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(設計、論文、報告)
桂林理工大學
GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
本科畢業(yè)設計(論文)
題目: 四自由度機械手結構設計及其PLC控制
學 院： 機械與控制工程學院
專業(yè)(方向)： 機械設計制造及其自動化
（機械裝備）
班 級
學 生
指導教師
摘要
隨著工業(yè)快速發(fā)展，機械手在機械加工制造、裝配及包裝等自動生產線上得到普遍應用。機械手是一種能模仿實現(xiàn)人手部分功能，并能按編寫程序進行搬運物料或抓取工件、操作工具等的裝置；其對推動工業(yè)自動化生產發(fā)展起著重要作用。
本設計的機械手主要用于配合機床床上下料、搬運等用途；其采用液壓驅動、PLC控制、圓柱坐標結構,具有四個自由度，其可分別實現(xiàn)抓取傳送帶的物料及手腕旋轉、手臂旋轉、手臂升降及伸縮等功能。本機械手涉及到機械手結構設計、機械手動作的PLC控制設計。結構部分：手爪選用滑槽杠桿驅動機構的二指回轉型;手腕及手臂選用回轉缸驅動實現(xiàn)回轉功能；手臂伸縮和機身升降是通過采用導向桿導向及花鍵軸導向，確保機械手運動精度；將回轉缸置于機身立柱的升降缸上，使結構更緊湊。控制部分：根據(jù)機械手的用途，通過編寫特定的PLC梯形圖程序，實現(xiàn)機械手自動、手動及單周期運轉的功能。
本文的設計重點是機械手各個部分液壓缸結構尺寸的計算，確定其主要的技術參數(shù)；根據(jù)本機械手用途，設計特定的PLC梯形圖，實現(xiàn)機械手自動、手動及單周期運轉功能。并繪制零件設計圖、CAD裝配圖、液壓原理圖、三維造型、模擬仿真、PLC相關程序。
關鍵詞：機械手；液壓驅動；結構設計；PLC控制設計
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 機械手的概述 1
1.2 機械手的歷史背景及其現(xiàn)狀 1
1.3 機械手的運用及發(fā)展趨勢 2
1.3.1機械手運用意義 2
1.3.2 PLC在機械手中的應用 2
1.3.3機械手的發(fā)展趨勢 2
1.4 機械手的工作原理 2
1.5.1控制系統(tǒng) 3
1.5.2驅動系統(tǒng) 3
1.5.3執(zhí)行系統(tǒng) 3
1.5.4位置檢測裝置 3
1.6 本設計目的及研究內容 4
1.6.1本設計目的 4
1.6.2本設計主要研究內容 4
2 總方案設計 5
2.1 設計技術要求 5
2.2 機械手的運動分析 5
2.3 方案擬定 5
2.3.1執(zhí)行機構方案 5
2.3.2驅動機構方案 6
2.3.3控制方案 6
3 手部設計及計算校核 7
3.1 機械手部設計要求 7
3.2 手部設計方案制定 7
3.3 手部的設計及計算校核 8
3.3.1 驅動力及夾緊力的計算 8
3.3.2 確定液壓缸直徑D設計尺寸()p 9
3.4 機械手手爪夾持精度分析及計算 10
3.4.1手爪夾持精度分析 10
3.4.2手爪夾持精度計算 10
4 手腕設計及其計算校核 11
4.1 手腕設計要求 11
4.2 手腕設計方案的制定 11
4.3 腕部轉動所需動力矩計算 11
4.3.1驅動力矩計算 11
4.4 確定腕部液壓缸直徑D設計尺寸 12
4.5端蓋連接方式強度計算 12
4.6 動片與輸出軸連接螺釘計算 13
5 手臂設計及計算校核 15
5.1 機械手手臂的設計要求 15
5.3.1手臂驅動力的計算 15
5.4 手臂液壓缸的工作壓力及結構設計 17
5.4.1確定液壓缸工作壓力 17
5.4.3活塞桿的計算及校核 18
5.4.4計算液壓缸缸筒長度 19
5.4.5端蓋連接方式強度計算 19
6 機身設計及其計算校核 21
6.1 機械手機身的設計要求 21
6.2 機身的設計方案制定 21
6.3 機身的設計及計算校核 22
6.5 升降液壓缸的工作壓力及結構設計 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活塞桿的計算校核 23
6.5.5 液壓缸缸筒長度的確定 23
6.5.6缸蓋螺釘?shù)挠嬎?24
6.6 升降不自鎖條件分析計算 24
6.7 回轉機構的工作壓力及計算 24
6.8 回轉缸尺寸的確定 25
6.8.1回轉缸油腔內徑計算 25
6.9 動片與輸出軸之間的連接螺釘?shù)挠嬎?26
7 機械手液壓系統(tǒng) 27
7.1 機械手液壓系統(tǒng)原理圖設計 27
7.2液壓元件明細表 28
8 機械手動作PLC控制設計 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構 29
8.1.3機械手PLC型號選擇 29
8.2 機械手動作原理及說明 29
8.3 機械手運動動作控制要求 30
8.4 機械手PLC控制接線圖及主電路圖設計 31
8.5 機械手操作控制面板設計 31
8.6 機械手控制程序設計及說明 32
8.6.1傳送帶控制程序設計 32
8.6.2傳送帶的控制及物料檢測梯形圖說明 33
8.6.3機械手手動控制的控制梯形圖 34
8.6.4機械手手動控制梯形圖說明 34
8.6.6機械手工作狀態(tài)轉移圖及輸出梯形圖 35
8.6.7機械手工作狀態(tài)轉移圖和輸入梯形圖說明 37
8.7 機械手總控制梯形圖（如附錄1示意） 38
8.8 機械手總控制指令表（如附錄2示意） 38
9 結論 39
致謝 40
參考文獻 40
附錄 41
附錄1(機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)生產線中，機械手應用廣泛。它是工作生產中抓取與裝配等柔性系統(tǒng)中的一個重要組成部分。其基本功能是在指定位置抓取工件并將運送到別的位置進行裝配或加工。機械手代替了人繁重的勞動，提高了產品質量及生產率，并且操作精度高。
1.1 機械手的概述
機械手是指能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置[1] 。機械手是出現(xiàn)最早的工業(yè)機器人分支之一，而工業(yè)機器人是指具機械自動化和智能化生產裝備。機械手動作具有類似于人類及其他生物體的機體功能，更具有適應性和智能性的特點；可通過編程完成動作和單一及更復雜的多種工作，有一定通用性及靈活性的特點。機械手在實際生產中，它不但將人從繁重單一的勞動中解放出來，同時提高了勞動生產率，提高了經濟效率,而且改善了勞動環(huán)境，能在有害的環(huán)境下保護人身安全；同時實現(xiàn)了生產的機械化和自動化。因此，世界各國都普遍重視其研制和生產、應用等；故其得到迅猛的發(fā)展。
機械手種類繁多.，機械手按照驅動方式.大致可分為液壓式.、電動式、氣動式和機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手；按運動軌跡控制方式可分為連續(xù)軌跡控制機械手和點位控制機械手等[3]。
機械手發(fā)展前景及應用的廣泛，帶來極大效益；機械手的開發(fā)研制運用都對我國工業(yè)的機械化和自動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)研制機械手，使我國的自動化更進一步的發(fā)展。
1.2 機械手的歷史背景及其現(xiàn)狀
工業(yè)機械手迅猛發(fā)展是在第二次世界大戰(zhàn)期間，其中最早應用于美國國家實驗室，其研制出一種主從型控制系統(tǒng)的遙控機械操作手。1958年，美國聯(lián)合控制公司研究出一種示教型機械手，之后在此基礎上，研制出一種更先進的控制系統(tǒng)；仿照坦克炮塔，臂可回轉、伸縮、俯仰，并用液壓驅動的機械手，對往后的機械手的發(fā)展有深遠影響。1962年，美國機械鑄造公司研制出一種靈活搬運，具有點位與軌跡控制功能的并稱為Veratran的機械手。從上世紀60年代后期，噴漆、弧焊的工業(yè)機器人陸續(xù)運用于生產中。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)于1970年著手機械手的應用，其主要是用于起重運輸、焊接運用及設備的上下料等用途。日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快，應用最多的國家之一，其從美國引進最典型的兩類機械手后，經過大力發(fā)展扶植機械手的研制及其產業(yè)，使其工業(yè)機械手得以普遍應用。
國外的大多數(shù)發(fā)達國家都有專門專業(yè)的機械手研究部門，并與企業(yè)合作，故具有發(fā)展水平高、應用范圍廣、專業(yè)化程度高、產品生產系列化等特點，此外國際學術交流會、研討會等大大促進了機械手的發(fā)展。
我國工業(yè)機械手研究開發(fā)起步較晚，較之歐美較晚30多年。但我國仍很重視，于1972年在上海研制成第一臺機械手，此后全國各省均研制開發(fā)應用機械手。可喜的是，第七個五年計劃，政府加大工業(yè)機器人的投入，在眾多的科學假的努力下研制出一系列的機器人，可用于點焊、裝卸載等用途。我國機械手領域也有著一定的發(fā)展前途。
1.3 機械手的運用及發(fā)展趨勢
1.3.1機械手運用意義
（1）提高生產過程自動化程度
（2）改善勞動環(huán)境及條件
（3）減輕人力便于有節(jié)奏的生產,提高勞動生產率，增加經濟效益
1.3.2 PLC在機械手中的應用
可編程控制器PLC是一種從20世紀60年代末時，新發(fā)展起來的新型電氣控制裝置。其用途是以微處理器為核心，把計算機、自動控制及通信等技術整合一起，并將其結構簡單，易于編程，性能可靠等優(yōu)點極大的運用在工業(yè)控制領域上，被廣泛應用于機械機器和柔性制造自動化生產線上。PLC通過控制相應的電磁閥來驅動液壓或氣動等執(zhí)行元件，來完成機械手按工作目的所要求的各個動作。這種控制系統(tǒng)能很好的嵌入各類的機械機器及工業(yè)生產線上去，能夠實現(xiàn)物料在固定位置的搬運及工件的卸載，實現(xiàn)了生產過程中的自動化。
1.3.3機械手的發(fā)展趨勢
隨著自動化和機械化的發(fā)展，機械手發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在：
（1）重復高精度。重復精度是指動作重復多次，機械手能到達同位置的精準程度。對于某些機械手來說，重復精度甚于精度。
（2）模塊化。模塊化拼裝氣動機械手比組合導向驅動裝置的更具備有靈活的安裝體系。它集成電接口、帶電纜及器官的導向系統(tǒng)裝置，可使機械手更具靈活性。
（3）機電一體化。發(fā)展智能機械手是機械手發(fā)展的重要方向之一。機電一體化的核心思想于發(fā)展電子技術相結合的自適應控制氣動元件，使氣動技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
1.4 機械手的工作原理
機械手是一種生產設備，其主要的功能是為作業(yè)提供所需要的動力，其工作原理是通過控制系統(tǒng)PLC，在編寫的特定的程序控制驅動系統(tǒng)；同時在液壓傳動下驅動各個執(zhí)行機構，并在位置檢測裝置的實時的位置監(jiān)測反饋給控制系統(tǒng)，使機構位置得到相應的調整，進而保證位置精度，從而完成機構相應的部位動作,達到機械手工作的要求。機械手的工作原理如圖1-1所示：
1.5 本機械手的組成
本機械手主要由控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)及執(zhí)行系統(tǒng)、位置檢測裝置等組成。
圖1-1 機械手工作原理圖
1.5.1控制系統(tǒng)
機械手的自由度、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PLC對驅動系統(tǒng)的控制，從而使執(zhí)行機構能按相對規(guī)定位置；當發(fā)生錯誤警報信號時，由位置檢測系統(tǒng)反饋，從而實現(xiàn)精確控制。
1.5.2驅動系統(tǒng)
驅動系統(tǒng)就是為執(zhí)行系統(tǒng)的機構提供所需的動力，使機械手能在控制系統(tǒng)下完成特定的位置動作。
1.5.3執(zhí)行系統(tǒng)
執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人在控制系統(tǒng)及驅動系統(tǒng)共同作用下，在特定位置要求下完成抓取物料，實現(xiàn)各個運動動作，其包括液壓手爪松緊、手腕旋轉、手臂升降、手臂伸縮及底座的旋轉等。
1.5.4位置檢測裝置
位置檢測裝置是指控制執(zhí)行機構運動到達的位置，并隨時將部件實際位置信息反饋給控制系統(tǒng);方便與預設位置進行比較及調正，從而達到特定位置精度要求的一種設定位置的裝置。
1.6 本設計目的及研究內容
1.6.1本設計目的
將機械手、柔性制造單元及柔性制造系統(tǒng)有效結合，從而改變機械制造手工操作的現(xiàn)狀，使生產更自動化及機械化，提高生產率。運用PLC控制，液壓驅動及使用相應的電氣、液壓器件，來實現(xiàn)工件物料自動、手動及單周期運轉的機床上下料、搬運的柔性生產功能。如圖1-2所示：
圖1-2 機械手動作控制及功能簡要示意圖
1.6.2本設計主要研究內容
本設計的題目是四自由度機械手結構設計及其PLC控制，主要研究四自由度的結構設計，關于各個機構的相關計算校核，論證可行性及制定解決方案，制定總的設計方案；在此基礎上設計相關PLC的控制、編寫控制梯形圖、機械手總控制指令表等，達到物料在傳送帶上運送，并在機械手各個動作進行機床上下料，能自動、手動及單周期連續(xù)控制整個工作流程的效果。
2 總方案設計
2.1 設計技術要求
主要用途：自動生線中機床的上下料及搬運。主要參數(shù)：生產綱領：100000件（為兩班制生產）；具有四個自由度；手臂能旋轉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 360o；運動速度預設：生產率達生產綱領的要求；定位方式：設定起止位置；定位精度：±0.3mm；驅動方式：液壓驅動；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 機械手的運動分析
根據(jù)本設計要求，其主要是在PLC控制下，在編寫程序后，物料在傳送帶運輸下，并被機械手運送。其主要動作順序為：機械位于立柱下限位，手臂后限位等待傳送帶運送物料，觸發(fā)光電開關使機械手開始動作:手爪夾緊—手腕旋轉90°—手臂上升—手臂中止—手臂前伸—手腕旋轉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270°—手臂右轉—手臂下降—手爪松開—手腕旋轉0°—手臂左轉至原始位置。運動簡圖如圖2-1所示：
圖2-1 機械手運動簡圖
2.3 方案擬定
2.3.1執(zhí)行機構方案
根據(jù)設計要求，其為四自由度、位置相對固定,需實現(xiàn)手臂升降、手臂伸縮、手臂旋轉、手腕旋轉、手爪夾持等動作。故機械手采用固定的坐標式形式，而坐標式機器人形式有：直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、多關節(jié)型（如圖所示）。而圓柱坐標型在工業(yè)領域中運用最多，其較之結構簡單、工作范圍大、直觀性好、所需空間小，綜和考慮，選擇圓柱坐標型合適本設計要求。
(1)機械手部：
手部是指自接與工件接觸、安裝在機械手末端的機構。手部用途是用于抓取物料，其結構主要有夾持型、吸附型及托持型等。傳力機構通過手指產生的夾緊力來完成放夾工件的動作，常用的傳力機構有：連桿杠桿式、滑槽杠桿式、楔塊杠桿式、內撐連桿式、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，但結構簡單以二指類型的居多。手指通用的運動形式有回轉型和平移型，而回轉型較結構簡單,其應用最普遍。
(2)機械手腕:
手腕是指與手部聯(lián)接及支承部分。手腕用途是調節(jié)手部相對空間方位,以拓展機械手動作范圍，使機械手靈活動作、更具適應性。手腕有獨立自由度，例如：回轉、上下擺動、左右運動。而應用最廣的是回轉液壓缸，其結構簡單緊湊、靈活回轉角小。
(3)機械手臂:
手臂部件是支承腕部及手部重要握持部分，其作用是帶動腕部及手部做相對空間運動。手臂各種運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現(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、動載荷，而且自身運動較多，受力復雜[2]。
（4）機械手機身:
機身是指為機械手提供動力源及安裝支承的支架，其是機械手的基礎，用途是起到支承及連接、協(xié)調各個部件安裝位置的作用。
2.3.2驅動機構方案
驅動機構是機械手重要的組成部分之一，根據(jù)動力提供的不同大概可以分為氣動、液壓、電動及機械傳動。液壓驅動通常由油馬達、伺服閥、油箱油泵等組成。它利用擺動油缸、油馬達與齒輪齒條或鏈輪鏈條等實現(xiàn)回轉運動，利用油缸和齒輪齒條實現(xiàn)直線運動根據(jù)設計參數(shù)的特點，機械手設計選用液壓驅動的方式，其特點是結構簡單，易于維修、速度反應快、控制簡單、傳遞力矩大、控制精度高等。
2.3.3控制方案
機械控制有順序控制、示教方式、示教盒示教、脫機編程或預編程等。結合本設計的要求，本設計的控制采用順序控制，即編寫特定的PLC梯形圖，通過PLC控制液壓相關的器件并結合限位開關，達到位置的控制，從而實現(xiàn)機械手的運動動作。
3 手部設計及計算校核
3.1 機械手部設計要求
(1)具有一定的夾緊力與驅動力，在保證一定夾緊力基礎上，不同機構可以有不同的驅動力。
(2)手爪上的手指應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，更好實現(xiàn)工作要求。
(4)手部應在考慮強度及剛度要求下,盡量達到結構簡單緊湊、體積小、重量輕設計優(yōu)化的效果，以減少手部負荷。
(5)手部應具備機械接口的標準化程度，便于標準化實現(xiàn)，便于安裝與維修，且利于PLC的控制。
3.2 手部設計方案制定
根據(jù)設計參數(shù)及其工作用途，可知其實現(xiàn)夾持物料在機床上下料，并結合皮帶運輸，達到物料從運輸?shù)綑C床上下料及機床加工，到傳送帶運送已加工工件的自動生產線。故搬運手部結構是用來抓取及搬運物料的夾持裝置。通過綜合考慮，本機械手選擇采用二指雙支點回轉類型的、滑槽杠桿式、常開式夾緊裝置。如圖3-1所示：
圖3-1 手爪結構示意圖
1-手指 2-銷軸 3-活塞桿
3.3 手部的設計及計算校核
3.3.1 驅動力及夾緊力的計算
圖3-2 滑槽杠桿手部結構受力圖
(1)手部機構受力分析（如圖3-2）：
在推桿作用下，銷軸有向上拉力F,其通過銷軸中心O處，兩指滑槽對銷軸反作用力F1和F2方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點，交F1和F2延長于A與B處。
由 得F1=F2
得
F1=F1`
由?Mol(F)=0?得F1=NF·h?
分析可知,驅動力一定時，α角增大，則握力增大，故導致拉桿行程過大，手部設計尺寸增大，故α=30°～45°最好。
(2)驅動力計算公式：
（3-1）
式中：F—驅動力；
a— 手指的回轉支點與對稱中心距離；
b— 手指所夾持的有效長度；
FN—手指的夾持力。
由設計參數(shù)可知，手指握力為400N，則設a=50mm,b=100mm,代入公式計算得:
(3)夾緊力計算：
手指對工件夾緊力如公式計算：
（3-2）
式中 —
—
—
VMax—運載
機械手響應時間為0.5s，=1.6,=60mm/s,則夾緊力計算得：
=1+
=0.5
(4)實際所需驅動力，取
3.3.2 確定液壓缸直徑D設計尺寸()p
（3-2）
根據(jù)液壓缸標準參數(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)液壓缸內徑系列表參數(shù)，取液壓缸內徑為D=32mm,根據(jù)機械手裝配關系，其外徑取50mm。
3.4 機械手手爪夾持精度分析及計算
3.4.1手爪夾持精度分析
機械手精度設計需符合設計要求，使工件準確定位，抓取精度合適，重復定位精度高及運動穩(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動情況，而本設計的機械手用途屬于運用在中小型多品種物料夾持。故需對機械手進行夾持誤差分析。如圖3-2：
機械手的夾持范圍為：?65---?100，且夾持誤差為：，
而：
手指長度為L=100mm,V型夾角為2θ=。
3.4.2手爪夾持精度計算
偏轉角：
平均理論半徑的計算：
因為＞＞
（3-3）
（3-4）
所以，故夾持誤差滿足設計要求。
4 手腕設計及其計算校核
4.1 手腕設計要求
（1）結構簡單緊湊、重量輕；腕部結構、重量及動力載荷都對臂部結構、運轉性能都有著影響。
（2）結構力學考慮、合理布局。在保證腕部強度及剛度基礎上，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，保證機械手正常運轉。
4.2 手腕設計方案的制定
根據(jù)本設計要求，本機械手腕部存在一個回轉自由度；腕部結構有四種形式：
1、回轉缸驅動腕部結構，2、齒條活塞驅動腕部結構，3、機-液結合的部結構，4、齒條活塞式結構。而本設計要求有一個回轉自由度，綜合考慮得，選擇第一種形式，其優(yōu)點是能直接使用回轉缸驅動實現(xiàn)腕部的回轉運動，具有結構簡單靈巧等特點。
4.3 腕部轉動所需動力矩計算
4.3.1驅動力矩計算
（4-1） (1)為其轉動產生的慣性力矩，為其轉動加速度，為其轉動過程的時
為其轉過的角度。
（4-2）
或
式中：—;
—。
(2) 腕部轉動時其與工件的偏重在軸線處產生偏重力矩，因手抓持在工件中間處，則e=0,得：
（4-3）
(3) 腕部轉動軸在載軸處的摩擦阻力矩為，則：
（4-4）
(4) 回轉缸的動片與缸徑、端蓋及定片等在密封處產生的摩擦助力矩，則與物料的選擇有關。
假設圓型物料的直徑取100mm,長度取500mm,重量為30Kg,則當手部夾持工件中間處時并回轉時，其與手爪驅動及回轉液壓缸可等效為一個圓柱體，長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設計尺寸
表4-1 液壓缸的內徑系列（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)
油缸內徑
40
50
63
80
90
100
110
125
140
150
160
180
200
20號鋼，P〈16
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
45號鋼，P〈20
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
設定腕部的尺寸：根據(jù)表4-1可設缸體內壁所需的半徑R=63mm,外經按中等的壁厚來選取，則選取76mm,動片寬度，輸出軸。則回轉缸的工作壓力為：
，故。 （4-6）
4.5端蓋連接方式強度計算
根據(jù)液壓缸蓋與螺釘?shù)墓ぷ鲏毫﹃P系，缸蓋上螺釘?shù)拈g距應小于100mm,則試選擇螺釘數(shù)量為8個，根據(jù)πD/4=49.45≤100，故滿足設計的要求。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 動片與輸出軸連接螺釘計算
動片與輸出軸間保證動片和輸出軸形成緊密配合，且其連接為對稱偶數(shù)的安裝，并用兩個定位銷來定位。于是根據(jù)動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 手臂設計及計算校核
5.1 機械手手臂的設計要求
（1）臂部因伸縮過長，應保證其剛度及強度，承載能力、控制重量；
（2）臂部運動速度要快速，且慣性沖擊要相對的小；
（3）減少臂部部件間的運動摩擦阻力，保證手臂結構簡單緊湊；
（4）設置導向支承裝置，使手爪運動精準，傳動及導向性精確。
5.2 手臂設計方案的制定
本設計的手臂按工作要求，應要實現(xiàn)伸縮、回轉及升降這三個運動，而回轉及升降運動則由機身來實現(xiàn)。
手臂伸縮機構常見的有：1、雙導桿手臂伸縮機構；2、雙層油缸空心結構；3、雙活塞桿液壓結構；4、活塞桿及齒輪齒條結構；5、雙活塞伸縮油缸結構。根據(jù)設計要求，手臂需進行較大范圍的伸縮，且其為直線運動。因此，選雙活塞伸縮缸結構，其可實現(xiàn)雙活塞運動，行程范圍較大。其結構如圖5-1所示：
圖5-1 雙活塞伸縮油缸結構示意圖
1.油缸體 2.活塞套 3.活塞桿
5.3 手臂設計及計算校核
5.3.1手臂驅動力的計算
手臂部件中的液壓缸做伸縮直線水平運動時，需克服運動中的摩擦、慣性等方面的阻力。具體情況是：當壓力油輸入到工作腔中，驅動手臂伸出，在克服伸出的慣性力下，同時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 手臂驅動受力分析示意圖
手臂液壓缸活塞的驅動力計算如：
（5-1）
(1)摩擦力的計算：
由 （5-2）
式中：—
—
—；
—當支撐桿選取鑄鐵，則導向桿為鋼，摩擦系數(shù)取0.25，則=1.5×0.25=0.375。工件的總重量估計為1200N，L=656mm,a=160mm,代入公式得：
(2)密封裝置處的的計算：
本設計的密封圈采用O型，而當液壓缸工作的壓力小于10Mpa時，其總摩擦阻力近似：
(5-3)
(3)慣性力計算：
（5-4）
式中：G總—
Dn—
Dt—0.01~0.5。
根據(jù)預定的機械手運動參數(shù)，可知臂部的運動速度220mm/s,即Dn=220mm/s,而Dt=0.2，G=1700N,則代入公式得：
(4) 回轉慣性阻力計算：
因為本機械手臂處涉及到直線伸縮運動，由于較小背壓阻力，故其回轉慣性可?。?
（5-5）
結合以上的計算得：
5.4 手臂液壓缸的工作壓力及結構設計
5.4.1確定液壓缸工作壓力
根據(jù)以上公式計算，確定了液壓缸基本驅動力F驅=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
液壓缸內徑計算，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活塞桿的計算及校核
活塞桿尺寸需符合活塞運動及強度的要求，且對于桿長L大于直徑d(15倍以上的），按拉、壓的強度來計算：
(5-9）
設計中的活塞材料采用碳鋼，且碳鋼許用應力為[]=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
對活塞桿進行穩(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
按中長桿進行穩(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)，與材料性質有關，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計算液壓缸缸筒長度
液壓缸缸筒長度計算：
L=J+B+A+M+C (5-13)
5.4.5端蓋連接方式強度計算
（1）缸體材料選取無縫鋼，端蓋多采用半環(huán)鏈，易于加工和裝卸；但缺點是缸體開環(huán)會削弱強度。
（2）缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
根據(jù)液壓缸蓋與螺釘?shù)墓ぷ鲏毫﹃P系，缸蓋上螺釘?shù)拈g距應小于150mm,則選擇螺釘數(shù)量為4個，根據(jù)πD/4=62.8≤150，輸出軸r=30mm,故滿足設計的要求。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 機身設計及其計算校核
6.1 機械手機身的設計要求
(1)安裝一個機身回轉關節(jié)可保證機身精度及剛度；
(2)應保證機身具有合適的安裝基面，確保機械手工作穩(wěn)定性；
(3)機身與手臂的聯(lián)結處要有可靠的定位基準面，確保各個部件關節(jié)的位置精度，且機身整體設計需符合安裝及調整的要求。
6.2 機身的設計方案制定
根據(jù)設計參數(shù)可知，機身設計與手臂設計關聯(lián)性，確定選用活塞油缸結構能使機械手完成直線運動。而手臂升降運動則由安裝于機身上的花鍵軸套導向升降結構來實現(xiàn)。它的特點是具有剛度大、活塞桿的直徑大及傳動平穩(wěn)。
當升降缸上下運動時，上下兩腔通液壓油，同時活塞桿做升降運動，而花鍵軸套與花鍵軸進行導向作用。
實現(xiàn)手臂回轉運動的機構繁多，常用的有：齒輪傳動機構、連桿機構、鏈輪式傳動機構、葉片式回轉缸等。本設計取葉片回轉缸使手臂回轉運動，而回轉缸位于升降缸上，則靠手臂部件與回轉缸上端蓋連接，回轉缸動片則與缸體連接，由缸體帶動手臂實現(xiàn)回轉運動。
具體結構如圖6-1所示：
圖6-1 回轉缸置于升降缸的機身立柱結構示意圖
6.3 機身的設計及計算校核
如圖所示，可知臂上升運動是靠油壓作用于活塞上的推力來實現(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，故升降時手臂計算為：
(6-1)
G總—升降時，機械手及物料的總重量，而負號是用于手臂下降情況。其它公式符號同（5-1）。
(1)總重量的估算：
(2)計算中心與回轉軸線之間的距離：
所以 (6-2)
(3)摩擦力的計算：
(6-3)
故
(4)慣性力的計算：
而G總=1700N，，
由(5-4)公式：
(5)密封裝置的摩擦阻力計算:
本設計采用的升降結構是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，。
把各個參數(shù)代入公式：
6.5 升降液壓缸的工作壓力及結構設計
6.5.1液壓缸工作壓力的確定
根據(jù)驅動力查表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
由液壓缸的計算直徑的公式，且已知驅動力，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)，則可選標準液壓內徑系列，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計原則，據(jù)表4-2（JB1068-67）可知，其可取133mm.
6.5.4活塞桿的計算校核
活塞桿尺寸設計要符合活塞運動和剛度及強度要求，其計算公式同上，則可計算得：活塞直徑為36mm。
6.5.5 液壓缸缸筒長度的確定
其長度計算公式同上，已知J=500mm,C=60mm,D=80mm,則代入計算可得L=776mm。
6.5.6缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
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距應小與150mm,取螺釘數(shù)為4個，又因為D=80mm,可由公式計算得：
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算
手臂在總重量作用的情況下有向下傾斜趨勢.但導套阻止手臂的這種趨勢，故不自鎖條件的要求是升降立柱能夠在導套內自由下滑，需滿足：
h>2|r (6-5)
式中：|—摩擦系數(shù)，一般鋼對于鑄鐵的滑動摩擦系數(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r=0.685m，|=0.16時，h>0.2224m，故立柱導套須大于222.4mm。
6.7 回轉機構的工作壓力及計算
本設計采用回轉液缸結構，手臂驅動時產生的力矩與手臂起動時產生的慣性力矩、及各個密封裝置產生的摩擦阻力矩相平衡。假若軸承處的摩擦力矩忽略不計時，則驅動力矩的計算如下：
（6-6）
式中：
而計算：
（6-7）
式中：
（6-8）
（6-9）
式中：
回轉的部件可等效為一個直徑為100mm,長度為1500mm的圓柱體，總重量為165Kg.設置旋轉起動角度w=180°，而起動角速度為Dw =0.314rad/s，啟動時間設計為0.2s.代入公式得：
而為了計算簡便，密封處摩擦阻力矩?。?
由于回背阻力很小，故忽略不計，即：
所以
6.8 回轉缸尺寸的確定
6.8.1回轉缸油腔內徑計算
（6-10）
式中：
初步設計按
動片寬度，可按
設計回轉缸動片寬b=60mm,工作壓力取6MPa,d=50mm,則：
根據(jù)表可選取液壓缸內徑為90mm，其按壁厚的設計要求取中等壁厚，其外徑取108mm。
6.8.2回轉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