凸輪軸自動生產線機械手設計一、設計用途用于凸輪軸自動生產線上，完成淬火前所有加工工序，用于完成零件的上下料及工序間的輸送等工作。凸輪軸加工自動生產線上共需 7 個機械手：第 1 只為上料機械手 2，它能做前后移動和升降運動，是單獨傳動的。其余 6 只為送料機械手 3，其結構完全相同。這 6 只機械手能做前后、升降和橫移運動。二、設計參數抓取重量 5 公斤自由度數 3 個座標型式 直角座標，懸掛式手臂運動參數：前后移動行程 1500 mm移動速度 200 mm／s上下升降行程 350mm橫移行程 最大 50mm緩沖方式 用節(jié)流閥減速緩沖定位方式 機械擋塊重復定位精度 ±2 mm驅動方式 液壓控制方式 PLC 控制本科畢業(yè)設計（論文）題 目 凸輪軸自動生產線機械手設計姓 名 專 業(yè) 學 號 指導教師 鄭州科技學院電氣工程學院二○一六年四月基于 PLC 控制四自由度液壓動式機械手 II凸輪軸自動生產線機械手III摘 要隨著科技的發(fā)展，機械手在工業(yè)領域得到越來越廣泛的運用，它可以幫助人們完成危險、重復的體力勞動，大大提高生產效率。本課題對機械手的手爪部分進行了設計，確定機械手采龍門式。手爪的張合，手臂和腰部的伸縮，機座都采用液壓缸驅動。此機械手可以運用于工業(yè)流水線上，完成把指定物件從一個地方運送至另一地方的任務。機械手的系統控制由可編程序控制器完成，按照機械手的動作流程，完成了相應的接線圖和程序編制。關鍵詞：機械手，工業(yè)領域，液壓缸，可編程序控制器凸輪軸自動生產線機械手IVABSTRACTWith the development of science and technology in industries, manipulators are increasingly wide use, it can help people to finish dangerous, repeat manual labor, and greatly improve the production efficiency.In this topic, I design the hand, wrist, arm, waist and standby parts of the manipulator, determine the manipulator using cylindrical coordinates type. The action of hand, arm, waist, base and wrist are driven by the cylinder. This manipulator can be applied to industrial assembly line, complete the specified object from one place to another place. The control system by manipulator programmable controller, according to the movement process, completes robot programming.Key word：Manipulator, industrial field, cylinder, programmable controller凸輪軸自動生產線機械手V目 錄1 緒論 11.1 機械手的概述 .11.2 機械手的發(fā)展史 .21.3 液壓動技術及液壓動機械手的發(fā)展過程 .21.4 機械手未來的發(fā)展趨勢 .41.5 本課題研究內容 .51.6 課題研究的意義 .52 機械手的總體設計方案 72.1 機械手的工作原理及系統組成 .72.2 機械手基本形式的選擇 .82.3 驅動機構的選擇 .82.4 機械手詳細設計參數 .92.5 本章小結 .103 機械手手部結構設計及計算 113.1 手爪夾持器結構設計與校核 .113.2 夾持裝置液壓缸設計計算 .134 機械手手臂機構的設計 204.1 手臂的設計要求 .204.2 伸縮液壓壓缸的設計 .204.3 導向裝置 .244.4 本章小結 .245 機械手腰部和基座結構設計及計算 255.1 結構設計 .255.2 控制手臂上下移動的腰部液壓缸的設計 .255.3 導向裝置 .285.4 平衡裝置 .285.5 機身回轉機構的計算 .285.6 本章小結 .30凸輪軸自動生產線機械手VI6 機械手的 PLC 控制系統設計 .316.1 液壓壓傳動系統工作原理圖 .316.2 可編程序控制器的選擇及工作過程 .326.3 可編程序控制器的使用步驟 .336.4 機械手可編程序控制器控制方案 .346.5 本章小結 .45結論 46參考文獻 47致 謝 49凸輪軸自動生產線機械手11 緒論計算機技術的不斷進步和發(fā)展使機器人技術的發(fā)展一次次達到一個新水平。上至太空船、宇宙飛船、下至微型機器人、深海開發(fā)，機器人技術已拓展到全球經濟發(fā)展的諸多領域，成為高科技中極為重要的組成部分。人類文明的發(fā)展，科技的進步已和機器人的研究、應用產生了密不可分的關系。人類社會的發(fā)展已離不開機器人技術，而機器人技術的進步又對推動科技發(fā)展起著不可替代的作用 [1]。1.1 機械手的概述機械手也被稱為自動手，能模仿人手和臂部的某些動作功能，可以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手主要由手部、運動機構和控制系統三大部分組成。手部是用來抓取工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6 個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有 2～3 個自由度。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、液壓動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件 [2]。凸輪軸自動生產線機械手21.2 機械手的發(fā)展史機械手首先是從美國開始研制的。1958 年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統是示教形的。1962 年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為 Unimate（即萬能自動） 。運動系統仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產工業(yè)機械手。1962 年美國機械制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯合研制一種 Unimate-Vicarm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1 毫米。聯邦德國機械制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。聯邦德國 KnKa 公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。前蘇聯自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至1977 年底，其中一半是國產，一半是進口。目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統 FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)。1.3 液壓動技術及液壓動機械手的發(fā)展過程液壓動技術是以空液壓壓縮機為動力源，以壓縮空液壓為工作介質，進行能量傳遞或信號傳遞的工程技術，是實現各種生產控制、自動控制的重要手段之一。凸輪軸自動生產線機械手3大約開始于 1776 年，Johnwilkimson 發(fā)明能產生 1 個大液壓壓左右壓力的空液壓壓縮機。1880 年，人們第一次利用液壓缸做成液壓動剎車裝置，將它成功地用到火車的制動上。20 世紀 30 年代初，液壓動技術成功地應用于自動門的開閉及各種機械的輔助動作上。至 50 年代初，大多數液壓壓元件從液壓元件改造或演變過來，體積很大。60 年代，開始構成工業(yè)控制系統，自成體系，不再與風動技術相提并論。在 70 年代，由于液壓動技術與電子技術的結合應用，在自動化控制領域得到廣泛的推廣。80 年代進入液壓動集成化、微型化的時代。90 年代至今，液壓動技術突破了傳統的死區(qū)，經歷著飛躍性的發(fā)展，人們克服了閥的物理尺寸局限，真空技術日趨完美，高精度模塊化液壓動機械手問世，智能液壓動這一概念產生，液壓動伺服定位技術使液壓缸高速下實現任意點自動定位，智能閥島十分理想地解決了整個自動生產線的分散與集中控制問題。液壓動機械手作為機械手的一種，它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用。液壓動機械手強調模塊化的形式，現代傳輸技術的液壓動機械手在控制方面采用了先進的閥島技術（可重復編程等），液壓動伺服系統（可實現任意位置上的精確定位），在執(zhí)行機構上全部采用模塊化的拼裝結構。90 年代初，由布魯塞爾皇家軍事學院 Y·Bando 教授領導的綜合技術部開發(fā)研制的電子液壓動機器人——“阿基里斯”六腳勘探員，是液壓動技術、PLC 控制技術和傳感技術完美結合產生的“六足動物”。6 個腳中的每一個腳都有 3 個自由度，一個直線液壓缸把腳提起、放下，一個擺動馬達控制腳伸展/退回運動，另一個擺動馬達則負責圍繞腳的軸心做旋轉之用。由漢諾威大學材料科學研究院設計的液壓動攀墻機器人，它集遙感技術和真空技術于一體，成功地解決了垂直攀緣等視為危險工作的操作問題。Tron-X電子液壓動機器人，能與人親切地握手，它的頭部、腰部、手能與人類一樣彎曲運動，并且有良好的柔韌性。在幕后操縱人員的操作下（或通過自身的編程控制）能與人進行對話，或作自我介紹等。Tron-X 電子液壓動機器人集電子技術、液壓動技術和人工智能為一體，它告訴我們，液壓動技術能夠實現機器人中最難解決的靈活的自由度，具有在足夠工作空間的適應性、高精度和快速靈敏的反應能力 [3]。凸輪軸自動生產線機械手41.4 機械手未來的發(fā)展趨勢（1） 重復高精度精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復多次，機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要，如果一個機器人定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數地重復運行機器人來測定。隨著微電子技術和現代控制技術的發(fā)展，以及液壓動伺服技術走出實驗室和液壓動伺服定位系統的成套化。液壓動機械手的重復精度將越來越高，它的應用領域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。（2） 模塊化有的公司把帶有系列導向驅動裝置的液壓動機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化拼裝的液壓動機械手稱為現代傳輸技術。模塊化拼裝的液壓動機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及液壓管的導向系統裝置，使機械手運動自如。由于模塊化液壓動機械手的驅動部件采用了特殊設計的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強度及精確的導向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代液壓動機械手的一個重要特點。模塊化液壓動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用范圍，是液壓動機械手的一個重要的發(fā)展方向。智能閥島的出現對提高模塊化液壓動機械手和液壓動機器人的性能起到了十分重要的支持作用。因為智能閥島本來就是模塊化的設備，特別是緊湊型CP 閥島，它對分散上的集中控制起了十分重要的作用，特別對機械手中的移動模塊。（3） 無給油化為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求，不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經問世。隨著材料技術的進步，新型材料（如燒結金屬石墨材料）的出現，構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。凸輪軸自動生產線機械手5（4） 機電液壓一體化由“可編程序控制器-傳感器-液壓動元件”組成的典型的控制系統仍然是自動化技術的重要方面；發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制液壓動元件，使液壓動技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”；省配線的復合集成系統，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而 PLC 的輸出功率在增大，由 PLC直接控制線圈變得越來越可能。液壓動機械手、液壓動控制越來越離不開PLC，而閥島技術的發(fā)展，又使 PLC 在液壓動機械手、液壓動控制中變得更加得心應手?？傊?，隨著機械手發(fā)展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高，機械手已在眾多領域得到了應用。從傳統的汽車制造領域向非制造領域延伸。如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統用于維護維修的機器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務等領域機械手的應用也越來越多。在未來幾年，傳感技術，激光技術，工程網絡技術將會被廣泛應用在機械手工作領域，這些技術會使機械手的應用更為高效，高質，運行成本低。據猜測，今后機器人將在醫(yī)療、保健、生物技術和產業(yè)、教育、救災、海洋開發(fā)、機器維修、交通運輸和農業(yè)水產等領域得到應用 [3]。1.5 本課題研究內容研究內容是設計一個由 PLC 控制的四自由度液壓動式機械手，機械手能完成手爪夾緊、放松，手腕旋轉，手臂伸縮，腰部的上升下降和機座的旋轉功能。并且畫出機械手的總裝圖和各部件的零件圖。并且根據課題，設計出機械手的液壓路系統，包括元器件的選取和回路的設計，畫出液壓路原理圖。機械手控制部分由 PLC 完成，通過設計要完成 PLC 的選型、PLC 的外部接線圖以及根據機械手的流程圖編寫出 PLC 梯形圖。1.6 課題研究的意義伴隨著機電一體化在各個領域的應用，機械設備的自動控制成分顯得越來越重要，由于工作的需要，人們經常受到高溫、腐蝕及有毒液壓體等因素的危凸輪軸自動生產線機械手6害，增加了工人的勞動強度，甚至于危機生命。因此機械手就在這樣誕生了,機械手是機械手系統中傳統的任務執(zhí)行機構，是機器人的關鍵部件之一。如蛇形機械手的出現，幫助人類完成了許多危險區(qū)域的任務 [4]。其中的工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，它的發(fā)展是由于其積極作用正日益為人們所認識：它能部分地代替人工操作；能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；廣泛的應用機械手，可以逐步改善勞動條件，更強與可控的生產能力，加快產品更新換代，提高生產效率和保證產品質量，消除枯燥無味的工作，節(jié)約勞動力，提供更安全的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，減少勞動風險，提高機床，減少工藝過程中的工作量及降低停產時間和庫存，顯著地提高勞動生產率，提高企業(yè)競爭力，加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐 [5]。巴雷特機械手就是其中的典型代表，一個在運行中能調整自己適應環(huán)境并安全的變成各種各樣形狀的一個智能化、高度靈活的八軸夾持器 [6]。凸輪軸自動生產線機械手72 機械手的總體設計方案2.1 機械手的工作原理及系統組成機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。在 PLC 程序控制的條件下，采用液壓壓傳動方式，來實現執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作 [7]。（1）執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。a.手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。傳力機構通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構的型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。b.手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、液壓缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、液壓壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。c.立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱因工作需要，有時也凸輪軸自動生產線機械手8可作橫向移動，即稱為可移式立柱。d.機座機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。（2）驅動系統驅動系統是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、 液壓壓傳動、機械傳動。（3）控制系統控制系統是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統。目前工業(yè)機械手的控制系統一般由程序控制系統和電液壓定位(或機械擋塊定位)系統組成。該機械手采用的是 PLC 程序控制系統，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。（4）位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置 [8]。2.2 機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為以下 4 種: a 直角坐標型機械手； b 龍門型機械手； c 球坐標(極坐標)型機械手；d 多關節(jié)型機機械手。采用龍門式結構簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，容易實現 [7]。2.3 驅動機構的選擇驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。根據動力源的不同, 機械手的驅動方式共有三種方式：液壓動方式,液壓方式,電驅動方式 [9]。（1）液壓動方式：成本低,出力小,噪聲大,控制簡單。但難以準確控制位置凸輪軸自動生產線機械手9和速度。屬于簡單非伺服型。（2）液壓方式： 功率重量比大,低速平穩(wěn),需液壓動力源,漏油和油性變化會影響系統,各軸耦合較強,成本較高?？捎糜谝妆沫h(huán)境。（3）電驅動方式：a.步進驅動： 功率小,開環(huán)控制 ,控制簡單,可能失步。b.直流驅動： 調速性能好,功率較大,效率較高,但換向器需維護,不易用于易爆,多粉塵的環(huán)境。c.交流驅動： 維護簡單, 使用環(huán)境不受限制,成本較低,調速性差。根據課題要求確定龍門型機械手，利用雙作用液壓缸驅動實現手臂上下運動；雙作用液壓缸驅動實現手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用夾持式手部結構，用小型單作用液壓壓缸驅動夾緊；手腕和機座的旋轉用旋轉液壓缸驅動實現。2.4 機械手詳細設計參數用于凸輪軸自動生產線上，完成淬火前所有加工工序，用于完成零件的上下料及工序間的輸送等工作。凸輪軸加工自動生產線上共需 7 個機械手：第 1只為上料機械手 2，它能做前后移動和升降運動，是單獨傳動的。其余 6 只為送料機械手 3，其結構完全相同。這 6 只機械手能做前后、升降和橫移運動。二、設計參數抓取重量 5 公斤自由度數 3 個座標型式 直角座標，懸掛式手臂運動參數：前后移動行程 1500 mm移動速度 50工作壓力/MPa 0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 ≥5表 3.3 各種機械常用的系統工作壓力[1]機 床機械類型磨床 組合機床龍門刨床拉床農業(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工作壓力 /MPa0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32由表 3.2 和表 3.3 可知，初選液壓缸的設計壓力 P1=1MPa凸輪軸自動生產線機械手143.2.2液壓缸計算估算要驅動的負載大小為 300N，考慮到液壓缸未加載時實際所能輸出的力，受液壓缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前液壓缸之間的摩擦力的影響，并考慮到機械爪的質量。在研究液壓缸的性能和確定液壓缸的缸徑時，常用到負載率 β： %10??F氣 缸 的 理 論 負 載氣 缸 的 實 際 負 載?由《液壓與液壓壓傳動技術》表 3.4：表 3.4 液壓缸的運動狀態(tài)與負載率慣性負載的運動速度 v阻性負載（靜負載） sm/10?sm/50~1sm/50?8.0??65.?.?3.?運動的速度 v=50mm/s，取 β=0.60，所以實際的液壓缸缸負載的大小為：F=F0/β=500N（2）液壓缸內徑的確定表 3.5 液壓缸內徑確定公式項目 計算公式推力 pmFPFDpm23.1? PFDpm)6.1~23(?缸徑雙作用液壓缸 拉力 po pa7. pa)5.(501.23.2.m1mFDP??表 1 液壓缸內徑系列 GB/T2348-1980mm8 10 12 16 20 25 32 40 50 6380 100125160200250320400500按 GB/T2348-1980，取標準值 D=40mm；本來可以取 32 的，考慮不可凸輪軸自動生產線機械手15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?；钊麠U直徑 d=0.45D=18mm 取 d=18（標準直徑）表 2 活塞桿直徑系列4 5 6 8 10 12 14 16 18 2022 25 28 32 36 40 45 50 56 6370 80 90 100110125140160180200220250280320360400(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。 ][2??DPy?式中， ——實驗壓力，MPa。當液壓缸額定壓力 Pn 5.1 MPa 時，Py ?Py=1.5Pn，當 Pn 16MPa 時，Py=1.25Pn。?[ ]——缸筒材料許用應力，N/mm 。[ ]= ， 為材料的抗拉強度。?2?nb注：1.額定壓力 Pn額定壓力又稱公稱壓力即系統壓力，Pn=1MPa2.最高允許壓力 PmaxPmax 1.5Pn=1.25 1=1.25MPa??液壓缸缸筒材料采用 45 鋼，則抗拉強度： σb=600MPa安全系數 n 按《液壓傳動與控制手冊》P243 表 2—10，取 n=5。則許用應力[ ]= =120MPa?bσ凸輪軸自動生產線機械手16][2??DPy?=1.540?=0.2083mm則液壓缸缸體外徑為 50mm。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，缸筒內外徑應根據標準進行圓整。3.2.3 活塞桿的計算校核2.活塞桿強度計算：90mm mF45.105.185.4][d64??????（4-4）式中 ————許用應力； （Q235 鋼的抗拉][ MPa8054n][b??強度為 375-500MPa，取 400MPa，為位安全系數取 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，應根據負載的具體情況，選擇適當的活塞桿端部結構。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優(yōu)先次序按表 4-4 中的 a、b、c凸輪軸自動生產線機械手17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 400500 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 180220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 18002200 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 650750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 21002400 2600 3000 3400 3800根據設計要求知快速接近工件，行程根據任務書要求，根據表 3-8，可選取液壓缸的工作行程為 100mm 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?？紤]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:20DLH??凸輪軸自動生產線機械手18（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?B 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 。)21BAC???（圖 3.5 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= cm2.798.0??活塞寬度 B= 1.2.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： ][)-3p(1??cpdD?式中 D1——螺釘孔分布直徑，cm；凸輪軸自動生產線機械手19P——壓力， ；2kgf/cm——密封環(huán)形端面平均直徑，cm；cpd——材料的許用應力， 。][?2kgf/c2.缸底的設計缸底分平底缸，橢圓缸底，半球形缸底。3.2.8 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。取系數為 5,則液壓缸缸體長度：L=5*10cm=50cm。3.2.9 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速度的遞減，直至為零。凸輪軸自動生產線機械手204 機械手手臂機構的設計4.1 手臂的設計要求（1）臂部應承載能力大，自重輕。（2）臂部運動速度高，慣性小。（3）手臂動作靈活。（4）位置精度高。4.2 伸縮液壓壓缸的設計液壓缸主要尺寸的確定（1）液壓缸內徑和活塞桿直徑的確定根據設計要求，結合末端執(zhí)行器的尺寸，采用單活塞桿雙作用液壓缸，初定內徑為 。50?由 ,可得活塞桿直徑：d/D=.2~3(0.2~3)1025dDm??圓整后，取活塞桿直徑 18m查表取液壓缸工作壓力 .4pMa由公式：（5-1）214DpF????（5-2）??22d?計入載荷率就能保證液壓缸工作時的動態(tài)特性。若液壓缸動態(tài)參數要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取 ，速度高時取小值，速度低0.3~5??時取大值。若液壓缸動態(tài)參數要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運動，其載荷率可取 。得 。0.7~85??1249.478.FN，（2）缸筒壁厚和外徑的設計缸筒直接承受壓縮空液壓壓力，必須有一定厚度。一般液壓缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于 1/10，其壁厚按薄壁筒公式（ 3-5）計算:凸輪軸自動生產線機械手21??/2pDP???設計的伸縮液壓缸缸筒材料為:鋁合金 ZL1060, [ ]=3MPa代入己知數據，則壁厚為： ??/2p???)(5)1032/(4.10653m???取 ，則缸筒外徑為： 。5??1()Dm??（3）手部活塞桿行程長 確定l按設計要求，X 軸小臂伸縮距離為 10cm，即 100mm。為防止活塞與缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。故行程查有關手冊圓整為 。ml021?（4）活塞桿穩(wěn)定性的計算：當活塞桿的長度 時，一般按壓桿穩(wěn)定性來計算活塞桿直徑。dL?當液壓缸承受的軸向負載 達到極限值 后，極微小的干擾力都會使活puFkF塞桿產生彎曲變形，出現不穩(wěn)定現象，導致液壓缸不能正常工作?；钊麠U穩(wěn)定性條件是： （5-3）kpunF?式中：——液壓缸承受的軸向負載，即液壓缸的理論輸出推力， ；pu N——液壓缸的壓桿穩(wěn)定極限力， ；kFN——液壓缸的壓桿穩(wěn)定性安全系數，一般取 。n 6~2?kn液壓缸的壓桿穩(wěn)定極限力與缸的安裝形式、活塞桿直徑及行程有關 [15]。當長細比 時，mKL85?2/LmFk????（5-4）凸輪軸自動生產線機械手22當長細比 時，mKL85?（5-5）21)(nafFk?A?上式中：——活塞桿計算長度 ；L)(m——活塞桿橫截面回轉半徑；K實心桿半徑：（5-6）41d?A?空心桿半徑：（5-7）4/20dK??——活塞桿斷面慣性矩；?實心桿慣性矩：（5-8） 64d???空心桿慣性矩：（5-9） /)(40??——空心活塞桿內孔直徑 ；d)(m——活塞桿截面積；1A實心桿截面積：（5-10） 421d??空心桿截面積：（5-11） )(201?A——系數，查手冊 ；m——材料彈性模量，對鋼取 ；?pa10.2???——材料強度實驗值，對鋼取 ；f f749凸輪軸自動生產線機械手23——系數，對鋼取 ；a501?a查閱機械手冊液壓缸設計章由表得安裝方式為固定-自由式 ，取 ，41?m代入公式（5-6）至（5-11）：實心桿半徑： 5.4?dK639178L.245?m由于 ，用公式（5-5）：KL85?21)(KLnafFk?A?2756.390418???)(39N?)(75.936581Fpuk ??所以該活塞桿滿足穩(wěn)定性條件。（5）驅動力校核測定手爪與手爪夾緊液壓缸質量為 ，估算為 ，設計加速度2.314kg4kg，則慣性力：10/ams???（5-12）aF?慣原式： 。慣 30.1N?考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數 ，2.0?k慣Fm.306()N??總受力為：mF?慣0凸輪軸自動生產線機械手240.36()N??因為 ，所以該液壓缸的尺寸符合實際使用驅動力要求。10F?（6）前后運動液壓缸部分質量估算活塞桿及導向套材料采用 45 鋼；缸體采用鋁合金 ZL1060；連接件采用 HT250。查相關手冊， 45 號鋼密度為 7.85 ；3/10mkg?ZL106 的密度為 2.73 ；HT250 密度為 7.35 ；3/k經計算，可算出質量約為： 5.7841kg1.2.92.60m???4.3 導向裝置液壓壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。目前常采用的導向裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。4.4 本章小結本章主要對機械手的手臂結構進行了設計計算，確定了手臂液壓缸的具體尺寸，對活塞桿進行了計算和穩(wěn)定性的校核。導向裝置選用單向導桿。鄭州科技學院1附表 5：鄭州科技學院畢業(yè)設計（論文）任務書題目 工業(yè)機械手設計 專業(yè) 學號 姓名 主要內容、基本要求、主要參考資料等：畢業(yè)設計主要內容：１．完成自動裝卸料機械手設計（4～6 人）（注：根據具體裝卸零件，1 人設計 1 種）設計要求：1.被加工零件的工藝分析（1）工件輸送基準的選擇。（2）機械手抓取基準的選擇2.機械手設計（1）確定機械手結構方案。（2）計算機械手系統所需要的動力。（3）抓取誤差分析。（4）機械手總圖設計。3.撰寫設計說明書（1）說明新設計裝置的主要用途，論證本設計的必要性。（2）機械手設計方案論證。（3）主要技術參數的確定。（4）機械手電－液聯合自動控制方法。主要參考資料1.《機械制造裝備設計》2.《機床設計手冊》3.《工業(yè)機器人》4.《機床設計圖冊》5.《工業(yè)機械手設計》6.《機械工藝師手冊》完 成 期 限： 指 導 教 師 簽 名 ： 專業(yè)負責人簽名： 年 月 日