球坐标工业机械手设计Word格式.docx
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机械手自动化PLC
英文摘要
Abstract:
Sincethelate1950stheUnitedStatesdevelopedthefirstgenerationofindustrialrobots,humanindustrialproductionhasenteredintoaneraofautomation.Withthedeepeningdevelopmentofautomationtechnology,EuropeandtheUnitedStatesandotherdevelopedcountrieshasenteredastageofautomatedproduction.Atpresent,ourcountrytocompleteindustrialupgradingisboundtointensifyautomationequipmentinenterpriseapplications.Whichrepresentedbymechanicalautomationequipmentmusthaveawiderangeofheavenandearth.
Inthispaper,designofmanipulatorisdesignedonfactoryautomationproductionlineforenterprise,itsmainmaterialhandling.Itbyhydraulicdrivecanachieve300ncatchweight,throughthePLCcontrol,motioncontrolcanachieveavarietyofregulationsandhasfourdegreesoffreedom,whichcanrealizetheXdirectionofscaling.
Thismanipulatorhasahighdegreeofautomation,largeclampingforce,highefficiency,abletocompletetheworkinacomplicatedenvironmentetc.,canreduceworkers'
laborintensity,saveworktime,improvetheproductionefficiencyofenterprises.
Keywords:
automationPLCmanipulator
第一章绪论
1.1工业机械手的组成和分类
1.1.1、工业机械手的组成：
工业机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置监测装置等组成。
各系统相互之间的关系如下图所示。
1.1.2、工业机械手的分类：
1、按规格分类
微型机械手（重力在10N以下）
小型机械手（重力在100N以下）
中型机械手（重力在500N以下）
大型机械手（重力在500N以上）
2、按用途分类
专用机械手
通用机械手
3、按控制方式分类
点位控制
连续轨迹控制
1.2工业机械手设计内容和要求
1.2.1、主要参数：
主要参数的确定：
1、坐标形式：
球坐标
2、抓重：
300N
3、自由度：
4个
4、臂的运动参数：
运动名称
符号
行程范围
速度
伸缩
X
350mm
250mm/s
回转
φ
0°
~210°
<
90°
/s
俯仰
θ
~45°
升降
Z
无
横移
Y
腕部的运动参数：
ω
~180°
小臂俯仰
θ2
定位方式：
电位器（或接近开关等）设定，点位控制
驱动方式：
液压（中、低压系统）
手指指夹持范围：
棒料直径φ40－φ60mm，长度450－1200mm
9、定位精度：
±
3mm
10、控制方式：
PLC控制
1.3毕业设计目的与意义
毕业设计是一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程设计问题而进行的一次基本训练，是对所学知识的一次综合考查，是毕业前的一次综合演练，这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有重要意义。
其主要目的：
一、培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。
二、培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。
三、养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。
培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。
第二章手部的设计
2.1手部设计计算
2.1.1、手部设计的基本要求
1、应当具有适当的夹紧力
手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。
在确定夹紧力时，除考虑工件的重量外，还应该考虑在传送或操作过程中所带来的惯性力和振动，对于刚性很差的工作夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。
2、应当具有足够的开闭范围
机械手的手部手指都有张开和闭合的动作。
手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。
手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭的范围大一些较好。
若夹持不同尺寸的工件，应该按最大尺寸的工件考虑。
3、要求手部结构简单，重量轻，体积小、效率高
手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。
因此，在设计手部时，在保证一定的强度和刚度的前提下，必须力求结构简单，重量轻，体积小，以利于减轻臂部的负载。
4、应保证工件夹持精度
应保证每个被夹持的工件，在手指内都有相对准确的位置，避免工件在手指内的滑动或者不稳定性的产生。
5、设计时应考虑通用性和特殊位置的要求
在设计时，应考虑到扩大机械手的适用范围，尽量实现一机多用，提高机械手的通用程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件的需要，以外，还应该考虑到使用环境的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀等。
综上考虑，根据工件的形状和设计的参数要求，此次设计的机械手将采用最常用的滑槽杠杆式夹钳手，此种结构手部较为简单，制造方便，通用性强。
2.1.2、手部参数的计算
滑槽杠杆式夹钳手结构如下图，其原理是在拉杆3作用下销轴2向上
的拉力为P，并且通过销轴中心点O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A与B
由得
得
得因
所以（2-1）
式中а——手指的回转支点到对称中心线的距离；
α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角（一般取）
1.手指2.轴销3.拉杆4.指座
图2-1
2.1.3、手部握力计算：
1、理论驱动力计算
由上面可知，驱动力为：
在此设计中，我们选择V型指型夹方料，手指与工件位置选择：
手指水平位置夹水平放置的工件。
由课程设计指导书表2－1查得握力计算公式：
由设计参数可知，G＝300N，故可求得N＝0.5×
300N=150（N），将N=150N代入驱动力的计算公式中，并且在此设计中，我们选择使用参数a=40（mm）,b=80（mm），α＝30°
，可求得理论驱动力P＝450N
2、实际驱动力计算
夹持手部在工作过程中，其实际驱动力的大小，除理论驱动力P外，还应考虑传力机构的效率及工件运送过程中所产生的惯性力等因素的影响。
实际驱动力的计算公式：
（2-2）
式中，P-理论驱动力，
K1-安全系数，取1.5～2
K2-实际工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按下式估算：
（其中，a为手部抓取工件后手臂运动的最大加速度，g为重力加速度）
Η-手部的机械效率，一般取故取0.85~0.95，此处η取0.9。
K1-为安全系数，一般取1.2~2，此处K1＝1.5
若被抓取工件的最大加速度取a＝g时，则K2＝1＋1＝2
所以,即夹持工件时所需夹紧油缸的驱动力为1500N。
3.确定液压缸的直径D
由《机械设计手册液压传动与控制》可知
（2-3）
由于作用在活塞上的外力小于5000N,故选择液压缸压力油工作压力P=1MPa,
根据《机械设计手册液压传动与控制》表23.6-33，选取液压缸内径为：
D=63mm
则活塞杆内径为:
D=630.5=31.5mm，选取d=32mm
表2-1液压缸的工作压力
作用在活塞上外力F（N）
液压缸工作压力Mpa
小于5000
50000以上
2.2手指夹持误差分析与计算
机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关，为使机械手能适用于多品种小批量工件直径在一定范围内变化的生产中，必须使用合理的手部结构参数，可以采用自动定心的手部结构来减少机械手的调整工作，从而使加持误差控制在较小范围内。
该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。
机械手的夹持范围为φ40mm～φ60mm一般夹持误差不超过1mm,分析如下：
工件的平均半径：
手指长,取V型夹角
图2-2手抓夹持误差分析示意图
偏转角按最佳偏转角确定：
（2-4）
计算
因，即和在双曲线的对称点的同侧，故其夹持误差△为：
mm
夹持误差△=1.5mm，因此本设计的夹持误差<
3mm,满足设计的要求。
第三章腕部设计
3.1腕部设计的基本要求
1、力求结构紧凑、重量轻。
腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。
因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。
2、综合考虑，合理布局。
腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除了
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