摘 要

机器手臂是一种自动化机械装置，能够接收指令，精确地定位到三维或二维上的某一点进行作业，得到广泛的实际应用。机械臂同时也是机械手执行机构的重要部分，能够引导手指准确地抓住工件并运送到所需位置。

本篇论文设计的是圆柱坐标式机械臂,这种机械臂具有两个直线运动和一个旋转运动，所以拥有三个自由度。该机械臂可水平伸缩距离800mm，移动速度约为0.25m/s，机械臂可上下垂直运动，其垂直升降量330mm，移动速度约0.6m/s，机械臂中立柱可相对于机座旋转210度，回转速度为70度/秒，机械臂最大夹持重量10Kg。旋转运动采用旋转液压缸驱动，水平伸缩运动采用液压缸驱动，垂直升降运动仍采用液压缸驱动。

本文首先分析了三自由度圆柱坐标式机械臂的研究现状，提出了满足设计要求的方案，然后对机械臂部分进行了设计与校核，接着使用SOLIDWORKS软件绘制了所设计的机械臂的三维图并通过CAD软件绘制了机械臂的装配图和主要零件图，最后对机械臂控制系统进行了分析并设计了系统原理图。

关键字：液压驱动，圆柱坐标，机械臂，液压缸

Abstract

The robotic arm is an automated mechanical device that is widely used in practice and can accept commands to accurately position a point in 3D or 2D. The robotic arm is also an important part of the robotic actuator, guiding the fingers to accurately grasp the workpiece and transport it to the desired location.

This design is a cylindrical coordinate manipulator , the device has three independent movement ( two linear motion, a rotary motion ) , also known as the three degrees of freedom. The agency in the column can rotate relative to the base 210 degrees , rotation speed 70 °/s , horizontally scalable distance 800mm, moving speed of about 0.25m/s, the robot up and down vertical movement , the vertical movements 330mm, moving speed of about 0.6 m/s, the maximum clamping manipulator weight 10Kg. Oscillating rotary motion using rotating cylinder driven , horizontal telescopic hydraulic cylinder driven movement , vertical movement is still driven by hydraulic cylinders .

This paper first analyzes the research status of the three-degree-of-freedom cylindrical coordinate manipulator and proposes a scheme to meet the design requirements. Then the detailed design and check of each part of the manipulator are carried out. Then the assembly drawing and main part drawing of the cylindrical coordinate manipulator are drawn by CAD software and the three-dimensional drawing of the designed manipulator is drawn by SOLIDWORKS software. Finally,the manipulator control system is analyzed in detail and the system schematic is designed.

Keywords: Hydraulic drive, Cylindrical coordinates , Robots, Hydraulic cylinders

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 背景及意义 1

1.2 机械臂概述 2

1.2.1 机械臂的组成 2

1.2.2 机械臂的分类 2

1.3 国内外发展状况 3

第二章 总体方案设计 5

2.1 设计要求 5

2.1.1 动作要求 5

2.1.2 参数要求 5

2.2 方案拟定 5

2.2.1 初步分析 5

2.2.2 拟定方案 5

第三章 机械手臂部设计 8

3.1 臂部整体设计 8

3.2 手臂伸缩驱动力计算 9

3.2.1 手臂摩擦力的分析与计算 9

3.2.2 手臂密封处的摩擦阻力的计算 10

3.2.3 手臂惯性力的计算 11

3.3 手臂伸缩油缸的设计 11

3.3.1 确定液压缸的结构尺寸 11

3.3.2 液压缸外径的设计 13

3.3.3 活塞杆的计算校核 13

第四章 机械臂机身设计 17

4.1 机身的整体设计 17

4.2 回转机构的设计 18

4.2.1 回转缸驱动力矩的计算 18

4.2.2 回转缸尺寸参数的确定 19

4.3 机身升降机构的设计 22

4.3.1 手臂片重力矩的计算 22

4.3.2 升降导向立柱不自锁条件 23

4.3.3 升降油缸驱动力的计算 24

4.3.4 升降缸尺寸参数的确定 25

第五章 机械臂液压系统设计 27

5.1 液压元件的计算和选择 27

5.1.1 液压泵 27

5.1.2 确定油箱容量 27

5.1.3 液压元件的选择 27

第六章 机械臂的PLC控制设计 33

6.1 可编程序控制器的选择 33

6.2 可编程序控制器的使用步骤 33

6.3 机械手可编程序控制器控制方案 34

第七章 设计成本估算 36

总 结 37

参考文献 38

致 谢 39

我国的工业机械手是从80年代"七五"科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过"七五","八五"科技攻关,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有130多台喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上[1]。但是看起来，我国的技术及其水平和国外比还是有很大差距的。

虽然全球工业机械手的数目每年都在增加，但市场是一直向前发展的，在新技术的发展下，人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工[2]。随着机器人应用的普及，机械手的发展也从最初的液压和气压控制转变为人工智能控制，随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。