摘要隨著工業(yè)革命的開(kāi)展，生產(chǎn)自動(dòng)化程度不斷提高，生產(chǎn)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)自動(dòng)化機(jī)械。本世紀(jì)是自動(dòng)化機(jī)械的時(shí)代，各種機(jī)器裝備代替人完成各種復(fù)雜，危險(xiǎn)，惡劣環(huán)境下的工作。作為人的代替品完成各種工作，自動(dòng)化機(jī)械理所當(dāng)然在一定程度上是根據(jù)人體的結(jié)構(gòu)和功能來(lái)設(shè)計(jì)的，手是人類完成各種工作的重要器官，相當(dāng)一局部自動(dòng)化機(jī)械是模仿人體的各個(gè)動(dòng)作來(lái)完成各種復(fù)雜的動(dòng)作。此次設(shè)計(jì)就是模仿人完成一項(xiàng)工作的各個(gè)動(dòng)作而進(jìn)行設(shè)計(jì)的一臺(tái)自動(dòng)化機(jī)械手，完成工件的抓取和放置。設(shè)計(jì)過(guò)程和內(nèi)容涉及機(jī)械，液壓，電氣，自動(dòng)控制等多門學(xué)科知識(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)人員有較高的綜合素質(zhì)要求。關(guān)鍵詞：AbstractAlongwiththedevelopmentoftheindustrialrevolution,productionautomationdegreeunceasingenhancement,therealizationoftheautomatedproductionfromautomaticmachines.Thiscenturyistheeraofautomationmachinery,variousmachineequipmentinsteadofhumanincompletingvariouscomplex,dangerous,harshenvironment.Asasubstituteforthepeoplefinishallkindsofwork,automationmachinerygrantedinacertainextentaccordingtothehumanbodystructureandfunctiontodesign,thehandisanimportanthumanbeingsincompletingvariousorgans,aconsiderablenumberofautomationmachineryisimitationofhumanbodyeachactiontofinishallkindsofcomplicatedmovements.Thisdesignistheimitationpeopleperformataskofeachmovementandaautomationdesignmanipulator,grabandplacedcompleteworkpiece.Designprocedureandcontent,involvingmachinery,hydraulic,electric,automaticcontrolofmulti-disciplineknowledge,designershavehighcomprehensivequalityrequirements.第1章緒論1.1工業(yè)機(jī)械手簡(jiǎn)介機(jī)械手是模仿人的手部動(dòng)作，按照給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)和操作的自動(dòng)裝置，它是機(jī)械化、自動(dòng)化的重要手段。因此，獲得了日益廣泛的應(yīng)用，特別在高溫、高壓、危險(xiǎn)、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境，以及笨重、單調(diào)、頻繁的操作中，它代替了人的工作，具有重要的意義。在機(jī)械加工中，沖壓、鑄、鍛、焊、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防工業(yè)等各方面，也已愈來(lái)愈引起人們的重視。機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)以及位置檢測(cè)裝置等組成，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可采用液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等形式，而多數(shù)采用電液機(jī)聯(lián)合傳動(dòng)。該機(jī)械手是將圓柱形零件從傳送帶上夾裝到專用機(jī)床上，待加工完畢后再夾裝回傳送帶的專用機(jī)械手(見(jiàn)示意圖)。機(jī)械手總體設(shè)計(jì)分為夾持器、伸縮臂、升降臂和底座四大部件設(shè)計(jì)及二個(gè)系統(tǒng)：PC電控系統(tǒng)與液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。夾持器安裝于伸縮臂上，伸縮臂安裝在升降臂上，升降臂安裝在底座上。連接方式均為法蘭盤螺栓連接。1.2機(jī)械手的組成和工作程序機(jī)械手的動(dòng)作要求分為14步。從原位開(kāi)始——伸出——下降——夾緊——上升——回縮——下降——正轉(zhuǎn)——上升——下降——松開(kāi)——上升——縮回——反轉(zhuǎn)——到原位停止，準(zhǔn)備下次循環(huán)。圓柱形零件的尺寸為直徑80毫米，高為150毫米，機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度為90度，升降高度為500mm，伸縮長(zhǎng)度為300mm。本設(shè)計(jì)為工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的夾持器設(shè)計(jì)，機(jī)器人通過(guò)夾持器的松緊動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)工件的加緊與放松。第2章機(jī)械手設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)參數(shù)和性能要求〔1〕所要抓緊的工件直徑為80mm。放松動(dòng)作時(shí)兩爪間最大距離為110-120mm。抓持速度為20mm／s，夾持器從運(yùn)輸車上抓取待加工的坯料送到加工機(jī)械上及把加工好的工件送回到運(yùn)輸車上?！?〕抓持速度為20mm／s〔3〕工件重約6㎏，材質(zhì)：45＃鋼，〔4〕加緊動(dòng)作平穩(wěn)，起動(dòng)和終止無(wú)剛性沖擊；由運(yùn)動(dòng)分析及所需夾持力得到機(jī)構(gòu)各局部尺寸?！?〕要有足夠的夾持力和所需的夾持精度，〔6〕是聯(lián)接在手臂上，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、質(zhì)量輕，以減輕手臂負(fù)荷。2.2機(jī)構(gòu)選型方案比照方案1:楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器。圖2-1方案2:連桿杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器圖2-2方案3:齒輪齒條平行連桿平移夾持器由于結(jié)構(gòu)原因，手爪松開(kāi)的距離不會(huì)很大，所以只適用于工件尺寸變化不大的范圍，由于楔塊的傾斜角不易太小，太小那么夾持范圍過(guò)小，太大那么夾持力變小，故夾緊力不是很大。但該種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于輕載場(chǎng)合圖2-3方案4：左右旋絲杠平移夾持器圖2-4上圖結(jié)構(gòu)中采用了扇形齒輪和齒條機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，安裝方便，但制造難度大，本錢高，經(jīng)濟(jì)性不好；下列圖采用了平行四邊形機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)，制造容易，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，但大大增加了整個(gè)夾持器的尺寸；綜合以上兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇下列圖2-5所示方案圖2-52.3結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求(1)行程：最大爪距120mm，最小為0mm(2)構(gòu)尺寸有機(jī)構(gòu)圖可以知道，兩個(gè)爪塊之間的距離主要取決于同機(jī)架項(xiàng)鏈的鉸鏈之間的距離，V型塊厚度為30mm，那么鉸鏈間距取200mm可滿足要求，即機(jī)架寬度約為200mm。結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)如圖2-6所示：圖2-6動(dòng)力計(jì)算抓取的圓柱體直徑為80mm,高為150mm,45#鋼。工件質(zhì)量夾緊力：(2.1)使用系數(shù)K:1.2~ 2取K=1.3動(dòng)載荷系數(shù)K:得=1.9平安系數(shù)K:K=2夾緊力驅(qū)動(dòng)缸輸出力驅(qū)動(dòng)力==375N驅(qū)動(dòng)缸選型由上節(jié)知道液壓缸輸出力375N，假定液壓缸的工作壓力P=1Mpa,液壓缸內(nèi)徑D===23.5mm取標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑D=32mm活塞桿直徑d=0.5D=16mm經(jīng)Solidworks三維立體仿真，機(jī)械手從完全閉合到張開(kāi)，液壓缸的行程S100mm根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選擇輕型拉桿液壓缸，型號(hào)為BFC32/16B,安裝尺寸和方式如表2-1：表2-1第3章伸縮臂設(shè)計(jì)3.1性能參數(shù)計(jì)算液壓伸縮缸完成水平動(dòng)作，行程S=300mm,主要承受的載荷包括摩擦力，慣性力，啟動(dòng)平穩(wěn)，停止無(wú)剛性沖擊，定位精確。伸縮臂驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量包括自身活塞桿質(zhì)量，機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)缸的質(zhì)量，以及工件質(zhì)量，各局部質(zhì)量如下，活塞桿,機(jī)械手工件，總質(zhì)量m=18Kg,取摩擦系數(shù)u=0.2，加速度a=20m/,伸縮缸輸出力F=uG+ma=0.2189.8+1820=395.28N液壓缸內(nèi)徑D===22.51mm取標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑D=32mm，活塞桿直徑d=0.5D=16mm3.2液壓缸選型根據(jù)以上數(shù)據(jù)選擇液壓缸，為了減小整體結(jié)構(gòu)尺寸，連接方式采用切向底座連接，液壓缸根本尺寸數(shù)據(jù)和安裝結(jié)構(gòu)如下表3-1所示：表3-1第4章升降液壓缸設(shè)計(jì)4.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求升降液壓缸為整個(gè)升降平臺(tái)提供動(dòng)力和支撐，液壓缸除了提供升降動(dòng)力外，還應(yīng)該滿足啟動(dòng)迅速，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位精確，停止無(wú)剛性沖擊等性能；液壓缸的主要載荷包括滑臺(tái)和其上所裝零部件質(zhì)量，以及啟動(dòng)加速時(shí)的慣性力。4.2性能參數(shù)計(jì)算液壓缸載荷質(zhì)量m包括滑臺(tái)，伸縮臂，機(jī)械手，工件，總質(zhì)量為m=30Kg15Kg20Kg5.9Kg=70.9Kg,,液壓缸推力為F=uG+ma=0.270.99.8+70.920=2112.3N液壓缸內(nèi)徑D===51.4mm取標(biāo)準(zhǔn)值D=63mm,活塞桿直徑d=40mm.行程S=500mm4.3液壓缸選型根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選擇液壓缸，采用頭部軸銷連接方式，結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝尺寸如表4-1：表4-1第5章機(jī)架設(shè)計(jì)5.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求機(jī)架是整個(gè)及其的主要局部，起到對(duì)移動(dòng)件的支撐，固定，和導(dǎo)向作用，所以機(jī)架應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以下主要根據(jù)載荷與受力情況設(shè)計(jì)機(jī)架及其上面的各部件的結(jié)構(gòu)尺寸。5.2回轉(zhuǎn)支承選型回轉(zhuǎn)支承是轉(zhuǎn)動(dòng)局部和底座之間的可動(dòng)連接，能承受一定的垂直力和傾覆力，由于及其所受的傾覆力不大，故主要根據(jù)液壓升降缸的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)選擇，結(jié)構(gòu)尺寸如圖5-1：圖5-15.3底座設(shè)計(jì)底座起到支撐和固定整個(gè)回轉(zhuǎn)局部的作用，整個(gè)支撐所承受的載荷在200Kg以內(nèi)，其結(jié)構(gòu)主要根據(jù)回轉(zhuǎn)支承安裝設(shè)計(jì)，底座結(jié)構(gòu)尺寸參看裝配圖。5.4導(dǎo)向桿設(shè)計(jì)導(dǎo)向桿的作用是對(duì)運(yùn)動(dòng)部件起到導(dǎo)向作用，導(dǎo)向桿應(yīng)具有一定的剛度，在滑臺(tái)承受傾覆力和橫向力時(shí)的變形不超過(guò)許用值。導(dǎo)桿在正常使用情況下橫向載荷很小，可以忽略不計(jì)，主要載荷為傾覆力矩，受力情況如圖5-2所示：圖5-2傾覆力矩M=mgl=25Kg*9.8N/Kg*300mm=73500Nmm導(dǎo)桿截面的彎曲應(yīng)力應(yīng)小于許用值，<[]D>==13.7mm取D=20mm滑臺(tái)之間采用直線軸承連接方式，由導(dǎo)桿直徑選擇直線軸承，型號(hào)和結(jié)構(gòu)尺寸如圖5-3：圖5-3第6章液壓元件選用6.1液壓泵的選擇液壓的流量根據(jù)系統(tǒng)所需流量最大的液壓缸確定，升降液壓缸缸徑最大，所需流量也最大，故根據(jù)升降缸的流量確定液壓泵的流量。流量Q===18.69L/min壓力P>1MPa,選用CB-B20型齒輪泵，性能參數(shù)和安裝尺寸如表6-1：表6-16.2液壓控制元件的選擇壓力控制閥采用SBT03-32型先導(dǎo)式溢流閥，性能參數(shù)如表6-2：表6-2換向閥系統(tǒng)所需的主要液壓控制元件為換向閥，溢流閥，實(shí)現(xiàn)液壓缸的換向動(dòng)作和系統(tǒng)壓力控制，根據(jù)液壓泵的流量和壓力，換向閥均采用具有鎖緊保持中位機(jī)能的三位四通電磁換向閥，型號(hào)為WE10EB型。如圖6-1：圖6-1第7章液壓/電器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)7.1液壓控制回路液壓控制系統(tǒng)的作用主要是控制機(jī)械系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作順序，并滿足速度要求。本系統(tǒng)要求動(dòng)作平穩(wěn)，速度不隨負(fù)載的變化而差生大的改變，故液壓控制系統(tǒng)調(diào)速回路均采用回油節(jié)流調(diào)速。液壓控制回路如圖7-1：圖7-17.2電氣控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的功能是控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止，并控制底座回轉(zhuǎn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)：圖7-2第8章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.1PLC介紹可編程邏輯控制器〔PLC〕又稱可編程控制器。它是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)。它使用可編程存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用戶設(shè)計(jì)的程序指令，這些指令用來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序操作、定時(shí)、計(jì)數(shù)及算術(shù)運(yùn)算和通過(guò)數(shù)字或模擬輸入/輸出來(lái)控制各種機(jī)電一體化，程序可變、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、功能強(qiáng)、體積小、耗電低，特別是易于、價(jià)格廉價(jià)等特點(diǎn)，現(xiàn)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。8.1狀態(tài)邏輯表限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)繼電器狀態(tài)和動(dòng)作工位狀態(tài)1夾緊通通通Y002(YA5)上升2上升通通通+通Y005(YA4)回縮3回縮通+通通通Y004(YA6)下降4下降通通通通Y006(YA7)轉(zhuǎn)動(dòng)5轉(zhuǎn)動(dòng)通通通通Y007(YA5)上升6上升通通通通Y005(YA3)伸出7伸出+通通通通Y003(YA6)下降8下降通通通通Y006(YA1)松開(kāi)9松開(kāi)通通通通Y001(YA5)上升10上升通通通Y005(YA4)縮回11縮回通通通Y004(YA8)轉(zhuǎn)動(dòng)12轉(zhuǎn)動(dòng)通通通YO10(YA3)伸出13伸出通通通Y003(YA6)下降14下降通通通Y002(YA2)夾緊原位循環(huán)+表8-1機(jī)械手每次完成一個(gè)動(dòng)作，所以適合使用步進(jìn)順控指令的編程方式，根據(jù)以上工步順序，和繼電器通斷循序，設(shè)計(jì)機(jī)械手系統(tǒng)順控指令編程結(jié)構(gòu)梯形圖。8.2PLC型號(hào)選擇輸入點(diǎn)需要21個(gè)，輸出點(diǎn)需要10個(gè)，選用三菱型號(hào)為FX1N-40MR-001XPLC的控制器，輸入點(diǎn)為24個(gè)，輸出繼電器為16個(gè)，可以滿足應(yīng)用要求。各控制按鈕，內(nèi)部繼電器地址，及其功能如表8-2：現(xiàn)場(chǎng)器件內(nèi)部繼電器地址說(shuō)明輸入SB1按鈕X001液壓泵電機(jī)啟動(dòng)SB2X002液壓泵電機(jī)停止SB3X003PC啟動(dòng)SB4X004PC停止SB5X005上升SB6X006下降SB7X007伸出SB8X010縮回SB9X012正轉(zhuǎn)SB10X013反轉(zhuǎn)SB11X014夾緊SB12X015松開(kāi)SA1X016手動(dòng)SA2X017自動(dòng)S1限位開(kāi)關(guān)X020縮回S2X021伸出S3X022下降S4X023上升S5X025反轉(zhuǎn)S6X026正轉(zhuǎn)KPX027夾緊/放松輸出KM1線圈Y001底座正轉(zhuǎn)KM2Y002底座反轉(zhuǎn)KM3Y003油泵運(yùn)轉(zhuǎn)YA1電磁閥Y004夾持器松開(kāi)YA2Y005夾持器夾緊YA3Y006/YA3伸出YA4Y007/YA4縮回YA5Y010/YA5上升YA6Y011/YA6下降YA7Y012/卸荷表8-28.3控制梯形圖啟動(dòng)程序梯形圖圖8-1LDX001ORY003ANDIX002OUTY003LDX003ANDIX004ANDY003OUTM501LDX016ORM001ANDX017OUTM001LDX017ORM002ANDIX016OUTM002點(diǎn)動(dòng)程序梯形圖及代碼圖8-2LDX007ANDIX021OUTY006LDX014ANDIY027OUTY005LDX005ANDIX023OUTY010LDX012ANDIX026OUTY001LDX015ANDX027OUTY004LDX010ANDIX020OUTY007LDX013ANDIX025OUTY002LDX006ANDIX022OUTY011自動(dòng)程序梯形圖及代碼1LDM0712SETS6003STLS6004OUTY0065ORX0216SETS6017STLS6018OUTY0119ORX02210SETS60211STLS60212OUTY00513ORXO2714SETS60315STLS60323OUTY01024ORX02325SETS60426STLS60427OUTY00728ORX02029SETS60530STLS60531OUTY01132ORX02233SETS60634STLS60635OUTY00136ORX02637SETS60716STLS60717OUTY01018ORX02319SETS61020STLS61021OUTY00622ORX02138SETS61139STLS61140OUTY01141ORX02242SETS61243STLS61244OUTY00445ORX02746SETS61347STLS61348OUTY01049ORX02350SETS61451STLS61452OUTY00753ORX02054SETS61555STLS61556OUTY00257ORX02558SETS6008.4PLC接線圖第9章總結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)最后一次理論與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)，經(jīng)過(guò)三個(gè)多月的辛苦工作，當(dāng)初的設(shè)想終于變成實(shí)物放在自己的面前，這是一個(gè)由設(shè)想到實(shí)際的誕生過(guò)程。本次設(shè)計(jì)是工業(yè)機(jī)械手。工業(yè)機(jī)械手作為自動(dòng)化生產(chǎn)線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)自動(dòng)化水平的提高有很大影響，它的好壞直接影響自動(dòng)化開(kāi)展程度定上下。設(shè)計(jì)的第一階段主要是熟悉課題的內(nèi)容，調(diào)研，查資料，確定工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案；第二階段，我們對(duì)對(duì)零部件結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了分析。主要確定了液壓缸的選定等；第三階初步確定了，液壓缸，夾持器的主要參數(shù)；第四階段進(jìn)入了夾持器的設(shè)計(jì)與計(jì)算階段。主要對(duì)夾持器的楔塊、手爪、彈簧強(qiáng)度計(jì)算與校核和確定夾持器的結(jié)構(gòu)元件；第五階段進(jìn)行了用CAD和手工繪圖。通過(guò)這幾個(gè)階段的實(shí)際操作，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)思路有了更本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，為自己以后走向工作崗位進(jìn)行獨(dú)立的動(dòng)手操作打