通用液压机械手之手臂设计说明书
（2011届）
专科毕业设计（论文）
题 目 名 称： 学 院（部）： 专 业： 学 生 姓 名： 班 级： 指导老师姓名：
最终评定成绩：
通用液压机械手之手臂设计 学号 职称
2011 年 5 月
摘要
机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，气动技术的特点，PLC 控制的特点及国内外的发展状况。本文简要地介绍了工业机器人的概念， 本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构; 设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩; 设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。
设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC 型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。
关键词：工业机器人，机械手，气动，可编程序控制器(PLC)
ABSTRACT
At first,the paper introduces the conception of the industrial robot and the
elertary information of the development briefly. What's more,the paper accounts for background and the primary mission of thetopic.
The paper introduces the function,composing and classification of the
manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.
This paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator,and analyzes the error of the orientation of the fingers.
The paper designs the structure of the wrist,computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.
The paper designs the structure of the arm,and designs the hydraulic pressure buffer when the manipulator's arm flexes,ascend,descend and wheels .
The paper designs the system of air pressured rive and draws the work principle chair.
The manipulator uses PLC to control.The paper institutes two controls chemes of PLC acordine to the work flow of the manipulator.The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart.What’s more,the paper work out the control program of the PLC.
Keywords: industrial robot, manipulator, pump, air pressure drive, PLC
目 录
第一章机械手设计任务书
1.1机械手的组成
1.2机械手的主要运动
1.3 课题的提出、任务、技术特性
第二章 机械手臂部机构设计
2.1臂部设计的的基本要求
2.2臂部的结构选择
2.3手臂偏重力矩的计算
2.4升降导向立柱不自锁条件
2.5手臂升降液压缸驱动力的计算
2.6手臂升降液压缸参数计算
2.7手臂回转液压缸驱动力矩计算
2.8手臂回转液压缸主要参数
第三章 联接板
第四章 螺钉与液压缸壁厚的校核
4.1手臂液压缸螺钉的校核
4.2动片与输出轴之间的联接螺钉校核
4.3手臂升降液压缸筒的壁厚校核
第五章手臂液压系统原理设计及液压图
5. 1液压泵的选择
5.2液压系统的原理图如下
参考文献
致谢
²
第一章机械手设计任务书
工业机械手是能够模仿人手部的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置，在工业上生产中应用的工业机械手简称为“机械手”。在本设计的机械手主要是用来抓取工件，再把工件放到预定的位置，根据机械手的要求，该机械手可采用五自由度。主要是手臂的上下升降运动、回转运动、手腕的回转运动、左右伸缩运动、手部的夹紧和松开。这就是机械手的机械原理。
1．1机械手的组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统、及位置检测装置等组成。如图所示。
图 机械手组成及相互间关系
（1）．执行机构
执行机构包括手部、手腕、手臂等部件。
1）手部 是与物体接触的部件，主要起抓取和放置物件的作用。
2）手腕 是连接手部和手臂的部件，可以调整和改变工件方位。
3）手臂 是支撑手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置
（2）．驱动系统
机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的动力装置，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式
1）．液压传动机械手:
是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主y 要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。
2）．气压传动机械手
是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
3) ．机械传动机械手
即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等) 驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。
4) ．电力传动机械手
即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。
参考《工业机器人》表9-6和表9-7，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动。其优点如下：液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机械手。
（3）．控制系统
控制系统是机械手动作的指挥系统，用来控制动作的顺序、位置、时间、速度、加速度等。
（4）．位置检测装置
位置检测装置控制执行机构的运动位置，可随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行机构以一定的精度达到设定的位置，机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。
本机械手采用行程开关式和数字式。
1.2机械手的运动
机械手以及其手部夹持的工件在空间的位置，由臂部、腕部等组成部件以及整机的各自独立运动的合成来确定。如下图所示，机械手完成如下动作： 手部的运动：夹紧和松开。
手腕的运动：回转运动、左右伸缩运动。
手臂的运动：上下升降运动、回转运动。
机械手的每一个运动，都有一个相匹配的一个原动件，当各原动件按一定的规律运动时，机械手各运动部件随之作确定的运动，从而使机械手具有运动和位置的确定性，同时在手臂的升降缸和回转缸上安有位置检测器，保证运动精度。
1.3课题的提出、任务、技术特性
（1）课题的提出
随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动，以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。
（2）本课题将要完成的主要任务
1) 机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面必须更广.
2) 选取机械手的座标型式和自由度
3) 设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。
4) 液压传动系统的设计
本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括气动元器件的选取，液动回路的设计，并绘出液动原理图。
（3）本机械手的技术特性
承载能力：5~30kg
自由度数：4
手臂垂直位移：100mm
手臂回转角度：220°
手腕水平位移：500mm
手腕回转角度：90°
水平位移速度：75mm ／s
垂直位移速度：25mm ／s
角位移速度：110°／s
定位精度：±1mm
由于课题的分工合作，本人将对通用液压机械手联接板以下手臂部分进行设计。
第二章 机械手臂部机构设计
2.1臂部设计的基本要求
1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻
2）臂部运动速度要高，惯性要好
3）手臂动作应该灵敏
4) 位置精度高
2.2臂部的结构选择
常见的手臂伸缩机构有以下五种
(1)双导向杆手臂伸缩机构
手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆均受拉压，故受力简单传动平稳。
(2)双层液压缸空心活塞杆单杆导向机构
其特点是工作液压缸容积小、运动速度快、外形整齐、活塞杆直径大、增加手臂刚性。
(3)采用花键套导向的手臂升降机构
内部导向，活塞杆直径大、刚度大、传动平稳，花键轴端部的定位装置值得注意，必须保证手臂安装在正确的初始设计位置上。
(4)双活塞杆液压缸结构
活塞杆速度先慢后快，是用短液压缸实现大行程的结构。
(5)活塞缸和齿轮齿条机构
齿条的往复运动带动与手臂联接的齿轮做往复回转而使手臂左右摆动 经过以上综合考虑，本设计选择花键套导向的手臂升降机构，使用液压驱动，液压缸选取双作用液压缸。
2.3手臂偏重力矩的计算
手臂各部件重心位置图
初计算G 1 =300N G2 =200N G3 =200N G4 =800N
所以G ˊ总 =G1 + G2 + G3 + G4=300+200+200+800=1500N 初计算工件 =1100mm 手部 =1000mm 手腕 =800mm 手臂
=300mm
所以偏转力矩 M 偏 =Gˊ总×L=1500×620=930N﹒m
式中
—重心到回转轴线的距离（mm ）
2.4升降导向立柱不自锁条件 手臂在G 总的作用下有向下的趋势，而立柱导套则防止这种趋势。 由力平衡条件得：
FR h=G总 FR =
所谓不自锁的条件为：G 总＞ F1 + F2= 2F2 =2FR ƒ 查表得ƒ=0.25 即 G 总＞2 ƒ h＞0.5=0.5×620=310mm
G 总 =Gˊ总 + G回转缸 + G活塞杆
取G 回转缸 =200N G 活塞杆 = 600N
因此 G总 =Gˊ总 + G回转缸 + G活塞杆 =2300N
F R ===4600N
因此在设计中必须考虑到立柱导套长度大于310mm
式中ƒ—摩擦系数
h—立柱导套的长度
2.5手臂升降液压缸驱动力的计算
由手臂升降驱动力的公式得：
F 驱 =F摩+F惯+F回+F密±G 总
（1）F 摩的计算
F 摩 =2FR ƒ 取ƒ=0.25 FR =4600N
所以 F 摩 =2FR ƒ=2×4600×0.25 =2300N
（2）F 惯的计算
由摩擦力公式 F惯
式中 △V —由静止加速到常速的变化量（mm/s）
△t —启动过程时间（t ），一般取0.01s ～0.05s 。
手臂启动速度△V=0.025m/s,启动时间△t=0.02s，g=9.8N/kg,带入数据得： F惯==293.4N
(3) F回的计算
一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。
（4）F 密的计算
不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O 型密封圈，当液压缸工作压力小于10MPa 时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为： F密 =0.03F驱 经过以上的分析计算，液压缸的驱动力为：
F 驱 =F摩+F惯+F回+F密±G 总 =2300 + 293.4 + 0.03 F驱 ±2300
所以 当液压缸向上驱动时 F驱 =5044.7N
当液压缸向下驱动时 F驱 =302.4N
2.6手臂升降液压缸参数计算
经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力 F驱，液压缸的工作压力由驱动力与液压缸工作压力关系表可得P=0.8MPa，为了满足要求，此时取F 驱 =1.2³5044.7N=6053.6N进行计算。
驱动力与液压缸工作压力关系表
2-1
（1）液压缸内径D 计算：
当油从无杆腔进入：F 驱 = Fη1=P1η
当油从有杆腔进入：F 驱 = Fη2=P2
液压缸的有效面积： S =η
所以 D= （油从无杆腔进入）
（油从有杆腔进入） D=
式中 F驱—手臂升降液压缸驱动力（N ）
D—液压缸内径（mm ）
d—活塞杆直径（mm ）
η—液压缸机械效率，在工程机械中可用耐油橡胶查表得η=0.90
P—液压缸的工作压力（MPa ）
带入数据得：D===0.1035m
根据标准液压缸内径系列（JB826—66），为了更好的满足要求，选取液压缸的内径为：D=160mm
标准液压缸内径系列表2-2（JB826—66） 单位
mm
（2）活塞杆直径d 计算
活塞杆直径d 根据工作压力选取，当液压缸的往复速度比λv 有要求
时，则： d = D
液压缸工作压力与活塞杆直径表2-3
液压缸往复速度比推荐值表2-4
由液压缸往复比推荐值表可知λv=1.33,带入公式则有： d = D=160=79.7mm
活塞杆直径系列表2-5（JB826—66）
根据活塞杆直径系列（JB826—66），选取活塞杆直径为：d=80mm
标准液压缸外径系列表2-6（JB1068—67）
根据标准液压缸外径系列表选择，为了尽可能满足要求，取液压缸外径D ′=245mm
所以手臂升降液压缸主要参数为：
手臂升降缸
工作原理：
当液压油从下端油口输入时，升降液压缸将做上升运动，液压油从上端油口回油；当液压油从上端油口进油时，液压缸做下降运动，液压油从下端油口回油。
2.7手臂回转液压缸驱动力矩计算
手臂回转液压缸驱动力矩 M 驱 =M惯+M密+M回
（1） M 惯的计算
M 惯=J=Jo