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本科毕业论文（设计）
论文（设计）题目： 小型外圆零件上下料机械手设计
学 院：机械工程学院
专 业：机械设计及其自动化
班 级：机自
学 号： ＿
学生姓名：
指导教师： ＿＿
2013年 6 月 1
日
贵州大学本科毕业论文（设计）
诚信责任书
本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。
特此声明。
论文（设计）作者签名：
日 期：
目录
摘要............................................................................................................................................. 5
第1章 绪论 .............................................................. 6
1.1 选题背景 .......................................................... 6
1.2设计目的...................................................................................................................... 6
1.3国内外钻研情况与趋向................................................. ............................................6
1.4设计原则...................................................................................................................... 7
第2章 设计方案的论证 .................................................... 8
2.1机械手的总体设计 .................................................. 8
2.1.1 机械手总体结构的类型 ........................................ 8
2.1.2 设计采用具体方案........................................................................................... 9
2.2 机械手手臂的结构设计 .............................................. 9
2.2.1 机械手手臂的设计要求 ........................................ 9
2.2.2 设计具体采用方案 ........................................... 10
2.3机械手末端执行器（手爪）的结构设计 ............................... 10
2.3.1机械手末端执行器的设计要求 .................................. 10
2.3.2机器人夹持器的运动和驱动方式 ................................ 11
2.3.3 机器人夹持器的典型结构 ..................................... 11
2.3.4设计具体采用方案 ............................................ 12
2.4机械手的机械传动机构的设计 ........................................ 12
2.4.1工业机器人常用的传动机构形式 ................................ 12
2.4.2 设计具体采用方案 ........................................... 14
2.5机械手驱动系统的设计 ............................................. 14
2.5.1机器人各类驱动系统的特点 .................................... 14
2.5.2工业机器人驱动系统的选择原则 ................................ 14
2.5.3设计具体采用方案 ............................................ 15
2.6机器人手臂的平衡机构设计 ......................................... 15
2.6.1机器人平衡机构的形式 ........................................ 15
2.6.2设计具体采用的方案 .......................................... 15
2.7 机械手腰座结构设计................................................................................................. 16
2.7.1机械手腰座结构设计要求.............................................................................. 16
2.7.2设计具体采用方案 ........................................................................................ 16
第3章 理论分析和设计计算 ............................................... 17
3.1液压传动系统设计计算 ............................................. 17
3.1.1确定液压系统基本方案 ........................................ 17
3.1.2拟定液压执行元件运动控制回路 ................................ 18
3.1.3液压系统的设计.............................................................................................. 18
3.1.4确定液压缸参数.............................................................................................. 18
3.1.5计算和选择液压元件...................................................................................... 32
3.2 电机选型有关参数计算 ............................................. 33
3.2.1有关参数计算.................................................................................................. 33
3.2.2电机型号选择.................................................................................................. 34
第4章 机械手控制系统的设计 ............................................. 36
4.1机械手控制系统硬件设计 ........................................... 36
4.1.1机械手工艺过程与控制要求 .................................... 36
4.1.2机械手的工作流程 ............................................ 37
4.1.3机械手操作面板布置 .......................................... 38
4.1.4控制器的选型 ................................................ 39
4.1.5 PLC外部接线设计.......................................................................................... 40
4.1.6 I/O地址分配 ................................................ 41
4.2机械手控制系统软件设计 ........................................... 43
结论 .................................................................... 44
参考文献 ................................................................ 45
致谢........................................................................................................................................... 46
摘 要
当今制造行业中，企业需要提高生产效率，保障产品的质量，很重视加工过程中的自动化程度，上下料机械手作为生产线上的重要成员，慢慢的被企业所接受，机械手在一定程度上反应了一个国家的自动化的生产水平，日前，机械手担任着焊接，喷涂，搬运等强度大的工作。
在此对机械设计制造及其自动化专业大学四年本科所学的知识进行结合，对机械手的机械结构和控制进行简述和分析，设计的是一种以圆柱坐标形式的数控车床的上下料机械手，对机械手的手臂，手爪，腰部结构及上下料机械手的控制系统进行了设计。与此同时，对液压系统进行计算，对控制系统进行分析，此控制系统是基于PLC 的控制系统，并且对PLC 的控制系统进行了详细的研究，对此上下料机械手的控制要求进行分析，设计了控制系统的硬件的电路，以及机械手工作的流程图，达到了设计的预期目标。
关键词：机械手；PLC ；液压传动；电气控制系统。
第1章 绪论
1.1 选题背景
因为产业自动化的全面发展和科学技术的不断进步，对工作效率的进步燃眉之急。纯真的手工劳作以知足不了产业自动化的请求，是以，必需操纵先进设备出产自动化机器以取代人的劳动，知足产业自动化的需求。此中机械手是其成长过程当中的主要产品之一，它不但提高了劳动生产的效力，还能取代人类完成高强度、伤害、反复死板的事情，减轻人类劳动强度，可以说是一箭双雕。在机械行业中，机械手愈来愈普遍的获得利用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上利用更加遍及。今朝，机械手已成长成为柔性制造系统FMS 和柔性制造单位FMC 中一个主要组成部分。把机床设备和机械手配合组成一个柔性加工体系或柔性制造单位，可以节流复杂的工件运送装配，布局紧凑，并且适应性很强。但目前我国的产业机械手手艺及其工程利用的水安然平静外洋比另有必然的间隔，利用范围和产业化程度低，机械手的钻研和开辟直接影响到我国机械行业自动化生产程度的进步，从经济上、手艺上斟酌都是十分必要的。是以，举行机械手的钻研计划具具备重要意义。
1.2 设计目的
日前，我国的制造业正在迅速发展，但大多数工场的出产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、出产效力低，并且具备必然的危险性，已知足不了出产自动化的发展趋势。为了进步事情效率，降低成本，并使出产线成长成为柔性制造系统，顺应当代机械行业自动化出产的请求，针对详细出产工艺，连系机床的现实布局，操纵机械手手艺，计划用一台上下料机械手取代人工事情，以进步劳动出产率。本机械手主要与机床组合终究构成生产线，实现加工进程的自动化和无人化。我所计划的机械手是在生产过程当中抓取和挪动工件的自动化装配。它可以或许应用到加工工场车间，知足数控机床和加工中间的加工进程安置、卸载加工工件的请求，从而减轻工人劳动强度，节俭加工帮助时候，进步出产效力和出产力。
1.3 国内外钻研近况和趋向
美国制造155毫米的钢弹体洛克福特军器厂，从胚料加工起头到加工终了直至弹体包装都主动举行，不消人手去打仗，到达全主动出产。产业机械手还能用来取代人工举行打磨、抛光、去毛刺和清算切屑等事情。比方，瑞典一家工场打磨和抛光不锈钢子弯头时，采取ASEA 机械手，进步加工效力30%以上，并且产品质量不变，不危险工人。又比如：沃尔沃（Valov ）公司在机械手上装了三个环形磨轮装置，用来去除传动箱外表面毛刺，节省时间约为手工时间的50%。
在国内金属的切削加工中，刀具的自动更换用机械手来完成。例如北京第二机床厂，北京第八机床厂，上海第二机床厂，上海第八机床厂，宁夏大河机床厂等公司的自动换刀机床，都用机械手更换刀具。在生产线上，机械手完成物品的传递和上下料，效率提高了近10倍。
对于机械手基础性能的试验及基础理论知识的研究，国内应该加强。要争取克服和解决制造的技术和其他的问题来提高机械手的运动速度，特别是对于冲压的机械手，以提高生产率的需要。要解决速度、定位技术要引进国外先进技术，培养技术能力高的人才。才能尽快解决机械手的问题，对机械设计制造的现代化、标准化要求才能提高。机械手的发展趋势是：在工业上增大机械手的应用，提高机械手性能，发展性能更好的机械手，研制“智能机器人”。
1.4 设计原则
在满足机械工艺性的要求上，尽量的使机械手的结构简单，尽可能地采用标准的通用配件，降低机械手的成本，提高机械手的可靠性。以满足生产需求和经济科学的设计为原则，将大学期间所学的专业知识，例如机械原理，机械设计，流体传动，传感器原理，PLC 原理及应用，电子技术等运用到机械手的设计当中来。使得通过本次设计对大学所学的专业知识进行巩固和强化，同时考虑个人能力和时间的因素，充分发挥个人的能力做好本次设计。
第2章 设计方案的论证
2.1机械手的总体设计
2.1.1 机械手总体结构的类型
机械手的结构形式主要有四种：圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构，直角坐标结构。四种结构的形式及其特点如下：
1.圆柱坐标结构机械手
圆柱坐标结构机械手的空间结构是通过两个直线运动和一个回转运动来实现的，如下图所示，圆柱坐标结构机械手结构比较简单，精度较好，通常用于搬运工作，空间结构是一个圆柱状的空间结构。
2. 球坐标结构机械手
球坐标结构机械手的空间结构是通过两个回转运动以及一个直线运动来实现的，如图所示，球坐标结构机械手结构简单，成本低，精度不高。通常用于搬运工作。工作空间是一个类似球形的空间。
3.关节型结构机械手
关节型结构机械手的空间结构是通过三个回转运动实现的，如图所示，关节型结构机械手动作灵敏，占地面积小，结构紧凑。对于机械手本身结构，工作空间较大，关节型机械手在生活中应用广阔，在焊接，搬运，喷漆等场合都广泛应用关节型结构的机械手。
4. 直角坐标结构机械手
直角坐标结构机械手的空间运动是利用三个互相垂直的直线运动来实现的。如图所示，直线运动有利于控制全闭环位置，所以直角坐标结构机械手可以达到很高的位置精度，然而，直角坐标结构机械手的运动空间相对于本身而言，工作空间是比较小的，为了实现特有的运动空间，直角坐标结构的机械手尺寸要比其他类型的机械手的尺寸结构要大很多。直角坐标结构的机械手的工作空间为长方体，直角坐标结构的机械手用于装配，搬运等工作。直角坐标结构的机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构.
图1 四种机器人坐标形式
2.1.2 设计具体采用方案
考虑到本设计搬运的工件的质量为30KG ，长度为500mm ，与此同时考虑到数控车床的布局以及对上下料机械手的具体要求，在满足系统工艺的前提下，简化机械手的结构，减少成本，提高机械手的可行度。此上下料机械手总共需要三种运动，手臂的伸缩以及立柱的升降为两个直线的运动，还有一个为回转运动，综合以上考虑，机械手的自由度取之为3，坐标形式选取圆柱坐标结构形式，即一个转动自由度和两个移动自由度，圆柱坐标结构的特点是结构简单，手臂的运动范围广，有较高的定位精度。
2.2 机械手手臂的结构设计
2.2.1 机械手手臂的设计要求
机械手的手臂作用是在一定的速度和载荷下，实现机械手所需求的动作，所以在设计机械手手臂的时候要遵守以下原则：
1.应该使机械手的手臂的各关节轴互相平行，互相垂直的轴应相交于一点，这样有利于机械手的控制。
2.机械手手臂的结构的尺寸应该满足机械手的工作要求，机械手工作空间和大小对机械手手臂的长度，手臂的关节转动的范围有着密切的关系。
3. 要提高机械手的运动速度和控制精度，应在机械手手臂有着足够的刚度和强度下进行，在机械手的结构和材料上减轻手臂的重量，可以选取高强度的轻质材料。通常选用高强度铝合金。
4.机械手各关节的轴承的缝隙要小，减小机械系统由于机械缝隙所造成的运动误差。
5.机械手手臂对相应的回转轴在重量上要保持平衡，这对电机造成的负载和提高机
械手的速度是相当有利的。进行设计时，要利用机械手上安装的原件与装置的重量来减小对机械手手臂的重量的不平衡。
6.机械手手臂在设计结构上需要考虑每个关节的限位开关和机械限位块，及驱动装置，传动机构。
2.2.2 设计具体采用方案
机械手手臂的垂直升降和水平手臂的伸缩运动皆为直线运动，实现直线运动一般是气压传动，液压传动及电机的滚珠丝杠三种方法来实现，考虑到搬运的工件质量为30KG ，于此同时，机械手的动态特性以及运动的稳定性，安全性，对机械手手臂的刚度都具有很高的要求，所以选取手臂的驱动为液压驱动的形式，通过液压缸进行直接驱动，同时液压缸既是驱动原件也是执行运动原件，而且液压缸实现直线运动控制简单，有利于实现计算机的控制。
由于液压系统可以提供很大的驱动力，在驱动力和结构的强度都易实现，主要是机械手运动的稳定性和刚度要满足要求，所以液压缸手臂的设计原则是液压缸的直径要取得稍微大些，然后在进行强度校核。在设计时采取了导杆机构，通过增加导杆机构，能显著提高机械手的刚度和稳定性，较好的解决了稳定性的问题。
2.3机械手末端执行器（手爪）的结构设计
2.3.1机械手末端执行器的设计要求
机械手的手爪是安装在机械手手腕上进行作业的装置，机械手的手爪的种类很多，根据机械手不同的作业来选择，手爪的用途可分为搬运，加工和测量等。
搬运用的手爪是各类的夹持的装置，主要用来抓取和搬运物体。
加工用的手爪是指带有喷枪，焊枪，砂轮等加工机械手的附加装置，用来进行相应的加工作业。
测量用的手爪是指装有测量传感器的装置，是用来进行测量和检验作业的。
在进行机械手手爪的设计时，应注意以下几点：
1. 机械手手爪是根据机械手作业的要求来设计的，一个全新的手爪的出现，机械手就可以增加一种应用场合。所以，机械手的应用领域将不断的扩大。
2. 机械手手爪的重量，被抓的物件的重量，及机械手允许的最大负荷力。所以，机械手手爪必须体积小，重量轻，机构比较紧凑。
3. 机械手手爪的万能性和专业性是矛盾的，万能的机械手手爪在结构上很复杂，很难实现这种手爪。日前，能用于生产的机械手还是那些结构简单，万能性不太强的机械手手爪。
4. 机械手手爪的通用性和万能性，万能性是一个机器很多功能，通用性是指有限的机械手手爪结构可用于不同的机器人，要根据机械手手爪的标准的机械接口来决定。
5. 机械手手爪要易于安装以及维修，还要便于计算机的控制。
2.3.2机械手夹持器的运动和驱动方式
机械手夹持器以及机械手手爪。一般工业用的机械手手爪，大多为双指手爪，根据手指的运动方式，可以分为回转运动和移动运动两类。按夹持方式来分类，可以分为外夹式和内撑式两种。机械手手爪的驱动方式主要有3种。
1. 气动驱动方式 此驱动系统是利用电磁阀来控制机械手手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。
2. 电动驱动方式 此驱动系统手爪应用也比较广泛，用这种方式的手爪，一般采用伺服电机或者步进电机。
3. 液压驱动方式 此驱动系统传动刚度比较大，而且可以实现连续位置控制。
2.3.3 机械手夹持器的典型结构
1.楔块杠杆式手爪
此方式是利用楔块和杠杆来实现手爪的松开，从而来实现工件的抓取工作。
2.滑槽式手爪
这种手爪是当活塞向前运动的时候，滑槽通过销子来推动手爪合并，从而来夹紧工件，当活塞向后运动的时候，手爪松开。
3.连杆杠杆式手爪
这种手爪是在活塞的推动下，让连杆和杠杆来让手爪进行夹紧，放松运动。通常与弹簧合用。
4.齿轮齿条式手爪
这种手爪通过活塞来推动齿条，齿条来带动齿轮旋转，产生机械手手爪的松开和夹紧动作。
5.平行杠杆式手爪
这种手爪采用的是平行四边形机构，从而就不需要导轨就可以让手爪保持平行运动。
2.3.4设计具体采用方案
根据设计的具体情况，此设计采用连杆杠杆式手爪，驱动活塞往复移动，从而让活塞杆端部齿条，中间齿条让手指进行松开和夹紧。手指的最小张开程度由加工工件直径来定。设计简图如下图：
图2 机械手手爪的结构图
2.4机械手的机械传动机构的设计
2.4.1机械手常用的传动机构形式
1.齿轮传动机构
在机械手常用的齿轮传动中有圆柱齿轮传动，圆锥齿轮传动，谐波齿轮传动，摆线针轮传动，和蜗轮蜗杆传动等类型。
机械手在齿轮传动中设计的问题：
1.齿轮传动和传动比要匹配。齿轮传动是转矩转速和转向变换器的齿轮减速器的一个变换器，齿轮传动比应该与驱动和负载之间的转速，转矩要求。还要求齿轮传动具有低的转动惯量。
2.传动比的分配原则，计算出传动比后，为了时减速机构紧凑，满足精度要求，对各级传动比要合理分配，原则如下：
a.输出轴转角误差最小原则。 要提高传动系统的运动精度，传动比应该按照“先小后大”的原则，这样能降低齿轮的加工误差，安装误差和回转误差。
b．等效转动惯量最小原则。 使用此设计时齿轮系统要换算到电机上的转动惯量要是最小的，传动比也是按照“先小后大”的原则，使结构紧凑。
2. 谐波齿轮传动
谐波齿轮传动机构有结构简单，体积小，传动比大，传动精度高，传动平稳，效率高等优点。因此在机械手中应用得十分广泛，谐波齿轮是根据柔性齿轮产生的变形波引起齿轮齿间的相对错齿来传递动力的。所以谐波齿轮传动机构和一般的齿轮传动机构具有本质上的区别。
3. 螺旋传动
螺旋传动以及丝杠螺母，主要用来将选中运动换为直线运动或者将直线运动换为旋转运动。
丝杠螺母的传动油普通丝杠和滚珠丝杠，普通丝杠结构比较简单，加工比较方便，制造成本比较低。但是传动效率较低。而滚珠丝杠结构复杂，制造的成本较高。但是滚珠丝杠最大的优点是摩擦阻力矩小，传动效率较高，能达到92%~98%，运动平稳性好，灵敏度高。
4. 同步带传动
同步带的传动是利用普通带传动和链传动结合的一种新型传动，他在工作面上具有啮合齿，通过带齿和轮齿啮合来传动。为了保证带和带轮来无滑动的同步传动，同步带的传动比准确，传动效率较高，节能效果好。在机械手当中使用很多，但是同步带传动也有缺点，例如安装精度要求较高，中心距要求比较严格，。同步带带轮齿形还有梯形齿形和圆弧齿形两种。
5. 钢带传动
钢带传动是钢带与带轮之间面积大，属于无间隙传动，摩擦的阻力大，没有滑动，结构简单，运行可靠，驱动力矩较大，寿命较长，传动效率较高。
6. 链传动
在机械手中链传动通常用于腕部的传动上，为了减轻机械手的重量，一般将驱动腕关节的电机放在小臂的后端或者大臂的关节上。
7. 钢丝绳轮传动
钢丝绳轮的传动结构较简单，传动刚度较大，结构柔软，成本低。钢丝绳轮的缺点是带轮大，安装面积大。
2.4.2 设计具体采用方案
考虑到本设计选用了液压缸作为机械手水平手臂和垂直手臂，由于液压缸可以实现直接驱动，所以既是关节机构，又是动力原件。所以不需要传动机构，故不需要传动机构。机械手腰部结构的回转是利用步进电机驱动的，要采用传动机构来减速增大扭矩，通过分析，选取圆柱齿轮传动，来保证较高的传动精度，减少齿轮传动造成的误差。采用传动比较大，齿轮采用强度高，硬度高的材料，加工精度较高进行制造。
2.5机械手驱动系统的设计
2.5.1机械手各类驱动系统的特点
机械手的驱动系统可分为液压，气压，电动三种。这三种驱动之间也可以实现复合式的驱动系统，这三类驱动的主要特点如下：
1. 液压驱动系统
液压技术是一种较成熟的技术，具有动力大，惯量大，易于实现之间驱动等优点。适用于承载能力强，惯量大及在防爆防火的环境中工作的机械手，然而液压系统要进行能量的转换，速度的控制多数采用节流调速，效率没有电动驱动的高，液压系统的液体一旦泄露会污染环境。
2. 气动驱动系统
气动驱动具有速度快，维修较方便，价格低等特点。适用于中，小型的机械手，但是由于难实现伺服控制，大多数用在程序控制的机械手中。
3. 电动驱动系统
电动驱动系具有使用方便，噪声低，控制灵活等优点。但由于电机驱动优点较为突出，在机械手中被广泛应用。
2.5.2机械手驱动系统的选择原则
在设计机械手时，要根据机械手的用途，作业需求，维修的复杂程度性价比来选择驱动，而且要充分考虑其合理性，可行性，经济型来进行选择，一般情况：
1. 上下料机械手用的是有限点位控制机械手，可以选择液压驱动系统，电动驱动系统，气动驱动系统。但是冲压机械手多采用气动驱动系统。
2. 用于焊接类型的机械手，要具有点位和轨迹控制的功能，要采用伺服驱动系统，只能采用液压驱动系统和电动伺服驱动系统。重载负荷的焊接机械手多数选用液压驱动系统。
2.5.3设计具体采用方案
本设计，在分析了工作要求后，综合考虑，机械手的腰部结构由于旋转要选择一定的控制精度，要利用步进电机来实现。水平手臂和垂直手臂采用液压缸来实现，同时考虑机床加工工件的不同，水平手臂的伸缩长度是不一样的。因此水平手臂具有伺服定位能力。所以采用电液伺服液压缸进行驱动。
手爪的张开和夹紧通过液压缸与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现张开和夹紧动作。
2.6 机械手手臂的平衡机构设计
对于直角坐标结构，圆柱坐标结构以及球坐标结构的机械手可以利用合理的布局来优化结构设计，使手臂本身尽可能的达到平衡，关节型结构的机械手一般要通过安装平衡装置来减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。
2.6.1机械手平衡机构的形式
机械手通常所用的平衡机构有以下几种方法：
1.配重平衡机构
这种平衡机构结构简单，平衡效果好，有利于调整，工作性可靠，但是由于增加了机械手手臂的惯性和关节的载荷，在机械手手臂不平衡的力矩较小的情况下采用。
2. 弹簧平衡机构
这种平衡机构结构简单，价格低廉，工作可靠，效果较好，容易维修，所以应用广泛。
3. 活塞推杆平衡机构
这种平衡机构有液压和气压两种，液压平衡系统的平衡力较大，体积比较小，有一定阻力。气压平衡系统具有好的阻尼作用，体积较大。
2.6.2设计具体采用的方案
由于本设计设计的机械手采用的是圆柱坐标形式的结构，并且在手臂的结构设计中都考虑了平衡的问题，通过优化设计使得手臂尽可能达到平衡，要是实际工作中不满足，就采用弹簧平衡机构进行平衡机构来让手臂达到平衡。
2.7机械手腰座结构的设计
以上对机械手进行了总体设计，也对机械手的手臂，手爪进行了详细的设计，这里对腰部结构进行设计。
2.7.1 机械手腰座结构的设计要求
机械手的腰部，其实就是圆柱坐标型机械手，球坐标型机械手和关节型机械手的回转的基座。他是机械手的第一个回转关节，机械手主要的运动部分安装在腰部上，它承载着机械手的全部重量。所以在机械手腰部的设计时，要注意：
1. 腰部结构要有一定的安装几面，并且要足够大，这样来保证机械手在工作时的稳定性。
2. 腰部结构要承受机械手的全部重量和载荷，所以，机械手的基座部分，腰部轴承要有足够大的强度和刚度，来保证机械手的承载能力。
3. 腰部结构是机械手的第一个回转关节，对机械手的末尾的运动精度影响非常大，所以，在设计时要注意腰部结构和腰部轴承传动链的精度。
4. 腰部结构的回转运动要有相对应的驱动，它包含电动，液压，气动以及减速器。
5. 腰部结构设计完成后要便于安装，调整以及可靠的定位基准面。还要设有调整机构，以便用来调整腰部结构轴承的间隙和减速器的传动间隙。
6. 要减小机械手的运动惯量，提高机械手的控制精度，要将腰部回转运动的外壳材料用重量较小的铝合金材料，不是铸铁或者是铸钢等材料。
2.7.2 设计具体采用方案
腰部结构的回转运动的驱动形式有电机通过减速器来实现以及通过液压缸或者液压马达来实现。在此设计中选用前者，由于电动方式控制精度较高，结构紧凑。由于腰部结构是机械手的第一个回转关节，对机械手的精度影响较大，又考虑到电机转速和扭矩之内的存在，采用大传动比的齿轮传动系统来进行，由于齿轮传动存在齿间间隙，影响了一定的传动精度，采用一级齿轮传动且传动比大于100，同时采用高强度，高硬度的齿轮材料。腰部结构具体设计如下图：
图 腰座结构图
第3章 理论分析和设计计算
3.1液压传动系统设计计算
3.1.1确定液压系统基本方案
液压执行元件可分为液压缸和液压马达。前者实现的是直线运动，后者实现的是回转运动，两者的特点见下表（此表引用来自《液压传动》设计指导书，机械设计出版社）
由于采用的是圆柱坐标结构形式的机械手，具有3个自由度，一个转动自由度，两个移动自由度，决定机械手腰部的回转结构用电机驱动来实现，两个移动均为直线运动，选用单活塞杆液压缸来实现此直线运动。
3.1.2拟定液压执行元件运动控制回路
确定液压元件后，运动的方向和运动的速度的控制才是液压回路的重要问题。
对于一般小流量的液压系统，用换向阀的组合来实现动作。对于流量大的系统，大多采用插装阀和先导控制阀组合来实现。
此机械手的方向采用电磁换向阀来完成，速度的控制采用节流阀来控制，主要是采用比较简单的节流阀控制即可。
3.1.3液压系统的设计
液压系统是由液压源来提供，液压源的核心是液压泵，节流调速装置一般用定量泵来完成，在没有其他的辅助油源的时候，液压泵的供油要大于系统的需油量，多余的油液经过溢流阀流回油箱。容积的调速系统大多是用变量泵实现，用安全阀来限定最高压力。
油液的净化是在液压系统中不可缺少的原件。一般液压泵的入口要安装滤油器，进入系统油液要根据要求，通过精滤油二次过滤，为了防止系统中的杂质流回油箱，在回油的路上设置电磁过滤器。
此设计采用的是定量泵供油，根据溢流阀来控制系统的压力，为了保证液压油的清洁，在液压泵的入口安装过滤器，在油泵的出口安装精滤器来进行油液的净化。
3.1.4确定液压系统的主要参数
一、手爪液压缸选择
1. 液压缸工作压力的确定
液压缸工作压力主要根据液压设备类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时，可以用类比法来确定。下表1列出的数据，可以供选定工作压力时的参考。
表1 液压设备常用的工作压力
综上：选取工作压力3~5 MPa
2. 液压缸内径D 和活塞杆直径d 的确定
D 2=4(F +F fc )
πp 1+(D 2-d 2) p 2 p 1
式中：p 1-液压缸工作压力，初算时可以取系统工作压力p p
p 2-液压缸回油腔背压力，初算时无法准确计算，可先根据表2估计。 d D -活塞杆直径与液压缸内径之比，可按表3选取。
表2 执行元件背压的估计值
表3 液压缸内径D 与活塞杆直径d 的关系
F-工作循环中最大外负载
F fc -液压缸密封处摩擦力，它的精确度不易求得，常用液压缸的机械效率ηcm 来进行估算。
F F +F fc = ηcm
ηcm -液压缸的机械效率，一般取0.9~0.97
将ηcm 代入式中，求得D ： D =4F ⎧p 2⎡⎫d ⎤πp 1ηcm ⎨1-⎢1-() 2⎥⎬D ⎦⎭⎩p 1⎣
活塞杆直径可由d D 值算出，由所计算的D 与d 值分别按表4与表5圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。
表5 活塞杆直径系列
对选定后的液压缸内径D ，必须进行最小稳定速度验算。要保证液压缸节流腔的有效工作面积A ，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积A min ，即A ≥A min 。 A min =q min v min
式中：-流量阀的最小稳定流量，一q min 般从选定流量阀的产品样本中查得。 v min -液压缸的最低速度，由设计要求给定。
如果液压缸节流腔的有效工作面积A 不大于计算所得的最小有效面积A min ，则说明液压缸不能保证最小稳定速度，此时必须增大液压缸内径，以满足速度稳定的要求。
代入数据：可求得D=19.393mm 圆整后取为20mm
由d D =0. 7 d=14mm 3.液压缸壁厚和外径的确定
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。
液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可以分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。
液压缸的内径D 与其壁厚δ的比值D/δ≥10的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算。
δ= 式中：δ-液压缸壁厚（m ） D-液压缸内径（m ）
p y -试验压力，一般取最大工作压力的（1.25~1.5）倍（MPa ）
[σ]-缸筒材料的许用应力。其值为：锻钢[σ]=110~120MPa；铸钢[σ]=100~110MPa；无缝钢管：[σ]=100~110MPa；高强度铸钢：[σ]=60MPa：灰铸铁[σ]=25MPa。
在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死和漏油，因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。
对于D ≤10时，应按材料力学中的厚壁圆筒公式进行壁厚的计算。 对脆性及塑性材料
D ⎛
δ≥
2 ⎝
p v D
2σσ+0. 4P y σ-1. 3P y
⎫-1⎪ ⎪⎭
式中符号的意义和前面相同。
液压缸壁厚算出厚，即可以求出缸体的外径D 1为 D 1≥D +2δ
求出值后按有关国标进行圆整取标准值。
[σ]=σb
n σb 为材料抗拉强度，经查相关资料取为650MPa ，n 为安全系数，
此处取n =5；
带入数据：求得δ=5mm
外径D 1≥D +2δ=20+10=30mm 4. 液压缸工作行程的确定
液压缸工作行程的长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照表6（I、II、III）的系列尺寸来选取标准值。
表I
表II
表III 综上所述；手爪的工作行程选用80mm 5. 缸体长度的确定
液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。 6. 活塞杆稳定性计算 根据公式
d ≥
πσ4F
带入数据，满足要求。
根据以上计算，手爪液压缸的参数为
以上表与公式均选用《液压传动》设计指导书，机械设计教研室出版 二、水平伸缩液压缸选择
1. 液压缸工作压力的确定
液压缸工作压力主要根据液压设备类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时，可以用类比法来确定。 综上：选取水平液压缸的压力为3MPa 。 2. 液压缸内径D 和活塞杆直径d 的确定 D =
2
4(F +F fc )
πp 1
+(D 2-d 2)
p 2
p 1
式中：p 1-液压缸工作压力，初算时可以取系统工作压力p p
p 2-液压缸回油腔背压力，初算时无法准确计算，可先根据表2估计。 d
-活塞杆直径与液压缸内径之比，可按表3选取。
表2 执行元件背压的估计值
表3 液压缸内径D 与活塞杆直径d 的关系
F-工作循环中最大外负载
F fc -液压缸密封处摩擦力，它的精确度不易求得，常用液压缸的机械效率ηcm 来进行估算。
F
F +F fc =
ηcm
ηcm -液压缸的机械效率，一般取0.9~0.97 将ηcm 代入式中，求得D ： D =
4F
⎧p 2⎡d 2⎤⎫πp 1ηcm ⎨1-⎢1-() ⎥⎬
D ⎦⎭⎩p 1⎣
活塞杆直径可由d D 值算出，由所计算的D 与d 值分别按表4与表5圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。
表4 液压缸内径尺寸系列
表5 活塞杆直径系列
对选定后的液压缸内径D ，必须进行最小稳定速度验算。要保证液压缸节流腔的有效工作面积A ，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积A min ，即A ≥A min 。 A min =
q min
v min
式中：q min -流量阀的最小稳定流量，一般从选定流量阀的产品样本中查得。 v min -液压缸的最低速度，由设计要求给定。
如果液压缸节流腔的有效工作面积A 不大于计算所得的最小有效面积A min ，则说明液压缸不能保证最小稳定速度，此时必须增大液压缸内径，以满足速度稳定的要求。 代入数据：可求得D=58.674mm 圆整后取为60mm
由d D =0. 4 算出d 圆整后取25mm 3. 液压缸壁厚和外径的确定
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。
液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可以分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。 液压缸的内径D 与其壁厚δ的比值D/δ≥10的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算。
δ= 式中：δ-液压缸壁厚（m ） D-液压缸内径（m ）
p y -试验压力，一般取最大工作压力的（1.25~1.5）倍（MPa ）
[σ]-缸筒材料的许用应力。其值为：锻钢[σ]=110~120MPa；铸钢[σ]=100~110MPa；
p v D
2σ
无缝钢管：[σ]=100~110MPa；高强度铸钢：[σ]=60MPa：灰铸铁[σ]=25MPa。
在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死和漏油，因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。
对于D ≤10时，应按材料力学中的厚壁圆筒公式进行壁厚的计算。 对脆性及塑性材料
D ⎛
δ≥
2 ⎝
+0. 4P y
σ-1. 3P y
⎫-1⎪ ⎪⎭
式中符号的意义和前面相同。
液压缸壁厚算出厚，即可以求出缸体的外径D 1为 D 1≥D +2δ 求出值后按有关国标进行圆整取标准值。
[σ]=σb
n σb 为材料抗拉强度，经查相关资料取为650MPa ，n 为安全系数，
此处取n =5；
带入数据：求得δ=5mm
外径D 1≥D +2δ=60+20=80mm 4. 液压缸工作行程的确定
液压缸工作行程的长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照表6（I、II、III）的系列尺寸来选取标准值。
表I
表II
表III 综上所述；手爪的工作行程选用400mm 5. 缸体长度的确定
液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。 6. 活塞杆稳定性计算 根据公式
d ≥ 带入数据，满足要求。
πσ4F
以上表均选用《液压传动》设计指导书，机械设计教研室出版
由于水平伸缩缸的作用是实现伸缩的直线运动，在竖直方向上不受工作载荷，竖直方向主要是克服摩擦力矩，然而机械手要具有一定的柔韧性，水平伸缩液压缸具有较大的工作行程，与此同时具有较大的弯矩。
在进行设计水平伸缩液压缸时，要增大抗弯距的能力和合理的布局，让它具有较大的刚度，为了满足要求，采用了两个导向杆来满足活塞杆的稳定性和导向的问题。为了增大此结构的刚度以及结构的稳定性，两个导向杆和活塞杆布置为三角形状，增大抗弯截面模量，同时也增大了液压缸的刚度。 三、垂直伸缩液压缸选择
1. 液压缸工作压力的确定
液压缸工作压力主要根据液压设备类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时，可以用类比法来确定。 综上：选取水平液压缸的压力为3MPa 。
2. 液压缸内径D 和活塞杆直径d 的确定 D 2=
4(F +F fc )
πp 1
+(D 2-d 2)
p 2
p 1
式中：p 1-液压缸工作压力，初算时可以取系统工作压力p p
p 2-液压缸回油腔背压力，初算时无法准确计算，可先根据表2估计。 d
-活塞杆直径与液压缸内径之比，可按表3选取。
表2 执行元件背压的估计值
表3 液压缸内径D 与活塞杆直径d 的关系
F-工作循环中最大外负载
F fc -液压缸密封处摩擦力，它的精确度不易求得，常用液压缸的机械效率ηcm 来进行估算。
F
F +F fc =
ηcm
ηcm -液压缸的机械效率，一般取0.9~0.97 将ηcm 代入式中，求得D ： D =
4F
⎧p ⎡d ⎤⎫πp 1ηcm ⎨1-2⎢1-() 2⎥⎬
D ⎦⎭⎩p 1⎣
活塞杆直径可由d D 值算出，由所计算的D 与d 值分别按表4与表5圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。
表4 液压缸内径尺寸系列
表5 活塞杆直径系列
对选定后的液压缸内径D ，必须进行最小稳定速度验算。要保证液压缸节流腔的有效工作面积A ，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积A min ，即A ≥A min 。 A min =
q min
v min
式中：q min -流量阀的最小稳定流量，一般从选定流量阀的产品样本中查得。 v min -液压缸的最低速度，由设计要求给定。
如果液压缸节流腔的有效工作面积A 不大于计算所得的最小有效面积A min ，则说明液压
缸不能保证最小稳定速度，此时必须增大液压缸内径，以满足速度稳定的要求。 代入数据：可求得D=58.674mm 圆整后取为60mm
由d D =0. 4 算出d 圆整后取25mm 3.液压缸壁厚和外径的确定
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。
液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可以分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。 液压缸的内径D 与其壁厚δ的比值D/δ≥10的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算。
δ= 式中：δ-液压缸壁厚（m ） D-液压缸内径（m ）
p y -试验压力，一般取最大工作压力的（1.25~1.5）倍（MPa ）
[σ]-缸筒材料的许用应力。其值为：锻钢[σ]=110~120MPa；铸钢[σ]=100~110MPa；无缝钢管：[σ]=100~110MPa；高强度铸钢：[σ]=60MPa：灰铸铁[σ]=25MPa。
在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死和漏油，因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。
对于D ≤10时，应按材料力学中的厚壁圆筒公式进行壁厚的计算。 对脆性及塑性材料
D ⎛
δ≥
2 ⎝
p v D
2σσ+0. 4P y σ-1. 3P y
⎫-1⎪ ⎪⎭
式中符号的意义和前面相同。
液压缸壁厚算出厚，即可以求出缸体的外径D 1为 D 1≥D +2δ
求出值后按有关国标进行圆整取标准值。
[σ]=σb
n σb 为材料抗拉强度，经查相关资料取为650MPa ，n 为安全系数，
此处取n =5；
带入数据：求得δ=5mm
外径D 1≥D +2δ=60+20=80mm 4.液压缸工作行程的确定
液压缸工作行程的长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照表6（I、II、III）的系列尺寸来选取标准值。
表I
表II
表III 综上所述；手爪的工作行程选用100mm 5. 缸体长度的确定
液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。 6. 活塞杆稳定性计算 根据公式
d ≥
πσ4F
带入数据，满足要求。
综上所述：水平伸缩液压缸的参数如下
以上表均选用《液压传动》设计指导书，机械设计教研室出版
由于垂直伸缩液压缸要具有一定的垂直载荷，又有比较大的倾覆力矩，对于液压执行元件，满足这里的驱动力是能够满足的，但是对于它的结构设计是不是具有足够的刚度，仍然采用了导向杆，在垂直升降的周围设置了四根导向杆。
3.1.5 计算和选择液压元件
1.液压泵的计算
（1）确定液压泵的实际工作压力p p
p p =p 1+∑∆p 1
式中，p 1-------计算工作压力，前以定为4MPa ；
∑∆p 1------对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.5~1.5）MPa ，这
里取为1MPa 。
因此，可以确定液压泵的实际工作压力为
p p =4+1=5MPa
（2）确定液压泵的流量
q p =K ⋅q max
式中，K ------为泄露因数，取1.1；
q max -----为机械手工作时最大流量。
q max =∑A ⋅v
经计算得 q max =3.140L /min
带入上式得 q p =1. 1⨯3. 140=3. 454L /min
（3）确定液压泵电机的功率
P 工=2⨯
p p ⋅q max 60⋅η
式中，q max ------为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140L /min ；
p p -------液压泵实际工作压力，5MPa ； η------为液压泵总效率，取为0.8； 带入数据计算得： P 工=0.654kw 。
以上公式引用《液压传动》设计指导书，机械设计教研室出版 2.控制元件的选择
根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。这部分在考虑具体的作业时根据详细的要求再结合具体情况进行详细，这里暂从略。
3.油管及其他辅助装置的选择
（1）查阅《液压传动》设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数
液压泵出口流量以3.140L/MIN计，选取φ6；液压泵吸油管稍微粗些，选择φ8；其余都选为φ5；
（2）确定油箱的容量
一般取泵流量的3~5倍，这里取为5倍，有效容积为
V =5⨯q p =5⨯3. 2=16L
3.2 电机选型有关参数计算
3.2.1有关参数的计算
若传动负载作回转运动 负载额定功率： P 0=
T 1⋅N L
9550⋅η
22GD L ⋅N L
负载加速功率： P a = 3
3577⨯10⋅t a
负载力矩（折算到电机轴）：
T L =
N L
⋅T l N M ⋅η
负载GD （折算到电机轴）：
GD 2
N L 2L =(
N ) 2
GD l M
起动时间：
t (GD 22
M +GD L ) ⋅N M
a =
375(T P -T L )
制动时间：
t (GD 22
M +GD L ) ⋅N M
d =
375(T P -T L )
式中，P 0-----为额定功率，KW ；
P a -----为加速功率，KW ；
N l -----为负载轴回转速度，r/min；
N M -----为电机轴回转速度，r/min；
V l -----为负载的速度，m/min；
η-----为减速机效率； μ-----为摩擦系数；
T l -----为负载转矩（负载轴）
，N ⋅m ； T p -----为电机启动最大转矩，N ⋅m ；
T L -----为负载转矩（折算到电机轴上）
，GD 2l -----为负载的GD 2，N ⋅m 2；
N ⋅m ；
2GD L -----为负载GD 2（折算到电机轴上），N ⋅m 2； 2GD M -----为电机的GD 2，N ⋅m 2；
具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。
因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；
T l =F f ⋅R =G ⋅f ⋅R
式中，f -----为滚动轴承摩擦系数，取0.005；
G -----为机械手本身与负载的重量之和，取100KG ； R -----为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240mm ；
带入数据，计算得 T l =0.12N ⋅m ；
同时，腰部回转速度定为N l =5r/min；传动比定为1/120； 且，GD l =mgD 2 带入数据得： GD l =10.45667N ⋅m 2。
将其带入上（3-24）~（3-30）式，得：
P 0=1. 3227W ；W ； P a =0. 0068
s ≈3ms ； 启动时间 t a =0. 002962
制动时间 t d ≈3ms ；
折算到电机轴上的负载转矩为：T L =0. 0010523N ⋅m 。 以上公式引用《机电传动控制》，华中科技大学出版社出版。
3.2.2电机型号的选择
根据以上的计算结果，查阅相关资料，选取国产北京和利时电机技术有限公司制造的步进电机，具体型号为110BYG550B-SAKRMA-0301
此型号110BYG550B-SAKRMA-0301的电机具有高转矩，低振动，综合性能较好。 下面为此型号电机的矩频特性曲线以及相关技术参数。（引用选自北京和利时电机技术有限公司的说明书）
图为110BYG550B-SAKRMA-0301步进电机的矩频特性曲线
驱动方式：升频升压； 步距角：0.36°；
由于此机械手腰部齿轮的传动比为1:120，步进电机进过减速以后传递到回转轴上，腰部回转轴上的步距角为电机实际的步距角的1/120，实际上存在着间隙以及齿轮传动的非线性误差，但由于精度高，能满足机械手的定位精度的要求。
第4章 机械手控制系统的设计
4.1机械手控制系统硬件设计 4.1.1机械手工艺过程与控制要求
此机械手的动作有水平的伸缩，垂直的升降，手爪的夹紧与松开和腰部的旋转。垂直升降和水平伸缩由液压来实现，液压缸又由电磁阀来控制。比如：当上升电磁阀通电时，机械手才上升，当上升电磁阀断开电源时，机械手停止上升。然而水平伸缩的主要
由电液伺服阀以及伺服驱动器来进行控制。
手爪的夹紧和放松，要通过柱塞缸和齿轮相互配合来实现动作。柱塞缸是由单线圈的电磁阀来确定控制的，当线圈没有通电的时候，柱塞缸不工作，线圈通电的时候，柱塞缸开始工作，手爪张开。
机械手旋转到机床的上方准备下降为上下料工作的时候，为了安全起见，在机床停止工作的时候才能发出上下料的命令，才允许机械手下降进行工作。与此同时，机械手在从工件料的工作料架上取工件的时候，要先对工件的有无进行判断。
4.1.2机械手的工作流程
机械手的作业动作流程如图所示：
图 上下料机械手工作流程图
机械手的工作流程
1. 机械手在原点，按下启动按钮，发出上下料命令，此时水平液压缸开始向前伸缩
进行伺服定位，前伸到指定位置后，停止前进。
2. 这时下降电磁阀得电，于此同时手爪柱塞液压缸电磁阀也得电，机械手下降，张开手爪，下降到一定位置后碰到下限行程开关后，下降电磁阀失电，下降停止，手爪夹紧工件。
3. 上升电磁阀通电，机械手上升，上升到一定位置后，碰到了上限位开关后，上升电磁阀失电，机械手停止上升。
4.PLC 这时输入高速脉冲，电机驱动机械手进行逆时针旋转，转过90°后，PLC 停止输出高速脉冲，停止转动。
5. 紧接着下降电磁阀得电，机械手开始下降，下降到碰到行程开关后，下降电磁阀
失电，机械手下降停止，机械手到达机床卡盘中心高度。
6.机械手水平后缩，将工件装入机床的卡盘。
7.当工件装入到固定位置后，卡盘夹紧。 8.机械手手爪松开。
9.上升电磁阀得电，机械手上升，上升到固定位置后，碰到上限位开关，上升电磁阀失电，机械手停止上升。
10.PLC开始启动高速脉冲此时机械手作顺时针转动，当机械手旋转90°后，PLC 停止输出脉冲，机械手旋转停止，机械手回到原点。 11.机床对工件进行加工。
12.机床对工件加工完成后，发出下料的命令，机械手接到命令后，PLC 输出高速脉冲，这时机械手逆时针旋转，当旋转90°后，PLC 脉冲停止输出，机械手转动停止。 13.当下降电磁阀得电后，此时手爪柱塞缸电磁阀也得电，机械手张开手爪并下降， 下降到碰到行程开关后，下降电磁阀失电，机械手下降停止。
14.机床卡盘松开，机械手夹紧加工好的工件。 15.机械手前伸，把工件取出。
16.上升电磁阀得电，机械手上升，上升到碰到行程开关，机械手停止上升。 17.PLC输出脉冲，机械手顺时针转动，当转过90°后，PLC 停止输出脉冲，机械手旋转停止。
18.下降电磁阀得电，机械手开始下降，下降后碰到行程开关，下降电磁阀失电，机械手停止下降。
19.手爪张开，放下加工好的工件。
20.上升电磁阀得电，机械手上升，上升到一定位置后，上升电磁阀失电，机械手停止上升。
21.机械手水平后缩，回到原点。 22.机械手等待下一个命令。
4.1.3机械手操作面板布置
操作面板如图布置 机械手的操作方式有自动控制和手动控制两种方式选择。
1.自动控制 ： 上下料机械手从原点开始，当按下启动按钮，机械手自动完成相应的动作，并连续周期性的完成。若在工作过程中按下停止按钮，机械手将完成一个周期的动作就直接回到原点。
2.手动控制 ： 手动控制是机械手的动作每一步都进行单独的控制。比如，当选择前伸按钮时，机械手向前伸缩，碰到行程开关后停止。选择夹紧按钮时，机械手手爪进行夹紧动作。同理，选择上升按钮时，机械手上升。选择旋转按钮时，机械手顺时针旋转，按下停止旋转按钮时，机械手逆时针旋转。
4.1.4控制器的选型
在机械手控制系统上考虑到机械手工作可靠性，稳定性及各种控制元件的灵活性。选择具有极高可靠性，面向恶劣环境的工业控制器——PLC 。
查阅相关资料，选择具有紧凑设计，良好的扩展性，坚固耐用，可靠性强，还具有强大的指令及价格低廉的西门子S7-200型号PLC 。具体的型号是SIMATIC S7-200。
由于SIMATIC S7-200有很多种CPU ，根据该机械手的输入/输出并根据下图
选择SIMATIC S7-200 CPU224。这种PLC 如下图所示：
图 SIEMENS SIMATIC S-700 PLC I/O 接口端子排可容易整体拆卸。具有较强的控制能力。
4.1.5 PLC外部接线设计
要适应水平手臂液压缸的定位要求，用西门子SIMATIC S7-200 PLC 由于位移传感
器和伺服放大器是采用模拟量输入的，所以要增加一个模拟量输出的模块。S7-200系列的PLC 有6种扩展单元，由于自身没有CPU ，只能和基本单元相连接，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC 扩展单元型号和输入输出点数如下图：
根据机械手的工作原理，选择模拟量输出模块EM232，由于伺服放大器和位移传感器的输入需求，PLC 的模拟量采用-10V~+10V输入输出，PLC 的具体接线图如下：（详细图见图纸）
图 PLC硬件接线
4.1.6 I/O地址分配
表 PLC输入元件地址分配明细表
4.2机械手控制系统软件设计
4.2.1机械手控制主程序流程图
机械手控制主程序流程图如图所示：
图 机械手控制主程序流程图
结论
我至今为止，基本上完成了本设计的设计要求，主要设计内容包括：步进电机的选择，机械手手爪的设计，液压系统的设计、控制部分的系统设计等。
在设计中我遇到很多的麻烦，通过指导老师的讲解，我解决了一个又一个的难题，从中我知道：设计不能粗心大意，不懂的地方要多问，多去看看书，多查查文献资料，不能说：“应该可以吧”。
在现实生活中，机械手可以与数控机床相互结合，实现加工过程当中工件上下料的自动化，无人化。如果把机械手手爪的结构稍微改变下，就可以实现多种不同工件的上下料。在现实生活中可以减轻工人的劳动程度，促进生产的技术进步，具有良好的经济效益。
在机械部分设计过程中主要遇到的问题除了尺寸的设计外，还有一些校核的计算等，不仅让我们对以前学过的知识进行了复习，也让我们加深了理解。
电气控制部分的设计流程是先选择各所需的电器元件，然后对对PLC 型号进行选择，I/O端口分配，绘制外部接线图，然后拟定控制流程图。
这些东西就是我们三个月来的成果，在本次设计中，我对以前的课程设计过程有了个更加清晰的认识，不仅学会了该校核什么地方，为什么要校核，怎样校核等问题，而且也学会了怎么选用PLC ，如何进行端口分配本次毕业设计，我觉得我能够学到这么多东西主要是有老师的细心指导和同学们的帮助。
在这次设计中开始的时候我也觉得很吃力，慢慢的就开始习惯了，后来就越来越顺利，最终顺利完成。本次毕业设计，我学会许多东西，同时也遇到了不少问题，通过不断的努力，终究是收获多多，受益匪浅。
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致谢
首先，我要感谢我的导师X 老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作和学习中的榜样，起到了指明灯的作用；同时他那循循善诱的教导和不拘一格的思路更是给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中。其次我要感谢同组同学对我的帮助和指点，没有他们的帮助和提供资料，没有他们的鼓励和加油，这次毕业设计就不会如此的顺利进行。
历时三个月的毕业设计，是我在大学学习中遇到过的时段最长、涉及内容最广、工作量最大的一次设计。用老师们的一句话来概括的话就是这次毕业设计相当于把以前的一个个的小课程设计综合在一起了的过程，只有把握住每个小课程设计的精华、环环紧扣、增强逻辑，设计才能够更加有序顺利的完成。我此次的设计是做小型外圆零件上下料机械手设计。虽说老师说的话让此次的毕业设计看起来并不是那么的可怕，但是当我真正的开始着手时，的确还是觉得有点困难重重。
俗话说的好，“不懂就要问”，当每次遇到不懂的问题时，我都会把它记下来，然后等答疑的时候再去问X 老师，老师对我提出来的问题都一一解答，从来都不会因为我的问题稍过简单而加以责备，而是认真的解答，老师一再的告诫我做设计要注意的地方，从课题的选择到设计的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，真正起到了“传道授业解惑”的作用，让人油然而生的敬佩。除此之外，我们小组和老师还有另外两个交流途径：打电话和上网，为此老师还特意建立一个群，以便大家第一时间接收到毕业设计的最新消息和资料，每次大家都在群不亦乐乎的讨论着毕业设计的事情。多少个日日夜夜，X 老师不仅在学业上给我们精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除了敬佩老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的工作和学习。在此谨向X 老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在论文即将完成之际，我的心情仍无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后我还要感谢机械工程学院和我的母校贵州大学四年来对我的栽培。
1
本科毕业论文（设计）
论文（设计）题目： 小型外圆零件上下料机械手设计
学 院：机械工程学院
专 业：机械设计及其自动化
班 级：机自
学 号： ＿
学生姓名：
指导教师： ＿＿
2013年 6 月 1
日
贵州大学本科毕业论文（设计）
诚信责任书
本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。
特此声明。
论文（设计）作者签名：
日 期：
目录
摘要............................................................................................................................................. 5
第1章 绪论 .............................................................. 6
1.1 选题背景 .......................................................... 6
1.2设计目的...................................................................................................................... 6
1.3国内外钻研情况与趋向................................................. ............................................6
1.4设计原则...................................................................................................................... 7
第2章 设计方案的论证 .................................................... 8
2.1机械手的总体设计 .................................................. 8
2.1.1 机械手总体结构的类型 ........................................ 8
2.1.2 设计采用具体方案........................................................................................... 9
2.2 机械手手臂的结构设计 .............................................. 9
2.2.1 机械手手臂的设计要求 ........................................ 9
2.2.2 设计具体采用方案 ........................................... 10
2.3机械手末端执行器（手爪）的结构设计 ............................... 10
2.3.1机械手末端执行器的设计要求 .................................. 10
2.3.2机器人夹持器的运动和驱动方式 ................................ 11
2.3.3 机器人夹持器的典型结构 ..................................... 11
2.3.4设计具体采用方案 ............................................ 12
2.4机械手的机械传动机构的设计 ........................................ 12
2.4.1工业机器人常用的传动机构形式 ................................ 12
2.4.2 设计具体采用方案 ........................................... 14
2.5机械手驱动系统的设计 ............................................. 14
2.5.1机器人各类驱动系统的特点 .................................... 14
2.5.2工业机器人驱动系统的选择原则 ................................ 14
2.5.3设计具体采用方案 ............................................ 15
2.6机器人手臂的平衡机构设计 ......................................... 15
2.6.1机器人平衡机构的形式 ........................................ 15
2.6.2设计具体采用的方案 .......................................... 15
2.7 机械手腰座结构设计................................................................................................. 16
2.7.1机械手腰座结构设计要求.............................................................................. 16
2.7.2设计具体采用方案 ........................................................................................ 16
第3章 理论分析和设计计算 ............................................... 17
3.1液压传动系统设计计算 ............................................. 17
3.1.1确定液压系统基本方案 ........................................ 17
3.1.2拟定液压执行元件运动控制回路 ................................ 18
3.1.3液压系统的设计.............................................................................................. 18
3.1.4确定液压缸参数.............................................................................................. 18
3.1.5计算和选择液压元件...................................................................................... 32
3.2 电机选型有关参数计算 ............................................. 33
3.2.1有关参数计算.................................................................................................. 33
3.2.2电机型号选择.................................................................................................. 34
第4章 机械手控制系统的设计 ............................................. 36
4.1机械手控制系统硬件设计 ........................................... 36
4.1.1机械手工艺过程与控制要求 .................................... 36
4.1.2机械手的工作流程 ............................................ 37
4.1.3机械手操作面板布置 .......................................... 38
4.1.4控制器的选型 ................................................ 39
4.1.5 PLC外部接线设计.......................................................................................... 40
4.1.6 I/O地址分配 ................................................ 41
4.2机械手控制系统软件设计 ........................................... 43
结论 .................................................................... 44
参考文献 ................................................................ 45
致谢........................................................................................................................................... 46
摘 要
当今制造行业中，企业需要提高生产效率，保障产品的质量，很重视加工过程中的自动化程度，上下料机械手作为生产线上的重要成员，慢慢的被企业所接受，机械手在一定程度上反应了一个国家的自动化的生产水平，日前，机械手担任着焊接，喷涂，搬运等强度大的工作。
在此对机械设计制造及其自动化专业大学四年本科所学的知识进行结合，对机械手的机械结构和控制进行简述和分析，设计的是一种以圆柱坐标形式的数控车床的上下料机械手，对机械手的手臂，手爪，腰部结构及上下料机械手的控制系统进行了设计。与此同时，对液压系统进行计算，对控制系统进行分析，此控制系统是基于PLC 的控制系统，并且对PLC 的控制系统进行了详细的研究，对此上下料机械手的控制要求进行分析，设计了控制系统的硬件的电路，以及机械手工作的流程图，达到了设计的预期目标。
关键词：机械手；PLC ；液压传动；电气控制系统。
第1章 绪论
1.1 选题背景
因为产业自动化的全面发展和科学技术的不断进步，对工作效率的进步燃眉之急。纯真的手工劳作以知足不了产业自动化的请求，是以，必需操纵先进设备出产自动化机器以取代人的劳动，知足产业自动化的需求。此中机械手是其成长过程当中的主要产品之一，它不但提高了劳动生产的效力，还能取代人类完成高强度、伤害、反复死板的事情，减轻人类劳动强度，可以说是一箭双雕。在机械行业中，机械手愈来愈普遍的获得利用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上利用更加遍及。今朝，机械手已成长成为柔性制造系统FMS 和柔性制造单位FMC 中一个主要组成部分。把机床设备和机械手配合组成一个柔性加工体系或柔性制造单位，可以节流复杂的工件运送装配，布局紧凑，并且适应性很强。但目前我国的产业机械手手艺及其工程利用的水安然平静外洋比另有必然的间隔，利用范围和产业化程度低，机械手的钻研和开辟直接影响到我国机械行业自动化生产程度的进步，从经济上、手艺上斟酌都是十分必要的。是以，举行机械手的钻研计划具具备重要意义。
1.2 设计目的
日前，我国的制造业正在迅速发展，但大多数工场的出产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、出产效力低，并且具备必然的危险性，已知足不了出产自动化的发展趋势。为了进步事情效率，降低成本，并使出产线成长成为柔性制造系统，顺应当代机械行业自动化出产的请求，针对详细出产工艺，连系机床的现实布局，操纵机械手手艺，计划用一台上下料机械手取代人工事情，以进步劳动出产率。本机械手主要与机床组合终究构成生产线，实现加工进程的自动化和无人化。我所计划的机械手是在生产过程当中抓取和挪动工件的自动化装配。它可以或许应用到加工工场车间，知足数控机床和加工中间的加工进程安置、卸载加工工件的请求，从而减轻工人劳动强度，节俭加工帮助时候，进步出产效力和出产力。
1.3 国内外钻研近况和趋向
美国制造155毫米的钢弹体洛克福特军器厂，从胚料加工起头到加工终了直至弹体包装都主动举行，不消人手去打仗，到达全主动出产。产业机械手还能用来取代人工举行打磨、抛光、去毛刺和清算切屑等事情。比方，瑞典一家工场打磨和抛光不锈钢子弯头时，采取ASEA 机械手，进步加工效力30%以上，并且产品质量不变，不危险工人。又比如：沃尔沃（Valov ）公司在机械手上装了三个环形磨轮装置，用来去除传动箱外表面毛刺，节省时间约为手工时间的50%。
在国内金属的切削加工中，刀具的自动更换用机械手来完成。例如北京第二机床厂，北京第八机床厂，上海第二机床厂，上海第八机床厂，宁夏大河机床厂等公司的自动换刀机床，都用机械手更换刀具。在生产线上，机械手完成物品的传递和上下料，效率提高了近10倍。
对于机械手基础性能的试验及基础理论知识的研究，国内应该加强。要争取克服和解决制造的技术和其他的问题来提高机械手的运动速度，特别是对于冲压的机械手，以提高生产率的需要。要解决速度、定位技术要引进国外先进技术，培养技术能力高的人才。才能尽快解决机械手的问题，对机械设计制造的现代化、标准化要求才能提高。机械手的发展趋势是：在工业上增大机械手的应用，提高机械手性能，发展性能更好的机械手，研制“智能机器人”。
1.4 设计原则
在满足机械工艺性的要求上，尽量的使机械手的结构简单，尽可能地采用标准的通用配件，降低机械手的成本，提高机械手的可靠性。以满足生产需求和经济科学的设计为原则，将大学期间所学的专业知识，例如机械原理，机械设计，流体传动，传感器原理，PLC 原理及应用，电子技术等运用到机械手的设计当中来。使得通过本次设计对大学所学的专业知识进行巩固和强化，同时考虑个人能力和时间的因素，充分发挥个人的能力做好本次设计。
第2章 设计方案的论证
2.1机械手的总体设计
2.1.1 机械手总体结构的类型
机械手的结构形式主要有四种：圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构，直角坐标结构。四种结构的形式及其特点如下：
1.圆柱坐标结构机械手
圆柱坐标结构机械手的空间结构是通过两个直线运动和一个回转运动来实现的，如下图所示，圆柱坐标结构机械手结构比较简单，精度较好，通常用于搬运工作，空间结构是一个圆柱状的空间结构。
2. 球坐标结构机械手
球坐标结构机械手的空间结构是通过两个回转运动以及一个直线运动来实现的，如图所示，球坐标结构机械手结构简单，成本低，精度不高。通常用于搬运工作。工作空间是一个类似球形的空间。
3.关节型结构机械手
关节型结构机械手的空间结构是通过三个回转运动实现的，如图所示，关节型结构机械手动作灵敏，占地面积小，结构紧凑。对于机械手本身结构，工作空间较大，关节型机械手在生活中应用广阔，在焊接，搬运，喷漆等场合都广泛应用关节型结构的机械手。
4. 直角坐标结构机械手
直角坐标结构机械手的空间运动是利用三个互相垂直的直线运动来实现的。如图所示，直线运动有利于控制全闭环位置，所以直角坐标结构机械手可以达到很高的位置精度，然而，直角坐标结构机械手的运动空间相对于本身而言，工作空间是比较小的，为了实现特有的运动空间，直角坐标结构的机械手尺寸要比其他类型的机械手的尺寸结构要大很多。直角坐标结构的机械手的工作空间为长方体，直角坐标结构的机械手用于装配，搬运等工作。直角坐标结构的机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构.
图1 四种机器人坐标形式
2.1.2 设计具体采用方案
考虑到本设计搬运的工件的质量为30KG ，长度为500mm ，与此同时考虑到数控车床的布局以及对上下料机械手的具体要求，在满足系统工艺的前提下，简化机械手的结构，减少成本，提高机械手的可行度。此上下料机械手总共需要三种运动，手臂的伸缩以及立柱的升降为两个直线的运动，还有一个为回转运动，综合以上考虑，机械手的自由度取之为3，坐标形式选取圆柱坐标结构形式，即一个转动自由度和两个移动自由度，圆柱坐标结构的特点是结构简单，手臂的运动范围广，有较高的定位精度。
2.2 机械手手臂的结构设计
2.2.1 机械手手臂的设计要求
机械手的手臂作用是在一定的速度和载荷下，实现机械手所需求的动作，所以在设计机械手手臂的时候要遵守以下原则：
1.应该使机械手的手臂的各关节轴互相平行，互相垂直的轴应相交于一点，这样有利于机械手的控制。
2.机械手手臂的结构的尺寸应该满足机械手的工作要求，机械手工作空间和大小对机械手手臂的长度，手臂的关节转动的范围有着密切的关系。
3. 要提高机械手的运动速度和控制精度，应在机械手手臂有着足够的刚度和强度下进行，在机械手的结构和材料上减轻手臂的重量，可以选取高强度的轻质材料。通常选用高强度铝合金。
4.机械手各关节的轴承的缝隙要小，减小机械系统由于机械缝隙所造成的运动误差。
5.机械手手臂对相应的回转轴在重量上要保持平衡，这对电机造成的负载和提高机
械手的速度是相当有利的。进行设计时，要利用机械手上安装的原件与装置的重量来减小对机械手手臂的重量的不平衡。
6.机械手手臂在设计结构上需要考虑每个关节的限位开关和机械限位块，及驱动装置，传动机构。
2.2.2 设计具体采用方案
机械手手臂的垂直升降和水平手臂的伸缩运动皆为直线运动，实现直线运动一般是气压传动，液压传动及电机的滚珠丝杠三种方法来实现，考虑到搬运的工件质量为30KG ，于此同时，机械手的动态特性以及运动的稳定性，安全性，对机械手手臂的刚度都具有很高的要求，所以选取手臂的驱动为液压驱动的形式，通过液压缸进行直接驱动，同时液压缸既是驱动原件也是执行运动原件，而且液压缸实现直线运动控制简单，有利于实现计算机的控制。
由于液压系统可以提供很大的驱动力，在驱动力和结构的强度都易实现，主要是机械手运动的稳定性和刚度要满足要求，所以液压缸手臂的设计原则是液压缸的直径要取得稍微大些，然后在进行强度校核。在设计时采取了导杆机构，通过增加导杆机构，能显著提高机械手的刚度和稳定性，较好的解决了稳定性的问题。
2.3机械手末端执行器（手爪）的结构设计
2.3.1机械手末端执行器的设计要求
机械手的手爪是安装在机械手手腕上进行作业的装置，机械手的手爪的种类很多，根据机械手不同的作业来选择，手爪的用途可分为搬运，加工和测量等。
搬运用的手爪是各类的夹持的装置，主要用来抓取和搬运物体。
加工用的手爪是指带有喷枪，焊枪，砂轮等加工机械手的附加装置，用来进行相应的加工作业。
测量用的手爪是指装有测量传感器的装置，是用来进行测量和检验作业的。
在进行机械手手爪的设计时，应注意以下几点：
1. 机械手手爪是根据机械手作业的要求来设计的，一个全新的手爪的出现，机械手就可以增加一种应用场合。所以，机械手的应用领域将不断的扩大。
2. 机械手手爪的重量，被抓的物件的重量，及机械手允许的最大负荷力。所以，机械手手爪必须体积小，重量轻，机构比较紧凑。
3. 机械手手爪的万能性和专业性是矛盾的，万能的机械手手爪在结构上很复杂，很难实现这种手爪。日前，能用于生产的机械手还是那些结构简单，万能性不太强的机械手手爪。
4. 机械手手爪的通用性和万能性，万能性是一个机器很多功能，通用性是指有限的机械手手爪结构可用于不同的机器人，要根据机械手手爪的标准的机械接口来决定。
5. 机械手手爪要易于安装以及维修，还要便于计算机的控制。
2.3.2机械手夹持器的运动和驱动方式
机械手夹持器以及机械手手爪。一般工业用的机械手手爪，大多为双指手爪，根据手指的运动方式，可以分为回转运动和移动运动两类。按夹持方式来分类，可以分为外夹式和内撑式两种。机械手手爪的驱动方式主要有3种。
1. 气动驱动方式 此驱动系统是利用电磁阀来控制机械手手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。
2. 电动驱动方式 此驱动系统手爪应用也比较广泛，用这种方式的手爪，一般采用伺服电机或者步进电机。
3. 液压驱动方式 此驱动系统传动刚度比较大，而且可以实现连续位置控制。
2.3.3 机械手夹持器的典型结构
1.楔块杠杆式手爪
此方式是利用楔块和杠杆来实现手爪的松开，从而来实现工件的抓取工作。
2.滑槽式手爪
这种手爪是当活塞向前运动的时候，滑槽通过销子来推动手爪合并，从而来夹紧工件，当活塞向后运动的时候，手爪松开。
3.连杆杠杆式手爪
这种手爪是在活塞的推动下，让连杆和杠杆来让手爪进行夹紧，放松运动。通常与弹簧合用。
4.齿轮齿条式手爪
这种手爪通过活塞来推动齿条，齿条来带动齿轮旋转，产生机械手手爪的松开和夹紧动作。
5.平行杠杆式手爪
这种手爪采用的是平行四边形机构，从而就不需要导轨就可以让手爪保持平行运动。
2.3.4设计具体采用方案
根据设计的具体情况，此设计采用连杆杠杆式手爪，驱动活塞往复移动，从而让活塞杆端部齿条，中间齿条让手指进行松开和夹紧。手指的最小张开程度由加工工件直径来定。设计简图如下图：
图2 机械手手爪的结构图
2.4机械手的机械传动机构的设计
2.4.1机械手常用的传动机构形式
1.齿轮传动机构
在机械手常用的齿轮传动中有圆柱齿轮传动，圆锥齿轮传动，谐波齿轮传动，摆线针轮传动，和蜗轮蜗杆传动等类型。
机械手在齿轮传动中设计的问题：
1.齿轮传动和传动比要匹配。齿轮传动是转矩转速和转向变换器的齿轮减速器的一个变换器，齿轮传动比应该与驱动和负载之间的转速，转矩要求。还要求齿轮传动具有低的转动惯量。
2.传动比的分配原则，计算出传动比后，为了时减速机构紧凑，满足精度要求，对各级传动比要合理分配，原则如下：
a.输出轴转角误差最小原则。 要提高传动系统的运动精度，传动比应该按照“先小后大”的原则，这样能降低齿轮的加工误差，安装误差和回转误差。
b．等效转动惯量最小原则。 使用此设计时齿轮系统要换算到电机上的转动惯量要是最小的，传动比也是按照“先小后大”的原则，使结构紧凑。
2. 谐波齿轮传动
谐波齿轮传动机构有结构简单，体积小，传动比大，传动精度高，传动平稳，效率高等优点。因此在机械手中应用得十分广泛，谐波齿轮是根据柔性齿轮产生的变形波引起齿轮齿间的相对错齿来传递动力的。所以谐波齿轮传动机构和一般的齿轮传动机构具有本质上的区别。
3. 螺旋传动
螺旋传动以及丝杠螺母，主要用来将选中运动换为直线运动或者将直线运动换为旋转运动。
丝杠螺母的传动油普通丝杠和滚珠丝杠，普通丝杠结构比较简单，加工比较方便，制造成本比较低。但是传动效率较低。而滚珠丝杠结构复杂，制造的成本较高。但是滚珠丝杠最大的优点是摩擦阻力矩小，传动效率较高，能达到92%~98%，运动平稳性好，灵敏度高。
4. 同步带传动
同步带的传动是利用普通带传动和链传动结合的一种新型传动，他在工作面上具有啮合齿，通过带齿和轮齿啮合来传动。为了保证带和带轮来无滑动的同步传动，同步带的传动比准确，传动效率较高，节能效果好。在机械手当中使用很多，但是同步带传动也有缺点，例如安装精度要求较高，中心距要求比较严格，。同步带带轮齿形还有梯形齿形和圆弧齿形两种。
5. 钢带传动
钢带传动是钢带与带轮之间面积大，属于无间隙传动，摩擦的阻力大，没有滑动，结构简单，运行可靠，驱动力矩较大，寿命较长，传动效率较高。
6. 链传动
在机械手中链传动通常用于腕部的传动上，为了减轻机械手的重量，一般将驱动腕关节的电机放在小臂的后端或者大臂的关节上。
7. 钢丝绳轮传动
钢丝绳轮的传动结构较简单，传动刚度较大，结构柔软，成本低。钢丝绳轮的缺点是带轮大，安装面积大。
2.4.2 设计具体采用方案
考虑到本设计选用了液压缸作为机械手水平手臂和垂直手臂，由于液压缸可以实现直接驱动，所以既是关节机构，又是动力原件。所以不需要传动机构，故不需要传动机构。机械手腰部结构的回转是利用步进电机驱动的，要采用传动机构来减速增大扭矩，通过分析，选取圆柱齿轮传动，来保证较高的传动精度，减少齿轮传动造成的误差。采用传动比较大，齿轮采用强度高，硬度高的材料，加工精度较高进行制造。
2.5机械手驱动系统的设计
2.5.1机械手各类驱动系统的特点
机械手的驱动系统可分为液压，气压，电动三种。这三种驱动之间也可以实现复合式的驱动系统，这三类驱动的主要特点如下：
1. 液压驱动系统
液压技术是一种较成熟的技术，具有动力大，惯量大，易于实现之间驱动等优点。适用于承载能力强，惯量大及在防爆防火的环境中工作的机械手，然而液压系统要进行能量的转换，速度的控制多数采用节流调速，效率没有电动驱动的高，液压系统的液体一旦泄露会污染环境。
2. 气动驱动系统
气动驱动具有速度快，维修较方便，价格低等特点。适用于中，小型的机械手，但是由于难实现伺服控制，大多数用在程序控制的机械手中。
3. 电动驱动系统
电动驱动系具有使用方便，噪声低，控制灵活等优点。但由于电机驱动优点较为突出，在机械手中被广泛应用。
2.5.2机械手驱动系统的选择原则
在设计机械手时，要根据机械手的用途，作业需求，维修的复杂程度性价比来选择驱动，而且要充分考虑其合理性，可行性，经济型来进行选择，一般情况：
1. 上下料机械手用的是有限点位控制机械手，可以选择液压驱动系统，电动驱动系统，气动驱动系统。但是冲压机械手多采用气动驱动系统。
2. 用于焊接类型的机械手，要具有点位和轨迹控制的功能，要采用伺服驱动系统，只能采用液压驱动系统和电动伺服驱动系统。重载负荷的焊接机械手多数选用液压驱动系统。
2.5.3设计具体采用方案
本设计，在分析了工作要求后，综合考虑，机械手的腰部结构由于旋转要选择一定的控制精度，要利用步进电机来实现。水平手臂和垂直手臂采用液压缸来实现，同时考虑机床加工工件的不同，水平手臂的伸缩长度是不一样的。因此水平手臂具有伺服定位能力。所以采用电液伺服液压缸进行驱动。
手爪的张开和夹紧通过液压缸与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现张开和夹紧动作。
2.6 机械手手臂的平衡机构设计
对于直角坐标结构，圆柱坐标结构以及球坐标结构的机械手可以利用合理的布局来优化结构设计，使手臂本身尽可能的达到平衡，关节型结构的机械手一般要通过安装平衡装置来减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。
2.6.1机械手平衡机构的形式
机械手通常所用的平衡机构有以下几种方法：
1.配重平衡机构
这种平衡机构结构简单，平衡效果好，有利于调整，工作性可靠，但是由于增加了机械手手臂的惯性和关节的载荷，在机械手手臂不平衡的力矩较小的情况下采用。
2. 弹簧平衡机构
这种平衡机构结构简单，价格低廉，工作可靠，效果较好，容易维修，所以应用广泛。
3. 活塞推杆平衡机构
这种平衡机构有液压和气压两种，液压平衡系统的平衡力较大，体积比较小，有一定阻力。气压平衡系统具有好的阻尼作用，体积较大。
2.6.2设计具体采用的方案
由于本设计设计的机械手采用的是圆柱坐标形式的结构，并且在手臂的结构设计中都考虑了平衡的问题，通过优化设计使得手臂尽可能达到平衡，要是实际工作中不满足，就采用弹簧平衡机构进行平衡机构来让手臂达到平衡。
2.7机械手腰座结构的设计
以上对机械手进行了总体设计，也对机械手的手臂，手爪进行了详细的设计，这里对腰部结构进行设计。
2.7.1 机械手腰座结构的设计要求
机械手的腰部，其实就是圆柱坐标型机械手，球坐标型机械手和关节型机械手的回转的基座。他是机械手的第一个回转关节，机械手主要的运动部分安装在腰部上，它承载着机械手的全部重量。所以在机械手腰部的设计时，要注意：
1. 腰部结构要有一定的安装几面，并且要足够大，这样来保证机械手在工作时的稳定性。
2. 腰部结构要承受机械手的全部重量和载荷，所以，机械手的基座部分，腰部轴承要有足够大的强度和刚度，来保证机械手的承载能力。
3. 腰部结构是机械手的第一个回转关节，对机械手的末尾的运动精度影响非常大，所以，在设计时要注意腰部结构和腰部轴承传动链的精度。
4. 腰部结构的回转运动要有相对应的驱动，它包含电动，液压，气动以及减速器。
5. 腰部结构设计完成后要便于安装，调整以及可靠的定位基准面。还要设有调整机构，以便用来调整腰部结构轴承的间隙和减速器的传动间隙。
6. 要减小机械手的运动惯量，提高机械手的控制精度，要将腰部回转运动的外壳材料用重量较小的铝合金材料，不是铸铁或者是铸钢等材料。
2.7.2 设计具体采用方案
腰部结构的回转运动的驱动形式有电机通过减速器来实现以及通过液压缸或者液压马达来实现。在此设计中选用前者，由于电动方式控制精度较高，结构紧凑。由于腰部结构是机械手的第一个回转关节，对机械手的精度影响较大，又考虑到电机转速和扭矩之内的存在，采用大传动比的齿轮传动系统来进行，由于齿轮传动存在齿间间隙，影响了一定的传动精度，采用一级齿轮传动且传动比大于100，同时采用高强度，高硬度的齿轮材料。腰部结构具体设计如下图：
图 腰座结构图
第3章 理论分析和设计计算
3.1液压传动系统设计计算
3.1.1确定液压系统基本方案
液压执行元件可分为液压缸和液压马达。前者实现的是直线运动，后者实现的是回转运动，两者的特点见下表（此表引用来自《液压传动》设计指导书，机械设计出版社）
由于采用的是圆柱坐标结构形式的机械手，具有3个自由度，一个转动自由度，两个移动自由度，决定机械手腰部的回转结构用电机驱动来实现，两个移动均为直线运动，选用单活塞杆液压缸来实现此直线运动。
3.1.2拟定液压执行元件运动控制回路
确定液压元件后，运动的方向和运动的速度的控制才是液压回路的重要问题。
对于一般小流量的液压系统，用换向阀的组合来实现动作。对于流量大的系统，大多采用插装阀和先导控制阀组合来实现。
此机械手的方向采用电磁换向阀来完成，速度的控制采用节流阀来控制，主要是采用比较简单的节流阀控制即可。
3.1.3液压系统的设计
液压系统是由液压源来提供，液压源的核心是液压泵，节流调速装置一般用定量泵来完成，在没有其他的辅助油源的时候，液压泵的供油要大于系统的需油量，多余的油液经过溢流阀流回油箱。容积的调速系统大多是用变量泵实现，用安全阀来限定最高压力。
油液的净化是在液压系统中不可缺少的原件。一般液压泵的入口要安装滤油器，进入系统油液要根据要求，通过精滤油二次过滤，为了防止系统中的杂质流回油箱，在回油的路上设置电磁过滤器。
此设计采用的是定量泵供油，根据溢流阀来控制系统的压力，为了保证液压油的清洁，在液压泵的入口安装过滤器，在油泵的出口安装精滤器来进行油液的净化。
3.1.4确定液压系统的主要参数
一、手爪液压缸选择
1. 液压缸工作压力的确定
液压缸工作压力主要根据液压设备类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时，可以用类比法来确定。下表1列出的数据，可以供选定工作压力时的参考。
表1 液压设备常用的工作压力
综上：选取工作压力3~5 MPa
2. 液压缸内径D 和活塞杆直径d 的确定
D 2=4(F +F fc )
πp 1+(D 2-d 2) p 2 p 1
式中：p 1-液压缸工作压力，初算时可以取系统工作压力p p
p 2-液压缸回油腔背压力，初算时无法准确计算，可先根据表2估计。 d D -活塞杆直径与液压缸内径之比，可按表3选取。
表2 执行元件背压的估计值
表3 液压缸内径D 与活塞杆直径d 的关系
F-工作循环中最大外负载
F fc -液压缸密封处摩擦力，它的精确度不易求得，常用液压缸的机械效率ηcm 来进行估算。
F F +F fc = ηcm
ηcm -液压缸的机械效率，一般取0.9~0.97
将ηcm 代入式中，求得D ： D =4F ⎧p 2⎡⎫d ⎤πp 1ηcm ⎨1-⎢1-() 2⎥⎬D ⎦⎭⎩p 1⎣
活塞杆直径可由d D 值算出，由所计算的D 与d 值分别按表4与表5圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。
表5 活塞杆直径系列
对选定后的液压缸内径D ，必须进行最小稳定速度验算。要保证液压缸节流腔的有效工作面积A ，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积A min ，即A ≥A min 。 A min =q min v min
式中：-流量阀的最小稳定流量，一q min 般从选定流量阀的产品样本中查得。 v min -液压缸的最低速度，由设计要求给定。
如果液压缸节流腔的有效工作面积A 不大于计算所得的最小有效面积A min ，则说明液压缸不能保证最小稳定速度，此时必须增大液压缸内径，以满足速度稳定的要求。
代入数据：可求得D=19.393mm 圆整后取为20mm
由d D =0. 7 d=14mm 3.液压缸壁厚和外径的确定
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。
液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可以分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。
液压缸的内径D 与其壁厚δ的比值D/δ≥10的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算。
δ= 式中：δ-液压缸壁厚（m ） D-液压缸内径（m ）
p y -试验压力，一般取最大工作压力的（1.25~1.5）倍（MPa ）
[σ]-缸筒材料的许用应力。其值为：锻钢[σ]=110~120MPa；铸钢[σ]=100~110MPa；无缝钢管：[σ]=100~110MPa；高强度铸钢：[σ]=60MPa：灰铸铁[σ]=25MPa。
在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死和漏油，因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。
对于D ≤10时，应按材料力学中的厚壁圆筒公式进行壁厚的计算。 对脆性及塑性材料
D ⎛
δ≥
2 ⎝
p v D
2σσ+0. 4P y σ-1. 3P y
⎫-1⎪ ⎪⎭
式中符号的意义和前面相同。
液压缸壁厚算出厚，即可以求出缸体的外径D 1为 D 1≥D +2δ
求出值后按有关国标进行圆整取标准值。
[σ]=σb
n σb 为材料抗拉强度，经查相关资料取为650MPa ，n 为安全系数，
此处取n =5；
带入数据：求得δ=5mm
外径D 1≥D +2δ=20+10=30mm 4. 液压缸工作行程的确定
液压缸工作行程的长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照表6（I、II、III）的系列尺寸来选取标准值。
表I
表II
表III 综上所述；手爪的工作行程选用80mm 5. 缸体长度的确定
液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。 6. 活塞杆稳定性计算 根据公式
d ≥
πσ4F
带入数据，满足要求。
根据以上计算，手爪液压缸的参数为
以上表与公式均选用《液压传动》设计指导书，机械设计教研室出版 二、水平伸缩液压缸选择
1. 液压缸工作压力的确定
液压缸工作压力主要根据液压设备类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时，可以用类比法来确定。 综上：选取水平液压缸的压力为3MPa 。 2. 液压缸内径D 和活塞杆直径d 的确定 D =
2
4(F +F fc )
πp 1
+(D 2-d 2)
p 2
p 1
式中：p 1-液压缸工作压力，初算时可以取系统工作压力p p
p 2-液压缸回油腔背压力，初算时无法准确计算，可先根据表2估计。 d
-活塞杆直径与液压缸内径之比，可按表3选取。
表2 执行元件背压的估计值
表3 液压缸内径D 与活塞杆直径d 的关系
F-工作循环中最大外负载
F fc -液压缸密封处摩擦力，它的精确度不易求得，常用液压缸的机械效率ηcm 来进行估算。
F
F +F fc =
ηcm
ηcm -液压缸的机械效率，一般取0.9~0.97 将ηcm 代入式中，求得D ： D =
4F
⎧p 2⎡d 2⎤⎫πp 1ηcm ⎨1-⎢1-() ⎥⎬
D ⎦⎭⎩p 1⎣
活塞杆直径可由d D 值算出，由所计算的D 与d 值分别按表4与表5圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。
表4 液压缸内径尺寸系列
表5 活塞杆直径系列
对选定后的液压缸内径D ，必须进行最小稳定速度验算。要保证液压缸节流腔的有效工作面积A ，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积A min ，即A ≥A min 。 A min =
q min
v min
式中：q min -流量阀的最小稳定流量，一般从选定流量阀的产品样本中查得。 v min -液压缸的最低速度，由设计要求给定。
如果液压缸节流腔的有效工作面积A 不大于计算所得的最小有效面积A min ，则说明液压缸不能保证最小稳定速度，此时必须增大液压缸内径，以满足速度稳定的要求。 代入数据：可求得D=58.674mm 圆整后取为60mm
由d D =0. 4 算出d 圆整后取25mm 3. 液压缸壁厚和外径的确定
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。
液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可以分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。 液压缸的内径D 与其壁厚δ的比值D/δ≥10的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算。
δ= 式中：δ-液压缸壁厚（m ） D-液压缸内径（m ）
p y -试验压力，一般取最大工作压力的（1.25~1.5）倍（MPa ）
[σ]-缸筒材料的许用应力。其值为：锻钢[σ]=110~120MPa；铸钢[σ]=100~110MPa；
p v D
2σ
无缝钢管：[σ]=100~110MPa；高强度铸钢：[σ]=60MPa：灰铸铁[σ]=25MPa。
在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死和漏油，因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。
对于D ≤10时，应按材料力学中的厚壁圆筒公式进行壁厚的计算。 对脆性及塑性材料
D ⎛
δ≥
2 ⎝
+0. 4P y
σ-1. 3P y
⎫-1⎪ ⎪⎭
式中符号的意义和前面相同。
液压缸壁厚算出厚，即可以求出缸体的外径D 1为 D 1≥D +2δ 求出值后按有关国标进行圆整取标准值。
[σ]=σb
n σb 为材料抗拉强度，经查相关资料取为650MPa ，n 为安全系数，
此处取n =5；
带入数据：求得δ=5mm
外径D 1≥D +2δ=60+20=80mm 4. 液压缸工作行程的确定
液压缸工作行程的长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照表6（I、II、III）的系列尺寸来选取标准值。
表I
表II
表III 综上所述；手爪的工作行程选用400mm 5. 缸体长度的确定
液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。 6. 活塞杆稳定性计算 根据公式
d ≥ 带入数据，满足要求。
πσ4F
以上表均选用《液压传动》设计指导书，机械设计教研室出版
由于水平伸缩缸的作用是实现伸缩的直线运动，在竖直方向上不受工作载荷，竖直方向主要是克服摩擦力矩，然而机械手要具有一定的柔韧性，水平伸缩液压缸具有较大的工作行程，与此同时具有较大的弯矩。
在进行设计水平伸缩液压缸时，要增大抗弯距的能力和合理的布局，让它具有较大的刚度，为了满足要求，采用了两个导向杆来满足活塞杆的稳定性和导向的问题。为了增大此结构的刚度以及结构的稳定性，两个导向杆和活塞杆布置为三角形状，增大抗弯截面模量，同时也增大了液压缸的刚度。 三、垂直伸缩液压缸选择
1. 液压缸工作压力的确定
液压缸工作压力主要根据液压设备类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时，可以用类比法来确定。 综上：选取水平液压缸的压力为3MPa 。
2. 液压缸内径D 和活塞杆直径d 的确定 D 2=
4(F +F fc )
πp 1
+(D 2-d 2)
p 2
p 1
式中：p 1-液压缸工作压力，初算时可以取系统工作压力p p
p 2-液压缸回油腔背压力，初算时无法准确计算，可先根据表2估计。 d
-活塞杆直径与液压缸内径之比，可按表3选取。
表2 执行元件背压的估计值
表3 液压缸内径D 与活塞杆直径d 的关系
F-工作循环中最大外负载
F fc -液压缸密封处摩擦力，它的精确度不易求得，常用液压缸的机械效率ηcm 来进行估算。
F
F +F fc =
ηcm
ηcm -液压缸的机械效率，一般取0.9~0.97 将ηcm 代入式中，求得D ： D =
4F
⎧p ⎡d ⎤⎫πp 1ηcm ⎨1-2⎢1-() 2⎥⎬
D ⎦⎭⎩p 1⎣
活塞杆直径可由d D 值算出，由所计算的D 与d 值分别按表4与表5圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。
表4 液压缸内径尺寸系列
表5 活塞杆直径系列
对选定后的液压缸内径D ，必须进行最小稳定速度验算。要保证液压缸节流腔的有效工作面积A ，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积A min ，即A ≥A min 。 A min =
q min
v min
式中：q min -流量阀的最小稳定流量，一般从选定流量阀的产品样本中查得。 v min -液压缸的最低速度，由设计要求给定。
如果液压缸节流腔的有效工作面积A 不大于计算所得的最小有效面积A min ，则说明液压
缸不能保证最小稳定速度，此时必须增大液压缸内径，以满足速度稳定的要求。 代入数据：可求得D=58.674mm 圆整后取为60mm
由d D =0. 4 算出d 圆整后取25mm 3.液压缸壁厚和外径的确定
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。
液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可以分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。 液压缸的内径D 与其壁厚δ的比值D/δ≥10的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算。
δ= 式中：δ-液压缸壁厚（m ） D-液压缸内径（m ）
p y -试验压力，一般取最大工作压力的（1.25~1.5）倍（MPa ）
[σ]-缸筒材料的许用应力。其值为：锻钢[σ]=110~120MPa；铸钢[σ]=100~110MPa；无缝钢管：[σ]=100~110MPa；高强度铸钢：[σ]=60MPa：灰铸铁[σ]=25MPa。
在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死和漏油，因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。
对于D ≤10时，应按材料力学中的厚壁圆筒公式进行壁厚的计算。 对脆性及塑性材料
D ⎛
δ≥
2 ⎝
p v D
2σσ+0. 4P y σ-1. 3P y
⎫-1⎪ ⎪⎭
式中符号的意义和前面相同。
液压缸壁厚算出厚，即可以求出缸体的外径D 1为 D 1≥D +2δ
求出值后按有关国标进行圆整取标准值。
[σ]=σb
n σb 为材料抗拉强度，经查相关资料取为650MPa ，n 为安全系数，
此处取n =5；
带入数据：求得δ=5mm
外径D 1≥D +2δ=60+20=80mm 4.液压缸工作行程的确定
液压缸工作行程的长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照表6（I、II、III）的系列尺寸来选取标准值。
表I
表II
表III 综上所述；手爪的工作行程选用100mm 5. 缸体长度的确定
液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。 6. 活塞杆稳定性计算 根据公式
d ≥
πσ4F
带入数据，满足要求。
综上所述：水平伸缩液压缸的参数如下
以上表均选用《液压传动》设计指导书，机械设计教研室出版
由于垂直伸缩液压缸要具有一定的垂直载荷，又有比较大的倾覆力矩，对于液压执行元件，满足这里的驱动力是能够满足的，但是对于它的结构设计是不是具有足够的刚度，仍然采用了导向杆，在垂直升降的周围设置了四根导向杆。
3.1.5 计算和选择液压元件
1.液压泵的计算
（1）确定液压泵的实际工作压力p p
p p =p 1+∑∆p 1
式中，p 1-------计算工作压力，前以定为4MPa ；
∑∆p 1------对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.5~1.5）MPa ，这
里取为1MPa 。
因此，可以确定液压泵的实际工作压力为
p p =4+1=5MPa
（2）确定液压泵的流量
q p =K ⋅q max
式中，K ------为泄露因数，取1.1；
q max -----为机械手工作时最大流量。
q max =∑A ⋅v
经计算得 q max =3.140L /min
带入上式得 q p =1. 1⨯3. 140=3. 454L /min
（3）确定液压泵电机的功率
P 工=2⨯
p p ⋅q max 60⋅η
式中，q max ------为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140L /min ；
p p -------液压泵实际工作压力，5MPa ； η------为液压泵总效率，取为0.8； 带入数据计算得： P 工=0.654kw 。
以上公式引用《液压传动》设计指导书，机械设计教研室出版 2.控制元件的选择
根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。这部分在考虑具体的作业时根据详细的要求再结合具体情况进行详细，这里暂从略。
3.油管及其他辅助装置的选择
（1）查阅《液压传动》设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数
液压泵出口流量以3.140L/MIN计，选取φ6；液压泵吸油管稍微粗些，选择φ8；其余都选为φ5；
（2）确定油箱的容量
一般取泵流量的3~5倍，这里取为5倍，有效容积为
V =5⨯q p =5⨯3. 2=16L
3.2 电机选型有关参数计算
3.2.1有关参数的计算
若传动负载作回转运动 负载额定功率： P 0=
T 1⋅N L
9550⋅η
22GD L ⋅N L
负载加速功率： P a = 3
3577⨯10⋅t a
负载力矩（折算到电机轴）：
T L =
N L
⋅T l N M ⋅η
负载GD （折算到电机轴）：
GD 2
N L 2L =(
N ) 2
GD l M
起动时间：
t (GD 22
M +GD L ) ⋅N M
a =
375(T P -T L )
制动时间：
t (GD 22
M +GD L ) ⋅N M
d =
375(T P -T L )
式中，P 0-----为额定功率，KW ；
P a -----为加速功率，KW ；
N l -----为负载轴回转速度，r/min；
N M -----为电机轴回转速度，r/min；
V l -----为负载的速度，m/min；
η-----为减速机效率； μ-----为摩擦系数；
T l -----为负载转矩（负载轴）
，N ⋅m ； T p -----为电机启动最大转矩，N ⋅m ；
T L -----为负载转矩（折算到电机轴上）
，GD 2l -----为负载的GD 2，N ⋅m 2；
N ⋅m ；
2GD L -----为负载GD 2（折算到电机轴上），N ⋅m 2； 2GD M -----为电机的GD 2，N ⋅m 2；
具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。
因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；
T l =F f ⋅R =G ⋅f ⋅R
式中，f -----为滚动轴承摩擦系数，取0.005；
G -----为机械手本身与负载的重量之和，取100KG ； R -----为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240mm ；
带入数据，计算得 T l =0.12N ⋅m ；
同时，腰部回转速度定为N l =5r/min；传动比定为1/120； 且，GD l =mgD 2 带入数据得： GD l =10.45667N ⋅m 2。
将其带入上（3-24）~（3-30）式，得：
P 0=1. 3227W ；W ； P a =0. 0068
s ≈3ms ； 启动时间 t a =0. 002962
制动时间 t d ≈3ms ；
折算到电机轴上的负载转矩为：T L =0. 0010523N ⋅m 。 以上公式引用《机电传动控制》，华中科技大学出版社出版。
3.2.2电机型号的选择
根据以上的计算结果，查阅相关资料，选取国产北京和利时电机技术有限公司制造的步进电机，具体型号为110BYG550B-SAKRMA-0301
此型号110BYG550B-SAKRMA-0301的电机具有高转矩，低振动，综合性能较好。 下面为此型号电机的矩频特性曲线以及相关技术参数。（引用选自北京和利时电机技术有限公司的说明书）
图为110BYG550B-SAKRMA-0301步进电机的矩频特性曲线
驱动方式：升频升压； 步距角：0.36°；
由于此机械手腰部齿轮的传动比为1:120，步进电机进过减速以后传递到回转轴上，腰部回转轴上的步距角为电机实际的步距角的1/120，实际上存在着间隙以及齿轮传动的非线性误差，但由于精度高，能满足机械手的定位精度的要求。
第4章 机械手控制系统的设计
4.1机械手控制系统硬件设计 4.1.1机械手工艺过程与控制要求
此机械手的动作有水平的伸缩，垂直的升降，手爪的夹紧与松开和腰部的旋转。垂直升降和水平伸缩由液压来实现，液压缸又由电磁阀来控制。比如：当上升电磁阀通电时，机械手才上升，当上升电磁阀断开电源时，机械手停止上升。然而水平伸缩的主要
由电液伺服阀以及伺服驱动器来进行控制。
手爪的夹紧和放松，要通过柱塞缸和齿轮相互配合来实现动作。柱塞缸是由单线圈的电磁阀来确定控制的，当线圈没有通电的时候，柱塞缸不工作，线圈通电的时候，柱塞缸开始工作，手爪张开。
机械手旋转到机床的上方准备下降为上下料工作的时候，为了安全起见，在机床停止工作的时候才能发出上下料的命令，才允许机械手下降进行工作。与此同时，机械手在从工件料的工作料架上取工件的时候，要先对工件的有无进行判断。
4.1.2机械手的工作流程
机械手的作业动作流程如图所示：
图 上下料机械手工作流程图
机械手的工作流程
1. 机械手在原点，按下启动按钮，发出上下料命令，此时水平液压缸开始向前伸缩
进行伺服定位，前伸到指定位置后，停止前进。
2. 这时下降电磁阀得电，于此同时手爪柱塞液压缸电磁阀也得电，机械手下降，张开手爪，下降到一定位置后碰到下限行程开关后，下降电磁阀失电，下降停止，手爪夹紧工件。
3. 上升电磁阀通电，机械手上升，上升到一定位置后，碰到了上限位开关后，上升电磁阀失电，机械手停止上升。
4.PLC 这时输入高速脉冲，电机驱动机械手进行逆时针旋转，转过90°后，PLC 停止输出高速脉冲，停止转动。
5. 紧接着下降电磁阀得电，机械手开始下降，下降到碰到行程开关后，下降电磁阀
失电，机械手下降停止，机械手到达机床卡盘中心高度。
6.机械手水平后缩，将工件装入机床的卡盘。
7.当工件装入到固定位置后，卡盘夹紧。 8.机械手手爪松开。
9.上升电磁阀得电，机械手上升，上升到固定位置后，碰到上限位开关，上升电磁阀失电，机械手停止上升。
10.PLC开始启动高速脉冲此时机械手作顺时针转动，当机械手旋转90°后，PLC 停止输出脉冲，机械手旋转停止，机械手回到原点。 11.机床对工件进行加工。
12.机床对工件加工完成后，发出下料的命令，机械手接到命令后，PLC 输出高速脉冲，这时机械手逆时针旋转，当旋转90°后，PLC 脉冲停止输出，机械手转动停止。 13.当下降电磁阀得电后，此时手爪柱塞缸电磁阀也得电，机械手张开手爪并下降， 下降到碰到行程开关后，下降电磁阀失电，机械手下降停止。
14.机床卡盘松开，机械手夹紧加工好的工件。 15.机械手前伸，把工件取出。
16.上升电磁阀得电，机械手上升，上升到碰到行程开关，机械手停止上升。 17.PLC输出脉冲，机械手顺时针转动，当转过90°后，PLC 停止输出脉冲，机械手旋转停止。
18.下降电磁阀得电，机械手开始下降，下降后碰到行程开关，下降电磁阀失电，机械手停止下降。
19.手爪张开，放下加工好的工件。
20.上升电磁阀得电，机械手上升，上升到一定位置后，上升电磁阀失电，机械手停止上升。
21.机械手水平后缩，回到原点。 22.机械手等待下一个命令。
4.1.3机械手操作面板布置
操作面板如图布置 机械手的操作方式有自动控制和手动控制两种方式选择。
1.自动控制 ： 上下料机械手从原点开始，当按下启动按钮，机械手自动完成相应的动作，并连续周期性的完成。若在工作过程中按下停止按钮，机械手将完成一个周期的动作就直接回到原点。
2.手动控制 ： 手动控制是机械手的动作每一步都进行单独的控制。比如，当选择前伸按钮时，机械手向前伸缩，碰到行程开关后停止。选择夹紧按钮时，机械手手爪进行夹紧动作。同理，选择上升按钮时，机械手上升。选择旋转按钮时，机械手顺时针旋转，按下停止旋转按钮时，机械手逆时针旋转。
4.1.4控制器的选型
在机械手控制系统上考虑到机械手工作可靠性，稳定性及各种控制元件的灵活性。选择具有极高可靠性，面向恶劣环境的工业控制器——PLC 。
查阅相关资料，选择具有紧凑设计，良好的扩展性，坚固耐用，可靠性强，还具有强大的指令及价格低廉的西门子S7-200型号PLC 。具体的型号是SIMATIC S7-200。
由于SIMATIC S7-200有很多种CPU ，根据该机械手的输入/输出并根据下图
选择SIMATIC S7-200 CPU224。这种PLC 如下图所示：
图 SIEMENS SIMATIC S-700 PLC I/O 接口端子排可容易整体拆卸。具有较强的控制能力。
4.1.5 PLC外部接线设计
要适应水平手臂液压缸的定位要求，用西门子SIMATIC S7-200 PLC 由于位移传感
器和伺服放大器是采用模拟量输入的，所以要增加一个模拟量输出的模块。S7-200系列的PLC 有6种扩展单元，由于自身没有CPU ，只能和基本单元相连接，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC 扩展单元型号和输入输出点数如下图：
根据机械手的工作原理，选择模拟量输出模块EM232，由于伺服放大器和位移传感器的输入需求，PLC 的模拟量采用-10V~+10V输入输出，PLC 的具体接线图如下：（详细图见图纸）
图 PLC硬件接线
4.1.6 I/O地址分配
表 PLC输入元件地址分配明细表
4.2机械手控制系统软件设计
4.2.1机械手控制主程序流程图
机械手控制主程序流程图如图所示：
图 机械手控制主程序流程图
结论
我至今为止，基本上完成了本设计的设计要求，主要设计内容包括：步进电机的选择，机械手手爪的设计，液压系统的设计、控制部分的系统设计等。
在设计中我遇到很多的麻烦，通过指导老师的讲解，我解决了一个又一个的难题，从中我知道：设计不能粗心大意，不懂的地方要多问，多去看看书，多查查文献资料，不能说：“应该可以吧”。
在现实生活中，机械手可以与数控机床相互结合，实现加工过程当中工件上下料的自动化，无人化。如果把机械手手爪的结构稍微改变下，就可以实现多种不同工件的上下料。在现实生活中可以减轻工人的劳动程度，促进生产的技术进步，具有良好的经济效益。
在机械部分设计过程中主要遇到的问题除了尺寸的设计外，还有一些校核的计算等，不仅让我们对以前学过的知识进行了复习，也让我们加深了理解。
电气控制部分的设计流程是先选择各所需的电器元件，然后对对PLC 型号进行选择，I/O端口分配，绘制外部接线图，然后拟定控制流程图。
这些东西就是我们三个月来的成果，在本次设计中，我对以前的课程设计过程有了个更加清晰的认识，不仅学会了该校核什么地方，为什么要校核，怎样校核等问题，而且也学会了怎么选用PLC ，如何进行端口分配本次毕业设计，我觉得我能够学到这么多东西主要是有老师的细心指导和同学们的帮助。
在这次设计中开始的时候我也觉得很吃力，慢慢的就开始习惯了，后来就越来越顺利，最终顺利完成。本次毕业设计，我学会许多东西，同时也遇到了不少问题，通过不断的努力，终究是收获多多，受益匪浅。
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致谢
首先，我要感谢我的导师X 老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作和学习中的榜样，起到了指明灯的作用；同时他那循循善诱的教导和不拘一格的思路更是给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中。其次我要感谢同组同学对我的帮助和指点，没有他们的帮助和提供资料，没有他们的鼓励和加油，这次毕业设计就不会如此的顺利进行。
历时三个月的毕业设计，是我在大学学习中遇到过的时段最长、涉及内容最广、工作量最大的一次设计。用老师们的一句话来概括的话就是这次毕业设计相当于把以前的一个个的小课程设计综合在一起了的过程，只有把握住每个小课程设计的精华、环环紧扣、增强逻辑，设计才能够更加有序顺利的完成。我此次的设计是做小型外圆零件上下料机械手设计。虽说老师说的话让此次的毕业设计看起来并不是那么的可怕，但是当我真正的开始着手时，的确还是觉得有点困难重重。
俗话说的好，“不懂就要问”，当每次遇到不懂的问题时，我都会把它记下来，然后等答疑的时候再去问X 老师，老师对我提出来的问题都一一解答，从来都不会因为我的问题稍过简单而加以责备，而是认真的解答，老师一再的告诫我做设计要注意的地方，从课题的选择到设计的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，真正起到了“传道授业解惑”的作用，让人油然而生的敬佩。除此之外，我们小组和老师还有另外两个交流途径：打电话和上网，为此老师还特意建立一个群，以便大家第一时间接收到毕业设计的最新消息和资料，每次大家都在群不亦乐乎的讨论着毕业设计的事情。多少个日日夜夜，X 老师不仅在学业上给我们精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除了敬佩老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的工作和学习。在此谨向X 老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在论文即将完成之际，我的心情仍无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后我还要感谢机械工程学院和我的母校贵州大学四年来对我的栽培。