码垛机械手毕业设计

1、码垛机械手毕业设计码垛机械手设计i摘要在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化 水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率,完成工人难以完成的 或者危险的工作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。用于再现人 手的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。在工业生产中应用的机械手被称为工 业机械手。文章主要叙述了机械手的设计计算过程。首先,本文介绍码垛机械手的作用，码垛机械手的组成和分类，说明了自由度 和机械手整体座标的形式。同时，木文给出了这台机械手的主要

2、性能规格参量。文章屮介绍了码垛机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了码垛机械手 的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。最后用plc对码垛机械手进行控制关键词:码垛机械手，液压传动，液压缸,plc控制码垛机械手设计ii?abstract?in? modern? industry, ? the? automation? of? the? production? process? has? become? a? prominent?theme. tncreas i ngly?h igh?level?of?automat ion?i n?al1?walks?of?li fe, ?modcr

3、n?proccssing?plant, ?often?with?a?mechanical? hand? in? order? to? improve? production?efficiency, ? to? complete? it? hard? for?workers? to?complete?the?work?or?risk?with? the? development? needs? of? industrial? automation, ? mechanical? hand? more? and? more?important?in?industrial?applications.

4、used?to?reproduce?the?functi on?of?thc?tcchnical?staff?of?thc?dcvicc?is? called? robot.robot? is? modeled? on? the? part? of? staffing? action,? according? to? a? given? program,?automatically? track? and? requirements? capture, ? handling?or?operation?of? the? automatic?mechanical?devices. applicat

5、ion? in? industrieil? production? is? known? as?industrial? robot? manipulator. this? paper?mainly?dcscribcs?the?dcsign?of?the?manipulator?calculationfirst, ? the? article? describes? the? role? of? robot? palletizing, ? robotic? palletizing? composition? and?classification, ? indicating? the? degre

6、e? of? freedom? and? the? coordinates? in? the? form? of? the? whole?manipulator. meanwh订e, ?this?paper, ?the?machinery?of?the?main?perf ormance?specifications?of?hand?parametersarticle?describes?the? robot?pallctizcr?dcsign?thcory?and?mcthodsprchcnsivc?and?dct3订cd?discussion?of?the?palletizing?robo

7、t，s?hand, ?wrist, ?arm?and?body?a nd?other?major?components?of?the?structural?designfinally, ?plc?control?for?robotic?palletizer?key?words:?palletizerrobot, ? hydraul ic?tmsmission, ?hydraulic?cylinder, ? plc?control码垛机械手设计iii目录1绪论1?1.2机械手的简史1?1.3 1业机械手在生产中的应用2?1.4?机械手的组成3?1.4. 3?控制系统分类4?1.5机械手的发展趋势

8、4?1.5.1国外机械手领域发展趋势:？ 4?1.5. 2?我国机械手领域的现状及发展:？ 4?1.6?木章小结5?2?机械手的总体设计方案6?2. 1?机械手基本形式的选择6?2. 2机械手的主要部件及运动？ 7?2. 3驱动机构的选择7?2. 4?机械手的技术参数列表7?2. 5手臂的配置形式7?2. 6位置检测装置的选择8?2. 7?本章小结8?3?机械手手部的设计计算9?3. 1概述？ 9?3. 2?设计时应考虑的几个问题9?3. 3?手部设计基本要求？ 9?3. 4?典型的手部结构？10?3. 5机械手手抓的设计计算10?3. 5.1选择手抓的类型及夹紧装置10?3. 5. 4?手抓

9、夹持范围计算？14码垛机械手设计iv?3.6?本章小结?14?4?腕部的设计计算?16?4. 1?腕部设计的基木要求16?4. 2?腕部的设计计算？16?4. 2. 1?腕部设计考虑的参数16?4. 3. 2?腕部的驱动力矩计算16?4. 4?本章小结?17?5?臂部的设计及有关计算?19?5. 1?臂部设计的基本要求19?5. 2?手臂的典型机构以及结构的选择?20?5. 2. 1?手臂的典型运动机构20?5. 2. 2?手臂运动机构的选择20?5. 3?手臂肓线运动的驱动力计算?20?5. 3. 1?手臂摩擦力的分析与计算20?5. 3. 2?手臂惯性力的计算?22?5. 3. 3?密封装

10、置的摩擦阻力22?5. 4?液压缸工作压力和结构的确定?22?5. 5?四连杆固定轴剪切力校核?23?61?机身的整体设计?25?6. 2?机身回转机构的设计计算?26?6. 3?机身升降机构的计算27?6. 3. 1?手臂偏重力矩的计算27?6. 3. 2?手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算28?6. 4?轴承的选择分析?29?6. 5?齿轮的选型？29?6. 6?本章小结?30?7?液压系统设计?32?7. 1液压系统简介?32码垛机械手设计v?7. 2液压系统的组成?32?7. 3机械手液压系统的控制冋路?32?7. 3. 1?压力控制回路32?7. 3. 2?速度控制回路33?7. 3

11、. 3?方向控制回路?33?7. 4?机械手的液压传动系统?34?7. 4. 1?上料机械手的动作顺序34?7. 4. 2?自动上料机械手液压系统原理介绍?35?7. 5机械手液压系统的简单计算?36?& 1?电磁铁的动作顺序表38?8. 2?根据机械手的动作顺序表?39?8. 3?plc与现场器件的实际连接图?40?& 4?梯形图?40?8. 5?指令程序?42?9?结论?45?参考文献?46?致谢47码垛机械手设计11绪论11前言用于再现人手的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、轨迹和耍求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生

12、产中应用的机械手被称为工业机器手。工业机械手是近代自动控制领域中岀现的一项新技术,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，逐渐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、电器液压技术、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。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动牛产设备。工业机械手也 是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构 造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性 和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发

13、展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一、它能部分的 代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工 件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳 动条件，显著的提高了劳动牛产率，加快实现工业牛产机械化和自动化的步伐。因而，受到 很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音 以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一 定的效果，受到机械工业的重视。机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器,他有多个自由度,可以搬运物体以完成在不同环境中的工

14、作。机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。随着工业技术的发展，制成 了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”， 简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换 生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2机械手的简史现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、 能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台 机械手。他的结构是:机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统 是示教型的。1962年，美国

15、机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教 再现型机械手。商名为unimate即万能自动。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰,用液压 驱动;控制系码垛机械手设计2统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个慕础上发展起来 的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司(unimaton),专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫vcrsatran机械手，原意是灵活 搬运。该机械手的屮央立柱可以回转,臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系 统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的 基础。1978年美国unimat

16、e公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种 unimate-vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业,定位误差可小 于土1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如unimate公 司建立了 8年机械手试验台,进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间(注:故障前 平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行吋间)，由 400小时提咼到1500小时,精度可提高到±0. 1毫米。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和 设备的上下料等作业。德国knka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式

17、结构和程序控 制。瑞士 retab公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日木是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种 典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道,1979年从事机械手的研究工作的大专 院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日木机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其屮固定程序和可变程序约占一 半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978 年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的

18、6倍。截止1979年,机械手累计产 量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%,并以每年50%60%的速度增长。使用机械 手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、 触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具 有感觉机能。目前国外己经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程屮的任务。它与电子计算机 和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统fmsflexible manufacturing system和柔性制造单元

19、flexible manufacturing cell 中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分 活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。1. 3工业机械手在生产屮的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许 多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛广泛。码垛机械手设计3在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化 水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率,完成工人难以完成的 或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等牛产很大程度上不是连续的。据资料介 绍，美国生产的全

20、部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件牛产时间的5%。从这里可以看出，装卸、 搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我 国机械手常用于完成的工作有:注塑工业中从模具屮快速抓取制品并将制品传诵到下一个生 产工序;机械手加工行业中用于取料、送料;浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能 够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1.4机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成1.4. 1执行机构1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是

21、回转型或平动型（多为回转型，因 其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以 用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸 盘。传力机构形式教多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜械杠杆式、齿轮 齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。2）腕部可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范阖，并使机械手 变的更灵巧,适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。 一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用 机械手，为了简化结构，可以不设腕部0前，应用最为广泛的手腕冋转运动机构

22、为冋转液压（气）缸，它的结构紧凑, 灵巧但回转角度小（一般小于270 0 ），并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输 出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包 括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的冃的:把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿 态（方位）,则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足 基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实 现,从臂部的受力情况分析，它在工作

23、中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身 运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直 接影响机械乎的工作性能。4）立柱 立柱式支承手臂的部件，立柱野可以是手臂的一部分,手臂的回转运 动和升降码垛机械手设计4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，但因工作需 要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱5）机座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，故起支撑和连接的作用1. 4. 2驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的 驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采

24、用液压机构驱动机械手, 结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.4.3控制系统分类在机械手的控制上,有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿 孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.5机械手的发展趋势1.5.1国外机械手领域发展趋势：目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第二代机械手止在加紧研制。它设 有微型电子计算机控制系统，具有视觉触觉能力，甚至听想的能力。研究安装各种传感器，能 把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。国外也出现了第三代机械手，它能独立地完成工作过程中的任务。它与电

25、子 计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统fms和柔性制造单元fmc中的重 要一环1.5.2我国机械手领域的现状及发展：1）码垛机器人的市场需求目前,在通货膨胀、人力成本逐渐升高的经济背景下，从现有国内啤酒、饮料 工业的发展趋势来看，机器人需求量将相当可观。业界已给出高度的评价和关注。 据有关数据显示，市场每年的需求在150台套以上。每年可为啤酒、饮料包装行业增加产值1. 5亿元,既可带动相关产业链同步发展，乂对推进社会进步和科技创新具有着深远的社会意 义。我国啤酒、饮料行业有数百家生产厂家、数千条20, 000瓶/小时和数百条40,000瓶/ 小时包装牛产线。大部分生产线是人工

26、码垛人库，工人劳动强度大，工伤事故率高，增加了啤 酒、饮料企业的生产管理成本。近年来，一些大型啤洒、饮料企业，特别是新建工厂，开始购 置码垛设备，需求量增长幅度较大。2）码垛机械手技术的发展宝鸡新科机械制造有限公司在热缩膜包装机、40/60型纸箱包装机上成 功地应用了 4-7轴伺服电机驱动、plc、人机界面,can总线技术，技术水平已与国际同步，可 与机器人配套码垛机械手设计5使用。机械设计采用目前国际流行的适于精密控制用的行星减速机，减速 比 1:192256,瞬时输岀扭矩可达到16,000nm,额定扭矩&000nm,特别适用于重载机器 人。针对每分钟码垛70箱，即每小时完成4, 2

27、00箱的生产能力要求，理论上可以码垛 50, 400瓶/小时,可以满足目前国内啤酒饮料40, 000瓶/小时的啤酒饮料灌装生产线的需要。3）码垛机械手的发展趋势近几年，啤酒、饮料、乳品等食品行业经历了前所未有的高速增长，然而随着 原料、包装、物流、营销、人力等成本的不断上涨，国内外对节能环保要求的提高以 及产业集团化、规模化和国际化进程的加快，啤酒、饮料、乳品等食品企业正面临着成本控 制和产品升级换代的挑战。同时消费者对产品质量和多样化的要求越来越高，生产工艺和设备革新也势在必行。新技术、新设备、新材料不仅可帮助企业根据各自的需求和企业文化 开发个性化的产品和包装，而口可以降低原材料、设备和生

28、产能耗等成本，增加企业的产品竞 争力。1.6木章小结本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理,熟悉了 码垛机械手的运动机理。在此基础上，确定了码垛机械手的基本系统结构,对码垛机械手 的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。码垛机械手设计62机械手的总体设计方案本课题是码垛机械手的设计。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设 计。在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的 执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务，然后通过软件对码垛机械手的运行进行简单的 运动仿真。设计要求：码垛

29、机械手应用于包装机械行业，现在最新型的码垛机器人结构简单、体积 小、重量轻、速度快、安全、节能美观,整机功率小比传统的码垛机在电能上每年可以节 省10万以上。并且可以大大的缩短生产线的长度，减少设备量，简化工作程序。2. 1机械手基木形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下4种: 1直角坐标型机械手;2圆柱坐标型机械手；3球坐标极坐标型机械手；4多关节型 机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因此木设 计采用圆柱坐标型。图是机械手搬运物品示意图。机械手基本形式示意码垛机械手设计72. 2机械手的主要部件及运动在圆柱坐在圆柱坐标式机

30、械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足 设计要求，本设计关于机械手具有4个自由度既:手抓张合;手臂伸缩;手臂回转;手臂 升降4个主要运动。本设计机械手主要由4个大部件和3个液压缸组成：(1)手部,采用一个直线 液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。(2)臂部,采用直线缸来实现手臂平动(3)机身, 采用一个直线缸和一个齿条缸来实现手臂升降和冋转。2. 3驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分，工业机械手的性能价格比在很大 程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分 为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手，结构简单、尺寸紧凑、 重

31、量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此,机械手的驱动方案选择液压驱动。2. 4机械手的技术参数列表1）用途:码垛箱体2）设计要求：机械手装置总装配图一张,若干部件图和零件图，计算机控制 原理图一张，设计计算说明书一本。3）设计技术参数：1、抓重：20-200kg2、自由度数:4自由度3、座标型式:圆柱座标4、最大工作半径:3m5、手臂运动参数伸缩行程：295mm升降行程:1070+1891259min冋转范围：°-180?0?2. 5手臂的配置形式机械手的手臂配置形式基木上反映了它的总体布局。运动要求、操作环境、 工作对彖的不同，手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用机座式。机座式结构

32、多为 工业机器人所采用，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放,机座底部也可以安装 行走机构，己码垛机械手设计8扩大其活动范围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手釆用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆 柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大。2. 6位置检测装置的选择机械手常用的位置检测方式有三种:行程开关式、模拟式和数字式。本机械 手采用行程开关式。利用行程开关检测位置,精度低，故一般与机械扌当块联合应用。在机 械手中，用行程开关与机械挡块检测定位既精度高乂简单实用可靠,故应用也是最多的。2.7本章小结本章对机械手的整

33、体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自 由度，确定了本设计采用液压驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设 计计算将以次进行。码垛机械手设计93机械手手部的设计计算3. 1概述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它 具有模仿人手的功能,并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不彖人手，它的手指 形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根 据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计 各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构 由手指和传

34、力机构组成。3.2设计吋应考虑的几个问题1）应具有足够的握力（即夹紧力）在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所 产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。2）手指间应有一定的开闭角两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的 开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考 虑°3）应保证工件的准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状, 选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带'v，形面的手指，以便自动定心。4）应具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用

35、力外，还受到机械手在运动过程中所产生的 惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽 量使结构简单紧凑，自重轻。5) 应考虑被抓取对象的要求应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的 形状。3. 3手部设计基本要求(1) 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的 传动机构所需的驱动力大小是不同的。(2) 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度(手指从张 开到闭合绕支点所转过的角度)，以便于抓取工件。(3) 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可 能使结构紧码垛机械手设计10凑、重量

36、轻，以利于减轻手臂的负载。(4) 应保证手抓的夹持精度。3.4典型的手部结构仃)回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。(2) 移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。(3) 平面平移型。3. 5机械手手抓的设计计算3. 5.1选择手抓的类型及夹紧装置木设计是码垛机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：码垛高度最大1800mm;码垛宽度最大1300mm;抓取重量:20-200kg;码台距离3m。常用的工业机械手手部, 按握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表而平整、面积较 大的板状物体，不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式 可分为回转型和平移

37、型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单，适于夹持平 板方料，且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置，其理论夹持误差零。通过综合考虑，本设计选择平移型手抓。在压力油作用下，连杆移位,从使机 械手手指张开与闭合。3. 5. 2手抓的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：机械乎乎部结构图码垛机械手设计12机械手手部受力图由? x?fo得?1 2?f f (3-1)?y?fo 得?a?cos?2?1?f?f (3-2)?，91 1?f f -由？ 01?m ?f? 0 得？ n?f?f?ll?*?b?sin?l2?*?b?a?cos?1+3-3?n?f?f?ll?*?b?sin?由

38、分析可知，当驱动力f?定时,3角减小,b角增大，（a+b）角减小，则握力?n?f?也随z改变，但q+b）角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最 好。- ° ? 30?55?a?,°- °+? 60?70?b?a? o码垛机械手设计133. 5.3夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作 用点进行分析计算。一般来说,需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变 化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算:？ 1 2 3?n?f k k k g3-5式中? 1?k?安全

39、系数，通常12: 2.0;?2?k?工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估？ 2? 1?b?k?a+其中a,重力方向的最大上升加速度;？ ?v?a?t3-6?v? ?运载时工件最大上升速度？t?响?系统达到最高速度的时间，一般选取0. 03: 0.5s?3?k?方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。g?被抓取工件所受重力(n) o表3-1液压缸的工作压力作用在活塞上外力f(n)液压缸工作压力mpa作用在活塞上外力f(n)液压缸工作压力mpa小于 5000 0. 8-1 20000-30000 3. 0-4. 05000-10000 1.5-2. 0 30000-50000 4.

40、 0-5. 010000-20000 2. 5-3. 0 50000 以上 5. 0-8. 0? 60?70 b a ;计算：设 al632mm, b2616mm, °- °? 30?55 a °- °机械手达到最高响应时间为0.5s,求夹紧力？ n?f?和驱动力f?和 驱动液压缸的尺寸。1? 1. 5?k ?2? 1?b?k?a+ 90. 1?0. 5?1?9.8+ 1.02?3? 0. 5?k根据公式，将已知条件带入：3-7? n?fn? 1530?2000?*?50?*?021?*?51(2) 根据驱动力公式得：码垛机械手设计14?5310?153

41、0?*?1632?*?15?sin?2616?*?0?7?cos?*?55?2sinoo o?f? 3-8(3) 取？ 0. 85 h ?n?f?f? 6427?850?5310h计算实际3-9(4) 确定液压缸的直径d?2 2?4?f d d p p - q 实际 3-10选取活塞杆直径d0. 5d,系统液压缸压力油工作压力p16mpa, d32mm,考虑安全因素选取液压缸内径为:d63mm则活塞杆内径为:选取d30mm3. 5.4手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为° ?10?，活塞杆运动长度为194mmo手抓夹持范围，手指长2616mm,当手抓没有张开角的时候，如图所示,根据机

42、 构设计，它的最小夹持箱体长度为1300mm,当张开？0?60?时，如图所示，最大夹箱体长度为1898mm机械手的夹持箱体长度可以从？ min? 1898? 1300 - 1300imn为设计要求尺寸3. 6本章小结通过木章的设计计算，先对码垛机械手部结构进行力学分析，然后分别对码 垛机械手手部结构的夹紧力、驱动力进行计算，在满足基本要求后，对手部的夹持精度进 行分析计算。码垛机械手设计164腕部的设计计算4.1腕部设计的基本要求(1) 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部 的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，

43、在腕部设 计吋,必须力求结构紧凑，重量轻。(2) 结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支扌掌作用，除保证力和运动的要 求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局,解决好腕部与臂部和手部的 连接。(3) 必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合屮搬运加工的棒料，因此不 太受环境影响,没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因 素。4.2腕部的设计计算4. 2. 1腕部设计考虑的参数夹取工件重量200kg4. 3.2腕部的驱动力矩计算码垛机械手设计17?m?n x ? 52600070.001?2630?10?200?m? 4-

44、1?f2?f1 (4-2)?m?1?f?1?f + ?3?/?l?2?3?/?l?l? (4-3)得:？kn?f? 475 ?mpa?mpa?a?f?432?242?050?050?4?1?1000?475?ltt （4一4）4. 4木章小结本章选择了具有一个简单可靠的腕部结构，并进行的腕部回转力矩的计算。码垛机械手设计18码垛机械手设计195臂部的设计及有关计算手僭部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件 或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动:伸缩、回转和升降。 木章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。臂部运动的目的

45、:把手部送到空间运动范围内任意一点。因此，一般来说臂 部应该具备3个自由度才能满足基本耍求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手 臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作 中即直接承受手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活 性等直接影响到机械手的工作性能。5.1臂部设计的基本要求5. 1. 1臂部应承载能力大、刚度好、自重轻(1) 根据受力情况，合理选择截而形状和轮廓尺寸。(2) 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。(3) 合理布置作用力的位置和方向。(4) 注意简化结构。(5) 提高配合精度。5.1. 2臂部运动速度要

46、高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水 平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在?1000 1500mm s?:，最大回转角速 度设计在？0?180? s?内，大部分平均移动速度为?1000min s?,平均回转角速度在？0?90? s?o在速度和冋转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此,机械手 臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径：(1) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。(2) 减少臂部运动件的轮廓尺寸。(3) 减少回转半径r，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转(或先回转后 伸缩)，尽可能在较小的前伸位

47、置下进行回转动作。(4) 驱动系统中设有缓冲装置。5. 1. 3手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力,尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于机 械手的设计码垛机械手设计20要使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防 止发生机构卡死(自锁现象)。为此,必须计算使之满足不自锁的条件。总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计 出完美的、性能良好的机械手。5.2手臂的典型机构以及结构的选择5.2.1手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：(1) 双导杆手臂仲缩机构。(2) 手臂的典型运动形式有：肓线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回 转

48、运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直 线运动的双层液压缸空心结构。(3) 双活塞杆液压岗结构。(4) 活塞杆和齿轮齿条机构。5.2.2手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动，液压缸选 取单作用液压缸。5.3手臂直线运动的驱动力计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主 要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯 性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计 算。惯 回 摩力？

49、f?f?f?f?f + + + (5-1)5. 3.1手臂摩擦力的分析与计算分析：摩擦力的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要 根据具体情况进行估算。图是机械手的手臂示意图，本设计是四连杆。码垛机械手设计21机械手臂部受力示意图起拉是受力最大计算如下:？l?15?cos?2?15?cos?12?cos?0?fx? f?f?f °°+ °(5-2)?l?15?sin?2?l?2?15?sin?f?sinl2?0?y? f?g?g?f?f 0+ + 。 + 。(5-3)?2?788?1?3342?138?*?2?119?*?0?f? g?g?f?

50、f?m + +(5-4)f100334nf123930nf2125298n码垛机械手设计225. 3.2手臂惯性力的计算在计算惯性力的吋候，设置启动吋间？ 0. 2?t s d ,启动速度0. lm/s?g v?f?g tdd总惯20067 (5-5)5. 3. 3密封装置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同,在手臂设计中，采用v型密封，当液压缸工作 压力大于lompao液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为:？ 0. 03?f f封。(5-6)经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力:？n?f?f?f?f? 123411?030+ + + 惯力(5-7)5.4液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力f123411n,液压缸的工作压力p16mpa(1)确定