機械設計專業(yè)畢業(yè)論文-搬運機械手設計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p><b>　　搬運機械手設計</b></p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是

2、本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設計任務書</b></p><p>　　設計題目： 搬運機械手設計

3、 </p><p>　　設計（論文）的主要任務及目標</p><p>　　介紹機械手的作用，機械手的組成和分類，說明自由度和機械手整體座標的形式。</p><p>　　對機械手分別進行齒輪傳動的設計和軸的設計。</p><p>　　在確定動力的情況下通過計算分析，選擇滿足使用功率的步進電機。</p><p>　　

4、2．設計的基本要求和內(nèi)容</p><p>　　1）了解機械產(chǎn)品的設計方法。</p><p>　　2）完成搬運機械手的設計。</p><p>　　3）完成相應的工程圖。</p><p>　　4）撰寫畢業(yè)設計說明書。結構完整，層次分明，語言順暢；避免錯別字和錯誤標點符號；格式符合機械工程系學位論文格式的統(tǒng)一要求。</p><p

5、><b>　　3．主要參考文獻</b></p><p>　　[1]張軍,封志輝.多工步搬運機械手的設計[J].機械設計,2004:56-128.  </p><p>　　[2]李明.單臂回轉機械手設計[J].制造技術與機床,2004:108-252. </p><p>　　[3]張展.機械設計通用手冊[M].機械工業(yè)出

6、版社，2008:202-308. </p><p>　　[4]聞邦椿.機械設計手冊[M].機械工業(yè)出版社，2010:82-186.</p><p><b>　　4．進度安排</b></p><p>　　審核人： 年 月 日</p><p><b>　　

7、搬運機械手</b></p><p>　　摘 要：本設計簡要介紹了搬運機械手的一些基本概念，介紹了搬運機械手各機械模塊系統(tǒng)的組成及結構設計，以及搬運機械手目前在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展前景，并對機械手的控制做了簡單的介紹。同時，本設計對搬運搬運機械手各部分組成進行了結構設計和相應的設計計算，結合機械手在實際生產(chǎn)中的作用，系統(tǒng)的設計和介紹了機械手在工作中的動作過程，確定出了機械手所采用的坐標形式和自由度的

8、個數(shù)，并且給出了機械手的部分技術參數(shù)。本設計著重對搬運機械手的結構與驅動系統(tǒng)做了詳細的分析計算，在搬運機械手的控制部分只簡單的對PLC的工作原理和過程進行了闡述，并對搬運機械手進行了PLC梯形圖程序的編寫。</p><p>　　關鍵詞：搬運機械手，三自由度，圓柱坐標 </p><p>　　Conveying Manipulator</p><p>　　Abstrac

9、t:The design introduces some basic concepts of conveying manipulator, describes the composition and structure of the mechanical system of the conveying manipulator design, as well as the manipulator for handling the curr

10、ent status and development prospects of both at home and abroad, and robot control is introduced. Meanwhile, the design for handling robot consists of various parts of the structure and corresponding design, combined wit

11、h the robot's role in the actual production system de</p><p>　　Keywords: Conveying manipulator, Three degrees of freedom, The cylindrical coordinates</p><p><b>　　目錄</b></p>

12、<p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 搬運機械手的現(xiàn)狀及應用1</p><p>　　1.2 搬運機械手的組成及分類2</p><p>　　2 搬運機械手的總體設計要求及手部的設計4</p><p>　　2.1 設計的總體要求4</p><

13、p>　　2.2 手部的設計原理及要求5</p><p>　　2.3 手部的設計計算與校核6</p><p>　　3 手臂的分析與設計11</p><p>　　3.1 對手臂設計的基本要求11</p><p>　　3.2 手臂機構的選擇與設計12</p><p>　　3.2.1 手臂直線伸縮運

14、動的驅動力分析與計算12</p><p>　　3.2.2 液壓缸工作壓力與結構的確定14</p><p>　　4 機身的分析與設計17</p><p>　　4.1 腰部和基座的設計17</p><p>　　4.1.1 結構設計17</p><p>　　4.1.2 步進電機的選取18</p&g

15、t;<p>　　4.1.3 軸承的選取22</p><p>　　4.2 機械傳動裝置的選取23</p><p>　　4.2.1 滾珠絲杠的選擇23</p><p>　　4.2.2 諧波齒輪的選擇25</p><p>　　4.2.3 軸的設計和聯(lián)軸器的選擇26</p><p>　　5

16、搬運機械手控制系統(tǒng)的概述28</p><p>　　5.1 PLC的組成和工作原理28</p><p>　　5.2 機械手PLC梯形圖30</p><p><b>　　6 結論32</b></p><p><b>　　參考文獻33</b></p><p><

17、;b>　　致謝34</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 搬運機械手的現(xiàn)狀及應用</p><p>　　工業(yè)機械手是最近幾十年迅速發(fā)展起來的一種高科技裝備。它具有通過計算機編程來完成各種預期動作的特點，尤其體現(xiàn)在仿照人手的智能化和適應性方面。并且機械手在準確性、效率、適用性等方面

18、有著巨大的提升空間。搬運機械手在現(xiàn)代化的機械生產(chǎn)過程中作為一種新興的自動化機械裝置，被廣泛的運用到了流水生產(chǎn)線上，機械手的更新?lián)Q代和制造已經(jīng)在許多高科技鄰域里占有一席之地，是一門發(fā)展?jié)摿薮蟮臋C械工程技術，它的快速發(fā)展的促進了機械生產(chǎn)制造領域的發(fā)展進程，機械手使自動化和機械化兩者充分的結合，大大的提高了生產(chǎn)制造的效率。雖然機械手目前還不能實現(xiàn)非常靈活的工作，但它可以長時間的工作和勞動，不會疲勞，不怕危險，同時抓舉工件的力氣也比人的力氣大

19、很多，所以，機械手目前已得到了許多部門的青睞，并在現(xiàn)實生產(chǎn)中得到了越來越廣泛地應用。</p><p>　　機械手的主要特點 (1）對環(huán)境的適應性非常強，能夠代替人類在危險、高溫，高壓的環(huán)境中工作。(2)機械手長時間工作、不會疲勞，可以代替人從事繁重單調的勞動。 (3）機械手的工作和重復定位能力比較強，比較精確，所以可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質量，提高生產(chǎn)效率。 (4）機械手通用性比較強，靈活性也不錯，能在生產(chǎn)制造的

20、過程中很好的適應不同產(chǎn)品類型的不斷變化，從而滿足柔性生產(chǎn)的需求。 5)采用機械手可以明顯的提高工廠的生產(chǎn)效率，減少了工廠使用的勞動力，大大降低了勞動成本。</p><p>　　目前，國外已經(jīng)研發(fā)出了有觸覺和視覺功能的機械手。第二代機械手也即將問世。它們都通過微型電子計算機來實現(xiàn)控制。國外所研制的機械手都安裝了傳感器，通過傳感器能把外界感應到的信號準確的反饋到控制系統(tǒng)，使機械手具有感覺的能力。目前，國外也已經(jīng)出現(xiàn)了

21、第三代的自動化機械手，它能自行地完成工作中遇到的各種任務，同時它還與電子計算機設備有著著密切的聯(lián)系，并且在不斷的完善中，使其逐漸發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）和柔性制造單元（FMC）中重要的一環(huán)。目前工業(yè)上對零部件的精度要求越來越高并且不再要求機械手能適應各種各樣的工作環(huán)境，所以對機械手的性能也就隨之提高。特別是搬運機械手，它對整個系統(tǒng)的集中控制起了十分重要的作用。</p><p>　　在重工業(yè)方面例如鋼鐵、制鋁

22、，等高溫而又危險等重體力行業(yè)中，就要求實現(xiàn)自動化。為了提高人身安全以及對工作效率的保證，更重要的是對于高重量，件數(shù)少，速度慢和人工不能勝任的地方更要要機械手的幫助。  在輕工業(yè)方面機械手主要是用于運輸大批量的工件，這種行業(yè)的特點是，體積小，件數(shù)多，在這種加工生產(chǎn)線，自動線上人力會疲勞而機械手可以一直工作下去，它在加工廠里面也有很大的應用，例如上下料。進一步在程序控制，自動化反饋等方面已經(jīng)成為一個重要分支。</

23、p><p>　　所以在生產(chǎn)自動化的進程中，機械手在現(xiàn)代工業(yè)應用中發(fā)揮著越來越重要的作用,大大地改善了工人的勞動環(huán)境,顯著的提高了工廠的勞動生產(chǎn)率,大大的推進了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的進程。</p><p>　　1.2 搬運機械手的組成及分類</p><p>　　機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構以及控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成和實現(xiàn)過程如下圖：</p>

24、<p><b>　　（1）執(zhí)行機構</b></p><p>　　( 如圖1.1所示 ) </p><p>　　圖1.1 執(zhí)行機構圖</p><p><b>　　手部</b></p><p>　　手臂的前端裝著手部。轉動軸安裝在手臂內(nèi)部，通過驅動裝置把動力傳給手腕，從而實現(xiàn)手部的各種動作。

25、根據(jù)被夾持工件的外形和大小，通常機械手的手部會有不同型號和尺寸的夾持器，從而滿足不同情況下的動作。</p><p><b>　　手臂</b></p><p>　　手臂有無關節(jié)和有關節(jié)手臂之分。</p><p>　　手臂作為手部和基座的連接與傳動的部件，通常將動力傳到手部，使手部完成抓取工件的動作，并將工件放到預先設定的位置。工業(yè)上的搬運機械手的

26、支撐桿一般是由驅動手臂運動的部件與動力源(如液壓、氣壓或電機等)相組裝，用來完成機械手手臂的各種各樣的復雜動作。在第三章會對它進行詳細的參數(shù)計算，以保證它能支撐旋轉式機械手要抓取的工件所受的重量，不會因工件重量過大而折斷。</p><p>　　本課題所設計搬運機械手，手臂能完成上升、下降、左轉、右轉和前伸、后退三個方向上的運動，且都通過行程開關來控制來滿足定位的需求。</p><p>&l

27、t;b>　?。?） 驅動裝置</b></p><p>　　驅動裝置主要有氣動裝置、液壓裝置、電氣驅動和機械驅動裝置四種。其中液壓和氣動裝置使用的最多，電動、機械驅動較復雜，所以用的較少。</p><p>　　液壓裝置由油缸、油泵、油箱和閥門等裝置組成。液壓驅動的優(yōu)點是出力大、體積小，能實現(xiàn)無級變速和自鎖，可以停止在任意的位置。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本比較高。&l

28、t;/p><p>　　氣壓驅動由氣壓馬達、氣壓缸、氣閥等裝置組成。它的優(yōu)點是集氣簡單，所需費用少。缺點是發(fā)出的動力較小，只有兩種位置的動作，不能在中間位置停止，而且產(chǎn)生的噪音較大，裝置維護難度較大。</p><p>　　本課題設計的機械手，主要通過液壓裝置來實現(xiàn)手臂的伸縮和夾緊、放松；通過絲杠螺母來實現(xiàn)手臂的上升和下降，通過步進電機來實現(xiàn)手臂向左、向右方向的旋轉。</p><

29、;p><b>　?。?） 控制系統(tǒng)</b></p><p>　　機械手控制系統(tǒng)主要是由到達位置、工作順序、動作時間和加速度等要素構成的。機械手控制系統(tǒng)通常采用數(shù)字順序控制。</p><p>　　目前，機械手一般分為三種：第一種是不需要手動操作的通用機械手。第二種是需要手動才能操作的，稱為操作機。第三種是用專用機械手。在國外，主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機器

30、人。本設計的機械手屬于第三類機械手。</p><p>　　2 搬運機械手的總體設計要求及手部的設計</p><p>　　2.1 設計的總體要求</p><p>　　設計通用圓柱坐標系機械手及簡介控制原理。設計中的搬運機械手每個方向的動作由電機和液壓缸進行驅動，并通過行程開關來控制，技術指標如下：</p><p>　　抓取重量：30N~10

31、0N</p><p>　　自由度（三個自由度）如下表2.1</p><p><b>　　表2.1 自由度</b></p><p>　　手指夾持范圍：棒料，直徑50~60mm，長度60~80mm</p><p><b>　　定位精度：±3mm</b></p><p>

32、;<b>　　控制方式：PLC</b></p><p>　　圖2.1為機械手的整體示意圖，</p><p>　　圖2.1 為機械手的整體示意圖</p><p>　　2.2 手部的設計原理及要求</p><p><b>　　對手部設計的要求：</b></p><p>　?。?/p>

33、1）有適當?shù)膴A緊力和自鎖能力</p><p>　　在進行工作的時候，機械手的手部應該具有適當?shù)膴A緊力，從而能夠更好的夾緊被加工工件，并且保證不會損壞到棒料的已加工表面。為防止出現(xiàn)棒料的掉落和意外事故的發(fā)生，手部夾持裝置應該有自鎖功能。</p><p>　　（2）手部應該力求結構簡單，重量輕，體積小</p><p>　　機械手腕部的最前邊是手部，在工作時，手部有不同的

34、運動狀態(tài)，所以它的結構、體積和重量會直接影響到整個機械手的工作狀況、定位精度以及運動速度等特性。因此，所設計機械手的手部，應該有較輕的重量，較小的體積和簡單的結構。</p><p>　?。?）手部需要有足夠的開閉范圍</p><p>　　對于機械手手部來說，它需要有足夠的開閉范圍抓取物體。因此，手指開閉的范圍要求與工件的尺寸和形狀，手指的形狀和尺寸等許多因素有關，一般而言，在工作環(huán)境的許可

35、下，開閉的范圍大一些較好，如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 機械手夾持機構原理圖</p><p>　　2.3 手部的設計計算與校核</p><p>　　(1)對夾持裝置的基本結構作受力分析</p><p>　　設計手部主要是根據(jù)手部加在工件上的夾緊力，對于其夾緊力的方向、大小和作用位置都必須進行詳細的分析、計算。一般而言，加

36、緊力必須克服工件自身的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件處在穩(wěn)定的加緊狀態(tài)。</p><p>　　下面對夾持裝置的基本結構作受力分析：如圖2.3所示， </p><p>　　圖2.3 夾持裝置的手部結構及受力分析</p><p>　　1——手指 ，2——銷軸 ，3

37、——杠桿</p><p>　　通過杠桿3的作用，銷軸2產(chǎn)生向上的拉力為F，同時經(jīng)過銷軸的中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸所產(chǎn)生的反作用力分別為 和 ，其力的方向垂直于滑槽的中心線 與 并指向 點，交 和 的延長線于A和B。</p><p>　　由 =0，得 = ；</p><p><b>　　由 =0，得 = </b></p>&l

38、t;p><b>　　=- </b></p><p><b>　　由 ,得 = </b></p><p><b>　　h= ，</b></p><p>　　則 =2b （式2.1）</p><p>　　其中，a——手指的回轉支點到對稱中心的距離；

39、</p><p>　　——夾緊工件時手指滑槽的方向與兩個回轉支點之間的夾角。</p><p>　　綜上所述可知，當驅動力F的數(shù)值一定，α角增大時，所需的握緊力 也隨之增大，但是α角如果過大，則會導致拉桿行程太大，以及手部的結構增大，故，最好 為 .</p><p>　　則，手指對工件的夾緊力的計算公式為： G, （式2.2）</p><p>

40、　　式中， ——安全系數(shù)，通常取1.2—2.0；</p><p>　　——工作情況系數(shù)，主要是為了考慮到慣性力的影響，可近似的估計為， =1+b/a； （式2.3）</p><p>　　其中，a為重力方向的最大加速度；a= ，</p><p>　　——運載時工件最大的上升速

41、度；</p><p>　　t ——系統(tǒng)達到最高速度所用的時間，通常取0.03—0.5s；</p><p>　　——方位系數(shù)，通過工件位置與手指的不同來選取；</p><p>　　G——被抓取工件所受的重力（N）。</p><p><b>　　(2)液壓缸的選取</b></p><p>　　表2.2

42、 液壓缸的工作壓力</p><p>　　設a=50mm，b=100mm， ；機械手的響應時間t為0.5s，則</p><p><b>　　取 =1.5，</b></p><p>　　1+b/a=1+0.1/（0.5×9.8）=1.02</p><p><b>　　=0.5</b><

43、/p><p><b>　　將已知條件帶入：</b></p><p>　　得， =1.5×1.02×0.5×588N=449.8</p><p><b>　　根據(jù)驅動力公式得：</b></p><p>　　=2×100×（ /50=1378N</p&

44、gt;<p><b>　　取η=0.85，</b></p><p>　　= /η=1378/0.85=1621N</p><p><b>　　確定液壓缸的直徑D</b></p><p>　　選取活塞桿直徑d=0.5D，選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.8—1MPa，</p><p>&l

45、t;b>　　則</b></p><p><b>　?。ㄊ?.4）</b></p><p>　　查機械設計手冊得，選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm，</p><p>　　則活塞桿內(nèi)徑為：d=63 0.5=31.5mm，取整，選d=32mm。</p><p>　?。?）手爪夾持范圍計算</p>

46、<p>　　為了能夠使手爪能張開的角度達到 ，活塞桿伸縮的長度達到36mm，手指的長度達到90mm，如下圖2.4所示，</p><p>　　當手指閉合時，通過機構的所處狀態(tài)設計出它的最小夾持半徑 =40，當張角達到 時，最大夾持半徑 可取80mm。</p><p>　　所以機械手的夾持半徑為40—80mm。</p><p>　　圖2.4 手爪張開示意圖&

47、lt;/p><p>　?。?）機械手手爪夾持精度的分析</p><p>　　機械手的精度設計要求對工件要能準確定位且精度較高，有較小的重復定位誤差和良好的運動穩(wěn)定性，并且有足夠的抓取能力。</p><p>　　機械手能否準確的夾持工件以及能否把工件放到指定的位置，不僅僅是取決于機械手的定位精度，同時也與機械手夾持誤差的大小有關。尤其是在不同的品種或小批量的生產(chǎn)中，為了能

48、夠保證對不同工件的抓取，必須要對機械手的夾持誤差進行分析。</p><p>　　圖2.5 手爪夾持誤差分析示意圖</p><p>　　本設計針對棒料型工件來對搬運機械手的夾持誤差精度進行分析，機械手設定的夾持范圍為40—80mm，且一般的夾持誤差上下浮動不超過2mm。分析過程如下：</p><p>　　所夾持工件的平均半徑為： =（50+80）/2=65mm，&l

49、t;/p><p>　　手指的長度ｌ=60mm，設V型夾角 ，偏轉角 按照最佳的偏轉角來確定：</p><p>　　經(jīng)查閱機械設計手冊并計算得 ，</p><p><b>　　當 時帶入得，</b></p><p><b>　　（式2.5）</b></p><p>　　故，夾持誤差

50、滿足設計要求。</p><p>　　3 手臂的分析與設計</p><p>　　手臂是介于手部和機身之間的部分。它的主要作用是支撐手部和所夾持工件并使它們完成指定的動作。手臂的動作應該包括3個方面的運動：升降、伸縮和旋轉。通常手臂的升降和回轉運動設計在機身處，所以手臂伸縮運動的介紹是本章的重點。</p><p>　　手臂運動的作用主要是：把手部所夾持的工件移動到預先

51、指定的位置上，手臂的每個運動都要依靠各種驅動裝置來提供動力，通過分析手臂的受力情況，可知它在工作中所受到的載荷和自身的動作較復雜。所以，在設計機械手臂時，必須考慮它的機械結構、工作范圍和工作環(huán)境等情況。</p><p>　　3.1 對手臂設計的基本要求</p><p>　?。?）手臂應承載能力大、自重輕、剛度好</p><p>　　①根據(jù)受力的情況，合理的選擇輪廓

52、尺寸和截面形狀；</p><p>　　②合理布置作用力的方向與位置；</p><p>　　③提高支撐剛度和合理選擇各支撐點的位置；</p><p><b>　?、芴岣吲浜系木?；</b></p><p><b>　　合理簡化結構。</b></p><p>　?。?）手臂的運動

53、速度要高，但慣性要小</p><p>　　機械手手臂的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它能夠反映出一個機械手的工作能力。對運動速度較快的機械手來說，其最大的運動速度應在1000—1600mm/s，最大的回轉角度應在 /s內(nèi)，大部分手臂的平均移動速度為1000mm/s，平均的回轉角速度為 /s。當機械手的回轉速度與移動速度確定時，最簡單，最可行的辦法就是，在保證強度的情況下，采用輕質材料從而減輕自身的重量。所以，設

54、計出的機械手手臂要盡可能的輕。其中，減小慣量的三個途徑分別為：</p><p>　?、僭诒ＷC手臂強度的條件下使用輕質材料，從而減輕運動件的自身重量；</p><p>　　②減小機械手臂運動件的輪廓尺寸；</p><p>　?、圯^小回轉的半徑 ，在設計機械手的運動順序是要先收縮再旋轉，盡可能的在減小前伸量的情況下進行回轉動作。</p><p>

55、　?、茯寗酉到y(tǒng)中設置緩沖裝置。</p><p>　?。?）手臂的動作應該簡單靈活</p><p>　　用滾動摩擦來替代滑動摩擦，從而減小運動時手臂所受到的阻力。對于懸臂式機械手上的各個零部件應該合理分布，使機械手的重量均勻分配，從而減少對升降支撐軸線上的偏心力矩，保證機械手的運動平穩(wěn)性，尤其是要避免在運動過程中發(fā)生卡死。所以，必須通過計算，使其不能自鎖。</p><p&

56、gt;　　3.2 手臂機構的選擇與設計</p><p>　?。?）手臂的典型運動機構</p><p>　　常見的手臂伸縮機構有：</p><p>　?、匐p導桿的手臂伸縮機構；</p><p>　　②雙活塞桿液壓缸的機構；</p><p>　　③活塞桿和齒輪齒條的結構。</p><p>　　（2

57、）手臂運動機構的選擇</p><p>　　通過分析和充分的考慮，該機械手手臂選用雙導桿伸縮的結構，采用液壓驅動裝置，液壓缸選擇雙作用液壓缸。</p><p>　　3.2.1 手臂直線伸縮運動的驅動力分析與計算</p><p>　　先進行簡單的類比和估算，根據(jù)運動的參數(shù)對有關機構的尺寸進行的確定，然后進行校核計算，修正計算，得出最終的結構。</p>&

58、lt;p>　　在伸縮運動時，雙作用液壓缸的驅動力主要是用來克服運動中所受到摩擦力、慣性力等幾其它的阻力，則雙作用液壓缸所需的驅動力應該為：</p><p><b>　?。ㄊ?.1）</b></p><p>　　（1）手臂摩擦力的分析與計算</p><p>　　每種機械結構和每種導向橫截面的形狀，它們所受的摩擦力是各不相同的，所以要依據(jù)具體

59、的情況估計一個值，圖3.1是機械手手臂的受力示意圖。</p><p>　　圖3.1 是機械手手臂的受力示意圖</p><p>　　因為結構分配比較對稱，所以兩個導向桿受到的作用力近似相等，故先計算一個桿上的受力， （式3.2）</p><p><b>　　（式3.3）<

60、/b></p><p><b>　　（式3.4）</b></p><p>　　得， </p><p><b>　?。ㄊ?.5）</b></p><p><b>　　（式3.6）</b></p><p>　　得， &

61、lt;/p><p>　　故， （式3.7）</p><p>　　式中， ——參與運動的機構所受的總重力（N）</p><p>　　L——所有機械結構和手臂總重量的重心與導向支撐的最前端之間的距離（m）：</p><p>　　a——導向支撐的長度（m）;</p>

62、<p>　　——當量摩擦系數(shù)，其大小與支撐的橫截面積有關。</p><p>　　導向桿選取鋼為材料，導向的支撐部件選取鋁型材 =0.19×1.5=0.285， =1050N，L=1.56-0.25=1.31m，導向支撐a的選取為0.18m，</p><p>　　將相關數(shù)據(jù)帶入計算得，</p><p><b>　?、偈直蹜T性力的計算&

63、lt;/b></p><p>　　該設計要求手臂平動V=5m/min，則，在計算慣性力時，設置啟動時間 啟動速度 =V=0.083m/s，</p><p><b>　?。ㄊ?.8）</b></p><p><b>　　=45.5N</b></p><p>　?、诿芊庋b置的摩擦阻力</p&

64、gt;<p>　　每一種密封圈所受到的摩擦力都不一樣，在設計手臂時，我們選取了O型密封圈，當雙作用液壓缸的工作壓力 10MPa時，液壓缸上密封圈處所受到的摩擦力近似為： =0.03F。</p><p>　　經(jīng)過上述分析計算后，最終得出液壓缸所需要的驅動力為：</p><p>　　F=0.03F =6210N （式3.9）</p><

65、;p>　　3.2.2 液壓缸工作壓力與結構的確定</p><p>　　通過上述分析，最終得出液壓缸所需要的驅動力F=6180N，通過查詢機械設計手冊后，選取雙作用液壓缸的工作壓力為：P=2MPa。</p><p>　?。?）確定液壓缸的結構尺寸:</p><p>　　圖3.2為雙作用液壓缸的示意圖， </p><p>　　圖3

66、.2 雙作用液壓缸的示意圖</p><p>　　當油進入無桿腔時， </p><p>　　/4， （式3.10）</p><p><b>　　當油進入有桿腔時，</b></p><p>　　， （式3.11）</p>

67、<p>　　則，液壓缸的有效面積為：</p><p>　　S=F/ ， （式3.12）</p><p>　　故有， </p><p>　　(無桿腔) （式3.13）</p><p>　?。ㄓ袟U腔） (式3.14)</p><p>　　由F=6210N， =2 Pa

68、，選擇的機械效率為 =0.95，</p><p>　　將相關數(shù)據(jù)帶入后得：</p><p><b>　?。ㄊ?.15）</b></p><p>　　根據(jù)機械設計手冊中標準液壓缸內(nèi)徑系列表，選擇D=80mm。</p><p>　?。?）液壓缸外徑的設計</p><p>　　根據(jù)裝配及其他方面的因素，

69、考慮到液壓缸的壁厚在7.5mm，所以，該液壓缸的外徑為77mm。</p><p>　　（3）活塞桿的計算與校核</p><p>　　活塞桿的尺寸要滿足活塞運動的強度要求，對于桿長L為直徑d的15倍及以上的活塞桿還應該有足夠的穩(wěn)定性。</p><p>　　按照直桿拉、壓強度計算：</p><p><b>　　（式3.16）</b

70、></p><p>　　即 ， （式3.17）</p><p>　　本設計中的活塞桿選取材料為鋼，故 =100MPa，經(jīng)初步計算，取d=18mm，L=1360mm，由于L 15d，則需校核其穩(wěn)定性。</p><p><b>　　穩(wěn)定的性條件是 ,</b></p&g

71、t;<p>　　式中 為臨界力； 為安全系數(shù)，一般取2—4。</p><p><b>　　其中 ,</b></p><p>　　式中，E是活塞桿的彈性模量，一般取 MPa；S是活塞桿的橫截面積； 是活塞桿的柔度系數(shù)，查機械設計手冊得，取85。</p><p><b>　　故可計算得 ，則 </b></p

72、><p>　　所以，活塞桿有足夠的穩(wěn)定性！</p><p>　　4 機身的分析與設計</p><p>　　4.1 腰部和基座的設計</p><p>　　4.1.1 結構設計</p><p>　　通過安裝在支座上的步進電機和諧波齒輪直接驅動帶動機座轉動，從而實現(xiàn)機械手的旋轉運動，通過安裝在頂部的步進電機和聯(lián)軸器帶動滾珠

73、絲杠轉動實現(xiàn)手臂的上下移動。在絲杠的兩邊裝有兩根導向軸，既保證了機械手手臂能夠隨機座一起轉動，又能保證實現(xiàn)平穩(wěn)的升降運動。導向軸選用鋼材，從而在減小重量的同時節(jié)省成本，其設計結構如下圖2-10。</p><p>　　1——底座，2——步進電機，3——齒輪，4——基座</p><p>　　5——支架，6——滾珠絲杠，7——導向柱，8——聯(lián)軸器</p><p>　　圖4

74、.1 腰部和基座結構圖</p><p>　　1——底座，2——步進電機，3——圓錐滾子軸承，4——帶，5——外殼</p><p>　　6——行程開關，7——柔輪，8——波發(fā)生器，9——剛輪</p><p>　　圖4.2 環(huán)形軸承的機器人機座</p><p>　　4.1.2 步進電機的選取</p><p>　　步進

75、電機是一種將電脈沖信號變換成為相應的角位移或者制線位移的機電執(zhí)行元件。在正常使用的情況下，每當輸入一個電脈沖，步進電機就轉動一個角度，前進一步。沒輸入一個脈沖信號，電機就轉動一個步距角，因此，這種電動機就稱為步進電動機。又因為它輸入的既不是正弦交流電，也不是恒定的直流電，而是電脈沖信號，所以被叫做脈沖電動機。步進電機的轉速、角位移與脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)成正比，負載變化對它沒有影響，步進電機按照脈沖信號轉動相應的角度被稱為“步距角”也被

76、叫做步距，步進電機每轉過一個步距角的角度是固定不變的，它的大小與繞組的相數(shù)、轉子的齒數(shù)和通電方式有關系。目前我國步進進電機步劇角為0.36到90給幾個脈沖信號走相應的角度。因此人們通常是通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移角度，進而達到目的的準確定位；同時控制電機轉動的速度和加速度也可以通過控制脈沖頻率來實現(xiàn)，從而實現(xiàn)調速。</p><p>　　步進電機是一種感應電機，它有單相輪流通電、雙向輪流通電和單雙向輪流通電等方式

77、。定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍?！皢巍笔侵该看吻袚Q前后只有一組繞組通電；“雙”是指每次有兩相繞組通電。步進電機是動力源，是機電一體化很重要的部件，在各種自動化控制系統(tǒng)中被廣泛應用。隨著現(xiàn)代化電子元器件的微小化和計算機技術的快速發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個行業(yè)的經(jīng)濟領域應用都非常廣。</p><p>　　搬運機械手在升降和旋轉方向的運動均由步進電機提供動力，為了有根據(jù)的選取合適的步進電機作為動力源

78、，對不同的驅動方式進行詳細的對比，通過對比，可以得出，用步進電機作為動力源有許多的有點。如方便進行控制，定位比較精確，可通過編程進行重復動作等，接下來就開始選擇步進電機的型號。</p><p>　　初步選擇的電機為BF反應式步進電機，型號為：90BF001。下表4.2為它的一些詳細的參數(shù)：</p><p>　　表4.2 電機參數(shù)表</p><p>　?。?）傳動系

79、統(tǒng)等效轉動慣量計算</p><p>　　每個傳動的就夠都折算到步進電機軸上所得的總轉動慣量，就是傳動系統(tǒng)等效轉動慣量。</p><p>　　①電機轉子轉動慣量的折算</p><p>　　查表得出，=1.764㎏?cm2</p><p>　　②聯(lián)軸器轉動慣量的折算</p><p><b>　?。ㄊ?.1）<

80、;/b></p><p>　　其中： D是圓柱體的直徑（cm）, 是圓柱的質量（Kg），L是圓柱體的長度。</p><p>　　對于鋼材，材料密度為,把數(shù)據(jù)代入上式得：</p><p>　?、蹪L珠絲杠轉動慣量的折算</p><p>　　查表可知，滾珠絲杠的轉動慣量為0.94 ?cm2/m，又因為滾珠絲杠的長度L＝380mm，所以滾珠絲杠

81、轉動慣量為=0.94×0.38=0.357 ?cm2； </p><p>　?、苁直坜D動慣量的折算</p><p>　　因為工作臺是可以移動的，所有它的移動使的慣量必須折算到滾珠絲杠的軸上，則其折算后的轉動慣量可按下式進行計算： （式4.2） </p><p>　　其中，是滾珠絲杠的導程（cm）；是工作臺的質量（kg）。

82、</p><p><b>　　所以：</b></p><p>　?、菹到y(tǒng)等效轉動慣量計算</p><p><b>　?。?）驗算矩頻特性</b></p><p>　　步進電機的最大靜轉矩就是指電機的定位轉矩，查表得，。步進電機的名義啟動轉矩與最大靜轉矩的關系為：</p><p&g

83、t;　?。ㄊ?.3） </p><p>　　查表得，＝0.707。所以，</p><p>　　所以步進電機所需要的空載啟動力矩的計算如下：</p><p><b>　?。ㄊ?.4） </b></p><p>　　式中：是空載時的啟動力矩（N?cm）；為空載啟動時運動機構從靜止提速到最大快進速度，

84、折算到步進電機軸上的加速力矩（N?cm）；為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N?cm）； </p><p>　　有關的各項力矩值計算如下：</p><p><b>　?、偌铀倭?lt;/b></p><p><b>　　（式4.5）</b></p><p><b>　?。ㄊ?.6）</b

85、></p><p><b>　?。ㄊ?.7）</b></p><p><b>　　空載摩擦力矩</b></p><p>　?。ㄊ?.8） </p><p><b>　　其中：取＝0.8 </b></p><p>

86、<b>　　附加摩擦力矩</b></p><p>　　（式4.9） </p><p>　　其中：是未預緊時滾珠絲杠傳動的效率，故取＝0.96。</p><p>　　所以，步進電機所需空載啟動力矩：</p><p><b>　?。ㄊ?.10）</b></p>

87、<p>　　初選電機型號時應該滿足步進電機所需要的空載啟動力矩小于等于步進電機的名義啟動力矩，即 </p><p>　　從上式可知電機初步滿足要求。</p><p>　?。?）啟動矩頻特性校核</p><p>　　步進電機的啟動一般分為突跳啟動和升速啟動兩種。突跳啟動使用較少。升速啟動就是步進電機從速度為零開始慢慢加

88、速，在速度為零時，他的啟動頻率也是零。并且在一定的時間里，根據(jù)一定的加速規(guī)律進行加速。當啟動完成時，步進電機的速度也就達到了最高。</p><p>　　查表得，步進電機150BF002的啟動頻率為</p><p><b>　　，</b></p><p>　　所以所選用的電機不會丟步。</p><p>　?。?）運行矩頻特

89、性校核</p><p>　　步進電機的最高快進運行頻率可按下式計算：</p><p>　?。ㄊ?.11） </p><p>　　式中：為運動部件最大快進速度。算得。</p><p>　　快進力矩的計算公式：</p><p>　　（式4.12） <

90、;/p><p><b>　　帶入數(shù)值得：</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　查運行矩頻特性圖，可得：</p><p>　　快進力矩＝對應的允許快進頻率；</p><p>　　所以,所用的電機都滿足快速進給運行矩頻特性要求。</p>

91、<p>　　經(jīng)過上邊的計算與分析，本設計選取的步進電機90BF001是適合使用的，能完成所需要的動作過程。</p><p>　　4.1.3 軸承的選取</p><p>　?。?）基座的支撐部件選用環(huán)形軸承，它相比其它軸承的特點是：直徑較大但寬度較小，而且精度也比較高，剛度較大、既能承受徑向力和軸向又能承受傾覆力矩。</p><p>　?。?）圓錐滾子軸承

92、安裝在滾珠絲杠的下面，它的型號為30204，具體的參數(shù)如下：</p><p>　　表4.3 軸承參數(shù)表</p><p>　　4.2 機械傳動裝置的選取</p><p>　　4.2.1 滾珠絲杠的選擇</p><p>　　假設滾珠的使用壽命為Lh = 15000 h 左右，可靠度為95%，精度是3級精度。</p><p

93、><b>　?。?）計算載荷</b></p><p>　　Fc = （式4.13）</p><p><b>　　查機械設計手冊，得</b></p><p>　　= 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1</p><p><b>　　Fc = &

94、lt;/b></p><p>　　= 1.11.01.6111000</p><p>　　= 1771 N （式4.14）</p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　= </b></p><p>　　

95、= 19559 N （式4.15）</p><p>　?。?）選擇滾珠絲桿副的型號</p><p>　　滾珠絲杠是機械產(chǎn)品上將回轉運動轉化直線運動最適合的部件。滾珠絲杠由螺桿、螺母、鋼球、預壓片、反向器、防塵器組成。它的功能就是轉化運動即將旋轉運動轉化成直線運動，這是艾克姆螺桿的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滑動動作變成滾動動作。

96、滾珠絲桿都用滾動軸承支承?？捎玫臐L動軸承種類很多。就目前工業(yè)上普遍來說，主要用到二種，一種是推力角接觸軸承，這種軸承可以組配，摩擦力矩較小?。涣硪环N是滾針-推力圓柱滾子組合軸承，這種，多用于重載，軸承剛度大。</p><p>　　滾珠絲杠是許多機器中常見的傳動部件，它的主要作用是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反復作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率等優(yōu)點它的傳動效率高達85％-98％，是滑動絲桿副

97、的2-4倍雇主絲桿副的摩擦角小于1，因此不自鎖。因此設計的旋轉式機械手的升降裝置上必須有制動裝置。滾珠絲桿由于受到的摩擦阻力很小，因此滾珠絲杠被大量應用于各種各樣的工業(yè)設備如車床，銑床等和精密儀器上面如光學儀器上面。</p><p><b>　　主要尺寸為：</b></p><p>　　按= 19559N，查機械設計手冊，選取的滾珠絲杠的系列代號為FYC1-4008-

98、2.5。</p><p>　　= 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滾珠直徑d0=3.969mm</p><p>　　滾道半徑 R=</p><p>　　偏心距 e== （式4.16） 絲杠內(nèi)徑</p><p><b>　　（式4.17）</b></p&g

99、t;<p>　　≤27 mm , =24000 N , =1880 N</p><p>　　螺旋導程角 γ = arctan = arctan = 3º38′（式4.18）</p><p>　　螺桿不長，無需驗算穩(wěn)定性。 </p><p><b>　?。?）剛度驗算</b></p><p

100、>　　根據(jù)最差的情況進行考慮，則在螺距(導程)內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉矩引起彈性變形方向一致時的變形量最大，具體計算如下：</p><p>　　= + （式4.19）</p><p>　　式中 T1 = ··tan( γ+)</p><p>　　= 1000t

101、an(+)</p><p>　　= 1321 N·mm</p><p>　　磨擦系數(shù)f = 0.025, 當量磨擦角 = ，</p><p>　　剪切彈性模量 G=8.33 N/mm2</p><p>　　所以：= + （式4.20）</p><p>　　= 0.0387 μm </p>&

102、lt;p>　　其中，危險截面= 35.76，E = 2.06</p><p>　　每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形</p><p>　　= = 6.6 /m < ()p = 15/m （式4.21）</p><p>　　因為滾球絲桿精度要求為3級精度，查表得，</p><p>　　()p = 15/m</p&g

103、t;<p>　　所以其剛度滿足要求。</p><p><b>　?。?）計算效率</b></p><p>　　η= = = 0.960 = 96% （式4.22）</p><p>　　4.2.2 諧波齒輪的選擇</p><p>　　與普通齒輪進行對比發(fā)現(xiàn)諧波齒輪的特點為：</p>&

104、lt;p><b>　　(1)傳動比大。</b></p><p>　　(2)這種傳動同時嚙合的齒數(shù)較多，所以它的承載能力也就大。</p><p>　　(3)運動時所產(chǎn)生的誤差和沖擊較小，傳動的精度也較高，傳動相對比較平穩(wěn)。</p><p><b>　　(4)效率高。</b></p><p>　　

105、(5)起動時所需要的力矩較大，容易損壞柔輪，且傳動比 35時一般不用。</p><p>　　本設計中的諧波齒輪是采用帶杯形柔輪的諧波傳動組合件。它是由帶凸緣的環(huán)形剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構成的波發(fā)生器三大部分共同組成的。</p><p>　　型號XB1-80-100-2-3/3</p><p>　　機型號100，既柔輪的公稱內(nèi)徑為80mm</p>

106、;<p><b>　　減速比100</b></p><p><b>　　精度等級為6級 </b></p><p>　　4.2.3 軸的設計和聯(lián)軸器的選擇</p><p>　　聯(lián)軸器是機械傳動中常用的部件。他們主要用來連接軸與軸或者是連接軸與其他回轉面零件，以傳遞運動與轉矩，有時候也可用做安全裝置。圖2-12

107、所示為采用錐環(huán)（錐環(huán)夾緊環(huán)）無鍵消隙聯(lián)軸器，可使動力傳遞沒有反向間隙。螺釘5通過壓圈3施加軸向力時，由于錐環(huán)之間的楔緊作用，內(nèi)外環(huán)2分別產(chǎn)生徑向彈性變形，消除軸4與套筒1之間的配合間隙，并產(chǎn)生接觸壓力，通過磨擦傳遞轉矩，而且套筒1與軸4之間的角度位置可以任意調節(jié)。</p><p>　　這種聯(lián)軸器傳遞轉矩的能力很大，結構上更為簡單，安裝方便，易于制造，耐久度高，并且有一定的吸振和緩沖能力，允許被連接的倆軸之間有一定

108、的軸向位移以及少量的徑向位移和角位移。這種聯(lián)軸器目前應用很廣泛，品種也越來越多。</p><p>　　1——外套筒，2——內(nèi)環(huán)，3——墊圈，4——軸，5——螺栓</p><p>　　圖 4.3 消隙聯(lián)軸器</p><p>　　本設計的軸為傳動軸，其設計步驟如下：</p><p>　　根據(jù)步進電機的相關參數(shù)確定出軸上的功率 、轉速 和轉矩 ，

109、</p><p><b>　　= =7.2KW</b></p><p>　　=n=1250r/min</p><p>　　=9550000 =55008Nmm</p><p>　　初步確定軸的最小直徑</p><p>　　選取軸的材料為45鋼，調質處理，取 =112</p><

110、p>　　則 = =20.07mm</p><p>　　由聯(lián)軸器的型號確定出軸此處的直徑為22mm，半聯(lián)軸器的長度L=62mm，則半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度 =30mm</p><p><b>　　軸的結構設計</b></p><p>　　為了滿足軸向定位的要求，在聯(lián)軸器的軸向處應該設有一個軸肩，軸肩高度為2mm，則此處軸頸為26mm，軸的

111、另一段需要安裝墊片，進行螺紋鎖緊，則右側直接應該為22mm，長度為38mm。</p><p><b>　　軸的強度校核</b></p><p>　　由于選定軸的材料為45鋼，調質鋼處理，其 =60 ，因此 </p><p><b>　　故，安全。</b></p><p>　　5 搬運機械手控制系統(tǒng)

112、的概述</p><p>　　5.1 PLC的組成和工作原理</p><p>　　工業(yè)機械手通常具有多個自由度，并且任意一個自由度都需要有一個伺服機構，它們共同工作，組成一個多變量的控制系統(tǒng)。</p><p>　　PLC即可編程序邏輯控制器，目前，在國內(nèi)外已廣泛應用于自動化、機器人、生產(chǎn)流水線控制等工業(yè)生產(chǎn)中，PLC的應用范圍通?？煞譃槲宸N：（1）順序控制；（2）運

113、動控制；（3）過程控制；（4）數(shù)據(jù)處理；（5）通信網(wǎng)絡。</p><p><b>　　(1)PLC的組成</b></p><p>　　PLC的本質就是用來控制的一種微型計算機，因此，PLC與計算機的組成非常相似，從硬件結構上來看，它也有中央處理器（CPU）、輸入/輸出（IO）接口、存儲器等。</p><p>　　具體的組成情況如下圖5.1所示，

114、</p><p>　　圖5.1 PLC組成圖</p><p>　　(2)PLC的工作原理及特點</p><p>　　PLC的工作方式是按照集中輸入、集中輸出、不斷的周期性循環(huán)掃描的方式進行工作的。</p><p>　　PLC的工作過程由三個基本的部分組成；具體的工作原理如下圖5.2所示，</p><p>　?、俚谝?/p>

115、部分是上電處理；</p><p>　　②第二部分是掃描過程；</p><p>　　③第三部分是出錯處理。</p><p>　　圖5.2 PLC運行框圖</p><p><b>　　PLC的特點有：</b></p><p>　　可靠性高，抗干擾能力強；通用靈活；</p><p

116、><b>　　編程簡單方便；</b></p><p>　　功能完善，擴展能力強；</p><p>　　設計、施工、調試的周期短，維護方便。</p><p>　　5.2 機械手PLC梯形圖</p><p>　　本設計不僅對于利于PLC對搬運機械手進行控制的原理作了簡單的介紹，還利用PLC編寫了控制搬運機械手的梯形圖

117、。</p><p>　　由于本設計的搬運機械手有三個自由度，且動作靠行程開關來控制，現(xiàn)將每個信號所代表的意思寫在了下表5.1中。</p><p>　　表5.1 信號表示含義表</p><p>　　在將各個信號和所表示的含義定義后，接下來設計并編寫了控制搬運機械手的PLC梯形圖，如下圖5.3所示。</p><p>　　圖5.3 PLC梯形圖

118、</p><p><b>　　6 結論</b></p><p>　　通過此次畢業(yè)設計，讓我理解到了許多關于機械手的相關知識，同時也對目前國內(nèi)外機械手的發(fā)展現(xiàn)狀有了一定的了解。經(jīng)過國家?guī)资甑陌l(fā)展，中國國內(nèi)的機械手不斷地發(fā)展壯大，尤其對于搬運機械手來說發(fā)展更是日新月異，而搬運機械手的技術正在日趨完善。本論文在分析策略，總結以前經(jīng)驗的同時，介紹了我設計的搬運機械手各機械

119、模塊系統(tǒng)的組成及結構設計，并對機械手的控制做了簡單的介紹。本次的畢業(yè)設計中設計的搬運機械手并不是通用機械手，所以，動作比較固定，機構也相對簡單，專用性比較強。在驅動設計中，采用了液壓傳動，液壓出力較大，同時可用電液伺服機構實現(xiàn)連續(xù)的運動控制，從而使機械手有較高的定位精度，使機械手用途更廣。該搬運機械手選擇了二指夾持機構，可以抓取一般的棒料，抓取的物體形狀相對單一，在設計中也存在許多的局限和不足之處，希望通過不斷的學習和今后的努力，對搬運

120、機械手的設計有一個清晰而系統(tǒng)的設計方法。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]潘駿，段福斌，楊文華，吳立軍.機械設計基礎[M].南京大學出版社，2007:15-157.</p><p>　　[2]孟少龍.機械加工工藝手冊[M].北京，機械工業(yè)出版社，1991:45-91.</p><p&g

121、t;　　[3]湯瑞.輕工機械設計[M].上海：同濟大學出版社，1994:104-123.</p><p>　　[4]周松鶴.工程力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003:31-94.</p><p>　　[5]張軍,封志輝.多工步搬運機械手的設計[J].機械設計,2004:56-128.</p><p>　　[6]張展.機械設計通用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社

122、，2008:120-308. </p><p>　　[7]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].第八版.北京：高等教育出版社，1988：143-235.</p><p>　　[8]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010:80-146.</p><p>　　[9]李洪.機械加工工藝手冊[M].北京：北京出版社，1996：79-104.</p>