自动上下料机械手设计

自动上下料机械手的设计摘要随着机电一体化技术和计算机技术的应用，机械手的研究和开发水平获得了 迅猛的发展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域，特别是工业机械手在生产 加工中的应用。机械手是近代自动控制领域中出现的一种新型技术装备，它能模仿人体上肢某些动作，在生产中代替人搬运物体或操持工具进行动作，已成为现代机械制造系统中的一个重要组成部分。本次设计主要设计自动上下料的机械 手，该系统采用液压驱动，传动平稳，且易于控制，控制系统采用一般 PLC所具 有的位移寄存器和位移指令来编程。关键词：机械手，液压驱动，控制系统1绪论12工业机械手的设计方案22.1 工业机械手的组成22.2 上下料机械手的工作原理32.3 规格参数的选择 32.4 设计路线与方案42.4.1 机械手的总体设计方案42.4.2 设计步骤42.4.3 研究方法和措施43机械手各部分的计算与分析53.1 手部计算与分析53.1.1 滑槽杠杆式手部设计的基本要求 53.1.2 手部的计算和分析53.2 腕部计算与分析123.2.1 腕部设计的基本要求 123.2.2 腕部回转力矩的计算133.2.3 腕部摆动油缸设计 163.2.4 选键并校核强度183.3 臂部计算与分析183.3.1 臂部设计的基本要求 183.3.2 手臂的设计计算203.4 机身计算与分析284液压系统设计 294.1 液压系统总体设计 294.2 液压元件的选择294.2.1 液压缸294.2.2 液压泵的选取要求及其具体选取314.2.3 选择液压控制阀的原则334.2.4 选择液压辅助元件的要求 335液压元件的保养与维修375.1 液压元件的安装375.2 液压系统的一般使用与维护375.3 一般技术安全事项376结论39参考文献40致谢41附录42I西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文）1绪论工业机械手是人类创造的一种机器，更是人类创造的一项伟大奇迹，其研究、 开发和设计是从二十世纪中叶开始的。世界工业机械手的数目虽然每年在递增， 但市场是波浪式向前发展的。在新 世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人 代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在各行各业中还在不断开 辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转 变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。上料机械手与卸料机械手相比，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手 适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型铝棒料的 搬运及高温材料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达180mm最大抓握重量可达30斤，最大行走距离为1200mm根据作业要求及载荷情况，机械手各关节运 动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构， 小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及 用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车 上，结构紧凑。电气控制系统采用 OMRON编程控制器，各种作业的实现可以通 过编程实现。机械手涉及到力学、机械学、电气液压技术、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。它是一种能自动控制并可以从 新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境 中的工作。1西南科技大学应用型自学考试毕业设计(论文)2工业机械手的设计方案2.1 工业机械手的组成工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框 图：图2-1工业机械手各部分关系图执行机构：执行机构包括抓取部分(手部)、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。(1)手部：直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。传动机构形 式多样，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。(2)腕部：是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。(3)臂部：手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是 带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定位置。该设计的手臂有三个自由度，采用关节式坐标(绕横轴旋转，上下摆动和左 右摆动)关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性，机械臂的结构性容易进 行优化，便于提高机械手的动态操作性能。(4)行走机构：有的工业机械手带有行走机构。驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。控制系统：有点位控制和连续控制两种方式。机身：它是整个工业机械手的基础。机械手功能：(1)它能部分的代替人工操作；(2)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；(3)它能操作必要的机具进行焊接和装配。2.2 上下料机械手的工作原理上下料机械手是一种专用的工业机械手， 其执行程序一般是固化好的，或只 能进行简单编程，所以机械手的动作是固定的，一种机械手只能供送一种或有限 的几种物品，程序控制系统相对比较简单。供送料机械手可看做是一种无料槽、滑道的供送料机构，它在一个位置(料 槽)抓取物品(工件)，然后将其搬运到另一个位置。其基本动作是：上料时， 先由料槽中取出工件，带着工件到指定工位，将其放在工位上，返回； 卸料时则 从工位上取下工件，带走，放到料箱中。上料时一般有位置及方位要求，而卸料 时一般无严格要求，所以上料是关键。要完成上述动作，上下料机械手的手爪必须到达两点 (取料点一料槽；放料 点一加工工位)，这可通过机械手的手臂来实现。手爪必须做两个动作(抓取料 和放下料)，这可通过机械手的手爪闭合、 张开来实现。方位要求一般通过机械 手的手腕来满足供送料要求的运动， 轨迹应该是：直线下降一直线升起一平面圆 弧摆动一直线下降。2.3 规格参数的选择工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：(1)抓重(又称臂力)：额定抓取重量或称额定负荷，单位为公斤，本次 设计要求抓重为25kg。(2)自由度数目：本次设计整机四个自由度，手臂三个自由度，手腕两个 自由度。(3)定位方式：有固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其 他各种位置设定和检测装置，本次设计选固定机械挡块定位。(4)驱动方式：有气动，液动，电动和机械式四种形式，本次设计选择液 压驱动。(5)手臂运动参数：臂部上仰60度、下俯30度、回转220度。(6)手腕运动参数：腕部回转顺逆各180度。(7)手指夹持范围和握力：工件直径d100mm(8)定位精度：位置设定精度和重复定位精度。(9)轮廓尺寸：长X宽X高(毫米)为 445.75 X223.15 X459.5mm2.4 设计路线与方案2.4.1 机械手的总体设计方案本课题是自动上下料机械手的设计，本设计主要任务是完成机械手的结构方 面设计，以及液压系统方面的简单设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度、 驱动机构等进行了确定。因此机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任 务。2.4.2 设计步骤(1)查阅相关资料；(2)确定研究技术路线与方案构思；(3)结构和运动学分析；(4)根据所给技术参数进行计算；(5)按所给规格，范围，性能进行分析，强度和运动学校核；(6)绘制工作装配图草图；(7)绘制总图及零件图等；(8)总结问题进行分析和解决。2.4.3研究方法和措施使用现在机械设计方法和液压传动技术进行设计，采用关节式坐标(四个自由度，可以绕横，纵轴转动和上下左右摆动)。液压驱动即是以油液的压力来驱动执行机构。抓重能力大，结构小巧轻便， 传动平稳，动作灵便，可无级调速，进行连续轨迹控制，易于实现直接驱动。但 因油的泄露对工作性能影响较大，故它对密封装置要求严格，且不宜在高温或低 温下工作。3机械手各部分的计算与分析3.1 手部计算与分析手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的 主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状 的工件具有较大的适应性，可以抓取轴， 盘，套类零件，一般情况下多采用两个 手指。手部示意图如下：图3-1手部示意图3.1.1滑槽杠杆式手部设计的基本要求(1)应具有适当的夹紧力和驱动力。(2)手指应具有一定的开闭范围。(3)应保证工件在手指内的夹持精度。(4)要求结构紧凑，重量轻，效率高。(5)应考虑通用性和特殊要求。3.1.2手部的计算和分析(1)手部受力分析5西南科技大学应用型自学考试毕业设计(论文)图3-2 手部受力图（1）图3-3 手部受力图（2）（2）手指尺寸初步设定由拉杆的力平衡条件：2sin ：:1、Fx =0Pi cos ： 1= P2 cos ： 2P1 = P由 M M(F)=0得 pI = NLabh = ccosf p = b*tgf * N又由工件的平均半径：Rcp =5-53 7. mm初取 V手指白夹角 2 6=120, Lab =55 mm, 2c = 100mm, b = 53mm,Lcd =53mm,滑杆总长 h=170mm(3)夹紧力计算又由于工件的直径不影响其轴心的位置即定位误差为零，手指水平位置夹取水平位置放置的工件。由参考文献2中表2-1查得：N= 0.5G=0.5 X 25=12.5kg(31)又因为：P = 2b N cos2 d(32)c当口取最小值时，则增力比较大，手指走到最小行程时则有 min ,Xin =30又因为：2b.2p理=一 N cos amin = 19.88kg(33)cPU 至 P理(3 4)取安全系数k1 =1.5,工作情况系数k2= 1.5,传动机构的机械效率n =0.919.88 M.5M.50.950kg手指夹紧时：夹紧缸活塞移动范围 L=130mm其动彳时间t=1.5s (由机械手的动作节拍时间得之)，所以夹紧活塞移动得平均速度 v为:v = =8.67 cm st 1.5运动部件得总重估算况10kg夹紧力Nf驱动力P的关系：由于结构左右对称，在驱动力P的作用下，每一滑槽杠杆受力相等图3-4夹紧力与驱动力的关系图在不计摩擦力的情况下:P=P2=U%为夹紧状态得倾斜角=50夹紧工件半径为50mmPP = P2=B=38.9kg根据各力对回转支点Oi的力矩平衡条件，同样在不计摩擦力的情况下八 PCNb = PC 二2cos :1C为杠杆动力臂，即驱动销对滑槽杠杆作用力Pi对支点Oi的垂直距离又因为a=50mma 50 _C= =o = 77.8 : 78mmcos ： 1 cos50Nb= Rc =pc2cos ： 112.5 b50 782 cos50038.9 78b =243mm12.5当夹紧半径为25mmi工件时，8= 70sa 50c = =146.2 ： 147 mmcos: 1 cos 70Nb= p1c =pc22cos -：:111N a二二2 一p 2b cos -112.55050 - 2 b cos2 50b 243mm(4)动作特性和传动特点定位到最大行程时，：=50cos 二 maxaLmaxLmax = 80mmcos max取 Lmax u 130mm又因为cos%x1, %x 60,滑槽杠杆手指最大开闭角为rmaxa max1200滑槽倾斜角的变化范围可以为 -60 3 2,取-2b-=3 D-dD-dD=1.5-2.5,取 D=2又因为 d=40mm,贝U D=80mm, b=60mm去顶回转油缸工作压力：2M巧 心、ZT22-b(R -r )2 294.4226 (8 -4 ),2 、=8.01(kg / cm )(317)图3-4腕部摆动油缸设计尺寸图由于系统工作压力远远大于此压力，因此回转油缸的工作压力足以克服摩擦力。3.2.3 腕部摆动油缸设计M =M摩十M偏+M惯估计 L=45cm,6=16cm,e2 =45cm, R =5cm , m杆=29.7kge = (m杆父 e + m件 m ) / m杆 + m件=30cm克服重心偏置所需的力矩 M偏=Ge = 16.41（kgf m）西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文）19克服摩擦所需力矩M摩=0.1cm克服运动惯性所需的力矩M惯:222_2Jff =m(L 3R)/12 me = 0.7654(kg-m- s2)J件=m02 =25父 0.452 =5.1(kg-m- s2)J总=5.8654(kg-m- s2)M 惯=JW/t设 w=500 / s,。起=202 一M 惯=0.0175 J总 w / 起=12.83(kgf - m)则摆动所需的驱动力矩:M=M摩+M 偏 +M 惯=32.14(kgf m)确定转轴的最小直径:TtM 驱/WT T(318)抗拒剖面摸量WT-33=d (mm )16所需驱动力矩:d工316M 驱“30mm二T取 d=50mm所以机械手的摆动采用单叶片回转油缸，定片与缸体固连，动片与转轴周连,当两油口分别进出油时，动片带动转轴转动达到腕部摆动目的。M = Pb(R2-r”M - 心2又因为:D=1.5-2.5, -2b- -2 dD-dD=2,且=3 d D -d所以：d=50mm,所以 D=100mm, b=75mm确定回转油缸工作压力:2M总b(R2 -r2)2=10.58 kg / cm由于系统工作压力远远大于此压力，因此该缸的工作压力足以克服摩擦力3.2.4 选键并校核强度转轴直径d=40mm由参考文献5中GB1095-79选键为bxh=12x8键校核如下公式：36P =2丁父 10 /kld 6p(319)K一接触面的高度k=0.4h=0.4 8=3.2mm、p=32.24mpa0p转轴直径d=50mm由参考文献5中GB1095-79选键为bx h=20x 10k=0.4h=0.4 W=4mmp=13.208mpa it,所以满足要求。(2)油缸端盖的连接方式及强度计算为保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距ti,进而决定螺钉的数目。缸的 一端为缸体与缸盖铸造成一体，另一端缸体与缸盖采用螺钉连接。缸盖螺钉的计算为保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距ti,进而决定螺钉的数目，在这种连接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力Q。为工作载荷Q和预进力Q。之和。,s 二=0、s二 D2(326)=367.95kgf式中：P一驱动力kgfP工作压力kgf/ cm2Z一螺钉数目，取8 一飞一索力kgf6s=K6, K=1.5-1.8(327)螺钉的强度条件为:6合=-2 =1690kgf / cm2 =2 5二4二 di4di 2 ,取-2b-=3, D-dD-d-2 10贝=3d,d =6.7cm * 7cm, D=14cm2d -d选用O型橡胶密封圈S58型，d0=4.7mm,则l =0.47 .2 0.05-0.052 = 0.15cm1 o .1M 封 1=5 二 d2l=5 二 7 0.15 0.5 80 = 65.98kg cmM封侧一动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力距：_ D d 1_22.M 封侧=F2l1(D2-d2)p48l1 =d1、2k -k2 =0.6 ,2 0.05-0.052 = 0.19cm1c c1o oM 封侧=l1(D2d2)p 0.19 (142 72) 80 0.5-139.65kg cm 88M 封径=532kgw-、M 惯=J0（kg cm）tw 一回转缸动片的角速度变化量，在启动过程中&w=w （弧度/秒）t 一启动过程时间j。一手臂回转部件，对回转轴的轻功惯量（kg-cm-s2）若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为中，则j0 = jc +G P2g33j C 一回转零件对重心轴线的转动惯量.m工件,2Jc 二lJc12252=一 1.7212252.49212(12+3R02)212.13220.12(0.122 3 0.072)2、=6.314(kg cm s )2、J 0=649.2 ( kg cm s )设角速度w =40/s,启动时间t = 0.1sM 惯=649.2父 ax 0.0175= 4544.5kg cmD112.2、M回=d bp回 pd P =-bp回(D-d)(329)22取 p回=0.2P=16 ( kg cm2)M回=1x10x16x(142 -72) = 11760kg cmM 驱=11760 4544.5 139.65 532 2 65.98 = 17108.11kg cm由内径公式:8M驱. j+d,bp8 17108.1110 800.25 D2D = 15.11cm基本满足要求，则 D=16cm, d=8cm。4Qj二二=0.65cm (取 d1 =8mmi(330)(4)缸盖连接螺钉和动片连接螺钉计算 螺钉的强度条件为：1.3Qj -仃=一J引叼或4之二 d14式中：d一螺钉的内径(cm)Qj 计算载荷(kgf) 。螺钉材料作用拉应力3.4机身计算与分析机身是直接支撑和传动手臂的部件。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，或者直接构成机体的躯干与底座相连。 因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以是固定的， 也可以是行走的，即可以沿地面或架空轨道运动。 此次设计机身为地面轨道运动 式。它的驱动系统是步进电机具型号为 Y132S8功率2.2KW转速710r/min, 再电动机后接了一个圆锥圆柱齿轮减速器具输出速度为1.2m/s。在后是一个制动箱。其主要参数是由外部计算机调整和控制， 在很大程度上是由运动学和轨迹运 动而去编制小车的运行程序。由以上对机身的分析和前面的计算完成机身结构图 见附录。由以上对机械手各执行机构的分析与计算，完成机械手总装配图见附录。4液压系统设计4.1 液压系统总体设计本次设计的机械手是以PLC来控制整个液压元件，通过控制液压缸的电磁换 向阀而实现机械手各个关节的运动。至于机械手在空间的运动和定位则由外部的 电脑操作系统完成，它主要先进行机器手的运动学分析， 动力学分析，轨迹规划 和编程。从而由上述系统完成整个机械手在空间的行走，定位和重复定位等操作。(1)换向回路的选择夹紧缸换向选用二位三通阀， 其他缸全部选用B型的三位四通电磁换向阀。 选用B型电磁阀便于微机控制，选中位为 。型是使定位准确。(2)调速方案的选择本系统是功率较小的，故选简单的进油路节流阀调速。(3)缓冲回路的选择选用二位三通阀加入油路，便于微机控制，提高自动化程度。(4)系统的安全可靠性的选择为防止伸缩缸在仰起一定角度后的自由下滑，都采用单向顺序阀来平衡。为保证夹紧缸夹持工件的可靠性选用液控单向阀保压和锁紧。4.2 液压元件的选择4.2.1 液压缸根据前面设计好的各种液压缸的参数。(1)活塞缸已知参数(包括设计出的参数)：Di，di，Fi (t),Ui (t)i一表示第几个缸的参数：无杆腔进油：二 2P(t)=Fi(t)/( Di2)(41)42Q(t)=Vi(t) -Di2 4有杆腔进油：7：,22P(t) =Fi(t)/二-di )4T. 22Qi(t) =M(t) 。-di )4Ni(t) =E(t) Vi(t)(2)摆动缸已知参数：Di，di ,M i(t), Wi(t), b ,P(t)=Mi(t)*(Di2.di2)_ 22_Qi(t) =b(Di -di )/8 Wi(t)Ni(t)=Mi(t) Wi(t)注意已知参数中Fi(t),Vi(t),Mi(t),Wi(t)在前面设计中不够明确时, 析。 单作用弹簧复位的夹紧缸；Di =25mm, di=18mmF = l-NNVi =8.67cm/s注意：ti为尚未夹持工件的时间。手腕回转缸D2 =80mm, d2 =40mm, b2=60mm17 f 1294.4NmltWM 2 = 1 265(刃w2 =10。%手腕摆动缸1、321.4N mt /M 3 =f 2、W3 = 50o / s、128% J手臂回转缸(42)(43)(44)(45)(46)则要进行分D4 =160mm , d4 =80mm , b4=120mmo ，w4 = 40 /s注意：忽略角加速度和角减速度的影响手臂仰俯活塞缸：D5 =63mm, d5 =45mm1334N t ,0.05F5 - 134N t .0.55V=5cm/s(3)估算流量夹紧缸：Q =8.67M2M3.01 = 20.5L/min 。42,2、手腕回转缸： Q2 =-)w =62.74L/min400手腕摆动缸： Q3 =b(D2 -d2)/8 w-58.4L/min手臂回转缸： Q4 =b(D2 -d2)/8 w=129.6L/min手臂仰俯活塞缸：Q5=V-一D2 =5 6.32 =1562l/min 444.2.2 液压泵的选取要求及其具体选取(1)计算液压泵的工作压力(47)其流量与泵的工作压力是所有液压缸中工作压力最大者与管道压力损失之和。即:Ps =Pmax PZ ap一管道和各类阀的全部压力损失之和。可先估计，一般取：z AP= (5-8)父105巳(2)计算液压泵的流量Qp -Kqi max式中：K一泄露折算系数，一般，K=1.1-1.5(3)选择液压泵的规格参照设计手册或产品样本，选取其额定压力比Ps高25%60%,上述计算一致的液压泵。(4)计算功率，选用电动机西南科技大学应用型自学考试毕业设计(论文)按工况图，找出所有缸 N-t图中最高功率点的Nmax对应的PS (计算值)和泵额定流量的乘积，然后除以泵的总效率“ppN电=p?Qp(4-8)p确定液压泵的流量压力和选择泵的规格，泵的工作压力的确定。考虑到正常工作中进油路有一定的压力损失，所以，泵的工作压力为：Pp = P+ APpPp液压泵的最高工作压力；P一执行元件的最高工作压力P AP 一进油管路中的压力损失，初算时，简单系统可取0.20.5MPa,ZAP =0.5 MPa, Pp=4.5+0.5=5 MPa上述计算所得的Pp是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡，阶段出 p现的动态压力往往超过静态压力。另外考虑到，一定的压力储备量并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力 Pn应满足Pn (1.25-1.6) PpPn =1.25Pp =1.25 5 =6.25MPa泵流量的确定液压泵的最大流量应为：qp = Ki(Z q)max(49)式中：qp液压泵的最大流量 pq)max 一同时工作的各执行元件所需流量之和的最大值。如果这时溢流阀正进行工作，尚需加溢流阀的最小溢流量23L/minKi一系统泄漏系数，一般取Kl=1.1-1.3,现取Kl=1.2qp -1.2 80=96L/min选择液压泵的规格。根据以上算得Pp和qp,再查阅有关手册，现选用YB-80BI双联叶片泵，该泵的基本参数为：每转排量：10-194mL/r;泵的额定压力R =10.5 MPa ;电动机转速nB = 1500r / min ;容积效率 = 0.85 ;总效率”=0.7。与液压泵匹配的电动机的选定。首先分别计算出不同工况时的功率，取它们之间的最大值作为选取电动机规格的依据。由于在速度较小时，泵输出的流量减小，泵的效率急剧下降，一般当流量在0.2-1L/min范围内时，可取0.03-0.14。同时，应注意到，为了使所选择的电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时， 不致停车，需进行验算，即：Pn qpn三2Pnqp(410)泵的工作压力：P=245.25 N / cm2NQ(H . H )=k ()=1.57kWyyc式中：k余量系数，取K=1.05Q一泵出油量H 一油头H 一主管损失汕头y一泵的功率yc一传动效率直接传递为1选电机：Y100L1 -4,N =2.2kW,n =1430rpm4.2.3 选择液压控制阀的原则按控制阀的额定流量大于系统最高工作压力和通过该阀的最大流量原则4.2.4 选择液压辅助元件的要求(1)滤油器按泵的最大流量选取流量略大些的滤油器，滤油精度在为100Nm网式或线段式滤油器即可。(2)油管和管接头的通径与阀一致来选取。(3)油箱容积Q=50Qp注意：Qp单位若为L/min时，V的单位为(dm)335西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文）Qp单位若为m3/min时，V的单位为m3液压元件的选择单向压力补偿调速阀：QI-63B, QI-130B, QI-23B单向阀：