【正文】 .................................................................................................25 致謝 ............................................................................................................................................26 華中農業(yè)大學本科畢業(yè)設計 1 抓件液壓機械手設計 摘要 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。目前液壓機械手被廣泛應用于工業(yè)領域中。使用機械手，可以實現(xiàn)生產加工的自動化，把人從繁重的體力勞動中解放出來。使用機械手可穩(wěn)定和提高產品的質量，提高勞動生產率，降低生產成本。本次設計要求我們綜合運用液壓、機械、電控方面的知識，完成液壓機械手的設計，包括機械部分、液壓系統(tǒng)和 PLC 控制部分。機械部分是在力學計算的基礎上經過結構分析進行設計，包括手部﹑手臂和機身。通 常機械手的手部要求結構緊湊，重量輕，通用性好，夾持精度高。臂部則要求剛度好，重量輕，運動速度高，慣性小，動作靈活，位置精度高。液壓系統(tǒng)的設計包括液壓系統(tǒng)的計算和液壓元件的選用；PLC 控制部分包括控制梯形圖的繪制及選擇控制元件。 關鍵詞 液壓機械手； 液壓系統(tǒng) ； 設計； PLC Abstract Manipulator is a sort of automation device which has the function of grasp and transfer workpieces during the automated production. Today hydraulic manipulator is widely used in industry field. It can make the produce process automated and liberate the people from heavy physical labor. It can promote the quality of production and decrease the cost of production. In this design, we should use the knowledge of hydraulic, mechanism and electric control prehensively to plete the design of hydraulic manipulator, including machine system, hydraulic and PLC control system. The mechanical part is designed on the basis of mechanics putation foundation after the structure analysis, including hand, arm and fuselage. Generally the manipulator’s hand should have four merits: pact structure, light weight, good universal property and high catch precision. Well, the arm should have merits that are good rigidity, light weight, high movement velocity, small inertia and flexible motion. The hydraulic system design including the hydraulic system putation and the selection of hydraulic ponents。 The PLC control system design including plotting the ladder diagram and selecting the control ponent. Key words Hydraulic manipulator。 hydraulic system。 design。 PLC 華中農業(yè)大學本科畢業(yè)設計 2 前言 機械手是在機械化，自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。它是機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性 （王承義， 1995） 。在現(xiàn)代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用 （王希敏， 1992） 。 機械手在工業(yè)生產中應用極為廣泛，這主要是因為它具有下列優(yōu)點：對環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險有害的工作；持久耐勞，動作準確，可穩(wěn)定和提高 產品 生產質量，避免人為操作錯誤；通用性好，動作靈活，能較好地適應產品品種的變化；可提高勞動生產率，降低生產成本 （張軍 ， 2021） 。機械手按用途分為專業(yè)機械手和通用機械手。通用機械手具有獨立控制系統(tǒng)，程序可變，動作靈活可以改變。其工作范圍大，定位精度高，通用性強，適用于工件經常變化的中、小批量自動化生產 （李允文， 1994） 。 工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的。執(zhí)行機構由抓取部分、腕部、臂部等部件組成 （李允文， 1994） 。 對于執(zhí)行運動較簡單的機械手，可省去腕部的設計。 驅動機械又有氣動、液動、電動、機械式四種形式，氣動和液動驅動方式較為常用。氣動式速度快，結構簡單，成本低，有較高的重復定位精度，但臂力一般在 50 牛頓以下。 而液動式臂力大，可用電液伺服結構，能實現(xiàn)連續(xù)控制，使機械手的用途和通用性 更廣 （張雅琴， 2021） 。 液壓抓件機械手設計是一次比較完整的機電一體化整機設計。通過設計可以提高學生的機構分析與綜合分析的能力、機械結構設計的能力、機電一體化系統(tǒng)設計能力，掌握實現(xiàn)生產過程自動化的設計方法。懂得如何將學過的知識應用到設計中去。 在機械手各部分的設計中，主要考慮了以下幾個方面：機械結構上，讓各部分的機構盡可能緊湊，自重和轉動慣量盡可能小，同時臂部和機身還要求有足夠的強度和剛度。除此之外，對臂部還要求運動速度高、 慣性小、動作靈活，為之精度高。液壓部分的設計主要是確定好系統(tǒng)的工作壓力和流量。 這次設計使得我們對以往所學知識得到了鞏固和加深，熟悉了有關國家標準。初步掌握了機械手產品的設計一般步驟。培養(yǎng)了自身獨立工作的能力。 根據課題設計任務書的要求，確定總體方案： 1. 抓重： 10kg 2. 坐標形式：圓柱坐標 3. 自由度 ： 3 4. 手臂運動參數(shù)： 運動名稱 符號 行程范圍 速度 伸縮 X 300mm 小于 200mm/s 升降 Z 200mm 小于 100mm/s 回轉 α 180176。 小于 90（176。） /s 手指夾持范圍 ：棒料，半 徑 40mm～ 60mm。 定為方式：機械擋塊（行程開關 ）。 驅動方式：液壓驅動。 控制方式： PLC（可編程序控制） 華中農業(yè)大學本科畢業(yè)設計 3 定位精度：177。 2mm。 機械手的 工作原理圖如圖 11 所示 手部 1采用夾鉗式，具體為單支點回轉型夾緊機構。動力采用單作用液壓缸 2 驅動夾緊，反向則由彈簧復位而松開手指。 手臂的伸縮采用雙作用液壓缸３驅動，伸縮過程采用雙導管導向，在導向的同時，亦起到了一定的支撐作用，大大減少活塞桿的受力。夾緊缸的壓力油經其中一導管進入缸內，此結構能使油管布置更加緊湊。 手臂的回轉采用擺動液壓缸４驅動，此擺動缸 設計成輸出軸固定不動 ，而使缸體轉動從而帶動 整個手臂回轉運動。 雙作用液壓缸 5驅動手臂做升降運動 圖 11 機械手工作原理圖 手部（亦稱抓取機構）是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面處理等的不同，則機械手的手部機構是多種多樣的，大部分的手部結構是根據特定的工件要求而設計的 （ 林建龍，王小北， 2021） 。常用的手部，按其握持工件的原理， 大致可分成夾持式和吸附式兩大類。本設計采用常用的夾鉗式手部結構，它是最常見的夾持式結構。 夾鉗式手部是由手指、傳動機構和 驅動裝置三部分組成的，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸、盤和套類零件 （殷際英，何廣平， 2021） 。一般情況下多采用兩個手指，少數(shù)采用三指或多指。本設計中的工件是棒料，所以選擇較簡單的兩指結構。 夾鉗式手部設計的基本要求： 應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力 手指握力（夾緊力）大小要合適，力量過大則動力消耗多，結構龐大，不經濟，甚至會損壞工件；力量過小則夾持不住或產生松動、脫落。在確定握力時，除考慮工件總量外，還應考慮傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，亦保證工件夾持安全可靠 （楊永清等， 2021） 。對于手部的驅動裝置來說，應有足夠的驅動力。應當指出，由于機構傳動力比不同，在一定的夾持力條件下，不同的傳動機構所需驅動力的大小是不同的。 手指應具有一定的開閉范圍 手指應具有足夠的開閉角度或開閉距離，以便于抓取或退出工件。 應保證工件在手指內的夾持精度 應保證每個被夾持的工件，在手指內都有準華中農業(yè)大學本科畢業(yè)設計 4 確地相對位置。這對一些有方位要求的場合更為重要，如曲拐、凸輪軸一類復雜的工件，在機床上安裝的位置要求嚴格，因此機械手的手部在夾持工件后應保持相對的位置精度。 要求結構緊湊、重量輕、效率高 在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。 應考慮通用性和特殊要求 一般情況下，手部多是專用的，為了擴大它的適用范圍，提高它的通用化程度，以適應夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調整的辦法，如更換手指甚至更換整個手部。此外，還要考慮能適應工作環(huán)境提出的特殊要求，如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛錘沖擊力等。 (李允文， 1994) 確定手部結構 根據設計要求設計出的手部結構如圖 21 所示： 圖 21 手部結 構圖 圖中 NF 為手指對工件的夾緊力， F 為夾緊缸活塞桿的推力。 手部受力分析 經分析，手部受力圖如圖 22所示 華中農業(yè)大學本科畢業(yè)設計 5 圖 22 機械手手部受力分析圖 由圖可知，手部結構對稱，則 12FF? 由 0yF ?? 得 39。1F ＝ ?cos2 F 且 39。1F ＝ 1F 由 0)(1 ?? FM o 得 1F h= 39。NF b 且 39。NF ＝ NF 由幾何關系有 h＝ ?cosc 由上述等式可得： FN＝ Fbc 2)cos1(2 ? 即 F= 22 cosNb Fc ? 式中 b — 手指回轉中心到夾緊力作用點之間的距離 ； C — 手指回轉中心到滑槽支點之間的距離 ； ? — 工件被夾緊時手指滑槽方向與回轉中心在水平方向的夾角 。 手部夾緊力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據。必須對其大小、方向和作用點進行分析、計算。一般來說，夾緊 力必須克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài) 所產生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按下式計算 （李允文， 1994） ： 1 2 3NF K K K G? ＝ 4 98=593N 取 FN =600N 式中： K1— 安全系數(shù)，取 K1＝ ； 華中農業(yè)大學本科畢業(yè)設計 6 K2— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 取 K2＝ ； K3— 方位系數(shù)，根據工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定 ，