【毕业设计论文】凸轮轴加工自动线机械手-设计说明书【有对应的CAD图】

订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 设计说明书 课题：凸轮轴加工自动线机械手 2 目录 一、目录2 二、前言3 （一）机械手的用途说明3 （二）设计机械手的目的、意义3 （三）设计指导思想应达到的技术性能要求4 三、设计方案论证5 （一）机械手的原始依据5 （二）机械手的运动方案论证6 四、 机械手各组成部件设计计算8 （一）抓取机械设计8 （二）手腕机构1 2 （三）手臂设计1 4 （四） 缓冲装置设计2 2 （五） 定位机构设计2 5 （六）机械手驱动系统设计2 5 五、 机械手控制系统设计2 5 六、设计总结2 6 七、参考文献2 7 3 二、 前言 （一）机械手的用途说明 机械手是模仿人手工作的机械设备。实验用机械手的设计， 是 指机械手臂在一定范围内的摆动， 手臂的垂直方向的上下移动及手爪 的伸缩运动组成。由启动系统实现各运动的驱动。它的主要作用是将 工件按预定的程序自动地搬运到需要的位置，或者保持工具进行工 作。机械手是利用 P L C 控制整个系统实现各种运动的自动化控制， 且 能用于教学演示。 （二）机械手的目的、意义 机械手是模仿人手的动作， 生产中应用机械手可以提高自动化 水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度，保证产品质量，实现安全生 产， 尤其在恶劣的劳动条件下， 它代替人作业的意义更加重大。 因此， 在机械加工中得到越来越广泛的应用。 目的是， 我们对机械手的设计步骤有一定的平衡了解；也能基 本掌握机械设计的方法；综合运用学过的理论知识； 全面复习绘图技 巧，并较好的运用于毕业设计绘图上。通过这次设计，使我了解到， 自动控制的对象主要是单机或某个生产过程， 智能控制则包括控制对 象及整个工作环境或整个生产过程； 自动控制的目标是使在系统控制 的某个状态下， 尽量消除环境对系统的影响， 智能控制关心的使最终 状态或现行状态是否合乎要求。因此，要充分考虑环境的影响；自动 控制的学习来源重要是对象的状态的反馈， 所以智能控制需要一个庞 大的数据库；自动控制理论着重描述对象的数学模型，然后，通过各 4 种控制算法进行控制，以达到目的，智能控制着重直接控制经验。 （三）设计的指导思想，应达到的技术性能要求 结构简单：设计为三自由度的机械手臂，运动形式简单，可以 把手臂设计成为沿导向装置运动， 直接选用标准规格的液压缸和内胀 式机械手爪，无须另行设计。 外观不要有手臂堵塞外形：设计尽量要求安装方便， 各非标准 件加工方便。 因此， 不必设计成套形式， 管道也不必安排在手臂内部， 可以采用软管直接连接。 本次设计的手臂不要光用于工业生产， 因此， 对各部件的加工 精度及安装要求不高，可以在通用机床上加工完成。 5 三、设计方案论证 （一）机械手设计的原始数据 1 . 组成结构 机械手主要由执行机构、驱动系统以及位置检测等装置组成。各系统 的关系如图： 控制系统 驱动系统 执行系统 抓取工件 位置检测 2 . 执行机构 包括手臂、手腕、手部和立柱等部件，有的还增设行走机构。 （1 ） 手部：即与物体接触的部件，由物体接触的形式又可分为夹 持式和吸附式手部。 （2 ） 手腕：是连接手腕和手臂的比肩，起改变工件的空间位置的 作用。 （3 ） 手臂：支撑手腕和手臂的部件以改变工件的空间位置。 （4 ） 立柱：支撑手臂的部件，手臂的各部分运动均与立柱有密切 的关系。 （5 ） 行走机构：为完成远距离的操作和扩大使用范围，可增设滚 轮行走机构。 （6 ） 机座：它是机械手的基础部件，机械手执行机构的各部分和 驱动系统均安装在机座上，起支撑和联结作用。 3 . 驱动机构 机械手臂的驱动系统是驱动执行机构运动的出动装置，常用的有 6 液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。 4 . 控制系统 有电力控制和射流控制两种，一般常见的为电力控制，这是机械 手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们 给予机械手的指令信息，同时按其控制系统的信息， 对执行机构发出 指令，必要时，对机械手的动作进行控制，当动作有错误时，发出警 报信号。 5 . 位置检测装置 控制机械手执行机械的运动位置并随时将执行机构的实际位置反 馈给控制系统，并与设定的位置比较，然后控制系统进行调整，从而 使执行机构一定的精度达到预定位置。 （二）机械手的运动方案论证 1 . 机械手的运动形式（坐标形式）确定 按机械手的运动坐标型可分：直角坐标系式机械手、圆柱坐标系 式机械手、极坐标式机械手、关节式机械手。 直角坐标式机械手：臂部可以沿直角坐标轴 X 、Y 、Z三个方向移 动，亦臂部可以前后伸缩，左右移动，上下升降。采用此种坐标形工 作范围小，占地空间大，定位精度好，应用较多，适用于空间布置或 与自动线配合。 极坐标式机械手：手臂可以沿直角坐标轴的 X方向运动，还可以 绕 Y 轴和 Z 轴转动，亦手臂可前后伸缩，上下摆动，左右移动。采用 此种坐标形式工作范围大，占地空间小，定位精度差，应用少。 7 关节式机械手：这种机械手的臂部可分为大臂和小臂，其中大臂 和小臂的连接以及大臂和机体的连接均为关节式连接， 亦小臂对大臂 可绕肘部上下摆动一定角度，大臂可绕肩部摆动一定角度， 手臂可以 左右转动一定角度。采用此种坐标形式工作范围大，占地空间小，定 位精度差，应用较小。 圆柱坐标戏式机械手：这种机械手的运动由两个直线运动和一个 回转运动组合而成，手臂沿X 、Z 方向的移动，还有手臂的水平回转。 此种机械手工作范围教大，灵活程度教高，占地面积小，结构比较简 单，定位进度高，应用比较广泛，多为通用型。 因此本次设计我选用直角坐标系机械手。 机械手方案简图如下： 手腕 手臂 立柱 运动符号： 8 回转 伸缩 平移 手爪 四、机械手各组成部件设计计算 （一）抓取机械设计 1 . 抓取机械机构的基本要求 要有足够的夹紧力，在确定手指的握力时，除考虑工件的重量外 还应考虑在传送或操作中所产生的惯性和震动， 以保证工件不致产生 松动或脱落；要有足够的开合度，手指的开合度应保证工件能顺利的 进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑；要 保证工件在手爪中的准确位置， 为使手指和被夹持的工件的反作用力 外， 还受到机械手在运动中所产生的惯性力和振动的影响要求是有足 够的强度和刚度以防折断或弯曲变形， 但尽量使结构简单紧凑，自重 轻， 并使手部的重心在手腕的回转轴线上以使手腕的扭转力矩最小为 佳。保证结构紧凑，重量要轻，便于更换；应考虑手指的多用性，为 适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求可制成组合式手指。 手爪的类型可分成指爪式和吸盘式； 手爪式又分外夹式和内胀式。 手爪：即与物体接触的部分，由于与物体接触的形式分为夹持式 和吸附式手部。 钳式手部结构由手指传力。机构所组成其传力形式比 9 较多，如滑槽杠杆式、连杠杆式、斜契杠杆式、弹簧杠杆式等结构形 式；按手指夹持工件的部分又可以分为内卡式和外卡式；模仿人手指 的动作，手指可以分为一支点回转型、二支点回转型和移动型，其中 以二支点回转型为例， 而二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩 小到无穷小时，就变成一支点回转型手指。同理，当二支点回转型手 指的手指长度变为无穷长时， 就变为移动型。 回转型手指开闭角较小， 结构简单，制造容易，应用广泛，移动型应用较少，其结构比较复杂 庞大，但移动型手指夹持变化的零件时不影响其轴心的位置，其使用 于不同直径的工件。 手爪的定位误差分析如图所示： 10 sin2 cos minmax L RR ab + = 为偏转角，当满足上式角时，误差最小。 2 . 手爪夹紧力的计算 11 本次设计中采用外夹式手爪，如下图所示： 手爪夹紧力的计算： 作用在单个手指上的作用力 1 . 7 3 2 G / F根据抓重大小来安排装配 手指的方法。 计算式：GN KKK = 321 10 G 抓重 K g K1夹紧方位系数 K2惯性力影响系数 K3安全系数取 1 . 5 2 ga K +=1 2 a 加速度（工件随手爪运动时产生） g 重力加速度 取 1 0 m / s 2 平钳口 水平位置放，水平位置夹时5 . 0 1 = K V 钳口 水平位置放，水平位置夹时f K sin5 . 0 1 = 平钳口 垂直放，水平夹时f K 5 . 0 1 = 12 水平放，垂直位置夹时fV K 5 . 0 1 = V 钳口 水平放，垂直位置夹时()ba K +=tan5 . 0 1 平钳口 垂直夹，垂直放时f K 5 . 0 1 = 水平位置夹悬臂工件HL K 3 1 = 3 . 手爪的驱动装置的选择与驱动力计算 目前机械手常用的驱动方式如前所述， 也有其他特殊的驱动方式， 如：步进电机驱动、直线电机驱动，但应用不多。所有方式中，最常 用的为液压、气动驱动方式，下面仅对这两种方式进行比较选择。 液压驱动：液压驱动的主要优点是功率大，结构简单，可省去减 速装置，能直接与被动的杆件相连， ，响应快，伺服驱动具有较高的 精度，目前多用于机器人系统。 气压驱动：气压驱动的能源、结构都比较简单，但与液压驱动相 比，同体积条件下，功率较小（固压底） ，且速度不易控制。 由于该装置的实验模型，环境要求无污染，材料经费相对短缺， 精度和稳定性要求不是很高，启动力矩小，惯性小，尺寸小，只许点 位控制且功率小，终上所述，所以选用液压驱动。 （二）手腕机构 1 . 手腕的作用和动作 手腕是连接手部和手臂的部件，手腕的作用是：控制手爪的抓紧 方向，以便能从任意角度抓取工件。因而它具有独立的自由度以便机 械手适应复杂的动作要求，手腕运动有力轴转动称为回转运动。绕 Y 轴转动称为上下摆动，绕 Z 轴转动它称为左右摆动。 13 手腕的基本运动是回转运动和直线运动。目前实现手腕回转运动 的机构，应用最多的是回转气缸，它的结构紧凑，回转角度小于 3 6 度并且要求严格的密封。 设计时除应满足启动和传递过程中所需的传 动力矩外，还要求手腕的结构简单、紧凑、轻巧。另外，通过手腕气 缸的管道尽量从手臂的内部通过，以便手腕转动时管道不扭转、不外 露、使外型整齐。而考虑到本次设计对手腕的外观要求不高，回转角 度比较小的实际情况下，可以把气缸管道安排在外部。 手 腕 转 动 时 所 需 的 驱 动 力 矩 可 按 下 式 计 算 ： MMMM摩偏惯驱 += （K g c m ） M驱驱动手腕转动的驱动力矩 M惯惯性力矩 M摩手腕转动轴与支撑孔处的摩擦阻力矩 M偏参与转动的部件的重量对轴线产生的偏重力矩 （1 ） 手腕加速度运动时所产生的惯性力矩 M 惯， 手腕转动时的角 度 W ，启动过程的时间t 。 ()tW JJM += 21惯 J1 手爪、手腕的转动惯量 J2 工件对转轴中心的转动惯量 W 手腕回转角速度变动量（可取最大值） t 变动时间1 5 s （2 ）手腕转动工件时工件的偏重对转动轴线的偏重力矩 M 偏 EG M = 偏 14 G 手腕抓重的重量 E 工件中心到手腕回转中心的偏心矩 （3 ）手腕转动在轴颈处的摩擦阻力矩 () DNDNM F 2211 2+= 摩 （K g c m ） NN 21 轴承处的约束反力 DD 21 轴承直径， 滑动轴承为轴颈直径， 滚动轴承为滚子中心 直径 本次设计没有采用手腕部分，此举仅供参考。 （三）手臂设计 1 . 机械手手臂应满足的基本要求： 力学方面要有足够的刚度， 重量要轻， 运动要稳定， 结构要美观， 使用安全，维护方便，造价经济。 2 . 为满足基本要求而采取的机构、工艺性措施 手臂是机械手执行机构中的重要部件， 它的作用是将被抓取的工 件传送到给定的位置和方位上， 因而一般机械手臂有三个自由度， 即 手指伸缩、手臂的左右回转和上下运动。手臂的各种运动通常由驱动 机构和各种传动机构来实现。因此它不仅要承受被抓取工件的重量， 而且要承受手指和手臂自身的重量，手臂的结构、工作范围、灵活性 以及抓、 重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。所以必 须根据机械手的抓取重量，运动形式， 运动速度及定位精度的要求来 设计手臂的机构形式。 3 . 手臂伸缩运动的结构设计 15 （1 ）伸缩运动驱动机构设计 按手臂的结构形式分：单臂、双臂及悬挂式。按手臂的运动分： 手臂有直线运动的，如：手臂的左右回转，上下摆动；有复合运动， 如：直线运动和回转运动组合，两直线运动组合，两回转运动组合。 a . 驱动机构的结构形式如下图： b . 驱动机构的运动学计算 FF P 惯摩 += dhpKf F = 摩 f 摩擦系数 Y 型密封 f = 0 . 1 K = 0 . 3 V 型密封 f = 1 K = 1 . 6 O 型密封F 摩= 0 . 3 P h 有效密封宽度（密封件接触长度之和） d 活塞杆直径 D 活塞直径 p 工作压力（N / m m ）M a p tVgG F = 惯 V 速度变化值（选最大值） t 变化时间0 . 1 0 . 5 16 （2 ）伸缩运动导向机构设计 导向机构的形式与结构： 液压驱动的机械手臂在进行伸缩时， 为了防止手臂绕轴线发生转 动，以保证手指的正确方向并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用， 一 增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向装置， 它根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取等重要因素加以确定； 同 时在结构设计和布局上， 应尽量减少运动部件上的重量和减少手臂对 回转中心的转动惯量。 单导向杆： 采用单导向杆的结构通常比较简单， 另外增加手臂的刚性和导向 性，但由于要考虑结构的对称性，否则手臂会在运动是发生转动，造 成手臂的转位误差，由于本次设计对手臂周向回转有一定的要求， 因 此单导向的导向装置不宜采用。 双导向杆： 为了手臂受力均衡，往往采用双导向杆，它可以配置在手臂伸缩 的液压缸两侧， 并兼顾手部和油路的管道外形比较整齐，对伸缩行程 大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增 设辅助支撑架，以提高导向杆的刚性。在本次结构设计中，对机械手 的外形要求比较低。因此，采用双导向结构。为了加工方便且不影响 机械手的使用要求，把导向杆设置为外置式。 四导向杆： 对抓取较大的手臂采用四导向杆，以加强刚性，在本次设计中， 17 由于机械手臂的质量中心不于几何中心重合， 易发生翻转变形，影响 机械手的正常工作，考虑到传动的平稳性，但由于为实验装置且四导 向杆质量太大，所以不宜采用。 其他形式的导向装置： 除上述几种的导向装置外， 还有的机械手根据工作条件和实际可 能，选用燕尾型的滑枕进行导向，导向性好，工作平稳。此外，也采 用花键轴，导向套大直径套筒加导向键导向，以及带“V ”型槽的框 形导向结构等形式的导向方式。在此设计中，由于要求结构简单，安 装方便，故均不予考虑。 （3 ）导向杆机构动力管路设计 a . 管路的类型 管路的类型可分为活动软管、伸缩油管等。 b . 管路类型的特点及说明 活动软管的特点是：装拆方便、维修方便、抗震性好。使用上要用管 夹，占据空间尺寸大，外观差，不安全。 伸缩油管的特点是：安全性好、外观整齐、但工艺性差。 （4 ）手臂伸缩驱动力的计算 dhpKf F = 摩 f 摩擦系数 Y 型密封 f = 0 . 1 K = 0 . 3 V 型密封 f = 1 K = 1 . 6 O 型密封F 摩= 0 . 3 P h 有效密封宽度（密封件接触长度之和） 18 d 活塞杆直径 D 活塞直径 p 工作压力（N / m m ）M a p tVgG F = 惯 V 速度变化值（选最大值） t 变化时间0 . 1 0 . 5 （5 ）伸缩机构主要构件结构强度计算 FF P 惯摩 += 4 . 手臂升降运动的结构设计 （1 ）升降机构的结构形式 机械手手臂的升降运动属于直线运动， 而实现手臂的往复直线运 动的机构形式比较多， 常用的有活塞油缸或气缸，活塞缸和齿轮齿条 机构，丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。 a . 液压缸（油缸） 实现直线往复运动可采用液压式或气压式驱动的活塞油缸， 由于 活塞油缸的体积小，重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用较多。 本次设计采用活塞气缸推动一块能沿导向杆移动，此结构简单，受力 也简单，结构紧凑，传动平稳。 b . 活塞缸和齿轮齿条机构 在手臂的升降运动中， 为了使手臂移动的距离和速度有定值的增 加，可以采用齿轮齿条传动的倍增机构，在要求工作行程大，运动速 度快的冲压机械手上常用此机械手作为手臂升降运动机构。 在本设计 19 中不予考虑。 c . 丝杆螺母机构 丝杆螺母传动其位移具有较高的准确性， 由于丝杆螺母机构是连 续的面接触，传动中不会产生冲击，传动平稳，无噪声，并能自锁， 因为丝杆螺母螺旋升角较小，所以用较小的驱动力矩，可以获得较大 的牵引力。此外，丝杆螺母的螺旋面之间的摩擦为滑动摩擦，故传动 效率低， 如果采用滚珠丝杆可提高效率，而且传动精度和定位精度均 提高， 在传动时灵敏读和平稳性也很好， 由于磨损小， 使用寿命较长， 但丝杆螺母的材料、热处理和加工工艺要求很高，故成本很高。在本 设计中不予考虑。 d . 活塞杆和连杆机构 由活塞杆驱动连杆机构，使手臂实现升降运动，并可以获得较大 的行程。 综上所述，本设计中选取液压缸。 液压缸的选用：要考虑到压力、流量、活塞的运动速度，活塞的 最大允许行程和液压缸的总效率。 油液作用在单位面积上的压强 p = P / A 最高允许压力p max ，也是动态实验压力，是液压缸在瞬间所能承受的 极限压力。各国规范通常规定为p max 1 . 5 P N M P a 液压缸的压力等级分为：低压，压力范围0 2 . 5 M P a 中压，压力范围 2 . 5 8 M P a 中高压，压力范围 8 1 6 M P a 20 高压，压力范围 1 6 3 2 M P a 液压缸的流量为 Q = V / t L / m i n 液压缸的活塞运动速度 v = Q / A m / m i n 液压缸的重要部件就是缸筒，它的要求如下： 1 . 有足够的强度， 能长期承受最高工作压力及短期动态实验压力而不 致产生永久变形。 2 . 有足够的刚度， 能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致产生弯 曲。 3 . 内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下， 能长期工作而磨损 小，尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。 液 压缸的密封元件材料一般选用氟碳橡胶。 液压缸的工作介质在常温下一般采用石油型液压油。 在高温下采用难 燃液及特殊结构液压缸。 （2 ）升降运动驱动力的计算 dhpKf F = 摩 f 摩擦系数 Y 型密封 f = 0 . 1 K = 0 . 3 V 型密封 f = 1 K = 1 . 6 O 型密封F 摩= 0 . 3 P h 有效密封宽度（密封件接触长度之和） d 活塞杆直径 D 活塞直径 p 工作压力（N / m m ）M a p 21 tVgG F = 惯 V 速度变化值（选最大值） t 变化时间0 . 1 0 . 5 （3 ）手臂机构主要构件结构强度计算 WP FF += 惯摩 W 手臂重力，下降为主动力用“- ”上升为阻力用“+ ” 5 . 手臂回转运动的结构设计 （1 ）回转运动驱动机构结构形式 回转运动的结构形式分为：叶片式摆缸直接驱动、摆缸与行星齿 轮的驱动方式、齿轮齿条的驱动方式和直缸直接推动的驱动方式。 它们的优点是： 叶片式摆缸直接驱动优点是机构紧凑、 速度调整方便； 缺点是回转角度小于3 6 0 ，内泄漏大。摆缸和行星齿轮驱动的优点 是传动平稳，齿轮齿条驱动的优点是回转角度大、驱动力大；缺点是 结构尺寸大。 （2 ）回转运动驱动力矩及其回转机构主要零部件力学计算 MMM惯摩驱 += a . ()twJcpgG M += 惯 （N M ） G 手臂回转运动件的总重量K g g 重力加速度1 0 m / s p 回转半径（重心到回转轴的距离） w 起动后手臂回转最大角速度t = 0 . 1 0 . 5 s 手臂回转件的转动惯量为： 22 J c m d / 4 M 质量 D 回转直径 b . ppFM Nf 11 = 摩摩 f = 0 . 1 （滑动） N 两支点上反力总和 p1摩擦点到回转中心的距离 G p = N H 6 . 手臂设计的综合评价 从手臂的结构形式、动力装置、外形尺寸、工艺性、经济性、标 准化等诸方面分析，突出重点。 从手臂的结构形式来分可分为：手爪、手臂、手腕、立柱、行走机构 等。手臂的动力装置为液压驱动，它的外形尺寸不大，占地空间小， 工作范围也小。工艺性好，材料便宜，经济合理，零件加工方便。 （四）缓冲装置设计 1 . 缓冲方式的确定 了解弹性元件缓冲；缸体内部结构缓冲；节流回路缓冲、油压缓 冲器缓冲等。 a . 弹性元件缓冲： 元件：弹簧、橡胶垫、波纹管 基本原理：通过吸收动能实现缓冲 回转物件： wJ E 21 21= 23 移动物件：221 MvE = 弹性能： max max 21= P E Pmax：弹性最大工作载荷 max：最大变形 特点：结构简单，但缓冲行程小，定位不准，职能用于辅助装置。 b . 油缸端部节流缓冲 它的原理图如下： 它的设计要求： 缓冲腔内油液要能吸收运动部件的全部能量； 缓冲腔内冲击压力 小于油缸的压力；缓冲腔内减加速度要符合机械手对运动的要求。 设计步骤 确定减加速度：高速轻负荷小于 0 . 9 m / s 低速重负荷小于 0 . 2 m / s 计算缓冲时间：aV t = 1 应满足于生产节拍的要求。 缓冲行程：a VL 2 21 = 确定缓冲柱塞面积 ()2 11 M LPEA = 平缓 PP2 4 . 1 平 P2：回游腔压力 24 EEEEE重摩动压缓 += LAPE122 = 液 作用在活塞上的液压能。 A2：活塞有效作用面积 61022=VgG E动 G ( K g ) g = 9 . 8 m / s 2 V ( m / s ) 缓冲前进速度 LFE1 = 摩摩 （N M ） LE gG 1 = 重 向上负，向下正 求缓冲油腔内的Pmax LAEPP11max动平 += 备件：Pmax小于 P P = 2 / D ：为体臂厚 = s / 5 s ：屈服极限 5 ：安全系数 节流口面积 F = V A11 0 3 / u 2 g P平 c . 油缸端部节流缓冲 d . 气动节流缓冲类的液压 e . 缓冲回路缓冲 f . 使用液压缓冲器 （五）定位机构设计 25 1 . 定位方式的选择确定 定位机构分机械挡块定位、行程开关定位、伺服装置定位等。定 位精度要求：要有足够的刚度，可调节定位，定位前实施缓冲，使速 度趋于零，实现无冲击定位。 定