資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 寧XX大學 畢業(yè)設計(論文) PLC控制機床上下料機械手 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 摘 要 機械手是在在機械化、自動化生產(chǎn)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(chǎn)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)的物料抓取可在空間抓放物體，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)，。本文對一種使用在抓取取料手的機械設計的結構進行設計，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對機械手模型進行力學分析，估算各關節(jié)所需轉矩和功率，完成液壓元件和PLC的選型。 關鍵詞：機械手, 液壓機械手，PLC， 機床上下料 9 Abstract The manipulator is a new device which is developed in the process of mechanization and automation. Mechanical hand can replace human, repetitive boring to complete dangerous work, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device covers the position control technology can be programmed control technology, detection technology, etc.. This project intends to develop grabbing materials can catch put objects in space, movements flexible, according to the requirements of the changes and the movement process workpiece is subject to change parameters, instead of manual in high risk area of operations. In this paper, a manipulator is a new device which is developed in the process of mechanization and automation. Mechanical hand can replace human, repetitive boring to complete dangerous work, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device covers the position control technology can be programmed control technology, detection technology, etc.. This project intends to develop grabbing materials can catch put objects in space, movements flexible, according to the requirements of the changes and the movement process workpiece is subject to change parameters, instead of manual in high risk area of operations. In this paper, a use in the design structure of the mechanical design of the reclaimer grab hand, and complete the drawing of assembly drawing and parts drawing. Mechanical analysis is required to estimate the torque and power of each joint, and the selection of hydraulic components and PLC. Keywords: manipulator, hydraulic manipulator, PLC, machine tool material for use in a structure of the mechanical design of the grab picking hand design and complete drawing of assembly drawing and parts drawing. Mechanical analysis is required to estimate the torque and power of each joint, and the selection of hydraulic components and PLC. Keywords: manipulator, hydraulic manipulator, PLC, machine tool up and down material 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 1 1.1 課題背景及目的 1 1.2 機械手的定義 1 1.3 機床上下料機械手概念 1 1.4 機床上下料機械手的組成 1 1.5 機床上下料機械手的應用 2 1.6 課題研究的背景和意義 2 1.7 國內(nèi)外機床上下料機械手的研究 2 1.8 機床上下料機械手的應用 3 1.9 機床上下料機械手的機械設計的總體結構 3 1.10 主要內(nèi)容 4 第2章 PLC控制機床上下料機械手設計要求與方案 5 2.1 機床上下料上下料液壓機械手設計要求 5 2.2 基本設計思路 5 2.2.1 系統(tǒng)分析 5 2.2.2 總體設計框圖 6 2.2.3 液壓機械手的基本參數(shù) 6 2.3 液壓機械手結構設計 7 2.4 機械手材料的選擇 7 2.5 液壓機械手驅(qū)動方式的選擇 7 2.6 動作要求分析 8 2.7 液壓機械手結構及驅(qū)動系統(tǒng)選型 8 第3章 機械手機械部分的設計計算 10 3.1 手部結構 10 3.1.1 端執(zhí)行器的要求 10 3.1.2 手爪的分類和選取 10 3.2 機械手手爪設計計算 11 3.2.1 手爪的力學分析 11 3.2.2 夾緊力及驅(qū)動力的計算 12 3.2.3 夾緊液壓缸的設計 12 3.2.4 手爪夾持范圍計算 14 3.2.5 機械手手爪夾持精度的分析計算 15 3.3升降方向設計計算 16 3.3.1 初步確系統(tǒng)壓力 16 3.3.2 升降液壓缸計算 16 3.3.3 液壓缸工作行程的確定 19 3.3.4 活塞的設計 19 3.3.5 導向套的設計與計算 19 3.3.6 端蓋和缸底的計算校核 20 3.3.7 缸體長度的確定 21 3.3.8 緩沖裝置的設計 21 3.3.9 液壓缸的選型 21 3.4 水平方向設計計算 23 3.4.1 水平方向計算 23 3.4.2 液壓缸的選型 24 3.5 機身結構的設計校核 25 3.6 螺柱的設計與校核 25 3.7 繪制液壓系統(tǒng)圖 27 第4章 液壓系統(tǒng)其它元件的設計 29 4.1 計算和選擇液壓元件 29 4.1.1液壓泵的計算 29 4.1.2 控制元件的選擇 29 4.1.3 油管及其他輔助裝置的選擇 30 4.2 液壓系統(tǒng)性能的驗算 30 第5章 機械手PLC控制系統(tǒng)設計 31 5.1 機械手的工藝過程 31 5.2 PLC 控制系統(tǒng) 33 5.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設計 35 總結 39 參考文獻 40 致 謝 41 第1章 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)學校的最后的一環(huán)，四年的大學學習的深化和檢查，即實踐性綜合性，其他的單一的課程是無可替代的，通過畢業(yè)設計更高的綜合訓練練能力不久，對工作崗位，實際工作能力的重要作用。下次的目的達到： （1）綜合運用學的基礎理論，基本知識和基本技能實際分析、解決問題的能力。 （2）必須接受綜合培訓的工程師，實際工作能力。例如，文獻調(diào)査研究調(diào)查收集資料分析能力制定、設計和試制方案的能力；設計和圖形，計算能力；總結寫論文能力提高。 （3）檢查綜合素質(zhì)和實踐能力。 1.2 機械手的定義 現(xiàn)在，工業(yè)機械手的定義，世界各國還統(tǒng)一，分類也不同。最近聯(lián)合國國際標準化機構通過了。美國機械手協(xié)會工業(yè)機械手下的定義：工業(yè)機械手是一種再現(xiàn)編程的多功能的操作裝置改變行動程序，各種工作，主要工作搬運材料，繼電器。 1.3 機床上下料機械手概念 機床上下料機械手（機器人）自動封裝的機械裝置。那是高級綜合控制論，機械電子計算機，材料和仿生學的產(chǎn)物。工業(yè)、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)也軍事等領域，是重要的用途。 機床上下料機械手近50年的快速發(fā)展的是一種具有代表性的、機械、電子控制系統(tǒng)的結構，自動化程度高的生產(chǎn)工具。生產(chǎn)制造業(yè)、機械工業(yè)氣體動廣泛應用技術。那是自動化程度高，改善勞動條件，確保產(chǎn)品質(zhì)量的提高工作的效率，起到非常重要的作用?？梢哉f他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術革命 1.4 機床上下料機械手的組成 執(zhí)行系統(tǒng)一般手部、手腕、手臂部，機身機床等，其中最主要的是運動系。 機床上下料機械手主要執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的三部分。 手夾（或吸附，您持）和放松的工作和工具的零部件，是指（或吸盤），驅(qū)動元件和驅(qū)動元件等構成。 時間，速度和加速度等參數(shù)。 機床上下料機械手與本體及其他相關設備之間的聯(lián)系[3]。 1.5 機床上下料機械手的應用 按液動機械安排置形式分可分為：架空式空氣機械手，附件機式空氣機械手，落地式空氣機械手3種。另外，安裝自動線費道路和費路邊，工作，實現(xiàn)材料，傳輸位錯，轉向等用途的機床上下料機械手，他們是運動的單一，結構簡單，位置精度柔軟和一般要求低的特征。 機床上下料機械手通使用機床和其他機器的附加裝置等，自動機床和自動生產(chǎn)線的處理和傳達的工作，加工中心的輪流刀等，一般是獨立的控制裝置[3]。 1.6 課題研究的背景和意義 現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)是人類的日常生活，機床上下料機械手技術也廣泛的應用。研究智能類，人液動畫的機械手是近年來科學家一致取組方向。類，人液動畫的機械手是人類的模型，這是模仿人類的各種動作和人類的外部的特征。未來的機床上下料機械手執(zhí)事不是夢。 按機床上下料機械手結構的不同，機床上下料機械手很多。輪式移動機床上下料機械手，履帶機床上下料機械手，機械手，步行機床上下料機械手等。順便說一下，徒步機床上下料機械手，他是近年來類人機器研究的重要成果。它的移動方式和大多數(shù)動物一樣是人也。這是一種很復雜的自動化程度高的運動。對傳統(tǒng)的車輪式和履帶機床上下料機械手，環(huán)境的適應能力強。很小的空間作業(yè)，不平的道路上如履平地，樓梯等。將來不久，這個技術廣泛應用。 機床上下料機械手研究制作中，使用電腦設計的空氣機械手的模擬是一個很重要的過程。機床上下料機械手模擬包括零部件造型，零件裝配，最后運動模擬。模擬，通過設計師直觀觀察各機構的運動情況？干涉，能夠清楚各部件的受力時，各種模擬數(shù)據(jù)。這個方法大幅度節(jié)約時間和成本的開發(fā)。 1.7 國內(nèi)外機床上下料機械手的研究 工業(yè)機床上下料機械手在日本應用的歷史非常悠久。年代工業(yè)機床上下料機械手首先使用，十年的發(fā)展，80年代的時候工業(yè)機床上下料機械手已經(jīng)得到普及。相應的他們的工業(yè)產(chǎn)值也得到了迅速提高年。1980年一千億日元，達到了1990年至六千億円。2004年1萬日元，達到了八千五百億?？梢姽I(yè)機床上下料機械手的重要性，提高生產(chǎn)效率。 在國際上，各國意識工業(yè)機床上下料機械手的重要性。所以工業(yè)機床上下料機械手的訂單急劇上升。2003年的訂貨量是2002年相比增加了百分之10。液動此后工業(yè)機械手的需求量上升。2001年至2006年世界的訂單90000多臺。年平均增長7 %。 國際機床上下料機械手的發(fā)展方向： 機床上下料機械手觸到非常多學科的知識和領域。電腦、電子、控制，人工智能，傳感器，通信網(wǎng)絡，控制、機械等。機床上下料機械手的發(fā)展離不開上述的學科的發(fā)展。正因為如此，各學科相互影響和綜合集成，正是制造自動化程度高的人。隨著科學技術的進步，機床上下料機械手應用范圍越來越大，技術也越來越高，功能更加強大。現(xiàn)在是機床上下料機械手的研究也小型化的發(fā)展。機床上下料機械手更多的人們的日常生活中去。整體的發(fā)展趨勢是模塊化、標準化，更加智能化。 機械工業(yè)氣體地動手的廣泛應用，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力，安全保障者，勞動環(huán)境的改善，勞動強度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約降耗和降低生產(chǎn)成本，非常重要的作用。機械工業(yè)氣體地動手的廣泛應用體現(xiàn)以人為本的原則，但人們的生活方便與美麗。 1.8 機床上下料機械手的應用 機床上下料機械手，汽車產(chǎn)業(yè)之后出現(xiàn)的是一種大型高新技術產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代，液動機械產(chǎn)業(yè)市場前景良好的發(fā)展手。從20世紀世界的房地產(chǎn)業(yè)機械手一直在穩(wěn)步增加。20世紀90年代，機床上下料機械手產(chǎn)品發(fā)展快速增長，年平均增長率10%。2004年的記錄達成的百分之20。在亞洲航空機械手的需求量很多，年增長率為百分之四十三。40年的發(fā)展，機械工業(yè)氣體地動手到很多領域的應用。機床上下料機械手制造業(yè)中應用最廣泛。如果焊接、熱處理、涂料、機械加工、組裝、檢測和倉庫沉積毛，坯制造（五金，壓鑄、鍛造等）等的作業(yè)中，液動機器二掌柜結束手工生產(chǎn)效率提高。 1.9 機床上下料機械手的機械設計的總體結構 機床上下料機械手的機械設計的組成及各部分關系概述： 它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 (1) 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是機床上下料機械手的機械設計完成關節(jié)工件，實現(xiàn)各種運動所必需 的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。 (a) 末端執(zhí)行器：機械手為了進行作業(yè)而配置的操作機構，直接噴漆工件。 (b) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變末端執(zhí)行器的工作方位。 (c) 臂部：聯(lián)接機座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改變手部的空間位置，滿足機械手的作業(yè)空間，將各種載荷傳遞到機座。 (d) 機身：機械手的基礎部分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉、升降或俯仰運動。 (2) 驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的有 機械傳動、機電傳動、氣壓傳動和電傳動。 (3) 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 (4) 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構的運動情況，根據(jù)需 要反饋給控制系統(tǒng)，與設定進行比較，以保證運動符合要求。 實踐證明，機床上下料機械手的機械設計可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調(diào)的操作，采用機械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途[4-8]。 1.10 主要內(nèi)容 第1章 緒論 主要介紹機械手的相關知識和本課題研究的任務和要求. 第2章 總體方案設計,介紹該機械手各部分的相關知識和總體設計. 第3章 機械手各部分設計的介紹 第4章 機械手結構設計 第2章 PLC控制機床上下料機械手設計要求與方案 2.1 機床上下料上下料液壓機械手設計要求 課題的主要技術要求： 設計主要技術參數(shù)： 抓重：30千克； 自由度數(shù)：4個； 坐標形式：圓柱坐標； 最大工作半徑：1200mm 手臂參數(shù)： 水平伸縮行程400mm，伸縮速度50mm/s；升降行程300mm，升降速度20mm/s；底座回轉角度210°，回轉速度45°/s；手腕回轉角度180°，回轉速度45°/s；手臂最大中心高度550mm； 定位精度：±1mm；控制方式：點位程序控制。 2.2 基本設計思路 2.2.1 系統(tǒng)分析 該機械手是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，提高勞動生產(chǎn)率的有力工具。為了在生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化，機械化，自動化的綜合技術經(jīng)濟分析的需要，從而判斷是否適當?shù)臋C械手。以完成機械手的設計，一般都要先做以下工作： （1）根據(jù)使用場合的機械手機械手的，明確的目標和任務。 （2）機械手的工作環(huán)境分析。 （3）對系統(tǒng)要求的分析，確定了機械手和方案的基本功能，如自由度的數(shù)目，機械手的運動速度，定位準確，抓住重。此外，根據(jù)抓斗液壓質(zhì)量，形狀，尺寸和批量生產(chǎn)，以確定的形式和機械手的位置和握力的大小。 在這方面，我分析如下： （1）為手材料液壓機械設計問題，機械手是物料輸送機械手。雖然機械手的使用場合，也非常廣泛，涉及到材料的狀態(tài)，環(huán)境因素的作業(yè)線，比我的知識和能力，我選擇了材料液壓機械手的小對象處理非生產(chǎn)線。 （2）由于機械手我選擇的是材料的液壓機械手，小對象處理非生產(chǎn)線。因此，系統(tǒng)的工作環(huán)境下，機械廠，準確度高，故障率低，速度。 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(diào)試等。 (2) 驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動系統(tǒng)工作的驅(qū)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 液壓機械手的基本參數(shù) 1. 機械手的最大液壓物料的重量是它的主參數(shù)。 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液壓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，該物料液壓機械手的定位精度設定定位精度±0.3mm。物料液壓機械手的各個部分的基本參數(shù)可以由上面已經(jīng)知道的物料液壓機械手各關節(jié)的行程和時間分配來決定。 2.3 液壓機械手結構設計 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 機械手的材料應根據(jù)手臂的工作條件，滿足機械手的設計和制造要求。從設計思想，機械臂完成各種運動。因此，對材料的要求是為移動部件，它應該是輕質(zhì)材料。另一方面，手臂振動經(jīng)常的運動過程中，這將大大減少它的運動精度。所以在材料的選擇上，綜合考慮的質(zhì)量，剛度，阻尼的需要，從而有效地提高了機械臂的動力學性能。此外，機械手選材料和不同材料的一般結構。機械手是一種伺服機構，受控制，必須考慮其可控性。在臂的材料選擇，可控性和可加工性的材料，結構，質(zhì)量性能的考慮。 總之，選擇一個機械臂的材料，應考慮強度，剛度，重量輕，彈性，耐沖擊，外觀和價格等因素。這里有幾個機械手使用的材料： （L）的高強度鋼，碳素結構鋼和合金結構鋼：這類材料的強度，特別是合金結構鋼的強度增加了4 ~ 5倍，彈性模量，抗變形能力，是最廣泛使用的材料； （2）鋁，鋁合金等輕合金材料的共同特點是重量輕，彈性模量E的小，但材料的密度小，與E／P比值還與鋼相比； （3）陶瓷：陶瓷材料具有良好的質(zhì)量，但易碎，但處理不好，接頭需要特殊的設計與金屬零件。然而，日本已開發(fā)ARM陶瓷機械手用于高速機械手的樣品； 從機械手設計的角度來看，不需要負載能力在材料的選擇，也不需要高彈性模量和抗變形能力，除了要考慮到材料成本，加工和其他因素。在各種因素的措施，結合鋁合金的初步選擇的工作條件，如機械臂組件。 2.5 液壓機械手驅(qū)動方式的選擇 機械手使用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動，液壓驅(qū)動和電機驅(qū)動的四種基本形式。 但是，與液壓傳動相比，低功耗，能源，液壓傳動結構相對簡單的速度不易控制，精度不高。 油馬達驅(qū)動能量是簡單，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速變化的機制，高效，靈活的控制。 液壓驅(qū)動的特點是功率大，結構簡單，省去了減速裝置，響應速度快，精度高。但需要有液壓源，但也容易漏氣。 首先，我會選擇驅(qū)動電機，但考慮到純機械結構的機械手的運動并不能達到理想的傳播效果。如果你使用液壓或液壓傳動機械臂的旋轉，必須與回轉液壓或旋轉液壓缸，結構比較復雜，不利于設計。 改進后的方案，將驅(qū)動方式分為兩個部分。其機械臂伸縮，升降機械手抓抓，采用液壓驅(qū)動方式。 2.6 動作要求分析 2.7 液壓機械手結構及驅(qū)動系統(tǒng)選型 本課題所設計的液壓機械手為通用型的液壓機械手，其中坐標系為圓柱坐標系結構。驅(qū)動系統(tǒng)選用油馬達驅(qū)動和液壓驅(qū)動，油馬達驅(qū)動用于機座的旋轉和手臂的上下移動，液壓驅(qū)動用于手臂的伸縮和液壓機械手的夾取和翻轉[3]。 第3章 機械手機械部分的設計計算 3.1 手部結構 四自由度液動機械手采用夾持式手部結構，由手爪和傳力機構所組成。其傳力結構形式多樣，有楔塊杠桿式、滑槽杠桿式、連桿杠桿式、齒輪齒條平行連桿式、左右旋絲杠平移型[10]，本設計采用滑槽杠桿式的傳力機構。 3.1.1 端執(zhí)行器的要求 （1）不論是夾持或是吸附，末端執(zhí)行器需具有滿足作業(yè)要求的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度。 （2）應盡可能使末端執(zhí)行器結構簡單，緊湊、重量輕，以減輕手臂的負荷。專用的末端執(zhí)行器機構簡單，工作效率高，而能完成多種作業(yè)的萬能末端執(zhí)行器可能具有結構復雜、費用昂貴的缺點，因此提倡設計可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器[10]。 3.1.2 手爪的分類和選取 工業(yè)機器人中應用的機械式夾持器多為雙指手爪式，按其手爪的運動方式可分為平移型和回轉型?；剞D型手爪又可分為單支點回轉和雙支點回轉型，按夾持方式可分為外夾式和內(nèi)撐式，按驅(qū)動方式有電動、液壓和液動三種。 回轉型夾持器結構較簡單，但當所夾持的工件直徑有變化時，將引起工件的軸心偏移。這個偏移量稱為夾持誤差。 平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置，但其架構復雜，體積大，制造精度要求高。 當設計機械式夾持器式，在滿足工件定位精度要求的條件下，盡可能采用結構較簡單的回轉型夾持器。[10] 結合機械手設計任務書中要求：手爪開合角為60度，且能夠抓取重約1kg的圓柱形鐵質(zhì)工件。所以本設計采用雙支點回轉型滑槽杠桿式手爪。 3.2 機械手手爪設計計算 3.2.1 手爪的力學分析 下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿，如圖1-1為常見的滑槽杠桿式手部結構。 圖1-1 滑槽杠桿式手部結構、受力分析 1——手指 2——銷軸 3——杠桿 = （1-1） 式中： ——驅(qū)動力； ——夾緊力； ——手指的回轉支點到對稱中心的距離； ——手指長度； ——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(qū)動力一定時，角增大，則夾緊力也隨之增大，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=~。 3.2.2 夾緊力及驅(qū)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(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(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 （1）手指對工件的夾緊力可按公式計算： （1-2） 式中: ——安全系數(shù)，通常1.2~2.0； ——軸向力； ——V形手抓的開合角； ——工件和手抓間的摩擦系數(shù)； 計算：設a=10mm,b=30mm, =，m=30千克，求夾緊力和驅(qū)動力 。 設K=1.5，，0.3 根據(jù)公式，將已知條件帶入得： （2）根據(jù)驅(qū)動力公式得： 由于實際采用的液壓缸驅(qū)動力大于計算，把手抓的機械效率考慮在內(nèi)，一般取。 （3）取 （1-3） 3.2.3 夾緊液壓缸的設計 （1）液壓缸工作壓力的確定 由表1-1取液壓缸工作壓力 表1-1 液壓負載常用的工作壓力 負載F/N <5000 5000~ 10000 10000~ 20000 20000~ 30000 30000~ 50000 >50000 工作壓力p/MPa <0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 >5~7 （2）液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定 可由下式推算出液壓缸的內(nèi)徑D： （1-4） 預設活塞桿直徑d=0.5D,液壓缸工作壓力P=2MPa,根據(jù)機械設計手冊液壓傳動分冊P22-125，選取液壓缸內(nèi)徑為：D=75mm。 可以得出活塞桿內(nèi)徑為: d=0.5D=750.5=37.5mm，選取d=36mm。 （3）缸筒壁厚和外徑的設計 缸筒直接承受壓縮空液壓力，必須有一定厚度。一般液壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: （1-5） 式中， —— 缸筒壁厚，(mm)； —— 液壓缸內(nèi)徑，(mm)； —— 液壓缸試驗壓力，一般取（Pa）； ——液壓缸工作壓力 （Pa）； ——缸筒材料許用應力（Pa）。 本設計手爪夾緊液壓缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL1060,[]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: （4）手部活塞桿行程長L計算 活塞桿的位移量S可推得： S （1-6） 液壓缸的活塞行程與其使用場合及工作機構的行程比有關。多數(shù)情況下不應使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機構。為保證夾緊效果，必須按計算行程多加的行程余量[11]。 （1-7） 故液壓傳動手冊圓整為。 （5）手爪部分總質(zhì)量估算： （1-8） 其中：手爪部分和活塞桿材料采用45鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金ZL106 查相關手冊可得， 45號鋼密度為 ； ZL1060的密度為 。 3.2.4 手爪夾持范圍計算 為了保證手爪張開角為，活塞桿運動長度為27mm。 （a）手爪最小夾持半徑 （b）手爪最大夾持半徑 圖1-2 手爪張開示意圖 手爪夾持范圍的計算，手指長30mm，當手抓沒有張開角的時候，如圖1-2（a）所示，根據(jù)機構設計，它的最小夾持半徑=10，當張開時，如圖1-2（b）[12]所示，最大夾持半徑計算如下： 機械手的夾持半徑從。 3.2.5 機械手手爪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(wěn)定性好,并有足夠的抓取能力。 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(chǎn)中，為了適應工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定要進行機械手的夾持誤差計算。 圖1-3 手爪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10mm~26mm。 一般夾持誤差不超過1mm,分析如下： 工件的平均半徑： （1-9） 手指長,取V型夾角 偏轉角按最佳偏轉角確定： （1-10） 計算 ： （1-11） 當時帶入有： 所以夾持誤差滿足設計要求。 3.3升降方向設計計算 3.3.1 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(nóng)業(yè)機械 小型工程機械 建筑機械 氣鑿巖機 氣機 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，初選液壓缸的設計壓力P1=2MPa 3.3.2 升降液壓缸計算 為了滿足快速進退速度相等，并減小泵的流量，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(nèi)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(nèi)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《氣傳動與控制手冊》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 (1) 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(nèi)經(jīng)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《氣傳動與控制手冊》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(nèi)外徑應根據(jù)標準進行圓整。 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(chǎn)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。 3.3.3 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，可選取垂直方向液壓缸的工作行程為300mm，可選取水平方向液壓缸的工作行程為400mm。 3.3.4 活塞的設計 由于活塞在氣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(nèi)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。 3.3.5 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(jīng)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。 3.3.6 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氣力，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——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。 3.3.7 缸體長度的確定 液壓缸缸體內(nèi)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(nèi)經(jīng)的20~30倍。取系數(shù)為5,則液壓缸缸體長度：L=5*10cm=50cm。 3.3.8 緩沖裝置的設計 液壓缸的活塞桿（或柱塞桿）具有一定的質(zhì)量，在氣力的驅(qū)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(chǎn)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氣系統(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。在該組合機床氣系統(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。 3.3.9 液壓缸的選型 經(jīng)過比較，參考市場上的液壓缸類型，選擇一種可靠優(yōu)質(zhì)的液壓缸產(chǎn)品的生產(chǎn)商—速易可（上海）有限公司http://www.tonab.net/about_us.asp。 速易可液動（上海）有限公司成立于2004年，從事于空油壓零組件和設備研 究、生產(chǎn)、銷售的自動化廠商，產(chǎn)品以『TONAB』品牌營銷國內(nèi)外市場，產(chǎn)品主要有空氣凈化組件、液動控制組件、液動執(zhí)行組件、輔助組件、空油壓設備，產(chǎn) 品廣泛應用于醫(yī)療器械、工業(yè)機械手、食品包裝機械、紡織機械、半導體設備、軌道交通、煙草機械、機床自動控制、真空、汽車制造、教學培訓等行業(yè)。 速易可目前主要產(chǎn)品有：無桿液壓缸、滑臺液壓缸、止動液壓缸、回轉液壓缸、機械夾、回轉夾緊氣（油）壓缸、導桿液壓缸、帶鎖液壓缸、雙軸缸、標準型液壓缸、控制閥、空氣控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關液動輔助零組件。 根據(jù)上節(jié)計算，在這選擇YAM63. 3.4 水平方向設計計算 3.4.1 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30kg，長度l =400mm。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 =50N S =1m（最大行程時） 帶入公式2.9得 =50×10×1 =500（N·M） 由于水平方向的液壓缸與升降方向的有些類似，在此不在一一列舉 3.4.2 液壓缸的選型 速易可目前主要產(chǎn)品有：無桿液壓缸、滑臺液壓缸、止動液壓缸、回轉液壓缸、機械夾、回轉夾緊氣（油）壓缸、導桿液壓缸、帶鎖液壓缸、雙軸缸、標準型液壓缸、控制閥、空氣控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關液動輔助零組件。 根據(jù)上節(jié)計算，在這選擇YAM63. 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(qū)動的腕部結構。 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氣機械手的總體布局。本課題氣機械手的機身設計成機座式，這樣氣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，多見于回轉型氣機械手。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]。 3.6 螺柱的設計與校核 螺桿是氣機械手的主支承件，并傳動使手臂上下運動。 螺桿的材料選擇： 從經(jīng)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 3.7 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(diào)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(jīng)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。 41 第4章 液壓系統(tǒng)其它元件的設計 4.1 計算和選擇液壓元件 4.1.1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(diào)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(jīng)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： =。 4.1.2 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(chǎn)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。 4.1.3 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??；液壓泵吸油管稍微粗些，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） 4.2 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。 第5章 機械手PLC控制系統(tǒng)設計 5.1 機械手的工藝過程 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(chǎn)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(diào)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。 5.2 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