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(設(shè)計(jì)、論文、報(bào)告)
桂林理工大學(xué)
GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題目: 四自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其PLC控制
學(xué) 院： 機(jī)械與控制工程學(xué)院
專業(yè)(方向)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
（機(jī)械裝備）
班 級(jí)
學(xué) 生
指導(dǎo)教師
摘要
隨著工業(yè)快速發(fā)展，機(jī)械手在機(jī)械加工制造、裝配及包裝等自動(dòng)生產(chǎn)線上得到普遍應(yīng)用。機(jī)械手是一種能模仿實(shí)現(xiàn)人手部分功能，并能按編寫程序進(jìn)行搬運(yùn)物料或抓取工件、操作工具等的裝置；其對(duì)推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)發(fā)展起著重要作用。
本設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要用于配合機(jī)床床上下料、搬運(yùn)等用途；其采用液壓驅(qū)動(dòng)、PLC控制、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu),具有四個(gè)自由度，其可分別實(shí)現(xiàn)抓取傳送帶的物料及手腕旋轉(zhuǎn)、手臂旋轉(zhuǎn)、手臂升降及伸縮等功能。本機(jī)械手涉及到機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械手動(dòng)作的PLC控制設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)部分：手爪選用滑槽杠桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的二指回轉(zhuǎn)型;手腕及手臂選用回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)功能；手臂伸縮和機(jī)身升降是通過(guò)采用導(dǎo)向桿導(dǎo)向及花鍵軸導(dǎo)向，確保機(jī)械手運(yùn)動(dòng)精度；將回轉(zhuǎn)缸置于機(jī)身立柱的升降缸上，使結(jié)構(gòu)更緊湊?？刂撇糠郑焊鶕?jù)機(jī)械手的用途，通過(guò)編寫特定的PLC梯形圖程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)、手動(dòng)及單周期運(yùn)轉(zhuǎn)的功能。
本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是機(jī)械手各個(gè)部分液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算，確定其主要的技術(shù)參數(shù)；根據(jù)本機(jī)械手用途，設(shè)計(jì)特定的PLC梯形圖，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)、手動(dòng)及單周期運(yùn)轉(zhuǎn)功能。并繪制零件設(shè)計(jì)圖、CAD裝配圖、液壓原理圖、三維造型、模擬仿真、PLC相關(guān)程序。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；液壓驅(qū)動(dòng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；PLC控制設(shè)計(jì)
Four degrees of freedom manipulator structure design
and PLC control
Student: LV jin-cheng Teacher: SUN Jin-rong
Abstract:With the rapid industrial development, manipulator in machinery manufacturing, assembly and packaging such as the widely used on the automatic production line. Manipulator is a kind of can imitate people part functions, and can according to written procedure for handling materials or grab workpiece, operating tools of device; It play an important role to promote the development of industrial automation production.
The design of the manipulator is mainly used in matching machine tool bed up-down material, handling purposes; The PLC control, hydraulic drive, cylindrical coordinates structure, has four degrees of freedom, the materials can be realized respectively the scraping of the conveyor belt and wrist rotation, rotating, lifting and telescopic arm, and other functions. This involves the manipulator structure design, mechanical movement of manipulator PLC control design. Structural parts: hand claw choose chute lever is held back to drive mechanism transformation; Wrist and arm choose rotary cylinder driven rotary functions; Arm scaling and fuselage lift is by means of guide bar and spline shaft guidance, to ensure that the manipulator movement accuracy; Puts the rotary cylinder fuselage pillar lift cylinder, make the structure more compact. Control part: according to the purpose of the manipulator, by writing specific ladder diagram procedure of PLC, realize the manipulator automatic, manual and the function of the single cycle operation.
This article focuses on the design of the manipulator parts hydraulic cylinder structure size calculation, determine the main technical parameters; Specific purposes, according to the manipulator design of PLC ladder diagram, realize the manipulator automatic, manual and single cycle operation function. And draw parts design, CAD assembly, hydraulic principle diagram, three-dimensional modeling, simulation and PLC programs.
Key words: manipulator; Hydraulic drive; Structure design; PLC control design
目次
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 機(jī)械手的概述 1
1.2 機(jī)械手的歷史背景及其現(xiàn)狀 1
1.3 機(jī)械手的運(yùn)用及發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3.1機(jī)械手運(yùn)用意義 2
1.3.2 PLC在機(jī)械手中的應(yīng)用 2
1.3.3機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 2
1.4 機(jī)械手的工作原理 2
1.5.1控制系統(tǒng) 3
1.5.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 3
1.5.3執(zhí)行系統(tǒng) 3
1.5.4位置檢測(cè)裝置 3
1.6 本設(shè)計(jì)目的及研究?jī)?nèi)容 4
1.6.1本設(shè)計(jì)目的 4
1.6.2本設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容 4
2 總方案設(shè)計(jì) 5
2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)要求 5
2.2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析 5
2.3 方案擬定 5
2.3.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案 5
2.3.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案 6
2.3.3控制方案 6
3 手部設(shè)計(jì)及計(jì)算校核 7
3.1 機(jī)械手部設(shè)計(jì)要求 7
3.2 手部設(shè)計(jì)方案制定 7
3.3 手部的設(shè)計(jì)及計(jì)算校核 8
3.3.1 驅(qū)動(dòng)力及夾緊力的計(jì)算 8
3.3.2 確定液壓缸直徑D設(shè)計(jì)尺寸()p 9
3.4 機(jī)械手手爪夾持精度分析及計(jì)算 10
3.4.1手爪夾持精度分析 10
3.4.2手爪夾持精度計(jì)算 10
4 手腕設(shè)計(jì)及其計(jì)算校核 11
4.1 手腕設(shè)計(jì)要求 11
4.2 手腕設(shè)計(jì)方案的制定 11
4.3 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)所需動(dòng)力矩計(jì)算 11
4.3.1驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 11
4.4 確定腕部液壓缸直徑D設(shè)計(jì)尺寸 12
4.5端蓋連接方式強(qiáng)度計(jì)算 12
4.6 動(dòng)片與輸出軸連接螺釘計(jì)算 13
5 手臂設(shè)計(jì)及計(jì)算校核 15
5.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 15
5.3.1手臂驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 15
5.4 手臂液壓缸的工作壓力及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
5.4.1確定液壓缸工作壓力 17
5.4.3活塞桿的計(jì)算及校核 18
5.4.4計(jì)算液壓缸缸筒長(zhǎng)度 19
5.4.5端蓋連接方式強(qiáng)度計(jì)算 19
6 機(jī)身設(shè)計(jì)及其計(jì)算校核 21
6.1 機(jī)械手機(jī)身的設(shè)計(jì)要求 21
6.2 機(jī)身的設(shè)計(jì)方案制定 21
6.3 機(jī)身的設(shè)計(jì)及計(jì)算校核 22
6.5 升降液壓缸的工作壓力及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
6.5.1液壓缸工作壓力的確定 23
6.5.2液壓缸尺寸的確定 23
6.5.3液壓缸外徑的確定 23
6.5.4活塞桿的計(jì)算校核 23
6.5.5 液壓缸缸筒長(zhǎng)度的確定 23
6.5.6缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 24
6.6 升降不自鎖條件分析計(jì)算 24
6.7 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作壓力及計(jì)算 24
6.8 回轉(zhuǎn)缸尺寸的確定 25
6.8.1回轉(zhuǎn)缸油腔內(nèi)徑計(jì)算 25
6.9 動(dòng)片與輸出軸之間的連接螺釘?shù)挠?jì)算 26
7 機(jī)械手液壓系統(tǒng) 27
7.1 機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì) 27
7.2液壓元件明細(xì)表 28
8 機(jī)械手動(dòng)作PLC控制設(shè)計(jì) 29
8.1 可編程控制器（PLC）介紹 29
8.1.1 PLC的概述 29
8.1.2 PLC的工作原理及基本結(jié)構(gòu) 29
8.1.3機(jī)械手PLC型號(hào)選擇 29
8.2 機(jī)械手動(dòng)作原理及說(shuō)明 29
8.3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)動(dòng)作控制要求 30
8.4 機(jī)械手PLC控制接線圖及主電路圖設(shè)計(jì) 31
8.5 機(jī)械手操作控制面板設(shè)計(jì) 31
8.6 機(jī)械手控制程序設(shè)計(jì)及說(shuō)明 32
8.6.1傳送帶控制程序設(shè)計(jì) 32
8.6.2傳送帶的控制及物料檢測(cè)梯形圖說(shuō)明 33
8.6.3機(jī)械手手動(dòng)控制的控制梯形圖 34
8.6.4機(jī)械手手動(dòng)控制梯形圖說(shuō)明 34
8.6.6機(jī)械手工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖及輸出梯形圖 35
8.6.7機(jī)械手工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和輸入梯形圖說(shuō)明 37
8.7 機(jī)械手總控制梯形圖（如附錄1示意） 38
8.8 機(jī)械手總控制指令表（如附錄2示意） 38
9 結(jié)論 39
致謝 40
參考文獻(xiàn) 40
附錄 41
附錄1(機(jī)械手的總控制梯形圖) 42
附錄2(指令表) 46
V
1 緒論
在工業(yè)生產(chǎn)線中，機(jī)械手應(yīng)用廣泛。它是工作生產(chǎn)中抓取與裝配等柔性系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。其基本功能是在指定位置抓取工件并將運(yùn)送到別的位置進(jìn)行裝配或加工。機(jī)械手代替了人繁重的勞動(dòng)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)率，并且操作精度高。
1.1 機(jī)械手的概述
機(jī)械手是指能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置[1] 。機(jī)械手是出現(xiàn)最早的工業(yè)機(jī)器人分支之一，而工業(yè)機(jī)器人是指具機(jī)械自動(dòng)化和智能化生產(chǎn)裝備。機(jī)械手動(dòng)作具有類似于人類及其他生物體的機(jī)體功能，更具有適應(yīng)性和智能性的特點(diǎn)；可通過(guò)編程完成動(dòng)作和單一及更復(fù)雜的多種工作，有一定通用性及靈活性的特點(diǎn)。機(jī)械手在實(shí)際生產(chǎn)中，它不但將人從繁重單一的勞動(dòng)中解放出來(lái)，同時(shí)提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高了經(jīng)濟(jì)效率,而且改善了勞動(dòng)環(huán)境，能在有害的環(huán)境下保護(hù)人身安全；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化。因此，世界各國(guó)都普遍重視其研制和生產(chǎn)、應(yīng)用等；故其得到迅猛的發(fā)展。
機(jī)械手種類繁多.，機(jī)械手按照驅(qū)動(dòng)方式.大致可分為液壓式.、電動(dòng)式、氣動(dòng)式和機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為連續(xù)軌跡控制機(jī)械手和點(diǎn)位控制機(jī)械手等[3]。
機(jī)械手發(fā)展前景及應(yīng)用的廣泛，帶來(lái)極大效益；機(jī)械手的開發(fā)研制運(yùn)用都對(duì)我國(guó)工業(yè)的機(jī)械化和自動(dòng)化水平的提高等都有極大影響。因此，我們必須重視和加大投入，積極有效的開發(fā)研制機(jī)械手，使我國(guó)的自動(dòng)化更進(jìn)一步的發(fā)展。
1.2 機(jī)械手的歷史背景及其現(xiàn)狀
工業(yè)機(jī)械手迅猛發(fā)展是在第二次世界大戰(zhàn)期間，其中最早應(yīng)用于美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，其研制出一種主從型控制系統(tǒng)的遙控機(jī)械操作手。1958年，美國(guó)聯(lián)合控制公司研究出一種示教型機(jī)械手，之后在此基礎(chǔ)上，研制出一種更先進(jìn)的控制系統(tǒng)；仿照坦克炮塔，臂可回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰，并用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，對(duì)往后的機(jī)械手的發(fā)展有深遠(yuǎn)影響。1962年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司研制出一種靈活搬運(yùn)，具有點(diǎn)位與軌跡控制功能的并稱為Veratran的機(jī)械手。從上世紀(jì)60年代后期，噴漆、弧焊的工業(yè)機(jī)器人陸續(xù)運(yùn)用于生產(chǎn)中。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)械制造業(yè)于1970年著手機(jī)械手的應(yīng)用，其主要是用于起重運(yùn)輸、焊接運(yùn)用及設(shè)備的上下料等用途。日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快，應(yīng)用最多的國(guó)家之一，其從美國(guó)引進(jìn)最典型的兩類機(jī)械手后，經(jīng)過(guò)大力發(fā)展扶植機(jī)械手的研制及其產(chǎn)業(yè)，使其工業(yè)機(jī)械手得以普遍應(yīng)用。
國(guó)外的大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家都有專門專業(yè)的機(jī)械手研究部門，并與企業(yè)合作，故具有發(fā)展水平高、應(yīng)用范圍廣、專業(yè)化程度高、產(chǎn)品生產(chǎn)系列化等特點(diǎn)，此外國(guó)際學(xué)術(shù)交流會(huì)、研討會(huì)等大大促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。
我國(guó)工業(yè)機(jī)械手研究開發(fā)起步較晚，較之歐美較晚30多年。但我國(guó)仍很重視，于1972年在上海研制成第一臺(tái)機(jī)械手，此后全國(guó)各省均研制開發(fā)應(yīng)用機(jī)械手?？上驳氖?，第七個(gè)五年計(jì)劃，政府加大工業(yè)機(jī)器人的投入，在眾多的科學(xué)假的努力下研制出一系列的機(jī)器人，可用于點(diǎn)焊、裝卸載等用途。我國(guó)機(jī)械手領(lǐng)域也有著一定的發(fā)展前途。
1.3 機(jī)械手的運(yùn)用及發(fā)展趨勢(shì)
1.3.1機(jī)械手運(yùn)用意義
（1）提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度
（2）改善勞動(dòng)環(huán)境及條件
（3）減輕人力便于有節(jié)奏的生產(chǎn),提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，增加經(jīng)濟(jì)效益
1.3.2 PLC在機(jī)械手中的應(yīng)用
可編程控制器PLC是一種從20世紀(jì)60年代末時(shí)，新發(fā)展起來(lái)的新型電氣控制裝置。其用途是以微處理器為核心，把計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制及通信等技術(shù)整合一起，并將其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于編程，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)極大的運(yùn)用在工業(yè)控制領(lǐng)域上，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械機(jī)器和柔性制造自動(dòng)化生產(chǎn)線上。PLC通過(guò)控制相應(yīng)的電磁閥來(lái)驅(qū)動(dòng)液壓或氣動(dòng)等執(zhí)行元件，來(lái)完成機(jī)械手按工作目的所要求的各個(gè)動(dòng)作。這種控制系統(tǒng)能很好的嵌入各類的機(jī)械機(jī)器及工業(yè)生產(chǎn)線上去，能夠?qū)崿F(xiàn)物料在固定位置的搬運(yùn)及工件的卸載，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化。
1.3.3機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)
隨著自動(dòng)化和機(jī)械化的發(fā)展，機(jī)械手發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在：
（1）重復(fù)高精度。重復(fù)精度是指動(dòng)作重復(fù)多次，機(jī)械手能到達(dá)同位置的精準(zhǔn)程度。對(duì)于某些機(jī)械手來(lái)說(shuō)，重復(fù)精度甚于精度。
（2）模塊化。模塊化拼裝氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的更具備有靈活的安裝體系。它集成電接口、帶電纜及器官的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，可使機(jī)械手更具靈活性。
（3）機(jī)電一體化。發(fā)展智能機(jī)械手是機(jī)械手發(fā)展的重要方向之一。機(jī)電一體化的核心思想于發(fā)展電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件，使氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
1.4 機(jī)械手的工作原理
機(jī)械手是一種生產(chǎn)設(shè)備，其主要的功能是為作業(yè)提供所需要的動(dòng)力，其工作原理是通過(guò)控制系統(tǒng)PLC，在編寫的特定的程序控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；同時(shí)在液壓傳動(dòng)下驅(qū)動(dòng)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并在位置檢測(cè)裝置的實(shí)時(shí)的位置監(jiān)測(cè)反饋給控制系統(tǒng)，使機(jī)構(gòu)位置得到相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)而保證位置精度，從而完成機(jī)構(gòu)相應(yīng)的部位動(dòng)作,達(dá)到機(jī)械手工作的要求。機(jī)械手的工作原理如圖1-1所示：
1.5 本機(jī)械手的組成
本機(jī)械手主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及執(zhí)行系統(tǒng)、位置檢測(cè)裝置等組成。
圖1-1 機(jī)械手工作原理圖
1.5.1控制系統(tǒng)
機(jī)械手的自由度、工作空間、工作順序、工作速度、工作載荷都屬于控制系統(tǒng)所要考慮的要素。其通過(guò)PLC對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)能按相對(duì)規(guī)定位置；當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤警報(bào)信號(hào)時(shí)，由位置檢測(cè)系統(tǒng)反饋，從而實(shí)現(xiàn)精確控制。
1.5.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是為執(zhí)行系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)提供所需的動(dòng)力，使機(jī)械手能在控制系統(tǒng)下完成特定的位置動(dòng)作。
1.5.3執(zhí)行系統(tǒng)
執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人在控制系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共同作用下，在特定位置要求下完成抓取物料，實(shí)現(xiàn)各個(gè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，其包括液壓手爪松緊、手腕旋轉(zhuǎn)、手臂升降、手臂伸縮及底座的旋轉(zhuǎn)等。
1.5.4位置檢測(cè)裝置
位置檢測(cè)裝置是指控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到達(dá)的位置，并隨時(shí)將部件實(shí)際位置信息反饋給控制系統(tǒng);方便與預(yù)設(shè)位置進(jìn)行比較及調(diào)正，從而達(dá)到特定位置精度要求的一種設(shè)定位置的裝置。
1.6 本設(shè)計(jì)目的及研究?jī)?nèi)容
1.6.1本設(shè)計(jì)目的
將機(jī)械手、柔性制造單元及柔性制造系統(tǒng)有效結(jié)合，從而改變機(jī)械制造手工操作的現(xiàn)狀，使生產(chǎn)更自動(dòng)化及機(jī)械化，提高生產(chǎn)率。運(yùn)用PLC控制，液壓驅(qū)動(dòng)及使用相應(yīng)的電氣、液壓器件，來(lái)實(shí)現(xiàn)工件物料自動(dòng)、手動(dòng)及單周期運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)床上下料、搬運(yùn)的柔性生產(chǎn)功能。如圖1-2所示：
圖1-2 機(jī)械手動(dòng)作控制及功能簡(jiǎn)要示意圖
1.6.2本設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容
本設(shè)計(jì)的題目是四自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其PLC控制，主要研究四自由度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)于各個(gè)機(jī)構(gòu)的相關(guān)計(jì)算校核，論證可行性及制定解決方案，制定總的設(shè)計(jì)方案；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)相關(guān)PLC的控制、編寫控制梯形圖、機(jī)械手總控制指令表等，達(dá)到物料在傳送帶上運(yùn)送，并在機(jī)械手各個(gè)動(dòng)作進(jìn)行機(jī)床上下料，能自動(dòng)、手動(dòng)及單周期連續(xù)控制整個(gè)工作流程的效果。
2 總方案設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)要求
主要用途：自動(dòng)生線中機(jī)床的上下料及搬運(yùn)。主要參數(shù)：生產(chǎn)綱領(lǐng)：100000件（為兩班制生產(chǎn)）；具有四個(gè)自由度；手臂能旋轉(zhuǎn)180o；手臂能升降450mm,速度小于或等于70mm/s；手臂伸縮450mm，速度小于或等于300mm/s；手腕旋轉(zhuǎn) 360o；運(yùn)動(dòng)速度預(yù)設(shè)：生產(chǎn)率達(dá)生產(chǎn)綱領(lǐng)的要求；定位方式：設(shè)定起止位置；定位精度：±0.3mm；驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)；控制方式：PLC；手指握力：400N；手指夾持范圍：圓棒料，30kg、直徑范圍65-100mm。
2.2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析
根據(jù)本設(shè)計(jì)要求，其主要是在PLC控制下，在編寫程序后，物料在傳送帶運(yùn)輸下，并被機(jī)械手運(yùn)送。其主要?jiǎng)幼黜樞驗(yàn)椋簷C(jī)械位于立柱下限位，手臂后限位等待傳送帶運(yùn)送物料，觸發(fā)光電開關(guān)使機(jī)械手開始動(dòng)作:手爪夾緊—手腕旋轉(zhuǎn)90°—手臂上升—手臂中止—手臂前伸—手腕旋轉(zhuǎn)180°—手爪松開—手臂收縮—手臂前伸—手爪夾緊—手臂收縮—手腕旋轉(zhuǎn)270°—手臂右轉(zhuǎn)—手臂下降—手爪松開—手腕旋轉(zhuǎn)0°—手臂左轉(zhuǎn)至原始位置。運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2-1所示：
圖2-1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
2.3 方案擬定
2.3.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，其為四自由度、位置相對(duì)固定,需實(shí)現(xiàn)手臂升降、手臂伸縮、手臂旋轉(zhuǎn)、手腕旋轉(zhuǎn)、手爪夾持等動(dòng)作。故機(jī)械手采用固定的坐標(biāo)式形式，而坐標(biāo)式機(jī)器人形式有：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、多關(guān)節(jié)型（如圖所示）。而圓柱坐標(biāo)型在工業(yè)領(lǐng)域中運(yùn)用最多，其較之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作范圍大、直觀性好、所需空間小，綜和考慮，選擇圓柱坐標(biāo)型合適本設(shè)計(jì)要求。
(1)機(jī)械手部：
手部是指自接與工件接觸、安裝在機(jī)械手末端的機(jī)構(gòu)。手部用途是用于抓取物料，其結(jié)構(gòu)主要有夾持型、吸附型及托持型等。傳力機(jī)構(gòu)通過(guò)手指產(chǎn)生的夾緊力來(lái)完成放夾工件的動(dòng)作，常用的傳力機(jī)構(gòu)有：連桿杠桿式、滑槽杠桿式、楔塊杠桿式、內(nèi)撐連桿式、右絲桿螺母式、齒輪齒條平行連桿式、重力式和彈簧式[1]。而手部的手指形式多樣，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以二指類型的居多。手指通用的運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型，而回轉(zhuǎn)型較結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其應(yīng)用最普遍。
(2)機(jī)械手腕:
手腕是指與手部聯(lián)接及支承部分。手腕用途是調(diào)節(jié)手部相對(duì)空間方位,以拓展機(jī)械手動(dòng)作范圍，使機(jī)械手靈活動(dòng)作、更具適應(yīng)性。手腕有獨(dú)立自由度，例如：回轉(zhuǎn)、上下擺動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)。而應(yīng)用最廣的是回轉(zhuǎn)液壓缸，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、靈活回轉(zhuǎn)角小。
(3)機(jī)械手臂:
手臂部件是支承腕部及手部重要握持部分，其作用是帶動(dòng)腕部及手部做相對(duì)空間運(yùn)動(dòng)。手臂各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中竟受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多，受力復(fù)雜[2]。
（4）機(jī)械手機(jī)身:
機(jī)身是指為機(jī)械手提供動(dòng)力源及安裝支承的支架，其是機(jī)械手的基礎(chǔ)，用途是起到支承及連接、協(xié)調(diào)各個(gè)部件安裝位置的作用。
2.3.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)械手重要的組成部分之一，根據(jù)動(dòng)力提供的不同大概可以分為氣動(dòng)、液壓、電動(dòng)及機(jī)械傳動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)通常由油馬達(dá)、伺服閥、油箱油泵等組成。它利用擺動(dòng)油缸、油馬達(dá)與齒輪齒條或鏈輪鏈條等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用油缸和齒輪齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的特點(diǎn)，機(jī)械手設(shè)計(jì)選用液壓驅(qū)動(dòng)的方式，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維修、速度反應(yīng)快、控制簡(jiǎn)單、傳遞力矩大、控制精度高等。
2.3.3控制方案
機(jī)械控制有順序控制、示教方式、示教盒示教、脫機(jī)編程或預(yù)編程等。結(jié)合本設(shè)計(jì)的要求，本設(shè)計(jì)的控制采用順序控制，即編寫特定的PLC梯形圖，通過(guò)PLC控制液壓相關(guān)的器件并結(jié)合限位開關(guān)，達(dá)到位置的控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。
3 手部設(shè)計(jì)及計(jì)算校核
3.1 機(jī)械手部設(shè)計(jì)要求
(1)具有一定的夾緊力與驅(qū)動(dòng)力，在保證一定夾緊力基礎(chǔ)上，不同機(jī)構(gòu)可以有不同的驅(qū)動(dòng)力。
(2)手爪上的手指應(yīng)具備有一定的夾持范圍及開閉角度，以便于抓取物料。
(3)有一定的定位方式，以便于保證手指夾持精度，更好實(shí)現(xiàn)工作要求。
(4)手部應(yīng)在考慮強(qiáng)度及剛度要求下,盡量達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、重量輕設(shè)計(jì)優(yōu)化的效果，以減少手部負(fù)荷。
(5)手部應(yīng)具備機(jī)械接口的標(biāo)準(zhǔn)化程度，便于標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)，便于安裝與維修，且利于PLC的控制。
3.2 手部設(shè)計(jì)方案制定
根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及其工作用途，可知其實(shí)現(xiàn)夾持物料在機(jī)床上下料，并結(jié)合皮帶運(yùn)輸，達(dá)到物料從運(yùn)輸?shù)綑C(jī)床上下料及機(jī)床加工，到傳送帶運(yùn)送已加工工件的自動(dòng)生產(chǎn)線。故搬運(yùn)手部結(jié)構(gòu)是用來(lái)抓取及搬運(yùn)物料的夾持裝置。通過(guò)綜合考慮，本機(jī)械手選擇采用二指雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)類型的、滑槽杠桿式、常開式夾緊裝置。如圖3-1所示：
圖3-1 手爪結(jié)構(gòu)示意圖
1-手指 2-銷軸 3-活塞桿
3.3 手部的設(shè)計(jì)及計(jì)算校核
3.3.1 驅(qū)動(dòng)力及夾緊力的計(jì)算
圖3-2 滑槽杠桿手部結(jié)構(gòu)受力圖
(1)手部機(jī)構(gòu)受力分析（如圖3-2）：
在推桿作用下，銷軸有向上拉力F,其通過(guò)銷軸中心O處，兩指滑槽對(duì)銷軸反作用力F1和F2方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點(diǎn)，交F1和F2延長(zhǎng)于A與B處。
由 得F1=F2
得
F1=F1`
由?Mol(F)=0?得F1=NF·h?
分析可知,驅(qū)動(dòng)力一定時(shí)，α角增大，則握力增大，故導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，手部設(shè)計(jì)尺寸增大，故α=30°～45°最好。
(2)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式：
（3-1）
式中：F—驅(qū)動(dòng)力；
a— 手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)與對(duì)稱中心距離；
b— 手指所夾持的有效長(zhǎng)度；
FN—手指的夾持力。
由設(shè)計(jì)參數(shù)可知，手指握力為400N，則設(shè)a=50mm,b=100mm,代入公式計(jì)算得:
(3)夾緊力計(jì)算：
手指對(duì)工件夾緊力如公式計(jì)算：
（3-2）
式中 —
—
—
VMax—運(yùn)載
機(jī)械手響應(yīng)時(shí)間為0.5s，=1.6,=60mm/s,則夾緊力計(jì)算得：
=1+
=0.5
(4)實(shí)際所需驅(qū)動(dòng)力，取
3.3.2 確定液壓缸直徑D設(shè)計(jì)尺寸()p
（3-2）
根據(jù)液壓缸標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，取活塞桿直徑d=0.5D，液壓缸油壓工作壓力取39.2MPa,則:
根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列表參數(shù)，取液壓缸內(nèi)徑為D=32mm,根據(jù)機(jī)械手裝配關(guān)系，其外徑取50mm。
3.4 機(jī)械手手爪夾持精度分析及計(jì)算
3.4.1手爪夾持精度分析
機(jī)械手精度設(shè)計(jì)需符合設(shè)計(jì)要求，使工件準(zhǔn)確定位，抓取精度合適，重復(fù)定位精度高及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好，能符合抓取范圍。能精確抓取物料，這取決于臂部與腕部的部件間運(yùn)動(dòng)情況，而本設(shè)計(jì)的機(jī)械手用途屬于運(yùn)用在中小型多品種物料夾持。故需對(duì)機(jī)械手進(jìn)行夾持誤差分析。如圖3-2：
機(jī)械手的夾持范圍為：?65---?100，且夾持誤差為：，
而：
手指長(zhǎng)度為L(zhǎng)=100mm,V型夾角為2θ=。
3.4.2手爪夾持精度計(jì)算
偏轉(zhuǎn)角：
平均理論半徑的計(jì)算：
因?yàn)椋荆?
（3-3）
（3-4）
所以，故夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。
4 手腕設(shè)計(jì)及其計(jì)算校核
4.1 手腕設(shè)計(jì)要求
（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、重量輕；腕部結(jié)構(gòu)、重量及動(dòng)力載荷都對(duì)臂部結(jié)構(gòu)、運(yùn)轉(zhuǎn)性能都有著影響。
（2）結(jié)構(gòu)力學(xué)考慮、合理布局。在保證腕部強(qiáng)度及剛度基礎(chǔ)上，保證連接支承作用。
（3）需考慮工作條件。良好工作條件，能保證手腕材料特性，保證機(jī)械手正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
4.2 手腕設(shè)計(jì)方案的制定
根據(jù)本設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手腕部存在一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度；腕部結(jié)構(gòu)有四種形式：
1、回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)，2、齒條活塞驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)，3、機(jī)-液結(jié)合的部結(jié)構(gòu)，4、齒條活塞式結(jié)構(gòu)。而本設(shè)計(jì)要求有一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，綜合考慮得，選擇第一種形式，其優(yōu)點(diǎn)是能直接使用回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈巧等特點(diǎn)。
4.3 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)所需動(dòng)力矩計(jì)算
4.3.1驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算
（4-1） (1)為其轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力矩，為其轉(zhuǎn)動(dòng)加速度，為其轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的時(shí)
為其轉(zhuǎn)過(guò)的角度。
（4-2）
或
式中：—;
—。
(2) 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其與工件的偏重在軸線處產(chǎn)生偏重力矩，因手抓持在工件中間處，則e=0,得：
（4-3）
(3) 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸在載軸處的摩擦阻力矩為，則：
（4-4）
(4) 回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、端蓋及定片等在密封處產(chǎn)生的摩擦助力矩，則與物料的選擇有關(guān)。
假設(shè)圓型物料的直徑取100mm,長(zhǎng)度取500mm,重量為30Kg,則當(dāng)手部夾持工件中間處時(shí)并回轉(zhuǎn)時(shí)，其與手爪驅(qū)動(dòng)及回轉(zhuǎn)液壓缸可等效為一個(gè)圓柱體，長(zhǎng)h=150mm,半徑為50mm,所受的重力G=200N，，代入公式得：
（4-5）
（4-6）
代入得：
所以
4.4 確定腕部液壓缸直徑D設(shè)計(jì)尺寸
表4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66)
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
表4-2 液壓缸的外徑系列（JB826-67)
油缸內(nèi)徑
40
50
63
80
90
100
110
125
140
150
160
180
200
20號(hào)鋼，P〈16
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
45號(hào)鋼，P〈20
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
設(shè)定腕部的尺寸：根據(jù)表4-1可設(shè)缸體內(nèi)壁所需的半徑R=63mm,外經(jīng)按中等的壁厚來(lái)選取，則選取76mm,動(dòng)片寬度，輸出軸。則回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為：
，故。 （4-6）
4.5端蓋連接方式強(qiáng)度計(jì)算
根據(jù)液壓缸蓋與螺釘?shù)墓ぷ鲏毫﹃P(guān)系，缸蓋上螺釘?shù)拈g距應(yīng)小于100mm,則試選擇螺釘數(shù)量為8個(gè)，根據(jù)πD/4=49.45≤100，故滿足設(shè)計(jì)的要求。則螺釘所要承受的總拉力為：
（4-7）
圖4-2 缸蓋螺釘間距示意
表4-3 螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系
工作壓力P（Mpa)
螺釘?shù)拈g距t(mm)
0.5～1.5
小于150
1.5～2.5
小于120
2.5～5.0
小于120
5.5～10.0
小于80
（4-8）
危險(xiǎn)截面：
（4-9）
（4-10）
故：
選取螺釘為；則， （4-11）
螺釘直徑為：
故選取公稱直徑14mm的螺釘。
4.6 動(dòng)片與輸出軸連接螺釘計(jì)算
動(dòng)片與輸出軸間保證動(dòng)片和輸出軸形成緊密配合，且其連接為對(duì)稱偶數(shù)的安裝，并用兩個(gè)定位銷來(lái)定位。于是根據(jù)動(dòng)片所受的力矩平衡條件可得：
即 （4-12）
式中： ；
（4-13）
或
代入數(shù)據(jù)得：
螺釘材料選取Q235.則
螺釘?shù)闹睆絤
所以選取M15的開槽盤螺釘。
5 手臂設(shè)計(jì)及計(jì)算校核
5.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求
（1）臂部因伸縮過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)保證其剛度及強(qiáng)度，承載能力、控制重量；
（2）臂部運(yùn)動(dòng)速度要快速，且慣性沖擊要相對(duì)的?。?
（3）減少臂部部件間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，保證手臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊；
（4）設(shè)置導(dǎo)向支承裝置，使手爪運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)，傳動(dòng)及導(dǎo)向性精確。
5.2 手臂設(shè)計(jì)方案的制定
本設(shè)計(jì)的手臂按工作要求，應(yīng)要實(shí)現(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)及升降這三個(gè)運(yùn)動(dòng)，而回轉(zhuǎn)及升降運(yùn)動(dòng)則由機(jī)身來(lái)實(shí)現(xiàn)。
手臂伸縮機(jī)構(gòu)常見的有：1、雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)；2、雙層油缸空心結(jié)構(gòu)；3、雙活塞桿液壓結(jié)構(gòu)；4、活塞桿及齒輪齒條結(jié)構(gòu)；5、雙活塞伸縮油缸結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，手臂需進(jìn)行較大范圍的伸縮，且其為直線運(yùn)動(dòng)。因此，選雙活塞伸縮缸結(jié)構(gòu)，其可實(shí)現(xiàn)雙活塞運(yùn)動(dòng)，行程范圍較大。其結(jié)構(gòu)如圖5-1所示：
圖5-1 雙活塞伸縮油缸結(jié)構(gòu)示意圖
1.油缸體 2.活塞套 3.活塞桿
5.3 手臂設(shè)計(jì)及計(jì)算校核
5.3.1手臂驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
手臂部件中的液壓缸做伸縮直線水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，需克服運(yùn)動(dòng)中的摩擦、慣性等方面的阻力。具體情況是：當(dāng)壓力油輸入到工作腔中，驅(qū)動(dòng)手臂伸出，在克服伸出的慣性力下，同時(shí)手臂表面與密封裝置及回油腔之間的摩擦力。受力情況如圖5-2所示：
圖5-2 手臂驅(qū)動(dòng)受力分析示意圖
手臂液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算如：
（5-1）
(1)摩擦力的計(jì)算：
由 （5-2）
式中：—
—
—；
—當(dāng)支撐桿選取鑄鐵，則導(dǎo)向桿為鋼，摩擦系數(shù)取0.25，則=1.5×0.25=0.375。工件的總重量估計(jì)為1200N，L=656mm,a=160mm,代入公式得：
(2)密封裝置處的的計(jì)算：
本設(shè)計(jì)的密封圈采用O型，而當(dāng)液壓缸工作的壓力小于10Mpa時(shí)，其總摩擦阻力近似：
(5-3)
(3)慣性力計(jì)算：
（5-4）
式中：G總—
Dn—
Dt—0.01~0.5。
根據(jù)預(yù)定的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可知臂部的運(yùn)動(dòng)速度220mm/s,即Dn=220mm/s,而Dt=0.2，G=1700N,則代入公式得：
(4) 回轉(zhuǎn)慣性阻力計(jì)算：
因?yàn)楸緳C(jī)械手臂處涉及到直線伸縮運(yùn)動(dòng)，由于較小背壓阻力，故其回轉(zhuǎn)慣性可?。?
（5-5）
結(jié)合以上的計(jì)算得：
5.4 手臂液壓缸的工作壓力及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.4.1確定液壓缸工作壓力
根據(jù)以上公式計(jì)算，確定了液壓缸基本驅(qū)動(dòng)力F驅(qū)=4429.73N，根據(jù)表5-1選取液壓缸工作壓力P=1MPa;
表5-1 液壓缸工作壓力表
作用在活塞上外力F（N)
液壓缸工作壓力（Mpa)
作用在活塞上外力F（N)
液壓缸工作壓力（Mpa)
小于5000
0.8～1.0
20000～30000
2.0～4.0
5000～10000
1.5～2.0
30000～50000
4.0～5.0
10000～20000
2.5～3.0
50000以上
5.0～8.0
5.4.2確定液壓缸的尺寸
液壓缸內(nèi)徑計(jì)算，如圖5-3所示：
圖5-3 有桿液壓缸受力分析示意圖
液壓缸直徑計(jì)算公式：
( 5-6）
( 5-7）
式中：
代入公式得：
(5-8）
根據(jù)表4-2可知，液壓缸內(nèi)徑取D=80mm,液壓缸外徑按中等壁厚要求，其可取95mm.
5.4.3活塞桿的計(jì)算及校核
活塞桿尺寸需符合活塞運(yùn)動(dòng)及強(qiáng)度的要求，且對(duì)于桿長(zhǎng)L大于直徑d(15倍以上的），按拉、壓的強(qiáng)度來(lái)計(jì)算：
(5-9）
設(shè)計(jì)中的活塞材料采用碳鋼，且碳鋼許用應(yīng)力為[]=110
則： (5-10)
根據(jù)活塞桿直徑系列表5-2可知，d=20mm,則活塞桿可滿足強(qiáng)度的要求；如表5-2所示：
表5-2 活塞桿直徑系列（GB/T2348-93)
10
12
14
16
18
20
22
25
28
30
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
對(duì)活塞桿進(jìn)行穩(wěn)定性的校核，其穩(wěn)定性條件為：
（5-11）
式中：Pk—臨界力(N);
nk—安全系數(shù)，nk=2~4
按中長(zhǎng)桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核，臨界力：
(5-12)
式中：F—活塞桿截面面積；
a，b—常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)，碳鋼a=461,b=2.47
λ—柔度系數(shù)，取70.
代入數(shù)據(jù)，臨界力為：
所以活塞桿滿足穩(wěn)定性的要求。
5.4.4計(jì)算液壓缸缸筒長(zhǎng)度
液壓缸缸筒長(zhǎng)度計(jì)算：
L=J+B+A+M+C (5-13)
5.4.5端蓋連接方式強(qiáng)度計(jì)算
（1）缸體材料選取無(wú)縫鋼，端蓋多采用半環(huán)鏈，易于加工和裝卸；但缺點(diǎn)是缸體開環(huán)會(huì)削弱強(qiáng)度。
（2）缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算
根據(jù)液壓缸蓋與螺釘?shù)墓ぷ鲏毫﹃P(guān)系，缸蓋上螺釘?shù)拈g距應(yīng)小于150mm,則選擇螺釘數(shù)量為4個(gè)，根據(jù)πD/4=62.8≤150，輸出軸r=30mm,故滿足設(shè)計(jì)的要求。則螺釘所要承受的總拉力為：
,
故:
選取螺釘?shù)牟牧蠟镼235；則，
螺釘直徑為：
故選取公稱直徑10mm的螺釘。
6 機(jī)身設(shè)計(jì)及其計(jì)算校核
6.1 機(jī)械手機(jī)身的設(shè)計(jì)要求
(1)安裝一個(gè)機(jī)身回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可保證機(jī)身精度及剛度；
(2)應(yīng)保證機(jī)身具有合適的安裝基面，確保機(jī)械手工作穩(wěn)定性；
(3)機(jī)身與手臂的聯(lián)結(jié)處要有可靠的定位基準(zhǔn)面，確保各個(gè)部件關(guān)節(jié)的位置精度，且機(jī)身整體設(shè)計(jì)需符合安裝及調(diào)整的要求。
6.2 機(jī)身的設(shè)計(jì)方案制定
根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)可知，機(jī)身設(shè)計(jì)與手臂設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)性，確定選用活塞油缸結(jié)構(gòu)能使機(jī)械手完成直線運(yùn)動(dòng)。而手臂升降運(yùn)動(dòng)則由安裝于機(jī)身上的花鍵軸套導(dǎo)向升降結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的特點(diǎn)是具有剛度大、活塞桿的直徑大及傳動(dòng)平穩(wěn)。
當(dāng)升降缸上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，上下兩腔通液壓油，同時(shí)活塞桿做升降運(yùn)動(dòng)，而花鍵軸套與花鍵軸進(jìn)行導(dǎo)向作用。
實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)繁多，常用的有：齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、鏈輪式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、葉片式回轉(zhuǎn)缸等。本設(shè)計(jì)取葉片回轉(zhuǎn)缸使手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而回轉(zhuǎn)缸位于升降缸上，則靠手臂部件與回轉(zhuǎn)缸上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片則與缸體連接，由缸體帶動(dòng)手臂實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
具體結(jié)構(gòu)如圖6-1所示：
圖6-1 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸的機(jī)身立柱結(jié)構(gòu)示意圖
6.3 機(jī)身的設(shè)計(jì)及計(jì)算校核
如圖所示，可知臂上升運(yùn)動(dòng)是靠油壓作用于活塞上的推力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其不要克服臂伸縮工作狀態(tài)下的四種阻力，而且還要克服臂部及手部、腕部、物料等的重量，故升降時(shí)手臂計(jì)算為：
(6-1)
G總—升降時(shí)，機(jī)械手及物料的總重量，而負(fù)號(hào)是用于手臂下降情況。其它公式符號(hào)同（5-1）。
(1)總重量的估算：
(2)計(jì)算中心與回轉(zhuǎn)軸線之間的距離：
所以 (6-2)
(3)摩擦力的計(jì)算：
(6-3)
故
(4)慣性力的計(jì)算：
而G總=1700N，，
由(5-4)公式：
(5)密封裝置的摩擦阻力計(jì)算:
本設(shè)計(jì)采用的升降結(jié)構(gòu)是O型密封圈，由已知液壓缸工作壓力小于10MPa,因此：
(6-4)
(6)由于背壓阻力很小，故可以忽略不計(jì)，。
把各個(gè)參數(shù)代入公式：
6.5 升降液壓缸的工作壓力及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
6.5.1液壓缸工作壓力的確定
根據(jù)驅(qū)動(dòng)力查表5-1可得液壓工作壓力可取P=1MPa.
6.5.2液壓缸尺寸的確定
由液壓缸的計(jì)算直徑的公式，且已知驅(qū)動(dòng)力，其工作壓力是P=1MPa,則代入(3-2)公式可得直徑為：
根據(jù)表4-1（JB826-66)，則可選標(biāo)準(zhǔn)液壓內(nèi)徑系列，于是其取D=80mm。
6.5.3液壓缸外徑的確定
根據(jù)外徑按中等壁厚的設(shè)計(jì)原則，據(jù)表4-2（JB1068-67）可知，其可取133mm.
6.5.4活塞桿的計(jì)算校核
活塞桿尺寸設(shè)計(jì)要符合活塞運(yùn)動(dòng)和剛度及強(qiáng)度要求，其計(jì)算公式同上，則可計(jì)算得：活塞直徑為36mm。
6.5.5 液壓缸缸筒長(zhǎng)度的確定
其長(zhǎng)度計(jì)算公式同上，已知J=500mm,C=60mm,D=80mm,則代入計(jì)算可得L=776mm。
6.5.6缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算
螺釘受力的公式同上公式，且已知液壓缸的工作壓力P=1MPa,故可知螺釘?shù)拈g距應(yīng)小與150mm,取螺釘數(shù)為4個(gè)，又因?yàn)镈=80mm,可由公式計(jì)算得：
螺釘?shù)牟牧线x取Q235， Z取4（t為螺釘?shù)拈g據(jù)）
代入公式得;
,所以公稱直徑可取6mm。
6.6 升降不自鎖條件分析計(jì)算
手臂在總重量作用的情況下有向下傾斜趨勢(shì).但導(dǎo)套阻止手臂的這種趨勢(shì)，故不自鎖條件的要求是升降立柱能夠在導(dǎo)套內(nèi)自由下滑，需滿足：
h>2|r (6-5)
式中：|—摩擦系數(shù)，一般鋼對(duì)于鑄鐵的滑動(dòng)摩擦系數(shù)取0.1，因考慮到其它摩擦副的作用，故|=0.16。
r—偏重力臂即指手臂等部件的總重量重心到立柱軸線間的距離。 當(dāng)r=0.685m，|=0.16時(shí)，h>0.2224m，故立柱導(dǎo)套須大于222.4mm。
6.7 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作壓力及計(jì)算
本設(shè)計(jì)采用回轉(zhuǎn)液缸結(jié)構(gòu)，手臂驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力矩與手臂起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩、及各個(gè)密封裝置產(chǎn)生的摩擦阻力矩相平衡。假若軸承處的摩擦力矩忽略不計(jì)時(shí)，則驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算如下：
（6-6）
式中：
而計(jì)算：
（6-7）
式中：
（6-8）
（6-9）
式中：
回轉(zhuǎn)的部件可等效為一個(gè)直徑為100mm,長(zhǎng)度為1500mm的圓柱體，總重量為165Kg.設(shè)置旋轉(zhuǎn)起動(dòng)角度w=180°，而起動(dòng)角速度為Dw =0.314rad/s，啟動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為0.2s.代入公式得：
而為了計(jì)算簡(jiǎn)便，密封處摩擦阻力矩?。?
由于回背阻力很小，故忽略不計(jì)，即：
所以
6.8 回轉(zhuǎn)缸尺寸的確定
6.8.1回轉(zhuǎn)缸油腔內(nèi)徑計(jì)算
（6-10）
式中：
初步設(shè)計(jì)按
動(dòng)片寬度，可按
設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片寬b=60mm,工作壓力取6MPa,d=50mm,則：
根據(jù)表可選取液壓缸內(nèi)徑為90mm，其按壁厚的設(shè)計(jì)要求取中等壁厚，其外徑取108mm。
6.8.2回轉(zhuǎn)液壓缸缸蓋螺釘尺寸的確定
已知液壓缸的工作壓力為P=6MPa,故可知螺釘?shù)拈g距需小于80mm,輸出軸r=40mm可試選取螺