毕业设计（论文）工业机械手的设计.doc

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1、第一章 绪论1.1工业机械手的设计目的工业机械手设计是机械手机械制造,机械设计和机械电子工程(机电一体化)等专业的一个重要饿教学环节,是学完技术基础课及有关专业课的一次专业课内容的综合设计.通过设计提高学生的机构分析与综合的能力,机械结构设计的能力,机电液一体化系统设计能力,掌握实现生产过程自动化的设计方法.通过设计把有关课程(机构分析与综合,机械原理,机械设计,液压与气压技术,自动控制理论,测试技术,数控技术,微型计算机原理及应用,自动机械设计等)中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用,使这些知识得到巩固和发展,并使理论知识和生产密切地结合起来.工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子

2、工程专业的学生一次比较完善的机电一体化设计.通过设计,培养学生独立的机械整体设计的能力,树立正确的设计思想,掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤,为自动机械设计打下良好的基础.通过设计,使学生能熟练地应用有关参考,计算图表,手册,图册,和规范;熟悉有关国家标准和部颁标准,以完成一个工程技术人员在机械整体设计方面所必须具备的基本技能训练.1.2工业机械手在生产中的作用a 建造旋转体零件b 实习单机自动化c 锻，焊，热处理等热加工方面1.3工业机械手的分类1.3.1按规格（所搬运的工件重量）分类 a 微型的 搬运重量在1kg以下 b 小型的 搬运重量在10kg以下 c 中型的 搬运重量在50

3、kg以下 d 大型的 搬运重量在500kg以下1.3.2按功能分类a 简易型工业机械手 有固定程序和可变程序两种。固定程序由凸轮转鼓或挡块转鼓控制，可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序。b 记忆再现型工业机械手 这种工业机械手由人工通过示教装置领教一遍，由记忆元件把程序记录下来，以后机械手就自动按记忆的程序重法进行循环动作c 计算机数字控制的工业机械手 可通过更换穿孔带或其他记忆介质来改变工业机械手的动作程序，还可以进行多机控制。d 智能工业机械手 由电子计算机通过各种传感元件等进行控制，具有视觉，热觉，触觉，行走机构等1.3.3按用途分类 a 专用机械手 附属于主机的，具有固定程序而无独立控

4、制系统的机械装置。这种机械手工作对象不变，动作固定，结构简单，使用可靠，适用于成批，大量生产的生产自动线或专机作为自动上，下料用。 b 通用机械手 具有独立控制系统，程序可变，动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于工件经常变换的中，小批量自动化生产。1.4工业机械手的组成工业机械手是由执行机构，驱动系统和控制系统所组成a 执行机构执行机构由抓取部分(手部),腕部,肩部和行走机构等运动部件组成b 驱动机构有气动,液动,电动和机械式四种形式c 控制系统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程序控制,也有采用可编程序控制器控制,微型计算机数字控制,采

5、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. d 基体(机身)基体是整个机械手的基础1.5工业机械手的技术发展方向国内外实际上使用的定位控制的机械手,没有视觉和触觉反馈.目前.世界各国正积极研制带有视觉和触觉的工业机械手,使它能对所抓取的工件进行分辨,选取所需要的工件,并正确地夹持工件,进而精确地在机器中定位,定向.为使机械手有眼睛去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件,它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息,通过计算机进行图形分辨,判别是否是所要抓取的工件.为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来,一般采用两种方法:一是检测把握物体手臂的变形

6、,以决定适当的握力;另一种是直接检测指部与物体的滑落位移,来修正握力.因此这种机械手就具有以下几个方面的性能a 能准确地抓住方位变化的物体b 能判断对象的重量c 能自动闭开障碍物d 抓空或抓力不足是能检测出来这种具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能机械手,它是具有发展前途的.现在,工业机械手的使用范围只限于在简单复杂的操作方面节省人力,其效益是代替人从事繁重的工作和危险的工作,在恶劣环境下尤其明显.至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业 部门,机械手的应用情况决不能说是很好的.虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐,但采用机械手只限于一小部分工序.其原因之一是,工业机械手的

7、性能还不能满足这些部门的要求,适于机械手工作的范围很小.另外经济性问题当然也很重要,采用机械手来节约人力从经济上看不一定总是合算的,然而,利用机械手或类似机械设备节省和实现生产合理化的要求,今后还会增长.1.6工业机械手的设计的内容a 拟订整体方案,特别是传感,控制方式与机械本体的有机结合的设计方案.b 根据给定的自由和技术参数选择合适的手部,腕部,肩部和机身的结构.c 各部件的设计计算d 工业机械手工作装配图的设计与绘图e 液压系统图的设计与绘图f 电气控制的绘制g 编写设计计算说明书第二章 手部的设计2.1手部的功能、分类手部（亦称抓取机构）是用来直接把握工件的部件，由于被握持工件的形状，

8、尺寸大小，重量，材料性能，表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。归纳起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。夹持类常见的主要有夹钳式，此外还有钩托式和弹簧式。夹持类手部按其手指夹持工件时的运动方式，可分为手指回转型和手指平移型两种。吸附类可分有气吸式和磁吸式。 2.2夹钳式手部设计的基本要求a 应具有适当的夹紧力和驱动力 手指握力（ 夹紧力）大小要适当，力量过大则动力消耗多，结构大，不经济，甚至回损坏工件；还考虑转送或操作过程中所产生的惯性和振动，以保证工件夹钳安全可靠。b 手指应具有一定的开闭范围 手指

9、应具有足够的开闭角度或开闭距离，以便抓取或退出工件。c 应保证工件在手指内的夹持精度 应保证每个被夹持的工件在手指内部有准确的相对位置。d 要求结构紧凑，重量轻，效率高 在保证本身刚度，强度的前提下，尽量可能使结构结构紧凑，重量轻，以利于减轻手臂的负载。e 应考虑通用性和特殊要求 一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法。2.3夹钳式手部的计算与分析2.3.1手部选择及原理叙述采用钳爪式手部机构，手机形状为平面指，传力机构形式为滑槽杠杆式。 工作原理： 图2-1 夹钳式手抓形状图a钳爪回转支点O1或O2到

10、对称中心线的距离；b钳爪回转支点到“V”型钳口中心线的距离；a滑槽方向与两回转支点（O1 与O2）间连接线的夹角。如图2.1所示，拉杆2端部固定安装着圆柱销3，当拉杆2向上拉时，圆柱销就在两个钳爪4的滑槽中移动，带动钳爪4绕O1 与O2两回转支点回转夹紧工件，拉杆2向下推时，使钳爪4松开工件，设P为作用在拉杆2上的驱动力；N为钳爪的夹紧力，钳爪的尺寸关系如图2-1所示，下面分析圆柱销3和钳爪4的受力情况。在拉杆2作用下，圆柱销3向上的拉力为P，并作用于圆柱销的中心O点，而两钳爪的滑槽对圆柱销的作用力为P1,P2（且P1=P2），其力的方向垂直于滑槽轴线OO1或OO2,指向O点其延长线分别交于B

11、,A两点，如图2-1所示，三角形O1OB和三角形O2OA均为直角三角形，故AOC=BOC=a根据圆柱销的平衡条件F=0可知，P=2P1cosa则P1=P/（2cosa） （2-1）如2-1所示，圆柱销对钳爪的反作用力为P1，其大小与P1相等，即P1=P1,且方向相反，工件对钳爪的反作用力大小等于夹紧力N，按照钳爪的平衡关系M01=0得P1h=Nb N=h P1/b=h P1/b因为h=a/( cosa) 所以N=a/2b*(1/ cosa) 2 *P （2-2）由（2-2）式可知，在驱动力P一定的情况下，a增大，则夹紧力N也随之增大，但a过大导致拉杆（有时即为活塞杆）的行程过大，以及钳爪滑槽部

12、分尺寸长度增大使手部结构加大，所以一般取a=3040为宜。2.3.2夹钳式手爪设计（手指夹紧力与驱动力计算） 由资料可知手指对工件的夹紧力可按下式计算：NK1*K2*K3*G (2-3)其中：K1安全系数，常取1.2-2； K2工作情况系数，主要考虑惯性力影响，可按K2=1.1-2.5或K2=1+a/g估算（a为机械手在搬运工件过程中的加速度m/s2,g为重力加速度） K3方位系数，根据手指与工件的形状及手指与工件位置不同进行选定，设计中选取K3=4； G被抓取工件的重力。G=3*9.8=29.4N假设K1=1.5 K2=1.5 K3=4夹紧力N：N1.51.5429.4=264.6N而由前面

13、所得N=a/2b*(1/ cosa) 2 *P则驱动力P：P(2b*N)/a*(1/ cosa) 2 (2-4)2.3.2.2手指结构尺寸的确定由图2-1所示，手部结构相关手指尺寸设定如下：a=30 a=40 b=60驱动力P计算=2b*a(cos30)2*264.6=595.35考虑手爪的机械效率 （2-5）式中手部机构的机械效率（0.850.9）取=0.85P实际=700.412N所夹工件形状及尺寸如下：（mm）,工件质量3，密度7.85g/cm3的碳钢 设h=10cm 则r=3.5图2-2工件形状2.3.2手指夹紧油缸的设计计算手指的夹紧采用双作用单杆活塞油缸，共计算简图如下：2.3.2

14、.1计算作用在活塞上的总机械载荷P=PI+P封1+P封2+P背+P惯 （2-6）PI为工作阻力，即手部传力机构的驱动力，用以保持机械手的手指夹紧工件有足够的握力，由前面计算可知：PI=700.412NP封1，P封2为活塞与缸壁处，活塞杆与缸盖处的摩擦力，密封圈用O型密封圈，当油缸工作压力不大于100公斤/厘米2时，活塞杆直径取为油缸内径的一半，活塞和活塞杆处都采用O型密封圈密封时，油缸密封处总摩擦力为：P封1+P封2=0.03P （2-7）式中：P作用在活塞杆上的推力（即驱动力，P=*D*D*P1/4 P1为进油压力，D为油缸内径） P背为背压阻力，油缸回油腔低压油所造成的阻力一般较小，当回油

15、腔直接与邮箱相连时，P背=0P惯动负载，由上可得P=PI+P封1+P封2+P背+P惯=722.074N2.3.2.2确定油缸尺寸a油缸内径（即活塞的直径）计算：油缸工作时，进油腔压为油液作用于活塞上的合成液压力即驱动力应与活塞杆上所受总机械载荷平衡，所以油缸（即活塞）有效面积为：F=P/P1 F=*D*D /4 邮箱内径（即活塞直径）为 (2-8)式中P1油缸工作压力，取P1=10kg/cm2,则=30.673 取油缸的内径（即活塞直径）D=32mm,由当前知当油缸工作压力小于100kg/cm2,活塞杆直径可以直接取油缸的一半，活塞杆直径d=16mm。b油缸壁厚计算：在D确定后，由强度计算所需

16、最小的油缸壁厚，再根据具体的结构来确定适当数值：由材料力学的薄壁筒公式，油缸壁厚可用下式来计算：=P记*D/2=mmc油缸端盖螺钉计算 螺钉除应与应具有的强度之外，还要保证连接的紧密性，同时在缸盖所受的合成液压力的作用下连接已迪昂要有足够的剩余锁紧力，以免形成间隙而漏油，每个螺钉在危险剖面（螺纹根部横截面）上承受的拉力Q0是工作载荷，Q与剩余锁紧力QS之和，即Q0=Q+ QS （2-9）Q=(*D*D /4)/Z*P1P 为缸盖所受的合成液压力（公斤），Z为螺钉数目：Z=*D0/t1, D0为螺钉中心所在圆的直径（毫米），t1为螺钉间距，当工作压力在515公斤/厘米2时，tQmin/Vmin,

17、验算能满足活塞最小稳定速度。3.2.2液压缸壁厚计算a 中等壁厚：即163.2时 (3-11)式中 P液压缸内工作压力强度系数（当为无缝钢管时）计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值液压缸内径（m）b 薄壁：即16时 (3-12)c 厚壁：即当3.2时 (3-13)式中 材料抗拉强度n安全系数， n=3.55一般常用缸体材料的许用应力锻纲=110120MPa铸铁=60MPa无缝钢管=100110MPa通过以上分析选厚壁，缸体材料无缝钢管=100110Mpa因此根据式(3-13)可计算出壁厚为m3.3缸盖螺钉的计算缸盖的受力为保证联接的紧密性,必须规定螺钉的间距t，然后决定螺钉的数目

18、.每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷和预紧力之和=+式中 F 驱动力（N） Z螺钉数目 P工作压力（pa） 预紧力 =K K=1.51.8 D危险剖面直径(m)螺钉的强度条件为 (3-13)式中 计算载荷（N）;=1.3抗拉许用应力(MPa) n=1.22.5螺纹内径 螺钉材料屈服极限（见表3-1）查表2-1 根据以上分析取 k=1.5 n=1.5螺钉数目Z=8 选择刚的材料为Q235 =240 MPa所以 = MPa=2512 N=K=1.52512=3768 N FQi=1.3FQ=1.3(FQ+)所以根据式（3-13） m 第四章 手臂回转液压缸的设计4.1 手臂回转时所需要的驱动

19、力矩采用回转液压缸实现手臂回转运动时，其受力情况可简化成图4-1图4-1 手臂运动时的受力简图驱动手臂回转的力矩，应该与手臂起动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦力矩相平衡。 （4-1）式中 密封装置处的摩擦力矩（NM） （4-2） （4-3）式中 回转缸动片的角速度变化量（），在起动过程中= 起动过程的时间 手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量 若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则 （4-4）式中 回转零件对重心轴线的转动惯量 回转缸回油腔的背压反力矩 （4-5） 初定b=5 cm R=4 cm r=2cm =0.5 cm =0.2所以 =3mm=30N.m=2N.m=13.

20、5 N.m=2+13.5=15.5 N.m工件转动惯量：根据圆柱体的转动惯量计算公式： (4-6)平行轴定理： (4-7)已知：m=3kg R=0.04m d=0.36m代入上式（4-6）和式（4-7）可得： =0.0024 Nm=0.0024+30.1296=0.3912 Nm夹紧缸的转动惯量：根据空心圆柱转动惯量计算公式： (4-8)已知：m=10kg R=0.04m r=0.02m d=0.41m代入式(4-8)和（4-7）可得： =0.01 Nm =0.01+1.681 =1.691 Nm由以上分析可得手臂包括工件对回转轴线的转动惯量 =0.3912+1.691 =2.0822 Nm根

21、据式(4-3)取=0.1 =0.5 可得=0.41644 N.m又根据式（4-1） =0.41644+15.5+30 =45.91646 Nm4.2回转缸内径D的计算如图4-2所示回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力，即驱动力矩。图4-2 回转液压缸计算图 （4-9）根据 （4-10）式中 D 回转缸内径（m） 作用在动片的外载荷力矩(Nm) P 回转缸工作压力（pa） d 输出轴与共片联接处的直径（m） 初步设计时按=1.52.5选取 b 动片宽度（m） 为减少动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择选片宽度（及液压缸宽度）时，可选用 D 回转液压缸内径（m）

22、根据以上分析以及式（4-10）可得 = =0.1565m 根据表3-1 选取 内径 D=160mm 因为采用平键链接，所以根据机械零件设计手册选得键为I型平键 GB109672 其尺寸如下：b=24mm,h=14,L=60250mm,其形状如图4-2所示。4.3缸盖联接螺钉和动片联接螺钉计算4.3.1缸盖联接螺钉计算 缸盖与回转液压缸的缸体用螺钉联接时，其螺钉的强度计算方法与伸缩液压缸缸盖螺钉强度计算方法相同。根据3.3节讲述的方法可算出缸盖连接螺钉 mm4.3.2动片与输出轴联接螺钉计算动片与输出轴用螺钉联接，其结构简图如图4-3。联接螺钉一般为偶数，对称地安装，并用两个销钉定位。联接螺钉的

23、作用是：使动片与输出轴的配合面紧密接触不留间隙，当油腔通高压油时，动片受油压作用，产生一个合成液压力矩，克服输出轴上所受的外载荷力矩。图4-3 动片与输出轴连接方式及动片受力图根据动片所受力矩的平衡条件，有：于是得 （4-11）式中 每个螺钉的预紧力动片的宽度回转液压缸的工作压力动片外径动片与输出轴配合处直径螺钉数目被联接件配合面间的摩擦系数，刚对刚取=0.15 螺钉的强度条件为 （4-12）式中 d螺钉的底径 计算载荷，=1.3 螺钉材料的许用应力，见表3-1选取材料235 =240 MPa设计中取螺钉数目Z=4，工作压力P=1.0Mpa，结合以上章节所计算出的结果，根据式 （4-11）和（

24、4-12）可得螺钉的底径mm4.4轴的校核4.4.1许用弯曲应力的计算：由弯矩产生的弯曲应力应有以下关系式：，由材料力学可得到： （4-13）式中 回转缸扭转时的当量弯矩（）； 花键轴截面抗扭系数，查机械设计得 （渐开线花键轴）；又 （4-14）式中 根据该换转缸性质而定的应力校正系数， 取； 回转时产生的扭矩；则有 N.mm N.mm因此 = N.mm W= /32*d3=3.14/32*0.0163=0.410-6（m2） =1.67/(0.410-6)=4.175Mpa60MPa故设计满足要求！4.4.2花键剪应力的计算又由于花键轴在径向受到抗扭矩的作用且作用在花键最小截面上产生最大剪应

25、力，即 （4-15）式中作用在花键最小截面上产生的最大剪应力螺钉数目；螺钉宽度；则有： 所以故设计合理！第五章 液压驱动系统5.1机械手驱动系统的选择5.1.1各类驱动系统的特点工业机械手的驱动系统,按动力源分为液压,气动和电动三大类.根据需要也可由这三种基本类型组成复合式的驱动系统。a液压驱动系统 由于液压技术是一种比较成熟的技术,它具有动力大,力(或力矩)惯量比大,快速响应高,易于实现直接驱动等特点,适用于承载能力大,惯性大以及在防爆环境中工作的机械手。b气动驱动系统 具有速度快,系统结构简单,维修方便,价格低等特点,适用于中,小负载的系统中，但难于实现伺服控制,多用于程序控制的机械手中。

26、如在上,下料和冲压机械手中应用较多。c电动驱动系统 由于低惯量,大转矩的交,直流伺服电机及配套的伺服驱动器(交流变频器,支流脉冲调制器)的广泛采用,这类驱动系统在机械手中被大量选用。5.1.2工业机械手驱动系统的选择原则设计机械手时,选择哪一类驱动系统,要根据机械手的用途,作业要求,机械手的性能,规范,控制功能,维护的复杂程度,运行的功耗,性能与价格比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上,综合上述各因数,充分论证其合理性,可行性,经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下机械手驱动系统的选择大致按如下原则:a 物料搬运(包括上，下料）用有限点位控制的程序控制机械手，

27、重负载的可选用液压驱动系统，中等负载的可选用电动驱动系统，中等负载的选用电动驱动系统，轻负载的可选用气动驱动系统。冲压机械手用气动系统。b 用于点焊和弧焊及喷涂作业的机械手，要求具有任意电位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动驱动系统才能满足要求。5.2 液压驱动系统液压系统自60年代初到现在，已在机械手中获得广泛应用目前，虽在中等负载以下的机械手中有采用电机驱动系统，但在简易经济型，重型的工业机械手和喷涂作业的机械手中采用液压系统的任然占有较大比例。液压系统在机械手中所起的作用是通过电液转换元件把控制信号进行功率放大，对液压动力机构进行方向，位置和速度的控制，进而控制机械的手臂按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动液压缸用于实现手臂的伸缩升降以及手腕，手臂的回转。5.2.1程序控