【機械類】搬運機械手機構(gòu)與控制電路設(shè)計【畢業(yè)設(shè)計+說明書+15張圖紙】
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搬運
機械手
機構(gòu)
控制電路
設(shè)計
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搬運機械手機構(gòu)設(shè)計與控制電路設(shè)計
摘要
機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用于按固定程序抓取、搬運物體或操作工具的自動操作裝置。它可以代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化和機械化，能在有害環(huán)境下操作以保證人的安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。在工業(yè)部門中應(yīng)用的機械手稱為工業(yè)機械手。
工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。它的特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。
設(shè)計包含了機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制電路設(shè)計，其中在結(jié)構(gòu)設(shè)計這方面包含了機械手的手部結(jié)構(gòu)、腕部結(jié)構(gòu)、臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計及機身的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。在控制電路設(shè)計這方面包含了液壓驅(qū)動控制設(shè)計、器件的選擇設(shè)計、PLC可編程自動控制電路設(shè)計。本畢業(yè)設(shè)計《搬運機械手機構(gòu)與控制電路設(shè)計》非常適合作為機械電子工程這門專業(yè)大學(xué)四年的一個總結(jié)。因為其中包含了機械設(shè)計與電路設(shè)計，是機械與電子的結(jié)合體，能充分體現(xiàn)這門專業(yè)的內(nèi)涵。
關(guān)鍵詞：機械手；手部；腕部；臂部；機身；液壓；電路
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畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 題 目： 搬運機械手機構(gòu)與控制電路設(shè)計 （英文）： 院 別： 機電學(xué)院 專 業(yè)： 機械電子工程 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 日 期： 搬運機械手機構(gòu)設(shè)計與控制電路設(shè)計 摘要 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用于按固定程序抓取、搬運物體或操作工具的自動操作裝置。它可以代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化和機械化，能在有害環(huán)境下操作以保證人的安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。在工業(yè)部門中應(yīng)用的機械手稱為工業(yè)機械手。 工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn) 的一項新技術(shù) ， 是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備 。 涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù) 。它 的特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。 設(shè)計包含了機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制電路設(shè)計，其中在結(jié)構(gòu)設(shè)計這方面包含了機械手的手部結(jié)構(gòu)、腕部結(jié)構(gòu)、臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計及機身的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 在 控制電路設(shè)計這方面包含了液壓驅(qū) 動控制設(shè)計、 器件 的選擇設(shè)計、 編程自動控制電路設(shè)計。本畢業(yè)設(shè)計搬運機械手機構(gòu)與控制電路設(shè)計非常適合作為機械電子工程這門專業(yè)大學(xué)四年的一個總結(jié)。因為其中包含了機械設(shè)計與電路設(shè)計，是機械與電子的結(jié)合體，能充分體現(xiàn)這門專業(yè)的內(nèi)涵。 關(guān)鍵詞： 機械手；手部；腕部；臂部；機身；液壓；電路 搬運機械手機構(gòu)設(shè)計與控制電路設(shè)計 is a of to he of to in to a to or to It to to of so it is in In in of is is in of a in is a of is an It is by a of to in of to in to in a of a of a of is in a of 運機械手機構(gòu)設(shè)計與控制電路設(shè)計 目錄 第一章 緒論 . 1 械手的研究概況 . 1 械手發(fā)展方向 . 1 業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 . 2 設(shè)計中研究的主要內(nèi)容 . 3 第二章 搬運機械手的總體設(shè)計方案 . 4 械手的組成 . 4 械手基本結(jié)構(gòu)的選擇 . 4 械手的執(zhí)行機構(gòu) . 4 械手的驅(qū)動機構(gòu) . 4 械手的控制方式選擇 . 5 械手的技術(shù)參數(shù)列表 . 5 第三章 搬運機械手手臂各部件的設(shè)計 . 6 械手手部的設(shè)計計算 . 6 部設(shè)計基本要求 . 6 部機構(gòu)的選擇 . 6 抓的設(shè)計計算 . 6 部的設(shè)計計算 . 17 部設(shè)計基本要求 . 17 部機構(gòu)的選擇 . 17 部的設(shè)計計算 . 18 部的設(shè)計計算 . 24 部設(shè)計基本要求 . 24 部機構(gòu)方案的選擇 . 25 部的設(shè)計計算 . 27 第四章 機身的設(shè)計計算 . 40 身的總體設(shè)計 . 40 身的升降機構(gòu)設(shè)計計算 . 41 臂偏重力矩的計算 . 41 降導(dǎo)向立柱不自鎖條件分析計算 . 42 身升降液壓缸驅(qū)動力矩的計算 . 43 臂升降液壓缸參數(shù)計算 . 44 身的回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計計算 . 49 身回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動力矩計算 . 49 身 回轉(zhuǎn)液壓 缸主要參數(shù) . 51 身回轉(zhuǎn)液壓缸螺釘?shù)挠嬎?. 52 片與輸出軸間的連接螺釘計算 . 53 身回轉(zhuǎn)液壓缸筒的壁厚校核 . 54 接板的設(shè)計 . 55 接板的介紹及作用 . 55 第五章 液壓驅(qū)動系統(tǒng)與控制電路的設(shè)計 . 57 動系統(tǒng)設(shè)計要求 . 57 動系統(tǒng)設(shè)計方案 . 57 動系統(tǒng)設(shè)計 . 58 功能設(shè)計分析 . 58 壓泵的確定與所需功率計算 . 59 制電路設(shè)計 . 66 參考文獻 . 67 致謝 . 68 附錄 A . 69 搬運機械手機構(gòu)設(shè)計與控制電路設(shè)計 1 第一章 緒論 械手的 研究概況 機械手是一種模擬人手操作的自動機械?？砂?人們所設(shè)計的 固定程序抓取、搬運物件或操持工具完成某些特定操作。 在工業(yè)生產(chǎn)生活中應(yīng)用 機械手可以代替人從事單調(diào)、重復(fù)或繁重的體力勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動條件，保證人身安全， 更能提高生產(chǎn)效率， 因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié) 構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6 個自由度 。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù) 。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有 2 3 個自由度。 機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方 式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。 械手 發(fā)展方向 現(xiàn)階段關(guān)于機械手的研究發(fā)展方向大體主要往重復(fù)高精度、模塊化、機電一體化等方向上升級。 （ 1） 重復(fù)高精度 精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度 , 它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次 , 機械手 到達同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要 , 如果一個機器人定位不夠精確 , 通常會顯示一個固定的誤差 , 這個誤差 2 是可以預(yù)測的 , 因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機誤差的范圍 , 它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展 ,機械手的重復(fù)精度將越來越高 , 它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊 , 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 （ 2） 模塊化 有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術(shù) , 而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置 , 使機械手運動自如。模塊化機械手使同一機械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能 , 擴大了機械手的應(yīng)用范圍 , 是機械手的一個重要的發(fā)展方向。 （ 3） 機電一體化 由“可編程序控制器 - 傳感器 - 液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面 ， 發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件 , 使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制” ， 省配線的復(fù)合集成系統(tǒng) , 不僅減少配線、配管和元件 , 而且拆裝簡單 , 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今 , 電磁閥的線圈功率 越來越小 , 而 由 接控制線圈變得越來越可能。 業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 國內(nèi)外機械工業(yè)中機械手主要應(yīng)用于以下幾方面： （ 1）熱加工方面的應(yīng)用。 熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作 （ 2）冷加工方面的應(yīng)用。 冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控 制、數(shù)字控制等機床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。 （ 3）拆修裝方面的應(yīng)用。 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機務(wù)段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸搬運機械手機構(gòu)設(shè)計與控制電路設(shè)計 3 箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機械手，可用以對客車內(nèi)部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。 設(shè)計中研究的主要內(nèi)容 本畢業(yè)設(shè)計搬運機械手機構(gòu)設(shè)計與電路控制設(shè)計主要研究包括機械手機構(gòu)和傳動系統(tǒng)設(shè)計：機械手搬運最大物重： 30徑為： 100 以下尺寸的圓形棒料。物品移動范圍為半徑為 扇形區(qū)域，高度變化范圍為： 要求設(shè)計壽命 10 年。完成機體和傳動機構(gòu)的總體設(shè)計，并完成指定零件的零件圖設(shè)計。進行必要零部件的受力分析與強度驗算；繪制總裝圖和相關(guān)零件圖。必要時進行優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)力分析。在以上給定參數(shù)條件下，設(shè)計出應(yīng)用標準元件最多，體 積最小、機構(gòu)最為合理、強度足夠，基本能交付工程實際的設(shè)計資料。 4 第二章 搬運機械手的總體設(shè)計方案 械手的組成 機械手是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)以及控制機構(gòu)三大部分組成。 械手基本結(jié)構(gòu)的選擇 機械手按其基本結(jié)構(gòu)可分為：直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式、關(guān)節(jié)坐標式、平面坐標式、柔軟臂式、冗余自由度式、模塊式等多種結(jié)構(gòu)。由于本設(shè)計搬運機械手大多用于生產(chǎn)線上物料的上下搬運，所以所要求的自由度不高，只有機身的上下運動，手臂的伸縮及平面轉(zhuǎn)動，腕部的翻轉(zhuǎn)。結(jié)合上面多種結(jié)構(gòu)，本設(shè)計 將采用圓柱坐標式結(jié)構(gòu)。圓柱坐標型機械手結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，定位精度較高，占地面積小等特點。 械手的執(zhí)行機構(gòu) 機械手的執(zhí)行機構(gòu)主要包括以下幾部分： （ 1）末端操作（執(zhí)行）器：又稱手部，是在手腕上配置的操作機構(gòu)，有時也稱手抓。是操作機直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機器人直接與工作對象接觸以完成作業(yè)的機構(gòu)。 （ 2）手腕：是支乘和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，連接手部與臂部的部分。主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方向；改變產(chǎn)品的空間方向；將作業(yè)載荷傳遞到手臂；擴大手臂的移動范圍。 （ 3） 手臂：是連接機身與手腕的部分，用于支乘和調(diào)整手腕與末端執(zhí)行器位置的部件，由操作機的動力關(guān)節(jié)與連接桿件等構(gòu)成。主要作用是改變手部的空間位置，滿足機器手的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到機座。 （ 4）機身：也稱機座，是工業(yè)機器人機構(gòu)中相對固定并承受相應(yīng)的力的基礎(chǔ)部件，起支乘作用。分為移動式與固定式兩類，對固定機器人，直接連接在地面基礎(chǔ)上；對移動式機器人，則安裝在移動機構(gòu)上，可以擴大機器人的活動范圍。 械手的驅(qū)動機構(gòu) 根據(jù)機械手驅(qū)動的動力源不同，工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣壓、電搬運機械手機構(gòu)設(shè)計與控制電路設(shè)計 5 動和機械驅(qū)動等四類。 四種驅(qū)動進行對比，由于液壓驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便等優(yōu)點，所以在本設(shè)計中將采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手。 械手的控制方式選擇 機械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用 作順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。 械手的技術(shù)參數(shù)列表 最大抓去物重： 30由度數(shù)： 4 個自由度（手抓張合、手部回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂回轉(zhuǎn)、手臂升降） 坐標形式：圓柱坐標式 抓取物料最大直徑： 100 以下尺寸的圓形棒料 物品移動范圍：半徑為 扇形區(qū)域 高度變化范圍： 用壽命： 10 年 6 第三章 搬運機械手手臂各部件的設(shè)計 械手手部的設(shè)計計算 部設(shè)計基本要求 （ 1） 應(yīng)具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力?？紤]到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。 （ 2） 應(yīng)考慮到手抓抓取物料時是否會損壞物料便面精度或使物料發(fā)生變形。 （ 3） 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開閉 角度（手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度） ，以便于抓取工件。 （ 4） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。 （ 5） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。 部機構(gòu)的選擇 手部結(jié)構(gòu)根據(jù)手抓開合的動作特點分為 回轉(zhuǎn)型和移動型 兩類。其中回轉(zhuǎn)型又分為一支點回轉(zhuǎn)和多支點回轉(zhuǎn)；根據(jù)手抓夾緊是擺動還是平動，又分為擺動回轉(zhuǎn)型和平動回轉(zhuǎn)型。 夾鉗式手部 中較多的是回轉(zhuǎn)型手部，一般有單作用斜楔式回轉(zhuǎn)型手部、滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部、雙支點連杠杠桿手部、齒條齒輪杠桿式手部等。 平移型夾鉗式手部大致可分為直線往復(fù)移動機構(gòu)和平面平行移動機構(gòu)兩種類型。但由于平移型夾鉗式手部是通過手指的指面作直線往復(fù)運動或平面移動來實現(xiàn)張開或閉合動作，常用于夾持具有平行平面的工件（如箱體），其結(jié)構(gòu)叫復(fù)雜，不如回轉(zhuǎn)型手部應(yīng)用廣泛。 綜上其述本設(shè)計中將采用最結(jié)構(gòu)簡單，最常用的滑槽式杠桿會裝型手部機構(gòu)。 抓的設(shè)計計算 抓結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析 下面對其基本結(jié)構(gòu)進行受力分析： 滑槽杠桿受力圖如下搬運機械手機構(gòu)設(shè)計與控制電路設(shè)計 7 圖 滑槽杠桿時手部結(jié)構(gòu)簡圖、受力分析 圖中在杠桿的作用下，銷軸向上的拉力為 F，并通過銷軸中心點 O 點，兩手指的滑槽對銷軸的反作用為 1F 和 2F ，其力的方向沿滑槽的中心線 1 2指向 O 點。 則可得： 0 得 21 （ 0 得 FF （ 1 （ 001 （F）M（ 得 （ ah 所以手抓的驅(qū)動力： 8 2c o （ 式中 a 手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心 的距離（ 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角 由分析可知，當驅(qū)動力 F 一定時， 角增大，則握力 隨之增大，但 角過大會導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好 = 030 040 ，本設(shè)計中將設(shè) 30 。 這種手部的結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角度打等特點。 緊力與驅(qū)動力的計算 鉗抓式手部夾緊力的計算必須根據(jù)手指和工件的形狀、手指夾持工件時不同的方位進行具體分析，由工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)中表 2 1 所列出的不同形狀的手指與工件在 不同方位夾持式的夾緊力計算公式： 圖 夾緊力計算公式 由于本設(shè)計中時采用手指水平位置移動夾緊，工件水平放置，手指形狀為 V 型指型夾持圓形棒料的形式，常用的 V 型塊角有 90 和 120 兩種，本設(shè)計中選取 V 型塊角 120 。由上表可知： （ 搬運機械手機構(gòu)設(shè)計與控制電路設(shè)計 9 式中 G 為所夾持工件的重量 0 01030G （ 即： 03 0 （ 驅(qū)動力： 30c o o 2N （ 為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及船里機構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力： 21實（ 式中 手部的機械效率，一般取 （ = 安全系數(shù)，一般為 （ 2） = 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 可近似按以下估計， ，其中 為被抓取工件運動時的最大加速度 ， 為重力加速度（ ） 為運載工件的最大速度，設(shè) m/0 為系統(tǒng)達到的最高響應(yīng)時間，一般取 （ ，設(shè) 0 即 02189 501012 . ./（ 由于手指長 b 與手指寬 a 尚未確定，無法確定驅(qū)動力大小，又由于 b 與 a 關(guān)系到手指的夾持精度，所以需先進行夾持定位 精度分析。 械手手抓夾持精度的分析計算 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決與機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)。 10 如下圖所示： 圖 手抓夾持精度圖 鉗口與鉗爪的連接點 E 為鉸鏈聯(lián)結(jié) ,如圖示幾何關(guān)系 ,若設(shè)鉗爪對稱中心 O 到工件中心 O的距離為 x,則 x= 22 )s （ 當工件直徑變化時 ,x 的變化量即為 夾持精度（ 定位誤差 ） ,設(shè)工件半徑 R 由 ,其最大定位誤差為 = 22 s a x a) - 22 )s ( （ 其中本設(shè)計中所要求的是夾持 下的圓形棒料，由于夾持精度 50000 缸工作壓力P/0 速比 2 2 由上表可得本設(shè)計中的速比為： 331. 壓缸缸筒內(nèi)徑 D 和活塞桿直徑 d 的確定 a、 液壓缸缸筒內(nèi)徑 D 可按下式計算得： 14311431 5 0 044 （ 式中： 500 ， 查表 取液壓缸缸筒內(nèi)徑為： 0 b、 活塞桿直徑 d 可按下式計算得： 245033113311 （ 由表 查 活塞桿直徑為： 5 大工作行程和最小導(dǎo)向長度 液壓缸的最小導(dǎo)向長度是指當活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點到導(dǎo)向套滑動面中點的距離，若導(dǎo)向長度太小，式液壓缸因間隙引起的初始撓度增大，從而影響液壓缸的穩(wěn)定性。對于一般液壓缸的 最小導(dǎo)向長度 H 應(yīng)滿足下列要 求： 025020500220 （ 式中 L 為最大工作行程 一般導(dǎo)向套滑動面的長度 A，在缸筒 D80，取缸筒內(nèi)徑 D 的 ，搬運機械手機構(gòu)設(shè)計與控制電路設(shè)計 29 活塞寬度 B 取缸筒內(nèi)徑 D 的 ，為保證最小導(dǎo)向長度而過分的增大導(dǎo)向套長度和活塞寬度都是不適宜的，最好的辦法是在導(dǎo)向套與活塞之間裝一隔離套 K，其長度C 由所需的最小導(dǎo)向長度決定。采用導(dǎo)向套不僅能保證最小導(dǎo)向長 度，而且還能擴大導(dǎo)向套及活塞的通用性。如下圖所示： 圖 向長度 導(dǎo)向套滑動面的長度 05080 （ 活塞寬度 05080 （ 隔離套長度 522 （ 筒壁厚和外徑計算 根據(jù)標準液壓缸外徑系列表選擇，為了盡可能滿足要求 ， 由下表可選取液壓缸外 徑為 602D ，即伸縮液壓缸的壁厚為 30 表 標準液壓缸外徑系列表 （ 67） 液壓缸內(nèi)徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20 鋼60 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45 鋼00 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 計算缸筒壁厚的合成應(yīng)力和厚度時必須考慮不同的比值 /D 和材質(zhì)，采用不同的強度計算公式。 當 10/D 時，為薄壁 2 當 10/D 時，為厚壁 （ 式中 D 缸筒直徑 缸筒試驗應(yīng)力，當缸的額定壓力 時取，所以 缸筒材料的許用應(yīng)力， n/b ，b為材料的抗拉強度， n 為安全系數(shù)，一般取 n=5,缸筒材料選用 35 號鋼，其抗拉強度查表得 ， 108n/b 。 將數(shù)據(jù)代入公式得缸筒壁厚： 3 4 82 P y （ （ 搬運機械手機構(gòu)設(shè)計與控制電路設(shè)計 31 符合要求。所以取 缸筒壁厚 ，為厚壁。 缸筒外徑為： 010502 （ 底參數(shù)計算及校核 缸底材料選擇材料選用 35 號鋼，其抗拉強度查表得 y 95210851505050 （ 所以 缸底厚度 取 壓缸穩(wěn)定性和活塞桿強度校核 （ 1） 油缸穩(wěn)定性的計算 因為油缸的工作行程較大，則在油缸活塞桿全部伸出時，計算油缸受最大作用力壓縮時油缸的穩(wěn)定性。 假設(shè)油缸的活塞桿的推力為 F，油缸穩(wěn)定的極限應(yīng)力為油缸穩(wěn)定性的條件為 121 （ 式中：1先算出12值從下表 查出相對應(yīng)的值，然后再計算 值。 32 圖 512 臨界力的計算圖 64411 （ 644412 （ 式中： 1d 為活塞桿直徑 、 1D 為缸體外徑、 D 為缸體內(nèi)徑。 其中 1 9 1 6 564 25143644411 （ 3 7 9 2 0 964 506014364444412 （ 所以 搬運機械手機構(gòu)設(shè)計與控制電路設(shè)計 33 取 512 圖 壓缸縱向彎曲 2J 、 1J 為長度 2l 、 1l 上的斷面慣性矩。 查 512 由 112 001 l 查上表得 581（其中， 1l 活塞桿頭部至油缸 A 點處的距離 2l :缸體尾部至油缸 A 點處的距離） 所以： 6 4 4 7 1 0 6 01 9 1 6 558 2121 （ 6 4 4 7 1 0 6 01 5 0 0 即油缸的穩(wěn)定性是滿足條件。 （ 2）活塞桿強度的驗算 因為活塞桿長 500l ，活塞桿直徑 25d ，即 1020 細長桿，其活塞桿 34 強度需同時考慮壓縮和彎曲。 判別最大撓度點位置 x 之值可由式計算：12式中 1E 活塞桿材料的彈性模量，對于鋼材 M P 11 10121012 1J 活塞桿截面慣性矩 所以 l.（ 短行程液壓缸的活塞桿，在工作中主要承受軸向壓縮（或拉伸）載荷，故可近似地按中心受 壓（或受拉）進行強度驗算，即 ）d（2124（ 式中 d 活塞桿外徑 1d 空心活塞桿內(nèi)徑，對于實心活塞桿 01d F 液壓缸的最大推力 （ 500 ） 活塞桿的壓（或拉）應(yīng)力 活塞桿材料的許用應(yīng)力， n/s ，其中常取 ，活塞桿材料選用 45 號鋼，其屈服極限為 s 355 即 62 5 3413 5 5 ./（ 所以 搬運機械手機構(gòu)設(shè)計與控制電路設(shè)計 35 ）d（ 滿足條件要求。 接零件的強度計算 首先確定油缸 缸筒與缸蓋采用螺紋連接，鋼筒與缸底采用焊接方式，此種方式能夠使液壓缸緊湊牢固。 （ 1）缸筒與缸底焊縫的強度計算 對接焊縫的應(yīng)力及強度條件為： 224 （ 式中 F 液壓缸的最大推力 缸筒外徑 2d 焊接內(nèi)徑 焊接效率，取 焊接的許用應(yīng)力。 b ，采用 條時， 104200 ，取安全系數(shù) 433 所以 M P 5 0 044 2222 （ M P b 1 0 544 2 0 （ 其中 符合條件 。 （ 2）缸筒與 缸蓋的螺紋連接強度計算 36 缸筒螺紋處的強度計算： 螺紋處的拉應(yīng)力： 221 （ 螺紋處的剪應(yīng)力： 441 10140 （ 合成應(yīng)力及強度條件為： n 22 3（ 式中： F 油缸的最大推力 D 缸筒內(nèi)徑 0d 螺紋外徑 1d 螺紋內(nèi)徑，當采用普通螺紋時 （ 時， 1d 可近似按下式計算，2101 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 院 別 機電學(xué)院 專業(yè) 機械電子工程 班級 學(xué)生姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 職稱 題 目 搬運機械手機構(gòu)與控制電路設(shè)計 論文（設(shè)計）的主要任務(wù)與具體要求 （有實驗環(huán)節(jié)的要提出主要技術(shù)指標要求） 進行生產(chǎn)線用搬運機械手機構(gòu)與控制電路設(shè)計。包括主要機構(gòu)和傳動系統(tǒng)設(shè)計：機械手搬運最大物重： 30徑為： 100 以下尺寸的圓形棒料。物品移動范圍為半徑為 扇形區(qū)域，高度變化范圍為： 力裝置 自定。如選用液壓系統(tǒng)，要設(shè)計出液壓系統(tǒng)圖和相應(yīng)電氣控制系統(tǒng)。要求設(shè)計壽命 10 年 。完成機體和傳動機構(gòu)的總體設(shè)計，并完成指定零件的零件圖設(shè)計。進行必要零部件的受力分析與強度驗算；繪制總裝圖和相關(guān)零件圖。必要時進行優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)力分析。在以上給定參數(shù)條件下，設(shè)計出應(yīng)用標準元件最多，體積最小、機構(gòu)最為合理、強度足夠，基本能交付工程實際的設(shè)計資料。 完成文獻資料收集，分析研究和綜述，撰寫開題報告。完成總體設(shè)計說明書或論文撰寫。 要求設(shè)計學(xué)生具有綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識，專業(yè)知識和實踐技能；具有查閱科技文獻資料、使用各種標準 、手冊以及獨立設(shè)計工作能力；具有較強的 圖能力，具有機械制造方面的基本知識；善于應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料。在綜合訓(xùn)練過程中鍛煉工程應(yīng)用能力，啟發(fā)創(chuàng)新思維。融會運用所學(xué)知識，在充分分析，研究，探討，綜合的基礎(chǔ)上完成畢業(yè)答辯。 進度安排 （包括時間劃分和各階段主要工作內(nèi)容） 2011 年 12 月 15 日 2011 年 12 月 31 日下達畢業(yè)設(shè)計任務(wù)； 2012 年 2 月 20 日 2012 年 3 月 10 日收集設(shè)計資料，熟悉相關(guān)知識，規(guī)范；進行設(shè)計問題分析和構(gòu)思，完成畢業(yè)設(shè)計開題報告，開題； 2012 年 3 月 11 日 3 月 24 日， 完 成傳動方案設(shè)計和傳動路線擬定，傳動過程動力設(shè)計； 2012 年 3 月 25 日 4 月 1 日，完成機械結(jié)構(gòu)分析與計算，驗證方案合理性； 2012 年 4 月 2 日 4 月 9 日，完成傳動草圖設(shè)計， 2012 年 4 月 10 日 4 月 18 日，完成傳動與支撐總裝草圖； 2012 年 4 月 19 日 4 月 26 日，進行指定零件圖設(shè)計；進行元件強度驗算； 2012 年 4 月 27 日 5 月 4 日，完成總裝配圖繪制； 2012 年 5 月 5 日 5 月 12 日，完成指定零件圖繪制，進行必要的優(yōu)化和應(yīng)力分析； 2012 年 5 月 13 日 5 月 18 日，完成設(shè)計說明書或論文整理與撰寫，交畢業(yè) 設(shè)計資料，評定成績； 2012 年 5 月 19 日 5 月 20 日，最后整理資料，準備答辯問題，答辯； 主要參考文獻 進度安排 （包括時間劃分和各階段主要工作內(nèi)容） 2011 年 12 月 15 日 2011 年 12 月 31 日下達畢業(yè)設(shè)計任務(wù)； 2012 年 2 月 20 日 2012 年 3 月 10 日收集設(shè)計資料，熟悉相關(guān)知識，規(guī)范；進行設(shè)計問題分析和構(gòu)思，完成畢業(yè)設(shè)計開題報告，開題； 2012 年 3 月 11 日 3 月 24 日， 完成傳動方案設(shè)計和傳動路線擬定，傳動過程動力設(shè)計； 2012 年 3 月 25 日 4 月 1 日，完成機械結(jié)構(gòu)分析與計算，驗證方案合理性； 2012 年 4 月 2 日 4 月 9 日，完成傳動草圖設(shè)計， 2012 年 4 月 10 日 4 月 18 日，完成傳動與支撐總裝草圖； 2012 年 4 月 19 日 4 月 26 日，進行指定零件圖設(shè)計；進行元件強度驗算； 2012 年 4 月 27 日 5 月 4 日，完成總裝配圖繪制； 2012 年 5 月 5 日 5 月 12 日，完成指定零件圖繪制，進行必要的優(yōu)化和應(yīng)力分析； 2012 年 5 月 13 日 5 月 18 日，完成設(shè)計說明書或論文整理與撰寫，交畢業(yè)設(shè)計資料，評定成績； 2012 年 5 月 19 日 5 月 20 日，最后整理資料，準備答辯問題，答辯； 注：畢業(yè)設(shè)計期間（ 每 2 周以系為單位對學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計情況進行檢查，每個學(xué)生準備 資料，自述 5 分鐘，指導(dǎo)教師提問并指導(dǎo)相關(guān)問題。 時間初定為： 3月 22 日； 4 月 5 日； 4 月 19 日； 5 月 10 日。 參加設(shè)計的學(xué)生必須到場。 指導(dǎo)教師簽名 系（教研室）審核意見 任務(wù)接受人（簽名） 年 月 日 審核人簽名： 年 月 日 年 月 日 備注 ： 1、本任務(wù)書一式三份，由指導(dǎo)教師填寫相關(guān)欄目，經(jīng)系審核同意后，系、指導(dǎo)教師和學(xué)生各執(zhí)一份。 2、本任務(wù)書須裝入學(xué) 生的畢業(yè)論文（設(shè)計）檔案袋存檔。 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計開題報告 題 目：搬運機械手機構(gòu)與控制電路設(shè)計 院 校： 專 業(yè)： 機 械 電子工程 年 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 1 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告 院別 機電學(xué)院 專業(yè) 機械電子工程 班級 姓名 學(xué)號 聯(lián)系方式 題目 搬運機械手機構(gòu) 與控制電路設(shè)計 開題申請：（ 包括選題的意義與目的、文獻綜述、研究現(xiàn)狀、創(chuàng)新思路、論文提綱、進度安排、參考文獻等。 ） 一、 選題的意義與目的 意義： 機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用于按固定程序抓取、搬運物體或操作工具的自動操作裝置。它可以代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化和機械化，能在有害環(huán)境下操作以保證人的安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。在工業(yè)部門中應(yīng)用的機械手稱為工業(yè)機械手。 工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這 種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科 機械手工程。機械手涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一它能部分 的代替人工操作；其二它能按照生產(chǎn)工藝的要求遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的 廣泛應(yīng)用 。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器， 它 有多個自由度，可以搬 運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立 2 的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 選擇搬運機械手機構(gòu)與電路控制設(shè)計這個課題作為我的畢業(yè)設(shè)計，對我的專業(yè) 機械電子工程，四年里所學(xué)的關(guān)于機械與電子的專業(yè)知識能夠進行一個系統(tǒng)的總結(jié)，因為這個畢業(yè)設(shè)計涉及里機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與電路控制系統(tǒng)的設(shè)計。 是 實際綜合設(shè)計訓(xùn)練；是一次全面的鍛煉和設(shè)計實踐；是工程技術(shù)的具體應(yīng)用；是能力提高的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 。 目的： 代替人工操作；能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；能制作必要的機具進行焊接和裝配從而大大改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。 通過畢業(yè)設(shè)計 搬運機械手機構(gòu)與電路控制設(shè)計，對大學(xué)四年知識的總結(jié)，使自己在踏入社會就業(yè)，對機械行業(yè)設(shè)計這個領(lǐng)域能更加容易上手，鞏固自己的知識。 二、國內(nèi)外研究概況及相關(guān)文獻綜述 目前國內(nèi)工業(yè)機械手主要用于機 床加工，鑄鍛，熱處理等方面，數(shù)量，品種，性能方面都不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，因此，國內(nèi)主要擴大機械手運用范圍，重點發(fā)展鑄鍛，熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在 運用專業(yè)機械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手，計算機控制機械手和組合式機械手等。國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷的修改，品種在不斷的增加，運用領(lǐng)域也在不斷的擴大。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手運用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床，摸鍛壓機的上下料，以及 點焊，噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件機械手本身的損害。為此，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界的條件的變化，做出相應(yīng)的變更。 三、 創(chuàng)新思路 機械手的機械結(jié)構(gòu)主要 手抓、手腕、手臂、和機身組成， 包括由兩個 液壓回轉(zhuǎn)缸和三個液壓伸縮缸，采用液壓驅(qū)動方案控制機械手運動，用 電磁閥控制的液壓 缸 來實現(xiàn)機械手的上升 、下降 、伸縮、翻轉(zhuǎn) 運動及夾緊工件的動作 ， 采用可 編程序控制器對機械手實現(xiàn)自動控制 。該設(shè) 3 計將實現(xiàn)對直徑 100 以下尺寸 、重高達 30圓形棒料 在 移動范圍半徑為 扇形區(qū)域，高度變化范圍為： 區(qū)域內(nèi)進行可編程控制搬運 。 四、論文提綱 論文摘要 前言 第一章 緒論 械手的 研究概況 械手 發(fā)展方向 業(yè)機械在生產(chǎn)中的應(yīng)用 設(shè)計中研究的主要內(nèi)容 第二章 搬運機械手的總體設(shè)計方案 械手的組成 械手的執(zhí)行機構(gòu) 械手的驅(qū)動機構(gòu) 械手的 控制方式選擇 械手的技術(shù)參數(shù)列表 械手手部的設(shè)計計算 部設(shè)計基本要求 部機構(gòu)的選擇 抓的設(shè)計計算 部的設(shè)計計算 部設(shè)計基本要求 部機構(gòu)的選擇 部的設(shè)計計算 部
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