搬运机械手结构设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

买文档就 送全套 纸 14951605 或 1304139763 下载文档就送 纸全套 14951605 或 1304139763 沈阳化工大学科亚学院 本科毕业论文 题 目： 搬运机械手结构设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 1102 班 学生姓名： 许文兰 指导教师： 赵艳春 论文提交日期： 2015 年 6 月 1 日 论文答辩日期： 2015 年 6 月 5 日 买文档就 送全套 纸 14951605 或 1304139763 下载文档就送 纸全套 14951605 或 1304139763 摘要 用于再现人手的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序，轨迹和要求实现自动抓取，搬运或操作的自动机械装置。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，捉奸成为一门新兴的学科 机械手工程。机械手涉及到力学，机械学，电气液压技术，自动控制技术 ，传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计计算过程。 首先，本文介绍了机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体坐标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。 其次，文章中全面详尽地搬运机械手的手部，腕部，手臂以及机身等主要部件的结构设计。 关键词： 机械手， 自由度， 手部， 腕部 买文档就 送全套 纸 14951605 或 1304139763 下载文档就送 纸全套 14951605 或 1304139763 to of of a is to of to or of is in of of a a an of an as is an of in of of of of At of In s so 买文档就 送全套 纸 14951605 或 1304139763 下载文档就送 纸全套 14951605 或 1304139763 文档就 送全套 纸 14951605 或 1304139763 下载文档就送 纸全套 14951605 或 1304139763 目 录 第一章引 言 . 1 第二章手部结构设计 . 3 抓的结构选定 . 3 压缸的选定 . 4 压缸内径的确定 . 4 压缸外径的确定 . 4 筒壁厚校核 . 5 压缸活塞杆的确定及校核 . 6 塞的最大行程 . 6 筒底部厚度的确定 . 7 盖螺钉的计算 . 7 筒头部法兰厚度的确定 . 8 压缸其它元件的确定 . 9 第三章摆动缸的选定 . 11 接部分的设计 . 11 接部分材料的选定与联接方法 . 11 第四章手臂的结构设计 . 12 臂的结构初定 . 12 臂受力分析 . 12 买文档就 送全套 纸 14951605 或 1304139763 下载文档就送 纸全套 14951605 或 1304139763 臂液压缸的确定 . 13 臂液压缸的受力分析 . 13 压缸内径的确定 . 13 压缸外径的确定 . 14 筒壁厚校核 . 15 压缸活塞杆的确定及校核 . 15 塞的最大行程 . 16 筒底部厚度的确定 . 16 盖螺钉的计算 . 17 筒头部法兰厚度的确定 . 18 压缸其它元件的确定 . 19 臂套筒的设计 . 19 料的选定 . 19 套的设计 . 20 套的设计 . 20 第五章支小臂液压缸的确定 . 21 小臂液压缸的摆动角度确定 . 21 小臂缸的受力分析 . 21 压缸 的确定 . 22 压缸内径的确定 . 22 压缸外径及壁厚的确定 . 22 筒壁厚的校核 . 23 买文档就 送全套 纸 14951605 或 1304139763 下载文档就送 纸全套 14951605 或 1304139763 压缸活塞杆的确定及校核 . 24 塞杆的最大允许行程 . 24 筒底部厚度的确定 . 25 盖螺钉的计算 . 25 盖头部法兰厚度的确定 . 27 筒与端部焊接 . 27 压缸的其他元件的确定 . 28 第六章大臂的结构设计 . 30 臂材料的选定 . 30 臂受力分析 . 30 大臂液压缸的确定 . 31 压缸内径的确定 . 31 压缸外径及壁厚的确定 . 32 筒壁厚的校核 . 33 压缸活塞杆的确定及校核 . 33 塞杆的最大允许行程 . 34 筒底部厚度的确定 . 34 盖螺钉的计算 . 35 盖头部法兰厚度的确定 . 36 筒与端部焊接 . 37 压缸的其他元件的确定 . 37 第七章大臂回转缸的设计 . 39 买文档就 送全套 纸 14951605 或 1304139763 下载文档就送 纸全套 14951605 或 1304139763 转缸的确定 . 39 转缸的受力分析及内径的确定 . 39 压缸外径的确定 . 39 筒壁厚校核 . 40 压缸活塞杆的确定及校核 . 41 塞的最大行程 . 41 筒底部厚度的确定 . 42 盖螺钉的计算 . 42 筒头部法兰厚度的确定 . 43 压缸其它元件的确定 . 44 第八章底座的设计 . 45 座材料及尺寸的选定 . 45 板螺栓的确定 . 45 翻转力矩的螺栓组连接 . 46 盖螺钉的计算 . 46 第九章液压系统传动方案 的确定 . 48 液压缸的换向回路 . 48 速方案 . 48 第十章计算和选择液压元件 . 49 的种类和功用 . 49 定液压系统 . 50 泵的选择 . 50 买文档就 送全套 纸 14951605 或 1304139763 下载文档就送 纸全套 14951605 或 1304139763 压系统中的辅助装置 . 51 第十一章液压系统原理图 . 53 结 论 . 55 致 谢 . 56 参考文献 . 57 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 引言 1 第一章引言 1998 年 司推出 列小机器人，其循环时间只有 制器包括软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一柜，只有洗衣机变换器那样大小。 司 2000 年 9 月宣称它的控制器为世界最小。 工业机器人的应用从单机、单元向系统发展。多达百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体（多智能体）。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化 的发展推波助澜。 机器人技术是涉及机械学、传感器技术、驱动技术、控制技术、通信技术和计算机技术的一门综合性高新技术，既是光机电软一体化的重要基础，又是光机电软一体化技术的典型代表。其产品主要有两大类，即以日本和瑞典为代表的一系列特定应用的机器人，如弧焊、点焊、喷漆装备、刷胶和建筑等，并形成了庞大的机器人产业。另一类是以美国、英国为代表的智能机器人开发，由于人工智能和其它智能技术的发展远落后于人们对它的期望，目前绝大部分研究成果未能走出实验室。机器人系统集成技术也是由几个主要发达国家所垄断。近年来，机器人技术 并未出现突破性进展，各国的机器人技术研究机构和制造厂商都继续在技术深化、引进新技术和扩大应用领域等方面进行探索。 为了使机器人更好地应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基 梅隆机器人研究侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则侧重于系统应用软件的开发。德国正研究开发“ 器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。 我国的 工业机器人从 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，目前已基本掌握了机器人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、弧焊、点焊、装配，搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 引言 2 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，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总得来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外相比还是有一定的距离，如：可靠性低于外国产品；机器人应用工程起步较晚 ，应用领域窄，生产线系统技术与外国比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低、而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。 我国的智能机器人和特种机器人在“ 863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是 水下机器人， 6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，以系统集成带动机器人技术的全面发展，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部结构设计 3 第二章 手部结构设计 抓的结构选定 拟定最大抓取重量为 60N，根据工作位置和工作环境的需要，决定采用单滑销缸式手部。如下图： 图 手抓部分 手抓机架拟定材料为 中有关参数，初步选定如下 =60 （手指的抓取半角 =45 70）； f= （物体与手指接触处的摩擦系数 f= = （手部的机械效率 = （安全系数 （工作情况系数 l=50 L=100 =30； g=s 整个手抓部分长度选择 300 夹紧时由力学公式： N计= =需= 21 = （ 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部结构设计 4 夹紧时活塞杆的力由公式： F需=C = 575 30 022 C = （ 初步估算手抓的重量约为 30N。 压缸的选定 压缸内径的确定 液压缸的理论输出 F=t需F （ 塞杆的实际作用力（ N）； ：负载率，一般取 t：液压缸的总效率，一般取 F=t需F = =表 1719 查得液压缸的工作压力初选为 P=1 由公式： D= 103- = 1719 可选用标准液压缸内径 D=63 压缸外径的确定 按壁厚筒有关公式确定： y=（ 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部结构设计 5 D：油缸内径（ 缸筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，初选 45号钢； 查表 2022 可知 b=610 ：缸体材料的需用拉应力（ n：冲击系数，由表 215 可查得 n=12； =12610= D 外= 选壁厚 =7 /D=(所以选择下面的壁厚公式计算： m a xm a x = =选成立 综上所述，从表 2022 中选择标准液压缸外径 76以液压缸壁 厚为 =（ 76。 筒壁厚校核 额定压力 （ 其中： s =360 （缸筒材料屈服强度。由表 2022 查得） 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部结构设计 6 所以 6376(360 =筒发生完成塑性变形的压力 P 因为 Pn （ （ 选择 25 即工作压力小于 25 本液压缸最大工作压力为 以设计选择的壁厚可满足压力的要求。 压缸活塞杆的确定及校核 设计中根据工作压力的大小，选用速度比是由表 2022 查得 = d=D 1 =63 =据表 2022 取标准值 d=32于活塞杆在稳定工况下，只受轴向推力或拉力，所以可以近似的用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行计算： =26F =（ 100 110） 所以 满足工作时的强度需要。 塞的最大行程 （ 活塞杆弯曲失稳临界压缩力 Fk ； F：活塞杆纵向压缩力； 安全系数； 通常 6； 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部结构设计 7 E：材料的弹性模量； 钢材的 E=510 / I：活塞杆横截面惯性矩； 320 由表 2022 取液压缸标准行程 280 筒底部厚度的确定 缸筒底部为平面，其厚度 1 可以按照四周嵌进的圆盘强度公式进行计算： （ 其中： P：筒内最大工作压力 （ P= p：筒底材料许用应力 （前面求得p= =； D：计算厚度外直径 （取 D=60 =所以，综合上述条件，缸筒底部厚度选择 盖螺钉的计算 由表 215 可知活塞 s，则取 s，活塞杆退回速度s。由公式： v= v：活塞杆的运动速度（ m/s）； Q：流入液压缸的流量（ s）； A：活塞的有效面积（ ； 2 =0634 =s 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部结构设计 8 由公式 +作载荷（ N） Q= （ 其中： P：缸盖所受的负载液压力（ N）； Z：螺钉数目， Z=2 =余缩紧力对于要求紧密的联接， Q， K= =钉的强度条件： = = l （ l ：材料的许用应力； l =nsn：安全系数， n=3； 查表得s=360 l =3360=120由公式 d Q 其中 =d Q =选择标准六角螺栓 0 筒头部法兰厚度的确定 由公式可得 h 30 F（ 其中 F：法兰在缸筒最大内压力所承受的轴向压力； 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部结构设计 9 F=P 62m a x 兰外圆直径； 因为选定的螺栓为 以为了方便安装，法兰圆外径选定为 135 螺栓直径， 8 p：法兰材料的许用应力； b：缸筒外径到螺栓中线的距离； h 3 取法兰厚度为 为了防止油液的泄漏，两端盖内部需装入 0型密封圈，所以端盖向内凹处厚度选择 整个端盖厚度为 15 压缸其它元件的确定 缸盖的材料 缸盖本身又是活塞杆的导向套时，缸盖选用铸铁拟定 活塞的材料 无导向环的活塞可用耐磨铸铁，灰铸铁（ 球墨铸铁，初步拟定为 密封圈的选择 密封件大多采用 0型密封圈，参考手册表 1016 可知，查得 0型密封圈标准值，即截面直径 d=端盖厚度符合要求。 管接头的确定 由公式： d 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部结构设计 10 Q：液体流量， L/ v：按推荐值选定，一般 v=3m/s。 求得 d ，取标 准值 d=4 所以整个液压缸的长度为 280+（ 2=310m 大体估算整个液压缸加上油液的重量约为 30N。 所以，此设计的液压缸如下图所示： 图 液压缸 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 摆动缸的选定 11 第三章摆动缸的选定 手腕的旋转部分由摆动缸来实现。由于手抓部位的活塞杆 d=63D=76以选择标准摆动缸的轴径 45径为 120 接部分的设计 由于摆动缸的轴径外凸无法直接连于活塞杆上，设计一连接结构如 下图所示： 图 开槽沉头螺钉 5012M 接部分材料的选定与联接方法 初步选定此连接结构的材料为 摆动缸的轴与连接部分通过键连接，为防止所传递的转矩过大，故选择花键连接。根据实际情况选择标准花键 8 63632 。 初步估计此摆动缸及连接装置重 50N，为确保工作需要的供油量，估计长度为300 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 12 第四章手臂的结构设计 臂的结构初定 拟定驱动大臂的液压缸和驱动小臂的液压缸安装在手臂的同侧 。 臂受力分析 小臂和大臂之间为铰链接，且推动小臂的液压缸也和小臂铰链接。拟定两铰链接触之间的距离 L=500臂受力示意图如下： 图 小臂受力示意图 由 00 物物手手活活摆摆臂臂得 5 5601 0 3 由 00 物物手手活活摆摆臂臂得 R 0 剪力和弯矩图如上 最大危险截面为 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 13 臂液压缸的 确定 臂液压缸的受力分析 初步拟定大臂俯仰角度为 30 90，小臂的运动范围为 60。则对小臂的受力分析如下： 当小臂上扬到最大角度，即 45时，小臂液压缸所受的推力最大，所以只需计算此时 F o s 压缸内径的确定 液压缸的理论输出 F=t需塞杆的实际作用力（ N）； ：负载率，一般取 t：液压缸的总效率，一般取 F= 需 由表 2022 查得液压缸的工作压力初选为 P= 由公式： D= 3104 2022 可选用标准液压缸内径 D=50 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 14 压缸外径的确定 按壁厚筒有关公式确定： D .0 y 外（ Py（ 1.3） P a x M； P ； D：油缸内径（ 缸盖的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，初选 45号钢； 查表 1723 可知 ：缸体材料的需用拉应力（ n：冲击系数，由表 215 可 查得 n=12； = b M； D .0 y y 外 初选壁厚 则 /D=(所以选择下面的壁厚公式计算： m a xm a x 初选成立 综上所述，从表 2022 中选择标准液压缸外径 60以液压缸壁厚为 =沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 15 （ 60。 筒壁厚校核 额定压力 P 21221 （ 其中：s=360 （缸筒材料屈服强度。由表 1716 查得） 所以 P 22n M ）（ 缸筒发生完成塑性变形的压力 P ； 因为 P n （ P 选择 25 即工作压力小于 25 本液压缸最大工 作压力为 以设计选择的壁厚可满足压力的要求。 压缸活塞杆的确定及校核 设计中根据工作压力的大小，选用速度比是由表 1719 查得 =d=D 根据表 2022 取标准值 d=25于活塞杆在稳定工况下，只受轴向推力或拉力，所以可以近似的用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公 式进行计算： （ 100 110） 所以满足工作时的强度需要。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 16 塞的最大行程 （ 活塞杆弯曲失稳临界压缩力 Fk ； F：活塞杆纵向压缩力； 安全系数 通常 6； E：材料的弹性模量 钢材的 E=5 0 N ； I：活塞杆横截面惯性矩 L 综合小臂的设计需求和 表 1719 取液压缸标准行程 220 筒底部厚度的确定 缸筒底部为平面，其厚度 1 可以按照四周嵌进的圆盘强度公式进行计算： （ 其中： P：筒内最大工作压力 （ P= p：筒底材料需用应力 （前面求得p= = 计算厚度外直径 取 45mm 所以，综合上述条件，缸筒底部厚度选择 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 17 盖螺钉的计算 由表 215 可知活塞 s，则取 s，活塞杆退回速度，s 活塞杆退回速度，由公式： v=塞杆的运动速度（ m/s）； Q：流入液压缸的流量（ s）； A： 活塞的有效面积（ ； Q s/462222 QQ：工作载荷（ N） Q=4 其中： P：缸盖所受的负载液压力（ N）； Z：螺钉数目， Z= 余压缩力对于要求紧密的联接； Q, K= =钉的强度条件： l （ l ：材料的许用应力 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计