工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、目錄摘要1第一章機(jī)械手設(shè)計(jì)任務(wù)書 11.1 設(shè)計(jì)目的11.2 本課題的內(nèi)容和要求 2第二章抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 32.1 手部設(shè)計(jì)計(jì)算 32.2 腕部設(shè)計(jì)計(jì)算 52.3 臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7第三章液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)及草圖 123.1 手部抓取缸 123.2 腕部擺動液壓回路 133.3 小臂伸縮缸液壓回路 133.4 總體系統(tǒng)圖 14第四章 機(jī)身機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 錯誤！未定義書簽,4.1 電機(jī)的選擇 錯誤！未定義書簽。4.2 減速器的選擇 錯誤！未定義書簽。4.3 螺柱的設(shè)計(jì)與校核 錯誤！未定義書簽。第五章 機(jī)械手的定位與平穩(wěn)性 錯誤！未定義書簽,5.1 常用的定位方式 錯誤！未定義書簽。5.2 影響平穩(wěn)性

2、和定位精度的因素 錯誤！未定義書簽。5.3 機(jī)械手運(yùn)動的緩沖裝置 錯誤！未定義書簽。第六章 機(jī)械手的控制 16第七章機(jī)械手的組成與分類 187.1 機(jī)械手組成 187.2 機(jī)械手分類 錯誤！未定義書簽。參考資料25送料機(jī)械手設(shè)計(jì)摘要本課題設(shè)計(jì)的為通用圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手。工業(yè)機(jī)械 手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn) 物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動化技術(shù)設(shè)備，對實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起 著重要作用。因而具有強(qiáng)大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實(shí)踐證明，工 業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強(qiáng)度，改善勞動條件， 提高勞動生產(chǎn)率

3、和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長期頻 繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)械手是有效的。止匕外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、 放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā) 展前途。本課題通過應(yīng)用 AutoCAD 、UG等技術(shù)對機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和液壓傳動 原理設(shè)計(jì)，它能實(shí)行自動上料運(yùn)動，自動搬運(yùn)棒料。機(jī)械手的運(yùn)動速度是按著滿 足生產(chǎn)率的要求來設(shè)定。關(guān)鍵字機(jī)械手，AutoCAD , UG第一章機(jī)械手設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1 課程設(shè)計(jì)目的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是大學(xué)生在完成機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 等專業(yè)課學(xué)習(xí)之后進(jìn)行的綜合性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，總的目的是在老師的指導(dǎo)下，使 學(xué)生

4、通過課程設(shè)計(jì)，對所學(xué)的理論知識進(jìn)行一次系統(tǒng)的回顧檢查復(fù)習(xí)和提高，并 運(yùn)用所學(xué)的理論知識，通過調(diào)研，設(shè)計(jì)一個機(jī)電控制方面的課題，收到從理論到 實(shí)踐應(yīng)用的綜合訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立運(yùn)用所學(xué)理論解決具體問題的能力，具體有以下幾點(diǎn)：1、 通過檢索查閱運(yùn)用有關(guān)手冊、標(biāo)準(zhǔn)及參考資料，培養(yǎng)起學(xué)生檢索查閱資 料、實(shí)用資料的方法和能力。2、 通過檢索查閱課程理論知識，運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)課，專業(yè)技術(shù)課和專業(yè)課知識，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)實(shí)際問題正確設(shè)計(jì)總體方案，分析具體問題，進(jìn)行 工程設(shè)計(jì)能力。1.2 本課題的內(nèi)容和要求設(shè)計(jì)通用圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手及控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中的機(jī)械手各動作由液壓缸驅(qū)動，并有電磁閥控制，技術(shù)指標(biāo)如下：a、 抓重：

5、200N-300Nb、 自由度（四個自由度）c、 動作符號伸縮X升降Z回轉(zhuǎn)小d、 手腕運(yùn)動參數(shù)回轉(zhuǎn) 小行程范圍e、 手指夾持范圍：棒料，直徑f、 定位精度：± 3mmg、 控制方式：PLC（1、）原始數(shù)據(jù):行程范圍400mm300mm0 120o0 180o速度小于 250mm/s小于70mm/s小于90o/s速度 小于90o/s50 70mm ,長度 450 1200mm1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及安排a、熟悉任務(wù)，查閱資料b、畫出機(jī)械手裝配圖c、畫出液壓控制原理圖d、根據(jù)控制要求，選擇PLC型號及輸入輸出元件e、畫出PLC控制的輸出輸入接線圖f、完成梯形圖和語句表的程序設(shè)計(jì)g、整理設(shè)計(jì)說明

6、書，答辯（3、）要求a、上述工作要求扎扎實(shí)實(shí)完成，絕不能打過場b、培養(yǎng)獨(dú)立思考的，獨(dú)立動手，獨(dú)立查閱資料，嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、一絲不茍的精神c、培養(yǎng)獨(dú)立分析問題、解決問題的能力 d、有關(guān)問題按照課程設(shè)計(jì)大綱要求進(jìn)行第二章抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1手部設(shè)計(jì)計(jì)算、對手部設(shè)計(jì)的要求1、有適當(dāng)?shù)幕鹁o力手部在工作時，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞棒料的已加工表面。對于剛性很差的棒料夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對于本應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。2、有足夠的開閉范圍本機(jī)械手手部的手指有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端

7、長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好，如圖2.1所示圖2.1機(jī)械手開閉示例簡圖3、力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小手部處于腕部的最前端，工作時運(yùn)動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影 響整個機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動速度等性能。因此，在設(shè)計(jì)手部時， 必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。4、手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度5、其它要求對于夾緊機(jī)械手，根據(jù)工件的形狀為圓形棒料，因此最常采用的是外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較 為簡單，制造方便。二、拉緊裝置原理如圖2.2所

8、示：油缸右腔停止進(jìn)油時，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進(jìn)油時松開 工件。不同用途的液壓機(jī)械，工作條件不同，工作壓力范圍也不同。液壓機(jī)床一般取2 8MPa,止匕處取 4MPa,貝U1、有機(jī)械手抓重為200 300N,有常識知道重物與機(jī)械手抓摩擦系數(shù)暫時定為f=0.15 ,表面粗糙度 Ra都要求為1.6,則Fmax=G/f=300/0.15=2000N由于液壓缸摩擦、慣性等存在因素的影響，F(xiàn)max>=2000N,即手爪的夾緊力F1 -2000N2.根據(jù)鉗爪夾持的方位，查出當(dāng)量夾緊力計(jì)算公式為：F尸（2b/a）父（cos a ' ） 2 N'（2.2 ）其中N ' =2000

9、N,帶入公式 2.2得：F產(chǎn)（2b/a） m （cos a ' ） 2 N'=（2 父 150/50）父（cos30o） 2 父2000=10392N則實(shí)際加緊力為 F i實(shí)際=PK1K2/4(2.3 )=10392 1.5 1.1/0.85=20172N經(jīng)圓整Fi實(shí)際=21000N2、計(jì)算手部活塞桿行程長L,設(shè)直徑取80mm即L= ( D/2 ) tg 巾(2.4 )=40X tg30 o=36.96mm經(jīng)圓整取l=50mm3、確定" V'型鉗爪的 L、B。取 L/Rcp=3( 2.5 )式中： Rcp=P/4=200/4=50(2.6 )由公式(2.5)

10、(2.6)得：L=3XRcp=150 取“V”型鉗口白夾角2 a =120o,則偏轉(zhuǎn)角B按最佳偏轉(zhuǎn)角來確定，查表得：B =22 o394、機(jī)械運(yùn)動范圍(速度)(1)伸縮運(yùn)動 Vmax=250mm/s(2)升降運(yùn)動 V max=70mm/s(3)手臂回轉(zhuǎn) Wmax=90o/s(4)手爪回轉(zhuǎn) Wmax=90o/s所以取手部驅(qū)動活塞速度V=50mm/s5、手部右腔流量(2.7)(2.8 )Q=sv=50 兀 r2=50X3.14 X 402=251.2ml/s6、手部工作壓強(qiáng)P= F 1/S=21000/5024=4.18Mpa2.2 腕部回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運(yùn)動主要用來改變

11、被夾物體的方位，它動作靈活，轉(zhuǎn)動慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。要求：回轉(zhuǎn) 0180。，即± 90o角速度W小于90o/s以最大負(fù)荷計(jì)算：當(dāng)工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重 300N=30Kg,長度 l=1200mm。如圖 2.3 所示。1、計(jì)算扭矩 M1設(shè)重力集中于離手指中心350mm處，即扭矩 M1為：M1=FX S(2.9)=300 X 0.35=105 (N - M)F棒料，直徑 70mm ,長度 1200mmS圖2.3腕部受力簡圖2、油缸(伸縮)及其配件的估算扭矩M2F=8kg S=10cm帶入

12、公式2.9得M2=FX S=8X 10X0.1 =8( N M3、擺動缸的摩擦力矩M摩F摩二400 (N)(估算值)S=20mm(估算值)M 摩二 F 摩 x S=8 (N - M)4、擺動缸的總摩擦力矩M(2.10 )M=M1+M2+陣=121( N - M)5.由公式T=PXb ( A12- mr2) 乂 106/8(2.11 )其中：b 一葉片密度，這里取 b=3cm；A1一擺動缸內(nèi)徑,這里取 A1=12cm；mm-轉(zhuǎn)軸直徑，這里取 mm=5cm所以代入(2.11 )公式P=8T/b ( A12- mn2) 乂 106=8X121/0.03 X ( 0.12 2-0.05 2) 乂 10

13、6=2.71Mpa由W=8Q/( A12- mn2) b所以Q=W( A12- mn2) b/8=(兀 /4 ) (0.12 2-0.05 2) X 0.03/8=0.35X 10-4 m3/s=35ml/s2.3 臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在 空間運(yùn)動。臂部運(yùn)動的目的，一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動范圍內(nèi)的任意點(diǎn)上，從臂部的 受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自 身運(yùn)動又較多，故受力較復(fù)雜。機(jī)械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導(dǎo)向 裝置和定位方式就顯得尤其重要了。手臂的伸縮速度為小于25

14、0m/s行程 L=400mm1、手臂右腔工作壓力，公式(2.8) 得：P= ( F+ F 摩)/S(2.12 )式中：F取工件重和手臂活動部件總重，估算F=30+25=55kg , F摩=1800N。所以代入公式(2.12 )得：F=2350N由課本液壓與氣壓傳動表 9-2表得：負(fù)載小于 5KN時，工作壓力小于 0.8MPa, 取 P=0.6MPaS= （ F+ F 摩）/P =（55X 10+1800 ） /0.6=3917mm2由 S=tt R2得 R=vS/3.14=35.3mm 則 D=70.6mm 由課本液壓與氣壓傳動查表 4-2得直徑為80mm 2、手臂右腔流量，公式（2.7）得：

15、Qmax=sv =250X 兀 X 402=1256000.65mm3/s=1256ml/s 2.4手臂升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂執(zhí)行機(jī)械手動作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手功能，通過升降機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手整體 的上升與下降，聯(lián)接手爪可以實(shí)現(xiàn)貨物的上升與下降。由于手臂重量較大，因此，升降需要導(dǎo)向和支撐部件來實(shí)現(xiàn)功能。 手臂的升降速度小于70mm/s,行程為300mm符號為Z1、手臂右腔工作壓力，公式（2.8） 得：P=（ FZ+ F 摩）/S（2.12 ）式中：FZ取工件重和手臂活動部件總重，估算FZ=30+25+25=80kg , F 摩=2500N。所以代入公式（2.12 ）得：F=3300N由課本液壓與氣壓傳動表

16、9-2表得：負(fù)載小于 5KN時，工作壓力小于 0.8MPa, 取 P=0.6MPaS= （ FZ+ F 摩）/P =（80X 10+2500 ） /0.6=5500mm2由 S=tt R2得 R=VS/3.14=41.8mm 貝U D=83.6mm 由課本液壓與氣壓傳動查表 4-2得直徑為100mm 2、手臂右腔流量，公式（2.7）得：Qmax=sv =70X 兀 X 502=549500mm31s=549.5ml/s2.5手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本課題手臂具有回轉(zhuǎn)這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的手臂結(jié)構(gòu)。要求：回轉(zhuǎn) 02100角速度W小于90o/s以最大負(fù)荷計(jì)算：當(dāng)工件裝夾在手爪上，

17、伸縮手臂處于最大長度時， 采用估算法，總重為100Kg,伸縮液壓缸伸出總長度l=800mm。如下圖所示。1、計(jì)算扭矩 M1設(shè)重力集中于離手指中心250mm處，即扭矩 M2為：M2=FX S(2.9)=1000 X 0.25=250 (N M)圖2.3手臂受力簡圖由于有油缸配件、擺動缸的摩擦力矩的存在，暫且在計(jì)算力矩的基礎(chǔ)上乘以系數(shù)小=1.2 則 乂總二(|)M2=250X 1.2=300 (N- M)2.由公式T=PXb ( A12- mr2) 乂 106/8(2.11 )其中：b 一葉片密度，這里取 b=3cm；A1一擺動缸內(nèi)徑，這里取 A1=15cm；mm-轉(zhuǎn)軸直徑，這里取 mm=6cm所

18、以代入(2.11 )公式P=8T/b ( A12- mn2) x 106 =8X300/0.03 X ( 0.15 2-0.06 2) 乂 106 =4.23Mpa 由W=8Q/( A12- mn2) b所以Q=W( A12- mn2) b/8 =(兀 /4 ) (0.15 2-0.06 2) X 0.03/8=0.56X 10-4 m3/s=56ml/s3、機(jī)構(gòu)工作參數(shù)總結(jié)：手部抓緊直徑70mm 行程50mm 工作壓力 4.18MPa 流量251.2ml/s速度50mm/s腕部回轉(zhuǎn)內(nèi)徑120mm 轉(zhuǎn)軸直徑 50mm 行程0180o (土 90。)工作壓力2.71MPa 流量35ml/s速度小

19、于90o/s小臂伸縮內(nèi)徑80mm 行程400mm 工作壓力 0.6MPa 流量1256ml/s速度小于250m/s手臂升降內(nèi)徑100mm 行程300mm 工作壓力 0.6MPa 速度小于 70mm/s流量 549.5ml手臂回轉(zhuǎn)內(nèi)徑150mm 轉(zhuǎn)軸直徑60mm 行程0 210。工作壓力 4.23MPa流量56ml/s速度小于90o/s2.6液壓泵的初選擇1、由初步計(jì)算選液壓泵所需液壓最高壓力P=5.46Mpa所需液壓最大流量Q>=1256ml/s選取CB-D型液壓泵（齒輪泵）此泵工作壓力為10Mpa,轉(zhuǎn)速為1800r/min ,工作流量 Q在32 70ml/r 之間,即900mm/s21

20、00mm/s ,可以滿足需要。2、驗(yàn)算腕部擺動缸:T=Pb ( A12- mn2)“ mX 106/8(2.13)W=89 4 v/ ( A12- mr2) b(2.14)式中：刀m-機(jī)械效率取：0.850.94v一容積效率?。?.70.95所以代入公式(2.13 )得：T=2.71 X 0.03 X ( 0.12 2-0.05 2) 乂 0.85 X 106/8=102.8(N M)T<M=121 (N - M代入公式(2.14 )得：Wmax= ( 8X 35X10-6) X 0.85/ ( 0.12 2-0.05 2) 乂 0.03 =0.667rad/sW<tt /2 1.

21、57rad/s因此，取腕部回轉(zhuǎn)油缸工作壓力P=3Mpa流量 Q=40ml/s2、驗(yàn)算手臂回轉(zhuǎn)擺動缸：T=Pb ( A12- mn2)“ mX 106/8(2.13)W=89 4 v/ ( A12- mr2) b(2.14)式中：刀m-機(jī)械效率?。?.850.94v一容積效率?。?.70.95所以代入公式(2.13 )得：T=4.23 X 0.03 X ( 0.15 2-0.06 2) 乂 0.85 乂 106/8=254.8(N - M)T<M總=300 (N - M代入公式(2.14 )得：Wmax= ( 8X 56X10-6) X 0.85/ ( 0.15 2-0.06 2) 乂 0

22、.03 =0.672rad/sW<tt /2 1.57rad/s因此，取腕部回轉(zhuǎn)油缸工作壓力P=5Mpa流量 Q=60ml/s圓整其他缸的數(shù)值：手部抓取缸工作壓力P I =4.5Mpa流量 QI =300ml/s小臂伸縮缸工作壓力P I =0.6Mpa流量 QI =1300ml/s手臂升降缸工作壓力P I =0.6Mpa流量 QI =600ml/s3、確電機(jī)規(guī)格：通過對液壓泵的型號的確定，液壓泵選取 CB-D型液壓泵，額定壓力 P=10Mpa,工作流量在 3270ml/r之間。選取 1500ml/s ( 90L/min )為額定流量的泵 因此：傳動功率功率-壓力X流量/ (60X效率)N

23、=PXQM(3.1 )式中：4=0.8(經(jīng)驗(yàn)值)所以代入公式(3.1 )得：N=10X 90/ (60X0.8 )=18.75KW選取380V交流異步電動機(jī)的額定功率20KW轉(zhuǎn)速為2940r/min 。第三章液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)及草圖3.1 手部抓取缸圖3.1鉗式手爪缸液壓原理圖Q=1300ml/s 。泵的供油壓力 P取10Mpa,流量Q取系統(tǒng)所需最大流量即因此，需裝調(diào)速閥，流量定為 300ml/s ,工作壓力 P=5Mpa。采用：YF-B10B溢流閥2FRM5-20/102調(diào)速閥23E1-10B二位三通閥3.2 腕部擺動液壓回路14圖3.2腕部擺動液壓回路工作壓力 P=3Mpa 流量 Q=40m

24、l/s采用：2FRM5-20/102調(diào)速閥34E1-10B三位四通換向閥YF-B10B溢流閥3.3 小臂伸縮缸液壓回路工作壓力P=0.6Mpa 流量 Q=1300ml/s采用：YF-B10B溢流閥2FRM5-20/102 調(diào)速閥 23E1-10B三位四通閥3.4 手臂升降缸液壓回路工作壓力P=0.6Mpa 流量 Q=600ml/s采用：YF-B10B溢流閥2FRM5-20/102 調(diào)速閥23E1-10B三位四通閥3.5手臂回轉(zhuǎn)擺動缸回路15工作壓力P=4.23MPa流量 Q=56ml/s采用：2FRM5-20/102調(diào)速閥34E1-10B三位四通換向閥YF-B10B溢流閥3.6總體系統(tǒng)圖腦眼麻

25、就手陶林1X20圖示：總體系統(tǒng)圖第六章機(jī)械手的控制控制系統(tǒng)是機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)本課題的要求采用PLC控制方式，機(jī)械手的手部、腕部、臂部等的動作以及相關(guān)機(jī)械的協(xié)調(diào)動作都是通過PLC的控制來實(shí)現(xiàn)的。主要控制內(nèi)容有動作的順序，動作的位置與路徑、動作的時間。我們設(shè)定模擬一個工作過程來編制程序：小臂伸長一小臂下降一手部抓緊一腕部回轉(zhuǎn)一小臂上開一小臂回轉(zhuǎn)一小臂收縮一小臂下降一小臂回轉(zhuǎn)一手部放松由于控制點(diǎn)數(shù)比較少，因此我們選擇使用小型PLC來控制，通過對經(jīng)濟(jì)效益的比較，我們采用三菱PLC,采用FX2N-32MT-D1.輸入輸出點(diǎn)數(shù)的分配輸入輸出啟動按鈕X0手爪松緊Y0停止按鈕X1手爪止轉(zhuǎn)Y1上限位X2手爪反轉(zhuǎn)Y2下限位X3手爪伸長Y3手臂止轉(zhuǎn)限位X4手爪縮短Y4手臂反轉(zhuǎn)限位X5手臂上升Y5手爪止轉(zhuǎn)限位X6手忖下降Y6手爪反轉(zhuǎn)限位X7手臂止轉(zhuǎn)Y7左限位X8手臂反轉(zhuǎn)Y8右限