机电一体化系统设计课程综合训练项目报告2剖析.doc

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1、机电一体化系统设计课程综合训练项目报告综合训练项目 机械手设计研究 一、综合训练项目任务书综合训练项目 机械手设计研究目的和要求：锻炼学生实际设计计算能力及对机械系统结构的掌握。要求设计具有一定功能的机械手，完成其机械结构设计，包括支撑机构、工作机构、传动机构、执行机构的设计计算，并完成传动机构及各组成结构的动力学特性分析及优化。成果形式：设计计算说明书（不少于5000字）及图纸（装配图、零件图）。相关参数：参看工业机械手设计手册（4-6自由度机械手设计）。详细设计要求：（1）试设计一机械手，具有一定的功能及应用价值；（2）完成机械手的结构设计，对关键尺寸等要有一定的计算公式及说明；（3）对机

2、械手的控制要求及功能进行一定的陈述。二、指导教师评阅意见 指导教师签字：三、综合训练项目设计内容搬运机械手设计研究一、机械手总体设计方案 1.1工业机械手的各部分组成及其关系简述普通机械手可以分为五个子系统即：人机交互系统、控制系统、驱动系统、机械机构系统、感受系统。一般的机械手由三大部分组成，即：控制部分、机械部分、传感部分。工业机械手的机械结构系统主要包括末端执行机构、机身（立柱）、手腕、手臂等结构。工业机械手的驱动。机械手的驱动装置是将外部获得的动力转化为机械手所需动力的装置。交流电机驱动、液压驱动、步进电机驱动、直流电机驱动、气压驱动等都是工业机械手常见的驱动的形式。另外，随着对工业机

3、械手的进一步发展，一些新的驱动形式也加入了进来，比如说超声波驱动等等。工业机械手的控制系统。工业机械手有很多的控制方式，根据具体的要求，我们可以进行不同的选择。当下比较流行的工业机械手的控制方式有连续轨迹控制方式、智能控制方式、力控制方式、点位控制方式等等。需要我们根据不同的需求具体选择。 1.2 工业机械手设计的具体分析 1.2.1 本次任务设计要求生产线上的工作往往是重复的，并且比较繁重，生产效率低下，重复工作量大，工作环境得不到质的提高。为了提高现代化水平，提高工厂的生产效率，提高工人的工作环境。需要根据生产工艺设计一台能完成重复性操作的机械手，代替工人的手工劳作。提高生产率，给公司带来

4、更好的效益。根据具体下发的任务书，本次设计的机械手需要完成如下动作：机械手臂前伸机械手指抓紧物料手臂部分上升手臂部分缩回整个机身回转一百八十度手腕的部分转动九十度手臂部分下降手臂部分前伸机械手指放下物料手臂回缩整个机身回转一百八十度手腕部分复位等待下次循环。这个过程是不断的往复循环的。 1.2.2搬运机械手总体设计任务分析 (1)工业机械手的运动形式有：关节型、圆柱坐标型、球坐标型、平面关节型、直角坐标型等。关节型机械手的手臂是与人类的手臂雷同的，是一种仿生机构。它拥有三个回转自由度。关节型机械手一般有大臂和小臂，大臂和立柱之间构成类似人类肘关节的部分，机械手得大臂可以做俯仰运动和回转运动，机

5、械手的小臂可以做上下摆动。关节型机械手的优点是，通用性强，工作范围大，动作灵活等。圆柱坐标型机械手一般具有三个自由度，它的优点时，所占面积较小，工作范围较大，且制作工艺较为简单。球坐标型机械手它可以做俯仰、伸缩和回转运动他可以完成的工作空间是一个球体，它的特点是机构紧凑，占地面积小，能够完成比较复杂的动作，但是它的结构复杂成本较高。平面关节型机械手，它一般拥有一个移动的关节和两个回转的关节，移动关节完成上下的运动，回转的关节完成左右和前后的运动。这种机械手动作灵活，结构也较为简单，可以完成较为复杂的运动。在生产线的装配作业中应用较为广泛。直角坐标型机械手它的工作空间一般在一个长方体内，它的特点

6、是结构简单易于操作，精度高，但是它占地面积较大。根据以上的分析及对任务的判断，在本次设计中决定设计一款圆柱坐标型机械手。(2) 确定机械手的自由度：所谓机械手的自由度是指机械手所具有的独立坐标轴运动的个数。从运动形式上可以将其分为旋转运动R和直线运动P。机械手自由度个数的多少在一定程度上反映了它所能完成的动作的复杂程度。根据对所下发任务的具体分析发现设计四个自由度的机械手就能完成所下达的任务要求。本次所设计的机械手为RPPR型，即从手腕到基座的各关节的运动方式为旋转运动-直线运动-直线运动-旋转运动。(3) 机械手的驱动方式是一般有：电机驱动、机械联动、液压驱动、气压驱动等，最常用的是液压驱动

7、和气压驱动。电机驱动：伺服电动机或是步进电动机可以应用于运动轨迹要求高及动作复杂的小型机械手。直流电动机和异步电动机经常应用于抓力比较大的械手。电机驱动的优点是电源方便，驱动力大，便于检测，技术非常成熟，便于维修和维护等。缺点是，控制较为困难，定位难以十分精确。机械联动：动作十分的可靠，但结构很复杂设计较为困难，适用于自由度较小的机械手。液压驱动：防爆性好、结构紧凑、耐冲击、动作平稳、耐振动。而且液压技术易于实现比较成熟、响应速度快、力惯量比大、直接驱动、动力大。气压驱动：系统结构简单、速度快、维修方便、造价较低，适用于中小负载的系统中。但气压不可太高抓取力较低、对速度很难进行精确控制，并且伺

8、服控制难于应用于气压驱动。通过比较分析，在条件基本相同的条件下，液压驱动拥有很多优势，比如质量轻、结构紧凑、能实现无级变速、调速范围大、运动惯性力较小、并且在载荷超载较大时能够自动防止过载实现对设配的保护。液压驱动可以很好地与电气控制融合在一起，实现PLC控制。并且相比较而言，液压驱动的成本控制也是比较合理的。所以在本次设计中，选择了液压驱动的控制方式。(4) 选择机械手的控制方式:机械手常用的控制方式有力矩控制、连续轨迹控制、智能控制和点位控制四种。力矩控制：要求在适度力矩和力的条件下较为精确的完成抓取等机械手运动。连续轨迹控制：由于连续轨迹控制对于机械手的运动过程要求很高，所以要求机械手的

9、整个运动过程都要可控。此类机械手要求较高，一般应用于工业上喷漆，弧焊等领域。智能控制：智能控制机械手在今年来得到了长足的发展，智能控制机械手能完成更复杂的任务，适应工作环境的能力更强。但是此类机械手控制设计非常复杂，成本很高。点位控制：点位控制机械手要求机械手在某些点位的姿态是确定的，它要求机械手运动一定要迅速，在特定点位上定位精确。此类机械手技术较为成熟，应用也较为广泛。此类机械手控制较为简单，设计成本控制也较为合理。此类机械手在工业领域的流水线搬运等领域应用相当广泛。根据具体的任务要求分析，在本次设计中决定采用点位控制机械手。根据分析，决定应用PLC控制此次所涉及的机械手的运动。综合以上分

10、析过程及其本次任务说明书，本次设计决定应用电液伺服点位控制。 1.2.3 总体方案拟定本次机械手的设计自由度取四个，就能较好地完成任务。对于此次机械手的自由度作如下设计:(1)手腕回转自由度：手腕部的回转自由度应用摆动液压缸来实现。(2)手臂伸缩自由度：手臂伸缩自由度由普通液压缸来实现。(3)手臂俯仰自由度：手臂的俯仰自由度由普通液压缸和一个支点来完成。(4)手臂回转自由度：手臂的回转自由度由摆动液压缸实现。二、机械手结构的设计分析2.1机械手的末端操作器（即抓取部分）的设计抓取部分简述 机械手的抓取部分是直接与要抓取的部件接触的部分，所以它与要抓取的部件息息相关。需要根据具体情况决定抓取部分

11、即抓取爪子的设计形状及其选材。 现在而言应用较为广泛的形式有夹钳式、吸附式、仿生手指式等。其中夹钳式是最常用的；吸附式主要利用气吸磁吸方式吸取大平面或是微小的物品；仿生手指式制造难度大，成本很高，目前应用领域尚且不大。在本次设计中将采用夹钳式。2.2 腕部设计分析机械手的腕部是连接机械手手臂和末端操作器（即抓取部分）的部分。根据任务书所设定的设计要求，我们由于需要腕部能实现相对独立的转动，即实现在抓取部件条件下的翻转动作，所以选取适当的摆动液压缸就能实现设计要求。2.3 手臂部分的的设计机械手的手臂部分能实现在抓取部件条件下的俯仰动作，及其伸缩动作。伸缩动作多采取直线液压缸来完成，而俯仰动作则

12、由另一个直线液压缸和一个相对手臂部分固定的支点来实现。2.4 机械手的机身和机座的设计机械手的机座分为移动式和固定式，在我们这次的设计中能根据任务书采用固定式较为适合。机械手的机身，在本次设计中就是立柱的部分。在此次设计中立柱要求与摆动液压缸的转轴连接，它起到了支撑的作用。在此次设计中机身与机座用螺栓连接起来。机座用地脚螺栓直接固定于地面上。三、对机械手各部件载荷的计算3.1 设计要求分析本课题设计的搬运机械手采用关节型坐标系、全液压驱动，具有手臂俯仰、回转、伸缩、手腕回转四个自由度，以及手指的抓取动作。机械手的整个运动过程。机械手臂前伸机械手指抓住紧物料手臂部分上升手臂部分缩回整个机身回转一

13、百八十度手腕的部分转动九十度手臂部分下降手臂部分前伸机械手指放下物料手臂回缩整个机身回转一百八十度手腕部分复位等待下次循环。这个过程是不断的往复循环的。3.2 手指的夹紧机构在本次设计中，根据任务说明书，决定设计一种V型结构。合拢时机械手指将成一种六边形。要保证机械手一定要比较光滑，这样才能保证对零件无伤害。手指夹紧机构载荷的计算计算机械手指对工件夹紧力 （3-1）安全系数，通常取1.22；工作情况系数，= （3-2）重力加速度；运载工件时重力方向的最大上升加速度， （3-3）工件在重力方向上最大的上升速度之值，设为0.1。速度升值最大值所需的时间，一般取0.30.5，再此处取值为0.5s方位

14、系数，由工件和手指的形状及其工作时的相互状态决定。取值一般为0.91.1。在此处取值1.0.工件重力（）。1603.3 机械手伸缩机构载荷计算本次设计中运用双作用液压缸实现手臂的伸缩，机械手臂在做水平伸缩时需要克服的力包括支撑滑套与导向杆之间的摩擦力，及其活塞和油缸之间的摩擦阻力，还要包括运动过程中的惯性力。 （3-4）总摩擦阻力（N）， （3-5）G手臂伸缩缸运动部件总重力（）外部载荷对导轨的正压力（） （3-6）摩擦系数，此处取值0.1；惯性力（） （3-7） 重力加速度，此处取值9.8；速度变化量（）。启动或制动时间（），取值范围一般为。=3.4机械手臂的俯仰机构的运动载荷手臂做俯仰运动

15、时在刚开始与要停止时俯仰直线液压缸的载荷力达到最大值。俯仰直线液压缸最大速度为0.1，加速时间为0.1，升降过程不会是严格的等加速度运动，故取一个系数值为1.3。 （3-8）俯仰缸在竖直方向上所支撑质量（），3.5 机械手腕部所售载荷的计算由上文的论述已经知道腕部采用的是摆动液压缸。腕部的驱动力矩要克服腕部运动时的摩擦力矩和运动时所产生的惯性力矩。由于不是等加速运动取系数值1.3。 （3-9）惯性力矩（）摩擦力矩（）； （3-10）臂部对回转轴线转动惯量（）；转速变化量（）；臂部起动或制动所需的时间（）， 取值范围一般为0.1-0.5S= 3.6 机身摆动机构力矩计算分析机械手机身部分的驱动力

16、矩需要克服运动时的摩擦力矩和运动时所产生的惯性力矩。由于不是等加速运动取系数值1.3。惯性力矩（）摩擦力矩（）；:角度变化量（）；臂部对其回转轴线的转动惯量（）；起动或制动所需的时间（s）, 一般为0.10.5s。=3.7 系统工作压力的选定系统工作压力的选定是一个综合考虑的结果，如压力选定太低，则完不成所需要完成的任务。反之压力太大，则会造成设备要求高，进而增加成本。所以要适当选取。表4-1 按载荷选择工作压力载荷/KN50工作压力/MPa0.811.522.5334455表4-2 各种机械常用的系统工作压力机械类型 机 床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机起重机械起重

17、运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa0.82352881010182032经过计算与选定最终选择的工作压力为8Mpa四、机械手各部件结构尺寸计算校核在本次设计中，液压缸的选取具有重要意义。由于液压缸是标准件，需要根据我们的计算进行选取。液压缸的选择过程中，可以根据总的负载载荷和工作压力来选取液压缸的内径D和活塞杆的直径d进而确定液压缸的型号。4.1机械手手指夹紧机构结构尺寸的确定手指夹紧采用的是单作用线性活塞缸(1)液压缸内径D及活塞杆直径d的确定活塞杆受压时 （4-1）活塞杆受拉时 （4-2）无杆活塞面的有效作用面积（）； 有杆活塞杆有效作用面积（）；液压缸工作腔压力8MPa；背

18、压力，此处选取背压0。活塞杆直径（）。油缸内径（）；系统类型背压力/MPa简单系统或节流调速系统0.20.5回油路带调速阀系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短，且直接回油箱可忽略不计对于单活塞杆缸，无杆腔进液体或气体时，在考虑机械效率的情况下，D= （4-3）有杆腔进液体或气体时，在不考虑机械效率情况下= （4-4）当P2=0时，可对原式子进行简化= （4-5）有杆腔进油时：= （4-6）取机械效率0.8或0.9。活塞杆的杆径可根据工作压力选取，见表工作压力/MPa5.05.07.07 /0.50.550.6

19、20.700.7 当液压缸的往复速度比有一定要求时，杆径可由下式计算。 = （4-7）液压缸的速比过大会使无杆腔产生过大的背压，速度比过小则活塞杆太细，稳定性不好。推荐液压缸的速度比如表所示。往复速比1.15 1.251.331.461.612/0.30.40.50.550.620.71经计算分析我们所要求的夹紧液压缸所需要的活塞杆的直径是58mm，所需要的缸的内径是96mm。根据标准来选取，由GB/T2348-1993.活塞杆直径为70mm，取液压缸内径100mm。液压缸缸筒长度一般不能大于液压缸内径的的2030倍，根据本次的设计要求设计中需要的液压缸长度L为160mm即可。液压缸的缸筒壁的

20、厚度是液压缸十分重要的一个参数，要对其进行承受压力计算。当活塞杆受到压力时还要进行压杆稳定性验算。 （4-8） 缸筒材料许用应力缸筒的最高工作压力；= （4-9）安全系数，当10时一般取=5；当10时，称为厚壁筒。缸筒材料抗拉强度通过查机械手册可以得值为610Mpa。在本次设计中，经过计算及我们的要求可以选用的夹紧液压缸壁厚取为20。4.2 确定机械手臂伸缩机构尺寸此次设计中应用双作用活塞缸作为机械手的伸缩机构。通过我们的计算可以得到伸缩液压缸活塞杆直径101.5，内径145。按照GB/T2348-1993标准，取活塞杆直径100，160。同上，根据相同的选择原则原则，联系我们所需的实际得到手

21、臂伸缩液压缸缸筒长度取2000，壁厚取36。4.3 手臂俯仰机构结构的尺寸根据设计要求，手臂俯仰机构决定采用双作用活塞缸，根据具体的数据和我们的计算可以得到要想满足我们的设计要求需要活塞杆直径70.7mm，液压缸的内径为101mm。按照GB/T2348-1993标准，活塞杆直径取值为70mm，液压缸内径取值为100mm。同上可得，手臂俯仰液压缸缸筒长度630，壁厚28。4.4 腕部摆动机构确定在此次设计中机械手腕部的摆动是通过摆动液压缸实现的。根据以前得到的数据分析确定摆动液压缸的型号。摆动液压缸排量 （4-10） 液压马达的进出口压差（）,已知为8MPaT液压马达载荷转矩（）；/r根据分析得

22、到需要YMD30叶片摆动液压缸。4.5 强度校核当活塞杆只受轴向拉力和推力时，可以近似地用直杆承受拉压负载的简单强度计算公式进行计算： （4-11） 活塞杆直径（m）； 活塞杆作用力（N）； 活塞杆材料许用应力，查机械设计手册得为600MPa。各液压缸活塞杆强度校核: 故，故液压杆是满足所需要的强度要求。4.6 活塞杆的弯曲稳定性校核当活塞杆受轴向压力时，可能会不稳定，发生弯曲。设出现这种情况的的临界值为F，根据经验，当活塞杆的长度大于直径的十倍时才需要进行活塞缸纵向稳定性计算。故根据以前所得数据，只需要对手臂伸缩液压缸的活塞杆进行纵向稳定性计算。 （4-12）安全系数，一般为3.56；液压缸

23、安装及导向系数，见机械设计手册20-6-17。液压缸承受的轴向压力（）；活塞杆弯曲失稳的临界压力（）， L液压缸支承长度（）；活塞杆横截面惯性矩（），可由下式计算： 实际弹性模数，可由下式计算： 材料的弹性模数（），钢材；材料组织缺陷系数，钢材一般取a；活塞杆截面不均匀系数，一般取b；活塞杆直径（）。计算：4.9 是满足设计要求的。4.7 计算确定机身摆动机构根据设计要求机身的摆动采用叶片式摆动液压缸，根据以前数据得到，摆动液压缸排量/r选取YMD300型叶片摆动液压缸。四、相关图表等附件（用电脑绘制）附：1、机械手装配图。手指夹紧机构图2、机械手零件图。机械手伸缩机构即机械手的小臂图机械手的俯仰机构液压缸图液压原理