機械手設計畢業(yè)設計論文

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1、 機械手設計 （一）夾持器 1.1夾持器設計的基本要求 （1）應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力； （2）手指應具有一定的開閉范圍； （3）應保證工件在手指內的夾持精度； （4）要求結構緊湊，重量輕，效率高； （5）應考慮通用性和特殊要求。 設計參數(shù)及要求 （1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動作為抓緊—放松； （2）所要抓緊的工件直徑為80mm 放松時的兩抓的最大距離為110-120mm/s ， 1s抓緊,夾持速度20mm/s； （3）工件的材質為5kg，材質為45#鋼； （4）夾持器有足夠的夾持力； （5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由液壓缸提供動力。 1.2夾持器結構

2、設計 1.1.1夾緊裝置設計. 1.1.1.1夾緊力計算 手指加在工件上的夾緊力是設計手部的主要依據，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按下列公式計算： 2-1 式中： —安全系數(shù)，由機械手的工藝及設計要求確定,通常取1.2——2.0，取1.5； —工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計算最大加速度，得出工作情況系數(shù), ，a為機器人搬運工件過程的加速度或減速度的絕對值（m/s）； —方位系數(shù)，根據

3、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(shù)，為型手指半角，此處粗略計算,如圖2.1 圖1.1 —被抓取工件的重量 求得夾緊力 ，，取整為177N。 1.1.1.2驅動力力計算 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0.8～0

4、.9，此處取0.88，則： ，取 1.1.1.3液壓缸驅動力計算 設計方案中壓縮彈簧使爪牙張開，故為常開式夾緊裝置，液壓缸為單作用缸，提供推力： 式中 ——活塞直徑 ——活塞桿直徑 ——驅動壓力， ,已知液壓缸驅動力，且 由于，故選工作壓力P=1MPa 據公式計算可得液壓缸內徑： 根據液壓設計手冊,見表2.1，圓整后取D=32mm。 表1.1 液壓缸的內徑系列（JB826-66）（mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 10

5、0 105 110 125 130 140 160 180 200 250 活塞桿直徑 d=0.5D=0.5×40mm=16mm 活塞厚 B=(0.6～1.0)D 取B=0.8d=0.7×32mm=22.4mm,取23mm. 缸筒長度 L≤(20～30)D 取L為123mm 活塞行程，當抓取80mm工件時，即手爪從張開120mm減小到80mm，楔快向前移動大約40mm。取液壓缸行程S=40mm。 液壓缸流量計算： 放松時流量 夾緊時流量 1.1.1.4選用夾持器液壓缸 溫州中冶液壓氣動有限公司所生產的輕型

6、拉桿液壓缸 型號為：MOB-B-32-83-FB，結構簡圖，外形尺寸及技術參數(shù)如下： 表1.2夾持器液壓缸技術參數(shù) 工作壓力 使用溫度范圍 允許最大速度 效率 傳動介質 缸徑 受壓面積() 速度比 無桿腔 有桿腔 1MPa ～+ 300 m/s 90% 常規(guī)礦物液壓油 32 mm 12.5 8.6 1.45 圖1.2 結構簡圖 圖1.3 外形尺寸 1.1.2手爪的夾持誤差及分析 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決與機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量

7、生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，避免產生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結構參數(shù)，見圖2-4，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過，手部的最終誤差取決與手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補償能力。 圖 1.4 工件直徑為80mm，尺寸偏差，則，，。 本設計為楔塊杠桿式回轉型夾持器，屬于兩支點回轉型手指夾持，如圖2.5。 圖1.5 若把工件軸心位置C到手爪兩支點連線的垂直距離CD以X表示，根據幾何關系有： 簡化為： 該

8、方程為雙曲線方程，如圖2.6： 圖1.6 工件半徑與夾持誤差關系曲線 由上圖得，當工件半徑為時，X取最小值，又從上式可以求出： ，通常取 若工件的半徑變化到時，X值的最大變化量，即為夾持誤差，用表示。 在設計中，希望按給定的和來確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長手指長度，但手指過長，使其結構增大；另一方面可選取合適的偏轉角，使夾持誤差最小，這時的偏轉角稱為最佳偏轉角。只有當工件的平均半徑取為時，夾持誤差最小。此時最佳偏轉角的選擇對于兩支點回轉型手爪（尤其當a值較大時），偏轉角的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極

9、易出現(xiàn)在抓取半徑較小時，兩手爪的和邊平行，抓不著工件。為避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑，以為條件確定兩支點回轉型手爪的偏轉角，即下式： 其中,,型鉗的夾角 代入得出： 則 則，此時定位誤差為和中的最大值。 分別代入得： ， 所以，，夾持誤差滿足設計要求。 由以上各值可得： 取值為。 1.1.3楔塊等尺寸的確定 楔塊進入杠桿手指時的力分析如下： 圖 1.7 上圖2.7中 —斜楔角，＜時有增力作用； —滾子與斜楔面間當量摩擦角，，為滾子與轉軸間的摩擦角，為轉軸直徑，為滾子外徑，，為

10、滾子與轉軸間摩擦系數(shù); —支點至斜面垂線與杠桿的夾角； —杠桿驅動端桿長； —杠桿夾緊端桿長； —杠桿傳動機械效率 1.1.3.1斜楔的傳動效率 斜楔的傳動效率可由下式表示： 杠桿傳動機械效率取0.834，取0.1，取0.5，則可得=, ，取整得=。 1.1.3.2動作范圍分析 陰影部分杠桿手指的動作范圍，即，見圖 2.8 圖 1.8 如果，則楔面對杠桿作用力沿桿身方向，夾緊力為零，且為不穩(wěn)定狀態(tài)，所以必須大于。此外，當時，杠桿與斜面平行，呈直線接觸，且與回轉支點在結構上干涉，即為手指動作的理論極限位置。

11、 1.1.3.3斜楔驅動行程與手指開閉范圍 當斜楔從松開位置向下移動至夾緊位置時，沿兩斜面對稱中心線方向的驅動行程為L，此時對應的杠桿手指由位置轉到位置，其驅動行程可用下式表示： 杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為： 通常狀態(tài)下，在左右范圍內，則由手指需要的開閉范圍來確定。由給定條件可知最大為55-60mm,最小設定為30mm.即。已知，可得，有圖關系： 圖1.9 可知：楔塊下邊為60mm，支點O距中心線30mm，且有，解得： 1.1.3.4與的確定 斜楔傳動比可由下式表示： 可知一定時，

12、愈大，愈大，且杠桿手指的轉角在范圍內增大時，傳動比減小，即斜楔等速前進，杠桿手指轉速逐漸減小，則由分配距離為：，。 1.1.3.5確定 由前式得： ，，取。 1.1.3.6確定 為沿斜面對稱中心線方向的驅動行程，有下圖中關系 圖1.10 ，取，則楔塊上邊長為18.686，取19mm. 1.1.4材料及連接件選擇 V型指與夾持器連接選用圓柱銷，d=8mm, 需使用2個 杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷，d=8mm, 需使用2個 滾子與手指連接選用圓柱銷，d=6mm

13、, 需使用2個 以上材料均為鋼，無淬火和表面處理 楔塊與活塞桿采用螺紋連接，基本尺寸為公稱直徑12mm，螺距p=1，旋合長度為10mm。 （二） 腕部 2.1腕部設計的基本要求 手腕部件設置在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。手腕部件具有獨立的自由度，此設計中要求有繞中軸的回轉運動。 （1）力求結構緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構

14、緊湊，重量輕。 （2）結構考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 （3）必須考慮工作條件 對于本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。 2.2具有一個自由度的回轉缸驅動的典型腕部結構 如圖3.1所示，采用一個回轉液壓缸，實現(xiàn)腕部的旋轉運動。從A—A剖視圖上可以看到，回轉葉片（簡稱動片）用螺釘，銷釘和轉軸10連接在一起，定片8則和缸體9連接。壓力油分別由

15、油孔5.7進出油腔，實現(xiàn)手部12的旋轉。旋轉角的極限值由動，靜片之間允許回轉的角度來決定（一般小于），圖中缸可回轉。腕部旋轉位置控制問題，可采用機械擋塊定位。當要求任意點定位時，可采用位置檢測元件（如本例為電位器，其軸安裝在件1左端面的小孔）對所需位置進行檢測并加以反饋控制。 圖3.1 圖示手部的開閉動作采用單作用液壓缸，只需一個油管。通向手部驅動液壓缸的油管是從回轉中心通過，腕部回轉時，油路認可保證暢通，這種布置可使油管既不外露，又不受扭轉。腕部用來和臂部連接，三根油管（一根供手部油管，兩

16、根供腕部回轉液壓缸）由手臂內通過并經腕架分別進入回轉液壓缸和手部驅動液壓缸。本設計要求手腕回轉，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有一個自由度的回轉驅動腕部結構，采用液壓驅動，參考上圖典型結構。 2.3腕部結構計算 2.3.1腕部回轉力矩的計算 腕部回轉時，需要克服的阻力有： （1）腕部回轉支承處的摩擦力矩 式中 ，—軸承處支反力（N），可由靜力平衡方程求得; ,—軸承的直徑（m）； —軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承=0.01-0.02；對于滑動軸承=0.1。 為簡化計算，取，如圖3.1所示，其中，為工件重量，為手部重量，為手腕轉動件重

17、量。 圖2.1 （2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 式中 e—工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離，已知e=10mm. 則 （3）克服啟動慣性所需的力矩 啟動過程近似等加速運動，根據手腕回轉的角速度及啟動過程轉過的角度按下式計算： 式中 —工件對手腕回轉軸線的轉動慣量； —手腕回轉部分對腕部回轉軸線的轉動慣量； —手腕回轉過程的角速度； —啟動過程所需的時間，一般取0.05-0.3s,此處取0.1s.。 手抓、手抓驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，高為200mm，直徑90mm，其重力估

18、算： ,取98N. 等效圓柱體的轉動慣量： 工件的轉動慣量，已知圓柱體工件， 要求工件在0.5s內旋轉90度, 取平均角速度，即=， 代入得： 解可得： =0.8083 2.3.2回轉液壓缸所驅動力矩計算 回轉液壓缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力矩 如圖3.3，定片1與缸體2固連，動片3與轉軸5固連，當a, b口分別進出油時，動片帶動轉軸回轉，達到手腕回轉的目的。 圖2.3 圖2.

19、4 圖3.4為回轉液壓缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅動力矩。 或 式中 ——手腕回轉時的總的阻力矩 ——回轉液壓缸的工作壓力（Pa） ——缸體內孔半徑（m） ——輸出軸半徑（m），設計時按選取 ——動片寬度（m） 上述動力距與壓力的關系是設定為低壓腔背壓力等于零。 2.3.3回轉缸內徑D計算 由 ，得： ， 為減少動片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度時，選用： 綜合考慮，取值計算如下： r=16mm，R=40mm，b=50mm，取值為1Mpa，即如下

20、圖： 圖2.5 2.3.4液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 圖2.6缸蓋螺釘間距示意 表2.3 螺釘間距t與壓力P之間的關系 工作壓力P（Mpa） 螺釘?shù)拈g距t(mm) 小于150 小于120 小于100 小于80 上圖中表示的連接中，每個螺釘在危險截面上承受的拉力為： ，即工作拉力與殘余預緊力之和 計算如下： 液壓缸工作壓強為P=1Mpa,所以螺釘間距小于150mm,試選擇2個螺釘，，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=2個 受力截面

21、 ，此處連接要求有密封性，故k取（1.5-1.8），取K=1.6。 所以 螺釘材料選擇Q235， ，安全系數(shù)n取1.5（1.5-2.2） 螺釘?shù)闹睆接上率降贸? ，F(xiàn)為總拉力即 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=8mm. 2.3.5靜片和輸出軸間的連接螺釘 動片和輸出軸之間的連接結構見上圖。連接螺釘一般為偶數(shù)。螺釘由于油液沖擊產生橫向載荷，由于預緊力的作用，將在接合面處產生摩擦力以抵抗工作載荷，

22、預緊力的大小，以接合面不產生滑移的條件確定，故有以下等式： 為預緊力,為接合面摩擦系數(shù)，?。?.10-0.16）范圍的0.15，即鋼和鑄鐵零件，為接合面數(shù)，取=2，Z為螺釘數(shù)目，取Z=2，D為靜片的外徑，d為輸出軸直徑，則可得： 螺釘?shù)膹姸葪l件為：

23、 帶入有關數(shù)據，得： 螺釘材料選擇Q235，則（安全系數(shù)） 螺釘?shù)闹睆? ，d值極小，取。 螺釘選擇M6的開槽盤頭螺釘， ,如圖3.7： 圖2.7 2.3.6腕部軸承選擇 腕部材料選擇HT200，，估計軸承所受徑向載荷為50N,軸向載荷較小，忽略。兩處均選用深溝球軸承。現(xiàn)校核較小軸徑處軸承。 6005軸承基本數(shù)據如下： ，當量動載荷，載荷系數(shù)取1，，則，由公式： N為轉速，由0.5s完成回轉，計算得：，，球軸承 代入得： ，遠大于軸承額定壽命。 選用軸承為深溝球軸承6005，6008。 2.3.7材料及連接件，密封件

24、選擇 右端軸承端蓋與腕部回轉缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。 右缸蓋與缸體連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。 左缸蓋與缸體及法蘭盤連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。 選用墊圈防松，，公稱尺寸為5。 右端軸承端蓋與腕部回轉缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。 為定位作用，軸左側增加一個套筒，材料為HT200，尺寸如下： 圖2.8 動片與輸出軸連接選用六角頭螺栓 全螺紋， ， 需用2個。 密封件選擇： 全部選用氈圈油環(huán)密封，材料為半粗羊毛氈。 右端蓋 d=40mm, 左右缸蓋 d=25mm。 （三）

25、伸縮臂設計 3.1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升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準確，工作協(xié)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(wěn)、動作快捷、定位準確的要求。 （3）可靠性的要求 可靠性

26、是指產品在規(guī)定的工作條件下，在預定使用壽命期內能完成規(guī)定功能的概率。 工業(yè)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(xù)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

27、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(jié)省力有效，照明適度，顯示清晰，造型美觀，色彩和諧，維護保養(yǎng)容易等。本設計中要充分考慮外形設計，各調整環(huán)節(jié)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(guī)范要求，采取適當?shù)姆雷o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(shù) （1）伸縮長度：300mm； （2）單方向伸縮時間：1.5～2.5S； （3）定位

28、誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm； （4）前端安裝機械手，伸縮終點無剛性沖擊； 3.2方案設計 液壓驅動方案 （1）伸縮原理 采用單出桿雙作用液壓油缸，手臂伸出時采用單向調速閥進行回油節(jié)流調速，接近終點時，發(fā)出信號，進行調速緩沖（也可采用緩沖油缸），靠油缸行程極限定位，采用導向桿導向防止轉動，采用電液換向閥，控制伸縮方向。（圖4.1） 圖3.1 （2）液壓系統(tǒng)的設計計算 液壓控制系統(tǒng)設計要滿足伸縮臂動作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運動時間要求，具體設計計算參考《液壓傳動與控制》等相關教材。由于伸縮臂做間歇

29、式往復運動，有較大的沖擊，設計時要考慮緩沖措施，可從液壓回路設計上考慮，也可從液壓件結構上考慮。 設計計算參數(shù)及要求： ① 電磁閥流量：要滿足伸縮速度的要求。 ② 油缸直徑：推力大小要能克服機構起動慣性并有一定的起動加速度，要滿足運動時間要求。 ③ 導向桿剛度：按最長伸出時機械手端部的撓度不超過規(guī)定要求。 ④ 定位方式和元件：自選。 （3）結構方案設計及強度和剛度計算 伸縮臂運動簡圖見圖4-1 ① 結構方案說明 a：支座1安裝在機器人床身上，用于安裝伸縮臂油缸和導向桿等零部件。 b：法蘭4用于安裝機械手，其形式和尺寸要與機械手相協(xié)調。 c：液壓缸伸出桿帶動導向桿同時伸出3

30、00mm，伸出長度較大，設計、制造和安裝時要考慮液壓缸與導向桿的平行度要求。 d：導向桿可采用直線導軌或直線導軸。直線導軌可選用外購件，直接從生產廠家的有關資料中獲得所需參數(shù)（網上查詢直線導軌、直線導軸）。采用直線導軸時可自行設計，并且要考慮導向桿的潤滑，潤滑方式參考有關手冊設計。 ② 強度及剛度計算 本機械手夾持工件重量約3Kg左右，夾持器重量約15Kg，夾持器長度最大約250mm。從受力角度分析，載荷不大，可參考其它機器作類比設計即可。伸縮臂的機構力學模型如圖4.2所示。 夾持器夾著工件，伸縮臂全部伸出，是導桿受力最大的狀態(tài),也是變形最大的位置。在此情況下，用材料力學的知識計算它

31、的強度和剛度。 圖3.2 3.3伸縮臂機構結構設計 3.3.1伸縮臂液壓缸參數(shù)計算 3.3.1.1工作負載R 液壓缸的工作負載R是指工作機構在滿負荷情況下，以一定加速度啟動時對液壓缸產生的總阻力，即： 式中：-工作機構的荷重及自重對液壓缸產生的作用力； -工作機構在滿載啟動時的靜摩擦力； -工作機構滿載啟動時的慣性力。 (1)的確定 ① 工件的質量m =5.9 (kg) ②夾持器的質量 15kg(已知) ③伸縮臂的質量 50kg(估計) ④其他部件的質量 15kg(估計

32、) 工作機構荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N) 取Ri=860N (2) 的確定 Rm= (N) (3) 的確定 Rg=(N) 式中：為啟動時間，其加速時間約為0.1～0.5s =0.1s , =0.2s 總負載 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N) 取實際負載為 =1200 3.3

33、.1.2液壓缸缸筒內徑D的確定 D= 式中：R=1000 <5000 , p可取0.8～, = 取液壓缸缸筒內徑為40mm。 3.3.1.3活塞桿設計參數(shù)及校核 (1)活塞桿材料：選擇45號調質鋼，其抗拉強度=570 (2)活塞桿的直徑：查《液壓傳動設計手冊》得，當壓力小于10Mpa時，速比=1.33。 則可選取活塞桿直徑為20mm系列，且缸筒的厚度為5mm。 最小導向長度：mm (3)活塞桿強

34、度及壓桿穩(wěn)定性的計算 采用非等截面計算法 ① 油缸穩(wěn)定性的計算 因為油缸的工作行程較大，則在油缸活塞桿全部伸出時，計算油缸受最大作用力壓縮時油缸的穩(wěn)定性。 假設油缸的活塞桿的推理為P，油缸穩(wěn)定的極限應力為Pk，則油缸穩(wěn)定性的條件為P<Pk。 Pk按下式得到： 式中：可按《液壓傳動設計手冊》得到 ； 式中：為活塞桿直徑 為缸體外徑。 D為缸體內徑。 所以， 所以 、為長度、上的斷面慣性矩。 查時極限力的計算圖，可由且查得

35、 （其中，：活塞桿頭部至油缸A點處的距離（cm） :缸體尾部至油缸A點處的距離（cm））。 所以：。 所油缸的穩(wěn)定性是滿足條件的。 ② 活塞桿強度的計算（E：材料的彈性模量）剛的彈性模量為E＝200Mpa。 《液壓傳動與控制》查得： 所以活塞桿強度是滿足條件的。 3.3.1.4缸筒設計參數(shù)及校核 (1)缸筒材料：選擇ZG310-570鑄鋼,其抗拉強度=570 (2)缸筒壁厚及校核：取壁厚=5mm 因此屬于普通壁厚 缸筒壁厚的校核 式中：-缸筒內最高工作壓力；=7 -

36、材料的許用應力 -材料的安全系數(shù)=5 校核符合要求 (3)缸筒外徑： 3.3.1.5缸底設計參數(shù)及校核 (1)缸底材料：選擇Q235碳素結構鋼，其抗拉強度375～460 (2)缸底厚度 mm 取缸底厚度為5mm 3.3.1.6油缸零件的連接計算 首先確定油缸缸筒與缸蓋采用螺紋連接;缸筒與缸底的連接此處選用焊接方式，此種方式能夠使液壓缸緊湊牢固。 （1）缸筒螺紋處的強度計算： 螺紋處的拉應力： 螺紋處的剪應力： 合成應力： 許用應力：

37、 式中：P:油缸的最大推力[kgf]; D:油缸內徑[cm]; ：螺紋直徑[cm]； ：螺紋內徑，當采用普通螺紋時（GB196-63）時，可近似按下式（t螺距[cm]）; K:螺紋預緊力系數(shù)，去K＝1.25～1.5； ：螺紋那摩擦系數(shù)（0.07～0.2），一般?。?.12； ：缸筒材料的屈服極限。 n: 安全系數(shù)，取n=1.2-2.5,一般取n=1.75. 由前面計算可得：D=40mm=4cm，則查《機械設計課程設計手冊》，采用普通螺紋基本尺寸（GB/T196-2003）公稱直徑第二系列 4.8，可得螺距t=0.4cm; =4.

38、8cm . 所以，。 K取1.5， ， n:取1.75。 所以： ,滿足強度條件。 （2）缸筒與缸底的焊接強度計算 P:油缸推力[kgf] :焊縫效率，可取＝0.7 ：焊條材料得抗拉強度[] n:安全系數(shù)，取n＝3.3～4 并查到焊條材料的抗拉強度為900Mpa～1200Mpa(手工焊條)，因此缸體與缸底得焊縫強度是滿足要求得。 3.3.1.7液壓油缸其他零件結構尺寸得確定 由于液壓缸的工作負載較小，所以選定液壓缸的工作壓力為低壓。取額定工作壓力為2.0。 液壓缸的基本形式如下圖所示： 圖 3.3

39、 整個油缸安裝在下部伸縮臂基座上。 （1）活塞與活塞桿得連接結構： 油缸在一般工作條件下，活塞與活塞桿采用螺紋連接。其形式如圖所示 圖3.4 （2）活塞桿導向套：做成一個套筒，壓入缸筒，靠缸蓋與缸筒得連接壓緊固定，材料選用鑄鐵材料。基本結構為： 圖3.5 圖中：1為缸蓋，2為橡膠防塵圈，3為活塞桿，4為活塞桿導向套。 （3）活塞與缸體得密封。 采用O型密封圈密封。選用36.5內徑，截面直徑為3

40、.55mm. 其基本形式如下： 圖 3.6 圖中：1即為O型密封圈，2則為活塞?；钊c缸體之間靠O型密封圈密封。 （4）活塞桿端部結構形式及尺寸 端部結構形式有：外螺紋的，內螺紋的，光滑的，球形，耳環(huán)等等。此處因活塞桿固定，選用外螺紋連接形式。其基本結構如下： 圖3.7 圖中各尺寸可查《液壓傳動設計手冊》得，當d＝20mm時，取. L=(1.2~1.5), ＝

41、 3.3.2導向桿機構設計 3.3.2.1導向機構的作用 導向機構的作用是保證液壓缸活塞桿伸出時的方向性，提供機構剛度，保證伸縮量的準確性。 3.3.2.2導向機構的外形尺寸及材料 導向選擇矩形導軌導向，導軌為伸縮臂基座上得一部分，經加工而成；滑臺則在其上滑動且滑臺得端部靠法蘭安裝夾持器部分。材料選擇為45號鋼.，如圖4.8所示： 圖3.8 圖中：1為滑臺，2為伸縮臂基座，3為矩形導軌的壓板。 此處矩形導軌是直接在基座上加工出來的，滑臺在導軌面上滑動，靠壓板來固定調節(jié)。 基座臂厚為10mm.。 3.3.2.3矩形導軌的彎曲強度及撓度的校核 (

42、1)導軌的彎曲應力 < [] 符合要求。 因為只計算了一邊得矩形導軌，由結構可知還有另外一邊得導軌支撐，故滿足條件。 (2)桿的撓度 此桿為一懸臂梁，根據簡單載荷作用下梁的撓度和轉角公式： ， 式中：EI是截面抗彎剛度 本式計算是完全把載荷加在導軌上，實際是載荷由導

43、軌和活塞桿共同承受，所以導向桿的撓度會更小，符合設計要求。 轉角 = 符合要求。 (3)導軌的表面處理及潤滑 ①導軌表面淬火，可以提高表面硬度增加導向桿的耐磨性，也可以保證導向桿的韌性，同時需要精加工以提高導軌的精度要求； ②導軌的潤滑可采用潤滑脂潤滑，或是采用潤滑油潤滑。此處采用潤滑脂潤滑。 伸縮臂基座與升降臂相連靠伸縮臂基座底部的法蘭。其上有4個M12的內六角圓柱頭螺釘。 3.3.2.4伸縮臂范圍控制與調整 伸縮臂伸縮范圍控制靠行程開關與活動擋塊，這里特別解釋如下：設備附件活動擋塊，它用在當設備安裝好后，可以靠它在小范圍內調節(jié)臂的伸長量，其結構圖如圖4.6所示 此活動

44、擋塊可套裝在導向桿上，a處可以壓住行程開關壓柱，從而壓動行程開關使行程開關實現(xiàn)動作。 此外除上述調節(jié)外，還可以調節(jié)連接件的旋入導向桿和液壓活塞桿的長度，實現(xiàn)對伸長度的微調。保證把工件精確地放在加工機床作業(yè)臺上。行程開關使用LXW4-11型微型開關。 圖3.9 （四） 驅動系統(tǒng) 4.1驅動系統(tǒng)設計要求 本次設計的工業(yè)機械手屬坐標式液壓驅動機械手。具有手臂伸縮，回轉，升降，手腕回轉四個自由度。因此，相應地有手腕回轉機構、手臂伸縮機

45、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液壓馬達驅動與控制。 設計要求 （1）滿足工業(yè)機械手動作順序要求。動作順序的各個動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應的電磁鐵，按程序依次步進動作而實現(xiàn)。 （2）機械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準確，工作協(xié)調。 （3）液壓控制系統(tǒng)設計要滿足伸縮臂動作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運動時間要求 4.2驅動系統(tǒng)設計方案 采用葉片泵供油，動作順序：從原位開始——升降臂下降——夾持器夾緊——升降臂上升——底座快進回轉——底座慢進——

46、手腕回轉——伸縮臂伸出——夾持器松開——伸縮臂縮回；待加工完畢后，伸縮臂伸出——夾持器夾緊——伸縮臂縮回——底座快退(回轉)——底座慢退——手腕回轉——升降臂下降——夾持器松開——升降臂上升到原位停止，準備下次循環(huán)。 上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應的電磁鐵（電磁換向閥），按程序依次步進動作而實現(xiàn)。 （1）各液壓缸的換向回路 為便于機械手的自動控制，采用可編程控制器進行控制，前分析可得系統(tǒng)的壓力和流量都不高，選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化成都和經濟效益。液壓機械手采用單泵供油，手臂伸縮，手腕回轉，夾持動作采用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不

47、干擾，實現(xiàn)同步或非同步運動，換向閥采用中位“O”型換向閥。 （2）調速方案 整個液壓系統(tǒng)只用單泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用液壓泵的全流量是無法滿足設計要求的。盡管有的液壓缸是單一速度工作，但也需要進行節(jié)流調速，用以保證液壓缸的平穩(wěn)運行。各缸可選擇進油路或回油路節(jié)流調速，選用節(jié)流閥調速。 單泵供油系統(tǒng)以所有液壓缸中需流量最大的來選擇泵的流量。系統(tǒng)較為簡單，所需元件較少，經濟性好，考慮到系統(tǒng)功率較小，其溢流損失也較小。 （3）緩沖回路 伸縮臂處設置緩沖回路，使用單向節(jié)流閥 （4）系統(tǒng)安全可靠性 夾緊缸在夾緊工件時，為防止失電等意外情況，設置鎖緊保壓回路。 手臂升

48、降缸在系統(tǒng)失壓的情況下會自由下落或超速下行，所以在回路中設置平衡回路。 4.3驅動系統(tǒng)設計 4.3.1分功能設計分析 （1）夾持器采用單出桿雙作用缸，保證運動過程中不使工件下掉，夾持器夾緊工件后，鎖緊回路由先導型順序閥和單向閥組成。順序閥的設置在夾持器松開回油過程中起到緩沖作用。 （2）底座回轉采用擺動液壓缸，正反方向均采用單向調速閥調速。由于回轉部分的重量大，回轉長度長，因此手臂回轉時具有很大的動能。為此，除采用調速閥的回油節(jié)流閥調速閥外，還在回油路上安裝雙溢流閥，進行減速緩沖。 （3）手臂伸縮采用單出桿雙作用缸，手臂伸出時，由單向閥和節(jié)流閥組成的調速回路進行回油節(jié)流調速。手臂縮回

49、時，回油路設置調速閥以完成緩沖作用。 （4）手臂升降運動采用單出桿雙作用缸，上升和下降均由單向調速閥回油節(jié)流。因為升降缸為立式，在其液壓缸下腔油路中安裝單向順序閥，避免因整個手臂運動部分的自重而下降，起支撐平衡作用。 （5）伸縮臂進油路設置蓄能保壓回路，伸出完全后，進油路壓力升高，壓力繼電器發(fā)出電信號導致?lián)Q向閥通電，泵卸荷，單向閥自動關閉，由蓄能器保壓。 （6）單泵供油，采用先導型溢流閥卸荷，設置二位二通換向閥。 4.3.2液壓泵的確定與所需功率計算 系統(tǒng)各執(zhí)行元件最大需用流量 夾緊缸：Q=1.5 L/min 伸縮缸：Q=15 L/min 升降缸：Q

50、=7.536 L/min 回轉缸：Q=17.34 L/min b、泵的排量 c、泵工作時的最高壓力 夾緊缸： 伸縮缸： 升降缸： 回轉缸： 包括油液流經流量閥和其他元件的局部損失，管路沿程損失等 為0.20.5Mpa 作為壓力儲備，可選額定壓力為5Mpa 選擇YB-A16B型號泵，其主要性能參數(shù)如表4.1所示 項 目 型 號 排量 壓力 輸入功率 額定轉速 最

51、低轉速 最高轉速 YB-A16B 16.3ml/r 5Mpa 1.69Kw 1000r/min 600r/min 1800r/min 4.3.3確定泵的電機功率N p—泵的實際最大工作壓力 kgf/cm Q—泵在p壓力下的實際流量 l/min η--泵的總效率 0.650.75 考慮到壓力損失，故按標準選用1.5kw的電機 4.3.4液壓元件的選擇,如表4.2所示 表4.2 編號 元件名稱 閥最大通過流量L/min 型號 公稱流量L/m

52、in 1 濾油器（粗） 19.074 XU-CJ4550BS 40 3 溢流閥 19.074 YF3-10L 63 4 電磁換向閥 23DO-B8C 22 6 濾油器（精） XU-CJ4530BS 40 9 電磁換向閥（夾緊） 10、11 液控單向閥 CPT-03-04-50 40 13 壓力繼電器 HEO/35 14 電磁換向閥（伸縮） 15 34DF30-E10B-D 25 15 單向調速閥 AQ-10C 30 17 電磁換向閥（回轉） 17.34 34DF30-E10B-

53、D 25 18 、19 單向調速閥 AQ-10 21 電磁換向閥（升降） 7.536 DG55-5 22 單向順序閥 HCT-03-A-3-22 50 23、24 單向節(jié)流閥 SRCT-0.3-50 30 4.3.5輔助元件的選擇 油管內徑一般可參照所有管接件的接口尺寸確定，也可按管路元件的流量進行計算，本系統(tǒng)油管選181.5無縫鋼管。 油箱容量的計算 V= V—油箱有效容積（L） m—系數(shù) m值對于中壓系統(tǒng)可以為57min --液泵流量（L/m

54、in） V=(57)19.074=95.37133.518L 4.5液壓系統(tǒng)的驗算 （1）壓力損失 系統(tǒng)的總壓力損失包括沿程損失和局部損失。其中單向調速閥壓力損失最大5 kgf/cm。 （2）管路壓力損失對系統(tǒng)性能的影響 管路壓力損失通常按快速工況計算。管內流速過高，引起管道振動和壓力損失增大。管路壓力損失太大，在定量泵系統(tǒng)中，快速時系統(tǒng)壓力將超過溢流閥或卸荷閥的調整壓力，致使閥有溢流；在變量泵或雙泵系統(tǒng)中，快速對系統(tǒng)壓力將超過轉換壓力，使進入缸的流量減少，缸的運動速度達不到預期的效果。因此須根據壓力降重新調整元件的工作壓力，以保證快速運動的要求。 （3）油溫的

55、允許值 不同機械，因工作條件的不同，允許的高油溫應有區(qū)別 本系統(tǒng)中正常工作溫度30°50°，最高允許55°70°，油及油箱 溫升。 （4）液壓沖擊 ① 保證工作周期的原則下，盡量減慢換向速度。電磁換向閥，可考慮帶阻尼器或設計成正開口的滑閥結構。使閥芯移動速度過慢，使電磁鐵的線圖長期通過大電流，會造成發(fā)熱、燒傷。 ②在滑閥完全關閉前，減慢液體的流速?？稍陂y芯的棱邊上開長方形或V形槽，或作成半錐角為2°5°的節(jié)流錐面。 ③適當加大管徑，縮短導管長度，避免不必要的彎曲；或采用軟管。 4.6液壓系統(tǒng)圖 4.6.1設計的液壓系統(tǒng)

56、圖 圖4.1 工業(yè)機械手除腕部采用擺動液壓馬達之外均采用單出桿雙作用直線油缸。 4.6.2液壓系統(tǒng)電磁鐵動作順序控制原理 ⑴降臂下降：使6DT通電閥21位于左位，壓力油經閥24單向閥，進入油缸25上腔，回油經油缸下腔，單向調速閥23，閥22的順序閥，閥21左位回油箱。下降速度由閥23調節(jié)。單向順序閥22防止自重下滑起支撐平衡作用。 ⑵升降到一定位置碰到行程開關，使電磁鐵2DT通電，6DT斷電，壓力油經閥10進入油缸12左腔，油缸右腔油液經閥11，閥9左位回油箱。10，11液控單向閥保持夾持器夾牢工件。 ⑶降臂上升：夾

57、緊后發(fā)出訊號，使7DT通電2DT斷電，壓力油經閥21右位，閥22，23中的單向閥進入油缸25下腔，上腔油液經閥24，閥21右位回油箱。升降速度由閥24調節(jié)。 ⑷座回轉：當升到預定位置時，擋塊碰撞到行程開關。使的7DT斷電8DT通電，閥17處于左位，壓力油經閥17左位，閥18單向閥進入回轉缸上腔，下腔油液經閥19，閥17左位回油箱。于是底座回轉90度，回轉速度由閥19調節(jié)。回轉缸在其油路上安裝有行程節(jié)流閥進行減速緩沖。 ⑸縮臂伸出：底座回轉到位碰撞行程開關時，使8DT斷電，4DT通電，壓力油經閥14左位，進入油缸16左腔，右腔油液經閥15，閥14左位回油箱。伸縮臂外伸，伸縮速度由閥15調節(jié)。

58、 ⑹持器松開：手腕回轉90度完畢，擋塊碰到行程開關，4DT通電，壓力油經閥9右位，閥11到油缸12右腔，左腔油液經閥10，閥9右位回油箱。夾持器松開，放下物料。 ⑺縮臂縮回：當夾持器松開后，擋塊碰撞行程開關，使5DT通電，壓力油經閥14右位，閥15單向閥進入油缸16右腔，左腔油液經14右位回油箱，伸縮臂縮回。壓力油使油缸19快速縮回。到位后碰撞行程開關，使5DT斷電。 ⑻縮臂伸出：待加工完畢后，發(fā)出信號，使4DT通電，壓力油經閥14左位進入油缸16左腔，右腔油液經閥15，閥14左位回油箱。 ⑼持器夾緊：當伸到適當位置，擋塊碰撞行程開關，使2DT通電，4DT斷電，壓力油經閥19左位，閥1

59、0進入油缸12左腔，油缸右腔經閥11，閥9左位回油箱。 ⑽縮臂縮回：當夾緊后，擋塊碰撞行程開關，使5DT通電，經15單向閥進右腔，左腔油液經14回油箱。 ⑾底座回轉：當縮到適當位置，擋塊碰撞行程開關，使9DT通電，壓力油經閥19單向閥進回轉油缸下腔，上腔油液經閥18，閥17右位回油箱。 ⑿升降臂下降：當手腕回轉到位，擋塊碰撞行程開關，使9DT斷電，6DT通電，壓力油經閥21左位，閥24到油缸25上腔，回油經油缸25下腔，閥23，閥22，閥21左位回油箱。 ⒀夾持器松開：當降到預定位置，擋塊碰撞行程開關，使6DT斷電，3DT通電，壓力油經閥9右位，閥11進入油缸12右腔，左腔油液經閥10

60、閥9右位回油箱。 4.6.3電磁鐵動作順序 表4-2電磁鐵動作順序元 件 工 步 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 6DT 7DT 8DT 9DT 原位 + 升降臂下降 + 夾持器夾緊 + 升降臂上升 + 底座快速回轉 + 底座慢進 + 手腕旋轉 + 伸縮臂伸出 +

61、 夾持器松開 + 伸縮臂縮回 + 伸縮臂伸出 + 夾持器夾緊 + 伸縮臂縮回 + 底座快退縮 + 底座慢退 + 手腕回轉 + 升降臂下降 + 夾持器松開 + 升降臂上升 + 原位循環(huán) +

62、 （五）PLC控制系統(tǒng) 5.1 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(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)。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(xiàn)邏輯運算、順序操作、定時、計數(shù)及算術運算和通過數(shù)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、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，遠遠可以滿足該套工業(yè)機械手的要求。工業(yè)機械手控制工藝流程圖6-1所示 圖5-1 5.2 PLC選擇

63、可編程邏輯控制器（PLC）是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)，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(xiàn)邏輯運算、順序操作、定時、計數(shù)及算術運算和通過數(shù)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的按以下方式選擇： （1） I/O點數(shù)的估算 根據分析的結果，進行統(tǒng)計估算，F(xiàn)1-40系列選擇主機I/O點數(shù)為24/16。 （2）容量計算 內存容量指的是用戶程序的容量。最大I/O點數(shù)為120， 一般指令的條數(shù)為I/O點數(shù)的10-12倍左右

64、，PLC的容量不得小于此要求。 根據所選的PLCF1-40系列的內部元件及輸入輸出的相關元件、設備，編制出I/O分配圖6-2所示如下 圖5-2 5.3程序設計 根據任務書的要求，可以采用移位寄存指令或步進指令進行系統(tǒng)軟件的設計，整個控制系統(tǒng)的設計應采用模塊化設計。 1） 模塊化設計 公共程序模塊，手動程序模塊，自動程序模塊，遠位模塊。 公共程序模塊包括主電路、油泵等的控制，狀態(tài)初始化，狀態(tài)轉換啟動，狀態(tài)轉換停止，事故報警保護等程序。公共程序部分如圖6-3所示 手動程序采用電動方式，應能完成全部自動程序所完成的動

65、作。手動程序部分如圖6-4所示 自動程序應包括連續(xù)過程，單周過程，畫出狀態(tài)轉移圖。自動程序部分如圖6-5所示 圖5-3 圖5-4 圖5-5 5.4語句表 000 LD X400 001 OR Y530 002 ANI X401 003 OUT Y530 004 OUT

66、 Y535 005 LD X403 006 OR Y536 007 ANI X404 008 OUT Y536 009 LD X531 010 OUT Y537 011 LD X502 012 OR X503 013 OR X504 014 CJP 700 015 LD X501 016 OUT M121 017 MC