球坐标工业机械手设计 目 录 TOC \o 1-2 \h \u 中文摘要 1 英文摘要 2 第一章 绪论 3 1.1工业机械手的组成和分类 3 1.2工业机械手设计内容和要求 3 第二章 球坐标工业机械手手部的设计 4 2.1手部设计计算 4 2.2手指夹持误差分析与计算 8 第三章 腕部设计 9 3.1 腕部设计的基本要求 9 3.2 腕部的结构以及选择 9 3.3腕部的设计计算 10 3.4驱动力矩的计算 13 3.5回转液压缸的确定 14 第四章 工业机械手臂部的设计 15 4.1 臂部设计的基本要求 15 4.2 手臂的典型机构以及结构的选择 16 4.3 手臂直线 确定液压缸工作压力和结构 19 4.5液压缸盖螺钉的计算 21 第五章 工业机械手的臂部俯仰缸设计 24 5.1驱动力矩的计算 25 5.2俯仰摆动油缸驱动力的计算 25 5.3俯仰摆动油缸的设计计算 26 5.4液压缸盖螺钉的计算 27 第六章 机身的设计计算 29 6.1 机身的整体设计 29 6.2 机身回转机构的设计计算 30 6.3回转缸尺寸的初步确定 30 第七章 液压传动与控制系统设计 32 7.1各液压控制回路的选取 32 7.2液压元件的计算和选择 33 7.3液压控制阀的选择 34 7.4液压辅助元件的选择和计算 34 7.5液压系统的计算参数 35 7.6作各液压缸工况图 36 7.7计算和选择液压元件 41 7.8液压系统的分析 42 第八章 电气控制系统设计 45 8.1可编程控制器简介及设计原则 45 8.2 PLC的结构及各部分的作用 45 8.3 PLC的结构组成 46 8.4 PLC的工作原理 47 8.5 PLC的编程语言 47 8.6可编程控制器控制系统设计原则 48 8.7工业机械手的程序设计 48 致谢 51 参 考 文 献 52 PAGE PAGE 2 PAGE PAGE 1 中文摘要 摘要：机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自从上世纪60年代初问世以来，已取得了显著成果和广泛用于。随着自动化技术的不断深入发展，欧美等发达国家早已进入自动化生产阶段。当前，我国产业升级和传统制造业企业技术改造蓬勃开展。掀起一场“机器换人”的浪潮，其实质是以“现代化、自动化”的装备提升传统产业，利用机器人、自动化控制设备或流水线自动化对企业进行智能技术改造，实现“减员、增效、提质、保安全”的目的。 本文设计的球坐标工业机械手就是针对企业工厂自动化生产线上而设计的，它主要实现物料的搬运。 它通过液压驱动能够实现100N的抓重，通过PLC控制，能够实现各种规定动作的控制，具有4个自由度，可实现X方向的伸缩。 该机械手具有自动化程度高，夹紧力大，效率高，能够完成复杂环境下的工作等特点，能够减轻工人劳动的强度，节约工作时间，提高企业的生产效率。 关键词：机械手 自动化 PLC 英文摘要 Abstract: Robotics, as one of the greatest inventions of mankind in the 20th century, has made remarkable achievements and been widely used since it came out in the early 1960s. With the further development of the automation, Europe and the United States and other developed countries have already entered the automated production stage. At present, Chinas industrial upgrading and traditional manufacturing enterprises to vigorously carry out technological transformation. The essence of setting off a wave of replacement of machines is to upgrade traditional industries with modern and automatic equipment, and transform enterprises with intelligent technology by using robots, automatic control equipment or assembly line automation, to achieve the goal of reducing staff, increasing efficiency, improving quality and ensuring safety . In this paper, design of manipulator is designed on factory automation production line for enterprise, its main material handling. It by hydraulic drive can achieve 300 n catch weight, through the PLC control, motion control can achieve a variety of regulations and has four degrees of freedom, which can realize the X direction of scaling. This manipulator has a high degree of automation, large clamping force, high efficiency, able to complete the work in a complicated environment etc., can reduce workers labor intensity, save work time, improve the production efficiency of enterprises. Key words: automation PLC manipulator PAGE PAGE 16 PAGE PAGE 17 第一章 绪论 1.1工业机械手的组成和分类 1.1.1、工业机械手的组成： 工业机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置监测装置等组成。各系统相互之间的关系如下图所示。 1.1.2、工业机械手的分类： 工业机器人可以按照负载重量、应用领域、控制方式等分类。 1、按负载重量分类 微型机械手（重力在10N以下） 小型机械手（重力在100N以下） 中型机械手（重力在500N以下） 大型机械手（重力在500N以上） 2、按应用领域分类 专用机械手 通用机械手 3、按控制方式分类 点位控制 连续轨迹控制 1.2工业机械手设计内容和要求 1.2.1、主要参数： 主要参数的确定： 1、坐标形式：球坐标 2、抓重：300N 3、自由度：4个 4、臂的运动参数： 运动名称 符号 行程范围 速度 伸缩 X 350mm 200mm/s 回转 φ 0°~210° 90°/s 俯仰 θ 0°~45° 90°/s 升降 Z 无 无 横移 Y 无 无 5、腕部的运动参数： 运动名称 符号 行程范围 速度 回转 ω 0°~180° 90°/s 小臂俯仰 θ2 无 无 6、定位方式：电位器(或接近开关等)设定，点位控制 7、驱动方式：液压(中、低压系统) 8、手指指夹持范围：棒料，直径φ40~φ60，长度450~1200mm 9、定位精度：±3mm 10、控制方式：PLC控制 第二章 球坐标工业机械手手部的设计 2.1手部设计计算 工业机械手的手部又称为末端操作器，它是机器人直接用于抓取和握紧专用工具进行操作的部件。它安装于工业机械手的前端，具有模仿人手动作的功能。 2.1.1、手部设计的基本要求 1、应当具有适当的夹紧力 为了保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面，手部在工作时，应具有适当的夹紧力。在确定夹紧力时，除考虑工件的重量外，还应该考虑在传送或操作过程中所带来的惯性力和振动，对于刚性很差的工作夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。 2、应当具有足够的开闭范围 机械手的手部手指都有张开和闭合的动作。手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭的范围大一些较好。若夹持不同尺寸的工件，应该按最大尺寸的工件考虑。 3、要求手部结构简单，重量轻，体积小、效率高 手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，在保证一定的强度和刚度的前提下，必须力求结构简单，重量轻，体积小，以利于减轻臂部的负载。 4、应保证工件夹持精度 应保证每个被夹持的工件，在手指内都有相对准确的位置，避免工件在手指内的滑动或者不稳定性的产生。 5、设计时应考虑通用性和特殊位置的要求 在设计时，应考虑到扩大机械手的适用范围，尽量实现一机多用，提高机械手的通用程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件的需要，以外，还应该考虑到使用环境的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀等。 综上考虑，根据工件的形状和设计的参数要求，此次设计的机械手将采用最常用的滑槽杠杆式夹钳手，此种结构手部较为简单，制造方便，通用性强。 2.1.2、手部参数的计算 滑槽杠杆式夹钳手结构如下图，其原理是在拉杆3作用下销轴2向上 的拉力为P，并且通过销轴中心点O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽的中心线的延长线于A与B 由 得 得 得 因 所以 (2-1) 式中а——手指的回转支点到对称中心线的距离； α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线、手部握力计算： 1、理论驱动力计算 由上面可知，驱动力为： 在此设计中，我们选择V型指型夹方料，手指与工件位置选择：手指水平位置夹水平放置的工件。由课程设计指导书表2－1查得握力计算公式： 由设计参数可知，G＝100N，故可求得N＝0.5×100N=50（N），将N=50N代入驱动力的计算公式中，并且在此设计中，我们选择使用参数a=40(mm),b=80(mm)，α＝30°，可求得理论驱动力P＝150N 2、实际驱动力计算 夹持手部在工作过程中，其实际驱动力的大小，除理论驱动力P外，还应考虑传力机构的效率及工件运送过程中所产生的惯性力等因素的影响。 实际驱动力的计算公式： (2-2) 式中，P-理论驱动力， K1-安全系数，取1.5～2 K2-实际工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按下式估算： （其中，a为手部抓取工件后手臂运动的最大加速度，g为重力加速度） Η-手部的机械效率，一般取故取0.85~0.95，此处η取0.9。 K1-为安全系数，一般取1.2~2，此处K1＝1.5 若被抓取工件的最大加速度取a＝g时，则K2＝1＋1＝2 所以 ,即夹持工件时所需夹紧油缸的驱动力为500N。 3.确定液压缸的直径D 由《机械设计手册 液压传动与控制》可知 (2-3) 由于作用在活塞上的外力小于5000N,故选择液压缸压力油工作压力P=1MPa, 根据《机械设计手册 液压传动与控制》表23.6-33，选取液压缸内径为：D=63mm 则活塞杆内径为: D=630.5=31.5mm，选取d=32mm 表2-1 液压缸的工作压力 作用在活塞上外力F（N） 液压缸工作压力Mpa 作用在活塞上外力F（N） 液压缸工作压力Mpa 小于5000 50000以上 2.2手指夹持误差分析与计算 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关，为使机械手能适用于多品种小批量 工件直径在一定范围内变化的生产中，必须使用合理的手部结构参数，可以采用自动定心的手部结构来减少机械手的调整工作，从而使加持误差控制在较小范围内。 该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为φ40mm～φ60mm一般夹持误差不超过1mm,分析如下：工件的平均半径： 手指长,取V型夹角 图2-2 手抓夹持误差分析示意图 偏转角按最佳偏转角确定： (2-4) 计算 因，即和在双曲线的对称点的同侧，故其夹持误差△为： mm 夹持误差△=1.5mm，因此本设计的夹持误差3mm,满足设计的要求。 第三章 腕部设计 3.1 腕部设计的基本要求 机械手的手腕是在机器人手臂和手爪之间用于支撑和调整手爪的部件。它主要用来确定被抓物体的姿态。 1、结构紧凑、重量轻。腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 2、综合考虑，布局合理。腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除了保证力和运动的要求，及具有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，如应解决好腕部与臂部和手部的连接，碗部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题。 3、考虑工作条件。对于本设计，机械手的工作条件是在正常工作场合中搬运加工的棒料，不会受到环境的影响，对机械手的腕部没有太多不利因素。如果机械手处在高温和腐蚀性的工作介质中，就应在设计时充分考虑环境对机械手腕部的影响。 3.2 腕部的结构以及选择 3.2.1、典型的腕部结构 1、具有单自由度的回转缸驱动的腕部结构。它直接用回转缸驱动实现腕部的回转运动，具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛采用。 2、用齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于270°的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。 3、具有两个自由度的回转缸驱动的腕部结构。它是来实现腕部的回转和左右摆动。 4、机-液结合的腕部结构 3.2.2、腕部结构和驱动机构的选择 本设计要求手腕回转180°，通过以上的分析，腕部的结构采用具有一个自由度的回转缸驱动的腕部结构，驱动方式采用液压驱动，采用具有一个自由度的回转缸驱动的腕部机构，直接用回转液体压驱动来实现腕部的回转，具有机构紧凑，灵活等优点。如图下图2-2所示的腕部结构，采用一个回转液压缸，实现的旋转运动。从A-A剖面视图上可以看出，回转叶片（简称动片）用螺订，销钉和转轴10连接在一起，定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔5，7进出油涳，实现手部12的旋转。如下图： 图3-1 机械手腕部结构 3.3腕部的设计计算 3.3.1、腕部设计考虑的参数 基本参数：抓重G=100N,回转符号，行程，速度,以最大负荷计算，当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，用估算法，工件重100N，长度取1200mm，如图所示： 图3-2 腕部受力简图 3.3.2、腕部的驱动力矩计算 1、腕部转动时所需的驱动力矩力矩可按下式计算 (2-5) ——驱动腕部转动的驱动力矩(Nm) ——惯性力矩(Nm) ——参与转动的零部件的重量(包括工件 手部 腕部回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩(Nm) ——腕部转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩(Nm) ——腕部回转缸的动片与定片 缸径 端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(Nm) 棒料的计算采用最大值，夹取棒料直径60mm，长度1200mm，重量10Kg,因为腕部的伸缩缸为腕部回转的转动缸的轴，故将其整体视为一圆柱体，直径为180mm，其长为185mm，故估算其重为，另外，工件重为G2 =100N。其总重为G=460N。 等速转动角速度。 腕部加速运动时所产生的惯性力矩 =（+) (2-6) 式中：J-参与腕部转动的部件对转动轴线ae;
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