机械手手臂设计

仲恺农业工程学院
《机械系统》课程设计说明书设计题目：工业机械手设计—臂部伸缩
指导老师：张日红关秋菊
院系：机电工程学院
班级：机械072班
姓名：蔡钟文
学号：200710824224
前言 (3)
一、设计要求及主要参数： (3)
二、机械手臂伸缩机构设计 (4)
1、结构初设计 (4)
2、结构改进 (5)
3、手臂伸缩驱动力计算 (5)
4、手臂伸缩液压缸参数计算 (6)
三、液压传动与控制系统设计 (9)
四、机械手的控制 (11)
1、电气控制系统： (11)
2、机械手可编程顺序控制 (11)
五.总结 (17)
六．参考文献 (17)
前言
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产品。

不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供的性能，质量和成本，都对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的影响。

机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。

因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

工业机械手是工业机器人的一个重要分支。

它能模仿人手的某些动作功能，按照编程来完成各种预期的作业任务。

在某些方面它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，显著地减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。

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，采用机械手是最有效的。

不仅如此，机械手还能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门，具有强大的生命力。

随着机械手在工业的各个领域地广泛应用，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展将起着重要的作用。

一、设计要求及主要参数：
1、运动简图：
2、抓重：
50N,100N,150N,200N,250N,300N
3、自由度：4个
4、臂部运动参数：
5、腕部参数：
6、定位方式：电位器（或接近开关等）设定，点位控制；
7、手指夹持范围：棒料直径ø50~ø70mm ，长度450～1200mm
8、驱动方式：液压（中、低压系统）
9、定位精度：+/-3mm
10、控制方式：PLC控制
此次设计我们以5人为一小组的形式对机械手执行机械进行设计，本人负责的是手臂伸缩机械的设计，下文将就这部分进行说明。

二、机械手臂伸缩机构设计
1、结构初设计
臂部设计的基本要求有：
①、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻；
②、臂部运动速度要高，惯性要小；
③、手臂动作应该灵活；
④、位置精度要高。

常见的手臂伸缩机构有双导向杆手臂伸缩机构、双层液压缸空心活塞杆导向机构、采用花键套导向的手臂升降机构、双活塞伸缩油缸机构、活塞杆和齿轮齿条机构。

其中双导向杆手臂伸缩机构，由于臂部的伸缩油缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，受力简单，传动平稳。

并综
合以上基本要求考虑，本设计选择双导向杆手臂伸缩机构，使用液压驱动，液压缸选取双作用液压缸。

2、结构改进
为防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，在导向杆尾部还增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。

3、手臂伸缩驱动力计算
先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。

如此反复，绘出最终的结构。

做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定液压缸所需要的驱动力。

伸缩液压缸活塞的驱动力的计算公式为：
F F F F F =+++回摩密惯
其中摩F 手臂运动时，运动件表面间的摩擦阻力；密F 是密封装置处的摩擦阻力；回F 是液压缸回油腔低压油液所造成的摩擦阻力；惯F 是启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。

（1）、摩擦力的计算：
不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。

本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩缸两侧。

下图是机械手臂受力示意图，现初步取支撑架长度a 为120mm ，手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离L 为600mm ，设参与运动的零部件所受的总重力总G 为800N 。

图1：机械手臂受力示意图
计算如下：
由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。

由0A M =∑，既a aF L G ＝总，从而得 a L
G F a 总=
由0＝∑Y F ，既b a F F G =+总，从而⎪⎭
⎫
⎝⎛+=a a L G F b 总
而摩擦阻力
''a b a b
F F F F F μμ=+=+摩摩摩
'2L a F G a μ+⎡⎤∴=⎢
⎥⎣⎦
总摩
其中μ是摩擦系数，导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁'
0.20 1.50.3μ=⨯=
将有关数据代入进行计算：
N a a L G F 264012012060028003.02=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+⨯⨯⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+总摩＝μ （2）、密封装置处的摩擦阻力：
不同的密封圈其摩擦阻力不同，在本设计中，各处均选用O 型密封，当液压缸工作压
力小于10Mpa ，活塞杆直径为油缸直径的一半。

液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：
0.03F F =封。

（3）、液压缸回油腔低压油液所造成的摩擦阻力：
一般背压阻力较小，可取F F 05.0＝回。

（4）、活塞杆所受平均惯性力：
启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力近似计算公式为：G v
F g t
∆=
∆总惯，其中手臂伸缩速度s m v 2.0=∆，设置启动时间0.2t s ∆=，则可得活塞杆所受平均惯性力
为： G v F g t
∆=
∆总惯N 402.0102
.0400＝＝⨯⨯ 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：
F F F F F =+++回摩密惯
4005.003.02640+++F F ＝
经计算得F ＝2702N 。

4、手臂伸缩液压缸参数计算
经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=2702N ，根据工业机械手设计表4-1选择液压缸的工作压力Pa p 6
1101⨯=。

（1）、油缸内径的计算：
下图是双作用油缸的受力图，当液压油从无杆腔进入时，活塞杆受力向外推出。

当液压油从有杆腔进入时，活塞杆受力向内收回。

图5.2 双作用液压缸示意图
当油进入无杆腔，
2
14
D F F p
πηη
==
当油进入有杆腔中，
()
2224
D d F F p
πηη
-==
液压缸的有效面积：
1F S p =
所以油缸内径为：
114 1.13F F
D p p πηη=
= （无杆腔） 2
14F
D d p πη=
+ （有杆腔）
F=2702N ，Pa p 6
1101⨯=，选择机械效率η＝0.96 将有关数据代入： mm p F D 87.5996
.010114.32702
446
1=⨯⨯⨯⨯=ηπ＝
根据工业机械手设计表4-2，选择标准液压缸内径系列，选择D=63mm.
（2）、油缸壁厚的计算：
选用中等壁厚，则壁厚的计算公式为：[]()C p D
p +-ϕ
σδ计计＝
3.2，其中13.1p p ＝计，
图2：双作用油缸示意图
油缸选用无缝钢管制成，其许用应力[]MPa 100=σ。

将各数据代入上式，得到：
[]()()
C C C p D
p ++⨯⨯-⨯⨯⨯⨯⨯=+-6.310
13.1101003.2631013.13.26
66＝＝计计ϕσδ 圆整取壁厚mm 4＝δ。

（3）、油缸外径的计算：
将油缸壁厚的2倍与油缸内径之和得到油缸的外径值，得外径为71mm ，按工业
机械手设计表4-3，取油缸外径标准值为76mm 。

（4）、活塞杆的计算：
①、按强度条件决定活塞杆直径：
活塞需满足
[]
2
4
F
d
σσπ
=
≤，既[]
mm P
d 87.5100
14.32702
44=⨯⨯=
≥
σπ，参照上文关
于油缸内径的计算，以及查工业机械手设计表4-4，取活塞杆直径为22mm 。

②、活塞杆的稳定性校核：
臂的伸缩行程为400mm,根据其它零部件的安装间隙，活塞杆长取为mm l 550＝。

因为l>15d ＝330mm ，所以活塞杆需要稳定性校核 油缸安装属于两端固定，长度折算系数0.5μ= 弹性模量52.110E MPa =⨯
特定柔度值128.64λ=
==
活塞杆横截面的惯性半径5.54
==d
i 安全系数4=K n
活塞杆的面积222
94.3794
2214.34mm d F =⨯==π 活塞杆的计算柔度64.28505
.5550
5.0>=⨯=
=
i
l
μλ,属于大柔度杆其临界力。

5
2
52221015.394.37950
101.214.3⨯=⨯⨯⨯==F E P k λπ
N n P N P k k 45
108.741015.32702⨯=⨯=<=,活塞杆稳定性符合要求
(5)、油缸端盖的联接方式及强度计算：
缸体材料选用无缝钢管，端盖联接方式选用螺纹联接。

下面将对缸体螺纹进
行计算：
油缸体与缸盖用螺纹连接时，除螺纹应有足够的强度处，还要保证联接的紧密性。

在螺纹的危险截面上承受的力
Q 为工作载荷P 和剩余预紧力
S
Q 之和。

即
s Q P Q +＝0
其中N p D P 6.311510146314.3462
2
=⨯⨯⨯==π N P Q s 1..49856.31156.16.1=⨯==
故N Q P Q s 7.81001.49856.31150=+=+＝ 螺纹处的强度条件为
其中l K 是螺纹受拉应力和扭应力合成作用的系数
1.3
l K =
油缸材料选用碳钢，其屈服点为313MPa ，螺纹处材料的许用抗拉应力为：
[]MPa n
b
l
5.1560
.2313
==
=
σσ 故[]mm D Q K d l
l 67.63635
.15614.37
.81003.144220
1=+⨯⨯⨯=
+≥
σπ
取mm d l 64=
三、液压传动与控制系统设计
过滤器：选择过滤精度在100m μ左右的线式过滤器。

油管与管接头：管接头联接螺纹18 1.5M ⨯ 管子壁厚1mm (用于
6.3/min Q L >)，14 1.5M ⨯ 管子壁厚1mm (用于 6.3/min Q L ≤)，油管以满足最大压力为要求选用价低,安装方便的尼龙管。

[]l D d Q K σπσ≤-4
)
(2
210
1＝合
油箱容积：5538.4192V Q L ==⨯=（Q 为液压泵的流量）。

溢流阀和减压阀的压力调整：溢流阀=8p MPa 。

减压阀：因为夹紧运动时的压力为()a MP 1.37~0.23所以选取YJF3-10B 。

调压范围为()a MP 10~0.5 ，额定流量为100/min L 。

根据工况图Q-t 选元件的额定流量,根据p=25L/min 选择元件的额定压力
表1：机床送料机械手所用液压元件表
序号 元件名称 型号 规格 数量 1
线隙式过滤
器
5040B XU ⨯-
2.5MPa,40L/min
1
2 电动机 Y100L-2 N=3.0KW,n=1430r/min 1
3 齿轮泵 140YB -
10MPa,960r/min
1 4 溢流阀 310YF L -
φ10,10MPa 1 5 电磁换向阀 2225D B -
φ10,12MPa 1 6 单向阀 25I B - φ10,12MPa
1 7 压力表 60Y -
()a MP 15~0
1 8,14 节流阀 25L B - φ10,12MPa
2 9,15,20,21 25,26,30 节流阀
10L B -
φ10,8MPa
7
10,16 电磁换向阀 2225D BH - 10φ,12MPa 2 11,17 电磁换向阀 3425D B -
10φ,12MPa
2 12,18 单向顺序阀 25XI B -
φ10,25MPa 2 22,27 电磁换向阀 2210D BH - φ10,8MPa 2 23,28
电磁换向阀
3410D B -
φ10,8MPa
2
31 电磁换向阀 2310D B -
φ10,8MPa 1 32 液控单向阀 25IY B -
φ10,12MPa
1 34 压力继电器 163DP B -
()a MP 10~1
1 35 减压阀 YJF3-10B
φ10,10MPa 1 36
压力表开关
6K B -
φ10,4MPa
1
四、机械手的控制
1、电气控制系统：
控制系统是机械手的重要组成部分。

在某种意义上讲，控制系统起着与人脑相似的作用。

机械手的手部、腕部、臂部等的动作以及相关机械的协调动作都是通过控制系统来实现的。

主要控制内容有动作的顺序，动作的位置与路径、动作的时间。

机械手的控制方法，总的来说有机械控制，气动控制，液压系统的液压控制和电气控制。

控制系统有开环系统和闭环系统两种结构。

闭环系统一般也叫反馈控制系统，是一种不断把定值与控制量进行比较，使其偏差为零的控制系统。

而开环系统，即使有局部小的闭环系统存在，但主要的控制量是不用反馈控制的。

对比两者，通常闭环系统的抵抗外部干扰和系统中主要单元的特性变化的能力比较强，而开环系统较弱。

但由于各种影响因素的存在，闭环控制的精度和定位时间等控制性能也有一定的限度。

因此不应局限于开环或闭环的系统，而吸收两者之长，以提高机械手的性能。

2、机械手可编程顺序控制
不论自动电气控制装置复杂程度如何，对于生产线及各种功能的机械手来说，一般都要求电气控制系统按照预先规定的动作顺序依次进行顺序控制。

可编程控制方式是指机械手的动作程序采用软，硬的手段，加以改变或重新编排，以适应不同作业循环的需要。

特别对于通用工业机械手尤为重要。

如甲作业要求机械手的动作顺序为1-2-3-4；乙作业要求1-4-3-2；丙作业要求1-3-2-4.为此，可采用各种不同顺序控制器直接给定或改变程序。

可编程控制器控制器又称可编程逻辑控制器PLC,是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理为核心用数字控制的专用计算机。

根据机械手的控制方法采用液压控制制和电气控制相结合的方法来操纵机械手。

通过电气控制液压系统中的液压元件从而来控制机械手各个部位的运动。

电气控制通过可编程序控制器，用编程语言来使控制器发出指令，进而控制运动。

常见的编程表达方式有：继电器梯形图，逻辑功能图，功能流程图，逻辑代数表达式，指令语句。

由于继电器梯形图比较形象，直观，易于接受，所以本电气控制采用此方法编程。

（1）、画出机械手的液压原理图：
图4：液压原理图
（2）液压系统动作循环及电磁铁动作顺序：
表：2液压系统动作循环及电磁铁动作顺序
电磁铁序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
（3）、现场器件与PLC的连线：
002003004005003004005006000001110COM1
COM3000001002PLC
006007010011007010011012012013100101013014015016
102103104
105COM2
220 V ~
启动停止复位
SB1SB2SB3
SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SQ7SQ9SQ8SQ12SQ11SQ10SQ13SQ14SQ15
SQ16
24V
臂伸缩原位臂伸缓冲臂缩缓冲臂回转原位臂正转缓冲臂反转缓冲臂升降原位臂降缓冲臂升缓冲腕回转原位腕正转缓冲腕反转缓冲腕回转限位
臂伸缩限位臂回转限位臂升降限位电源
FU
HL 原位指示灯原位卸荷臂伸/缩缓冲臂正/反转缓冲臂升/降缓冲腕正/反转缓冲臂部伸出臂部缩回臂部正转臂部反转臂部下降臂部上升腕部正转腕部反转夹紧
1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA 8YA 9YA 10YA 11YA 12YA 13YA 14YA
（4）、梯形图与程序指令表：依据机械手动作循环“原点-臂伸-臂伸缓-臂正转-臂转缓-臂下降-臂降缓-腕正转-腕转缓- 夹紧、延时-腕反转-腕转缓-臂上升-臂升缓-臂反转-臂转缓-臂缩-臂缩缓-松开、延时-延时、卸荷”，对照现场器件与PLC 连接时的输入、输出编号，画出梯形图，并写出相应的程序指令表。

图5：现场器件与PLC 的连线图
图6：梯形图
五.总结
通过这次课程设计，我的收获很大，其中收获最大的是方法和能力.那些分析和解决问题的方法与能力.在整个过程中,我发现我们最最缺少的是经验,没有感性的认识,空有理论知识,有些东西很可能与实际脱节.总体来说,我觉得做这种类型的作业对我们的帮助还是很大的,它需要我们将学过的相关知识都系统地联系起来,从中暴露出自身的不足,以待改进.
这次设计在老师、师兄和同学的指导与帮助下，修正了很多错误，使我认识到自身还存在着很多不足，在此我对于他们的帮助表示感谢！
六．参考文献
[1] 徐灏.机械设计手册[M],北京：机械工业出版社, 2003.
[2] 上海市第一机电工业局科技组情报站.工业机械手资料选编 [M],上海：第一机械工业部情报所，1974.
[3] 机械工程手册编辑委员会.机械工程手册:试用本.第53篇,工厂运输[M],北京：机械工业出版社, 1979.
[4] 上海市电动工具研究所.国外工业机械手及其应用[M]，上海科学技术情报研究所，1978.
[5] 沈阳市机床工业公司七·二一大学.工业机械手[M],北京：辽宁人民出版社，1979.
[6] 重庆市科技局，第一机械工业机械部第三设计院.工业机械手[M]，重庆市科技局，第一机械工业机械部第三设计院出版，1977.。