1、湘潭大學畢業設計說明書題 目：機械手控制電路學院：職業技術學院專業：機電一體化技術學號：20099202139姓 名：王能指導教師：張志純完成日期：2012年4月15日湘潭大學畢業論文(設計)任務書論文(設計)題目：機械手控制電路學號:200 學生姓名:王 能 專 業： 機電一體化技術指導教師姓名(職稱)：張志純、副教授系主任：黃禎祥一、主要內容與基本要求設計要求:(1) S在傳輸帶 A端部，安裝了光電幵關 P，用以檢測物品的到來。 當光電幵關檢測到物品時為 ON 狀態。(2) 機械手在原位時，按下起動按鈕，系統起動，傳送帶 A 運轉。當光電幵關檢測到物品后，傳送帶 A停。(3) 傳輸帶 A停

2、止后，機械手進行一次循環動作，把物品從傳送帶A上搬至U傳送帶 B(連續運轉)上。(4) 機械手返回原位后，自動再起動傳送帶A 運轉，進行下一個循環(5) 按下停止按鈕后，應等到整個循環完成后，才能使機械手返回原位，停止工作。(6) 機械手的上升/下降和左移/右移的執行結構均采用雙線圈的二位電磁閥驅動液壓裝置實現，每個線圈完成一個動作。(7) 抓緊/放松由單線圈二位電磁閥驅動液壓裝置完成，線圈通電時執行抓緊動作，線圈斷電時執行放松動作。(8) 機械手的上升、下降、左移、右移動作均由極限幵關控制。(9) 抓緊動作由壓力繼電器控制，當抓緊時，壓力繼電器動合觸點閉合。放松動作為時間控制 (設為 4s)

3、(10) 撰寫設計說明書(論文)。二、重點研究的問題(1)機械手的控制電路的原理機械手控制的 PLC的程序的編程（3）機械手控制的液壓系統的選擇以與設計（4）機械手的CAD制圖，以與裝配圖三、進度安排（指導教師填寫）序號各階段完成的內容完成時間1查閱資料、調研3月5日到10日2開題報告、制訂設計方案3月11日到15日3實驗（設計）、分析、調試等3月16日到26日4寫出初稿、修改，寫出第二稿3月27日到1日5寫出正式稿4月2日到10日四、應收集的資料與主要參考文獻【1】鄧星鐘.機電傳動控制Ml.華中科技大學出版社，2002【2】孫志禮、冷興聚、魏延剛等.機械設計Ml.東北大學出版社，2003【3

4、】徐灝.機械設計手冊Ml第5卷.機械工業出版社，1992【4】吳宗澤.機械設計師手冊Ml.機械工業出版社，2002【5】成大先.機械設計圖冊Ml.化學工業出版社，2002【6】羅洪量.機械原理課程設計指導書Ml（第二版）.高等教育出版社，1986【7】JJ杰克（美）.機械與機構的設計原理M（第一版）.機械工業出版社，1985【8】 王玉新. 機構創新設計方法學 M（第一版）.天津大學出版社，1996【9】張建民.工業機器人BlMl.北京理工大學出版社，1992【10】馬香峰.機器人結構學Bl Ml .機械工業出版社，1991【11】11l 俄llO.M.索羅門米夫.工業機器人圖冊Bl Ml.機

5、械工業出版社，1993【12】黃繼昌、徐巧魚、張海貴等.實用機械機構冬冊Bl Ml. 人民郵電出版社，1996【13】天津大學丄業機械于設計基礎編與組.天津科學技不出版社1981【14】金茂菁.我國工業機器人發展現狀 J.機器人技術與應用，2001 ,01(4)【15】喬東凱 黃崇林.移動式工業機器人設計的動力學分析J .2003，13(3)【16】張廣鵬 方英武 田忠強.工業機器人整機結構方案的動態性能評價J.西安理工大學學報，2004，20(1)【17】王田苗.工業機器人發展思考J.機器人技術與應用，2004 年，(2)【18】李瑞峰.21世紀-中國工業機器人的快速發展時代J.中國科技成果

6、，2001，(18)【19】曲忠萍.國外工業機器人發展態勢分析J.機器人技術與應用，2001，(02)【20】徐學林.互換行與測量技術基礎M.湖南大學出版社，2005【21】機械設計手冊聯合編寫組.機械設計手冊M下冊.石油化學工業出版社，1978【22】趙松年、張奇鵬.機電一體化機械系統設計 M.機械工業出版社，1996【23】大連理工大學工程畫教研室.機械制圖M.高等教育出版社，2003湘潭大學畢業論文(設計)鑒定意見學 號：200學生姓名： 王能 專 業： 機電一體化畢業論文(設計說明書)54頁圖 06張論文(設計)題目：機械手控制電路內容提要：本次設計的液壓傳動機械手根據規矩的動作順序，

7、綜合運用所學的基本理論，統圖，PLC控制圖，機械手的機械機構采用油缸，螺桿導向管等機械件組成；在液壓傳動機構中機械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉采用回轉油缸，立 柱的傳動采用齒條傳動，機械手的升降采用升降油缸立柱的橫移采用橫向移動油缸；在PLC控制回路中采用FX2N，當按下連續啟動后，PLC按制定的程序，通過控制電磁閥的幵關來控制機械手驚醒相應的動作循環，當按下連續停止后機械手在完成一個循環動作后停止。本設計擬幵發的上料機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可 代替人工在咼溫和危險的作業區下作業，可抓去重量較大的工件。指導教師評語指導教師姓名職稱（副教授）答辯委員會意見年月 日經答辯委員會

8、討論，同意該畢業論文（設計）成績評定為評定等級答辯委員會主任：年 月日湘潭大學畢業論文（設計）評閱表學院職業技術學院 專業機電一體化技術學號_200姓名 王 能畢業論文（設計）題目： 機械手控制電路評閱人姓名（職稱）評閱日期評價項 目評價內容選題1. 是否符合培養目標，體現學科、專業特點和教學計劃的基本要 求，達到綜合訓練的目的；2. 難度、份量是否適當。能力1. 是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2. 是否有綜合運用知識的能力；3. 是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；4. 是否具備 定的外文與計算機應用能力；5. 工科是否有經濟分析能力。論文質1.立論是否正確，論述是否

9、充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否 正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符 號是否統，圖表是否完備、整潔、正確，引文是否規范；量2. 文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3. 有無理論價值或實際應用價值，有無創新之處。工作量工作量是否飽滿,含論文篇幅、圖紙等是否達到規定要求。綜合 評 價評閱人姓名（職稱）：年 月日摘 要本次設計的液壓傳動機械手根據規定的動作順序，綜合運用所學的基本理論、基本知識和相關的機械設計專業知識，完成對機械手的設計，并繪制必要裝配圖、液壓系統圖、PLC控制系統原理圖。機械手的機械結構采用油缸、螺桿、導向筒等機械器件組成；在液壓傳動機構中，機械

10、手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉采用回轉油缸，立柱的轉動采用齒 條油缸，機械手的升降采用升降油缸，立柱的橫移采用橫向移動油缸；在 PLC控制回路中，采用的PLC類型為FX2N，當按下連續啟動后，PLC按 指定的程序，通過控制電磁閥的幵關來控制機械手進行相應的動作循環， 當按下連續停止按鈕后，機械手在完成一個動作循環后停止運動。關鍵詞機械手、液壓、控制回路、PLCoThe design of the hydraulic manipulatorAbstract : The design of hydraulic drive manipulator movements under the prov

11、isions of the order use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the designand drawing the necessary assembly,hydraulic system map PLC control system diagramManipulatormechanicalstructure using tanksscrew ,guide tubes and other mechanical

12、device component In the hydraulicdrive bodies manipulatorarm stretchingusingtelescopic tank rotating column of tanks used rack manipulator movements using tank movements the column takes the horizontal movement of tanks The PLC control circuit use the type of FX2N PLC When pressed for commencement P

13、LC in accordance with the prescribed procedures through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ， after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign.Keywords ： Manipulator, Hydraulic, Cont

14、rol Loop, PLC.目錄第一章 前言 121.1 工業機器人簡介 121.2 世界機器人的發展 131.3 我國工業機器人的發展 131.4 我要設計的機械手 141.4.1 臂力的確定 141.4.2 工作范圍的確定 151.4.3 確定運動速度 151.4.4 手臂的配置形式 151.4.5 位置檢測裝置的選擇 161.4.6 驅動與控制方式的選擇 16第二章 手部結構 162.1 概述 162.2 設計時應考慮的幾個問題 172.3 驅動力的計算 172.4 兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析 19第三章 腕部的結構 203.1 概述 203.2 腕部的結構形式 203.3 手腕驅

15、動力矩的計算 21第四章 臂部的結構 234.1 概述 234.2 手臂直線運動機構 244.2.1 手臂伸縮運動 244.2.2 導向裝置 254.2.3 手臂的升降運動 264.3 手臂回轉運動 264.4 手臂的橫向移動 264.5 臂部運動驅動力計算 274.5.1 臂水平伸縮運動驅動力的計算 274.5.2 臂垂直升降運動驅動力的計算 284.5.3 臂部回轉運動驅動力矩的計算 28第五章 液壓系統的設計 295.1 液壓系統簡介 295.2 液壓系統的組成 295.3 機械手液壓系統的控制回路 295.3.1 壓力控制回路 305.3.2 速度控制回路 305.3.3 方向控制回路

16、 315.4 機械手的液壓傳動系統 315.4.1 上料機械手的動作順序 315.4.2 自動上料機械手液壓系統原理介紹 325.5 機械手液壓系統的簡單計算 355.5.1 雙作用單桿活塞油缸 355.5.2 無桿活塞油缸 （亦稱齒條活塞油缸 ）375.5.3 單葉片回轉油缸 385.5.4 油泵的選擇 395.5.5 確定油泵電動機功率 N 39第六章 PLC 控制回路的設計 406.1 電磁鐵動作順序 406.2 根據機械手的動作順序表，選定電磁閥、開關等現場器件相對 應的 PLC 內部等效繼電器的地址編號，其對照表如下： 426.3 PLC 與現場器件的實際連接圖 446.4 梯形圖

17、45第七章 結束語 51第八章 參考文獻 52第九章 致 謝 53第一章 前 言1.1 工業機器人簡介幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機器， 以便將人類從繁重的 勞動中解脫出來。如古希臘神話阿魯哥探險船中的青銅巨人泰洛斯 (Taloas) ，猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時刻激勵著人們 一定要把美麗的神話變為現實， 早在兩千年前就開始出現了自動木人和一 些簡單的機械偶人。到了近代 ，機器人一詞的出現和世界上第一臺工業機器人問世之后， 不同功能的機器人也相繼出現并且活躍在不同的領域， 從天上到地下， 從 工業拓廣到 農業、林、牧、漁，甚至進入尋常百姓家。機器人的種類之 多，應用之廣

18、，影響之深，是我們始料未與的。工業機器人由操作機 (機械本體 )、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感 裝置構成，是一種仿人操作、 自動控制、可重復編程、 能在三維空間完成 各種作業的機電一體化自動化生產設備。 特別適合于多品種、 變批量的柔 性生產。 它對穩定、提高產品質量， 提高生產效率，改善勞動條件和產品 的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動， 而是綜合了人的特長和 機器特長的一種擬人的電子機械裝置， 既有人對環境狀態的快速反應和分 析判斷能力， 又有機器可長時間持續 工作、 精確度高、 抗惡劣環境的能 力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物， 它是工業

19、以與非產業界 的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設 備。1.2 世界機器人的發展近幾年國外機器人領域發展有幾個趨勢：(1) 工業機器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和 維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91年的 10.3 萬美元降至 97 年的 6.5 萬美元。(2) 機械結構向模塊化、可重構化發展。例如關節模塊中的伺服電機、減 速機、 檢測系統三位一體化； 由關節模塊、 連桿模塊用重組方式構造機器 人整機；國外已有模塊化裝配機器人產品問市。(3) 工業機器人控制系統向基于 PC 機的開放型控制器方向發展，便于標 準化、網絡化；器件集成度

20、提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構； 大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。(4) 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、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環境建 模與決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統中已有成熟應用。(5) 虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發展到用于過程控 制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業環境中的感覺來操縱機器 人。(6) 當代遙控機器人系統的發展特點不是追求全自治系統， 而是致力于操 作者與機器人的人機交互控制， 即

21、遙控加局部自主系統構成完整的監控遙 控操作系統， 使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。 美國發射到火星 上的“索杰納”機器人就是這種系統成功應用的最著名實例。(7) 機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發出“虛擬軸機床”以來， 這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一， 紛紛探索開拓其實際應用的領 域。1.3 我國工業機器人的發展有人認為，應用機器人只是為了節省勞動力， 而我國勞動力資源豐富， 發展機器人不一定符合我國國情。 這是一種誤解。 在我國， 社會主義制度 的優越性決定了機器人能夠充分發揮其長處。 它不僅能為我國的經濟建設 帶來高度的生產力和巨大的經濟效益， 而且將為我國的宇宙開發、

22、 海洋開 發、核能利用等新興領域的發展做出卓越的貢獻。我國的工業機器人從 80 年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的 支持下， 通過“七五”、 “八五”科技攻關， 目前已基本掌握了機器人操 作機的設計制造技術、 控制系統硬件和軟件設計技術、 運動學和軌跡規劃 技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、 搬運等機器人；其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家企業的近 30 條自動噴漆生產線 (站 )上獲得規模應用， 弧焊機器人已應用在汽車制造廠 的焊裝線上。 但總的來看， 我國的工業機器人技術與其工程應用的水平和 國外比還有一定的距離， 如：可靠性低于國外產品； 機器人

23、應用工程起步 較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距； 在應用規模上， 我 國已安裝的國產工業機器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。 以上原因主要是沒有形成機器人產業， 當前我國的機器人生產都是應用戶 的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規格多、批量小、零部件通用 化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩定。因此迫 切需要解決產業化前期的關鍵技術，對產品進行全面規劃，搞好系列化、 通用化、模化設計，積極推進產業化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“ 863 ”計劃的支持下，也取得了 不少成果。其中最為突出的是水下機器人， 6000 米水下無纜機器人的成

24、果居世界領先水平， 還開發出直接遙控機器人、 雙臂協調控制機器人、 爬 壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎 技術的開發應用上開展了不少工作， 有了一定的發展基礎。 但是在多傳感 器信息融合控制技術、 遙控加局部自主系統遙控機器人、 智能裝配機器人、 機器人化機械等的開發應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大， 需要在原有成績的基礎上， 有重點地系統攻關， 才能形成系統配套可供實 用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.4 我要設計的機械手1.4.1 臂力的確定目前使用的機械手的臂力范圍較大， 國內現有的機械手的臂力最小為 0.15N ，最大

25、為 8000N 。本液壓機械手的臂力為 L 臂 =1650(N) ，安全系數 K 一般可在 1.53 ，本機械手取安全系數 K=2 。定位精度為±1mm。1.4.2 工作范圍的確定 機械手的工作范圍根據工藝要求和操作運動的軌跡來確定。 一個操作 運動的軌跡是幾個動作的合成， 在確定的工作范圍時， 可將軌跡分解成單 個的動作， 由單個動作的行程確定機械手的最大行程。 本機械手的動作范 圍：手腕回轉角度土115 °手臂伸5長量m ;手臂回轉角度土115 ;手臂升降行程 170mm ；手臂水平運動行程 100mm 。1.4.3 確定運動速度機械手各動作的最大行程確定之后， 可根據

26、生產需要的工作拍節分配 每個動作的時間， 進而確定各動作的運動速度。 液壓上料機械手要完成整 個上料過程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉，平移等一系列的 動作，這些動作都應該在工作拍節規定的時間內完成， 具體時間的分配取 決于很多因素， 根據各種因素反復考慮， 對分配的方案進行比較， 才能確 定。機械手的總動作時間應小于或等于工作拍節，如果兩個動作同時進 行，要按時間長的計算，分配各動作時間應考慮以下幾點：（ 1 ）給定的運動時間應大于電氣、液壓元件的執行時間;（2）伸縮運動的速度要大于回轉運動的速度， 因為回轉運動的慣性一 般大于伸縮運動的慣性。 在滿足工作拍節要求的條件下， 應盡量選

27、取較底 的運動速度。機械手的運動速度與臂力、行程、驅動方式、緩沖方式、定 位方式都有很大關系，應根據具體情況加以確定。（3）在工作拍節短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進行。為 此驅動系統要采取相應的措施，以保證動作的同步。液壓上料機械手的各運動速度：手腕回轉速度 （V 腕回 = 40 ° ）/;s 手 臂伸縮速度（V臂伸二50 mm/s）;手臂回轉速度（V臂回二40 ° ）s手臂升降 速度（V臂升二50 mm/s）;立柱水平運動速度（V柱移二50 mm/s）;手指夾緊 油缸的運動速度（V夾二50 mm/s）1.4.4 手臂的配置形式機械手的手臂配置形式基本上反映了它的總

28、體布局。 運動要求、操作 環境、工作對象的不同， 手臂的配置形式也不盡相同。 本機械手采用機座 式。機座式結構多為工業機器人所采用， 機座上可以裝上獨立的控制裝置， 便于搬運與安放， 機座底部也可以安裝行走機構， 已擴大其活動范圍， 它 分為手臂配置在機座頂部與手臂配置在機座立柱上兩種形式， 本機械手采 用手臂配置在機座立柱上的形式。 手臂配置在機座立柱上的機械手多為圓 柱坐標型，它有升降、伸縮與回轉運動，工作范圍較大。1.4.5 位置檢測裝置的選擇 機械手常用的位置檢測方式有三種：行程開關式、模擬式和數字式。本機械手采用行程開關式。 利用行程開關檢測位置， 精度低， 故一般與機 械擋塊聯合應

29、用。 在機械手中， 用行程開關與機械擋塊檢測定位既精度高 又簡單實用可靠，故應用也是最多的。1.4.6 驅動與控制方式的選擇機械手的驅動與控制方式是根據它們的特點結合生產工藝的要求來 選擇的，要盡量選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本底的方式。控制系統也有不同的類型。 除一些專用機械手外， 大多數機械手均需 進行專門的控制系統的設計。驅動方式一般有四種：氣壓驅動、液壓驅動、電氣驅動和機械驅動。 參考工業機器人表 9-6 和表 9-7 ，按照設計要求，本機械手采用 的驅動方式為液壓驅動，控制方式為固定程序的 PLC 控制。第二章 手部結構2.1 概述手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用

30、工具進行操作的 部件，它具有模仿人手的功能， 并安裝于機械手手臂的前端。 機械手結構 型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、 ，它沒有手掌，只有自身 的運動將物體包住， 因此，手部結構與型式根據它的使用場合和被夾持工 件的形狀， 尺寸， 重量，材質以與被抓取部位等的不同而設計各種類型的 手部結構，它一般可分為鉗爪式， 氣吸式， 電磁式和其他型式。 鉗爪式手 部結構由手指和傳力機構組成。其傳力機構形式比較多，如滑槽杠桿式、 連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，這里采用滑 槽杠桿式。2.2設計時應考慮的幾個問題（1）應具有足夠的握力（即夾緊力）在確定手指的握力時，除考慮工件重量外

31、，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。（2）手指間應有一定的幵閉角兩個手指張幵與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的幵閉角。手指的幵閉角保證工件能順利進入或脫幵。若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。（3）應保證工件的準確定位為使手指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。（4）應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，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎 曲變形，但應盡量使結

32、構簡單緊湊，自重輕。（5）應考慮被抓取對象的要求應根據抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數量的不同，來設計和確定1.手指2.銷軸3.拉桿4.指座圖1滑槽杠桿式手部受力分析2.3驅動力的計算如圖所示為滑槽式手部結構。在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P， 并通過銷軸中心 O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為 Pi、P2，其 力的方向垂直于滑槽中心線 001和002并指向0點，P1和P2的延長線 交O1O2于A與B,由于AOi Oa和02Oa均為直角三角形，故 ZAOC二ZBOC= a。根據銷軸的力平衡條件，即EFx=O, Pi= P2； Ey=OP=2 P1cos aP1 = P/2cos a銷軸對

33、手指的作用力為P。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力 ），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內，并設兩力的大 小相等，方向相反，以 N表示。由手指的力矩平衡條件，即刀F）=0 m01（得Pi h二 Nb因h = a/cos a所以P=2 b（cosa）2N/a式中a手指的回轉支點到對稱中心線的距離（毫米）。a工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點連線間的夾角。由上式可知，當驅動力 P 一定時，a角增大則握力N也隨之增加，但 a 角過大會導致拉桿 （即活塞 ）的行程過大，以與手指滑槽尺寸長度增大，使 之結構加大，因此，一般取a=30 ° 40 °。這里取角c=3

34、0度。這種手部結構簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查工 業機械手設計基礎中表 2-1 可知， V 形手指夾緊圓棒料時，握力的計 算公式N=0.5G，綜合前面驅動力的計算方法，可求出驅動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產生的慣性力、振動以與傳力機構效率的影響， 其實際的驅動力P實際應按以下公式計算，即：P 實際二 PKi K2/ n式中n手部的機械效率，一般取0.850.95 ;Ki安全系數，一般取 1.22K2工作情況系數，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式 估計，K2=1+ a/g，其中a為被抓取工件運動時的最大加速度， g為重力 加速度。本機械手的工件只做水平和垂直平移， 當

35、它的移動速度為 500 毫米/ 秒，移動加速度為1000毫米/秒2，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的 夾角為120 ° a=30。時，拉緊油缸的驅動力P和P實際計算：根據鉗爪夾持工件的方位， 由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當 量：M=0.5G把已知條件代入得當量夾緊力為M =49(N)由滑槽杠桿式結構的驅動力計算公式2P=2 b(cos a N/a 得2P= P 計算=2*45/27(cos30*49=122.5(N)P實際二P計算Ki K2/ n取 n=0.85,Ki=1.5,K2=1+1000/98101.1則 P 實際2.4兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析圖2帶浮動鉗口的鉗

36、爪鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯結，如圖示幾何關系，若設鉗爪對稱中心 O到工件中心O 的距離為x,則x= . l2 (R/sin b a)2當工件直徑變化時,X的變化量即為定位誤差厶，設工件由半徑nax變化到Rmin時，其最大定位誤差為 = I - . l2 (Rmax/sinb a)2 . l2 (Rmin/sinb a)2 I其中l=45mm,b=5mm,a=27mm ,2=120 ° ,Rmin =15mm , Rmax =30mm代入公式計算得最大定位誤差 = I V 0.8故符合要求第三章 腕部的結構3.1概述腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設計腕部時要 注意以

37、下幾點：(1) 結構緊湊，重量盡量輕。(2) 轉動靈活，密封性要好。(3) 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以與各個自由度的位置 檢測、管線的布置以與潤滑、維修、調整等問題(4) 要適應工作環境的需要。另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內部通過，以便手腕轉動時管路不扭轉和不外露，使外形整齊。3.2腕部的結構形式本機械手采用回轉油缸驅動實現腕部回轉運動，結構緊湊、體積小,但密封性差，回轉角度為土115 ° .如下圖所示為腕部的結構， 定片與后蓋，回轉缸體和前蓋均用螺釘和 銷子進行連接和定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也 指座固連成一體。當回轉油缸的兩腔分別通入壓力油時

38、，驅動動片連同夾 緊油缸缸體和指座一同轉動，即為手腕的回轉運動。圖3機械手的腕部結構3.3手腕驅動力矩的計算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 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與由于轉 動的重心與軸線不重合所產生的偏重力矩。手腕轉動時所需要的驅動力矩可按下式計算：M驅=M慣+ M偏+ M摩(N.m)式中M驅一一驅動手腕轉動的驅動力矩M慣一一慣性力矩(N.m)M偏參與轉動的零部件的重量 (包括工件、手部、手腕回轉缸體的動片)對轉動軸線所產生的偏重力矩(N.m)M摩一一手腕轉動軸與支承

39、孔處的摩擦力矩(N.m)圖4 腕部回轉力矩計算圖(1) 摩擦阻力矩M摩M 摩=f (N 1D1 + N2D2)(N.m)式中f軸承的摩擦系數，滾動軸承取f=0.02，滑動軸承取f=0.1 ；Ni、N2 軸承支承反力(N)；Di、D2軸承直徑(m)由 設計知 Di=0.035m D2=0.054m Ni=800NN2=200NGi=98Ne=0.020 時M 摩=0.1*(200*0.035+800*0.054)/2得 M 摩=2.50(N.m)(2) 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏M 偏二G1 e (N.m)式中G1工件重量(N)e偏心距(即工件重心到碗回轉中心線的垂直距離)，當工件重心

40、與手腕回轉中心線重合時，M偏為零當 e=0.020，G1=98N 時M 偏=1.96 ( N m)(3) 腕部啟動時的慣性阻力矩 M慣 當知道手腕回轉角速度時，可用下式計算 M慣M 慣=(J+J 工件)7 (N m)式中手腕回轉角速度(1/s)T手腕啟動過程中所用時間(s)，(假定啟動過程中近為加速運動)J手腕回轉部件對回轉軸線的轉動慣量(kg m2)J工件一一工件對手腕回轉軸線的轉動慣量(kg m2)按已知計算得 J=2.5，J 工件=6.25，=0.3m/ m 2 ,t=2故 M 慣二 1.3( N m) 當知道啟動過程所轉過的角度時，也可以用下面的公式計算M慣：2M 慣=(J+ J 工件

41、)- (N m)式中啟動過程所轉過的角度(rad);手腕回轉角速度(1/s) 0考慮到驅動缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可取M =1.1 s 1.2M 慣 + M 偏 + M 摩）（N.m）M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m）第四章 臂部的結構4.1 概述臂部是機械手的主要執行部件， 其作用是支承手部和腕部， 并將被抓 取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機械手的手臂有三個自由 度，即手臂的伸縮、 左右回轉和升降運動。 手臂的回轉和升降運動是通過 立柱來實現的。 ；立柱的橫向移動即為手臂的橫向移動。手臂的各種運動 通常由驅動機構和各種傳動機構來實

42、現， 因此，它不僅僅承受被抓取工件 的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結構、工作范 圍、靈活性以與抓重大小 （即臂力 ）和定位精度等都直接影響機械手的工作 性能，所以必須根據機械手的抓取重量、運動形式、自由度數、 運動速度 與其定位精度的要求來設計手臂的結構型式。 同時，設計時必須考慮到手 臂的受力情況、 油缸與導向裝置的布置、 內部管路與手腕的連接形式等因 素。因此設計臂部時一般要注意下述要求：剛度要大 為防止臂部在運動過程中產生過大的變形， 手臂的截 面形狀的選擇要合理。 弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大； 空心管的彎 曲剛度和扭曲剛度都比實心軸大得多。 所以常用鋼管作臂

43、桿與導向桿， 用 工字鋼和槽鋼作支承板。導向性要好 為防止手臂在直線移動中， 沿運動軸線發生相對運 動，或設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉 軸所產生的靜力矩。 為提高機器人的運動速度， 要盡量減少臂部運動部分 的重量，以減少偏重力矩和整個手臂對回轉軸的轉動慣量。 運動要平穩、定位精度要高由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大， 運動即不平穩， 定位精度也不 會高。故應盡量減少小臂部運動部分的重量， 使結構緊湊、 重量輕， 同時 要采取一定的緩沖措施。4.2 手臂直線運動機構機械手手臂的伸縮、 升降與橫

44、向移動均屬于直線運動， 而實現手臂往 復直線運動的機構形式比較多，常用的有活塞油 （氣 ）缸、活塞缸和齒輪齒 條機構、絲桿螺母機構以與活塞缸和連桿機構。4.2.1 手臂伸縮運動這里實現直線往復運動是采用液壓驅動的活塞油缸。 由于活塞油缸的 體積小、 重量輕， 因而在機械手的手臂機構中應用比較多。 如下圖所示為 雙導向桿手臂的伸縮結構。 手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上 端，當雙作用油缸 1 的兩腔分別通入壓力油時，則推動活塞桿2（ 即手臂 ）作往復直線運動。導向桿 3 在導向套 4 內移動，以防止手臂伸縮時的轉 動 （并兼做手腕回轉缸 6 與手部 7 的夾緊油缸用的輸油管道 ）。由于手

45、臂的 伸縮油缸安裝在兩導向桿之間， 由導向桿承受彎曲作用， 活塞桿只受拉壓 作用，故受力簡單，傳動平穩，外形整齊美觀， 結構緊湊。可用于抓重大、 行程較長的場合。圖5雙導向桿手臂的伸縮結構承架的兩側安裝兩 承2，當導向桿隨同 活塞桿一起移動時， 的滾動軸承就在支 支承面上滾動。個滾動軸伸縮缸的支承架上承板3的422 導向裝置液壓驅動的機械手手臂在進行伸縮 （或升降）運動時，為了防止手臂繞 軸線發生轉動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩 的作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂的結構時，必須采用適當的導向 裝置。它根據手臂的安裝形式，具體的結構和抓取重量等因素加以確定， 同時在結構

46、設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉 中心的轉動慣量。目前采用的導向裝置有單導向桿、雙導向桿、四導向桿 和其他的導向裝置，本機械手采用的是雙導向桿導向機構。雙導向桿配置在手臂伸縮油缸兩側，并兼做手部和手腕油路的管 道。對于伸縮行程大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導向桿尾部增設輔助支承架，以提高導向桿的剛性。如圖5所示，對于伸縮行程大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分 的彎曲變形，可在導向桿尾部增設輔助支承架，以提高導向桿的剛性。如 圖所示，在導向桿1的尾端用支承架4將兩個導向桿連接起來，支圖6 雙導向桿手臂結構423手臂的升降運動如圖6所示為手臂的升降運動機構。當升

47、降缸上下兩腔通壓力油時， 活塞杠4做上下運動，活塞缸體2固定在旋轉軸上。由活塞桿帶動套筒3 做升降運動。其導向作用靠立柱的平鍵 9實現。圖中6為位置檢測裝置。4.3手臂回轉運動實現手臂回轉運動的機構形式是多種多樣的，常用的有回轉缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構、連桿機構等。本機械手采用齒條缸式臂回轉機 構，如圖7所示，回轉運動由齒條活塞桿 8驅動齒輪，帶動配油軸和缸 體一起轉動，再通過缸體上的平鍵 9帶動外套一起轉動實現手臂的回轉。1.4* fl fl-/觀顯 軌 tf*圖7手臂升降和回轉機構圖4.4手臂的橫向移動如圖8所示為手臂的橫向移動機構。手臂的橫向移動是由活塞缸5 來驅動的，回轉缸體與滑

48、臺 1用螺釘聯結，活塞桿 4通過兩塊連接板3 用螺釘固定在滑座2上。當活塞缸5通壓力油時，其缸體就帶動滑臺 1， 沿著燕尾形滑座2做橫向往復運動。圖8手臂橫向移動機構4.5臂部運動驅動力計算計算臂部運動驅動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負荷考慮進 去。機械手工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。臂水平伸縮運動驅動力的計算手臂做水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間 的摩擦阻力與導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等， 還要克服啟動過程中 的慣性力。其驅動力 Pq可按下式計算：Pq = Fm + Fg （N）式中Fm各支承處的摩擦阻力；Fg啟動過程中的慣性力，其大小

49、可按下式估算：(N)式中 W手臂伸縮部件的總重量（N）；g 重力加速度（9.8m/s2）;a 啟動過程中的平均加速度（m/s 2），而a = V （m/s 2）/ 速度變化量。如果手臂從靜止狀態加速到工作速度V時，則這個過程的速度變化量就等于手臂的工作速度；啟動過程中所用的時間，一般為 0.01 s 0.5s當 Fm=80N,W=1098(N), AV= 500mm/s 時，10980 5Pq = 80+ 叱 * 05 =80+112=192 (N)9.80.5臂垂直升降運動驅動力的計算手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅動力Pq可按下式計算

50、：Pq = Fm + Fg ±W (N)式中Fm 各支承處的摩擦力(N);Fg 啟動時慣性力(N)可按臂伸縮運動時的情況計 算；W臂部運動部件的總重量 (N);±上升時為正，下降時為負。當 Fm=40N ，Fg=100N ，W =1098N 時Pq=40+100+1098=1238(N)臂部回轉運動驅動力矩的計算臂部回轉運動驅動力矩應根據啟動時產生的慣性力矩與回轉部件支 承處的摩擦力矩來計算。由于啟動過程一般不是等加速度運動，故最大驅 動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驅動力矩Mq可按下式計算：M q = 1.3( M m + M g ) (N m)式中

51、 Mm 各支承處的總摩擦力矩；Mg啟動時慣性力矩，一般按下式計算：M g = (N m)式中 J手臂部件對其回轉軸線的轉動慣量(kg m 2);回轉手臂的工作角速度(rad/s);回轉臂啟動時間(s)0 8當 Mm=84(N m)，g=8 02 =32(N m)0.2Mq = 1.3*116=150.8(N m)對于活塞、導向套筒和油缸等的轉動慣量都要做詳細計算，因為這些零件的重量較大或回轉半徑較大， 對總的計算結果影響也較大， 對于 小零件則可作為質點計算其轉動慣量， 對其質心轉動慣量忽略不計。 對于 形狀復雜的零件，可劃分為幾個簡單的零件分別進行計算， 其中有的部分可當作質點計算。可以參考

52、工業機器人表 4-1第五章 液壓系統的設計5.1 液壓系統簡介 機械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質。 電動 機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉換成油液的壓力能。 壓力油經過管道與一些控制調節裝置等進入油缸， 推動活塞桿運動， 從而 使手臂作伸縮、 升降等運動， 將油液的壓力能又轉換成機械能。 手臂在運 動時所能克服的摩擦阻力大小， 以與夾持式手部夾緊工件時所需保持的握 力大小， 均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關。 手臂做各種運動的 速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。 這種借助于運動著的壓力油 的容積變化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動， 機械手

53、的液壓傳 動系統都屬于容積式液壓傳動。5.2 液壓系統的組成液壓傳動系統主要由以下幾個部分組成：(1) 油泵 它供給液壓系統壓力油，將電動機輸出的機械能轉換為油液的壓力 能，用這壓力油驅動整個液壓系統工作。(2) 液動機壓力油驅動運動部件對外工作部分。 手臂做直線運動， 液動機就是手臂伸 縮油缸。也有回轉運動的液動機一般叫作油馬達，回轉角小于 360 °的液 動機，一般叫作回轉油缸 (或稱擺動油缸 )。(3 控制調節裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節流閥、調速閥)、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機械手的手臂、手腕、 手指等能夠完成所要求的運 動。5.3 機械手液壓系統的控制回路

54、 機械手的液壓系統，根據機械手自由度的多少，液壓系統可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功 能，如工作壓力的調整、 油泵的卸荷、 運動的換向、工作速度的調節以與 同步運動等。5.3.1 壓力控制回路(1) 調壓回路 在采用定量泵的液壓系統中，為控制系統的最大工作壓力，一般都在 油泵的出口附近設置溢流閥， 用它來調節系統壓力， 并將多余的油液溢流 回油箱。(2 ) 卸荷回路在機械手各油缸不工作時， 油泵電機又不停止工作的情況下， 為減少 油泵的功率損耗，節省動力，降低系統的發熱，使油泵在低負荷下工作， 所以采用卸荷回路。 此機械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控

55、口卸荷 回路。(3) 減壓回路為了是機械手的液壓系統局部壓力降低或穩定， 在要求減壓的支路前 串聯一個減壓閥，以獲得比系統壓力更低的壓力。(4) 平衡與鎖緊回路在機械液壓系統中， 為防止垂直機構因自重而任意下降， 可采用平衡 回路將垂直機構的自重給以平衡。 為了使機械手手臂在移動過程中停止在 任意位置上， 并防止因外力作用而發生位移， 可采用鎖緊回路， 即將油缸 的回油路關閉， 使活塞停止運動并鎖緊。 本機械手采用單向順序閥做平衡 閥實現任意位置鎖緊的回路。(5) 油泵出口處接單向閥在油泵出口處接單向閥。 其作用有二： 第一是保護油泵。 液壓系統工 作時， 油泵向系統供應高壓油液， 以驅動油缸運動而做功。 當一旦電機停 止轉動， 油泵不再向外供油， 系統中原有的高壓油液具有一定能量， 將迫 使油泵反方向轉動， 結果產生噪音， 加速油泵的磨損。 在油泵出油口處加 設單向閥后， 隔斷系統中高壓油液和油泵時間的聯系， 從而起到保護油缸 的作