机械毕业设计74送料机械手设计

目录 摘要 . 1 第一章 机械手设计任务书 . 1 1.1 毕业设计目的 . 1 1.2 本课题的内容和要求 . 2 第二章 抓取机构设计 . 3 2.1 手部设计计算 . 3 2.2 腕部设计计算 . 6 2.3 臂伸缩机构设计 . 8 第三章 液压系统原理设计及草图 . 10 3.1 手部抓取缸 . 11 3.2 腕部摆动液压回路 . 12 3.3 小臂伸缩缸液压回路 . 13 3.4 总体系统图 . 14 第四章 机身机座的结构设计 . 15 4.1 电机的选择 . 16 4.2 减速器的选择 . 17 4.3 螺柱的设计与校核 . 17 第五章 机械手的定位与平稳性 . 19 5.1 常用的定位方式 . 19 5.2 影响平稳性和定位精度的因素 . 19 5.3 机械手运动的缓冲装置 . 20 第六章 机械手的控制 . 21 第七章 机械手的组成与分类 . 22 7.1 机械手组成 . 22 7.2 机械手分类 . 24 毕业设计感想 . 25 参考资料 . 26 1 送料机械手设计 摘要 本课题是为普通车床配套而设计的上料机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效 的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。 关键字 机械手， AutoCAD 第一章 机械手设计任务书 1.1 毕业设计目的 毕业设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。 其主要目的： 一、 培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独 立工作能力，拓宽和深化学生的知识。 二、 培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。 三、 培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。 四、 培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。 2 1.2 本课题的内容和要求 （一、）原始数据及资料 （ 1、）原始数据： a、 生产纲领： 100000 件（两班制生产） b、 自由度（四个自由度） 臂转动 180 臂上下运动 500mm 臂伸长（收缩） 500mm 手部转动 180 （ 2、）设计要求： a、上料机械手结构设计图、装配图、各主要零件图（一套） b、液压原理图（一张） c、动作模拟仿真 d、设计计算说明书（一份） （ 3、）技术要求 主要参数的确定： a、坐标形式：直角坐标系 b、臂的运动行程：伸缩运动 500mm，回转运动 180。 c、运动速度：使生产率满足生产纲领的要求即可。 d、控制方式：起止设定位置。 e、定位精度： 0.5mm。 f、手指握力： 392N g、驱动方式：液压驱动。 （二、 ）料槽形式及分析动作要求 （ 1、）料槽形式 由于工件的形状属于小型回转体，此种形状的零件通常采用自重输送的输料槽 ,如图 1.1 所示，该装置结构简单，不需要其它动力源和特殊装置，所以本课题采用此种输料槽。 3 图 1.1 机械手安装简易图 （ 2、）动作要求分析如图 1.2 所示 动作一：送 料 动作二：预夹紧 动作三：手臂上升 动作四：手臂旋转 动作五：小臂伸长 动作六：手腕旋转 预夹紧 手臂上升 手臂旋转 小臂伸长 手腕旋转 手臂转回 图 1.2 要求分析 第二章 抓取机构设计 2.1 手部设计计算 4 一、对手部设计的要求 1、有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。 2、有足够的开闭范围 夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开 闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图 2.1 所示。 图 2.1 机械手开闭示例简图 3、力求结构简单，重量轻，体积小 手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。 5 4、手指应有一定的强度和刚度 5、其它要求 因此送料，夹紧机械手，根据 工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。 二、拉紧装置原理 如图 2.2 所示 【 4】 ：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。 图 2.2 油缸示意图 1、右腔推力 为 FP=（ 4） DP （ 2.1） =（ 4） 0.5 25 10 =4908.7N 2、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为： F1=（ 2b a） （ cos） N （ 2.2） 其中 N =4 98N=392N，带入公式 2.2 得： F1=（ 2b a） （ cos） N =(2 150/50) （ cos30） 392 =1764N 则实际加紧力为 F1 实际 =PK1K2/ （ 2.3） =1764 1.5 1.1/0.85=3424N 经圆整 F1=3500N 3、计算手部活塞杆行程长 L,即 L=（ D/2） tg （ 2.4） 6 =25 tg30 =23.1mm 经圆整取 l=25mm 4、确定“ V”型钳爪的 L、。 取 L/Rcp=3 （ 2.5） 式中： Rcp=P/4=200/4=50 （ 2.6） 由公式（ 2.5）（ 2.6）得： L=3 Rcp=150 取“ V”型钳口的夹角 2 =120，则偏转角按最佳偏转角来确定， 查表得： =2239 5、机械运动范围（速度） 【 1】 （ 1） 伸缩运动 Vmax=500mm/s Vmin=50mm/s （ 2） 上升运动 Vmax=500mm/s Vmin=40mm/s （ 3）下降 Vmax=800mm/s Vmin=80mm/s （ 4）回转 Wmax=90/s Wmin=30/s 所以取手部驱动活塞速度 V=60mm/s 6、手部右腔流量 Q=sv （ 2.7） =60 r =60 3.14 25 =1177.5mm/s 7、 手部 工作压强 P= F1/S （ 2.8） =3500/1962.5=1.78Mpa 2.2 腕部设计计算 腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活7 动度的回转缸驱动的腕部结构。 要求：回转 90 角速度 W=45/s 以最大负荷计算： 当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重 10kg，长度 l=650mm。如图 2.3 所 示。 1、计算扭矩 M1 4 设重力集中于离手指中心 200mm 处，即扭矩 M1 为： M1=F S （ 2.9） =10 9.8 0.2=19.6（ N M） F S F 图 2.3 腕部受力简图 2、油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩 M2 4 F=5kg S=10cm 带入公式 2.9 得 M2=F S=5 9.8 0.1 =4.9（ N M） 3、摆动缸的摩擦力矩 M 摩 4 F 摩 =300（ N）（估算值） S=20mm （估算值） M 摩 =F 摩 S=6（ N M） 4、 摆动缸的总摩擦力矩 M 4 M=M1+M2+M 摩 （ 2.10） =30.5（ N M） 5.由公式 工件 8 T=P b（ A1- mm） 106/8 （ 2.11） 其中： b 叶片密度，这里取 b=3cm； A1 摆动缸内径 , 这里取 A1=10cm； mm 转轴直径 , 这里取 mm=3cm。 所以代入（ 2.11）公式 P=8T/b（ A1- mm） 106 =8 30.5/0.03（ 0.1-0.03） 106 =0.89Mpa 又因为 W=8Q/（ A1- mm） b 所以 Q=W（ A1- mm） b/8 =（ /4）（ 0.1-0.03） 0.03/8 =0.27 10-4m/s =27ml/s 2.3 臂伸缩机构设计 手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。 臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。 机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。 手臂的伸缩速度为 200m/s 行程 L=500mm 1、手臂右腔 流量， 公式（ 2.7）得： 【 4】 Q=sv =200 40 =1004800mm/s =0.1/10m/s 9 =1000ml/s 2、手臂右腔 工作压力，公式（ 2.8） 得： 4 P=F/S （ 2.12） 式中： F 取工件重和手臂活动部件总重，估算 F=10+20=30kg， F 摩 =1000N。 所以代入公式（ 2.12）得： P=（ F+ F 摩） /S =（ 30 9.8+1000） / 40 =0.26Mpa 3、绘制机构工作参数表如图 2.4 所示： 图 2.4 机构工作参数表 4、由初步计算选液压泵 4 所需液压最高压力 P=1.78Mpa 所需液压最大流量 Q=1000ml/s 选取 CB-D 型液压泵（齿轮泵） 此泵工作压力为 10Mpa，转速为 1800r/min，工作流量 Q 在 32 70ml/r 之间，可以满足需要。 5、验算腕部摆动缸： T=PD（ A1- mm） m 106/8 （ 2.13） W=8 v/（ A1- mm） b （ 2.14） 式中： m 机械效率取： 0.85 0.9 v 容积效率取： 0.7 0.95 所以代入公式（ 2.13）得： 10 T=0.89 0.03（ 0.1-0.03） 0.85 106/8 =25.8（ N M） TM=30.5（ N M） 代入公式（ 2.14）得： W=（ 8 27 10-6） 0.85/（ 0.1-0.03） 0.03 =0.673rad/s W /4 0.785rad/s 因此，取腕部回转油缸工作压力 P=1Mpa 流量 Q=35ml/s 圆整其他缸的数值： 手部抓取缸工作压力 P =2Mpa 流量 Q =120ml/s 小臂伸缩缸工作压力 P =0.25Mpa 流量 Q =1000ml/s 第三章 液压系统原理设计及草图 11 3.1 手部抓取缸 图 3.1 手部抓取缸液压原理图 7 1、手部抓取缸液压原理图如图 3.1 所示 2、泵的供油压力 P 取 10Mpa，流量 Q 取系统所需最大流量即 Q=1300ml/s。 因此，需装图 3.1 中所示的调速阀，流量定为 7.2L/min，工作压力 P=2Mpa。 采用： YF-B10B 溢流阀 2FRM5-20/102 调速阀 23E1-10B 二位三通阀 12 3.2 腕部摆动液压回路 4图 3.2 腕部摆动液压回路 7 1、 腕部摆动 缸液压原理图如图 3.2 所示 2、工作压力 P=1Mpa 流量 Q=35ml/s 采用： 2FRM5-20/102 调速阀 34E1-10B 换向阀 YF-B10B 溢流阀 13 3.3 小臂伸缩缸液压回路 臂部伸缩缸52图 3.3 小臂伸缩缸液压回路 7 1、小臂伸缩缸液压原理图如图 3.3 所示 2、工作压力 P=0.25Mpa 流量 Q=1000ml/s 采用： YF-B10B 溢流阀 2FRM5-20/102 调速阀 23E1-10B 二位三通阀 14 3.4 总体系统图 图 3.4 总体系统图 7 1、 总体系统图如图 3.4 所示 2、工作过程 小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂回转小臂收缩手部放松 3、电磁铁动作顺序表 元件 动作 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 小臂伸长 + + - - 手部抓紧 + - - - 腕部回转 + - + - 小臂收缩 - - - - 手部放松 - + - - 卸荷 图 3.5 总体系统图 15 4、确电机规格： 液压泵选取 CB-D 型液压泵，额定压力 P=10Mpa，工作流量在 32 70ml/r 之间。选取 80L/min 为额定流量的泵， 因此：传动功率 N=P Q/ （ 3.1） 式中： =0.8 （经验值） 所以代入公式（ 3.1）得： N=10 80 103 106/60 0.8 =16.7KN 选取电动机 JQZ-61-2 型电动机，额定功率 17KW， 转速为 2940r/min。 第四章 机身机座的结构设计 机身的直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、 回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂，机身既可以是固定式的，也可以是行走式的 ,如图 4.1 所示。 图 4.1 机身机座结构图 臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手的总体布局。本课题机械手的机16 身设计成机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由 螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。 4.1 电机的选择 机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。 1、带动臂部升降的电机： 10 初选上升速度 V=100mm/s P=6KW 所以 n=（ 100/6） 60=1000 转 /分 选择 Y90S-4 型电机，属于笼型异步电动机。采用 B 级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为 I（ 014）即全封闭自扇冷却，额定电压为 380V，额定功率为 50HZ。 如图 4.1 Y90S-4 电动机技术数据所示： 型号 额定功率KW 满载时 堵转电流 堵转转矩 最大转矩 电流 A 转速r/min 效率 % 功率因素 额定电流 额定转矩 额定转矩 Y90S-4 1.1 2.7 1400 79 0.78 6.5 2.2 2.2 图 4.1 Y90S-4 电动机技术数据 2、带动机身回转的电机： 10 初选转速 W=60/s n=1/6 转 /秒 =10 转 /分 由于齿轮 i=3 减速器 i=30 17 所以 n=10 3 30=900 转 /分 选择 Y90L-6 型笼型异步电动机 电动机采用 B 级绝缘。外壳防护等级为 IP44，冷却方式为 I（ 014）即全封闭自扇冷却，额定电压为 380V，额定功率为 50HZ。 如图 4.2 Y90S-6 电动机技术数据所示： 图 4.2 Y90L-6 电动机技术 4.2 减速器的选择 减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。用来降低转速和增 转矩，以满足工作需要。 6 初选 WD80 型圆柱蜗杆减速器。 WD 为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。 蜗杆的材料为 38siMnMo 调质 蜗轮的材料为 ZQA19-4 中心矩 a=80 Ms q=4.0 11 （ 4.1） 传动比 I=30 传动惯量 0.265 10 kg m 4.3 螺柱的设计与校核 螺杆是机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。 螺杆的材料选择： 6 从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。 螺距 P=6mm 梯形螺纹 18 螺纹的工作高度 h=0.5P （ 4.2） =3mm 螺纹牙底宽度 b=0.65P=0.65 6=3.9mm （ 4.3） 螺杆强度 = s/3 5 （ 4.4） =150/3 5 =30 50Mpa 螺纹牙剪切 =40 弯曲 b=45 55 1、当量应力 6 231221 2.034 dTdF (4.5) 式中 T 传递转矩 N mm 螺杆材料的许用应力 所以代入公式（ 4.5） 得： = （ 4 200 9.8/ d1） +3（ 200 9.8 0.6/0.2d1） = （ 2495/ d1） +3（ 61.2/ d1） 30 50 106 =（ 2495/ d1） +3（ 61.2/ d1） 900 2500 1012 =6225025/d14+11236/d16 900 2500 1012 6225025d12+11236 900d16 1012 6225025 0.0292+11236 900 0.0296 1012 即 16471pa 535340pa 合格 2、剪切强度 6 Z=H/P=160/6 （旋合圈数） （ 4.6） =F/ d1bz （ 4.7） =200 9.8/ 0.029 3.9（ 160/6） 10-3 =206.8 103pa =0.206Mpa =40Mpa 3、弯曲强度 6 b=3Fh/ d1b2z 19 =3 200 9.8 3/ 2.9 3.92（ 160/6） =0.48Mpa =45Mpa 合格 第五章 机械手的定位与平稳性 5.1 常用的定位方式 机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。 若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于 0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。 5.2 影响平稳性和定位精度的因素 机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下： （ 1、）定位方式 不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。 （ 2、）定位速度 定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动 部件适时减速。 （ 3、）精度 机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。 （ 4、）刚度 机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。 20 （ 5、）运动件的重量 运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量。 运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。 （ 6、）驱动源 液压、气压的压力波动及电压、油温、气温的波动都会影响机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节油温 措施。如用蓄能器稳定油压，用加热器或冷却器控制油温，低速时，用温度、压力补偿流量控制阀控制。 （ 7、）控制系统 开关控制、电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关。 本课题所采用的定位精度为机械挡块定位 5.3 机械手运动的缓冲装置 缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式。内缓冲形式有油缸端部缓冲装置和缓冲回路等。外缓冲形式有弹性机械元件和液压缓冲器。内缓冲的优点是结构简单，紧凑。但有时安置位置有限；外缓冲的优点是安置位置灵活， 简便，缓冲性能好调等，但结构较庞大。 本课题所采用的缓冲装置为油缸端部缓冲装置。 当活塞运动到距油缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲室。利用节流的原理使缓冲室产生临时背压阻力，以使运动减速直至停止，而避免硬性冲击的装置，称为油缸端部缓冲装置。 在缓冲行程中，节流口恒定的，称为恒节流式油缸端部缓冲装置。 设计油缸端部恒节流缓冲装置时， amax（最大加速度）、 Pmax（缓冲腔最大冲击压力）和 Vr（残余速度）三个参数是受工作条件限制的。通常采用的办法是先选定其中一个参数，然后校验其余两个参数。步骤如下 ： 选择最大加速度 通常， amax值按机械手类型和结构特点选取，同时要考虑速度与载荷大小。对于重载低速机械手， - amax取 5m/s2 以下，对于轻载高速机械手， -amax取 5 10 m/s2 计算沿运动方向作用在活塞上的外力 F 21 水平运动时： F=PSA-Ff （ 5.1） =0.25 103 3.62-7 =138N 计算 残余速度 Vr Vr=VO/ 1-amaxm/F （ 5.2） =0.1/0.64=0.15m/s 第六章 机械手的控制 控制系统是机械手的重要组成部分。在某种意义上讲，控制系统起着与人脑相似的作用。机械手的手部、腕部、臂部等的动作以及相关机械的协调动作都是通过控制系统来实现的。主要控制内容有动作的顺序，动作的位置与路径、动作的时间。 机械手要用来代替人完成某些操作，通常需要具有图 6.1 所示的机能 3 。 实现上述各种机能的控制方式有 多种多样。机械手的程序控制方式可分为两大类，即固定程序控制方式和可变程序控制方式。 本课题所用的是固定程序控制类别的机械式控制。 常用凸轮和杠杆机构来控制机械手的动作顺序、时间和速度。一般常与驱动机构并用，因此结构简单，维修方便，寿命较长，工作比较可靠。适用于控制程序步数少的专用机械手。 22 图 6.1 机械手的控制 机能 第七章 机械手的组成与分类 7.1 机械手组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统组成。 9 （ 1、）执行机构：包括手部、手腕 、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构如7.1 所示。 装卸工件 状别识别 环境识别 操作机能 检测、识别机能 控制机能 示教机能 动作控制机能 动作顺序控制机能 运动控制机能 23 图 7.1 机构简图 手部：是机械手与工件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。 手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。 立柱：是支承手臂的部件。手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系 。机械手的立柱通常为固定不动的。 机座：是机械手的基础部分。机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支承和联接的作用。 （ 2、）驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。 （ 3、）控制系统：控制系统是机械手的指挥系统 ，它控制驱动系统，让执行机构按规定的要求进行工作，并检测其正确与否。一般常见的为电器与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。 24 7.2 机械手分类 （ 1、）根据所承担的作业的特点，工业机械手可分为以下三类： 承 担搬运工作的机械手：这种机械手在主要工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。 生产工业用机械手：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等。 通用工业机械手：其用途广泛，可以完