三自由度搬运机械手的设计

轴承坯料搬运机械手的设计机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用机械手是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。 它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动 化技术装备。机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条 件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、 频繁、单调的操作，采用机械手是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放 射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本课题的主要内容是采用机械设计原理，进行三自由度搬运机械手的设计，熟悉三 自由度机械手的运用场合和相关的设计步骤。机械手可以代替很多重复性的体力劳动， 从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。结合三自由度设计的各方面的知识，在设计 过程中学会怎样发现问题解决问题研究问题。并且在设计中融入自己的想法和构思, 提高自己的创新能力。尽力使机械手使用方便，结构简单。关键词：机械手，输送工件，搬运，三自由度-1 -ABSTRACTManipulator is a mechanical technology and electronic technology with the combination of high technology products. Using manipulator is to improve product quality and productivity, and realize the automatic production process, improve working conditions, and reduce labor intensity of a kind of effective method. It is an imitation of the upper part of the human body function, according to the predetermined requirement or parts transportation holding tools for operation of the automation technology and equipment. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and production automation level. Industrial production often appears in the handling of the heavy and long-term, frequent, drab operation, USES the manipulator is effective; In addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, more shows its superiority, with broad prospects.This topic is the main content of the mechanical design principle of the design of the three dof carrying manipulator, familiar with three degrees of freedom of the manipulator using occasions and related design steps. Robots can replace a lot of repeatability of physical labor, so as to reduce the labor intensity, improve production efficiency. Combined with three degrees of freedom all aspects of design knowledge, in the design process learn how to find out the problem to solve problems. And in the design idea and into their idea, improve their innovation ability. Try to make robots easy to use simple structure.Key Words: Manipulator, conveying work piece, handling, three degrees of freedom- # -第1章绪论 41.1机械手的历史 41.2机械手的组成 51.3机械手的分类 6第2章搬运机械手机构总体方案设计 82.1搬运机械手设计要求 82.2基本设计思路 12.3搬运机械手结构设计 112.4机械手材料的选择 112.5机械臂的运动方式 112.6搬运机械手驱动与控制系统分析 12第3章搬运机械手机械结构设计与计算 133.1搬运机械手手爪设计 133.2搬运机械手手臂设计 133.3手部设计计算 -23 -3.4腕部设计计算 203.5液压驱动系统设计 213.6机身结构的设计 23第4章机械手控制系统的设计 274.1 PLC 简介 274.2 PLC工作原理 274.3 PLC机型的选择 274.4 PLC控制面板的拟定 294.5机械手工艺过程和控制方案的确定 304.5 PLC程序编写 33总结与展望 40参考文献 41致谢 42-3 -1 绪论随着人类科技的进步，社会经济的发展，机器人学成为近几十年来迅速发展的一 门综合学科。它体现了光机电一体化技术的最新成就，机械手作为其中的佼佼者更是 发挥了不可磨灭的作用。在人类社会中，凡是有机械活动的地方，都能看到机械手的 身影。机械手产品的应用已经由核工业和军事科技等高端科学领域向医疗、农业甚至 是服务娱乐等民用领域发展了，并且各式各样的机械手正在涌现出来，以惊人的速度 延伸到人类活动的各个领域。机械手是由于人类期望生产水平的提高，为了提升生产 效率而出现的。然而由于机械手善于完成重复的，单调的，精确度要求高的工作，能 取代人在恶劣的环境中完成人类不能或者不愿完成的工作，因此，机械手的出现又大 大解放了人类的生产力。所以说机械手的发展是社会发展的结果，也是社会发展的必 然趋势。现在，很多发达国家都追逐着机械手这一发展趋势，积极地进行着机械手的 各种开发和研制的工作，并且其中一些国家已经取代了不错的成果，研制出了许多新 型且实用的机械手或者是机器人。例如：日本的跳舞机器人、犬型机器人爱宝 (AIBO) ；。英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人；美国 iRobot 公司推出了能避开障碍，自动设计行进路线吸尘器机器人Roomba；上海世博会使用过的福娃机器人等等。由于机械手的迅猛发展，机械手进入学校教学是必然的。三自由度机械手作为是 机械手的典型产品，其设计及应用对机电一体化、机械结构工艺、机械制造、自动 化、电子信息等专业的教学及研究都有着很重要的意义。1.1 机械手的历史机械手是在机械化， 自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。 它是机器人的一 个重要分支。 它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务， 在构造和性能上兼有 人和机器各自的优点， 尤其体现了人的智能和适应性。 在现代生产过程中，机械手被广 泛的运用于自动生产线中， 机械手虽然目前还不如人手那样灵活， 但它具有能不断重复 工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手 已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手首先是从美国开始研制的。 1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。 它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构， 控制系统是 示教形的。 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再 现型机械手。商名为Unimate。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用 液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。 不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发- 4 -展起来的。同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatra n机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于土1毫米。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。目前，机械手大部分还属于第一代， 主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是降 低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有 视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使 机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS和柔性制造单元FMC中的 重要一环节。1.2机械手的组成一般来说，机械手主要有以下几部分组成：1. 手部（或称抓取机构）：包括手爪、传力机构等，主要起抓取和放置物件的 作用。2. 传送机构（或称臂部）：包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的 作用。3. 驱动部分：它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、 电力和电机四种驱动形式。4. 控制部分：它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等。5. 其它部分：如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。1.2.1执行机构一般机械手的执行机构由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、缓冲与定位，还有 行走机构组成。1.2.2驱动机构驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。不过目前还 是以液压和气动用的最多液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点，它利用油缸、马达 加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链 条、链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点，结构紧凑，刚性 好。定位精度高，克实现任意位置开停。 有很多专业机械手能直接利用主机的液压系统。 但缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气动驱动结构简单、造价低廉。气源方便，所需的压缩气源一般工厂都有，并且无污染，一般采用的压力0.4-0.6MPa,最高可达1MPa缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压 系统容易生锈。电动由于减速和回转运动变往复运动机构复杂 , 很少采用。机械式用于简单的场 合。1.2.3 控制机构机械手的控制方式有点动和连续控制两种方式。 大多数是用插销板进行点位程序 控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿 孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.3 机械手的分类机械手从使用范围、 运动坐标形式、 驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别 为：1. 按使用范围分类：(1) 专用机械手 一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某 种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如 “毛坯上下料机械手”、“曲拐 自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较 低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。(2) 通用机械手 指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机 器，而且能自动完成传送物件或操作某些工具的机械装置。 通用机械手按其定位和控制 方式的不同， 可分为简易型和伺服型两种。 简易型只是点位控制， 故属于程序控制类型， 伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。2. 按运动坐标型式分类：(1) 直角坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴 X 、Y 、Z 三个方向移动， 亦 即臂部可以前后伸缩 ( 定为沿 X 方向的移动 ) 、左右移动 ( 定为沿 Y 方向的移动 ) 和上下升降（定为沿Z方向的移动）；（2）圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动（定为绕Z轴转动），亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；（3）球坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和 Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩（沿X方向移动）、上下摆动（定为绕丫轴摆动）和左 右转动（仍定为绕Z轴转动）；（4）多关节式机械手这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接（肘部）以及大臂和机体的连接（肩部）均为关节（铰链）式连接，亦即小臂对大臂可 绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。3.按驱动方式分类：(1)液压驱动机械手以压力油进行驱动；(2)气压驱动机械手以压缩空气进行驱动；(3)电力驱动机械手直接用电动机进行驱动；机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。4.按机械手的臂力大小分类:(1)微型机械手臂力小于1 kg；小型机械手臂力为1 10 kg；(3)中型机械手臂力为10 30 kg;大型机械手臂力大于30 kg。我所设计的搬运机械手，是以搬运物料为目的的圆柱坐标式三自由度机械手 它采用液压与机械传动两种驱动方式，属于小型机械手。-7 -第2章搬运机械手机构总体方案设计2.1搬运机械手设计要求SQ1SQ6Ar一下限开关右限左旋夹紧上限幵关传送带A传送带BSQ4光屯开关图1机械手工作示意图(1) 初始状态，按启动按钮传送带 A开始传送物料，光电传感器开始工作，机械 手回原点。(2) 当光电传感器检测到有物料时，传感器将信号传给机械手，机械手开始工作。(3) 机械手从初始位置开始运动，通过机械手臂的旋转，机械手抓伸出，机械臂下 降，机械手抓抓紧来获得传送带 A上的物料。(4) 获得物料后，通过机械臂升降，机械手抓的伸缩，机械臂旋转，机械手抓的放 松，将物体运送到传送带B上。(5) 机械手完成这一系列动作后，开始重复工作。2.2基本设计思路2.2.1系统分析机械手是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的一种有力工具。要在一个生产过 程中实现自动化，需要对各种机械化、自动化装置进行综合的技术和经济分析，从而判断机械手是否合适。所以要完成机械手的设计，一般要先做如下工作：(1) 根据机械手的使用场合，明确机械手的目的和任务。(2) 分析机械手所在的系统工作环境。(3) 认真分析系统的工作要求，确定机械手的基本功能和方案，如机械手的自由度 数目、动作速度、定位精度、抓取重量等。进一步根据抓取、搬运物体的质量、形状、 尺寸及生产批量等情况，来确定机械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。对此，我进行如下分析：(1) 本设计课题为物料传送机械手设计，是通过机械手进行两地物料运输的机械 手。而机械手的使用场合，非常广泛，要涉及到物料的状态，运作流水线的环境等等因 素，相较于我所掌握的理论知识和能力， 我选择非批量生产的小型物体加工流水线上的 物料传送机械手。(2) 由于我所选择的机械手是非批量生产的小型物体加工流水线上的物料传送机械手，所以，机械手所在的系统工作环境一定是工厂，要求精度高，容错率低，速度快。(3) 再者是搬运物体的考虑，由于是小型物件，所以对机械手的抓取力量并无太高 要求，而物体形状初步拟定为圆柱形，方便设计。2.2.2总体设计框图控制系统感知系统图2总体设计框图如图2为总设计框图，说明如下：(1) 控制系统：任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制机械手的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为CPU的选择，CPU程序的编写调试等。(2) 驱动系统：驱动系统工作的驱动装置。(3) 机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式， 并计算得出具体结构。(4) 感知系统：即传感器的选择及具体作用223搬运机械手的基本参数1. 机械手的最大搬运物料的重量是它的主参数。本论文物料传送机械手所搬运 的物料质量可设定为5kg。2. 运动速度直接影响机械手的动作快慢和机械手动作的稳定性，所以运动速度也是是物料物料传送机械手的一个主要的基本参数。设计速度过低的话，会无法满足机械手的动作功能，限制机械手的使用范围。设计的速度过高又会加重机械手的负载并影 响机械手动作的平稳性。该机械手的最大平移速度为1 m/s。3. 伸缩行程和工作半径是决定机械手工作范围及整机尺寸的关键，也是机械手设计的基本参数。过大的工作半径和伸缩行程，会增大机械手的运动负载，使得机械手刚性降低，而工作半径过小则不能够实现机械手的功能，限制了机械手的应用和扩展性。 本论文物料传送机械手设定水平反向伸缩行程 200mm，回转角度范围为90。机械手 竖直方向的升降行程为100mm。4. 定位精度也是机械手的主要基本参数之一。机械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味着成本的增加。 综合考虑，该物料传送机械手的定位精度设定为士 0.5到士 1mm之间。物料传送机械手的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物 料传送机械手各关节的行程和时间分配来决定。表1物料传送机械手基本参数(自定)水平机构伸出范围：0500mm垂直机构升降范围：100mm伸出速度334mm/s上升速度：200mm/s收缩速度334mm/s下降速度：200mm/s:定位精度士 1mm定位精度：n士 1mm回转机构回转角度180 手爪搬运范围 0500mm回转速度90 /s定位精度：士 5-11 -2.3搬运机械手结构设计2.3.1搬运机械手坐标形式的选择根据所设计的机械手的运动方式：机械臂的转动，机械臂的升降，机械臂的伸 缩，得到了机械臂的三个自由度。根据上文所说的，机械手按照坐标的分类情况，选择 圆柱坐标式机械手更为妥当。2.4机械手材料的选择机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来进行选择，并满足机器人的设计和制作 要求。从设计的思想出发，机器人手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作 为运动的部件，它应是轻型材料。另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这必 然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑， 以便有效地提高手臂的动态性能。此外，机器人手臂选用的材料与一般的结构材料不同。 机器人手臂是一种伺服机构，要受到控制，必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时， 可控性还要和材料的可加工性、结构性、质量等性质一起考虑。总之，选择机器人手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、 外观及价格等多方面因素。下面介绍几种机器人手臂常用的材料：(1) 碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢：这类材料强度好，尤其是合金结构钢强度增 加了 45倍、弹性模量E大、抗变形能力强，是应用最广泛的材料；(2) 铝、铝合金及其它轻合金材料：其共同特点是重量轻、弹性模量 E不大，但是材 料密度小，则E/p之比仍可与钢材相比；(3) 陶瓷:陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，可加工型不好，与金属等零件连 接的接合部需要特殊设计。然而，日本己试制了在小型高速机器人上使用的陶瓷机器人 手臂的样品；从本文设计的机械手的角度来看，在选用材料时不需要很大的负载能力，也不需要很 高的弹性模量和抗变形能力，此外还要考虑材料的成本，可加工性等因素。在衡量了 各种因素和结合工作状况的条件下，初步选用铝合金作为机械臂的构件2.5机械臂的运动方式根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。 常见的机器人的运动形式有 五种:直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和 SCARA型。同一种运动形式为适 应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。具体选用哪种形式，必须根据作业要求、工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等情况，分析比较并择优选取。 考虑到机械手的作业特点，即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧 凑、占用空间小等特点，故选用关节型机械手。这类机械手一般由2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴旋转，另一 个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线，如图所 示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占 地面积小、关节上相对运动部位容易密封防尘。但是这类机械手运动学比较复杂，运动 学的反解比较困难；确定末端杆件的姿态不够直观，且在进行控制时，计算量比较大。9叽(a)耳抿躺上弍2图3常见的运动方式尖吊條i餐2.6搬运机械手驱动与控制系统分析2.6.1驱动方式的选择机械手常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种基本形式。液压驱动的特点是功率大、结构简单，可省去减速装置，响应快，精度较高。但是 需要有液压源，而且容易发生液体泄漏。气压驱动的能源、结构都比较简单，但与液压驱动相比，功率较小，速度不易控制, 精度不咼。电机传动能源简单，机构速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，使用 方便，噪声低，控制灵活。起初，我先选择电动机的传动结构，但是考虑到机械手的升降运动运用纯机械结构 并不能达到理想传动效果。而机械手臂旋转如若使用气压或者液压传动，就必须带有旋 转气压或者旋转液压缸，相对来说结构较为复杂，不利于设计。故改良方案，将驱动方式分成两个部分。 其中，机械臂的回转采用电机传动的驱动 方式，通过电机带动齿轮链进行旋转传动；而机械臂的伸缩、升降和机械手抓的抓取， 都采用气压驱动方式。2.6.2控制系统的选择这里选择用PLC控制的控制系统3搬运机械手机械结构设计与计算3.1搬运机械手手爪设计设计时考虑的几个问题：1. 具有足够的夹紧力：在确定手爪的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传 送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。2. 手爪间应具有一定的开闭角：两手爪张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称 为手爪的开闭角。手爪的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开， 若夹持不同直径的工件， 应按最大直径的工件考虑。对于移动型手爪只有开闭幅度的要求。3. 保证工件准确定位：为使手爪和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被 抓取工件的形状，选择相应的手爪形状。考虑被抓取对象的要求，手爪形状设计成V型4. 具有足够的强度和刚度：手爪除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手 在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响， 要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲 变形，应当尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使 手腕的扭转力矩最小。3.2搬运机械手手臂设计机械手臂，在我的设计中，涉及到三个自由度：升降、伸缩、旋转。水平手臂作伸 缩用，而垂直手臂则有两部分组成。与底座连接部分为机械臂旋转部分，通过电机带动齿轮链使得机械臂旋转；上面部分为机械臂升降部分，通过气压驱动控制机械臂的升降。 所以，我将机械手臂的设计分为三个步骤，先完成垂直臂的设计，再完成水平臂的设计3.2.1伸缩机械臂的设计1. 尺寸校核(1)在校核尺寸时，只需校核气压缸内径D1=50mm,半径R=25nm的气压缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强P=0.4MPa,则驱动力：2 6 2F 二P 二R =0.4 103.14 0.0315 =1246N (3-1)(2)分析计算伸缩手臂加速度:如下图所示，t =8s,将其分为三段，分别为加速状态ti，匀速状态t2和减速状态t3。切运动距离L为500mm,所以有公式:2 2又有加速度公式a二卫二01 = 0.33m s2 (3-3) At3测定手臂质量为m = g m 5055kg ,加速度a二0.33m / s2，则惯性力:Fi =ma =55 0.33 = 18.15N (3-4)考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k = 0.2,Fm f =0.2 16.5= 3.63( N) (3-5)总受力 F F1 Fm =18.15 3.63 = 21.78N(3-6)所以气压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。3.2.2升降机械臂的设计1.尺寸设计气压缸运行长度设计为 丨=80mm,气压缸内径为 D1 =80mm,半径 R=40mm,压强p=0.4MPa,则驱动力：Go 二 p.二R2 =0.4 106 3.14 0.0552 =3799N (3-7)2. 尺寸校核(1 )测定手臂质量为m = g m2叫=55 30二85kg ,则重力：G 二mg =85 10 =850N(3-8)如下图所示，t=3s,将其分为三段，分别为加速状态ti，匀速状态t2和减0.10.5 1 0.5=0.05 m s (3-9)速状态t3。切运动距离L为100mm,所以有公式:-17 -# -又有加速度公式 a =- - 0.05 = 0.05 m s2(3-10)At1(3-11)则惯性力为：F讦ma =85 0.05 =4.25N(3) 考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数 k二。1,如图所示:若安装时升降臂完全竖直，贝U摩擦力为零。但在实际操作中，不能达到此效果，所以设定偏斜角度为13。所以重力G在机械臂面上有一个分力Gm对机械臂 侧面产生压力，故产生了摩擦力 Fm。则有公式:Gm 二 G sin3 =44.49N(3-11)Fm =Gm k =44.49 0.1 =4.45N(3-12)总受力 Gq =G Fm Gm =85044.49 4.45 =898.94N(3-13)Gq ： Go所以设计尺寸符合实际使用要求。3.2.3旋转机械臂的设计如图所示，旋转机械臂固定在底座上。对于其传动方式，我选择了齿形带传动。通 过电动机带动齿轮Oi，经由齿形带传动，达到让齿轮 。2转动的效果。同时，旋转臂与 齿轮02通过键连接达到旋转臂转动效果。图4齿轮链传动原理图 齿轮带的传动比计算公式为匕 乙in1Z2(3-14)齿轮带的平均速度Va为Va =乙 t n 1 =Z2 t n2(3-15)3.3手部设计计算(1) 对手部设计的要求(a) 有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件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。(b) 有足够的开闭范围根据工件外圆大小，夹持的大小直径必须大于120mm。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。 工作时，一个手指开闭位置以最大变化量 称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围， 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，开闭范围大一些较好，如图 5所示。t图5机械手机构开闭示例简图(C)力求结构简单，重量轻，体积小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 机械手机构的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力 求结构简单，重量轻，体积小。(d) 手指应有一定的强度和刚度(e) 其它要求：因此送料，夹紧机械手机构，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹 紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。(2) 拉紧装置如图6所示：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。Jf ZL r n图6油缸示意图(a) 右腔推力为设定活塞的直径D=50mm,系统压力P=25MpaFp =：/4D2P=二 /40.5225 103=4908.7N(b) 根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为:2F, = 2b/a cos： N其中N =4 98N=392N，带入公式2.2得：F 2b/a cos：2N=(2 150/50)(cos30o) 2 392=1764N则实际加紧力为F1实际=PK1K2/n=1764 1.51.1/0.85=3424 N经圆整F1=3500N由公式 N = a/2b 1/cos： p得：a=50.5 mmb=72 mm(3-16)(3-17)(3-18)(c) 计算手部活塞杆行程长L,即(3-19)L 二 D/2tg=25x tg30o=23.1mm经圆整取|=25mm(d) 确定“ V ”型钳爪的L、俟取 L/Rcp=3(3-20)式中： Rcp=P/4=200/4=50(3-21 )由公式得：L=3X Rcp=150取“V”型钳口的夹角2o=120o，则偏转角B按最佳偏转角来确定， 查表得：3=22o39(5) 机械运动范围(速度)(a) 伸缩运动 Vmax=500mm/sVmin=50mm/s(b) 上升运动Vmax=500mm/sVmin=40mm/s(c) 下降 Vmax=800mm/sVmin=80mm/s(d) 回转 Wmax =90 o/ sWmin =30o/s所以取手部驱动活塞速度 V=60mm/s(6) 手部右腔流量Q 二 SV(3-22 )=60 二r2=60x 3.14 x 252=1177.5mm3s(7) 手部工作压强P=Fj/S(3-23)=3500/1962.5=1.78Mpa-21 -3.4腕部设计计算腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸 驱动的腕部结构。要求：回转土 90o角速度 =45o/s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，采用估算法，工件重10kg，长度I =650mm。如图7所示。(1) 计算扭矩二I,设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩二为：二 11 = F S( 3-24)=10X 9.8 X 0.2=19.6 (N-M)F 工件Sr1图7腕部受力简图(2) 油缸(伸缩)及其配件的估算扭矩F =5kg S =10cm带入公式2.9得l2=F S=5X 9.8 X 0.1 =4.9(N-M)-20 -2(3) 摆动缸的摩擦力矩、1摩F摩=300 (N)(估算值)S=20mm(估算值)I 摩=卩摩 X S =6 ( N *M)(4) 摆动缸的总摩擦力矩 II FI1+J2+J 摩(3-25)=30.5( N M )(5) 由公式T 二 P bA-mm2106 /8(3-26)其中：b叶片密度，这里取b=3cm；ai 摆动缸内径,这里取Ai=10cm；mm 转轴直径,这里取，mm =3cm所以代入公式又因为P=8T -mm2 106=8X 30.5/0.03 X( 0.1 2-0.03 2)X 106 =0.89MpaW =8Q/A mm2b所以Q；mm2 b/8=0.27(n /4 ) (0.1 2-0.03 2)X 0.03/8X 10-4m3/s=27ml/s3.5液压驱动系统设计液压控制机械手机构的一种主要的控制形式。机械手机构的运动速度和操作室根据 油的流量与压力来确定，因而只要控制油的流量和压力，就可以控制机械手机构的运动 速度和操作力，油压压力一般在5140公斤/厘米范围内，最大臂力可达160公斤以上主要优点：(1) 液压执行元件(马达和油缸)结构紧凑，重量轻，功率小。(2) 可通过液压油带走大量热能，保证机械的正常运行，并由于液压油的润滑作用, 可延长元件的使用寿命。(3) 液压元件有直线位移式和旋转式二种，适用范围较广，其控制速度的区间也比 较宽。只要通过阀和泵的调节就能实现开环和闭环的控制系统。(4) 响应速度比较快，能高速启动，制动和反向，无后滞现象。其力矩一惯量比也 较大，因而其加速度能力较强。(5) 液压元件于其他驱动元件相比，刚度较大，位置误差小，定位精度高，而且耐 振动等。缺点：(1) 液压控制需要一套液压系统，不像电力容易获得，而且价格较贵。(2) 油温有上限，并难以保持不漏，比较脏，易于使阀和执行元件堵塞。(3) 控制系统比较复杂，处理功率讯号的数学运算误差，检测，放大，测试和补偿功能 不如电子，机电装置灵活简便。总体系统图图8总体系统图(1) 总体系统图如图8所示,(2) 工作过程：小臂伸长一手部抓紧-腕部回转一小臂回转-小臂收缩一手部放松电磁铁动作顺序表：-27 -表2总体系统图7-、元件动作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸长-+-手部抓紧-+-腕部回转-+-+-小臂收缩-手部放松-+-卸荷+确电机规格：液压泵选取CB-D型液压泵，额定压力P =10Mpa,工作流量在3270ml/r之间。 选取80L/min为额定流量的泵，因此：传动功率N二P Q/(3-27)式中：n=0.8 (经验值) 所以代入公式得：N =10 x 80X 103x 106/60 x 0.8=16.7KN选取电动机JQ乙61-2型电动机，额定功率17KW，转速为2940r/min。3.6机身结构的设计机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装 置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂， 机身既可以是固定式的，也可以是行走式的 臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手机构的总体布局。本课题机械手机构的机身设计成机座式，这样机械手机构可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安 放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手机构。 臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。 由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带 动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。3.6.1电机的选择机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。 带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。带动臂部升降的电机：初选上升速度 V =100mm/s-29 -P =6KW所以 n = (100/6 )x 60=1000转/ 分选择丫90S-4型电机，属于笼型异步电动机。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44,冷却方式为I (014)即全封闭自扇冷却，额定电压为 380V，额定功率为50HZ。如表3 Y90S-4电动机技术数据所示：表3 Y90S-4电动机技术数据型号额定功率KW满载时堵转电 流额定电 流堵转转 矩额定转矩最大转 矩额定转矩电流A转速效率%r/min功率因 素Y90S-41.12.71400790.786.52.22.23.6.2螺柱的设计与校核螺杆是机械手机构的主支承件，并传动使手臂上下运动 螺杆的材料选择：从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。螺距 P =6 mm 梯形螺纹(3-28)(3-29)(3-30)螺纹的工作高度h =0.5P=3mm螺纹牙底宽度 b =0.65 P=0.65 x 6=3.9 mm螺杆强度 I = cS5=150/3 5=30 50Mpa螺纹牙剪切丨-1 =40弯曲： b =4555(1)当量应力(3-31)式中T传递转矩 NmmC 螺杆材料的许用应力所以代入公式得:=(4 200 9.8/2)2 3(200 9.8 0.6/0.2d)2=(2495/di2)2 (61.2/di3)2 乞 3050 106=(2495/ d i2)2+3 (61.2/ d i3) 2 9002500 X 1012 =6225025/d 14+11236/d 16 9002500 X 10126225025di2+11236 900d* X 10126225025X 0.029 2+11236 900X 0.029 6X 1012即 16471pav 535340pa合格(2)剪切强度Z 二H/P =160/6(旋合圈数)(3-32)二 F/abz(3-33)=200X 9.8/ n X 0.029 X 3.9 X( 160/6) X 10-3=206.8X 10pa=0.206Mpav t =40 Mpa弯曲强度2-b =3FhT d1b z=3X 200X 9.8 X 3/ n X 2.9 X 3.92X( 160/6 )=0.48Mpav (T =45Mpa合格3.6.3机座的机械结构示意图带动机身回转的电机：初选转速 W =60 o/ s N =1/6转/秒=10转/分由于齿轮I =3减速器 I =30所以 n =10 X 3X 30=900转/ 分选择Y90L-6型笼型异步电动机电动机采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44,冷却方式为I (014)即全封闭自扇 冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如表4 丫90S-6电动机技术数据所示:表4 Y90L-6电动机技术型号额定功率KW满载时堵转电 流额定电 流堵转转 矩额定转 矩最大转 矩额定转矩电流A转速效率r/min%功率因 素Y9OL-61.13.291073.50.726.02.02.0机座的机械结构如图 9所示:-33 -轴承坯料搬运机械手的设计4搬运机械手控制系统的设计4.1 PLC简介PLC(Programmable Logic Controller),是可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存 储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向 用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同， 基本构成为：(1)电源；中央处理单元(CPU)；存储器； 输入输出接口电路； (5)功能模块；(6)通信模块。4.2 PLC工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行 和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。 在整个运行期间，PLC的 CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1. 输入采样阶段2. 用户程序执行阶段3. 输出刷新阶段4.3 PLC机型的选择我选择使用三菱PLC。原因如下：首先是语言方面。西门子的编程语言相当复杂。不仅有我们学过的LAD(梯型图)，FBD(功能图)，STL(语句表)，还有我们没有接触到的许多编程方式。对于我们这些大 学生来说，西门子编程语言太过繁琐，不适合我们短时间的设计理解。在程序结构上，西门子采用结构化设计， 而且在用户界面上，将数据和程序代码严 格分开。而三菱就相对比较简单，方便我们快速掌握。综上，因为本次工艺流程设计的语言较为简单，只需要简单的指令编程即可实现， 三菱可以对整体的I/O进行预先设置是直接方式还是刷新方式，而且有指令可以实现对 局部I/O的立即刷新执行。有利于程序的设计，所以故选用三菱PLC。431 PLC机型的选择因每种品牌配置不一样，所以它的选型方式也有所差异。三菱 PLC 的型号有多种多样， FR-FX1N、FR-FX1S、FR-FX2N、FR-FX3U、FR-FX2NC、FR-A FR-Q要选择相对应的机型，就要分析被控对象：此次PLC需要控制的对象为物料传送机械手，由于用途比较固定，I/O点数并不复杂，所以选择小型PLC即可。故选择三菱PCL中FX1N系列的PLC。4.3.2所选PLC的参数项目规格备注运转控制方式通过储存的程序周期运转I/O控制方法|批次处理方法I/O指令可以刷新+运转力卜理时卄间基本指令:0.55 至 0.7(is运转处理时冋应用指令:3.7至几百(is编程语言逻辑梯形图和指令清单使用步进梯形图生成 SFC类型程序内置2K步EEPROM程式容量存储盒(FX1 n-EEPR0M-8L)可选表5 FS1S系列PLC的参数I/O配置最大总I/O由主处理单元设置基本顺序指令：27指令数目步进梯形指令：2应用指令：85最大可用167条应用指令，包括所有的变化辅助继电器(M)锁定特殊384点M0 至 M383128点(子系统)M384 至 M511256点M8000 至 M8255状态继电器(S)128点S0 至 S127初始10点(子系统)S0 至 S9100毫秒范围：0至3276.7秒63点TO 至 T55定时器(T)10毫秒范围：0至327.67秒31点当特殊 M线圈工作时T32至T621毫秒范围：0.001至32.767秒1点范围：1至32767数16点计数器(C)锁定范围：1至32767数16点类型:16位增计数器C16 至 C31类型:16位增计数器CO 至 C15数据寄存128点DO 至 D12732位元件的16位数据存储寄存器对器(D)锁定128点D128 至 D25532位元件的16位数据存储寄存器对外7卜部调节范围：0至255 2点通过外部设置电位计间接输入D8013 或 D8030&D803114 数据r特殊256 点（包含 D8030，D8031）从 D8000 至 D825516位数据存储寄存器变址16点V和Z16位数据存储寄存器指标（P）用于CALL64点P0 至 P64用于中断6点100* 至 130*（上升触发*=1，下降触发*=0）十进位K16 位：-32768 至+32768常数32 位：-2147483648 至+2147483647十六进位16 位：0000 至 FFFFH32 位：00000000 至 FFFFFFFF4.4 PLC控制面板的拟定我初步设想的机械手工作，有三种工作状态：第一种是自动工作，用于批量物 料搬运，使用时间长，普遍；第二种是单步工作，就是机械手只运送一次工件就停止运行，用于个别物料的搬运，使用时间不长；第三种为手动操作，是根据实际情况人为操作的控制方式。单周期上升下降转右转-37 -轴承坯料搬运机械手的设计-# -轴承坯料搬运机械手的设计放松图10建议控制面板的设计-# -轴承坯料搬运机械手的设计4.5 机械手工艺过程和控制方案的确定4.5.1 明确工艺要求(1) 初始状态，按启动按钮传送带 A 开始传送物料，光电传感器开始工作，机械 手回原点。(2) 当光电传感器检测到有物料时，传感器将信号传给机械手，机械手开始工作。(3) 机械手从初始位置开始运动， 通过机械手臂的旋转，机械手抓伸出，机械臂下 降，机械手抓抓紧来获得传送带 A 上的物料。(4) 获得物料后，通过机械臂升降，机械手抓的伸缩，机械臂旋转，机械手抓的放 松，将物体运送到传送带 B 上。(5) 机械手完成这一系列动作后，自行复位，开始重复工作。(6) 传送带 B 获得物体后，通过光电传感器测定是否有物体在传送带 B 上，来控 制传送带 B 的工作。4.5.2 确定工艺流程确认工艺要求后，开始着手思考工艺流程。根据我的设计思路，完成一次物料传送动作需要完成如下几个步骤： 判断物料； 机 械手准备 ( 其中包