畢業(yè)設計--基于plc控制的自動生產線工件搬運機械手設計

1、<p>　　本科畢業(yè)論文（設計）</p><p>　　基于PLC控制的自動生產線工件搬運機械手設計</p><p>　　學 院： 機械工程學院 </p><p>　　專 業(yè)：機械設計制造及其自動化</p><p>　　班 級： 08 級 </p><

2、p>　　學 號： </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　2012年 06 月 8 日</p><p><b>　　目 錄</b><

3、/p><p>　　摘 要III</p><p>　　AbstractIV</p><p>　　第一章緒 論5</p><p>　　1.1選題背景5</p><p>　　1.2設計目的5</p><p>　　1.3國內外研究現(xiàn)狀和趨勢6</p><p&

4、gt;　　1.4設計原則7</p><p>　　第二章設計方案擬定和詳細設計計算8</p><p>　　2.1本機械手設計參數(shù)列表8</p><p>　　2.2機械手手部設計計算9</p><p>　　2.2.1 手部設計基本要求9</p><p>　　2.2.2 手部力學分析9</p&g

5、t;<p>　　2.2.3 夾緊力及驅動力的計算10</p><p>　　2.2.4 機械手手抓夾持精度的分析計算12</p><p>　　2.3 機械手腕部設計計算13</p><p>　　2.3.1 腕部設計基本要求13</p><p>　　2.3.2 腕部結構的選擇14</p><p

6、>　　2.3.3 腕部回轉力矩的計算14</p><p>　　2.4 機械手臂部設計計算18</p><p>　　2.4.1 機械手臂部設計的基本要求18</p><p>　　2.4.2 手臂的典型機構以及結構的選擇18</p><p>　　2.4.3 手臂伸縮驅動力計算19</p><p>

7、　　2.4.4 手臂伸縮油缸結構的確定21</p><p>　　2.4.5 油缸端蓋的連接方式及強度計算23</p><p>　　2.5 機身設計與計算25</p><p>　　2.5.1 機身的整體設計25</p><p>　　2.5.2 機身回轉機構的設計計算26</p><p>　　2.5.3

8、 機身升降機構的設計計算29</p><p>　　第三章 機械手液壓系統(tǒng)設計33</p><p>　　3.1 液壓驅動系統(tǒng)工況計算33</p><p>　　3.1.1 繪制液壓系統(tǒng)的工況圖33</p><p>　　3.1.2 計算和選擇液壓元件37</p><p>　　3.2 液壓系統(tǒng)總體圖設計

9、39</p><p>　　3.2.1 此液壓系統(tǒng)的特點40</p><p>　　3.2.2 液壓系統(tǒng)的分析40</p><p>　　3.2.3 液壓系統(tǒng)工作原理42</p><p>　　第四章 機械手電氣系統(tǒng)設計47</p><p>　　4.1 繼電器-接觸器控制線路的設計47</p>

10、<p>　　4.2 一些低壓電器的選擇50</p><p>　　4.3 機械手控制操作面板51</p><p>　　第五章 機械手PLC控制系統(tǒng)的設計53</p><p>　　5.1 可編程控制器簡介及應用53</p><p>　　5.2 可編程控制器控制系統(tǒng)設計的基本原則53</p><p

11、>　　5.3 可編程控制器系統(tǒng)設計的步驟54</p><p>　　5.4 梯形圖控制程序57</p><p>　　5.4.1 控制程序的結構框圖57</p><p>　　5.4.2 手動控制程序58</p><p>　　5.4.3 自動控制程序59</p><p><b>　　總

12、 結61</b></p><p>　　參 考 文 獻62</p><p>　　致 謝63</p><p>　　基于PLC控制的自動生產線工件搬運機械手設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞

13、動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化水平。工業(yè)生產中經常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調的操作，如果沒有機械手那么工人的勞動強度是很高的，并且生產速度大大延緩，所以采用機械手是很有效的。</p><p>　　本機械手主要用于金屬工件的搬運工作，能夠配合機床（如鍛床、數(shù)控機床、組合機床）或裝配線等進行重量不大于30公斤的圓柱形工件搬運。本機械手為液壓驅動，采用圓柱坐標系結構，具有4個自由度。本設計首先對

14、機械手的各個部分進行了詳細設計計算，選定液壓缸和末端執(zhí)行機構后，對連接結構進行了詳細設計和強度校核。其次對機械手的液壓系統(tǒng)進行設計，在液壓系統(tǒng)的基礎上對電氣控制系統(tǒng)進行了合理設計和布線，最后用三菱PLC編程控制電氣系統(tǒng)的各執(zhí)行元件從而控制液壓系統(tǒng)電磁閥的動作。到達搬運機械手搬運工件的最終要求。。</p><p>　　關鍵詞：機械手，搬運，液壓，PLC。</p><p>　　Based on

15、 PLC automatic production line of workpiece carrying manipulator</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensi

16、ty, improve working conditions, and improve labor productivity and automation level. Industrial production has seen the heavy work handling and long-term frequent, drab operation, if not manipulator so labor intensity is

17、 high, and production speed greatly retard, so using manipulator is very effective.</p><p>　　This manipulator is mainly used for metal workpieces handling work, can match with machine tools (such as forging

18、bed, nc machine tools, combination machine tools) or assembly line of weight is not more than 30 kg cylindrical workpieces handling. This manipulator for hydraulic drive, using cylindrical coordinate system structure, ha

19、s four degrees of freedom. The design of manipulator first each part of the detailed design calculation, select the hydraulic cylinder and end actuators, connected to</p><p>　　Keywords: Manipulator, Handlin

20、g, Hydraulic, PLC</p><p><b>　　緒 論</b></p><p><b>　　選題背景</b></p><p>　　機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，

21、機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和

22、機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產品質量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產水平的提高，從經</p><p><b&

23、gt;　　設計目的</b></p><p>　　本設計通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠實現(xiàn)理論和實踐的有機結合。</p><p>　　目前，在國內很多工廠的生

24、產線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、生產效率低。為了提高生產加工的工作效率,降低成本,并使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應現(xiàn)代自動化大生產,針對具體生產工藝,利用機器人技術，設計用一臺裝卸機械手代替人工工作，以提高勞動生產率。</p><p>　　本機械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多

25、的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設計能夠應用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產效率和生產力。</p><p>　　國內外研究現(xiàn)狀和趨勢</p><p>　　目前，在國內外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：</p><p>　　A

26、．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。</p><p>　　B．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。</p><p>　　C．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳

27、統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行決策控制；多傳感器融合配置技術成為智能化機器人的關鍵技術。</p><p>　　D．關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； </p>

28、<p>　　E．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。</p><p>　　總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制

29、器，市場化、模塊化的元件。</p><p><b>　　設計原則</b></p><p>　　在設計之前，必須要有一個指導原則。這次畢業(yè)設計的設計原則是：以任務書所要求的具體設計要求為根本設計目標，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎上，盡可能的使結構簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著科學經濟和滿

30、足生產要求的設計原則，同時也考慮本次設計是畢業(yè)設計的特點，將大學期間所學的知識，如機械設計、機械原理、液壓、氣動、電氣傳動及控制、傳感器、可編程控制器（PLC）、電子技術、自動控制、機械系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運用到設計中，使得經過本次設計對大學階段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設計。</p><p>　　設計方案擬定和詳細設計計

31、算</p><p>　　本機械手設計參數(shù)列表</p><p><b>　　1、抓重：300N</b></p><p><b>　　2、自由度：4個</b></p><p><b>　　3、臂部運動參數(shù)：</b></p><p><b>　　表

32、2-1</b></p><p><b>　　4、腕部運動參數(shù)：</b></p><p><b>　　表 2-2</b></p><p>　　5、手指夾持范圍：棒料，Φ60mm~Φ120mm，長度450~1200mm</p><p>　　6、定位方式：緩沖，定位缸定位</p>

33、<p>　　7、驅動方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)）</p><p>　　8、定位精度：±3mm</p><p>　　9、機械手工作布局圖如圖2.1所示</p><p><b>　　圖2.1</b></p><p><b>　　機械手手部設計計算</b></p><

34、;p>　　2.2.1 手部設計基本要求</p><p>　　(1) 應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力，應考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需要的驅動力大小是不同的。</p><p>　　(2) 手指應具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。</p><p>　　(3) 在保證本身剛度，強度的前提下，盡可能使結構緊湊，重量輕，以利于減輕手臂負載。</p>

35、;<p>　　(4) 應保證手抓的夾持精度。</p><p>　　2.2.2 手部力學分析</p><p>　　通過綜合考慮，本設計選擇二指雙支點回轉型手抓，采用滑槽杠桿式，夾緊裝置采用常開式夾緊裝置，他在彈簧的作用下手抓閉合</p><p>　　下面對其基本結構進行力學分析：</p><p>　　滑槽杠桿 圖2-2(a)為常

36、見的滑槽杠桿式手部結構。</p><p>　　(a) (b)</p><p>　　圖2-2 滑槽杠桿式手部結構、受力分析</p><p>　　1——手指 2——銷軸 3——杠桿</p><p>　　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

37、用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點，交和的延長線于A及B。</p><p>　　由 =0 得 =</p><p><b>　　=0 得</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p>

38、<p>　　由=0 得=·h</p><p>　　F= (2-1)</p><p>　　式中 a——手指的回轉支點到對稱中心的距離(mm)。</p><p>　　——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。</p><p>　　由分析可知，當驅動力F一定

39、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=~</p><p>　　2.2.3 夾緊力及驅動力的計算</p><p>　　手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據(jù)。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(tài)變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。</p><p

40、>　　手指對工件的夾緊力可按公式計算： </p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　式中 ——安全系數(shù)，通常1.2~2.0；</p><p>　　——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋是重力方向的最大上升加速度 ，g=9.8 m/s ；</p><p>　　

41、——運載時工件最大上升速度；；</p><p>　　——系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.03~0.5s；</p><p>　　——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇；</p><p>　　G——被抓取工件所受重力（N）。</p><p>　　計算：設a=40mm,b=120mm,=35°；機械手達到最高響應時間為0.5s，

42、求夾緊力和驅動力和 驅動液壓缸的尺寸。</p><p>　　設=1.6 =102 mm/s =0.5s</p><p><b>　　==1.02</b></p><p><b>　　=0.5 </b></p><p>　　根據(jù)公式，將已知條件帶入：</p><p&

43、gt;　　=1.6×1.02×0.5×300=244.8N</p><p><b>　　根據(jù)驅動力公式得：</b></p><p>　　==244.8=986N </p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　==1160N<

44、;/b></p><p><b>　　確定液壓缸的直徑D</b></p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　選取活塞桿直徑d=0.5D，選擇液壓缸壓力油工作壓力P=39.210Pa</p><p>　　則 D=0.0224m</p><p>

45、　　根據(jù)液壓缸內徑系列表（JB826-66），選取液壓缸內徑為：D=32mm，根據(jù)裝配關系，外徑為50mm。</p><p><b>　　則活塞桿直徑為：</b></p><p>　　d=320.5=16mm，選取d=16mm</p><p>　　2.2.4 機械手手抓夾持精度的分析計算</p><p>　　機械手的精

46、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(wěn)定性好，并有足夠的抓取能。</p><p>　　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，一定要進行機械手的夾持誤差分析。</p><p>　　圖2-3 手抓夾持誤差分析示意

47、圖</p><p>　　該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。</p><p>　　為了保證手抓張開角為，活塞桿運動范圍為L=40tan40°≈34mm。</p><p>　　機械手的夾持范圍為Φ60~Φ120mm。</p><p>　　夾持誤差不超過±3mm，分析如下：</p><p>　　工件

48、的平均半徑： ==45mm</p><p>　　手指長L=120mm，取V型夾角</p><p>　　偏轉角：β ===64.34°</p><p>　　按最佳偏轉角確定： β=64.34°</p><p>　　計算理論平均半徑 120×sin60°cos64.34°=45mm</p

49、><p><b>　　因為 </b></p><p><b>　　1.484 </b></p><p><b>　　0.166</b></p><p>　　所以=1.484<3</p><p>　　夾持誤差滿足設計要求。</p>&

50、lt;p>　　2.3 機械手腕部設計計算</p><p>　　2.3.1 腕部設計基本要求</p><p>　　(1) 力求結構緊湊、重量輕</p><p>　　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，必須力求結構緊湊，重量輕。</p>

51、<p>　　(2) 結構考慮，合理布局</p><p>　　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。</p><p>　　(3) 必須考慮工作條件</p><p>　　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

52、，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。</p><p>　　2.3.2 腕部結構的選擇</p><p>　　腕部結構有四種，分別為：</p><p>　　(1) 具有單自由度的回轉缸驅動的腕部結構</p><p>　　(2) 用齒條活塞驅動的腕部結構</p><p>　　(3) 具有

53、兩個自由度的回轉缸驅動腕部結構</p><p>　　(4) 機——液結合的腕部結構</p><p>　　本次設計要求腕部有一個回轉自由度，因此，綜合考慮分析，選擇第一種結構，其特點直接用回轉油缸驅動實現(xiàn)腕部的回轉運動，具有結構簡單、靈活等優(yōu)點而被廣泛采用。</p><p>　　2.3.3 腕部回轉力矩的計算</p><p>　　一、腕部轉動

54、時所需的驅動力矩計算</p><p>　　腕部轉動時所需的驅動力矩可按下式計算：</p><p>　　=+++ (N·m) (2-4)</p><p>　　腕部加速運動時所產生的慣性力矩</p><p>　　若腕部啟動過程按等加速運動，腕部轉動時加速度為(rad/

55、s)，啟動過程所需的時間為(s)，或轉過的角度為(rad)，則</p><p>　　=（+) (2-5)</p><p>　　或 =（+)</p><p>　　式中 —參與腕部轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量（kg·m）；</p><p>　　—工件對腕部轉動軸線的轉動慣量（kg

56、83;m）。</p><p>　　腕部轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩</p><p>　　因為手抓夾持在工件中間位置，所以e等于0，即：</p><p><b>　　=Ge+Ge=0</b></p><p>　　腕部轉動軸載軸頸處的摩擦阻力矩</p><p>　　為簡化計算，一般取

57、 =0.1</p><p>　　回轉缸的動片和缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，與選用的密封裝置類型有關，應根據(jù)具體情況加以分析。</p><p>　　設夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量50Kg，當手部夾持工件中間位置回轉時，將手抓、手抓驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，長h=150mm，半徑為60mm，其所受重力為G=200 N</

58、p><p><b>　　等速轉動角速度。</b></p><p>　　因為 =（+) (2-6) </p><p>　　====0.0367</p><p><b>　　===4.1979</b></p><

59、p>　　代入 =(0.0367+4.1979) =47</p><p>　　所以 =0.1+0+47</p><p><b>　　=52.22</b></p><p>　　二、腕部驅動力的計算</p><p>　　表2-3 液壓缸的內徑系列（J

60、B826-66） （mm）</p><p>　　設定腕部的部分尺寸：根據(jù)表2-3設缸體內壁半徑R=55mm，外徑按中等壁厚設計，由表4-2選取168 mm，動片寬度b=66mm，輸出軸r=25mm?；境叽缛鐖D2-4所示。則回轉缸工作壓力</p><p>　　P===6.59MPa，所以選擇P=7MPa。</p><p>　　圖2-4 腕部液

61、壓缸剖截面結構示意</p><p>　　表2-4 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）</p><p>　　三、油缸蓋螺釘?shù)挠嬎?lt;/p><p>　　圖2-5 缸蓋螺釘間距示意</p><p>　　表2-5 螺釘間距t與壓力P之間的關系</p><p>　　t為螺釘?shù)拈g距，間距與工作壓強有關，見表2-

62、4，在這種聯(lián)結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為： （2-7）</p><p>　　式中為工作載荷，為預緊力</p><p><b>　　計算：</b></p><p>　　液壓缸工作壓強為P=7 Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇8個螺釘；</p&

63、gt;<p>　　πd/4=110π/80=4.3＜8，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=8個</p><p>　　危險截面 =0.0075m</p><p><b>　　==6562.5N</b></p><p>　　(K=1.5~1.8) 取K=1.5，則1.5×6562.5=9843.75 N</p&

64、gt;<p><b>　　=16407N</b></p><p>　　螺釘材料選擇Q235， （n=1.2~2.5）</p><p>　　螺釘?shù)闹睆?</p><p><b>　　=0.0131m</b></p><p>　　螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm。</

65、p><p>　　四、動片和輸出軸間的連接螺釘</p><p>　　連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密，當油腔通高壓油時，動片受油壓作用產生一個合成液壓力矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩。</p><p>　　由 (2-8)</p

66、><p>　　得 (2-9)</p><p>　　——單個螺釘?shù)念A緊力；</p><p><b>　　D ——動片外徑；</b></p><p>　　f ——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15；</p>&

67、lt;p>　　d ——輸出軸與動片連接處的直徑，初步計算可按D=（1.5~2.5）d</p><p>　　D=110mm=2.5d，則d=44mm；</p><p>　　螺釘?shù)膹姸葪l件為 </p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　所以

68、 (2-11)</p><p><b>　　帶入有關數(shù)據(jù)，得</b></p><p><b>　　===22234N</b></p><p>　　螺釘材料選擇Q235， 則200MPa（n=1.2~2.5）</p><p>　　螺釘?shù)闹睆?=0.

69、013m</p><p>　　螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm。</p><p>　　2.4 機械手臂部設計計算</p><p>　　2.4.1 機械手臂部設計的基本要求</p><p>　　（1）臂部應承載能力大、剛度好、自重輕</p><p>　?。?）臂部運動速度要高，慣性要小</p><p&g

70、t;　　（3）手臂動作應該靈活</p><p><b>　　位置精度要高</b></p><p>　　2.4.2 手臂的典型機構以及結構的選擇</p><p>　　常見的手臂伸縮機構有以下幾種：</p><p>　　雙導桿手臂伸縮機構。</p><p>　　雙層油缸空心活塞桿單桿導向結構<

71、/p><p>　　采用花鍵套導向的手臂升降結構</p><p><b>　　雙活塞伸縮油缸結構</b></p><p>　　活塞桿和齒輪齒條機構。</p><p>　　綜合考慮，本設計選擇雙導桿伸縮機構，其手臂的伸縮油缸安裝在兩根導向桿之間，由導向桿承擔彎曲作用，活塞桿受拉壓作用，受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結構緊湊。

72、使用液壓驅動,液壓缸選取雙作用液壓缸。</p><p>　　2.4.3 手臂伸縮驅動力計算</p><p>　　先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關機構的主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結構。</p><p>　　做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定液壓缸所

73、需要的驅動力。液壓缸活塞的驅動力的計算為</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　一、手臂摩擦力的分析與計算</p><p>　　由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。</p><p>　　得 </p&

74、gt;<p>　　得 </p><p><b>　　(2-13) </b></p><p>　　式中 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）；</p><p>　　L——手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m）,參考上一節(jié)的計算;</

75、p><p>　　a——導向支撐的長度（m）;</p><p>　　——當量摩擦系數(shù)，其值與導向支撐的截面有關。</p><p>　　對于圓柱面： (2-14)</p><p>　　——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時：</p><p><b>　　鋼對青銅

76、：取</b></p><p><b>　　鋼對鑄鐵：取</b></p><p>　　計算：導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵， ，L=656mm,導向支撐a設計為160mm</p><p>　　將有關數(shù)據(jù)代入進行計算</p><p>　　1400=3864N</p><p>　　二

77、、手臂密封處的摩擦阻力的計算</p><p>　　不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用O型密封圈，當液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： =0.03F。</p><p>　　三、手臂慣性力的計算</p><p>　　=0.1 (2-15)</p><

78、;p>　　式中 ——參與運動的零件的總重力（包括工件）(N)；</p><p>　　——從靜止加速到工作速度的變化量(m/s)；</p><p>　　——啟動時間(s)，一般取0.01~0.5；</p><p>　　設啟動時間為0.2s，最大為0.233m/s。 則：</p><p><b>　　=0.1=163N</

79、b></p><p>　　由于背壓阻力較小，可取=0.05</p><p>　　所以 =+++=3864+163+0.03F+0.05F</p><p><b>　　=4378N</b></p><p>　　所以手臂伸縮驅動力為=4378N。</p><p>

80、;　　2.4.4 手臂伸縮油缸結構的確定</p><p>　　表2-6液壓缸的工作壓力</p><p>　　經過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力F=4378N，根據(jù)表2-6選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa；</p><p>　　確定液壓缸的結構尺寸：</p><p>　　液壓缸內徑的計算，如圖2-6所示</p><p&g

81、t;　　圖2-6雙作用液壓缸示意圖</p><p>　　當油進入無桿腔： (2-16)</p><p>　　當油進入有桿腔： (2-17)</p><p>　　液壓缸的有效面積： (mm)</p><p>　　所以

82、 （無桿腔）</p><p>　?。ㄓ袟U腔） (2-18)</p><p>　　式中——活塞驅動力(P)；</p><p>　　——油缸的工作壓力(MPa)；</p><p><b>　　——活塞桿直徑；</b></p><p

83、>　　——油缸機械效率，工程機械中用耐油橡膠可取=0.96；</p><p>　　由上節(jié)求得驅動力F=4378N，=1MPa，機械效率=0.96</p><p><b>　　將數(shù)據(jù)代入得：</b></p><p><b>　　==0.0766</b></p><p>　　根據(jù)表2-3（JB82

84、6-66），選擇標準液壓缸內徑系列，選擇D=80mm.</p><p><b>　　液壓缸外徑的設計</b></p><p>　　外徑按中等壁厚設計，根據(jù)表2-4（JB1068-67）取外徑選擇133mm.</p><p><b>　　活塞桿的計算校核</b></p><p>　　a，活塞桿的尺寸要

85、滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算：</p><p>　　(mm) (2-19)</p><p>　　設計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應力的=100~120Mpa。本次取=110</p><p>　　則： =0.0072m

86、</p><p>　　所以活塞直徑按下表取d=20mm，滿足強度要求。</p><p>　　表2-7活塞桿直徑系列（GB/T2348-93）</p><p>　　現(xiàn)在進行穩(wěn)定性校核，其穩(wěn)定性條件為：</p><p><b>　　(2-20)</b></p><p>　　式中 ——臨界力(N)；&

87、lt;/p><p>　　——安全系數(shù)，=2~4。</p><p>　　按中長桿進行穩(wěn)定性校核，其臨界力=F() (2-21)</p><p>　　式中: F——活塞桿截面面積(mm)；</p><p>　　a，b——常數(shù)，與材料性質有關，碳鋼a=461，b=2.47；</p>&

88、lt;p>　　——柔度系數(shù)，經計算為70。</p><p>　　代入數(shù)據(jù)，臨界力 =F()=3.14=90463.4MPa</p><p>　　取=3 =30154.47 MPa</p><p>　　所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。</p><p>　　2.4.5 油缸端蓋的連接方式及強度計算</p>

89、;<p>　　(1) 缸體材料選擇無縫鋼管，此時端蓋的連接方式多采用半環(huán)鏈接優(yōu)點是加工和裝拆方便，缺點是缸體開環(huán)槽削弱了強度</p><p>　　(2) 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?lt;/p><p>　　為保證連接的緊密性，螺釘間距t應適當（如圖2-5），在這種聯(lián)結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預緊力之和</p><p>　　=+

90、 (2-22)</p><p>　　式中 ——工作載荷，=；</p><p>　　——螺釘中心所在圓的直徑；</p><p><b>　　P——驅動力。</b></p><p>　　Z——螺釘數(shù)目，Z=；</p><p>　　——剩余預緊力，=KQ，K=

91、1.5~1.8；</p><p>　　計算： </p><p>　　D=80mm，取=110mm，P=1MPa，間距與工作壓強有關，見表2-5，間距應小于150mm，試選螺釘數(shù)為6個：</p><p>　　則 Z=，代入數(shù)據(jù)=57<150，滿足要求；</p><p><b>　　==838N；</b&g

92、t;</p><p>　　選擇K=1.5，=1.5=1255N;</p><p>　　=+=837+1257=2095N</p><p>　　螺釘直徑按強度條件計算</p><p><b>　　(2-23)</b></p><p>　　式中 ——計算載荷，=1.3；</p>&l

93、t;p>　　——許用抗拉應力，=；</p><p>　　——螺釘材料的屈服點，材料選擇45鋼，則屈服強度為352MPa；</p><p>　　n——安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2；</p><p>　　——螺紋內徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。</p><p><b>　　計算：</b&g

94、t;</p><p>　　=1.3=1.3×2095=2723.5N</p><p>　　代入數(shù)據(jù)： ===0.0045m</p><p>　　則螺釘公稱直徑為d=0.0045+(1.224×0.008)=0.014m，取M14的螺釘。</p><p>　　2.5 機身設計與計算</p><p&g

95、t;　　機身是直接支撐和驅動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉和升降運動，這些運動的傳動機構都安在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構和受力情況就越復雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。</p><p>　　2.5.1 機身的整體設計</p><p>　　按照設計要求，機械手要實現(xiàn)手臂2000的回轉運動，實現(xiàn)手臂的回轉運動機

96、構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構，就要綜合考慮分析。</p><p>　　機身承載著手臂，做回轉，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結構有以下幾種：</p><p>　　回轉缸置于升降之下的結構。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。</p><p>　　回轉缸置于升降之上的結構。這種結

97、構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。</p><p>　　活塞缸和齒條齒輪機構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現(xiàn)：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。</p><p>　　綜合考慮，本設計選用回轉缸置于升降缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉和升降。如圖2-7所示，回轉機構置于升降缸之上的機身結構。手臂

98、部件與回轉缸的上端蓋連接，回轉缸的動-片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉運動。回轉缸的轉軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊麠U采用空心，內裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導向。花鍵軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下端蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結構是導向桿在內部，結構緊湊。具體結構見下圖。</p><p>　　驅動機構是液壓驅動，回轉缸通過兩個油孔，一個進油孔，

99、一個排油孔，分別通向回轉葉片的兩側來實現(xiàn)葉片回轉?；剞D角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉動的角度，為滿足設計要求，設計中動片和靜片之間可以回轉2000。</p><p>　　圖2-7 回轉缸置于升降缸之上的機身結構示意圖</p><p>　　2.5.2 機身回轉機構的設計計算</p><p>　　一、回轉缸驅動力矩的計算 </p&

100、gt;<p>　　手臂回轉缸驅動力矩的計算公式為：</p><p>　　=++ (N·m) (2-24)</p><p>　　慣性力矩 = (2-25)</p><p>　　式中 ——臂部回轉部件(包括工件)對

101、回轉軸線的轉動慣量（kg·m）；</p><p>　　——回轉缸動片角速度變化量，在啟動過程=(rad/s)；</p><p>　　——啟動過程的時間(s)；</p><p>　　若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為(前面計算得=800mm)，則</p><p><b>　　(2-26)</b></p&g

102、t;<p>　　式中 ——回轉零件的重心的轉動慣量。 </p><p>　　= (2-27)</p><p>　　回轉部件可以等效為一個長1500mm，直徑為100mm的圓柱體，質量為180Kg.設置起動角度=180，則起動角速度=0.314，起動時間設計為0.1s。</p><p>　　=== 3

103、0.4 kg·m</p><p>　　=30.4+=175 kg·m</p><p>　　==175=550

104、

105、 </p><p>　　為了簡便計算，密封處的摩擦阻力矩，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計，=0</p><

106、p>　　所以 =550+0+0.03</p><p><b>　　=567</b></p><p>　　二、回轉缸尺寸的確定</p><p>　　回轉缸油腔內徑D計算公式為：</p><p><b>　　(2-28)</b></p><p>　　式中

107、 P——回轉油缸的工作壓力；</p><p>　　d——輸出軸與動片連接處的直徑，初步設計按D/d=1.5~2.5；</p><p>　　b——動片寬度，可按2b/(D-d)≥2選取。</p><p>　　設計回轉缸的動片寬b=60mm，工作壓力為6MPa，d=50mm</p><p><b>　　=123mm</b>&

108、lt;/p><p>　　按標準油缸內徑選取內徑為125mm。</p><p>　　三、油缸缸蓋螺釘?shù)挠嬎?lt;/p><p>　　回轉缸的工作壓力為6Mpa,所以螺釘間距t應小于80mm。</p><p>　　螺釘數(shù)目Z==×3.14=4.9</p><p>　　所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目選擇6個。</p>&

109、lt;p>　　危險截面 ==0.0104</p><p>　　所以 =10400N</p><p>　　=14800×1.5=15600N (K=1.5)</p><p>　　所以 10400+15600=26000N</p><p>　　螺釘材料選擇Q23

110、5，則（n=1.2~2.5）</p><p>　　螺釘?shù)闹睆?d=0.0147mm</p><p>　　螺釘?shù)闹睆竭x擇d=16mm.選擇M16的開槽盤頭螺釘。</p><p>　　經過以上的計算，最終確定的液壓缸的尺寸，內徑為125mm，外徑按中等壁厚設計，根據(jù)表2-4（JB1068-67）取外徑選擇194mm，輸出軸徑為50mm。</p>

111、;<p>　　四、動片聯(lián)接螺釘?shù)挠嬎?lt;/p><p>　　動片和輸出軸之間的聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔檬鞘箘悠洼敵鲚S之間的配合面緊密接觸不留間隙。根據(jù)動片所受力矩的平衡條件有</p><p><b>　　=</b></p><p>　　即

112、 (2-29)</p><p>　　式中: ——每個螺釘預緊力；</p><p><b>　　D——動片的外徑；</b></p><p>　　f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15</p><p>　　螺釘?shù)膹姸葪l件為: </p><p>

113、<b>　　(2-30)</b></p><p>　　或 </p><p><b>　　帶入有關數(shù)據(jù)，得</b></p><p><b>　　===26200N</b></p><p>　　螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.

114、5）</p><p>　　螺釘?shù)闹睆絛=0.0140mm</p><p>　　螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm.選擇M14的開槽盤頭螺釘。</p><p>　　2.5.3 機身升降機構的設計計算</p><p>　　一、手臂片重力矩的計算</p><p>　　圖2-8 手臂各部件重心位置圖</p><p

115、>　　(1) 估算重量：=300N，=200N，=400N，=800N</p><p>　　(2) 計算零件的重心位置，求出重心到回轉軸線的距離:</p><p>　　=1100mm，=960mm，=790mm ，=430mm。</p><p>　　由于 =

116、 (2-31)</p><p><b>　　(2-32)</b></p><p>　　所以 =0.695m</p><p>　　(3) 計算偏重力矩</p><p><b>　　(2-33)</b></p><p><b>　　=1182</b><

117、;/p><p>　　二、升降導向立柱不自鎖條件</p><p>　　手臂在的作用下有向下的趨勢，而里立柱導套卻阻止這種趨勢。所謂不自鎖條件就是升降立柱能在導套內自由下滑，即</p><p>　?。? (2-34)</p><p><b>　　所以 </b></p><p

118、>　　若取摩擦系數(shù) f=0.16，則導套長度h＞0.32</p><p>　　即 h＞0.32×0.695=0.223m</p><p>　　三、升降油缸驅動力的計算</p><p><b>　　(2-35)</b></p><p>　　式中 摩擦阻力，，取f=0.16。</p>&

119、lt;p>　　G——零件及工件所受的總重。</p><p><b>　　(1) 的計算</b></p><p><b>　　(2-36)</b></p><p>　　設定速度為V=0.152m/s;起動或制動的時間差t=0.02s; 近似估算為2800N。</p><p>　　將數(shù)據(jù)帶入上面公

120、式有：</p><p><b>　　2172N</b></p><p><b>　　(2) 的計算 </b></p><p><b>　　=3538.2N</b></p><p>　　所以 =2×3538.2×0.16=1132.2N</p&g

121、t;<p>　　(3) 液壓缸在這里選擇O型密封，所以密封摩擦力可以通過近似估算 </p><p>　　(4) 由于背壓阻力較小，為簡便計算，可將其忽略，=0</p><p>　　所以 F=2172+1132.2+0.03F</p><p>　　當液壓缸向上驅動時，F(xiàn)=6293N</p><p>　　當液壓缸向下驅動時，

122、F=521N</p><p>　　四、油缸尺寸參數(shù)的計算</p><p>　　(1) 液壓缸內徑的計算 </p><p>　　液壓缸驅動力按上升時計算，F(xiàn)=6293N，由表(2-4)選擇油缸工作壓力為1.5MPa，計算如2.3節(jié)公式，代入數(shù)據(jù)：</p><p><b>　　==0.0747</b></p>

123、<p>　　根據(jù)表(4-1)可選取液壓缸內徑D=100mm。</p><p>　　(2) 液壓缸外徑的計算 </p><p>　　按厚壁計算(3.2)：</p><p><b>　　(2-37)</b></p><p>　　式中: ——缸體材料的許用應力，無縫鋼管時=100~110MPa</p>

124、<p>　　根據(jù)表2-4（JB1068-67）取外徑選擇168mm.</p><p>　　(3) 活塞桿的計算</p><p>　　設計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應力的=100~120Mpa。本次取=110</p><p>　　則： =0.0085m</p><p>　　活塞桿直徑應大于8.