毕业设计（论文）VS1575自动上下料装置机械手设计

本科毕业设计说明书题 目：VS1575自动上下料装置设计院 （部）： 机电工程学院专 业： 机械工程及自动化班 级： 机械073姓 名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 2011年6月13日山东建筑大学毕业设计说明书目 录摘 要1ABSTRACT21前 言41.1 课题背景41.2 设计目的81.3 发展现状与趋势82 机械手简介142.1 机械手的分类142.2 机械手的组成152.3 机械手的发展现状与趋势173 设计要求183.1 设计参数183.2 总体方案184 机械手手部设计194.1 设计要求194.2 手部结构选择194.3 手部结构设计计算194.3.1手爪结构设计计算194.3.2齿轮选择214.3.3手部轴设计计算214.3.4轴承选择225 腕部结构设计235.1手部总重计算235.2连杆设计236 手臂设计计算256.1手臂总体结构设计256.2手臂悬臂梁设计256.3导轨选择266.4手臂伸缩液压缸选择267 机身设计287.1机身总体结构分析287.2机身主轴设计287.3轴承校核307.4摆动液压马达选择317.5机身与臂部连接法兰设计328 液压系统设计358.1系统工作压力确定358.2液压泵选择358.3液压系统动作分析379 控制系统设计399.1控制系统选择399.2控制系统程序设计39结 论41参考文献42鸣 谢43 38摘 要空腹桁架钢框架是在钢框架的基础上，通过取消框架中间的柱子来增大结构的使用空间，同时为了不增大各个构件的截面尺寸，在框架的隔层增设腹板柱形成空腹桁架与钢框架组合的结构体系。由于在钢框架中增设腹板柱形成空腹桁架结构，进一步增强了结构的水平刚度和竖向刚度，同时提高了结构的整体工作性能，进而实现了结构的大跨度。本文通过大量的算例分析，探讨空腹桁架层的节间数、节间间距、腹板柱的刚度以及结构的跨度对整体结构的受力性能、极限承载力及破坏模式的影响，分析表明：通过合理的桁架层设计，可以有效的提高结构的竖向刚度和水平刚度，以及结构的极限承载力，并可以使结构的塑性变形首先出现在腹板柱上，这有利于结构内力的重分布，增加结构的延性性能，充分发挥构件的极限承载能力。 。自动上下料机械手是最典型的机电一体化数字化装备, 用此机械手代替人手来搬运物料，不但减轻了工人的劳动强度，还大大提高了劳动生产率。技术附加值很高,应用范围很广,作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。自动机械技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。本文主要论述了加工中心自动上下料机械手整个系统的设计计算过程。机械手的分类、组成及发展现状，给出了自动上下料机械手的运动参数，并对机械手进行了选型和总体结构设计。文章对机械手的手部、腕部、臂部和机身进行了详细的设计。用PLC 作为主控制器，步进电机作为动力源,液压系统来控制机械手实现移动、旋转和抓放动作。关键词： 机械手 自动上下料 PLC 液压系统 有限元分析ABSTRACTAutomatic loading and unloading robot is the most typical of the mechanical- electrical integration of digital equipment, instead of manpower, this manipulator can not only reduce the labor intensity of the worker but also increase productivity significantly。High value- added technology, a wide range of applications, as the support of advanced manufacturing technology and information society of the new industries will be the future of production and social development play a more and more important role. Automatic machinery robot and technology is the combination of computers, control theory, institutions, information and sensor technology, artificial intelligence,and the formation of such multi- disciplinary high- tech, contemporary research is extremely active, and the application of the in- creasingly wide range of areas.Manipulator is being composed of by four parts,the executing agency,driving system,control system and intelligent system.The article describes the classification, composition and development of the manipulator. It gives the motion parameters of the automatic up and down material manipulator. In the mean time ,it discusses how to choose the structure of the manipulator and gives a total design to the manipulator. And the article gives a detail design about the hand, wrist, arm and body of the manipulator.Stepping motor is controlled by PLC, hydraulic system can control the movement, rotation, catch and release action of manipulator.Keyword : Robot Automatic loading and unloading PLC Hydraulic system 1前 言1.1 课题背景（1） 随着工业自动化和科学技术的全面发展，生产效率对于现今经济社会的生产发展起到决定性作用。传统的机床由人工完成上下料，存在劳动强度大、效率低、安全性差等诸多的问题。特别是对于一些高精密的加工中心，采用人工上下料不但定位精度低，而且容易对机床工作台产生冲击，甚至损坏机床工作台。随着机床用户生产的发展，采用自动化的操作手段以减轻劳动强度、提高生产效率、降低制造成本、减少人力资源的投入，已成为必然的趋势。上下料装置用于将已定向的工件搬运到机床工作台上。按工件坯料形式，上料装置可分为用于板材、棒料和箱体类工件3种类型。板材自动上下料装置一般用于自动冲床，运用往复运动机构或传送带直接将板材推进机床工作台；棒料自动上下料装置一般用于自动车床，机床每加工完一个工件，便由自动上下料装置将工件按所需长度送料一次；箱体类工件的自动上下料装置一般用于自动铣床和加工中心，运用传送带或机械手将工件搬运到机床工作台的固定位置。上下料装置的结构和运动形式取决于工件的形状和上下料前后工件方位。常见的运动形式有直线往复运动和摆动或转动。常见的自动上下料装置有自动传送带、工业机械手等。机械手、工业机器人能实现较复杂的动作循环，适用于外形较复杂、尺寸较大和较重的工件，以及在多品种自动化生产中作为上下料机构。考虑到加工中心所加工工件的多样性，要求自动上下料装置应具有很好的柔性，以适应不同形状和尺寸的工件。因此，本次设计采用机械手作为加工中心的自动上下料装置。（2）一、工业机器人技术概念工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 二、工业机器人技术发展现状在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重（占日本1998年安装台数的10%，销售额的36%）机械结构 1) 已关节型为主流，80年代发明的使用于装配作业的平面关节机器人约占总量的1/3。90年代初开发的适应于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节机器人大量用于焊接和上、下料。 2) 应3K和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接树10米长、10吨以上大构件的弧焊机器人群，采取蚂蚁啃骨头的协作机构。 3) CAD、CAE等技术已普遍用于设计，仿真和制造中。控制技术 1) 大多数采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。 2) 协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。 3) 采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流，其成本低、具有标准现场网络功能。 驱动技术 1) 80年代发展起来的AC侍服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。DD驱动技术则广泛地用于装配机器人中。 2) 新一代的侍服电机与基于微处理器的智能侍服控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。 应用智能化的传感器装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留了多种传感器接口。 通用机器人编程语言 在ABB公司的20多个小型号产品中，采用了通用模化块语言RAPID。最近美国“机器人工作空间技术公司”开发了Robot Script V.10通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器URC的Win NT/95环境。该语言易学医用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。 网络通用方式大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3，其它采用RS-232、RA-422、RS-485等通讯接口。 高速、高精度、多功能化目前，最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s。位置重复精度为正负0.01mm。但有一种速度竞达到80m/s；而另一种并连机构的NC机器人，其位置重复精度大1微秒。 集成化与系统化当今工业机器人技术的另一特点是应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体（多智能体）。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品连接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。（3）、技术发展趋势 随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及在系统（FMS、CIMS）中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应“敏捷制造”（AgileManufacturing），满足多样化、个性化的需要，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。 感觉功能感觉功能方面将实现多传感器信息的融合，以检测多变的外部环境，做出判断和决策，其实质类似于人的五官和身体的综合感觉功能，包括视觉、触觉、力觉、滑觉、接近觉、压觉、听觉、味觉、臭觉、温觉等。研究包括各类传感信息的采集及融合处理、传感器与驱动器一体化技术、感觉功能继承模块等。 控制智能化由引导教向NC，离线编程发展，进而发展到进一步应用。随着系统化、集成化生产的发展，基于PC的开放式控制系统将机器人控制和车间一级控制的发展方向，国外专家预测，2007年它将占30。 移动功能的智能化为解决长距离搬运作业、大作业对象、多作业对象及极限作业等问题，需开发自主移动系统（包括滑动、滚动、行走、爬行、跳跃、飞行等）。 系统应用与集成化支持以人为核心的生产系统，实现生产系统中机器人群体协调功能、群智能和多机通讯协议，开发能理解人的意志的“同事机器人”。国外专家预测，2000你后有可能IMS要走向MA(R)S（多智能体系统），而该系统中的“同事机器人”（Cobot）将成为操作人员不可或缺的伙伴。围绕着各种机器人与人共存的诸多课题，正在兴起一门新学科“软机器人学”。 安全可靠性由于大量不确定因素的存在，要实现智能化的安全可靠性，机器人必须具有对各种意外情况的应变能力，及时采取预防措施和安全对策，包括硬件级、软件级、应用级和人机系统级的自诊断和自修复故障。 微型化向微型化发展，开发毫米级机器人，用于微加工、医学、宇宙和海洋开发等领域。就使用性和成本来看，毫米级最可行。 多传感器信息融合与配置技术 （1）机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。 （2）机电一体化智能传感器包括具有感知、自主运动、自清污（自调整、自适应）的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动；调节控制系统；机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用。1.2 设计目的目前，工厂生产线的数控机床大部分仍手工完成装卸工件，其劳动强度大，生产效率低，而且还具有一定的风险，未能满足生产自动化的发展趋势。为了提高效率，降低成本，研究柔性制造系统，以适应现代机械工业生产过程自动化的具体要求，利用机器人技术，与实际机床结构相结合，设计自动化平台代替手工工作，以提高劳动生产率。1.3 发展现状与趋势 目前，无论国内还是国际，机器人的研究已经成为一个热门领域，目前的发展现状与趋势大体总结如下：（1）：在机械结构方面，倾向于模块化和可重构化发展。 （2）：工业机器人的控制系统方面，大多采用一个开放的基于PC的控制系统，便于标准化，网络化，规范化的管理。以提高设备在集成，结构紧凑，模块化结构化等方面的程度，大大提高了系统的可靠性，易用性和维护的方便。 （3）：机器人传感器越来越发挥着重要的作用，除了传统的位置，速度，加速度等传感器，随着视觉，听觉，触觉传感器的推出，推动着机器人向更加人性化与智能化方向发展 从总体上讲，大致可分为两大类，一是复杂的多功能智能机器人，集成传感器、控制器和多种控制算法，并应用复杂的电气和机械控制系统。另一种是以市场为导向，与成本效益生产制造相挂钩，对机器人的实用性，简便性，可靠性进行有针对性的设计制造。我国我国工业机器人的发展现状与趋势中国作为亚洲第三大的工业机器人需求国，市场发展稳定，汽车及其零部件制造仍然是工业机器人的主要应用领域，随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。 对于国外的先发、领先优势，我国的机器人产业的研发远远落后于美、日两国，甚至比起韩国也落后一步，尤其是在青少年中远未开展机器人的组装、制作的科学活动，这将关系到二、三十年后我国的产业发展。 近年来，我们在研究文化创造性产业时，发现国外正在兴起一个与文化产业、科学技术有紧密关系的未来产业机器人的研究、开发及制造，参与者除了传统从事学术研究的科技工作者、大学研究梯队、企业产品的专门研究人员之外，更有一大批的青少年积极加入此一新兴的科学技术新潮流之中。以下是我们对国外此一产业的发展状况的考察及思考。现状：我国从上世纪80年代开始在高校和科研单位全面开展工业机器人的研究，近20年来取得不少的科研成果。但是由于没有和企业有机地进行联合，至今仍未形成具有影响力的产品和有规模的产业。目前国内除了一家以组装为主的中日合资的机器人公司外，具有自主知识产权的工业机器人尚停留在高校或科研单位组织的零星生产，未能形成气候。近10年来，进口机器人的价格大幅度降低，对我国工业机器人的发展造成了一定的影响，特别是我国自行制造的普通工业机器人在价格上根本无法与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，使得国内企业在生产的机器人过程中，只能依赖配套进口的零部件，更削弱了我国企业的价格竞争力。工业机器人发展长期以来受限于成本较高与国内劳动力价格低廉的状况,随着中国经济持续快速的发展,近几年的国民生产总值年平均增长率更是保持在9%左右,人民生活水平不断地提高,劳动力供应格局已经逐步从“买方”市场转为“卖方”市场、由供远大于求转向供求平衡。作为制造业主力的农民工也从早期的仅解决温饱问题到现在对薪资和工作条件提出了更高的要求。这些情况使得许多劳动密集型企业为了提高劳动生产率所采用的增加工人数量、延长工人劳动时间的方法变得成本高昂,同时也受到法律的限制和政策的阻碍。无论是企业还是社会都认识到必须采取从改善机器设备入手,提高技术和资金的密集度来减少用工量以应对这种改变。总之,劳动力过剩程度降低、单个工人成本上升、对产品质量更高的要求、国家对装备制造业的重视等变化改善了机器人的使用环境,工业机器人及技术在中国已逐步得到了政府和企业的重视。随着机器人知识的广泛普及,人们对于各种机器人的了解与认识逐步深化,利用机器人技术提升我国工业发展水平、从制造业大国向强国转变,提高人民生活质量成为全社会的共识。市场特征： （1）. 以汽车制造业为主的制造业发展促进了工业机器人的发展。汽车制造业属于技术、资金密集型产业,也是工业机器人应用最广泛的行业。在我国,工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业,主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。2000年开始,受国家宏观政策调控及居民消费水平提高的影响,我国汽车工业进入了一个高速增长期。面对这种局面,国际汽车巨头纷纷进入中国市场并与我国企业合资设厂或扩大原有生产规模,国内企业也纷纷转型或加大对汽车行业的投资,整个行业增产扩能增加了对工业机器人需求。据不完全统计,最近几年国内厂家所生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业的,海关进出口增长数据与汽车行业增长数据具有较高的相关度。可知,汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。 （2） 沿海经济发达地区是工业机器人的主要市场。我国工业机器人的使用集中在广东、江苏、上海、北京等地,工业机器人的拥有量占全国的一半以上,这种分布态势和增长趋势符合我国现阶段经济发展状况。我国经济最具活力的地区已经从珠江三角洲地区扩展到长江三角洲地区,而且长江三角洲地区在制造业中所占的比重越来越大。（3）. 外商独资企业、中外合资企业和国有企业是工业机器人的主要客户。工业机器人属于技术含量高,价格相对昂贵的制造装备,采用工业机器人较多的企业,一般对产品的质量要求较高,企业在市场上具有更高的影响力。现阶段,工业机器人使用量最多的仍是外商独资或中外合资企业。国有企业也在加大对工业机器人的采购用于技术改造,如汽车行业中的一汽、二汽、上汽等,它们的产品在市场上已经具有了相当强的竞争力,它们对工业机器人有着较大的需求,同时采购上它们能够得到国家和政府的支持,因此制造业中的大中型国有企业的工业机器人使用量一直很大,而且在未来相当长的时间内仍将保持这种增长势头。另外,我国的民营企业正逐渐认识到工业机器人的优势,对工业机器人的采用量也在逐步增加,虽然装备的数量上与以上企业仍存在较大差距,但是增长的速度惊人,将很快成为工业机器人市场的重要客户。（4） 国内进口工业机器人的国家和地区分布。20012004年我国进口的工业机器人主要来自日本与台湾,2004年日本对华出口金额占我国进口工业机器人金额的一半。目前，国际制造业中心正向中国转移，用信息化带动工业化、用高新技术改造传统产业已成为我国工业发展的必由之路。作为先进制造装备之典型代表的工业机器人必将有一个大的产业发展空间，市场前景广阔；但我们也应注意到国外机器人巨头已经全部涌入中国，市场竞争日益加剧，所以中国未来机器人产业的发展不会一帆风顺。国家应借鉴日本机器人产业发展的成功做法，制定机器人产业发展战略和相关政策，这是我国机器人产业发展成败之关键。趋势：从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。当今工业机器人的发展趋势主要有：（1） 工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。（2） 机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。 （3） 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4） 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。（5） 机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。2 机械手简介2.1 机械手的分类 工业机械手有多种分类方式，如按坐标形式分类、按驱动方式分类、按控制方式分类、按性能指标分类、按发展程度分类等，本文只介绍前两种分类方式。一、按坐标形式分类通常机械手根据坐标形式的不同可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型以及关节坐标型。（1）直角坐标型机械手这一类机械手其手部空间位置的改变通过沿三个互相垂直的轴线的移动来实现，即沿X轴的纵向移动，沿Y轴的横向移动及沿Z轴的升降。该形式机械手的位置精度高，控制简单、无耦合，蔽障性好，但结构较庞大，动作范围小，灵活性差，难与其他机器人协调；移动轴的结构较复杂，且占地面积大。（2）圆柱坐标型机械手这种机械手通过两个移动和一个转动实现手部空间位置的改变。圆柱形坐标机械手的位置精度仅次于直角坐标型，控制简单，壁障性好，但结构也较庞大，难于其他机器人协调工作，两个移动轴的设计较复杂。（3）球坐标型机械手这类机械手的运动由一个直线运动和两个转动所组成，即沿手臂方向X的伸缩，绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。这类机械手占地面积较小，结构紧凑，位置精度尚可，能与其他机器人协调工作，重量较轻，但壁障性差，有平衡问题，位置误差与臂长有关。（4）关节坐标型机械手关节坐标型机械手主要由立柱、前臂和后臂组成。机械手的运动由前后臂的俯仰及立柱的回转构成，其结构最紧凑灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其他机器人协调工作，壁障性好，但位置精度较低，有平衡问题，控制存在耦合，故比较复杂。二、按驱动方式分类机械手按驱动方式可分为气压驱动、液压驱动、电力驱动、新型驱动四种驱动方式。（1）气压驱动这种驱动方式的优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单，造价低，缺点是空气具有可压缩性，致使工作速度的稳定性较差。此类机械手只适用于抓举力较小的场合。（2）液压驱动液压驱动式机械手能够提供较大的抓举力，机械手结构紧凑，传动平稳且动作灵敏，但对密封的要求较高，且不宜在高温或低温的场合工作，要求的制造精度较高，成本较高。（3）电力驱动电力驱动是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构驱动机械手，以获得所需的位移、速度、加速度。电力驱动具有无环境污染，易于控制，运动精度高，成本低，驱动效率高等优点。（4）新型驱动方式主要有静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、人工肌肉及光驱动器等。2.2 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。一、执行机构（1）手部 手部是直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。根据夹持原理可分为机械手爪、磁力手爪和真空手爪三种。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2） 腕部 腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，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，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,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。臂部运动的目的：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手的工作性能。（4） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的目前正处于仿真阶段。二、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。三、控制机构在机械手的控制上，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。2.3 机械手的发展现状与趋势机械手首先是从美国开始研制的。自从1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手开始，机械手领域得到了蓬勃的发展。机械手已渗透到了各个领域。特别是工业机械手，越来越得到各个国家的重视，成为工业自动化领域不可或缺的一部分。目前机械手的发展主要体现在以下几个方面：第一，在机械结构方面，机械手的性能不断得到提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修）。机械结构逐渐向模块化和可重构方向发展。第二，机械手的控制系统逐渐向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化，器件集成度提高。第三，传感技术在机械手领域得到了越来越广泛的应用。视觉、力觉等各种新型传感器不断被应用到机械手上，大大提高了机械手的各项性能。第四，在机械手研究领域虚拟现实技术被大量采用，从开发到仿真，再到最后的模拟运行，虚拟现实技术使得机械手的开发周期大大缩短。第五，对控制算法的研究得到了快速发展，各种优异的控制算法不断被开发出，使机械手逐渐向智能化方向发展。3 设计要求3.1 设计参数自动上下料装置（搬运机械手）的技术参数如下：（1）抓重:600Kg (夹持式手部)（2）自由度数:4个自由度（3）座标型式:圆柱座标（4）最大工作半径: 1160mm（5）手臂运动参数伸缩行程： 400mm伸缩速度： 0.05m/s （6）手腕运动参数升降行程： 420mm升降速度： 0.05m/s（7）机身回转范围:（8）手爪开合范围：3.2 总体方案鉴于加工中心所加工工件外形的多样性，为了具有较好的柔性，本次设计的加工中心的自动上下料装置为四自由度圆柱坐标型机械手。由于所夹持箱体类工件重量较大，动力系统采用液压驱动。控制系统选用PLC。机械结构采用机身回转，腕部升降的结构。在机身处安装一个回转液压缸，在手臂处安装一个伸缩液压缸，在手腕处安装一个升降液压缸。4 机械手手部设计4.1 设计要求（1） 根据设计技术要求1，抓重最大为600kg，则机械手抓取物料后应能实现机构自锁。 （2） 所抓取的物料的体积大小不一，手爪应具有一定开合角度及范围，以便于抓取 （3） 对于机械手结构，应尽量使其结构简单、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑，以利于减轻手臂的负载。 （4） 对于自动上下料装置，应尽量保证较高的精度要求。 （5） 采用机电结合的设计形式，方便机械手在抓取物料时的精准与效率。4.2 手部结构选择典型的手部结构有以下几种：（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。 本设计采用自重式回转型手部结构。该手部结构适用于传输垂直上升或水平移动的重型工件，要求工件对手指的作用力的方向应在手指回转轴垂直线的外侧，使手指趋向闭合。用这种手部结构来加紧工件是依靠工件本身的重量来实现的，工件越重握力越大。手指的开合动作由铰接活塞油缸实现。4.3 手部结构设计计算手爪采用自重式手部结构，用液压缸驱动齿轮转动，实现手爪的张开与闭合。4.3.1手爪结构设计计算手爪结构与尺寸如图3-1所示，轴部所受支撑反力为：手爪的极限位置如图3-2、3-3所示，手爪开合范围为：200816，开合角度为：。图4-1手爪结构图图4-2手爪最大开合位置图4-3手爪最大开合位置4.3.2齿轮选择由开合范围及手爪结构，所选用齿轮中心距为200mm, 齿数取100，模数为2，齿轮采用弹性挡圈固定，根据GB/T894.1-1986选用35号弹性挡圈。键型号：10X20GB/T1096-20034.3.3手部轴设计计算轴的材料选用45号钢， ，。轴的弯矩图如图4-4所示图4-4 手爪轴弯矩图此手爪轴为心轴，轴可转动，其最小直径为：轴有键槽，轴径增加，取4.3.4轴承选择由于轴转速很低，选择普通深沟球轴承即可。根据GB/T276-2003选择轴承为61906号轴承。5 腕部结构设计5.1手部总重计算估量各主要部件的重量，如表5-1所示：表5-1手部主要部件重量部件重量（kg）部件重量箱体80支架2手爪56轴8齿轮20手爪总重为：800kg5.2连杆设计5.2.1连杆强度计算此机械手为4自由度机械手，手部无运动。直接采用连杆结构将臂部法兰与手部进行连接。材料选用Q235，选用两根连杆，。考虑到其他工况等因素，连杆螺纹选用M16。连杆只受拉力，面积应为：5.2.2螺纹强度校核螺纹计算直径： M16 普通六角头螺栓，其中s公称为24，k公称为10.，螺纹长度取为120，其所受应力校核为：螺栓强度符合要求。6 手臂设计计算6.1手臂总体结构设计手臂采用液压缸驱动，通过法兰与腕部连杆连接手爪。臂部采用槽钢作为支撑梁，槽钢上方安装滑动导轨。采用型钢作为支撑梁不仅可以降低成本，而且有利于减轻臂部重量，获得紧凑结构。6.2手臂悬臂梁设计机械手的最大工作半径为1160mm，连接法兰在手臂方向的长度为280mm，手臂的最大挠度控制在3mm以内。6.2.1槽钢型号选择手臂悬臂梁如图6-1所示：图6-1手臂悬臂梁受力图由悬臂梁的挠度方程得槽钢惯性矩应为： 其中，,，弹性模量。 由热轧槽钢表（GB707-88），选择槽钢型号为12.6号槽钢，其，。6.2.2手臂梁弯曲强度校核梁所受弯曲应力为：梁合格。6.3导轨选择导轨选用天津隆创科技有限公司生产的EG系列线性滑动导轨，导轨采用自润滑方式（刮油润滑），型号代码如下：EGH20SA2T8202ACI+KK/E1-EGH155A。6.4手臂伸缩液压缸选择导轨采用自润滑式滑动导轨，摩擦系数取0.15。作用在臂部液压缸活塞杆上的外部载荷主要包括三个部分：导轨摩擦载荷，惯性载荷，液压缸密封处的摩擦阻力，分别计算如下： 其中，为导轨的夹角，为90度。其中，为速度变化量，为起动或制动时间。对于行走机械来说，一般取，本处取。其中，为液压缸的机械效率，为作用在活塞上的外载荷总和，粗略计算时取。综合以上可得液压缸活塞杆所受的外载荷为：由于所需推力较小，液压缸活塞杆所受压力较小，故选用轻型拉杆式液压缸。额定压力为7MPa，液压缸型号为：WY1-LB132C-3.5B450A。液压缸内径32mm，活塞杆直径14mm，最大行程1000mm，实际行程450mm。7 机身设计7.1机身总体结构分析在此自动上下料装置中，机身的作用是实现90度回转，驱动力由摆动液压马达提供。考虑到装置的轴向力和偏心力矩都比较大，轴承选用圆锥滚子轴承，上方串联安装两个，下方安装一个，上下方轴承采用面对面安装方式。为了减轻机身重量，机身采用立柱式支撑方式进行固定。7.2机身主轴设计机身主轴的结构示意图如下图7-1所示：图7-1机身主轴示意图7.2.1机身旋转惯性力矩计算机身旋转惯性矩为：设转动角速度为，初始角加速度为，则机身的转动惯性力矩为：7.2.2机身主轴强度计算轴材料选用45钢调制处理，。机身主轴所受弯矩为：其中G为手部重力与腕部重力之和，等于8100N。轴弯矩图和扭矩图如下图7-2所示：许用应力值查得，。应力校正系数为：当量转矩为：图7-2轴弯矩图和扭矩图由图可以看出，危险截面位于右端轴承右端面处，最大当量弯矩由第三强度理论：危险截面处的轴径为：考虑到其它因素的影响，取轴径为120mm。7.3轴承校核7.3.1轴承受力分析 轴承的受力示意图如下图7-3所示：图7-3轴承受力示意图如图7-1所示，对N2取矩有： 有轴径为120mm，可查得轴承厚度C=23mm。解得：因为重力向下压紧，所以轴有左移的趋势，左端轴承压紧。因此有：7.3.2轴承静强度校核轴承选择圆锥滚子轴承，代号为32924（GB/T297-1994）,各参数为：，。轴承的当量动载荷计算如下：取以上两者中较大者：取以上两者中较大者：因为，所以校核轴承2（即右端轴承）。由参考文献查得安全系数为，因此轴承的额定静载荷为： 轴承合格。7.4摆动液压马达选择7.4.1转动力矩计算滚动摩擦系数与接触面材料的硬度、粗糙度、湿度等有关。球和圆柱滚子轴承的摩擦大体与液体动力润滑相近，其它滚子轴承则稍大。由参考文献查得轴承的摩擦系数为：。因此，轴承的摩擦力为：轴承处的摩擦力矩为：总转动力矩为：7.4.2摆动液压马达选择根据总转动力矩，选择YMD型单叶片摆动液压马达，型号为：YMD200-180.选择平键连接。键参数如下：l=22mm,b=10mm,h=8mm,.键校核如下：键所能传递的转矩为：键强度符合要求。7.5机身与臂部连接法兰设计7.5.1连接键强度校核键所传递的转矩为机器的转动惯性力矩，大小为。轴径为120mm，根据GB/T1096-2003,键的宽度为32mm，高度为18mm，长度选50mm。键能传递的转矩为： 其中，法兰的材料为铸铁。 键的强度满足要求。7.5.2螺栓连接校核 每个臂上采用4个M16的螺栓进行连接，螺栓所受的剪切力矩为：，螺栓的布置如图7-4所示。图7-4机身与臂部连接螺栓布置图每个螺栓所受的剪切力为：由参考文献，可计算出螺栓的许用剪切应力为：其中，安全系数螺栓所受剪切应力为： 其中，螺栓抗剪界面数m=1.螺栓强度符合要求。工作时，螺栓在联接接合面处受剪，并与被连接件孔壁互相挤压联接损坏的形式除螺栓被剪断外，还可能有螺栓孔被压溃的情况。同上，可计算出法兰的许用挤压应力为：法兰材料为HT200，强度极限为200MPa，安全系数取3.同上，可计算出槽钢的许用挤压应力为：槽钢为型钢，屈服极限为355MPa，安全系数取1.6.法兰的上端盖用4个M10的螺栓进行连接，每个螺栓所受拉力为2025N，螺栓所受拉应力为：其中，螺栓的计算直径为：由参考文献，螺栓的许用拉伸应力为螺栓强度符合要求。8 液压系统设计8.1系统工作压力确定由各个液压缸的规格，可计算出每个液压缸工作时所需的工作压力p。升降缸：伸缩缸：摆动液压马达：其中为液压马达额定压力，等于14MPa；为液压马达额定转矩，等于；M为液压马达的工作转矩，等于。由于系统各处工作压力相差较大，因此对于工作压力比较大的缸采用增压系统，初选系统工作压力为5MPa。8.2液压泵选择8.2.1手部驱动液压缸选择液压缸初步行程确定：由于采用自重式手部结构，依靠工件自身重力实现加紧，液压缸仅提供用于克服转动关节摩擦力的开合力，因此液压缸所需推力很小。选用HSG型工程用液压缸，其速度比为1.33，缸径40mm，活塞杆直径20mm，推力20100N，拉力15080N，最大行程320mm，实际行程200mm。液压缸代号为：HSGF-40BEZEZ2液压缸两端均采用耳环连接。 8.2.2液压系统流量计算液压缸工作时所需的流量，计算公式如下：其中，A为液压缸有效作用面积，v为活塞与缸体的相对速度。手爪部分液压缸活塞杆的伸缩速度为0.03m/s，液压缸的最大流量为：腕部液压缸活塞杆的伸缩速度为0.05m/s，液压缸的最大流量为：臂部液压缸活塞杆的伸缩速度为0.05m/s，液压缸的最大流量为：液压马达的流量计算公式为：其中，V液压马达的排量，为液压马达的转速。机身液压马达的排量为200mL/r，转速为0.1r/s，液压马达的流量为：8.2.3液压泵规格选择 由于升降缸所需工作压力与其它三缸所需工作压力相差较大，因此在升降缸处采用增压装置，系统最大压力初步定为5MPa。液压泵的输出流量为：其中，K为系统泄露系数，一般取K=1.11.3，本处取K=1.25；为同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，对于在工作中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般取。根据液压泵所需流量计系统压力选择液压泵，型号为BBXQ，生产厂商：南京液压件三厂，主要技术数据如下：排量：12mL/r，额定转速：1500r/min，额定压力：5MPa，最高压力：6MPa。液压泵的驱动功率为：其中，为液压泵的最大工作压力，为液压泵的流量，为液压泵的总效率，对于叶片泵一般取0.60.75，此处取0.7.8.3液压系统动作分析整个液压系统需要使机械手完成四组八个动作，分别为：手部夹紧和松开，腕部上升和下降，臂部前后移动，机身的左右摆动。液压系统的动作循环表如下表8-1所示。表8-1 液压系统动作循环表动作1Y11Y22Y12Y23Y13Y24Y14Y21B11B2松开-+-夹紧+-上升-+-下降-+-伸臂-+-缩臂-+-去摆-+-回摆-+-图8-1 液压系统图山东建筑大学毕业设计说明书9 控制系统设计9.1控制系统选择工业控制计算机是机电一体化产品控制系统的中枢，生产上常用的工业控制计算机有可编程控制器、总线型工业控制计算机和单片机。工业控制计算机虽然开发周期短、可靠性高、可扩展性强，但是其价格昂贵；而单片机虽然价格低廉但其开发成本较高，开发周期相对较长。PLC控制程序可变，具有很好的柔性，且可靠性高、编程简单、功能完善，便于组建大规模的网络系统，能够与数控系统进行很好的融合。综合以上对比，并综合制造系统的具体情况，本装置中采用PLC作为控制系统。PLC选择欧姆龙公司的CPM1A系列PLC，型号选择40点输入型，输入24点，输出16点，继电器输出型为CPM1A-40CDR-D（DC直流电源）。9.2控制系统程序设计PLC I/O分配表：表9-1 输入端口分配表PLC端口传感器代号传感器状态PLC端口传感器状态动作X000START启动X0113B2缩臂到位X001STOP停止X0124B1旋转取到位X002RST复位X0134B2旋转放到位X003MANUAL手动X014M1手动上升X0041B1松开到位X015M2手动下降X0051B2夹紧到位X016M3手动伸臂X0062B1上升到位X017M4手动缩臂X0072B2下降到位X020M5手动取工件X0103B1伸臂到位X021M6手动放工件表9-2 输出端口分配表PLC端口电磁阀代号动作PLC端口电磁阀代号动作Y0001Y1松开Y0043Y1缩臂Y0011Y2夹紧Y0053Y2伸臂Y0022Y1上升Y0064Y1取工件Y0032Y2下降Y0074Y2放工件图9-1 PLC控制流程图结论总结本次设计完成了自动上下料装置的整个系统的设计，包括机械结构、液压系统、电气控制系统的设计。机械结构部分完成了机械手的手部、腕部、臂部和机身的结构设计，在手部设计中采用了自重式自锁夹持机构。在液压系统的设计中，完成了整个液压系统的设计，进行了液压缸、液压泵的选择。在电气控制系统中进行了PLC控制系统程序开发。通过本次设计，我了解了机电一体化产品的开发流程，掌握了产品开发过程中所需要的一些知识，对机械设计、液压系统设计、PLC开发有了更深刻的学习，对CAD，UG，等绘图软件的应用有了更深刻的了解和掌握。参考文献1 濮良贵等编著.机械设计（第八版）高等教育出版社。2 王旭等主编.机械设计课程设计（第二版）机械工业出版社。3 刘延俊等主编.液压与气压传动（第二版）机械工业出版社。4 廖念钊等主编.互换性与技术测量（第五版）中国计量出版社。5 刘极峰主编.机器人技术基础（第二版）高等教育出版社。6 哈工大理论力学教研室主编理论力学（第六版）高等教育出版社7 刘鸿文等主编材料力学（第四版）高等教育出版社8 赵程等主编机械工程材料（第二版）机械工业出版社9 林明星等主编电气控制及可编程序控制器（第二版）机械工业出版社。10 姜培刚等主编.机电一体化系统设计（第四版）机械工业出版社。11 数字化手册编委会.机械设计手册（新编软件版）化学工业出版社。12 S.R.Habibi. Sliding Mode Control of a Hydraulic Industrial Robot. Transactions of the ASME.13 Ming Z Huang and Oren Masory.A simple method of accuracy enhancement for industrial manipulators.The International Journal of Advanced Manufactureing Technology.Volume 8.NO.2 1993-3鸣 谢本论文在选题及设计研究过程中得到刘建华老师的悉心指导。老师丰富的教学经验及实践知识使我受益匪浅。特别是在