【正文】 ing, and finally with mitsubishi PLC programmable control of the electric system to control the executive ponents of hydraulic system electromagnetic valve movement. The porter carrying manipulator to a final requirements.Keywords: Manipulator, Handling, Hydraulic, PLC第一章 緒 論 選題背景機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。目前，在國(guó)內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。本機(jī)械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無(wú)人化。本設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過(guò)程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約加工輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。C．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對(duì)具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價(jià)比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、液壓、氣動(dòng)、電氣傳動(dòng)及控制、傳感器、可編程控制器（PLC）、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、機(jī)械系統(tǒng)仿真等知識(shí)盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì)對(duì)大學(xué)階段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。 ~200186。 /s腕部運(yùn)動(dòng)參數(shù)：表 22運(yùn)動(dòng)名稱符號(hào)行程范圍速度回轉(zhuǎn)0 186。200 186。3mm 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)計(jì)算 手部設(shè)計(jì)基本要求(1) 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需要的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。(3) 在保證本身剛度，強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕手臂負(fù)載。 手部力學(xué)分析通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿式，夾緊裝置采用常開式夾緊裝置，他在彈簧的作用下手抓閉合下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿 圖22(a)為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。由 =0 得 = =0 得==由=0 得= ——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算： (22)式中 ——安全系數(shù)，~；——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。計(jì)算：設(shè)a=40mm,b=120mm,=35176。(1) 設(shè)= =102 mm/s = == = 根據(jù)公式，將已知條件帶入： =300=根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得：(2) ===986N 取(3) ==1160N(4) 確定液壓缸的直徑D (23)選取活塞桿直徑d=，選擇液壓缸壓力油工作壓力P=則 D=根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列表（JB82666），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=32mm，根據(jù)裝配關(guān)系，外徑為50mm。機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件來(lái)決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。圖23 手抓夾持誤差分析示意圖該設(shè)計(jì)以棒料來(lái)分析機(jī)械手的夾持誤差精度?！?4mm。夾持誤差不超過(guò)177。按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： β=176。176。 機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)計(jì)算 腕部設(shè)計(jì)基本要求(1) 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。(3) 必須考慮工作條件對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒(méi)有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒(méi)有太多不利因素。 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算一、腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：=+++ (Nm）； —工件對(duì)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg(2) 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩因?yàn)槭肿A持在工件中間位置，所以e等于0，即：=Ge+Ge=0(3) 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸載軸頸處的摩擦阻力矩為簡(jiǎn)化計(jì)算，一般取 =(4) 回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片和缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，與選用的密封裝置類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。 因?yàn)? =（+) (26) =======代入 =(+) =47所以 =+0+47= 二、腕部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 表23 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB82666） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表23設(shè)缸體內(nèi)壁半徑R=55mm，外徑按中等壁厚設(shè)計(jì)，由表42選取168 mm，動(dòng)片寬度b=66mm，輸出軸r=25mm。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力P===，所以選擇P=7MPa。四、動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘連接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱安裝，并用兩個(gè)定位銷定位。由 (28)得 (29)——單個(gè)螺釘?shù)念A(yù)緊力；D ——?jiǎng)悠鈴剑籪 ——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對(duì)鋼取f=；d ——輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑，初步計(jì)算可按D=（~）dD=110mm=，則d=44mm；螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 (210) 所以 (211)帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得===22234N螺釘材料選擇Q235， 則200MPa（n=~）螺釘?shù)闹睆? =螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm。（2） 雙層油缸空心活塞桿單桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu)（3） 采用花鍵套導(dǎo)向的手臂升降結(jié)構(gòu)（4） 雙活塞伸縮油缸結(jié)構(gòu)（5） 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。使用液壓驅(qū)動(dòng),液壓缸選取雙作用液壓缸。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算為 (212)一、手臂摩擦力的分析與計(jì)算由于導(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。 a——導(dǎo)向支撐的長(zhǎng)度（m）。對(duì)于圓柱面： (214)——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=656mm,導(dǎo)向支撐a設(shè)計(jì)為160mm 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算1400=3864N二、手臂密封處的摩擦阻力的計(jì)算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用O型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于10Mpa。三、手臂慣性力的計(jì)算= (215)式中 ——參與運(yùn)動(dòng)的零件的總重力（包括工件）(N)；——從靜止加速到工作速度的變化量(m/s)；——啟動(dòng)時(shí)間(s)，~；。 手臂伸縮油缸結(jié)構(gòu)的確定表26液壓缸的工作壓力作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa小于5000~120000~30000~5000~10000~30000~50000~10000~20000~50000以上~經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力F=4378N，根據(jù)表26選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa；（1） 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖26所示圖26雙作用液壓缸示意圖當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔： (216)當(dāng)油進(jìn)入有桿腔： (217)液壓缸的有效面積： (mm)所以 （無(wú)桿腔） （有桿腔） (218)式中——活塞驅(qū)動(dòng)力(P)；——油缸的工作壓力(MPa)；——活塞桿直徑；——油缸機(jī)械效率，工程機(jī)械中用耐油橡膠可取=；由上節(jié)求得驅(qū)動(dòng)力F=4378N，=1MPa，機(jī)械效率=將數(shù)據(jù)代入得：==根據(jù)表23（JB82666），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=80mm.（2） 液壓缸外徑的設(shè)計(jì)外徑按中等壁厚設(shè)計(jì)，根據(jù)表24（JB106867）取外徑選擇133mm.（3） 活塞桿的計(jì)算校核a，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。本次取=110則： =所以活塞直徑按下表取d=20mm，滿足強(qiáng)度要求。按中長(zhǎng)桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核，其臨界力=F() (221)式中: F——活塞桿截面面積(mm)； a，b——常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)，碳鋼a=461，b=； ——柔度系數(shù)，經(jīng)計(jì)算為70。 油缸端蓋的連接方式及強(qiáng)度計(jì)算(1) 缸體材料選擇無(wú)縫鋼管，此時(shí)端蓋的連接方式多采用半環(huán)鏈接優(yōu)點(diǎn)是加工和裝拆方便，缺點(diǎn)是缸體開環(huán)槽削弱了強(qiáng)度(2) 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算為保證連接的緊密性，螺釘間距t應(yīng)適當(dāng)（如圖25），在這種聯(lián)結(jié)中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預(yù)緊力之和 =+ (222)式中 ——工作載荷，=；——螺釘中心所在圓的直徑；P——驅(qū)動(dòng)力。=+=837+1257=2095N螺釘直徑按強(qiáng)度條件計(jì)算 (223)式中 ——計(jì)算載荷，=； ——許用抗拉應(yīng)力，=； ——螺釘材料的屈服點(diǎn)，材料選擇45鋼，則屈服強(qiáng)度為352MPa； n——安全系數(shù)，n=，此處取n=2； ——螺紋內(nèi)徑，=，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。 機(jī)身設(shè)計(jì)與計(jì)算 機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。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2000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。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。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。（2） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。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)。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。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)?；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。這樣就固定了花鍵軸，也就通過(guò)花鍵軸固定了活塞桿。具體結(jié)構(gòu)見下圖?；剞D(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)2000。m) (224)慣性力矩