工业机械手设计

摘要随着工业革命的发展，生产自动化程度不断提高，生产自动化的实现离不开自动化机械。本世纪是自动化机械的时代，各种机器装备代替人完成各种复杂，危险，恶劣环境下的工作。作为人的代替品完成各种工作，自动化机械理所当然在一定程度上是根据人体的结构和功能来设计的，手是人类完成各种工作的重要器官，相当一部分自动化机械是模仿人体的各个动作来完成各种复杂的动作。此次设计就是模仿人完成一项工作的各个动作而进行设计的一台自动化机械手，完成工件的抓取和放置。设计过程和内容涉及机械，液压,电气，自动控制等多门学科知识，对设计人员有较高的综合素质要求。关键词：AbstractAlongwiththedevelopmentoftheindustrialrevolution,productionautomationdegreeunceasingenhancement,therealizationoftheautomatedproductionfromautomaticmachines.Thiscenturyistheeraofautomationmachinery,variousmachineequipmentinsteadofhumanincompletingvariouscomplex,dangerous,harshenvironment.Asasubstituteforthepeoplefinishallkindsofwork,automationmachinerygrantedinacertainextentaccordingtothehumanbodystructureandfunctiontodesign,thehandisanimportanthumanbeingsincompletingvariousorgans,aconsiderablenumberofautomationmachineryisimitationofhumanbodyeachactiontofinishallkindsofcomplicatedmovements.Thisdesignistheimitationpeopleperformataskofeachmovementandaautomationdesignmanipulator,grabandplacedcompleteworkpiece.Designprocedureandcontent,involvingmachinery,hydraulic,electric,automaticcontrolofmulti-disciplineknowledge,designershavehighcomprehensivequalityrequirements.第1章绪论1.1工业机械手简介机械手是模仿人的手部动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置，它是机械化、自动化的重要手段。因此，获得了日益广泛的应用，特别在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，它代替了人的工作，具有重要的意义。在机械加工中，冲压、铸、锻、焊、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输、国防工业等各方面，也已愈来愈引起人们的重视。机械手一般由执行机构、驱动机构、控制机构以及位置检测装置等组成，驱动系统可采用液压传动、气动传动、电气传动和机械传动等形式，而多数采用电液机联合传动。该机械手是将圆柱形零件从传送带上夹装到专用机床上，待加工完毕后再夹装回传送带的专用机械手（见示意图）。机械手总体设计分为夹持器、伸缩臂、升降臂和底座四大部件设计及二个系统：PC电控系统与液压控制系统设计。夹持器安装于伸缩臂上，伸缩臂安装在升降臂上，升降臂安装在底座上。连接方式均为法兰盘螺栓连接。1.2机械手的组成和工作程序机械手的动作要求分为14步。从原位开始——伸出一一下降一一夹紧一一上升——回缩一一下降一一正转一一上升一一下降——松开一一上升——缩回一一反转一一到原位停止，准备下次循环。圆柱形零件的尺寸为直径80毫米，高为150毫米，机械手回转角度为90度，升降高度为500mm,伸缩长度为300mm。本设计为工业机器人机械手的夹持器设计，机器人通过夹持器的松紧动作，实现工件的加紧与放松。第2章机械手设计2.1设计参数和性能要求所要抓紧的工件直径为80mm。放松动作时两爪间最大距离为110-120mm。抓持速度为20mm/s，夹持器从运输车上抓取待加工的坯料送到加工机械上及把加工好的工件送回到运输车上。抓持速度为20mm/s工件重约6婕，材质：45#钢，加紧动作平稳，起动和终止无刚性冲击；由运动分析及所需夹持力得到机构各部分尺寸。要有足够的夹持力和所需的夹持精度，(6)是联接在手臂上，应尽可能使结构简单、紧凑、质量轻，以减轻手臂负荷。2.2机构选型2.2.1方案对比

方案1:楔块杠杆式回转型夹持器。h缸体2、灌3、籲4、楔块5、痕子6、杠杆人籲氏ff方案1楔块杠杆式回转型夹持器图2-1方案2:连杆杠杆式回转型夹持器I、杠杆2、连杆3、时删4、杆方案2连杆杠杆式回转型夹持器图2-2方案3:齿轮齿条平行连杆平移夹持器由于结构原因，手爪松开的距离不会很大，所以只适用于工件尺寸变化不大的范围，由于楔块的倾斜角不易太小，太小则夹持范围过小，太大则夹持力变小，故夹紧力不是很大。但该种结构简单，适用于轻载场合图2-3方案图2-3方案4：图2-4左右旋丝杠平移夹持器图1-1^左右能丝杠平移型夹持辭1电动机2线杠3—盼轨4钳爪杆

上图结构中采用了扇形齿轮和齿条机构，结构紧凑，体积小，安装方便，但制造难度大，成本高，经济性不好；下图采用了平行四边形机构和连杆机构，制造容易，机构简单,但大大增加了整个夹持器的尺寸；综合以上两种结构的优缺点，选择下图2-5所示方案图2-52.3结构尺寸设计2.3.1设计要求行程：最大爪距120mm,最小为0mm构尺寸有机构图可以知道，两个爪块之间的距离主要取决于同机架项链的铰链之间的距离，V型块厚度为30mm，则铰链间距取200mm可满足要求，即机架宽度约为200mm。结构尺寸设计如图2-6所示：图2-62.3.2动力计算抓取的圆柱体直径为80mm,高为150mm,45#钢。工件质量m=pu=p兀r2h=7.8x兀x0.042x0.15x103=5.88kg夹紧力：Fn-K1K2K3G (2.1)使用系数K1:1.2~2取K1=1.3aK=1+动载荷系数K2: 2g得K2=1.9安全系数K3：K3=2F=KKKG=1.3*1.9*2*9.8*5.88=284.66N夹紧刀N123驱动缸输出力驱动力Fp=2tan340Fn=375N2.3.3驱动缸选型由上节知道液压缸输出力卩卩>375N,假定液压缸的工作压力P=1Mpa，液压缸内径立:'4x375D=\兀P=\XX1MPa=23.5mm取标准液压缸内径D=32mm活塞杆直径d=0.5D=16mm经Solidworks三维立体仿真，机械手从完全闭合到张开，液压缸的行程S>100mm根据以上数据，选择轻型拉杆液压缸，型号为BFC32/16B,安装尺寸和方式如表2-1：

行程WA4xDDBnJ节流阀丿

弘+行程缸轻B型杆c行程WA4xDDBnJ节流阀丿

弘+行程缸轻B型杆c型杆AKKMMAKK3225M16X1.518————11DDEEEFFHLpl\TGWM10X1.25□5fiZG%38141901330Z7+行程171表2-1第3章伸缩臂设计3.1性能参数计算液压伸缩缸完成水平动作，行程S=300mm，主要承受的载荷包括摩擦力，惯性力，启动平稳，停止无刚性冲击，定位精确。伸缩臂驱动的质量包括自身活塞杆质量，机械手和驱动缸的质量，以及工件质量，各部分质量如下，活塞杆m1=2Kg,机械手m2=10K工件m3=5.9Kg，总质量m=18Kg取摩擦系数u=0.2,加速度a=20m/s2,伸缩缸输出力F=uG+ma=0.2x18x9.8+18x20=395.28N■4F ：4X395.28液压缸内径D=\冗P='：冗xiMPa=22.51mm取标准内径D=32mm,活塞杆直径d=0.5D=16mm3.2液压缸选型根据以上数据选择液压缸，为了减小整体结构尺寸，连接方式采用切向底座连接，液压缸基本尺寸数据和安装结构如下表3-1所示：第4章升降液压缸设计4.1设计任务及要求升降液压缸为整个升降平台提供动力和支撑，液压缸除了提供升降动力外，还应该满足启动迅速，运动平稳，定位精确，停止无刚性冲击等性能；液压缸的主要载荷包括滑台和其上所装零部件质量，以及启动加速时的惯性力。4.2性能参数计算液压缸载荷质量m包括滑台，伸缩臂，机械手，工件，总质量为m=30Kg15Kg20Kg5.9Kg=70.9Kg,，液压缸推力为F=uG+ma=0.2x70.9x9.8+70.9x20=2112.3N■'4F：4x2112.3液压缸内径D=\冗P冗X1MPa=51.4mm取标准值D=63mm,活塞杆直径d=40mm.行程S=500mm4.3液压缸选型根据以上数据，选择液压缸，采用头部轴销连接方式，结构参数和安装尺寸如表4-1:

社駁J)埜陀编沟尺寸卡X-3.IDhIS.5MPi跡，SfiMPa31.SMPfli TLTDTLTDT/,TDIL2020zo罚SO30303S3030303030&3303ft4040*04040表4-1第5章机架设计5.1设计任务及要求机架是整个及其的主要部分，起到对移动件的支撑，固定，和导向作用，所以机架应该具有足够的强度和刚度，以下主要根据载荷与受力情况设计机架及其上面的各部件的结构尺寸。5.2回转支承选型回转支承是转动部分和底座之间的可动连接，能承受一定的垂直力和倾覆力，由于及其所受的倾覆力不大，故主要根据液压升降缸的结构尺寸来选择，结构尺寸如图5-1:Do/TXDDe

Do/TXDDe外形尺才安装孔尺寸结罚尺寸齿轮垂数外齿垂数D dHDi D2ndnidnzdmldm2LnlH1hbXdaE齿勘质呈mrnmmmm■mmrnm0mmmmKg290 1206024B 1S21216M：［斗2Q25D1040033009B9S图5-15.3底座设计底座起到支撑和固定整个回转部分的作用，整个支撑所承受的载荷在200Kg以内，其结构主要根据回转支承安装设计，底座结构尺寸参看装配图。5.4导向杆设计导向杆的作用是对运动部件起到导向作用，导向杆应具有一定的刚度，在滑台承受倾覆力和横向力时的变形不超过许用值。导杆在正常使用情况下横向载荷很小，可以忽略不计，主要载荷为倾覆力矩，受力情况如图5-2所示：图5-2倾覆力矩M=mgl=25Kg*9.8N/Kg*300mm=73500N•mm导杆截面的弯曲应力&应小于许用值，

b= bZ<[b]3,_，16M3：16x73500D>V[b]=斗兀450MPa=13.7mm取D=20mm滑台之间米用直线轴承连接方式，由导杆直径选择直线轴承，型号和结构尺寸如图5-3:LMEF LMEK號型球列數重(gt)句隙差吋徑間公®荷S定額本基型貝型方荷動期定G韻發们，0邓定Ck4-5■■:194I.OC5■_550.b2$7W-7r;-302「6R—«5-JI2图5-3第6章液压元件选用6.1液压泵的选择液压的流量根据系统所需流量最大的液压缸确定，升降液压缸缸径最大，所需流量也

最大，故根据升降缸的流量确定液压泵的流量。兀D2 兀632亠 60 v60 100mm/s流量Q=4 = 4 =18.69L/min压力P>1MPa，选用CB-B20型齿轮泵，性能参数和安装尺寸如表6-1:型 号/L■mm"1压力/MPa转速/r*min"1容积效率iftfiAg功率/kWS* 号/L•min"11压力/MPa转速/r•min"1容积敕率S3/kg功率/kWCB-B2.52.5i.50.13CB-B404010.52»10CBB442,51450^852,8(K21CB-B50SO2.5145011*02>GQ63<Z0+31CB-B636311*8乱30CBBJO103-50.亦CBB808017*61+10CB-B16165-20.82CB-lilQO100Z.51450>«01&7A10CB-B2Q201450>905.21.02CL4-B12S1251&.5乩50252,5■氐51.30CBBl60160少a1450>9023・58.20CB-B32325-51.65CB-B20020025.61C.10型 号C£H口 GD(f8)DidTI 'bMCB-B2.579CB-B482E595253003512dc353013.54MG73ZTCB-B686CEUilO94CB-B161Q7CB-B201118G12830号5*30艸5I6(Zc504217.8:5M8zACBE251U4CB-B32121表6-16.2液压控制元件的选择6.2.1压力控制阀

米用SBT03-32型先导式溢流阀，性能参数如表6-2:名 称公称通ft/in9 号闕压范ffi/MPa凤大M*/L・min-1先导式溢渡阀%BT-03-M-32BG-03M-320.5~25・01005：04.7%BT06*32BG-06-M-3Z2005.05.6必BT1O-M-32BG-1O-X-324008・58.7表6-26.2.2换向阀系统所需的主要液压控制元件为换向阀，溢流阀，实现液压缸的换向动作和系统压力控制，根据液压泵的流量和压力，换向阀均采用具有锁紧保持中位机能的三位四通电磁换向阀，型号为WE10EB型。如图6-1:图23*777 4WE10E10/A魁湿式电磁换向阀结构原理图1一阀体2湿尔电磁快3—梢阀4一复位彈簧5—推杆6—故障检畫按钮图6-1第7章液压/电器控制系统的设计7.1液压控制回路液压控制系统的作用主要是控制机械系统各机构的动作顺序，并满足速度要求。本系统要求动作平稳，速度不随负载的变化而差生大的改变，故液压控制系统调速回路均采用回油节流调速。液压控制回路如图7-1:缸fl..DS2*..nuSIflnrK图7-17.2电气控制系统电气控制系统的功能是控制系统的启动和停止，并控制底座回转电机的正反转:JVKM1图7-2第8章PLC控制系统设计8.1PLC介绍可编程逻辑控制器（PLC）又称可编程控制器。它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统。它使用可编程存储器存储用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来控制各种机电一体化，程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低，特别是易于、价格便宜等特点，现已经广泛的应用在生活和生产的各个领域。8.1状态逻辑表

限位开关状态继电器状态和动作工位状态SSSS S5671夹紧通通通Y002(YA5)上升2上升通通通+通I Y005(YA4)回缩3回缩+通通通通( Y004(YA6)下降4下降通通通通1 Y006(YA7)转动5转动i通通通通1 Y007(YA5)上升6上升i通通通1通1 Y005(YA3)伸出7伸出通通通1通1 Y003(YA6)下降8下降通通通1通1 Y006(YA1)松开9松开通通通1通1 Y001(YA5)上升10上升通通通iY005(YA4)缩回11缩回通通通iY004(YA8)转动12转动i通通通iYO10(YA3)伸出13伸出通通通Y003(YA6)下降14下降通通通Y002(YA2)夹紧原位循环S9表8-1机械手每次完成一个动作，所以适合使用步进顺控指令的编程方式，根据以上工步顺序，和继电器通断循序，设计机械手系统顺控指令编程结构梯形图。

8.2PLC型号选择输入点需要21个，输出点需要10个，选用三菱型号为FX1N-40MR-001XPLC的控制器，输入点为24个，输出继电器为16个，可以满足应用要求。各控制按钮，内部继电器地址，及其功能如表8-2:现场器件内部继电器地址说明输入SB1按钮X001液压泵电机启动SB2X002液压泵电机停止SB3X003PC启动SB4X004PC停止SB5X005上升SB6X006下降SB7X007伸出SB8X010缩回SB9X012正转SB10X013反转SB11X014夹紧SB12X015松开SA1X016手动SA2X017自动S1限位开关X020缩回S2X021伸出S3X022下降S4X023上升S5X025反转S6X026正转KPX027夹紧/放松输KM1线圈Y001底座正转KM2Y002底座反转KM3Y003油泵运转

出YA1电磁阀Y004夹持器松开YA2Y005夹持器夹紧YA3Y006/YA3伸出YA4Y007/YA4缩回YA5Y010/YA5上升YA6Y011/YA6下降YA7Y012/卸荷表8-28.3控制梯形图8.3.1启动程序梯形图启动程序泵启动PC启动图8-1LDORANDIX001Y003X002OUTY003LDX003ANDIX004ANDY003OUTM001OUTM501LDX017LDX016ORM002ORM001ANDIX016ANDX017OUTM0028.3.2点动程序梯形图及代码LDX007LDX014ANDIX021ANDIY027OUTY006OUTY005伸出夹紧上升正转松开缩回反转下降图8-2点动程序XOU/TI 伸出 伸出限位XU/ Y0?7ti r-夹紧 夹紧限位HI 上升 上限位伸出夹紧上升正转松开缩回反转下降图8-2点动程序XOU/TI 伸出 伸出限位XU/ Y0?7ti r-夹紧 夹紧限位HI 上升 上限位X01P X026hi r-正转 正转限位xn^ xc^7\o"CurrentDocument"HI 1—松开xnn xxo23\o"CurrentDocument"TI k—缩回 缩回限位XU13 X02FJTI 反转 反转限位X036 X022HI kl下降下限位Y3C5oYCIC<^Y007kJr^YOoa丫二11LDX005LDX010ANDIX023ANDIX020OUTY010OUTY007LDX012LDX013ANDIX026ANDIX025OUTY001OUTY002LDX015LDX006ANDX027ANDIX022OUTY004OUTY0118.3.3自动程序梯形图及代码动程序SS6COS^UUTAXUc-_SstoiQYOLfaS601TDS丫OILX02741X0^3」—sX0^3」—smYCl'.l<"0C7S：30^-TAXO-^ClSSCC5Sf；O5TAX222Sf：C；SqYOOL正转动XC2G4ISfaC/22SET S6001LDM0713STLS60024ORX0234OUTY00625SETS6045ORX02126STLS6046SETS60127OUTY0077STLS60128ORX0208OUTY01129SETS6059ORX02230STLS60510SETS60231OUTY01111STLS60232ORX02212OUTY00533SETS60613ORXO2734STLS60614SETS60335OUTY00115STLS60336ORX02623OUTY01037SETS60716STLS60748OUTY01017OUTY01049ORX02318ORX02350SETS61419SETS61051STLS61420STLS61052OUTY00721OUTY00653ORX02022ORX02154SETS61538SETS61155STLS61539STLS61156OUTY00240OUTY01157ORX02541ORX02258SETS60042SETS61243STLS61244OUTY00445ORX02746SETS61347STLS6138.4PLC接线图amminoiiimiiiiramminoiiimiiiir泵启动泵停止PC启动PC停止上升下降伸出缩回正转反转夹紧松开手动自动缩回限位伸出限位下降限位上升限位反转限位正转限位夹紧压力信号I/O接线图FX1N-40MR-001XPLC第9章总结毕业设计是大学最后一次理论与实践相结合的学习，经过三个多月的辛苦工作，当初的设想终于变成实物放在自己的面前，这是一个由设想到实际的诞生过程。本次设计是工业机械手。工业机械手作为自动化生产线的执行机构，对自动化水平的提高有很大影响，它的好坏直接影响自动化发展程度定高低。设计的第一阶段主要是熟悉课题的内容，调研，查