通用液压机械手之手臂设计方案说明书-学位论文.doc

湖南工业大学本科毕业设计（论文）

（2011届）
题 目 名 称：
通用液压机械手之手臂设计
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职称

最终评定成绩：

专科毕业设计（论文）

2011 年 月

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
·
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G1 =300N G2 =200N G3 =200N G4 =800N
所以Gˊ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 =2FRƒ 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
FR ===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 =1.2×5044.7N=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=P2η
液压缸的有效面积： S =
所以 D= （油从无杆腔进入）
D= （油从有杆腔进入）
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
液压缸工作压力P/MPa
≤5
5～7
＞7
推荐活塞杆直d
（0.50～.55）D
（0.6～0.7）D
0.7D

液压缸往复速度比推荐值表2-4
工作压力p/MPa
≤10
10～20
＞20
往复速度比λv
1.33
1.46～2
2

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：
液压缸内径D
液压缸外径Dˊ
工作压力P
活塞杆直径d
驱动力F
160mm
245mm
0.8MPa
80mm
6053.6N

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
Jo=Jc +
Jc =
回转部件可以等效为一个高1500mm，半径为60mm的圆柱体，圆柱体重量为G总=1500N,设启动角速度=0.314rad/s,启动时间=0.1s。
所以 Jc = ==28.8Nm
Jo=Jc +=28.8+=144.7Nm
M惯=J=Jo=144.7=454.5N.m
（2） M密和M回的计算
为了方便计算，密封处的摩擦阻力矩M密=0.03 M驱，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计，即M回=0。
因此 M驱 =M惯+M密+M回=454.5+0.03M驱 +0 即M驱 = 468.6N.m

2.8手臂回转液压缸主要参数
粗取b=60mm 液压缸工作压力P=4MPa，d=50mm,则由
M驱 =
得 D===0.1346m
根据标准液压缸内径系列，为了尽可能满足要求，取D=150mm
式中 D—液压缸内径（mm）
P—回转液压缸工作压力（MPa）
b—动片宽度（mm）
d—输出轴与动片联接处的直径（mm）
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
所以手臂回转液压缸主要参数为：
工作压力P
液压缸内径D
液压缸外径D′
动片宽度b
输出轴直径d
驱动力矩M
4MPa
140mm
245mm
60mm
50mm
468.6N.m

回转液压缸
回转液压缸的工作原理：
改回转液压缸为，轴不转动，缸桶转动。轴当液压油从B侧进入时，回转液压缸缸桶逆时针转动；当液压油从A侧进入时，回转液压缸缸桶顺时针转动。

第三章 联接板

联接板的介绍及作用
联接板采用铸铁制作而成，主要是联接、支撑的作用，同时将液压油通过油口输送到上端手臂。联接板的B面对A面的平行度有很大的要求.每100长度不大于0.02。同时要求铸件的组织均匀，不得有沙眼、缩松、缩孔、疏松等缺陷，表面的粗糙度要低，防止接触面高压油泄露。尺寸长度是依据联接手臂的长度、重量，形状所确定的。

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
螺钉间距t与压力P之间的关系表4-1

t为螺钉的间距，间距跟工作压力有关，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为：
FQs = FQ + FQsˊ FQ为工作载荷，FQsˊ为预紧力
（1）手臂升降液压缸螺钉
手臂升降液压缸的工作压力为0.8MPa。所以螺钉间距t小于150mm，试选择4颗螺钉 = =83.73mm ＜150mm
所以选择螺钉数目Z=6颗
危险截面面积：
S= =3.14 =0.01507
FQ = = =2009.3N
FQsˊ=K FQ (K=1.5 取K=1.7 则FQsˊ=K FQ =1.72009.3=3415.9N
FQs = FQ + FQsˊ=2009.3 +3415.9=5425.1N
合=
式中 D—缸体内径
—螺钉材料的许用拉应力（MPa）
d—螺钉螺纹内径（mm）
螺钉材料选择Q235A，查表得s=240MPa = = =160MPa （n =1.22.5）
即 d==0.0074m
按标准螺钉直径系列选取，为了更好的满足要求，取d=10mm
（2）手臂回转液压缸螺钉
手臂回转缸的工作压力为4MPa。所以螺钉间距t小于100mm，试选择6颗螺栓 = =73.2mm ＜100mm
所以选择螺钉数目为6颗。
同理可得
按标准螺钉直径系列选取，为了更好的满足要求，取dˊ=10mm

4.2动片与输出轴之间的联接螺钉校核
动片与输出轴之间的联接螺钉见上回转液压缸图
由 = FQsˊzƒ
得 FQsˊ=
==15456N
式中 ƒ—被联接件配合面间的摩擦系数 查表得 ƒ=0.15
D—动片外径（mm）
d—动片与输出轴配合处直径（mm）
FQsˊ—动片和输出轴间联接螺钉的预紧力（N）
B—动片宽度（mm）
P—回转液压缸工作压力（Pa）
螺钉的强度校核：
合=
螺钉材料选择Q235A，取s=240MPa = = =160MPa （n =1.22.5）
即 d==0.0126m
螺钉的直径选择d=12mm，选择M12的开槽盘头螺钉。
—螺钉材料的许用拉应力（MPa）
d—螺钉螺纹内径（mm）

4.3手臂升降液压缸筒的壁厚校核
液压缸的壁厚为：
=42.5mm
==3.7＜10 该液压缸壁为厚壁
壁厚按下式进行校核：

式中 D—缸筒内径；
Py—缸筒的试验压力，当缸的额定压力Pn≤16MPa时取Py=1.5Pn，当Pn＞16MPa时取Py=1.25Pn；
—缸筒材料的许用应力，=b/n;
n—安全系数，一般取n=5.
Pn=0.8MPa Py=1.5Pn=1.2MPa 缸筒材料为20钢，b =100MPa 将数据带入式中：
=11.5mm
故液压缸壁厚满足要求。 同理手臂回转液压缸壁厚也满足要求。

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
（1）液压回转缸的流量计算
q=VA
V= 而 =110°/s=1.92rad/s
q=VA=V=1.92×0.07=574.6mL/s
（2）液压升降缸的流量计算
q=VA=V=0.025=376.8mL/s
(3)确定液压泵的额定流量
qpqmax
即 qpqmax=1.2574.6=689.5mL/s
式中 qp—泵的输出流量；
K—系统的泄漏系数，一般K=1.11.3；
qmax—执行原件实际需要的最大流量
(4)确定液压泵的额定压力
Pp≥KPmax
即 Pp≥KPmax=1.4×4=5.6MPa
式中 Pp—泵的工作压力；
Pmax—执行元件的最高工作压力；
K—系数，考虑液压泵至执行元件管路中的压力损失，查表得K=1.31.5。
因此选择YB1—50型号叶片泵，转速960r/min，工作流量q=800mL/s。

5.2液压系统的原理

手臂升降液压缸液压工作原理
液压缸上升时
进油路：油箱—过滤器—泵—换向阀右位接通—单向阀—液压缸下端油口
回油路：液压缸上端油口—换向阀右位—油箱
液压缸下降时
进油路：油箱—过滤器—泵—换向阀左位接通—液压缸上端油口
回油路：液压缸下端油口—顺序阀—换向阀左位接通—油箱

手臂回转缸液压工作原理
顺时针转动时
进油路：油箱—过滤器—泵—换向阀左位接通—液控单向阀7—回转液压缸
回油路：回转液压缸—液控单向阀6—换向阀左位接通—油箱
逆时针回转时
进油路：箱—过滤器—泵—换向阀右位接通—液控单向阀6—回转液压缸
回油路：回转液压缸—液控单向阀7—换向阀右位接通—油箱

参考文献

1、《机械设计手册3》 机械工业出版社,徐灏主编
2、《机械设计手册4》 机械工业出版社,徐灏主编
3、《机械设计手册5》 机械工业出版社,徐灏主编
4、《工业机器人》 北京理工大学出版社,张建民著
5、《工业机械手-机械结构上》 上海科学技术出版社《工业机械手》编写组
6、《机床设计手册3》 部件、机构及总体设计 机械工业出版
《机床设计手册》编写组
7、《液压传动》 机械工业出版社,丁树模主编
8、《机械制图》 大连理工大学工程画教教研室
高等教育出版社
9、《毕业设计指导书》 青岛海洋出版社
李恒权、朱明臣、王德云主编
10、《机械基础》 中国劳动出版社，王栋梁主编
11、《solidworks设计与应用》 电子工业出版社 隆生主编
12、《机械制造技术》 机械工业出版社，黄鹤汀主编

致 谢

在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了导师老师的亲切关怀和精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中无不饱含着老师的汗水和心血。导师敏锐的学术思想、严谨踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。他对本设计的构思、框架和理论运用给予了许多深入的指导，使得设计得以顺利完成。在此谨向尊敬的导师老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。
通过这次毕业设计，大大的提高了我们的自主学习和认真思考的能力，对学术态度的严谨性也有了很高的认识。我相信在以后的学习和工作过程中，一定可以好好的解决问题，提高自己的能力，较快地适应工作和社会激烈的竞争。
再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们。

学生签名：李炜
日 期：2011.5