机械手手臂设计
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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
2 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
3 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：
4 50N,100N,150N,200N,250N,300N
3、自由度：4个
4、臂部运动参数：
运动名称 符号 行程范围 速度
伸缩 X 400mm <200,<250,<300mm/s
回转 φ 0º-210º <90º/s
升降 Z 300mm <70mm/s
5、腕部参数：
运动名称 符号 行程范围 速度
回转 ω 0º-180º <90º/s
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 5 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：
FFFFF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
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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0AM，既aaFLG＝总，从而得 aLGFa总
由0＝YF，既baFFG总，从而aaLGFb总
而摩擦阻力''ababFFFFF摩摩摩
'2LaFGa总摩
其中是摩擦系数，导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁'0.201.50.3
将有关数据代入进行计算：
NaaLGF264012012060028003.02总摩＝
（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：0.03FF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FF05.0＝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：GvFgt总惯，其中手臂伸缩速度smv2.0，设置启动时间0.2ts，则可得活塞杆所受平均惯性力为： GvFgt总惯N402.0102.0400＝＝
经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：FFFFF回摩密惯
4005.003.02640FF＝
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Pap61101。
