畢業論文-基于plc控制的球坐標機械手設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 2 21 1 1 4 0 2 2 0 1 0 0 0 . 3 4 1 . 8 13 3 9 . 8J m l N m s????? ? ? ? ? ? ????? 2 2 21 1 1 5 0 1 5 00 . 0 2 5 0 . 4 8 3 . 5 32 9 . 8 9 . 8J N m s? ? ? ? ? ? ? ? 那么 ? ? 21 . 9 6 31 . 8 1 3 . 5 3 6 5 . 50 . 1 5 7M N m? ? ? ? ?慣 合肥工業大學畢業設計論文集 15 、摩擦阻力矩 M摩 的計算 ? 驅摩 (212) 三、偏重力矩 M偏 的計算 M偏 =0 解得 N m??驅 根據表選擇液壓缸內徑 60D mm? ，輸出軸直徑為 25d mm? ，動片寬度為50b mm? ，那么回轉缸工作壓力為 ? ?222MP b R r? ? (213) 式中 R—— 缸體內壁半徑（ m） r—— 輸出軸半徑（ m） b—— 動片寬度（ m） 解得 ? ? ? ?2 2 2 22 2 7 2 . 8 4 . 30 . 0 5 0 . 0 3 0 . 0 1 5MP M p ab R r ?? ? ?? ? ? 基于 PLC 控制的球坐標機械手設計 16 第四章 臂部的設計計算 臂部是機械手的主要執行。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括 3 個運動：。 臂部運動的目的是把手部送到空間運動范圍內的任意一點。如果改變手部的姿態 (方位 )則由腕部的自由度實現 。因而機械手的臂部一般具有三個自由度才能滿足基本要求 :即手部的伸縮 回轉和俯仰運動。臂部的各種運動通常用驅動機構(油缸或氣缸 )和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況看，他在工作中既直接承受腕部 手部和工件的靜 動載荷，而且自身運動又較多，因而它的結構和工作范圍靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機械手的工作性能。 臂部設計的基本要求 、臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 1根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。 2提高支撐剛度和合理選擇支撐間的距離。 3合理布置作用力的位置和方向。 4盡可能使結構簡單化 5水平放置的手臂，應該增加導向桿的剛度 6提高活塞和缸體內徑配合精度，以提高手臂伸縮時的剛度。 、臂部要運動速度高，慣性小 機械手手部的運動速度是機械手的主要參數之一，它反映機械手的生產水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在 1000 ~ 1500mm s,最大回轉角速度設計在 180s? 內，在大部分行程上平均移動速度為回轉角速度在1000mms 。平均回轉速度為 90/s? 在速度和回轉角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣性沖擊的措施有： 減少臂部運動件的重量，采用鋁合金等輕質高強度材料 減少臂部運動件的輪廓尺寸 合肥工業大學畢業設計論文集 17 減少回轉半徑 P，在安排機械手運動順序時，先縮回回轉 (或先回轉后伸 )， 盡可能在較小的前伸位置下進行回轉動作 驅動系統中設有緩沖裝置。 、臂部動作 應靈活 為減少臂部運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式機械手，其傳動件、導向件和定位件布置應合理，使臂部運動盡可能保持平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發生機構卡死（自鎖現象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。 四、 位置精度要高。 手臂的典型機構以及結構的選擇 、典型的臂部運動結構 臂部的典型運動的形式有：直線運動，如臂部的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如臂部的左右擺動，上下擺動；復合運動，如直線運動和回轉運動，兩直線運動的組合，兩回轉運 動的組合等。 、部作直線運動的結構 雙導向桿手臂伸縮結構 雙層油缸空心活塞桿單桿導向結構 采用花鍵套導向的手臂升降結構 雙活塞伸縮油缸結構 、臂部作直線運動的結構 回轉缸置于升降缸之下的機身結構。這種結構優點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大 回轉缸置于升降缸之上的機身結構。這種結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。 活塞桿和齒條齒輪結構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來 實現：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。 、臂部做俯仰運動的結構 基于 PLC 控制的球坐標機械手設計 18 俯仰運動大多采用擺動式直線缸驅動，而回轉運動大多采用回轉缸或齒條缸來實現。 通過以上，綜合考慮，本設計的伸縮運動選擇單花鍵軸導向的伸縮機構 ,俯仰運動選擇擺動式直線缸驅動，回轉運動選擇回轉液壓缸驅動。 手臂直線運動的驅動力計算 通常先進行粗略的估算，或類比同類型的結構，根據運動參數初步確定有關機構的主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。如此反復數次，繪出最終的結構。 根據液壓缸運動時所克服的負載、 摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定液壓缸所需要的驅動力。液壓缸活塞的驅動力的計算為 P P P P P? ? ? ?回摩 密 慣 (214) 式中 P摩 —— 摩擦阻力（ N） .臂部運動時，運動件表面間的摩擦力。 P密 —— 密封裝置處的摩擦阻力（ N） P回 —— 油缸回油腔低壓油造成的阻力，一般背壓阻力較小，可取?回 P慣 —— 臂部啟動或制動時活塞桿上受到的平均慣性力（ N） 、手臂摩擦力的分析與計算 0 39。sQ Q QF F F?? (215) 計算如下： 本機械手采用花鍵軸導向，在活塞桿與花鍵軸接觸處采用花鍵軸套，如圖中所示。 根據受力平衡，有 0AM ?? bG L R a??總 得 b GLR a? 總 合肥工業大學畢業設計論文集 19 baG F F??總 (216) 得 a LaRG a???? ????總 39。39。a b a bR R R R R??? ? ? ?摩 摩摩 (217) 39。 2 LaRG a? ????? ????總摩 (218) 式中 G總 — — 參與運動的零部件的總重力（包含被抓去的工件）（ N）； L—— 臂部參與運動的零部件的總重心到導向支撐前端的距離（ m） ； a—— 導向支撐的長度（ m） 。 39。? —— 當量摩擦系數，其值與導向支撐的截面形狀有關。 對于圓柱面： ? ?39。 4 ~ 1 .2 7 ~ 1 .5 72?? ? ????? ? ????? (219) ? —— 摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取 ~ ?? 鋼對鑄鐵：取 ~ ?? 計算： 導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇青銅 39。 0 .1 2 1 .5 0 .1 8? ? ? ? ， 1450GN?總 ，L=540mm,花鍵軸套 a=60mm 將有關數據代入進行計算 39。 2 2 0 . 5 4 0 . 0 61 4 5 0 0 . 1 8 4 9 5 90 . 0 6LaP G Na? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?總摩 (220) 、手臂慣性力的計算 本設計要求手臂平動是 V= /ms,設置啟動時間 ?? GvP gt?? ?總慣 (221) 基于 PLC 控制的球坐標機械手設計 20 解得 GvPgt?? ?總慣 1 4 5 0 0 .1 5 / 1859 .8 0 .1 2N m s NN K g s???? 、密封裝置的摩擦阻力 密封圈的形式有 O 型密封圈， Y 型密封圈， V 型密封圈。不同的密封圈，其摩擦阻力是不同的。在手臂設計中，采用 O型密封，當液壓缸工作壓力小于 10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： ?封。 經過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅動力： =5591NP P P P? ? ?摩 慣 (222) 確定液壓缸工作壓力和結構 經過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力 F=5591N，根據表 的工作壓力 P=2Mpa,機械效率 ?? 、確定液壓缸的結構尺寸 液壓缸內徑的計算，如下圖所示 圖 41 液壓缸受力示意 當油進入無桿腔， 211 4DP P p ???? ? ? (223) 當油進入有桿腔中， 合肥工業大學畢業設計論文集 21 ? ?2222 4DdP P p ????? ? ? (224) 液壓缸的有效面積： 1PF p? ? ?2mm (225) 故有114 1 .1 3PPD pp? ? ??? （無桿腔） (226) 214PDdp????? （有桿腔） (227) 式中 P—— 活塞的驅動力（ N） 1p —— 油缸的工作壓力（ Mpa） d—— 活塞桿直徑（ mm） D—— 油缸內徑（ mm） ? —— 機械效率，在工程機械中用耐用膠可取 ? = F=5591N， 1p = 62 10 pa? ，選擇機械效率 ? ? 將有關數據代入： 2214 4 5 5 9 1 7 0 8 6 1 0 9 0 . 50 . 9 6 2PD d m mp? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? (228) 根據表 31，選擇標準液壓缸內徑系列，選擇 D=100mm. 液壓缸外徑的設計 根據裝配等因 素，考慮到液壓缸的臂厚在 15mm，所以該液壓缸的外徑為130mm. 活塞桿的設計計算 ①按強度條件決定活塞桿直徑 按直桿拉 壓強度計算： ? ?24Pd????? (229) 基于 PLC 控制的球坐標機械手設計 22 即 ? ?4Pd??? (mm) (230) 式中 P—— 活塞桿所受的總載荷（ N） ,即活塞的驅動力 ??? —— 活塞桿材料的許用應力 (Mpa): ? ? bn?? ?,其中 b? 為活塞桿的抗拉強度， n為安全系數，一般取 ? ；碳鋼取 ? ? 1 0 0 ~ 1 2 0b MP a? ? 現取 ? ? 100b MPa? ? 計算解得 4 5 5 9 1 7 1 8 . 4 3100d m m??? ? ?? 由于采用花鍵軸在活塞桿內部進行導向，會使活塞桿的結構變大，因此根據實際情況并參照表 41，選擇活塞桿直徑 d=70mm 表 41 活塞桿直徑系列（ GB/T234893）（ mm） 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 ②活塞桿的計算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長 L大于直徑 d的 15倍以上，按拉 、壓強度計算： ? ?24Fd????? (231) 因為活塞桿不滿足 15ld? 的條件，所以不必對活塞桿進行