28） 制動時間： （3-29） 式中，-----為額定功率，KW； -----為加速功率，KW； -----為負載軸回轉速度，r/min； -----為油馬達軸回轉速度，r/min； -----為負載的速度，m/min； -----為減速機效率； -----為摩擦系數(shù)； -----為負載轉矩（負載軸），； -----為油馬達啟動最大轉矩，； -----為負載轉矩（折算到油馬達軸上），； -----為負載的，； -----為負載（折算到油馬達軸上），； -----為油馬達的，； 具體到本設計，因為步進油馬達是驅動腰部的回轉，傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。 因為腰部回轉運動只存在摩擦力矩，在回轉圓周方向上不存在其他的轉矩，則在回轉軸上有； （3-30） 式中，-----為滾動軸承摩擦系數(shù)，取0.005； -----為機械手本身與負載的重量之和，取25(250N)； -----為回轉軸上傳動大齒輪分度圓半徑，R=240； 帶入數(shù)據(jù)，計算得 =0.12； 同時，腰部回轉速度定為=5r/min；傳動比定為1/120； 且， 帶入數(shù)據(jù)得： =10.45667。 將其帶入上（3-24）~（3-30）式，得： 啟動時間 ； 制動時間 ； 折算到油馬達軸上的負載轉矩為：。 3.4.2 油馬達的選型 根據(jù)參數(shù)，選型為BM-R100 臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復雜。 球坐標工業(yè)機械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導向裝置和定位方式就顯得尤其重要了[5]。 手臂的伸縮速度為200m/s 行程L=1000mm (1)手臂右腔流量，公式（3.7）得： =1000×π×402 =1004800mm3/s =0.1/102m3/s =1000ml/s (2)手臂右腔工作壓力，公式（3.8） 得： （3.12） 式中：F ——取工件重和手臂活動部件總重， F =1000kg，=10000N。 (4)由初步計算選油泵 所需液壓最高壓力 P =10Mpa 所需液壓最大流量 Q =1000ml/s 3.5機身結構的設計校核 臂部和機身的配置形式基本上反映了球坐標工業(yè)機械手的總體布局。本課題球坐標工業(yè)機械手的機身設計成機座式，這樣球坐標工業(yè)機械手可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉型球坐標工業(yè)機械手。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋轉，從而達到了自由度的要求[7-9]。 3.5.1 油馬達的選擇 機身部使用了兩個油馬達，其一是帶動臂部的升降運動；其二是帶動機身的回轉運動。帶動臂部升降運動的油馬達安裝在肋板上，帶動機身回轉的油馬達安裝在混凝土地基上。 帶動臂部升降的油馬達： 初選上升速度 V =100mm/s P =6KW 所以轉/分 3.5.2螺柱的設計與校核 螺桿是球坐標工業(yè)機械手的主支承件，并傳動使手臂上下運動。 螺桿的材料選擇： 從經濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。 螺距 P =6mm 梯形螺紋 螺紋的工作高度 h =0.5P （3.17） =3mm 螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （3.18） 螺桿強度〖11〗 （3.19） =30～50Mpa 螺紋牙剪切 =40 彎曲=45～55 (1)當量應力 (3.20) 式中 T——傳遞轉矩N·mm [σ]——螺桿材料的許用應力 所以代入公式（3.20）得： 6225025d12+11236≤900d16×1012 6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012 即16471pa＜535340pa 合格 (2)剪切強度 （旋合圈數(shù)） （3.21） （3.22） =206.8×103pa =0.206Mpa＜[τ]=40Mpa (3)彎曲強度 =0.48Mpa＜[σ]=45Mpa 合格 3.5.3機座的機械結構 帶動機身回轉的油馬達： 初選轉速 W =60o/s N =1/6轉/秒 =10轉/分 由于齒輪 I =3 減速器 I =30 所以 n =10×3×30=900轉/分 3.6 球坐標工業(yè)機械手的定位及平穩(wěn)性確定 3.6.1 常用的定位方式 機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊。當球坐標工業(yè)機械手經減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。 若定位前已減速，定位時驅動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復精度。一般可高于±0.5mm，若定位時關閉驅動油路而去掉工作壓力，這時球坐標工業(yè)機械手可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低[12]。 3.6.2 影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 球坐標工業(yè)機械手能否準確地工作，實際上是一個三維空間的定位問題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。影響單個線量或角量定位誤差的因素如下： (1)定位方式 不同的定位方式影響因素不同。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關。 (2)定位速度 定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅動系統(tǒng)使運動部件適時減速。 (3)精度 球坐標工業(yè)機械手的制造精度和安裝調速精度對定位精度有直接影響。 (4)剛度 球坐標工業(yè)機械手本身的結構剛度和接觸剛度低時，因易產生振動，定位精度一般較低。 (5)運動件的重量 運動件的重量包括球坐標工業(yè)機械手本身的重量和被抓物的重量。 運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。因此，設計時不僅要減小運動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。 (6)驅動源 液壓的壓力波動及電壓、油溫的波動都會影響球坐標工業(yè)機械手的重復定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調節(jié)液壓措施。 (7)控制系統(tǒng) 開關控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關[13]。 本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位。 3.6.3 球坐標工業(yè)機械手運動的緩沖裝置 緩沖裝置分為內緩沖和外緩沖兩種形式。內緩沖形式有油缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。外緩沖形式有彈性機械元件和液壓緩沖器。內緩沖的優(yōu)點是結構簡單，緊湊。但有時安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點是安置位置靈活，簡便，緩沖性能好調等，但結構較龐大。 本課題所采用的緩沖裝置為油缸端部緩沖裝置。 當活塞運動到距油缸端蓋某一距離時能在活塞與端蓋之間形成一個緩沖室。利用節(jié)流的原理使緩沖室產生臨時背壓阻力，以使運動減速直至停止，而避免硬性沖擊的裝置，稱為油缸端部緩沖裝置[12-15]。 在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱為恒節(jié)流式油缸端部緩沖裝置。 設計油缸端部恒節(jié)流緩沖裝置時，（最大加速度）、（緩沖腔最大沖擊壓力）和（殘余速度）三個參數(shù)是受工作條件限制的。通常采用的辦法是先選定其中一個參數(shù)，然后校驗其余兩個參數(shù)。步驟如下： (1)選擇最大加速度 通常，amax值按球坐標工業(yè)機械手類型和結構特點選取，同時要考慮速度與載荷大小。對于重載低速球坐標工業(yè)機械手，- 取5m/s2以下，對于輕載高速球坐標工業(yè)機械手，-取5～10 m/s2 (2)計算沿運動方向作用在活塞上的外力F 水平運動時： （3.23） =0.25×103×π×3.62-7 =138N (3)計算殘余速度Vr （3.24） m/s 3.6.4 繪制液壓系統(tǒng)圖 本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3-1所示， 它擁有垂直手臂的上升、下降，水平伸縮缸/的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個執(zhí)行機構。 其中，泵由三相交流異步電動機M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。 考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。當5DT得電時，工作液體經由節(jié)流閥V5進入柱塞缸，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當6DT失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪迅速松開。 另外，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用V2構成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。 3.6.5 計算和選擇液壓元件 1.液壓泵的計算 （1）確定液壓泵的實際工作壓力 （3-12） 式中，-------計算工作壓力，前以定為； ------對于進油路采用調速閥的系統(tǒng)，可估為（0.5~1.5），這里取為1。 因此，可以確定液壓泵的實際工作壓力為 （3-13） （2）確定液壓泵的流量 （3-14） 式中，------為泄露因數(shù)，取1.1； -----為機械手工作時最大流量。 （3-15） 經計算得 =3.140 帶入上式得 （3）確定液壓泵電機的功率 （3-16） 式中，------為最大運動速度下所需的流量，同前，取為3.140； -------液壓泵實際工作壓力，5； ------為液壓泵總效率，取為0.8； 帶入數(shù)據(jù)計算得： =。 2.控制元件的選擇 根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量，在標準元件的產品樣本中選取各控制元件。這部分在考慮具體的作業(yè)時根據(jù)詳細的要求再結合具體情況進行詳細，這里暫從略。 3.油管及其他輔助裝置的選擇 （1）查閱設計手冊，選擇油管公稱通徑、外徑、壁厚參數(shù) 液壓泵出口流量以3.140L/MIN計，選?。灰簤罕梦凸苌晕⒋中?，選擇；其余都選為； （2）確定油箱的容量 一般取泵流量的3~5倍，這里取為5倍，有效容積為 （3-17） 3.6.6 液壓系統(tǒng)性能的驗算 繪制液壓系統(tǒng)圖后，進行壓力損失驗算。因為該液壓系統(tǒng)比較簡單，該項驗算從略。本系統(tǒng)采用液壓回路簡單，效率比較高，功率小，發(fā)熱少，油箱容量取得較大，因此，不再進行溫升驗算。 4 機械手控制系統(tǒng)設計 4.1 機械手的工藝過程 機械手的工作均由電機 驅動，它的上升、下降、左移、右移都是有電機驅動螺紋絲桿旋轉來完成的。 分析工藝過程機械手的初始位置停在原點，按下啟動后按扭后，機械手將原點→下降→夾緊（T）→上升→右移→下降→放松（T）→上升→左移到原點,動作完成一個工作周期。機械手的下降、上升、右移、左移等動作轉換，是由相應的限位開關來控制的，而加緊、放松動作的轉換是有時間來控制的。 為了確保安全，機械手右移到位后，必須在右工作臺上無工件時才能下降， 若上次搬到右工作臺上的工件尚未移走，機械手應自動暫停，等待。為此設置了一個光電開關，以檢測“無工件”信號。 為了滿足生產要求，機械手設置了手動工作方式和自動工作方式，而自動工作方式又分為單步、單周期和連續(xù)工作方式。 1） 手動工作方式：利用按鈕對機械手每一步動作進行控制。例如，按下“下降” 按鈕，機械手下降；按下“上升”按鈕，機械手上升。手動操作可用于調整工作 位置和緊急停車后機械手返回原點。 2） 單步工作方式：從原點開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按一次啟動按鈕， 機械手完成一步動作后自動停止。 3） 單周期工作方式：按下啟動按鈕，機械手按工序自動自動完成一個周期的動 作，返回原點后停止。 4） 連續(xù)工作方式：按下按鈕，機械手從原點，按步序自動反復連續(xù)工作，在連 續(xù)工作方式下設置兩種停車狀態(tài)： 正常停車：在正常工作狀態(tài)下停車。按下復位按鈕，機械手在完成最后一個 周期的工作后，返回原點自動停機。 緊急停車：在發(fā)生事故或緊急狀態(tài)時停車。按下緊急停車按鈕，機械手停止 在當前狀態(tài)。當故障排除后，需手動回到原點。 4.2 PLC 控制系統(tǒng) 1．確定輸入/輸出點數(shù)并選擇 PLC 型號 1）輸入信號 位置檢測信號：下限、上限、右限、左限共 4 個行程開關，需要 4 個輸入端 子。 “無工件檢測”信號：用光電開關作檢測元件，需要 1 個端子?！肮ぷ鞣绞健边x擇開關：有手動、單步、單周期和連續(xù) 4 種工作方式，需要4 個輸如端子。 手動操作：需要有下降、上升、右移、左移、加緊、放松 6 個按鈕，也需要6 個輸入端子。 自動工作：尚需啟動、正常停車、緊急停車 3 個按鈕，也需要 3 個輸入端子。 以上共需要 18 個輸入信號。 2）輸出信號 PLC 的輸出用于控制機械手的下降、上升、右移、左移、加緊、放松以三個 電動機轉速的控制等，共需要 11 個輸出點。機械手從原點開始工作，需要一個 原點指示燈，也需要 1 個輸出點。所以，至少需要 6 個輸出點。 由于機械手的控制屬于開關量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型 號的小型 PLC 均可滿足要求。根據(jù)所需的 I/O 總點數(shù)并留有一定的備用量，可選用 FX2N-48RM，其輸入和輸出各 24 點，繼電器輸出型。FX2N-48RM 的各項工作參數(shù)已在第二章介紹，在此不在做介紹。 2．分配 PLC 的輸入/輸出端子 PLC 的輸入輸出端子分配接線圖，如圖 5-2 所示。 圖 5-2 輸入/輸出分配接線圖 所需元器件明細表 4.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設計 為了方便編程，可將手動和自動程序分別編出相對獨立的程序段，用跳轉指 令進行選擇，控制系統(tǒng)程序結構框圖，如圖 5-3 所示。選擇手動方式時，X3 接 同，跳過自動程序，執(zhí)行手動程序；選擇自動工作方式時，X3 斷開，執(zhí)行自動 程序。