【導(dǎo)讀】機(jī)械手在先進(jìn)制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運(yùn)貨物、分。揀物品、代替人的繁重勞動(dòng)?？梢詫?shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)。和原子能等部門(mén)。采用整體化的設(shè)計(jì)思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點(diǎn)并進(jìn)行互。行了分析和設(shè)計(jì)。在其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用氣壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)中選擇PLC的?？刂茊卧獊?lái)完成系統(tǒng)功能的初始化、機(jī)械手的移動(dòng)、故障報(bào)警等功能。提出了一種簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。手的設(shè)計(jì)方案，對(duì)其他經(jīng)濟(jì)型PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一定的借鑒價(jià)值。

　　

【正文】 寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算 機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī) 身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架 空軌道運(yùn)動(dòng)。 機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂 90 度 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮，分析。 機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu) 有 以下幾種： （ 1） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)路線長(zhǎng)，花鍵軸的變形對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響較大。 （ 2） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但 回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。 （ 3） 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)齒條齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù) 運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動(dòng)。 分析： 經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)機(jī)身包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn) 和升降。如上圖所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn) 缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸體連接，由缸體帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊麠U采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花 鍵軸導(dǎo)向?；ㄦI軸與與升降缸的下端蓋用鍵來(lái)固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過(guò)花鍵軸固定了活塞桿。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部， 結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸通過(guò)兩個(gè)油孔，一個(gè)進(jìn)油孔，一個(gè)排油孔，分別通向回 轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)。 回轉(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊 來(lái)決定，對(duì)于本設(shè)計(jì)就是考慮兩 個(gè)葉片之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中動(dòng)片和靜片之間可以回轉(zhuǎn) 90 度 。 手臂升降液壓缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 尺寸設(shè)計(jì) 液壓缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 l =118mm,液壓缸內(nèi)徑為 D1 =110mm,半徑R=55mm,液壓缸運(yùn)行速度，加速度時(shí)間 t =,壓強(qiáng) p=,則驅(qū)動(dòng)力： G0 = pπR 2= 10 6 2 = 3799( N ) 尺 寸校核 （ 1） 測(cè)定手腕質(zhì)量為 80kg,則重力 G = mg = 80 10 = 800( N ) （ 2） 設(shè)計(jì)加速度 a = 5(m / s ) ，則慣性力： G1 = ma = 80 5 = 400( N ) （ 3） 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) k = ， Gm = k G1 22 = 400 = 40( N ) ∴ 總受力 Gq = G + G1 + Gm = 800 + 400 + 40 = 1240( N ) G q G0 所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩 M 驅(qū) ，應(yīng)該與手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 M 慣 及各密封裝置處的摩擦阻力矩 M 阻 相平衡。 M 驅(qū) = M 慣 + M 阻 + M 回 慣性力矩的計(jì)算 M 慣 = J0ε = J0Δ ω /Δ t 式中 Δ ω —— 回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片角速度變化量（ rad/ s ） ，在起動(dòng)過(guò)程中 Δ ω = ω ； Δ t—— 起動(dòng)過(guò)程的時(shí)間 (s)。 J 0 —— 手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ N m s2 ） 若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為 ρ ，則 J0 = Jc + G ρ2/ g 式中 J c —— 回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 J cz = m ( l 2 + 3R 2 )/ 12 回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個(gè)長(zhǎng) 1800mm，直徑為 60mm 的圓柱體，質(zhì)量為 置起動(dòng)角度 ω =180，則起動(dòng)角速度 ω = rad /s ，起動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為 。 J cz = m ( l 2 + 3R2 ) /12 = 43 N m s2 J0 = Jc + G ρ2/g = 1495 N m s 2 M 慣 = J0ε = J0Δ ω /Δ t= 1495 密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下 M 阻 = M 驅(qū) ，由于回油背差一般非常的 小，故在這里忽略不計(jì)。 經(jīng)過(guò)以上的計(jì)算 M 驅(qū) = N m s2 回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定 設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)缸的靜片和動(dòng)片寬 b=60mm，選擇液 壓缸的工作壓強(qiáng)為 8Mpa。 d 為輸出軸 與動(dòng)片連接處的直徑，設(shè) d=50mm,則回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑通過(guò)下列計(jì)算： D= 8M 驅(qū) / bp +d2 D=151mm 既設(shè)計(jì)液壓缸的內(nèi)徑為 150mm,根據(jù)表 選擇液壓缸的基本外徑尺寸 180mm(不是最 終尺寸 )，再經(jīng)過(guò)配合等條件的考慮。 （ 1） 液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 根據(jù)表 所示，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)缸的工作壓力為 8Mpa,所以螺釘間距 t 小于 80mm,根 據(jù)初步估算， L = π D = 150 = 471mm ， t 39。 = L /Z=471/6 = = t,所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目為（一個(gè)面 6 個(gè)，兩個(gè)面是 12 個(gè)） 。 危險(xiǎn)截面 S = π R 2 π r 2 = π( )/4= m 2 所以， FQ = PS/Z = 20933 N FQS = KFQ = 20933 = 31400 N 所以 FQ0 =20933+31400=52333N 螺釘材料選擇 Q235，則 [σ ] =σs/ n = 240/ = 200 MPa （ n =） 螺釘?shù)?直徑 d ≥4 /π [σ ] = 4 52333/ 200 106= 螺釘?shù)闹睆竭x擇 d= M20 的開(kāi)槽盤(pán)頭螺釘。 經(jīng)過(guò)以上的計(jì)算， 需要螺釘來(lái)連接， 最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖 所示， 內(nèi)徑為 150mm，外徑為 230mm，輸出軸徑為 50mm 回轉(zhuǎn)缸的截面圖 （ 4） 動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘 動(dòng)片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)如圖 。連接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱安裝， 并用兩個(gè)定位銷(xiāo)定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘?dòng)片和輸出軸之間的配合緊密。 bp ( D2 d 2 ) /8= M 摩 = FQ Zf d/ 2 于是得 FQ = bp ( D2 d 2 )/ 4 Zfd 式中 FQ—— 每個(gè)螺釘預(yù)緊力； D—— 動(dòng)片的外徑； f—— 被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對(duì)銅取 f= 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 σ 合421dFQπ≤ [σ ] 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得 FQ=Zfdbp4(D2 d 2 )= 6??? ??Z ( )= 40000 N 螺釘材料選擇 Q235，則 [σ ] =nsσ = = 200MPa （ n = ） 螺釘?shù)闹睆? d ≥?= ?? ??= 螺釘?shù)闹睆竭x擇 d= M14 的開(kāi)槽盤(pán)頭螺釘。 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算 手臂偏重力矩的計(jì)算 手臂各部件重心位置圖 （ 1） 零件重量 G 工件 、 G 爪 、 G 腕 、 G 臂 等。 G 工件 = 60Kg 現(xiàn)在對(duì)機(jī)械手手臂做粗略估算： G 爪 和 G 腕 總共 =33Kg G 臂 = Kg G 總 = G 工件 + G 爪 + G 腕 + G 臂 = (2)計(jì)算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離 ρ ρ 工件 =1920mm ρ 手和腕 = ρ 臂 = ρ= 總臂臂手腕手腕工件工件 σσσ G GGG ?? = 1650mm 所以，回轉(zhuǎn)半徑 ρ = 1650mm (3) 計(jì)算偏重力矩 M 偏 = G 總 ρ M 偏 = G 總 ρ = Kg = 1765 N m 升降不自鎖條件分析計(jì)算 手臂在 G 總 的作用下有向下的趨勢(shì)，而里柱導(dǎo)套有防止這種趨勢(shì)。 由力的平衡條件有 FR1 =FR2 FR1h= G 總 ρ 即 FR1= FR2 = hGρ總 所謂的不自鎖條件為： G 總 F1 + F2 = 2 F1 = 2 FR1f 即 G 總 fhGρ總 取 f = 則 h ρ ∴ 當(dāng) ρ =1650mm 時(shí)， ρ =528mm 因此在設(shè)計(jì)中必須考慮到立柱導(dǎo)套必須大于 528mm 手臂做升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 F = F 慣 + F 摩 + F 密 + F 回 177。 G 式中 F 摩 — — 摩擦阻力 。 F 摩 = 2 F1f 取 f= G—— 零件及工件所受的總重。 （ 1） F 慣 的計(jì)算 F 慣 = gtvG總 設(shè)定速度為 V=4 m /min 。 起動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間差 t=。 G 總 近似估算 為 。將數(shù)據(jù)帶入上面公式有： F 慣 = gtvG總= s / ?? = F 摩 的計(jì)算 F 摩 = 2 FR1f FR1 = FR2 =hGρ總 m mKgNKg ??= N h 所以 F 摩 = 2 FR1 f = 2 = （ 2） 液壓缸在這里選擇 O 型密封， 所以密封摩擦力可以通過(guò)近似估算 F 密 = 最后通過(guò)以上計(jì)算 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動(dòng)時(shí)， F=6756N 當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動(dòng)時(shí)， F=6756 ( 286 2 ) =6184N 軸承的選擇分析 對(duì)于升降缸的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于機(jī)身回轉(zhuǎn)用的軸承有影響，因此，這里要充分考慮這個(gè) 問(wèn)題。對(duì)于本設(shè)計(jì)，采用一支點(diǎn)，雙固定，另一支點(diǎn)游動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)。作為固定支撐的軸承，應(yīng)能承受雙向軸向載荷，故內(nèi)外圈在軸向全要固定。其結(jié)構(gòu)參看本章開(kāi)始的本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)角接觸球軸承，面對(duì)面或者背對(duì)背的組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以承 受雙向軸向載荷。 本章小結(jié)本章對(duì)機(jī)械手的機(jī)身進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分別對(duì)機(jī)身的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。同時(shí)也計(jì)算了升降立柱不自鎖的條件，這是機(jī)身設(shè)計(jì)中不可缺少的部分。 設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng) 圖 （ 1）換向回路 液壓缸全部選用 O 型三位四通電磁換向閥。選用電磁閥易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)控制，選中位為 O 型可使定位準(zhǔn)確，如圖所示： 換向回路 （ 2）系統(tǒng)的安全可靠性 為防止液壓缸受系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響，則需在油路上加減壓閥保證壓力恒定不變。同時(shí)，為防止手臂升降缸在工作中因自重而下滑，可采用單向順序閥來(lái)平衡，如圖所示。 升降缸防滑保護(hù)裝置 （ 3） 執(zhí)行裝置 執(zhí)行元件是以油液為工作介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并將油液的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的 能量轉(zhuǎn)換裝置，如直線液壓缸輸出直線往復(fù)式機(jī)械能，擺動(dòng)液壓缸輸出 回轉(zhuǎn)擺動(dòng)式機(jī)械能。 液壓缸輸出直線往復(fù)式運(yùn)動(dòng) 液壓缸式液動(dòng)執(zhí)行元件之一。水平伸縮液壓缸選用單活塞桿雙作用油缸。單活塞桿雙作用液壓缸一般由缸桶、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。其工作原理：對(duì)于前伸 /回縮油缸，當(dāng)右側(cè)無(wú)桿腔進(jìn)油，左側(cè)有桿腔排油時(shí)活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮。對(duì)于升降油缸，當(dāng)當(dāng)下側(cè)無(wú)桿腔進(jìn)油，上側(cè)有桿腔排油時(shí)，活塞桿上升，反之活塞桿下降。 擺動(dòng)油缸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 擺動(dòng)油缸分為單葉片式和雙葉片式。 單片式擺動(dòng)油缸：壓縮油由進(jìn)油口輸入，作用在葉片上，帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，另一腔的油從排油口排出。 雙葉片式擺動(dòng)油缸：從進(jìn)油口進(jìn)入的壓縮油作用在一個(gè)葉片上，同時(shí)通過(guò)軸上的油路也作用在另一葉片上帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)。這樣雙葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將是單葉片式的 2 倍。 本設(shè)計(jì)采用雙葉式擺動(dòng)油缸，這樣就能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，以利于機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)。 . 控制元件 控制 元件是用來(lái)調(diào)節(jié)油液的壓力、流量和控制其流動(dòng)方向，使液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動(dòng)作速度、和改變運(yùn)動(dòng)方向，并按規(guī)定的程序工作。液動(dòng)控制閥按功能分為壓力控制閥、 流量控制閥和方向控制閥。 壓力控制閥 調(diào)節(jié)和控制壓力大小的液壓元件稱為壓力控制閥。它包括調(diào)壓閥、溢