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四自由度机械手臂的结构及控制系统设计 摘要 随着工业快速发展，机械手在机械加工制造、装配及包装等自动生产线上得到普遍应用。机械手是一种能模仿实现人手部分功能，并能按编写程序进行搬运物料或抓取工件、操作工具等的装置；其对推动工业自动化生产发展起着重要作用。 本设计的机械手主要用于配合机床床上下料、搬运等用途；其采用液压驱动、PLC控制、圆柱坐标结构,具有四个自由度，其可分别实现抓取传送带的物料及手腕旋转、手臂旋转、手臂升降及伸缩等功能。本机械手涉及到机械手结构设计、机械手动作的PLC控制设计。结构部分：手爪选用滑槽杠杆驱动机构的二指回转型;手腕及手臂选用回转缸驱动实现回转功能；手臂伸缩和机身升降是通过采用导向杆导向及花键轴导向，确保机械手运动精度；将回转缸置于机身立柱的升降缸上，使结构更紧凑。控制部分：根据机械手的用途，通过编写特定的PLC梯形图程序，实现机械手自动、手动及单周期运转的功能。 本文的设计重点是机械手各个部分液压缸结构尺寸的计算，确定其主要的技术参数；根据本机械手用途，设计特定的PLC梯形图，实现机械手自动、手动及单周期运转功能。并绘制零件设计图、CAD装配图、液压原理图、PLC相关程序。 关键词：机械手；液压驱动；结构设计；PLC控制设计 Structure a
nd Co
ntrol System Desig
n of Four-DOF Arm Abstract With the rapid i
ndustrial developme
nt, ma
nipulator i
n machi
nery ma
nufacturi
ng, assembly a
nd packagi
ng such as the widely used o
n the automatic productio
n li
ne. Ma
nipulator is a ki
nd of ca
n imitate people part fu
nctio
ns, a
nd ca
n accordi
ng to writte
n procedure for ha
ndli
ng materials or grab workpiece, operati
ng tools of device; It play a
n importa
nt role to promote the developme
nt of i
ndustrial automatio
n productio
n. The desig
n of the ma
nipulator is mai
nly used i
n matchi
ng machi
ne tool bed up-dow
n material, ha
ndli
ng purposes; The PLC co
ntrol, hydraulic drive, cyli
ndrical coordi
nates structure, has four degrees of freedom, the materials ca
n be realized respectively the scrapi
ng of the co
nveyor belt a
nd wrist rotatio
n, rotati
ng, lifti
ng a
nd telescopic arm, a
nd other fu
nctio
ns. This i
nvolves the ma
nipulator structure desig
n, mecha
nical moveme
nt of ma
nipulator PLC co
ntrol desig
n. Structural parts: ha
nd claw choose chute lever is held back to drive mecha
nism tra
nsformatio
n; Wrist a
nd arm choose rotary cyli
nder drive
n rotary fu
nctio
ns; Arm scali
ng a
nd fuselage lift is by mea
ns of guide bar a
nd spli
ne shaft guida
nce, to e
nsure that the ma
nipulator moveme
nt accuracy; Puts the rotary cyli
nder fuselage pillar lift cyli
nder, make the structure more compact. Co
ntrol part: accordi
ng to the purpose of the ma
nipulator, by writi
ng specific ladder diagram procedure of PLC, realize the ma
nipulator automatic, ma
nual a
nd the fu
nctio
n of the si
ngle cycle operatio
n. This article focuses o
n the desig
n of the ma
nipulator parts hydraulic cyli
nder structure size calculatio
n, determi
ne the mai
n tech
nical parameters; Specific purposes, accordi
ng to the ma
nipulator desig
n of PLC ladder diagram, realize the ma
nipulator automatic, ma
nual a
nd si
ngle cycle operatio
n fu
nctio
n. A
nd draw parts desig
n, CAD assembly, hydraulic pri
nciple diagram, three-dime
nsio
nal modeli
ng, simulatio
n a
nd PLC programs. Key words: ma
nipulator; Hydraulic drive; Structure desig
n; PLC co
ntrol desig
n 目录 摘要i Abstract. ii 1绪论1 1.1机械手的概述1 1.2机械手的历史背景及其现状1 1.3机械手的运用及发展趋势2 1.3.1机械手运用意义2 1.3.2 PLC在机械手中的应用2 1.3.3机械手的发展趋势2 1.4机械手的工作原理3 1.5本机械手的组成3 1.5.1控制系统3 1.5.2驱动系统3 1.5.3执行系统4 1.5.4位置检测装置4 1.6本设计目的及研究内容4 1.6.1本设计目的4 1.6.2本设计主要研究内容5 2四自由度机械手臂的结构及控制系统总方案设计6 2.1设计技术要求6 2.2机械手的运动分析6 2.3方案拟定6 2.3.1执行机构方案7 2.3.2驱动机构方案7 2.3.3控制方案8 3手部设计及计算校核9 3.1机械手部设计要求9 3.2手部设计方案制定9 3.3手部的设计及计算校核10 3.3.1驱动力及夹紧力的计算10 3.3.2确定液压缸直径D设计尺寸11 3.4机械手手爪夹持精度分析及计算12 3.4.1手爪夹持精度分析12 3.4.2手爪夹持精度计算12 4手腕设计及其计算校核14 4.1手腕设计要求14 4.2手腕设计方案的制定14 4.3腕部转动所需动力矩计算14 4.3.1驱动力矩计算14 4.4确定腕部液压缸直径D设计尺寸15 4.5端盖连接方式强度计算15 4.6动片与输出轴连接螺钉计算17 5手臂设计及计算校核18 5.1机械手手臂的设计要求18 5.2手臂设计方案的制定18 5.3手臂设计及计算校核18 5.3.1手臂驱动力的计算18 5.4手臂液压缸的工作压力及结构设计20 5.4.1确定液压缸工作压力20 5.4.2确定液压缸的尺寸20 5.4.3活塞杆的计算及校核21 5.4.4计算液压缸缸筒长度22 5.4.5端盖连接方式强度计算23 6机身设计及其计算校核24 6.1机手机身的设计要求24 6.2机身的设计方案制定24 6.3机身的设计及计算校核25 (1)总重量的估算： 25 (2)计算中心与回转轴线之间的距离： 25 (3)摩擦力的计算： 26 (4)惯性力的计算： 26 (5)密封装置的摩擦阻力计算: 26 6.4升降液压缸的工作压力及结构设计26 6.4.1液压缸工作压力的确定26 6.4.2液压缸尺寸的确定26 6.4.3液压缸外径的确定26 6.4.4活塞杆的计算校核27 6.4.5液压缸缸筒长度的确定27 6.4.6缸盖螺钉的计算27 6.5升降不自锁条件分析计算27 6.6回转机构的工作压力及计算27 6.7回转缸尺寸的确定29 6.7.1回转缸油腔内径计算29 6.7.2回转液压缸缸盖螺钉尺寸的确定29 6.8动片与输出轴之间的连接螺钉的计算29 7机械手液压系统31 7.1机械手液压系统原理图设计31 7.2液压元件明细表32 8机械手动作PLC控制设计33 8.1可编程控制器（PLC）介绍33 8.1.1 PLC的概述33 8.1.2 PLC的工作原理及基本结构33 8.1.3机械手PLC型号选择33 8.2机械手动作原理及说明34 8.3机械手运动动作控制要求34 8.4机械手PLC控制接线图及主电路图设计35 8.5机械手操作控制面板设计35 8.6机械手控制程序设计及说明36 8.6.1传送带控制程序设计36 8.6.2传送带的控制及物料检测梯形图说明38 8.6.3机械手手动控制的控制梯形图38 8.6.4机械手手动控制梯形图说明39 8.6.5机械手工作状态转移图及输出梯形图40 8.6.6机械手工作状态转移图和输入梯形图说明41 8.7机械手总控制梯形图（如附录1示意） 43 8.8机械手总控制指令表（如附录2示意） 43 结论44 参考文献45 附录47 附录1(机械手的总控制梯形图) 47 附录2(指令表) 51 外文文献53 中文翻译67 致谢73 1绪论 在工业生产线中，机械手应用广泛。它是工作生产中抓取与装配等柔性系统中的一个重要组成部分。其基本功能是在指定位置抓取工件并将运送到别的位置进行装配或加工。机械手代替了人繁重的劳动，提高了产品质量及生产率，并且操作精度高。 1.1机械手的概述 机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置[1] 。机械手是出现最早的工业机器人分支之一，而工业机器人是指具机械自动化和智能化生产装备。机械手动作具有类似于人类及其他生物体的机体功能，更具有适应性和智能性的特点；可通过编程完成动作和单一及更复杂的多种工作，有一定通用性及灵活性的特点。机械手在实际生产中，它不但将人从繁重单一的劳动中解放出来，同时提高了劳动生产率，提高了经济效率,而且改善了劳动环境，能在有害的环境下保护人身安全；同时实现了生产的机械化和自动化。因此，世界各国都普遍重视其研制和生产、应用等；故其得到迅猛的发展。