1、工業機械手設計 -指導老師 ：郝健 組員： * * 24目錄第一章 引 言第二章 機械手的整體設計方案第三章 手爪結構設計第四章 手腕結構設計第五章 機械手伸縮，升降，回轉液壓缸的尺寸設 計與校核第六章 氣動系統設計第七章 機械手的PLC控制系統設計第一章 引 言1.1 工業機械手概述 機械手的結構形式比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業技術的發展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。

2、液壓傳動機械手是以壓縮液體的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是:介質源極為方便，輸出力小，液壓動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環境中進行工作。液壓技術有以下優點: （1）體積小、重量輕，因此慣性力較小，當突然過載或停車時，不會發生大的沖擊； （2）能在給定范圍內平穩的自動調節牽引速度，并可實現無極調速； （3）換向容易，在不改變電機旋轉方向的情況下，可以較方便地實現工作機構旋轉和直線往復運動的轉換； （4）液壓

3、泵和液壓馬達之間用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴格限制； （5）由于采用油液為工作介質，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命長； （6）操縱控制簡便，自動化程度高； （7）容易實現過載保護。1.2 液壓機械手的設計要求1.2.2 課題的設計要求本課題將要完成的主要任務如下:(1)機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面相對較廣。(2)選取機械手的座標型式和自由度。(3)設計出機械手的各執行機構，包括:手部、手腕、手臂等部件的設計，可以應用于夾持式手爪來抓取棒狀物體等。(4)液壓傳動系統的設計本課題將設計出機械手的液壓傳動系統，包括液壓元器件的選取，液壓回路的設計。(

4、5)機械手的控制系統的設計本機械手擬采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。1.3 機械手的系統工作原理及組成機械手的系統工作原理框圖如圖1-1所示。 控制系統（PLC）位置檢測裝置驅動系統（液壓傳動）執行機構立柱手臂手腕手爪 圖1-1機械手的系統工作原理框圖 機械手的工作原理：機械手主要由執行機構、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，采用液壓傳動方式，來實現執行機構的相應部位發生規定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。位置檢

5、測裝置隨時將執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，從而使執行機構以一定的精度達到設定位置.(一)執行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。1、手爪即與物件接觸的部件。在本課題中我們采用夾持式手爪結構。夾持式手部由手爪和傳力機構所構成。手爪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

6、。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:連桿杠桿式和重力式等。2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)3、手臂手臂是支承被抓物件、手爪、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手爪去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如液壓缸等)與驅動源(如液壓等)相配合，以實現手臂的各種運動。4、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。5、底座底座是機械手的基礎部分，機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于底座上，故起支撐和連接

7、的作用。(二)驅動系統驅動系統是驅動工業機械手執行機構運動的。它由動力裝置、調節裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、 機械傳動。 (三)控制系統控制系統是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前工業機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(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行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。(四)位置檢測裝置控制機械手執行機構的運動位置，并隨時將執行機

8、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，從而使執行機構以一定的精度達到設定位置。 第二章 機械手的整體設計方案對液壓機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計液壓機械手的原則是:充分分析作業對象(工件)的作業技術要求，擬定最合理的作業工序和工藝，并滿足系統功能要求和環境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制

9、造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現柔性轉換和編程控制.本次設計的機械手是通用液壓上下料機械手（如圖2-1所示），是一種適合于成批或中、小批生產的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動作強度大和操作單調頻繁的生產場合。它可用于操作環境惡劣的場合。圖2-1機械手的整體機械結構2.1 機械手的座標型式與自由度按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、伸縮、夾緊與松開、旋轉及左右回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有五個自由度。2.2 機械手的手部結構方案設計為了使機械手更好地夾持物料，將其手

10、部設計成類似V字形狀，這樣就能更穩固地夾住棒狀產品（如保溫杯）。2.3 機械手的手腕結構方案設計考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉液壓缸。2.4 機械手的手臂結構方案設計按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有兩個自由度，即左右回轉和升降。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，手臂的各種運動由液壓缸來實現。2.5 機械手的驅動方案設計由于液壓傳動系統的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用液壓傳動方式。2.6 機械手的控制方案設計考慮到機械手的通用性，同時

11、使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現，非常方便快捷。2.7 機械手的主要技術參數一.機械手的最大抓重是其規格的主參數，由于是采用液壓方式驅動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數，結合工業生產的實際情況，本設計設計抓取的工件質量為2.5公斤。二.基本參數運動速度是機械手主要的基本參數。操作節拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。該機械手最大移動速度設計為。最大回轉速度設計為。平均移動速度為。平均回轉速度為。機械手動作時有

12、啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數還有伸縮行程和工作半徑。根據統計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數之一。該機械手的定位精度為。三. 用途:用于自動輸送線的上下料。四設計技術參數:1、抓重 2.5kg 2、自由度數 5個自由度3、座標型式 圓柱座標4、最大工作半徑 5、手臂最大中心高 6、手臂運動參數 伸縮行程 伸縮速度 升降行程 升降速度 回轉范圍 回轉速度 7、手腕運動參數 回轉范圍

13、 回轉速度8、手指夾持范圍 棒料:9、定位方式 行程開關或可調機械擋塊等10、定位精度 11、驅動方式 液壓傳動12、控制方式 點位程序控制(采用PLC) 第三章 手爪結構設計3.1 夾持式手部結構夾持式手部結構由手爪和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜彈簧杠桿式等。3.1.1手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、其中以二支點回轉型為基本型式。3.1.2設計時考慮的幾個問題(一)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手爪的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。(二)手指間應具有一定的開閉角兩手爪

14、張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手爪的開閉角。手爪的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。(三)保證工件準確定位為使手爪和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。(四)具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。(五)考慮被抓取對象的要求根據機械手的工作需要，通過比

15、較，我們采用的機械手的手爪結構是一支點， 兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結構如附圖所示。3.1.3手部夾緊液壓缸的設計1、手部驅動力計算 其工件重量G=2.5公斤，V形手指的角度，,摩擦系數為(1)根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為: (2)根據手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:所以(3)實際驅動力: 1、因為傳力機構為氣動傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則:所以 所以夾持工件時所需夾緊液壓缸的驅動力為。2、液壓缸的直徑本液壓缸屬于單向作用液壓缸。根據力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式

16、為:式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N- 液壓缸工作時的總阻力，N- 液壓缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算:Gf = 式中:- 彈簧剛度，N/m- 彈簧預壓縮量，m- 活塞行程，m- 彈簧鋼絲直徑，m- 彈簧平均直徑，.- 彈簧有效圈數.- 彈簧材料剪切模量，一般取在設計中，必須考慮負載率的影響，則:由以上分析得單向作用液壓缸的直徑:代入有關數據，可得 所以:查有關手冊圓整，得由,可得活塞桿直徑:圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式有:其中，則:滿足實際設計要求。3、缸筒壁厚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徑之比小于或等于1/10，其壁厚

17、可按薄壁筒公式計算:式中:6- 缸筒壁厚，mm- 液壓缸內徑，mm- 實驗壓力，取, Pa材料為:ZL3,=3MPa代入己知數據，則壁厚為:取，則缸筒外徑為: 第四章 手腕結構設計4.1 手腕的自由度手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞x軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求目前實現手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉氣缸，因此我們選用回轉液壓缸。它的結構緊湊，但回轉角度

18、小于，并且要求嚴格的密封。4.2 手腕的驅動力矩的計算4.2.1手腕轉動時所需的驅動力矩手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩。 手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算: 式中: - 驅動手腕轉動的驅動力矩();- 慣性力矩();下面以手腕受力情況，分析各阻力矩的計算:1、手腕加速運動時所產生的慣性力矩M慣若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則: 式中:- 參與手腕轉

19、動的部件對轉動軸線的轉動慣量;- 工件對手腕轉動軸線的轉動慣量。若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量為:式中: - 工件對過重心軸線的轉動慣量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm), - 手腕轉動時的角速度(弧度/s);- 起動過程所需的時間(s); 起動過程所轉過的角度(弧度)。2、手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩M摩 ()式中: ，- 轉動軸的軸頸直徑(cm);- 摩擦系數，對于滾動軸承，對于滑動軸承;,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉動軸的受力分析求解，根據,得:同理，根據(F),得:式中:- 的重量(N), 長度尺寸(cm)4.2.2回轉液壓缸的驅動力矩計算

20、在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉液壓缸，它的原理如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。單葉液壓缸的壓力P驅動力矩M的關系為: 或 4.2.3 手腕回轉缸的尺寸及其校核1.尺寸設計液壓缸長度設計為,液壓缸內徑為=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑,液壓缸運行角速度=，加速度時間=0.1s, 壓強, 則力矩： 2.尺寸校核（1）測定參與手腕轉動的部件的質量,分析部件的質量分布情況，質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量：

21、 （）工件的質量為5,質量分布于長的棒料上，那么轉動慣量： 假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距，其轉動慣量為: （3）手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對于滾動軸承，對于滑動軸承=0.1， ，為手腕轉動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計, 26.3+0.05 26.35（N.m） 設計尺寸符合使用要求，安全。第五章 機械手伸縮，升降，回轉液壓缸的尺寸設計與校核5.1 手腕伸縮液壓缸的尺寸設計與校核5.1.1手腕伸縮液壓缸的尺寸設計手腕伸縮液壓缸采用液壓元件廠生產的標準液壓缸，參看此公司生產的各種型號的結構特點，尺寸參數，結合本設計的實際要求，液壓缸用此

22、型液壓缸，尺寸系列初選內徑為100/63。 5.1.2 尺寸校核1. 在校核尺寸時，只需校核液壓缸內徑=63mm,半徑R=31.5mm的液壓缸的尺寸滿足使用要求即可,設計使用壓強, 則驅動力： 2測定手腕質量為50kg,設計加速度，則慣性力： 3.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數, 總受力 所以標準CTA液壓缸的尺寸符合實際使用驅動力要求。5.1.3 導向裝置液壓驅動的機械手腕在進行伸縮運動時，為了防止手腕繞軸線轉動，以保證手爪的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手腕的剛性，在設計手腕結構時，應該采用導向裝置。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

23、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。導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用單導向桿來增加手腕的剛性和導向性。5.1.4 平衡裝置在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態，減少手抓一側重力矩對性能的影響，故在手腕伸縮液壓缸一側加裝平衡裝置，裝置內加放砝碼，砝碼塊的質量根據抓取物體的重量和液壓缸的運行參數視具體情況加以調節，務求使兩端盡量接近平衡。5.2 立柱升降液壓缸的尺寸設計與校核5.2.1 尺寸設計液壓缸運行長度設計為=118mm,液壓缸內徑為=110mm,半徑R=55mm,液壓缸運行速度，加速度時間=0.1s,

24、壓強p=0.4MPa,則驅動力： 5.2.2 尺寸校核1測定手腕質量為80kg,則重力： 2設計加速度，則慣性力： 3.考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數， 總受力 所以設計尺寸符合實際使用要求。5.3 手臂回轉液壓缸的尺寸設計與校核5.3.1 尺寸設計 液壓缸長度設計為,液壓缸內徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,液壓缸運行角速度=，加速度時間0.5s,壓強, 則力矩： 5.3.2 尺寸校核1測定參與手臂轉動的部件的質量,分析部件的質量分布情況，質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量： （） 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定一摩擦系數, 總驅動力矩： 設計尺寸滿足使用要求。 724

25、DH-10-S1二位五通電磁滑閥1824D2H-10-S1二位五通電磁滑閥4924D2H-15-S1二位五通電磁滑閥110單向節流閥211LI-25單向節流閥212快速排氣閥213氣液轉換器1 各通行機構的調速，凡是能采用排氣口節流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節流阻尼螺釘進行調節，這種方法的特點是結構簡單效果好。如平臂伸縮液壓缸在接近液壓缸處安裝兩個快速排氣閥，可加快啟動速度，也可調節全程的速度。升降液壓缸采用氣節流的單向節流閥以調節手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度調節仍采用在電磁閥排氣口安裝節流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器液壓缸的排氣節流，可用來調整回轉液壓緩沖器的背壓大小。為簡化

26、氣路，減少電磁閥的數量，各工作液壓缸的緩沖均采用液壓緩沖器，這樣可以省去電磁閥和切換節流閥或行程節流閥的氣路阻尼元件。電磁閥的通徑，是根據各工作液壓缸的尺寸，行程，速度計算出所需壓縮空氣流量，與選用的電磁閥在壓力狀態下的公稱使用流量相適應來確定的。 第七章 機械手的PLC控制系統設計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制.當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現，非常方便快捷。7.1 可編程序控制器的選擇及工作過程7.1.1 可編程序控制器的選擇考慮到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，因此在本次設計中選擇了三菱公司的F系

27、列FX2N-32MR型號PLC可編程序控制器。7.1.2 可編程序控制器的工作過程可編程序控制器是通過執行用戶程序來完成各種不同控制任務的。為此采用了循環掃描的工作方式。具體的工作過程可分為四個階段。第一階段是初始化處理。可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機相連，CPU對輸入輸出狀態的詢問是針對輸入輸出狀態暫存器而言的。輸入輸出狀態暫存器也稱為I/0狀態表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態信息的存儲區。其中存放輸入狀態信息的存儲器叫輸入狀態暫存器;存放輸出狀態信息的存儲器叫輸出狀態暫存器。開機時，CPU首先使I/0狀態表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。第二階段是處理

28、輸入信號階段。在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態進行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態信息送到I/0狀態表中存放。在同一掃描周期內，各個輸入點的狀態在I/0狀態表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運算結果混亂，保證了本周期內用戶程序的正確執行。第三階段是程序處理階段。當輸入狀態信息全部進入I/0狀態表后，CPU工作進入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據各I/0狀態和有關指令進行運算和處理，最后將結果寫入I/0狀態表的輸出狀態暫存器中。第四階段是輸出處理階段。 CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結果寫入到I/0狀態表狀態暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅動輸出繼電器線圈，控制被控設備進行各種相應的動作。然后，CPU又返回執行下一個循環的掃描周期。7.2 機械手可編程序控制器控制方案7.3.1 控制系統的工作原理及控制要求1.控制對象為圓柱座標液壓機械手。它的手臂具有三個自由度，即水平方向的伸、縮;豎直方向的上、下;繞豎直軸的順時針方向旋轉及逆時針方向旋轉。另外，其末端執行裝置 機械手，還可完成抓、放功能。以上各動作均采用液壓方式驅動，即用五個二位五通電磁閥(每個閥有兩個線圈，對應兩個相反動作)分別控制五個液壓缸，使機械手完成伸