【正文】 參考文獻(xiàn) 劉明保 ，呂春紅等 .機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)的確定 .河南高等專科學(xué)校學(xué)報(bào) , 李超，氣動(dòng)通用上下料機(jī)械手的研究與開(kāi)發(fā) .陜西科技大學(xué)， 2021 陸祥生 ，出版社 , ：北京理工大學(xué)出版社 ,1992 史國(guó)生 .PLC 在機(jī)械手步進(jìn)控制中的應(yīng)用 .中國(guó)工控信息網(wǎng) , 出版社 , 蔡自興 .機(jī)械人學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展戰(zhàn)略 .機(jī)械人技術(shù) ,2021， 4 與密封 ,1999， 4 金茂青，曲忠萍，張桂華 .國(guó)外工業(yè)機(jī)械人發(fā)展的態(tài)勢(shì)分析 .機(jī)械 人技術(shù)與應(yīng)用 ,2021， 2 王雄耀 .近代氣動(dòng)機(jī)械人（機(jī)械手）的發(fā)展及應(yīng)用 .液壓氣動(dòng)與密封 ,1999，5 與機(jī)床， 2021. 張軍， 封志輝 .多工步搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì) .機(jī)械設(shè)計(jì) ,： 21 濮良貴，紀(jì)名剛 .機(jī)械設(shè)計(jì)，第七版 .北京：高等教育出版社 , 王國(guó)強(qiáng) . 虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在 ADAM S 上的實(shí)踐 [M ]. 西安 : 西北工業(yè)大學(xué)出版社 , 2021. 王成，王效月 .虛擬樣機(jī)技術(shù)及 ， 2021， 6 李軍 .ADAMS 實(shí)例教程 .北京： 北京理工大學(xué)出版社 .2021 ClavelR .Delta,a fast robot wth parallel geometry. TheInt. Symposium on in dustrial robots ISIR ,Sydney,Australia,1988,91100. John ,Introduction to Robotics Mechanics and Control,Second Edition,AddisonWesley,Reading,MA,1989. Durstewitz,M 。也對(duì)這四年來(lái)給予了我各方面極大支持及鼓勵(lì)機(jī)械學(xué)院老師表示感謝。在她的指導(dǎo)下取得了很大的進(jìn)步，同時(shí)他豐富的理論知識(shí)及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)、對(duì)待學(xué)術(shù)問(wèn)題的科學(xué)態(tài)度令我十分欽佩。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、嚴(yán)于 律己寬以待人的做人風(fēng)范是作者終身學(xué)習(xí)的榜樣。相信這對(duì)以后的生活和學(xué)習(xí)都將產(chǎn)生非常積極的影響。機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的水平伸縮、垂直升降、回轉(zhuǎn)，手腕旋轉(zhuǎn)，手爪抓取等功能，基本滿足設(shè)計(jì)所要求的技術(shù)性能。在本設(shè)計(jì)中，我完成了總體方案的設(shè)計(jì)，傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及主要零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算，并進(jìn)行了必要的校核計(jì)算。下面的程序在 STEP7 中編譯完全通過(guò)，無(wú)任何錯(cuò)誤。 具體 I/O 分配如下表所示： 表 81 I/O 分配表 輸入部分 輸出部分 功能 地址 說(shuō)明 功能 地址 說(shuō)明 啟動(dòng) 啟動(dòng)按鈕 SB1 接入 原位指示 接 指 示 燈 HL 上限位 信號(hào) SQ1 接入 上升 接電磁閥 YV1 下限位 信號(hào) SQ1 接入 下降 接電磁閥 YV2 伸限位 信號(hào) SQ1 接入 伸長(zhǎng) 接電磁閥 YV3 縮限位 信號(hào) SQ1 接入 縮回 接電磁閥 YV4 停止 啟動(dòng)按鈕 SB2 接入 手臂左旋轉(zhuǎn) 接電磁閥 YV5 手臂右旋轉(zhuǎn) 接電磁閥 YV6 手腕左旋轉(zhuǎn) 接電磁閥 YV7 手腕右旋轉(zhuǎn) 接電磁閥 YV8 手爪夾/松 接電磁閥 YV9 具體 S7― 200CUP226 的結(jié)構(gòu)接線如下圖所示 圖 機(jī)械手 PLC 控制接線圖 具體機(jī)械手動(dòng)作的執(zhí)行順序如下： 上升 伸長(zhǎng) 夾緊 縮回 手腕左擺 手臂左擺 下降 松開(kāi)工件 上升 手腕右擺 手臂右擺 下降 動(dòng)作執(zhí)行的具體位置如圖 8― 2 所示： 圖 機(jī)械手動(dòng)作分解圖 PLC 程序設(shè)計(jì)及仿真 根據(jù)圖 作如下程序流程圖： 圖 機(jī)械手程序流程圖 本程序設(shè)計(jì)是在西門(mén)子 STEP7Micro/WIN 編程軟件編寫(xiě)的。移位寄存器的特點(diǎn)如下： N 要小于 64，具體由程序指定當(dāng) N 0 時(shí)，為正向移位，即從最低位向最高位移位；當(dāng) N 0 時(shí)，為反向移位，即從最高位向最低位移位。此外， 順便說(shuō)明下面程序用到的移 位寄存器 SHRB，它在順序控制或步進(jìn)控制中，都很方便。在此說(shuō)明下本設(shè)計(jì)要用到的 TON 無(wú)記憶定時(shí)器，按定時(shí)精度有 1ms,10ms,100ms 三個(gè)等級(jí)，其中 1ms 的定時(shí)器編號(hào)為 T32， T96； 10ms 的有 T33~T36,T97~T100。 PLC 選擇及 I/O 分配 本設(shè)計(jì)采用西門(mén)子公司生產(chǎn)的 S― 200 系列 PLC，型號(hào)為 CPU226 ，本機(jī) I/O為： 24 入 /16 出，類型為：繼電器，輸出電壓為ＤＣ：２４Ｖ，ＡＣ：２４Ｖ～ ２３０Ｖ，輸出電流為２Ａ。一般 PLC 都具有自診斷、故障報(bào)警、故障種類顯示等功能，便于操作和維修人員檢查，可以較容易通過(guò)更換模塊插件來(lái)迅速排除故障。在進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，一般不再需要用戶制作其它任何附加裝量，從而使設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)化。 （ 3）通用性強(qiáng) 各個(gè) PLC 的生產(chǎn)廠家都有其各種系列化產(chǎn)品、各種模塊供用戶選擇。 （ 2）編程簡(jiǎn)單 PIC 最常用的編程語(yǔ)言是梯形圖語(yǔ)言，梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語(yǔ)言形象直觀，容易掌握，不需要專門(mén)的計(jì)算機(jī)知識(shí)，便于廣大現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員掌握。 PLC 的向可靠性已受到用戶的普遍認(rèn)可。 圖 機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖 PLC 控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì) PLC 的特點(diǎn) （ 1）可靠性高 由于采取了一系列的保證 PLC高可靠件的措施， PLC的平均無(wú)故障時(shí)間 MTBF 一般可達(dá) 3― 5 萬(wàn) h。為減少回油阻力，電磁閥回油口可統(tǒng)一接到或部分直接接回油箱，這根據(jù)具體管路設(shè)計(jì)情況及散熱效果而定。單向閥起單向過(guò)流和系統(tǒng)保壓作用。壓力繼電器起過(guò)壓發(fā)訊作用。液壓件能自行潤(rùn)滑，使用壽命較長(zhǎng)。 5 液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。 4 液壓傳動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因?yàn)樗鼘?duì)液體的壓力、流量或流動(dòng)方向進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)，操縱很方便。液壓裝置的換向頻率，在實(shí)現(xiàn)往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)每分鐘 500 次，實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)每分鐘 1000 次。 2 液壓裝置工作比較平穩(wěn)。在同等功率的情況下，液壓裝置的體積小．重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。這種結(jié)構(gòu)可以承受雙向軸向載荷。其結(jié)構(gòu)參看本章開(kāi)始的――機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖 。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)。近似估算為 。 （ 1）的計(jì)算 設(shè)定速度為 V 4。 1920mm 所以，回轉(zhuǎn)半徑 3 計(jì)算偏重力矩 升降不自鎖條件分析計(jì)算 手臂在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)。 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算 手臂偏重力矩的計(jì)算 圖 手臂各部件重心位置圖 零件重量、等。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘?dòng)片和輸出軸之間的配合緊密。 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 圖 回轉(zhuǎn)缸的截面圖 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 。 液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 根據(jù)表 ，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， ， ,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)）。 經(jīng)過(guò)以上的計(jì)算 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。 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)量角度 180，則起動(dòng)角速度 ，起動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為 。 ――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（）。 圖 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 （ 1） 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，應(yīng)該與手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡。 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)。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊?；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?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的。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)。 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)。 活塞缸和齒條齒輪機(jī)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。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。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種： 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。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)。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。 結(jié)論： 活塞桿的強(qiáng)度足夠。 經(jīng)過(guò)以上分析計(jì)算最后計(jì)算出液壓缸的驅(qū)動(dòng)力： 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定 經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力 F 6210N，根據(jù)表 選擇液壓缸的工作壓力 P 2MPa 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸： 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖 所示 圖 雙作用液壓缸示意圖 當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔， 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中， 液壓缸的有效面積： 故有 （無(wú)桿腔） （有桿腔） F 6210N， ，選擇機(jī)械效率 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： 根據(jù)表 41（ JB82666），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇 D 65mm. 液壓缸外徑的設(shè)計(jì) 根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在 7mm，所以該液壓缸的外徑為 79mm. 活塞桿的計(jì)算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求。 對(duì)于圓柱面： ――摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無(wú)潤(rùn)滑時(shí)： 鋼對(duì)青銅：取 鋼對(duì)鑄鐵：取 計(jì)算： 導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 ， L ,導(dǎo)向支撐 a 設(shè)計(jì)為 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算 手臂慣性力的計(jì)算 本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是 V ,在計(jì)算慣性力的時(shí)候 ,設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)速度 V V , 密封裝置的摩 擦阻力 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用 O 型密封，當(dāng)液壓缸工作壓力小于 10Mpa。 a――導(dǎo)向支撐的 長(zhǎng)度（ m） 。 圖 機(jī)械手臂部受力示意 計(jì)算如下： 由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。 手臂摩擦力的分析與計(jì)算 分析： 摩擦力的計(jì)算 不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。 做水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦、慣性等幾個(gè)方面的阻力，來(lái)確定來(lái)確定液壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力。 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 先進(jìn)行粗略的估算，或類比 同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。 手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。為此，必須計(jì)算使之滿足 不自鎖的條件。 三、手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活 為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。 減少回轉(zhuǎn)半徑，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作。減少慣量具體有 3 個(gè)途徑： 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在 ,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在內(nèi)，大部分平均移動(dòng)速度為，平均回轉(zhuǎn)角速度在。 提高配合精度。 合理布置作用力的位置和方向。 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 一、 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。本章敘述手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處，將在下一章敘述。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空 間運(yùn)動(dòng)。 于是得 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 或