吸盘式板材搬运工业机器人设计

毕 业 设 计题 目 学 院 机械工程学院 专 业 班 级 学 生 学 号 指导教师 二一 一年 五 月 二十八 日毕业设计- I -摘 要本次设计的机械手是为了实现玻璃的装卸搬运。考虑到玻璃的材质及形状，采用真空吸盘装置来完成玻璃的抓取，通过液压缸来实现各个动作要求，包括腕部回转油缸，手臂伸缩油缸，机身升降油缸以及控制整机回转的液压缸。通过真空吸盘装置抓取玻璃，机身升降油缸上升，然后手臂伸缩油缸移动到相应位置，经过机身回转一定角度完成玻璃搬运，最后腕部回转一定角度经由真空吸盘装置卸下玻璃即完成了整个过程。这种机械手代替人工完成了像玻璃这类易碎物件的装卸搬运，实现连续运转工作。关键词：机械手；真空吸盘；液压缸全套图纸，加 153893706毕业设计- II -ABSTRACTThe design of the manipulator is to achieve the glass handling operations. Taking into account the material and shape the glass, using vacuum suction device to complete the capture of glass, through the hydraulic cylinder to achieve the requirements of the various actions, including the wrist rotating cylinders, telescopic arm, cylinder, lift cylinder and the control of whole body rotation hydraulic cylinder. Crawl through the glass vacuum suction device, increased body lift cylinder, telescopic cylinders and then moving the arm into place, after completion of body rotation angle to the glass handling, the final angle of wrist rotation through the vacuum suction device is complete remove the glass the whole process. The completed robot instead of human Fragile objects such as glass Handling, achieve to working continuous operation.Key words： Manipulator; vacuum suction; hydraulic cylinder毕业设计- III -目 录摘要.IABSTRACT.II1 前言.11.1 机械手概述 .11.2 工业机械手的国内外现状.11.3 机械手的组成和分类.21.3.1 机械手的组成.21.3.2 机械手的分类. .42 总体方案设计.52.1 机械手的坐标形式和自由度32.2 机械手各个部分的设计 .42.3 各部分的主要数据. .43 真空吸盘数量的确定. .64 腕部设计计算.84.1 腕部回转驱动力计算. .84.2 腕部回转液压缸尺寸的计算. 105 手臂伸缩的设计计算. .145.1 手臂伸缩液压缸的驱动力计算. 145.2 手臂伸缩液压缸的参数计算. 155.2.1 液压缸内径计毕业设计- IV -算. .155.2.2 活塞杆直径计算. .165.2.3 液压缸壁厚计算. .176 手臂回转缸的设计计算. .196.1 手臂偏重力矩计算. 196.2 手臂回转液压缸回转力矩计算. 196.3 手臂回转液压缸尺寸计算. 206.4 液压缸盖螺栓计算. .207 手臂升降缸的设计计算. .227.1 手臂升降缸力矩计算. 227.2 手臂升降液压缸尺寸. .237.2.1 液压缸内径计算. .237.2.2 活塞杆直径计算. .237.2.3 液压缸壁厚计算. .247.3 键连接强度计算. 248 结论.26参考文献.27致谢.28毕业设计- V -毕业设计- 1 -1 前言1.1 机械手概述机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作动作的自动化机械装置 1。机械手是从美国开始研制的。1954 年，美国人戴沃尔最早提出了工业机器人的概念并申请专利。专利的点重是借助伺服系统控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示范，从而使机器人实现动作的记录和再现，这就是所谓的示教再现机器人，这为以后的机器人发展奠定了基础，现在的机器人很多都采用这种控制方式来控制机器的运动。1958 年，美国联合控制公司研制出了第一台机械手铆接机器人来实现铆接作业，减轻了工人的劳动强度。作为机器人产品，最早被应用的实用机型是 1962 年美国 AMF 公司推出的“VERSTRAN”和 UNIMATION 公司推出的“UNIMATE” 。这些工业机器人主要由类似人的手臂组成，它可代替人们的繁重劳动以减轻人们的劳动强度以及实现生产的工业化和自动化，能在有害环境下工作以保护工人安全，因而得到广泛应用，如机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手能够模仿人手的部分动作，按照给定程序和运行轨迹来实现自动抓取、搬运或操作的自动化装置，广泛应用在工业生产中，这类机械手被称为工业机械手，是工业机器人一个重要组成部分。它在构造、性能及灵敏度上兼有人和机器的各自优点，将人的智能性和适应性体现的淋漓尽致。机械手作业的准确性和在各种环境中完成作业的能力极为强大，因此在国民经济发展的各个领域都有着广阔的前景。1.2 工业机械手的国内外现状工业机械手能够模仿人体手臂的部分功能，按照预定要求来输送工件或握住工具进行具体操作的自动化技术设备，它可以代替人手进行繁重劳动，进而改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平，有着广阔的发展空间。目前国内机械手主要用在机床加工、铸锻、热处理等方面。数量、品种、性能各个方面都不能充分满足工业生产发展的需要。所以，在国内应该逐步扩大其应用范围，以便减轻劳动强度，改善作业环境。在发展应用专用机械手的同时，还应发展通用机械手，有条件的话还应该研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度、精度，避免冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手在工业生产中的作用。考虑与计算机相连接，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。国外机械手在机械制造行业中应用很广泛发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆、搬运等劳动强度大或者危险的行业。它毕业设计- 2 -按照事先编制的作业程序来完成规定的动作。国外机械手的发展趋势是大力研发智能机械手并将其广泛应用到各个方面。使它具有一定的感知能力，能反馈外界条件的变化，做出相应动作的变更。如位置发生偏差时，能及时更正并自动进行检测，重点研究的视觉功能和触觉功能，已经取得了一定的成效。目前处于世界领先水平的高端工业机械手均有向高速化、高精化、多轴化、轻量化方向发展的趋势。定位精度可以达到微米及亚微米的要求，运行速度可以达到 3M/S，量新产品达到 6 轴联动，负载 2KG 的产品系统重量已经突破 100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元结合与一体，从根本上改变当前机械制造系统中人工操作的工作现状。同时，随着机械手向着微型化和小型化的发展，其应用领域将得到更加广阔的发展，它将突破传统机械领域，向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天技术等高端行业发展。1.3 机械手的组成和分类1.3.1 机械手的组成工业机械手是由执行系统、驱动系统和控制系统几部分组成。执行系统又可分为抓取、送放和机身三大部分。（1）执行系统执行系统是直接握持物件 实现所需的各种运动机械部分，它包括以下机构：1）抓取机构抓取机构又称手部或抓部，是机械手直接与被抓工件接触并实加约束和加紧力的部分。根据与物件接触的不同形式，抓取机构可分为夹钳式与气吸式两大类。夹钳式抓取机构由手指（或称手抓）和传动机构组成。手指与物件直接接触，而传动机构则开闭手指，并通过手指对被抓取物件施加完全约束和加紧力，使之牢牢被抓住，到目的地后再被放松。吸附式抓取机构主要由吸盘等组成，它是靠吸盘产生的吸力（如吸盘内形成的负压或产生的电磁力）吸附物件。对于一些较简单的机械手，也可以直接将工具（如焊枪、喷枪、容器等）装置于机械手臂的前端，而不设置抓取机构。2）送放机构送放机构是执行系统中将被抓取物件送放到目的地的机械部分。它主要由于手臂（又称臂部） 、手腕（又称腕部） 、行走装置等部分组成。手腕主要使用来调整和改变被抓取物件的姿势（即方位） 。并起到了连接手臂和手抓的作用。手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要运动部件。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指定的位置（即改变被抓取物件的空间位置） 。工业机械手的手臂通常是由驱动手臂运动的部件(例如油缸、气缸、齿轮齿条机构、毕业设计- 3 -连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，来实现手臂的各种运动。对于一些简单的机械手来说，可以不设置腕部或其他行走机构，而是将抓取机构直接装在手臂一端，以减轻重量简化结构。立柱是支承手臂的部件，也可以是手臂的一部分，手臂的回转和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切联系。机械手的立柱一般为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动。3）机身机身是机械手中用来支承送放机构的部件，也是安装驱动系统、控制系统的基础部件。（2）驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等多种形式。（3）控制系统机械手控制系统的功用是通过对驱动系统的控制使执行系统按照规定的要求进行工作，并检测其工作位置正确与否。其支配着工业机械手按规定要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械档块定位）系统组成，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间） ，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令 2。1.3.2 机械手的分类（1）按用途分 可分为专用机械手和通用机械手；（2）按手臂运动形式分 有直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和多关节式；（3）按驱动方式分 有液压、气动、机械和电动等；（4）按控制方式分 可分为固定程序控制、可编程序控制等 2。毕业设计- 4 -2 总体方案设计2.1 机械手的坐标形式和自由度根据机械手手臂的基本运动形式，其坐标形式可分为四种：直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和多关节式。本次设计采用圆柱坐标式，占地面积小。机械手需要完成玻璃装卸搬运过程，所以决定了机械手的自由度数，需要由腕部回转，手臂伸缩和立柱升降回转来完成一系列动作过程。2.2 机械手各个部分的设计手抓：夹钳式抓取机构可以满足工业生产中常用的平板、圆杆、方杆、圆锥体和球体等基本形状物料的抓取要求。对于片状零件、光滑薄板材料等，通常用真空吸盘装置（即产生负压）吸取工件。产生负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性环类和带孔的盘类零件，以及网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定 2。综上玻璃是易碎物件，不适合用手抓和电磁吸盘，而表面比较光滑适合用真空吸盘装置，所以选用真空吸盘装置来作为机械手手抓。腕部：结构形式 回转油缸驱动的腕部结构，只有一个自由度；两个回转油缸驱动的腕部结构，两个自由度，小于 360的回转运动以及上下摆动；采用齿条、直线油缸驱动腕部结构，这种结构只有一个自由度，回转角度大于 360。要求：结构要紧凑，重量轻；转动要灵活，密封性要好；要解决好腕部和手部以及手臂的连接问题。因为放置玻璃时只需要腕部旋转一定角度，并且此角度小于 360，所以只采用回转液压缸驱动的手腕结构就能达到要求。其特点是：手部抓取机构直接与腕部回转液压缸的转轴相连，有转轴直接带动手部实现回转，结构简单，但密封困难，比较容易漏油。臂部：要求刚度要大，手臂截面形状要选择合理；导向性能要好 为防止手臂在直线移动时，沿着运动轴线发生相对转动，可以设置导向装置；偏重力矩要小 偏重力矩就是指臂部重量对支承回转轴所产生的静力矩。为了提高机器人的运动速度，要尽量减少运动部件的总重量，以减小偏重力矩和整个臂部对回转轴的毕业设计- 5 -转动惯量。 运动要平稳且定位精度要高 。臂部一般要能实现伸缩、升降和回转，要有足够刚性，其中手臂的升降和回转是通过立柱实现。直接采用普通液压缸实现伸缩，并采用双导向杆导向装置，采用双导向杆受力情况要好，行程可以较长，可以承受更大的载荷。立柱回转与手腕回转采用回转油缸直接驱动。立柱升降采用花键轴套导向，但抗偏重力矩性能差，适合抓取形状规则零件。2.3 各部分的主要数据（1）腕部回转速度：45/ s ；（2）手臂伸缩速度：70 mm/s ；（3）手臂回转速度：45/ s；（4）立柱升降速度：70 mm/s；（5）完成玻璃的装卸搬运过程所需的最大工作范围：腕部需要的最大回转角度75，手臂伸缩行程 400 mm，手臂回转角度为 90，立柱升降最大范围为 360 mm。毕业设计- 6 -3 真空吸盘数量的确定（1）真空吸盘装置 采用真空泵来制造负压即真空泵吸盘式。其原理：用真空泵将吸盘与工件间的空气抽出，使吸盘内压力小于外面大气压力，吸盘就是靠内外压差把工件吸起。（2）吸盘形式与规格：当抓取类似玻璃等的薄片件时采用锥形吸盘，一般外轮廓锥角 90 （如图 3.1） 。图 3.1 吸盘形式表 3.1 锥形吸盘规格尺寸直径 D d1 d2 h25 13 6 1232 18 7.5 1238 18 9.5 1245 20 10.5 1551 23 14 15113 45 28 32（3）吸盘吸力计算 选用的是成都气海机电制造有限公司生产的真空泵，其型号为 VCC5518B，这是一种双头泵 ，两侧分别有独立的工作泵头，提供了互不干扰的两路系统，共两对进、排气口。传输无污染，可以任意方向安装，允许介质富含水汽，可以连续运转 24 小时，其真空度为 418mmHg 。F=（1- ）A 760gH（3.1）其中：F 吸盘吸力（公斤） ；真空泵抽气的极限真空度（毫米汞柱） ；gH毕业设计- 7 -A负压作用面（厘米 2） ；D吸盘直径（厘米） 。玻璃尺寸（长宽高）：1500200035 mm，玻璃密度：=2g/cm 3 。玻璃体积： v=150020004=12000（cm 3） （3.2）玻璃质量： m=V=212000=24 kg （3.3）选用直径为 113mm的吸盘吸盘面积： =100（cm 3） 24DA2.1.3（3.4）将以上数据带入公式 3.1 得 =45（公斤） 10768F（4）吸盘数量确定 为了保证真空吸盘能完成给定的任务,需考虑安全系数的问题,结合理论和实践经验,取真空吸盘的安全系数 n 一般为 2.5。所以,许用提升质量= 理论提升质量/n ，考虑受力平衡和足够的安全，初步选取吸盘数量为 4 个则72Kg5.4nN理许（3.5）可见 72Kg45Kg，所以可以选用四个吸盘。毕业设计- 8 -4 腕部设计计算4.1 腕部回转驱动力矩计算腕部回转运动，左右摆动驱动机构需要克服以下三种阻力矩（图 4.1）图 4.1 腕部受力图（1）手腕转动支承处的摩擦力矩(N.m） （4.1 ）21DN2fM其中 f轴承的摩擦系数，对滚动轴承 f=0.02，滑动轴承 f= ；157.02N1、N 2轴承处支反力（N） ；毕业设计- 9 -D1、D 2轴承直径（m） 。如图 4.1 腕部受力图 工件重量 ,估算手部重量 ，NG2.35NG8.641,mll90,152 ,4021mD计算支反力： （4.2）（4.3）21lNlGl计算得： 67,01将数据代入公式 4.1 得： (N.m）0.69284.104.12. M（2）克服工件重心偏置所需的阻力矩（4.4）mNeGP其中 G工件的重量（N） ；e偏心距（ m）取其值为 150mm。则带入数据得： mN28.351.0235PM（3）克服起重的惯性力矩（4.5） 启工 件 tJ2G其中 J手抓、手腕转动部件对转轴的转动惯量（ ） ；2smNJ 工件 工件对手腕回转轴线的转动惯量（ ） ；手腕回转过程的角速度（rad/s） ；t 启 启动过程中所需的时间，一般取 0.050.3s 。将真空吸盘装置和回转液压缸转动件等效为圆柱体且 R=80mm， ，10N总G（ ） 03.8.1022mRJ 2smN毕业设计- 10 -（4.6） （ ） 54.01.240.21egGJ 2c 工 件 2smN（4.7）将以上数值代入公式 4.4 得： mN97.51.0438954.3.0GM将数值代入得：M Z =0.6928+35.28+5.977=41.9498 N4.2 腕部回转液压缸尺寸的计算表 4.1 标准液压缸的内径系列20 25 32 40 50 55 63 6570 75 80 85 90 95 100 105110 125 130 140 160 180 200 250设定腕部部分参数：设 b=60mm，液压缸工作压力 P=1MPa，d=47mm ，图 4.2 回转缸的工作原理图1 输出轴 2 动片 3 缸体 4 定片毕业设计- 11 -由 822dDpbrRpbM （4.8）式中 D 液压缸内径 （mm ） ；P回转液压缸工作压力（ MPa） ；b动片宽度（mm） ；d输出轴与动片连接处的直径（mm） 。得 （4.9）)(08.47.106.9848262 mdbpMD所以取液压缸的内径为 100mm。根据缸体内径 D=100mm,外径选择 121mm，考虑到实际的装配问题，外径选择为 146 mm，所以，腕部回转液压缸的主要参数如下：表 4.2 回转液压缸参数表工作压力 P 液压缸内径 D 输出轴直径 d 回转力矩 M 动片宽度 b1MPa 100mm 47mm 41.9498 mN60mm4.3 液压缸盖螺钉计算表 43 螺钉间距 t 与压力 p 之间的关系工作压力 p(MPa) 螺钉的间距 t(mm)0.51.5 50000p/MPa 0.8-1 1.5-2 2.5-3 3-4 4-5 5-7由于 =3599.66N，所以查表 5.1 选取液压缸的工作压力为 P=1MPa。QP由 = QP421D（5.8）式中 理论驱动力（N） ；1P传动效率；毕业设计- 16 -)(069.5.1039.13. 6mPD（5.9）液压缸的内径如下表：表 5.2 液压缸内径系列8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110）125 （140） 160 （180） 200 （220） 250 （280） 320 360 400 （450） 500注：括号内数为非优选数值。根据表 5.2，可知，选取的液压缸内径为 D=80mm。5.2.2 活塞杆直径计算活塞杆尺寸要满足液压缸运动的要求和强度要求，当杆长 大于直径的年 15 倍l时，活塞杆必须有足够的稳定性。可以按照强度条件计算活塞直径 d 。液压缸工作时活塞杆主要承受拉或压力，所以活塞杆的强度计算近似的看作直杆拉、压强度条件计算问题，即= （5.10）42dpQ选活塞杆的材料为碳钢，其 为 100120MPa ，取 =110Mpa即 d = （5.11）QP4m065.1.3.596根据计算结果选择活塞杆直径为 16mm。5.2.3 液压缸壁厚计算液压缸壁厚计算公式 2Dp（5.12）毕业设计- 17 -式中 试验压力， =1.31=1.3Mpa；pp许用应力，选用材料为碳钢，取 =110Mpa。将数据代入上式得 m473.0128.取 =5mm液压缸外径 D0=D+2 （5.13）带入数据得 D0 =90mm表 53 手臂伸缩液压缸参数液压缸内径 D 工作压力 p 活塞杆直径 d 液压缸壁厚 80mm 1Mpa 16mm 5mm6 手臂回转缸的设计计算6.1 手臂偏重力矩计算毕业设计- 18 -图 6.1 手臂各个部件重心位置图假设 120NG 8.64 2N.53WSG 280BZ 710.5m ll ml BSGm57.18700218.6412.35BWSlll（6.1）mNlMGP 8325.170（6.2）6.2 手臂回转液压缸力矩计算手臂回转驱动力矩计算 HMGQ（6.3）毕业设计- 19 -上式中 惯性力矩（ ） ；GMmN密封件摩擦力矩（ ） ；由于回油被压很小，所以忽略不计。 。HNmRMG 8.4657.1890212（6.4）上式中 R回转半径（重心至回转轴线的距离） （m） ；m回转部件总重量（Kg） 。6.3 手臂回转液压缸尺寸计算假设定腕部部分参数：设 b=66mm，液压缸工作压力 P=2.5MPa，d=50mm，将数据代入公式 4.9 可得 mD123.05.10.26.0986选取液压缸内径为 125mm，选取液压缸外径为 185mm。6.1 手臂回转液压缸参数表工作压力 P 液压缸内径 D 输出轴直径 d 回转力矩 M 动片宽度 b2.5MPa 125mm 50mm 261.9 mN66mm6.4 液压缸盖螺栓计算手臂回转液压缸选用螺栓联结，初选 6 个螺栓。螺栓材料选用 Q275，取 ，则代入公式 4.3.6 得：MPaS235 )4.1,5.21(174. 取 其 值 为nn将数据代入 4.13 求取危险截面积：)(090253 2222 mrRS 将数据代入 4.14 求取 QF毕业设计- 20 -)(75.386105.209.6NZSPFQ取 代入公式 4.15 得 6.1K KQS 4所以 )(75.1398753Q将数据代入 4.17 得 )(8.01674.3141 mFdS 所以，选择手臂回转液压缸盖的螺栓直径为 d1=12mm。毕业设计- 21 -7 手臂升降缸的设计计算7.1 手臂升降力矩计算 总 臂 腕 手工 件12 12图 7.1 手臂水平伸缩时的受力力分析若手臂偏重力矩过大时，升降立柱可能因自锁而卡死，所以应避免此类情况发生，立柱不自锁的条件是： mflh2357.18.02（7.1）NhlGFR354027.1802 总（7.2）式中 手臂回转部件总重量（N） ；总各零件总重心距手臂回转轴心线的距离（mm） ；l如图所示高度（mm） 。h手臂升降缸驱动力计算 ： Q M+ PFZG毕业设计- 22 -（7.3）式中 M摩擦阻力之和；FG整个手臂运动件（包括工件）的最大惯性力；整个回转部件的总的总量。ZM= FFM（7.4）N7083542fRM（7.5） 求 G 将数据代入 5.5 得 G = FFtgV)(67.103.897N由公式 5.3 可知 QP03.将以上数据代入公式 76.178Q可以得出 或N162Q87.2 手臂升降液压缸尺寸计算7.2.1 液压缸内径计算因为 得数值已确定可查表 5.1 取工作压力 p=1Mpa。驱P去上升时计算，当油又进入无杆腔时将数据代入公式 5.8，可得： )(0467.95.10623.13. mPD因为升降缸选用花键导向，活塞杆部分有一段空心轴直径可能较大，所以适当选取直径大些，取 D=100mm。7.2.2 活塞杆直径计算毕业设计- 23 -选活塞杆的材料为碳钢，其 为 100120MPa ，取 =110Mpa将数据代入公式 5.11 得 d = QP4m043.1.362根据此数值适当选取的花键直径，选取规格为 842468（mm） 。7.2.3 液压缸壁厚计算将数据代入公式 5.12 得 18.023.取 =10mm液压缸外径 D0=D+2 带入数据得 D0 =120mm表 7.1 手臂升降液压缸参数表液压缸内径 D 工作压力 p 驱动力（N） 液压缸壁厚 100mm 1Mpa 1623，180 10mm7.3 键连接强度计算花键连接的强度条件： pmpzhldT3102（7.6）上式中 载荷分配不均系数，与齿数多少有关，一般取 =0.70.8，齿数多时取偏小值；花键的齿数；z毕业设计- 24 -齿的工作长度（mm）l花键齿侧面的工作高度，举行花键， ，D 为外花键的h cdh2大径，d 为内花键的小径；花键的平均直径，矩形花键， ；m dm传递的转矩 。TN许用挤压应力 MPasp 28435.08.（7.7）将数据代入公式 7.6 得 MPaPazhldT pmp 28446.2354.187.0096123 所以花键满足强度条件。普通平键连接的强度条件：ppkldT3102（7.8）上式中 传递的转矩 ；TmNk键与轮毂键槽的接触高度 k=0.5h（mm） ；键的工作长度（mm） ；ld轴的直径（mm） 。代入数据得 MPaPaklTpp 2847.20381749.26023 所以普通平键满足强度条件 。