具有触觉功能的机械手结构设计

1、毕业设计说明书Beyeshejishuomingshu地 市： 准考证号： 姓 名： 河南省高等教育自学考试具有触觉功能的机械手结构设计摘 要关键词：机械手、液压缸、可编程序控制器（PLC）、压电传感器 HAVING TACTILE FUNCTION STRUCTURE DESIGN OF MECHANCAI HANDABSTRACTThis paper briefly introduces the concept of industrial robots, composing and classification of the manipulator, the degrees of free

2、dom manipulator and the coordinate type, the characteristics of pneumatic technology, PLC control characteristics and the domestic and foreign development condition.In this paper, the mechanical hand the overall scheme design, the manipulator to determine the coordinates of the types and degrees of

3、freedom, determine the technical parameters of the manipulator. At the same time, the detailed design of the manipulator clamping type structure of hand; designed the structure of robot wrist, the wrist to calculate the rotation of the driving torque required and a rotary cylinder driving torque; th

4、e design of the manipulator arm structure, design of the telescopic arm.Design of mechanical hand hydraulic system, rendering the manipulator hydraulic system principle diagram. Using programmable controller to control the mechanical hand, the appropriate selection of PLC models, according to the ma

5、nipulator workflow developed programmable controller control scheme, draw the mechanical hand work sequence diagram and ladder diagram, and the preparation of PLC control program.KEY WORDS：Manipulator、Hydraulic cylinder、Programmable controller、Piezoelectric sensor目录前言1第1章 机械手概况2§1.1 搬运机械手的应用简况2

6、§1.2 机械手的应用意义3§1.3 机械手的发展概况3§1.4 机械手的发展趋势4§1.5 PLC概况及在机械手中的应用5第2章 机械手机构总体方案的设计7§2.1 机械手的基本结构7§2.2 机械手的主要参数9第3章 手部结构设计9§3.1 手部设计基本要求9§3.2 典型的手部结构10§3.3 机械手手爪的设计计算10§3.4 手爪的力学分析10§3.5 夹紧力及驱动力的计算12§3.6 手爪夹持范围的计算14§3.7 机械手手爪夹持精度的分析计算15第4章

7、横向手臂的设计计算16§4.1 伸缩臂设计基本要求16§4.2 臂部的结构选择18§4.3 手臂伸缩驱动力的计算19§4.4 手臂伸缩液压缸参数计算21§4.5 竖向液压缸的设计说明23第5章 机身回转机构的设计23第6章 液压控制设计24§6.1 控制系统设计要求24§6.2 控制流程25第7章 PLC控制设计26§7.1 PLC的构成及工作原理26§7.2 PLC的选择25§7.3 程序设计28§7.4 指令表25结论33参考文献34致谢35附录35前言机械手：mechanical

8、 hand，也被称为自动手auto hand；能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，它可代替人的繁殖劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要有手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持部件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而又多种结构形式，如：夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动、摆动、移动或复合运功来实现规定的动作，改变被夹持部件的位置和姿势，运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，成为机械手的

9、自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需要有六个自由度。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也就越复杂，一般专用机械手有2-3个自由度，机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床和其他机器的附加装置，如在自动机床和自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等一般没有独立的控制装置。有些操作装置是由人直接操纵的，如用于原子能部门的操持危险物品的主从式操作手，也成为机械手，机械手在锻造工业中的应用能进一步发展

10、锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 第一章 机械手概况第二章 机械手总体方案的设计图2-1 机械手简图图2-1中工件所处位置为原点位置，根据课题设计的要求：机械手初始位置在原点位置，每次循环动作都从原点位置开始，完成上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制，并能实现手动操作和自动操作方式。当机械手在原点位置下启动按钮，系统启动，左传送带运转。当光电开关检测到物品后，左传送带停止运行根据分析可得出机械手的工作流程图，如图2-2所示。可见，实现要求功能需要如下条件：(1)底座与横梁之间需要旋转盘，旋转盘的驱动由电机来完成，普通电机转速较高，需要考虑安装减速机，在这种频繁启动

11、制动的场合下，选用直流步进电机会更方便。上限延时工件下限图2-2 机械手工作流程图(2)横梁在普通情况下，长度是固定的，如果工作台不进行调整，横梁长度可永远不变。(3)竖直方向上是频繁上下工作的机构，可选用电机传动的齿轮齿条啮合机构，也可选用执行气缸，后者是新技术更经济、环保、噪音低，也更符合课题要求。(4)抓紧机构也可选用气动执行爪和执行气缸并用组成气动执行模块根据以上分析，机械构造方案基本固定。整个机械手一共用到三个气缸，横梁长气缸进行横向移动，执行气爪进行夹持与放松、竖导杆气缸执行升降运动。1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。故该机械手

12、主参数定为3公斤，高速动作时抓重减半。2、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为1.2cm/s，最大回转速度设计为90°/s，平均移动速度为50mm/s，平均回转速度为45°/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略

13、有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1500mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为2400(应大于180否则需安装多只手臂)。手臂升降行程定为150mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5±lmm。第三章 手部结构设计3.1 手部设计基本要求1. 手部应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。2. 手部应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关

14、，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。3. 应能保证工件在手部准确定位。4. 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。5. 根据应用条件考虑通用性。3.2 典型的手部结构1. 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。3.3机械手手抓的设计计算本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角=，夹取重量为3Kg。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面平整、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

15、分为回转型和平移型。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。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。 通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。3.4手抓的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3-1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。图3-1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1

16、手指 2销轴 3杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线001和002并指向0点，交F1和F2的延长线于A及B。由Fx =0 得 F1=F2 Fy=0 得 由=0 得h F= 式中 a手指的回转支点到对称中心的距离（mm）. 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好= 。3.5 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

17、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： 式中 K1安全系数，通常1.2 - 2.0； K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a为重力方向的最大上升加速度；即： 运载时工件最大上升速度 系统达到最高速度的时间，一般选取0.3 - 2sK3方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指与工件形状：型指端夹持圆柱型工件，为摩擦系数，为型手指半角，此处粗略计算.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

18、Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于500050000以上表3-1计算：设a=100mm,b=500mm,<<机械手达到最高响应时间为2s，求夹紧力和驱动力和 驱动液压缸的尺寸。设K1=1.5 =1.02 K3=4 根据公式，将已知条件带入： =1.5x1.02x4x3x9.8=177.75N 取整为：177N （2）根据驱动力公式得：根据驱动力和夹紧力之间的关系式：式中：c滚子至销轴之间的距离；b爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角可得，得出为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.80.9，此处取0.88，则： ，取 （3

19、）取 F实际= F计算/= 40.5/0.85=50N （4）确定液压缸的直径D 选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8MPa, 2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）根据表（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆内径为:D=630.5=31.5mm，选取d=32mm3.6 手抓夹持范围的计算为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3-3（a）所示，根据机构设计，

20、它的最小夹持半径mm，当张开时，如图3-3（b）所示，最大夹持半径计算如下： mm机械手的夹持半径从40-90mm图3-3手抓张开示意图机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。图3-4 手抓夹持误差分析示意图图3-4 手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为80mm180mm

21、。一般夹持误差不超过1mm,分析如下：工件的平均半径：手指长,取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定：计算 当S时带入有：夹持误差满足设计要求。第四章 横向手臂的设计计算4.1伸缩臂设计基本要求设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装竖向油缸和机械手，完成直线伸缩动作。（1）功能性的要求机械手伸缩臂安装在大臂上，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（2）适应性的要求为便于调整，适应工件大小不同的要求，起止位置要方便调整，要求设置可调式定位机构。为了控制惯性力，减少运动冲击，动力的大小要能与负载大小相适应，如步进电机通过程序设计改变运动速度，

22、力矩电机通过调整工作电压，改变堵力矩的大小，达到工作平稳、动作快捷、定位准确的要求。（3）可靠性的要求可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。（4）寿命的要求产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施，如：选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损的零件要便于更换。（5）经济的要求机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济

23、性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中。（6）人机工程学的要求人机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。本设计中要充分考虑外形设计，各调整环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。（7）安全保护和自动报警的要求按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须考虑的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警装置。设计参数（1）伸缩长度：300m

24、m；（2）单方向伸缩时间：1.52.5S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm；（4）前端安装竖向油缸和机械手，伸缩终点无刚性冲击；4.2 臂部的结构选择常见的手臂伸缩机构由以下五种：1）双导向杆手臂伸缩机构手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆均受拉压，故受力简单传动平稳。2）双层液压缸空心活塞杆单杆导向机构其特点是工作液压缸容积小、运动速度快、外形整齐、活塞杆直径大、增加手臂刚性。3）采用花键套导向的手臂升降机构内部导向，活塞杆直径大、刚度大、传动平稳，花键轴端部的定位装置值得注意，必须保证手臂安装在正确的初始设计位置上。 4）双活塞杆液压缸结构活塞杆速

25、度先慢后快，是用短液压缸实现大行程的结构。5）活塞杆和齿轮齿条机构手臂的回转运动是通过齿轮齿条机构实现的，齿条的往复运动带动与手臂联接的齿轮做往复回转而使手臂左右摆动。通过以上，综合考虑，本设计选择双导向杆手臂伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。4.3 手臂伸缩驱动力计算伸缩液压缸活塞驱动力的计算公式为：式中 手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。 密封装置处的摩擦阻力。液压缸回油腔低压油液所造成的摩擦阻力。启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。（1）的计算经计算 式中 参与运动的零部件所受的总重量。手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑前端的距离导向支撑的长度当量摩擦系数，其

26、值与导向支撑的截面形状有关。对于圆柱面：摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取钢对铸铁：取计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁，,导向支撑，带入数据得：（2）的计算经计算 式中 由静止加速到常速的变化量。 启动过程时间，一般取。手臂启动速度，启动时间，带入数据得：（3）的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用型密封圈，当液压缸工作压力小于时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为： （4）的计算一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。经过以上分析计算，液压缸的驱动力为：所以手臂伸缩驱动力 4.4 手臂伸缩液压缸参数计算经过上面计算，确定了液压缸的驱动力F=4100，因此选择液压缸的工作压力。（1）液压缸内径计算图4-1 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔： 当油进入油杆腔： 所以 （无杆腔） (有杆腔)式中 手臂伸缩液压缸驱动力 液压缸内径 活塞杆直径 液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取 液压缸的