目录一、确定机械手设计方案 (3)1.1、机械手基本形式和自由度数的选择 (3)1.2、机械手手部夹紧结构方案设计 (4)1.3、机械手的手臂（水平方向和垂直方向）结构方案设计 (4)1.4、机械手的腰座结构方案设计 (4)二、部分执行机构的理论分析和设计计算 (5)2.1、手爪执行机构的分析计算及相关尺寸的确定 (5)2.1.1、手抓的力学分析 (5)2.1.2、手爪夹紧力和驱动力的的计算 (7)2.1.3、液压缸主要参数的确定 (8)2.2、水平手臂的设计和计算 (10)2.3、机身升降机构的计算 (11)2.3.1、手臂偏重力矩的计算 (11)2.3.2、升降不自锁条件分析计算 (12)2.3.3、手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算以及相关尺寸的确定 (13)2.4、驱动回转轴回转的电机选型有关参数计算 (15)2.4.1、有关参数的计算 (15)2.4.2、电机型号的选择 (16)2.5、液压传动系统设计 (17)2.5.1、确定液压系统基本方案 (17)2.5.2、拟定液压执行元件运动控制回路 (17)2.5.3、液压源系统的设计 (17)2.5.4、绘制液压系统图 (18)三、机械手控制系统的硬件设计 (18)3.1、机械手工艺过程与控制要求 (18)3.2、机械手的作业流程 (18)3.3、机械手操作面板布置 (19)3.4、控制器的选型 (19)3.5、控制系统原理分析 (20)3.6、I/O地址分配 (20)3.7、PLC原理接线图 (21)四、参考文献 (21)一、确定机械手设计方案1.1、机械手基本形式和自由度数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。
因为设计要求搬运的棒料的质量达40KG，且直径达160MM，长度大约为250MM，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。
该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,考虑到2流水线之间的距离仅为300MM，只需将手臂设计到足够长度，便可省略手臂伸缩这个自由度，因此综合考虑，机械手的坐标形式选择圆柱坐标形式，自由度取为3个，即：手抓张合；手臂回转；手臂升降3个主要运动。
图1.1 是机械手搬运物品示意图。
图中机械手的任务是将送流水线1的棒料搬运到流水线2上。
图1.1 机械手搬运物品示意图1.2、机械手手部夹紧结构方案设计本机械手是用来搬运圆柱形棒料，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，并使用液压柱塞缸驱动，当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。
手部具体结构图见附图——执行手爪结构图。
1.3、机械手的手臂（水平方向和垂直方向）结构方案设计本机械手的垂直手臂（大臂）升降为直线运动，水平手臂（小臂）固定在垂直手臂上，不做任何相对垂直手臂的运动。
直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。
考虑到搬运棒料的重量较大，达40KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。
综合考虑，垂直手臂的驱动选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了。
因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。
因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。
同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的水平手臂的结构不能太大，应在不明显增加总体重量的前提下，合理设计水平手臂的结构，尽量增加其刚度；另外，垂直方向的大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。
通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。
1.4、机械手的腰座结构方案设计腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，本设计采用前者。
因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。
考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。
一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。
因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。
腰座具体结构如图2-3所示：图1.2 腰座结构图二、部分执行机构的理论分析和设计计算、手爪执行机构的分析计算及相关尺寸的确定 2.1.1、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2.1（a ）为常见的滑槽杠杆式手部结构。
αααααα(a) (b)图2.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析1——手指 2——销轴 3——杠杆(活塞杆)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x F ∑=0 得 12F F =由 y F ∑=0 得 12cos F F α=而 '11F F =-由01M ∑()F =0 得'1N F F =hcos a h α= ∴ F 22cos N b F 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=030040。
2.1.2、 手爪夹紧力和驱动力的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；max v 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0.030.5s3K ——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2-1 液压缸的工作压力 1 30000 4.0 100002.0 50000 5.0 10000200002.53.0 以上 8.0计算：设a=115mm,b=180mm,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 3 1.03K =根据公式，将已知条件带入：∴ N F =1.5⨯1.02 1.03409.8617.8N N ⨯⨯⨯=（2）根据驱动力公式得： ()202180cos30617.8115F ⨯=⨯计算=1450N （3）取0.85η=则 145017060.85F F N η===计算实际2.1.3、液压缸主要参数的确定（1）确定液压缸的内径D 和活塞杆直径d ()224F D d p π=-实际选取活塞杆直径d=0.5D,根据表3-1选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa,∴60.12mm == 表2-2 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm ）根据表2-2，选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆直径为:D=63⨯0.5=31.5mm ，选取d=32mm 。
活塞杆直径校核，按公式[]σπ≤24/d F t 其中[]σ=120MPa, F t =F 实际=1706N则: 3217061.5120(3210)4MPa MPa σπ-==<<⨯⨯，满足设计要求。
(2).确定液压缸缸筒壁厚缸筒直接承受液压油压力，必须有一定厚度。
一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:[]0.1/2p D DP δσ>=>=式中: δ—— 缸筒壁厚 mmD ——液压缸内径 mmP p ——实验压力，取P p =1.5P n材料为 : 45钢,[p σ] = /350/3116s p s σ== Mpa代入己知数据，则壁厚为:[]/2p P DP δσ>==()6663 1.50.810/211610⨯⨯⨯⨯⨯= 0.3mm取δ=6.5 mm 即可满足强度要求，则缸筒外径为:D=63+6.5⨯2 =76mm 。
（3）、确定液压缸长度L 液压缸的长度L 应根据所需最大工作行程长度而定，液压缸的行程系列可查表2-3，同时要注意考虑制造工艺的可能性。
液压缸的长度L 一般不大于缸筒内径的20倍。
表2-3液压缸行程系列（mm ）10 16 20 25 32 40 50 60 (70) 80(90) 100 (110) 125 (140) 160 (180) 200 (220) 250(280) 320 (360) 400 (450) 500 (560) 630 (710) 800(900) 1000 (1120) 1250 (1400) 1600 (1800) 2000 (2240) 2500最大工作行程长度为67mm ，故根据表2-3取L=80m m 。
综上，手爪执行柱塞缸的参数确定如下表所示：表2-4手爪执行柱塞缸参数 缸内径D mm 壁厚δ （mm ） 活塞杆直径mm 缸筒长L（mm ）工作压力P （MPa ） 6313.5 32 80 0.8~12..2、水平手臂的设计和计算水平手臂的总长度应该满足整个系统水平方向的平衡（即不会倾覆）要求，因此本设计结合机械手的整体尺寸确定手臂总长为650mm ，与执行手爪机构连结的部分的长度为235mm ，该长度范围内手臂的横截面为如图的矩形，剩余部分为直径90mm 的圆柱，与手臂联接座配合，以固定手臂。