工业机械手设计要点

1、目录摘要1第一章机械手设计任务书 11.1 设计目的11.2 本课题的内容和要求 2第二章抓取机构设计 32.1 手部设计计算 32.2 腕部设计计算 52.3 臂伸缩机构设计 7第三章液压系统原理设计及草图 123.1 手部抓取缸 123.2 腕部摆动液压回路 133.3 小臂伸缩缸液压回路 133.4 总体系统图 14第四章 机身机座的结构设计 错误！未定义书签,4.1 电机的选择 错误！未定义书签。4.2 减速器的选择 错误！未定义书签。4.3 螺柱的设计与校核 错误！未定义书签。第五章 机械手的定位与平稳性 错误！未定义书签,5.1 常用的定位方式 错误！未定义书签。5.2 影响平稳性

2、和定位精度的因素 错误！未定义书签。5.3 机械手运动的缓冲装置 错误！未定义书签。第六章 机械手的控制 16第七章机械手的组成与分类 187.1 机械手组成 187.2 机械手分类 错误！未定义书签。参考资料25送料机械手设计摘要本课题设计的为通用圆柱坐标系机械手。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

3、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。止匕外，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。本课题通过应用 AutoCAD 、UG等技术对机械手进行结构设计和液压传动 原理设计，它能实行自动上料运动，自动搬运棒料。机械手的运动速度是按着满 足生产率的要求来设定。关键字机械手，AutoCAD , UG第一章机械手设计任务书1.1 课程设计目的机电一体化系统设计课程设计是大学生在完成机电一体化系统设计 等专业课学习之后进行的综合性实践教学环节，总的目的是在老师的指导下，使 学生

4、通过课程设计，对所学的理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高，并 运用所学的理论知识，通过调研，设计一个机电控制方面的课题，收到从理论到 实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力，具体有以下几点：1、 通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资 料、实用资料的方法和能力。2、 通过检索查阅课程理论知识，运用所学的基础课，专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案，分析具体问题，进行 工程设计能力。1.2 本课题的内容和要求设计通用圆柱坐标系机械手及控制系统。设计中的机械手各动作由液压缸驱动，并有电磁阀控制，技术指标如下：a、 抓重：

5、200N-300Nb、 自由度（四个自由度）c、 动作符号伸缩X升降Z回转小d、 手腕运动参数回转 小行程范围e、 手指夹持范围：棒料，直径f、 定位精度：± 3mmg、 控制方式：PLC（1、）原始数据:行程范围400mm300mm0 120o0 180o速度小于 250mm/s小于70mm/s小于90o/s速度 小于90o/s50 70mm ,长度 450 1200mm1.3 设计内容及安排a、熟悉任务，查阅资料b、画出机械手装配图c、画出液压控制原理图d、根据控制要求，选择PLC型号及输入输出元件e、画出PLC控制的输出输入接线图f、完成梯形图和语句表的程序设计g、整理设计说明

6、书，答辩（3、）要求a、上述工作要求扎扎实实完成，绝不能打过场b、培养独立思考的，独立动手，独立查阅资料，严谨治学、一丝不苟的精神c、培养独立分析问题、解决问题的能力 d、有关问题按照课程设计大纲要求进行第二章抓取机构设计2.1手部设计计算、对手部设计的要求1、有适当的火紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏棒料的已加工表面。对于刚性很差的棒料夹紧力大小应该设计得可以调节，对于本应考虑采用自锁安全装置。2、有足够的开闭范围本机械手手部的手指有张开和闭合装置。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

7、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。4、手指应有一定的强度和刚度5、其它要求对于夹紧机械手，根据工件的形状为圆形棒料，因此最常采用的是外卡式两指钳爪，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

8、示：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。不同用途的液压机械，工作条件不同，工作压力范围也不同。液压机床一般取2 8MPa,止匕处取 4MPa,贝U1、有机械手抓重为200 300N,有常识知道重物与机械手抓摩擦系数暂时定为f=0.15 ,表面粗糙度 Ra都要求为1.6,则Fmax=G/f=300/0.15=2000N由于液压缸摩擦、惯性等存在因素的影响，Fmax>=2000N,即手爪的夹紧力F1 -2000N2.根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：F尸（2b/a）父（cos a ' ） 2 N'（2.2 ）其中N ' =2000

9、N,带入公式 2.2得：F产（2b/a） m （cos a ' ） 2 N'=（2 父 150/50）父（cos30o） 2 父2000=10392N则实际加紧力为 F i实际=PK1K2/4(2.3 )=10392 1.5 1.1/0.85=20172N经圆整Fi实际=21000N2、计算手部活塞杆行程长L,设直径取80mm即L= ( D/2 ) tg 巾(2.4 )=40X tg30 o=36.96mm经圆整取l=50mm3、确定" V'型钳爪的 L、B。取 L/Rcp=3( 2.5 )式中： Rcp=P/4=200/4=50(2.6 )由公式(2.5)

10、(2.6)得：L=3XRcp=150 取“V”型钳口白夹角2 a =120o,则偏转角B按最佳偏转角来确定，查表得：B =22 o394、机械运动范围(速度)(1)伸缩运动 Vmax=250mm/s(2)升降运动 V max=70mm/s(3)手臂回转 Wmax=90o/s(4)手爪回转 Wmax=90o/s所以取手部驱动活塞速度V=50mm/s5、手部右腔流量(2.7)(2.8 )Q=sv=50 兀 r2=50X3.14 X 402=251.2ml/s6、手部工作压强P= F 1/S=21000/5024=4.18Mpa2.2 腕部回转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

11、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，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求：回转 0180。，即± 90o角速度W小于90o/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 300N=30Kg,长度 l=1200mm。如图 2.3 所示。1、计算扭矩 M1设重力集中于离手指中心350mm处，即扭矩 M1为：M1=FX S(2.9)=300 X 0.35=105 (N - M)F棒料，直径 70mm ,长度 1200mmS图2.3腕部受力简图2、油缸(伸缩)及其配件的估算扭矩M2F=8kg S=10cm带入

12、公式2.9得M2=FX S=8X 10X0.1 =8( N M3、摆动缸的摩擦力矩M摩F摩二400 (N)(估算值)S=20mm(估算值)M 摩二 F 摩 x S=8 (N - M)4、摆动缸的总摩擦力矩M(2.10 )M=M1+M2+阵=121( N - M)5.由公式T=PXb ( A12- mr2) 乂 106/8(2.11 )其中：b 一叶片密度，这里取 b=3cm；A1一摆动缸内径,这里取 A1=12cm；mm-转轴直径，这里取 mm=5cm所以代入(2.11 )公式P=8T/b ( A12- mn2) 乂 106=8X121/0.03 X ( 0.12 2-0.05 2) 乂 10

13、6=2.71Mpa由W=8Q/( A12- mn2) b所以Q=W( A12- mn2) b/8=(兀 /4 ) (0.12 2-0.05 2) X 0.03/8=0.35X 10-4 m3/s=35ml/s2.3 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。手臂的伸缩速度为小于25

14、0m/s行程 L=400mm1、手臂右腔工作压力，公式(2.8) 得：P= ( F+ F 摩)/S(2.12 )式中：F取工件重和手臂活动部件总重，估算F=30+25=55kg , F摩=1800N。所以代入公式(2.12 )得：F=2350N由课本液压与气压传动表 9-2表得：负载小于 5KN时，工作压力小于 0.8MPa, 取 P=0.6MPaS= （ F+ F 摩）/P =（55X 10+1800 ） /0.6=3917mm2由 S=tt R2得 R=vS/3.14=35.3mm 则 D=70.6mm 由课本液压与气压传动查表 4-2得直径为80mm 2、手臂右腔流量，公式（2.7）得：

15、Qmax=sv =250X 兀 X 402=1256000.65mm3/s=1256ml/s 2.4手臂升降机构设计手臂执行机械手动作，实现机械手功能，通过升降机构可以实现机械手整体 的上升与下降，联接手爪可以实现货物的上升与下降。由于手臂重量较大，因此，升降需要导向和支撑部件来实现功能。 手臂的升降速度小于70mm/s,行程为300mm符号为Z1、手臂右腔工作压力，公式（2.8） 得：P=（ FZ+ F 摩）/S（2.12 ）式中：FZ取工件重和手臂活动部件总重，估算FZ=30+25+25=80kg , F 摩=2500N。所以代入公式（2.12 ）得：F=3300N由课本液压与气压传动表

16、9-2表得：负载小于 5KN时，工作压力小于 0.8MPa, 取 P=0.6MPaS= （ FZ+ F 摩）/P =（80X 10+2500 ） /0.6=5500mm2由 S=tt R2得 R=VS/3.14=41.8mm 贝U D=83.6mm 由课本液压与气压传动查表 4-2得直径为100mm 2、手臂右腔流量，公式（2.7）得：Qmax=sv =70X 兀 X 502=549500mm31s=549.5ml/s2.5手臂回转机构设计本课题手臂具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的手臂结构。要求：回转 02100角速度W小于90o/s以最大负荷计算：当工件装夹在手爪上，

17、伸缩手臂处于最大长度时， 采用估算法，总重为100Kg,伸缩液压缸伸出总长度l=800mm。如下图所示。1、计算扭矩 M1设重力集中于离手指中心250mm处，即扭矩 M2为：M2=FX S(2.9)=1000 X 0.25=250 (N M)图2.3手臂受力简图由于有油缸配件、摆动缸的摩擦力矩的存在，暂且在计算力矩的基础上乘以系数小=1.2 则 乂总二(|)M2=250X 1.2=300 (N- M)2.由公式T=PXb ( A12- mr2) 乂 106/8(2.11 )其中：b 一叶片密度，这里取 b=3cm；A1一摆动缸内径，这里取 A1=15cm；mm-转轴直径，这里取 mm=6cm所

18、以代入(2.11 )公式P=8T/b ( A12- mn2) x 106 =8X300/0.03 X ( 0.15 2-0.06 2) 乂 106 =4.23Mpa 由W=8Q/( A12- mn2) b所以Q=W( A12- mn2) b/8 =(兀 /4 ) (0.15 2-0.06 2) X 0.03/8=0.56X 10-4 m3/s=56ml/s3、机构工作参数总结：手部抓紧直径70mm 行程50mm 工作压力 4.18MPa 流量251.2ml/s速度50mm/s腕部回转内径120mm 转轴直径 50mm 行程0180o (土 90。)工作压力2.71MPa 流量35ml/s速度小

19、于90o/s小臂伸缩内径80mm 行程400mm 工作压力 0.6MPa 流量1256ml/s速度小于250m/s手臂升降内径100mm 行程300mm 工作压力 0.6MPa 速度小于 70mm/s流量 549.5ml手臂回转内径150mm 转轴直径60mm 行程0 210。工作压力 4.23MPa流量56ml/s速度小于90o/s2.6液压泵的初选择1、由初步计算选液压泵所需液压最高压力P=5.46Mpa所需液压最大流量Q>=1256ml/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,即900mm/s21

20、00mm/s ,可以满足需要。2、验算腕部摆动缸:T=Pb ( A12- mn2)“ mX 106/8(2.13)W=89 4 v/ ( A12- mr2) b(2.14)式中：刀m-机械效率取：0.850.94v一容积效率取：0.70.95所以代入公式(2.13 )得：T=2.71 X 0.03 X ( 0.12 2-0.05 2) 乂 0.85 X 106/8=102.8(N M)T<M=121 (N - M代入公式(2.14 )得：Wmax= ( 8X 35X10-6) X 0.85/ ( 0.12 2-0.05 2) 乂 0.03 =0.667rad/sW<tt /2 1.

21、57rad/s因此，取腕部回转油缸工作压力P=3Mpa流量 Q=40ml/s2、验算手臂回转摆动缸：T=Pb ( A12- mn2)“ mX 106/8(2.13)W=89 4 v/ ( A12- mr2) b(2.14)式中：刀m-机械效率取：0.850.94v一容积效率取：0.70.95所以代入公式(2.13 )得：T=4.23 X 0.03 X ( 0.15 2-0.06 2) 乂 0.85 乂 106/8=254.8(N - M)T<M总=300 (N - M代入公式(2.14 )得：Wmax= ( 8X 56X10-6) X 0.85/ ( 0.15 2-0.06 2) 乂 0

22、.03 =0.672rad/sW<tt /2 1.57rad/s因此，取腕部回转油缸工作压力P=5Mpa流量 Q=60ml/s圆整其他缸的数值：手部抓取缸工作压力P I =4.5Mpa流量 QI =300ml/s小臂伸缩缸工作压力P I =0.6Mpa流量 QI =1300ml/s手臂升降缸工作压力P I =0.6Mpa流量 QI =600ml/s3、确电机规格：通过对液压泵的型号的确定，液压泵选取 CB-D型液压泵，额定压力 P=10Mpa,工作流量在 3270ml/r之间。选取 1500ml/s ( 90L/min )为额定流量的泵 因此：传动功率功率-压力X流量/ (60X效率)N

23、=PXQM(3.1 )式中：4=0.8(经验值)所以代入公式(3.1 )得：N=10X 90/ (60X0.8 )=18.75KW选取380V交流异步电动机的额定功率20KW转速为2940r/min 。第三章液压系统原理设计及草图3.1 手部抓取缸图3.1钳式手爪缸液压原理图Q=1300ml/s 。泵的供油压力 P取10Mpa,流量Q取系统所需最大流量即因此，需装调速阀，流量定为 300ml/s ,工作压力 P=5Mpa。采用：YF-B10B溢流阀2FRM5-20/102调速阀23E1-10B二位三通阀3.2 腕部摆动液压回路14图3.2腕部摆动液压回路工作压力 P=3Mpa 流量 Q=40m

24、l/s采用：2FRM5-20/102调速阀34E1-10B三位四通换向阀YF-B10B溢流阀3.3 小臂伸缩缸液压回路工作压力P=0.6Mpa 流量 Q=1300ml/s采用：YF-B10B溢流阀2FRM5-20/102 调速阀 23E1-10B三位四通阀3.4 手臂升降缸液压回路工作压力P=0.6Mpa 流量 Q=600ml/s采用：YF-B10B溢流阀2FRM5-20/102 调速阀23E1-10B三位四通阀3.5手臂回转摆动缸回路15工作压力P=4.23MPa流量 Q=56ml/s采用：2FRM5-20/102调速阀34E1-10B三位四通换向阀YF-B10B溢流阀3.6总体系统图脑眼麻

25、就手陶林1X20图示：总体系统图第六章机械手的控制控制系统是机械手的重要组成部分。根据本课题的要求采用PLC控制方式，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PLC的控制来实现的。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。我们设定模拟一个工作过程来编制程序：小臂伸长一小臂下降一手部抓紧一腕部回转一小臂上开一小臂回转一小臂收缩一小臂下降一小臂回转一手部放松由于控制点数比较少，因此我们选择使用小型PLC来控制，通过对经济效益的比较，我们采用三菱PLC,采用FX2N-32MT-D1.输入输出点数的分配输入输出启动按钮X0手爪松紧Y0停止按钮X1手爪止转Y1上限位X2手爪反转Y2下限位X3手爪伸长Y3手臂止转限位X4手爪缩短Y4手臂反转限位X5手臂上升Y5手爪止转限位X6手忖下降Y6手爪反转限位X7手臂止转Y7左限位X8手臂反转Y8右限