机电一体化系统设计课程设计说明书设计题目：多自由度机械手机电系统设计学院：专业年级：一、总体方案设计 (3)1.1 设计任务 (3)1.2 总体方案确定 (3)1.2.1机械手基本形式的选择 (3)1.2.2机械手的主要部件及运动 (3)1.2.3驱动机构的选择 (3)1.2.4 机械手的技术参数列表 (3)二、机械系统设计 (4)2.1机械手手部的设计计算 (4)2.1 .1手部设计基本要求 (4)2.1.2 典型的手部结构 (4)2.1.3机械手手抓的设计计算 (4)2.1.4.机械手手抓夹持精度的分析计算 (8)2.1.5弹簧的设计计算 (9)2.2腕部的设计计算 (11)2.2.1 腕部设计的基本要求 (11)2.2.2典型的腕部结构 (12)2.2.3 腕部结构和驱动机构的选择 (12)2.2.4 腕部的设计计算 (12)2.3臂部的设计及有关计算 (15)2.3.1 臂部设计的基本要求 (15)2.3.2 手臂的典型机构以及结构的选择 (16)2.3.3 液压缸工作压力和结构的确定 (18)2.4机身的设计计算 (19)2.4.1 机身的整体设计 (19)2.4.2 机身回转机构的设计计算 (20)2.4.3 机身升降机构的计算 (23)2.4.4 轴承的选择分析 (25)三、控制系统硬件电路设计 (25)3.1可编程序控器的简介 (25)3.2 PLC的结构，种类和分类 (26)3.3 FX2n系列三菱PLC特点 (27)3.4 接近开关传感器 (28)3.5 I/O接口简介 (29)3.6 行程开关的介绍 (29)3.6.1 行程开关的概念 (29)3.6.2 行程开关的作用及原理 (29)3.7电路的总体设计 (30)3.7.1回路的设计 (30)3.7.2 系统输入/输出分布表 (31)3.7.3机械手的程序设计 (32)3.7.4 步进电机的运行控制 (32)四、参考文献 (33)一、总体方案设计1.1 设计任务基本要求:设计一个多自由度机械手（至少要有三个自由度）将最大重量为30Kg的工件，由车间的一条流水线搬到别一条线上；二条流水线的距离为：1800mm；工作节拍为：50s；工件：最大直径为200mm 的棒料；1.2 总体方案确定1.2.1机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。

其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标。

图 1.1 是机械手搬运物品示意图。

图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。

图1.1 机械手基本形式示意1.2.2机械手的主要部件及运动在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有5个自由度既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降5个主要运动。

本设计机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。

（2）腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动1.2m 。

（4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。

1.2.3驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。

根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。

采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。

因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。

1.2.4 机械手的技术参数列表一、用途：搬运:用于传送带间搬运二、设计技术参数:1、抓重:30Kg (夹持式手部)2、自由度数:5个自由度3、座标型式:圆柱座标4、最大工作半径:1800mm5、手臂最大中心高:1248mm6、手臂运动参数伸缩行程：1200mm伸缩速度：83mm/s升降行程：300mm升降速度：67mm/s回转范围：0~180°7、手腕运动参数回转范围：0~180°二、机械系统设计2.1机械手手部的设计计算2.1 .1手部设计基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。

应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。

（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）∆γ，以便于抓取工件。

（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。

（4）应保证手抓的夹持精度。

2.1.2 典型的手部结构（1）回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。

（2）移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。

（3）平面平移型。

2.1.3机械手手抓的设计计算1.选择手抓的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角γ∆=060，夹取重量为30Kg。

常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。

吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。

本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。

平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。

若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。

显然是不合适的，因此不选择这种类型。

通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。

夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。

2 .手抓的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3.1（a ）为常见的滑槽杠杆式手部结构。

(a) (b)图3.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1——手指 2——销轴 3——杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F ，并通过销轴中心O 点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F 1和F 2，其力的方向垂直于滑槽的中心线1oo 和2oo 并指向o 点，交1F 和2F 的延长线于A 及B 。

由xF∑=0 得 12F F =yF∑=0 得12cos FF α='11F F =- 由01M ∑()F =0 得'1N FF =hcos ah α=F=2cos N bF aα （3.1） 式中 a ——手指的回转支点到对称中心的距离（mm ）.α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。

由分析可知，当驱动力F 一定时，α角增大，则握力N F 也随之增大，但α角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好α=030~040。

3.夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。

必须对大小、方向和作用点进行分析计算。

一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。

手指对工件的夹紧力可按公式计算： 123N F K K K G ≥ （3.2） 式中 1K ——安全系数，通常1.2~2.0；2k ——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。

可近似按下式估21b K a=+其中a ，重力方向的最大上升加速度；maxv a t =响max v ——运载时工件最大上升速度t 响——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03~0.5s3K ——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。

G ——被抓取工件所受重力（N ）。

表3-1 液压缸的工作压力计算：设a=100mm,b=50mm,010<α<040;机械手达到最高响应时间为0.5s ，求夹紧力N F 和驱动力F 和 驱动液压缸的尺寸。

(1) 设1 1.5K =21b K a =+ =0.10.519.8+=1.02 30.5K = 根据公式，将已知条件带入：∴ N F =1.5⨯1.020.5588449.8N N ⨯⨯=（2）根据驱动力公式得： ()202100cos30449.850F ⨯=⨯计算=1378N（3）取0.85η=137816210.85F F N η===计算实际（4）确定液压缸的直径D()224F D d p π=-实际选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8~1MPa,∴0.587==根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm 则活塞杆内径为:D=63⨯0.5=31.5mm ，选取d=32mm4. 手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为060，活塞杆运动长度为34mm 。

手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，根据机构设计，它的最小夹持半径1R 40=，当张开060时，如图3.2（b ）所示，最大夹持半径2R 计算如下：0021003040cos3090R tg =⨯+≈∴机械手的夹持半径从40~90mm图3.2 手抓张开示意图2.1.4.机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足力。

够的抓取能[]12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。

特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。

机械手的夹持范围为80mm ~200mm 。

一般夹持误差不超过1mm,分析如下： 工件的平均半径：90402cp R +=65mm = 手指长100l mm =,取V 型夹角02120θ=偏转角β按最佳偏转角确定：11060cos cos 46sin 100sin 60CP R l βθ--===⨯计算 0sin cos 100R l θβ==⨯00sin 60cos 4660.15= 当0R MAX MIN R R ≥≥S 时带入有：20.678l ⎛=+= ⎝夹持误差满足设计要求。

2.1.5弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。

如图3.4所示，计算[]13过程如下。

图3.4 圆柱螺旋弹簧的几何参数(1).选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力[]800MPa τ= (2).选择旋绕比C=8，则410.615446C K C -≈+- （3.3） 410.615446C K C -≈+-()()4810.6151.1834846⨯-=+=⨯- (3).根据安装空间选择弹簧中径D=42mm ，估算弹簧丝直径42 5.258D d mm C ===(4).试算弹簧丝直径'd ≥（3.4）'d≥7mm ==(5). 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数：38MAX MAX Gdn F C λ=（3.5）38MAX MAX Gdn F C λ=6380000100.007 2.86816218⨯⨯==⨯⨯ 选择标准为3n =，弹簧的总圈数1 1.53 1.5 4.5n n =+=+=圈 (6).最后确定42D mm=，7d mm=，142735D D d mm =-=-=，242752D D d mm =+=+=(7).对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。