精編機械設計及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計立式精鍛機床自動上料

1、（精編）機械設計及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（立式精鍛機床自動上料題目：專業(yè)： 機械設計制造及其自動化學號：姓名：指導教師：學習中心：青島科技大學機電工程學院二零一二年十月題目立式精鍛機自動上料機械手設計題目類型：工程設計技術專題研究理論研究軟硬件產(chǎn)品開發(fā)1 畢業(yè)設計(論文)的主要內(nèi)容及基本要求1 )、規(guī)格參數(shù)：抓重:60公斤；自由度數(shù):4個；坐標型式：圓柱坐標；最大工作半徑：1700毫米; 手臂最大中心高:2300毫米手臂運動參數(shù)：手臂伸縮范圍：0500毫米；手臂伸縮速度：伸出176毫米/秒， 縮回233毫米/秒；手臂升降范圍：0600毫米；手劈升降速度：上升102豪米/秒, 下降152毫米/秒；

2、手臂回轉范圍：0 -200。(實際使用為95 );手臂回轉速度：63 秒手腕運動參數(shù)：手腕回轉范圍：0。80 ;手腕回轉速度：201 0/秒手指夾持范圍：30120毫米驅動方式:液壓2 )、設計要求：(1 )、全部設計圖紙用AutoCAD繪制；(2) 、設計說明書1份(40頁以上)。2 指定查閱的主要參考文獻及說明(1)機械零件設計手冊(2 )工業(yè)機械手圖冊(3) 機械設計手冊(4) 其他相關參考資料3 進度安排設計（論文）各階段名稱起止日期1杏閱相關參考資料 完成開題報告2011 9 10 2011 9 3012查閱相關參考資料，兀丿成丿丨題報告結構設計2011 10 1 2011 10 8

3、3結,構設計編寫設計說明書乙U 1 11ZU 1 12011 10 10-2011 11 53編寫設計說明書畢業(yè)設計（論文）的修改答辯的準備2011.10.10 2011.11.52011.11.10 2011.12.1指導教師：年月日學院審查意見:審批人：年月日誠信承諾一、本設計是本人獨立完成；二、本設計沒有任何抄襲行為；三、若有不實，一經(jīng)查出，請答辯委員會取消本人答辯（評閱）資格。承諾人:年月日摘要本文介紹了立式精鍛機自動上料機械手與其它設備的配置關系及工作過程， 并對機 械手的動作進行了分析，詳細論述了機械手總體方案的設計，特別是對實現(xiàn)預期要求動 作的各種方案進行了比較分析，進而得出最終

4、方案。根據(jù)手臂的動作要求，采用圓柱坐 標型機械手；機械手的自由度數(shù)為四個，它們是大臂的升降和回轉運動，小臂的伸縮運 動，手腕的回轉運動；機械手手部結構采用兩支點回轉型；機械手驅動方式采用液壓驅 動?？刂品绞綖辄c位程序控制。本次設計主要進行大臂升降及回轉機構設計、手臂及伸 縮結構設計、手部結構設計，并且對液壓系統(tǒng)進行理論分析和比較。 關鍵詞：雙作用式油缸；點位控制；液壓系統(tǒng)；結構設計目錄第一章緒論 9 1.1機械手的基本概念 91.2 機械手的分類及簡史 99999999999999999999991901.2.1 機械手的分類 9999999999999999999999190991.2.2

5、機械手的簡史 9999999999999999999999190991.3 機械手的應用簡況 999999999999999999999919091.4 機械手的發(fā)展趨勢 9999 99999999999999999991191.5 機械手的組成 999999999999999999999999192 91.5.1. 執(zhí)行機構 999999999999999999999999192 991.5.2. 驅動機構 999999999999999999999999192991.5.3. 控制系統(tǒng) 999999999999999999999999192 991.6應用機械手的意義 12第二章系統(tǒng)設計方

6、案132.1機械手的設計參數(shù) 132.2機械手的工藝流程 142.3機械手的工作過程 142.4 機械手的總體結構 142.5機械手的坐標型式與自由度 152.6機械手的手部結構方案設計 152.7機械手的手腕結構方案設計 162.8機械手的手臂結構方案設計 162.9機械手的驅動方案設計 162.10機械手的控制方案設計 16第三章機械手各機構設計 173.1手部設計計算 173.1.1手部設計要求 173.1.2拉緊裝置設計 183.2腕部設計計算 193.2.1計算扭矩M1 193.2.2油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩M2203.2.3擺動缸的摩擦力矩 M摩203.3手臂伸縮機構設計21

7、3.4機身和機座的設計計算 233.4.1 電機的選擇23342減速器的選擇243.4.3 螺桿的設計與校核 33333333333333333333332363 第四章機械手的液壓部分 333333333333333333327334.1 液壓系統(tǒng)簡介 333333333333333333333333237 334.1.1 液壓系統(tǒng)的工作原理 33333333333333333333327334.1.2 液壓傳動的工作特性 33333333333333333333327334.1.3 液壓系統(tǒng)的組成 3333333333333333333333238334.1.4 液壓系統(tǒng)的優(yōu)、缺點 333

8、33333333333333333328334.2 自動上料機械手液壓系統(tǒng) 3333333333333333333332934.3 大臂升降油缸 333333333333333333333333332334.3.1 工作載荷的計算 3333333333333333333333332334.3.2 主要尺寸的確定 3333333333333333333333332334.3.3 校核 33333333333333333333333333323334.4 液壓缸主要部件的設計和材料選擇3333333333333333333 34.4.1 缸筒 333333333333333333333333333

9、3334.4.2 活塞 3333333333333333333333333333334.4.3 缸蓋及活塞桿導向套 3333333333333333333333334.4.4 活塞桿 3333333333333333333333333333334.5 液壓缸的緩沖、排氣與密封 33333333333333333333 334 總結333333333333333333333333333333335 333 致謝333333333333333333333333333333336 33337參考文獻第一章緒論機械工業(yè)是國民的裝備部， 是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品 的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)

10、產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所 提供裝備的性能、質量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接 的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要標志。 因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手的是 工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在 構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程 中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中

11、，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術鄰域內(nèi)， 迅速發(fā)展起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實 現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計 算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器， 它有多個自 由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。1.1 機械手的基本概念機械手（又稱機器人，機械人，英文名： Robot ）,機械手是在機械化、自動化生產(chǎn) 過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預定的 程序、軌跡及其它要求，實

12、現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置。我國國家標準 （GB/T12643-90） 對機械手的定義 “: 具有和人手臂相似的動作功能， 可在空間抓放物體， 或進行其它操作的機械裝置。1.2 機械手的分類及簡史工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此 暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。1.2.1 機械手的分類（一）按用途分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種：1、專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有 動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化 生產(chǎn)的自動換刀機械手，如加工中

13、心。2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍 內(nèi)，其動作程序是可變的， 通過調整可在不同場合使用， 驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。 通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批 量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種。（二）按驅動方式分1、液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。 其主要特點是 :抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手 的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。2 、氣壓傳動機械手是以壓縮

14、空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。 其主要特點是 :介質李源極為方 便，輸出力小，氣動動作迅速， 結構簡單，成本低。但是， 由于空氣具有可壓縮的特性， 工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在 30 公斤以下，在同 樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境 中進行工作。3、機械傳動機械手即由機械傳動機構 （如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等 ）驅動的機械手。它是 一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動 準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。4、電力傳動機械手即有

15、特殊結構的感應電動機、 直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的械 手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快 和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。（三）按控制方式分1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制 其運動軌跡。2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處 于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。1.2.2 機械手的簡史機械手首先是從美國開始研制的。 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。

16、 它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是 示教形的。1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機 械手。 1962 年美國機械制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 機械手。 1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種 Unimate-Vicarm 型工業(yè)機 械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1 毫米。聯(lián)邦德 國 KnKa 公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。日本是工業(yè)機械手 發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進兩種機械手后大

17、力從事機械手的研 究。目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要 是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。 它設有微型電子計算控制系統(tǒng)， 具有視覺、觸覺能力， 甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機 能。第三代機械手則能獨立完成工作過程中的任務。 它與電子計算機和電視設備保持聯(lián) 系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)。1.3 機械手的應用簡況 現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過 程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)

18、的。因此， 裝卸、搬運等工序機械化的迫切性， 工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件國內(nèi)機械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的 勞動強度。國外鐵路工業(yè)中應用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床 共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。采用機械手進行裝配更始目前研究的重點， 國外已研究采用攝象機和力傳感裝置和 微型計算機連在一起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。1.4 機械手的發(fā)展趨勢 目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能 方面還是不能滿足工業(yè)

19、發(fā)展的需要。在國內(nèi)主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞 動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的 還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構件，如 伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據(jù)不同類型的加緊機構，設計成典型的通 用機構，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構，即可組成不同用途的 機械手。既便于設計制造，有便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖 擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有 某種智能的機械手。 使它具有一定的傳感能力，

20、能反饋外界條件的變化， 作相應的變更 如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，目前已經(jīng)取得一定成績。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機 械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。1.5 機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成及相互關系如下圖：1.5.1. 執(zhí)行機構 （如圖 1.5.1 所示 ）圖 1.5.1（1）手部 手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉動軸，可把動作傳給手腕，以轉動、伸 屈手腕，開閉手指。本課所指的機械手僅需開閉手指。 機械手手部的機構系模仿人的手指，分為無關節(jié)，固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指 的數(shù)量又可以分為二指、三

21、指和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕?jù)夾持對象的形 狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作需要。本課所做的機械手采用二指形狀。（2）手臂手臂有無關節(jié)和有關節(jié)手臂之分本課所做的機械手的手臂采用無關節(jié)臂 手臂的作用是引導手指準確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手 能夠正確的工作，手臂的三個自由度都需要精確的定位。本課題所做的機械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左轉、右轉三個方向的定 位均采用行程開關控制，以保證定位的精度。總括機械手的運動離不開直線移動和轉動二種，因此，它采用的執(zhí)行機構主要是直 線油缸、擺動油缸、電液脈沖馬達、伺服油馬達、直流伺服馬達和步進馬達等。軀干是安裝

22、手臂、動力源和執(zhí)行機構的支架。1.5.2. 驅動機構驅動機構主要有四種：液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以液壓氣 動用的最多，占 90% 以上，電動、機械驅動用的較少。液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒 輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈 輪等實現(xiàn)回轉運動。液壓驅動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變 速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用 4-6 個大氣壓，個 別的達到 8-10 個大氣壓。它的優(yōu)

23、點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小， 體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且 潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構或緩沖機構。1.5.3. 控制系統(tǒng)機械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等。控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求， 設計采用數(shù)字順序控制。 它首先要編制程序加以存儲， 然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。1.6 應用機械手的意義隨著科學技術的發(fā)展， 機械手也越來越多的地被應用。 在機械工業(yè)中， 鑄、焊、鉚、 沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應用的實

24、理。其他部 門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應用。在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：1. 以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的 自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。2. 以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以 及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即 可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。3. 可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，

25、同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。第二章系統(tǒng)設計方案2.1 機械手的設計參數(shù)抓重： 60kg ；自由度數(shù)： 4 個；坐標形式：圓柱坐標；最大工作半徑： 1700 毫米；手臂最大中心高： 2300 毫米；手臂運動參數(shù)；手臂伸縮范圍： 0500 毫米手臂伸縮速度：伸出 176 毫米每秒；縮回 233 毫米每秒；手臂升降范圍： 0600 毫米；手臂升降速度：上升 102 毫米每秒；下降 152 毫米每秒；手臂回轉范圍： 00200 0（實際使用為 95 0）；手臂回轉速度： 630 每秒；手腕運動參數(shù)：手腕回轉范圍 :0

26、0180 0；手腕回轉速度： 2010 每秒；手指夾持范圍：-3020毫米；緩沖方式及定位方式：手臂伸縮：伸出時由行程開關適時切斷油路，手臂緩沖，縮回時由行程開關控制返 回終了位置。手臂升降：上升時是靠可調碰鐵觸動行程開關而發(fā)信，使電液換向閥變?yōu)椤?o ”型 滑閥機能，切斷油路而實現(xiàn)緩沖定位，下降時靠油缸端部節(jié)流緩沖，由行程開關控制終 了位置。手臂回轉： 采用行程節(jié)流閥 （雙向使用）減速緩沖， 用定位油缸驅動定位銷而定位。 手腕回轉：采用行程開關發(fā)信，切斷油路滑行緩沖，死擋塊定位。驅動方式：液壓控制方式：點位程序控制2.2 機械手的工藝流程機械手原位機械手前伸機械手上升機械手抓取并夾緊機械手后

27、退機械手左轉機械手前伸機械手松開機械手下降機械手右轉退至原位2.3 機械手的總體結構本機械手系統(tǒng)由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)包括手部、手臂、 手腕。驅動系統(tǒng)包括動力源、控制調節(jié)裝置和輔助裝置組成。控制系統(tǒng)由程序控制系統(tǒng) 和電氣系統(tǒng)組成。2.4 機械手的工作過程立式精鍛機和自動上料機械手等的配置如圖 2-4-1 所示。被加熱的坯料由運輸車 2 送到上料位置后， 自動上料機械手 3 將熱坯料搬運到立式精鍛機 1 上鍛打，其成品鍛件 由下料機械手 4 送立式精鍛機上取下并送到轉換機械手 5 上，轉換機械手先把鍛件翻轉 90 成水平位置，由丙烷切割裝置 6 將兩端切齊，切割完畢，轉換機

28、械手 5 的手臂再水 平回轉 87 ，將鍛件水平放置到下料運輸裝置 7 上，運送到車間外面的料倉處進行冷卻。 自動上料機械手 3 在此精鍛生產(chǎn)線上可以完成取料、喂料和變換工位等動作。2.5 機械手的坐標型式與自由度選擇按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱 坐標式、球坐標式和關節(jié)式。 由于本機械手在上下料時手臂具有升降、 收縮及回轉運動， 因此，采用圓柱坐標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小 的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。2.6 機械手的手部結構方案設計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更

29、換結構，當工件是棒 料時，使用夾持式手部。夾持式手部是利用夾鉗的開閉來夾緊和抓緊工件的，按其結構 又分為兩指或多指，回轉和平移，外夾和內(nèi)撐等多種形式。2.7 機械手的手腕結構方案設計考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉 運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為回 轉液壓缸2.8 機械手的手臂結構方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和 降(或俯仰 )運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手 臂的橫移。手臂的各種運動由液壓缸來實現(xiàn)。2.9 機械手的驅動方案設計

30、 由于液壓傳動系統(tǒng)傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏，成本低廉，因此本機械手采用 液壓壓傳動方式。若采用液壓伺服控制機構，還能實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。2.10 機械手的控制方案設計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC) 對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。第三章機械手結構設計3.1 機械手手部設計計算3.1.1 手部設計要求1、有適當?shù)膴A緊力手部在工作時，應具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工 件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工 件應考慮采用自鎖安全裝置。

31、2、有足夠的開閉范圍 夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量 稱為開閉范圍。對于回轉型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手 指開閉范圍的要求與許多因素有關，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。圖 3-1 機械手開閉示例簡圖3、力求結構簡單，重量輕，體積小 手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個 機械手的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設計手部時，必須力求結 構簡單，重量輕，體積小。4、手指應有一定的強度和剛度5、其它要求 因此送料，夾緊機械手，根據(jù)

32、工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方 式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。3.1.2 拉緊裝置設計如圖4.1.2-1所示：油缸右腔停止進油時，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進油時松開 工件圖3-2油缸示意圖1、右腔推力為Fp= (n/4) D2P (3.1 )=(n/4) 0.522510 3=4908.7N2、根據(jù)鉗爪夾持的方位，查出當量夾緊力計算公式為:Fi= (2b / a) ( cos a N 2 3.2)其中N 498N=392N ，帶入公式3.2得：Fi= (2b / a) ( cos a N 2=(2150/50)(cos30 o ) 2

33、392=1764N則實際加緊力為F1實際=PK1K2/ n(3.3)=17641.51.1/0.85=3424N經(jīng)圓整F1 =3500N3、計算手部活塞桿行程長L,即L= (D/2 ) tg 3.4)=25 Xtg30 o=23.1mm經(jīng)圓整取l=25mm4、確定“ V”型鉗爪的L、B取 L/ Rcp =3 (3.5)式中： Rcp=P/4=200/4=50(3.6)由公式(2.5) (2.6)得:L=3 XR：p=150取“ V”型鉗口的夾角2 a =120o，則偏轉角B按最佳偏轉角來確定, 查表得:3=22 039 5、機械運動范圍(速度)( 1 )伸縮運動 Vmax=500mm/sVmi

34、n =50mm/s( 2)上升運動 Vmax=500mm/sVmin =40mm/s( 3)下降 Vmax=800mm/sVmin =80mm/s( 4)回轉 Wmax=90 o/sWmin=30 o/s所以取手部驅動活塞速度 V=60mm/s6、手部右腔流量Q=sv( 3.7)=60 n r2=60 X3.14 X25 2=1177.5mm 3/s7、手部工作壓強P=F i/S=3500/1962.5=1.78Mpa(3.8)3.2腕部設計計算腕部是聯(lián)結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。本課題腕部具有回轉這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉缸

35、驅動的腕部結構。要求：回轉土 90o角速度W=45 c/s以最大負荷計算：當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10kg，長度 l=650mm。3.2.1計算扭矩Mi設重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩Mi為：M i=F X S 3.9)=10 X9.8 X0.2=19.6 ( N M)FSFSF圖3-3腕部受力簡圖3.2.2油缸(伸縮)及其配件的估算扭矩 M 2F=5kgS=10cm帶入公式 3.9 得M 2=F XS=5 X9.8 X0.1=4.9 ( N M)3.2.3 擺動缸的摩擦力矩 M 摩F 摩=300 ( N )(估算值)S=20mm (估算值)M

36、摩=F 摩 XS=6 ( N M )4 、擺動缸的總摩擦力矩 MM=M1+M2+M摩=30.5 (N M ) (3.10)5.由公式( 4.2)T=P X b (蟲i2- mm2) X106/8 (3.11 )其中： b 葉片密度，這里取 b=3cm ；ai擺動缸內(nèi)徑，這里取 Ai=10cm ；mm 轉軸直徑 ,這里取 mm =3cm 。 所以代入( 3.11 )公式P=8T/b (A12 mm2)X106=8 X30.5/0.03 X (0.12-0.03 2)X106=0.89Mpa又因為W=8Q/( A12 mm 2) b所以Q=W (A1 2-mm 2 ) b/8 A1=(n/4 )

37、(0.120.03 2 )X).03/8=0.27 X10-4m3s=27ml/s3.3 手臂伸縮機構設計手臂是機械手的主要執(zhí)行部件。 它的作用是支撐腕部和手部， 并帶動它們在空 間運動。臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內(nèi)的任意點上，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 身運動又較多，故受力較復雜。機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向裝置和定位方式就顯得尤其重要了。手臂的伸縮速度為 200m/s ，行程 L=500mm1 、手臂右腔流量，公式( 3.7)得：Q=sv=200 Xn402=1004800mm

38、3s=0.1/10 2m3/s=1000ml/s2、手臂右腔工作壓力，公式( 3.8)得：P=F/S (3.12)式中：F取工件重和手臂活動部件總重，估算F=10+20=30kg , F摩=1000N所以代入公式( 3.12)得：P= ( F+F 摩) /S=(30 X9.8+1000 ) / n402=0.26Mpa3 、繪制機構工作參數(shù)表如圖 3.3-1 所示：圖 3-4 機構工作參數(shù)表4、由初步計算選液壓泵所需液壓最高壓力P=1.78Mpa所需液壓最大流量Q=1000ml/s選取 CB-D 型液壓泵(齒輪泵)此泵工作壓力為 10Mpa ，轉速為 1800r/min ，工作流量 Q 在 3

39、2 70ml/r 之間， 可以滿足需要。5、驗算腕部擺動缸：T=PD (A12-mm2) nm x106/8 (3.13)W=8 Bn/ ( ai2 mm 2) b (3.14)式中：nm 機械效率?。?.850.9n 容積效率取：0.70.95所以代入公式( 3.13)得：T=0.89 x0.03x(0.12-0.032)x0.85x106/8=25.8 ( N M)TM=30.5(N M )代入公式( 3.14)得：W= (8x27x10-6)x0.85/(0.12-0.032)x0.03=0.673rad/sW 冗/4 T.785rad/s因此，取腕部回轉油缸工作壓力 P=1Mpa流量

40、Q=35ml/s圓整其他缸的數(shù)值：手部抓取缸工作壓力 Pi =2Mpa流量 Q i =120ml/s小臂伸縮缸工作壓力 Pi =0.25Mpa流量 Qi =1000ml/s3.4 機身和機座的設計計算機身的直接支承和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降、回轉或俯仰等運動的驅 動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者就直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部 的運動愈多，機身的結構和受力情況就愈復雜，機身既可以是固定式的，也可以是行走 式的 ,如圖 4.4-1 所示。圖 3-51 機身機座結構圖臂部和機身的配置形式基本上反映了機械手的總體布局。 本課題機械手的機身設計 成機座式，這樣機械手可以是獨立的，

41、自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也 可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉型機械手。臂部可沿機座立柱 作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱配合導致 了手臂的上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋 轉，從而達到了自由度的要求。3.4.1 電機的選擇機身部使用了兩個電機， 其一是帶動臂部的升降運動； 其二是帶動機身的回轉運動。帶動臂部升降運動的電機安裝在肋板上，帶動機身回轉的電機安裝在混凝土地基上。1 ）、帶動臂部升降的電機：初選上升速度V=100mm/sP=6KW所以 n= (100/6 )X60=1000 轉/分選

42、擇丫90S-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用B級絕緣，外殼防護等級為IP44 ,冷卻方式為I (014 )即全封閉自扇冷卻，額定電壓為 380V,額定功率為50HZ。如圖4.4.1-1Y90S-4電動機技術數(shù)據(jù)所示：型號額定功率KW滿載時堵轉電流堵轉轉矩最大轉矩電流A轉速效率%功率因r/min素額定電額定轉額定轉流矩矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.2圖3-6Y90S-4電動機技術數(shù)據(jù)(2) 、帶動機身回轉的電機：初選轉速W=60 o/sn=1/6轉/秒=10轉/分由于齒輪i=3減速器i=30所以 n=10 X3X30=900 轉/分選擇Y90L-6型籠型異步電動

43、機電動機采用B級絕緣。外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I (014 )即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ如圖 3-7Y90L-6 電動機技術所示：圖 3=7Y90L-6 電動機技術3.4.2 減速器的選擇減速器的原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置。用來降低轉速和增 轉矩，以滿足工作需要。初選 WD80 型圓柱蝸桿減速器。WD 為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。蝸桿的材料為 38siMnMo 調質蝸輪的材料為 ZQA19-4中心矩 a=80Ms Xq=4.0 X11 (3.15)傳動比 I=30傳動慣量 0.265 X10 kg m23.4.3 螺桿的設計

44、與校核 螺桿是機械手的主支承件，并傳動使手臂上下運動。 螺桿的材料選擇： 從經(jīng)濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。螺距 P=6mm 梯形螺紋螺紋的工作高度 h=0.5P (3.16)=3mm螺紋牙底寬度 b=0.65P=0.65 X6=3.9mm(3.17)螺桿強度c s3p5 (3.18 )=150/3 5=30 50Mpa螺紋牙剪切t =40彎曲b護4555(1 )、當量應力(3.19)式中T傳遞轉矩N mm(T 螺桿材料的許用應力所以代入公式(4.19)得：(T = 4 X200 X9.8/ 冗d12 ) 23 (200 X9.8 X0.6/0.2d 13 )2=(495/d 12)2+

45、3 (61.2/d 13) 230 -50 X106=(2495/d 12 )23 (61.2/d 13) 2 900 2500 X1012=6225025/d14+11236/d 16900 2500 X1012=6225025d 12+11236 900d 16X1012=6225025 X0.029 2+11236 2.9 X3.92 X(160/6 )=0.48Mpa v o=45Mpa合格第四章機械手的液壓系統(tǒng)設計液壓系統(tǒng)相對于機械傳動來說，是一門新興的技術。由于液壓傳動具有許多突出的 優(yōu)點，因而目前已廣泛的應用在工、農(nóng)業(yè)機械、機床、交通運輸、船舶控制、飛機、導 彈等各方面。4.1

46、液壓系統(tǒng)簡介4.1.1 液壓系統(tǒng)的工作原理 所謂液壓系統(tǒng)就是以液體為介質，依靠運動者的液體的壓力能來傳遞力的。液壓系 統(tǒng)工作是，液壓泵把電動機傳來的回轉式機械能轉變成油液的壓力能：油液被輸送到液 壓缸（或液壓馬達）后，又由液壓缸（或液壓馬達）把油液的壓力能變?yōu)橹本€式（或回 轉式）的機械能輸出。液壓系統(tǒng)中的油液在受調節(jié)、控制的狀態(tài)下進行工作的因此液壓 傳動和液壓控制在這個意義上來說難以截然分開。 液壓系統(tǒng)必須滿足其執(zhí)行元件在力和 速度方面的要求。4.1.2 液壓傳動的工作特性 液壓系統(tǒng)工作是外界負載越大（在有效承壓面積一定的前提下）所需要的壓力也越 大，反之亦然。 因此液壓系統(tǒng)的由壓力 （簡稱系

47、統(tǒng)的壓力， 下同）大小取決于外界負載。 負載大，系統(tǒng)壓力大；負載小，系統(tǒng)壓力?。回撦d為零，系統(tǒng)壓力為零。另外，活塞或 工作臺的運動速度（簡稱系統(tǒng)的速度，下同）取決于單位時間通過節(jié)流閥進入液壓缸中 油液的體積即流量。流量越大（在有效承壓面積一定的前提下）系統(tǒng)的速度越快，反之 亦然。流量為零，系統(tǒng)的速度亦為零。液壓系統(tǒng)的壓力和外在負載，速度和流量的這兩 個關系稱作液壓傳動的兩個工作特性。4.1.3 液壓系統(tǒng)的組成液壓系統(tǒng)由以下五個部分組成：（ 1）動力元件它是將原動機輸入的機械能轉換為液壓能的裝置。液壓泵即為動力 元件。（2）執(zhí)行元件它是將液體的壓力能轉換為機械能的裝置，以驅動部件。液壓缸和 液壓

48、馬達即為執(zhí)行元件。（3）控制調節(jié)元件控制調節(jié)元件是指各種閥類元件，它們的作用是控制液壓系統(tǒng) 中油液的壓力、流量和方向，以保證執(zhí)行元件完成預期的工作運動。（4）輔助元件輔助元件是指油箱、油管、管接頭、濾油器、壓力表、流量表等。 （ 5）工作介質在液壓系統(tǒng)中使用液壓油（通常為礦物油） 。4.1.4 液壓系統(tǒng)的優(yōu)、缺點液壓系統(tǒng)與機械、電力等傳動相比。有以下特點：（1）能方便的進行無級調速，調速范圍大。（ 2）體積小，、重量輕、功率大。一方面，在相同輸出功率的前提下，其體積小、 重量輕、慣性小、動作靈敏，這對于液壓自動控制系統(tǒng)有重要的意義。另一方面，在體 積或重量相近的情況下，其輸出功率大，能傳遞較大

49、的扭矩或推力（如萬噸水壓力等）（3）控制和調節(jié)簡單、方便、省力，易實現(xiàn)自動化控制和過載保護。（4）可實現(xiàn)無間隙傳動，運動平穩(wěn)。（5）因為傳動介質為油液，故液體元件有自我潤滑作用，使用壽命長。6）液壓元件實現(xiàn)了標準化、系列化、通用化、便于設計、制造和推廣使用。（7）可以采用大推力的液壓缸和大扭矩的液壓馬達直接帶動負載，從而失去了中 間的減速裝置，使傳動簡化。4.1.5 液壓傳動的主要缺點：1）漏由于作為傳動介質的液體是在一定的壓力下，有時是在較高的壓力下工作 的，因此在有相對運動的表面間不可避免要產(chǎn)生泄漏。同時，由于油液并不是不可以壓 縮的，油管等也回產(chǎn)生彈性變形，所以液壓傳動不宜用在傳動比要求

50、較嚴格的場合。（2）震液壓傳動中的“液壓沖擊和空穴現(xiàn)象”會產(chǎn)生很大的震動和噪聲。（3）熱在能量轉換和傳遞過程中，由于存在機械摩擦、壓力損失、泄漏損失，因 而易使油液發(fā)熱，總效率降低，故液壓傳動不宜遠距離轉動。（4）液壓傳動性能對溫度比較敏感，故不宜在高溫及低溫下工作。液壓傳動裝置 對油液的污染也較敏感，故要求有良好的過濾設施。（ 5）液壓元件加工要求高一般情況下又要求有獨立的能源（如液壓泵站） ，這些可 能使產(chǎn)品成本提高。（6）液壓系統(tǒng)出現(xiàn)鼓故障時不宜追查原因，不宜迅速排除。綜上所述， 液壓傳動由于其優(yōu)點比較突出， 故在工、農(nóng)業(yè)各個部門獲得廣泛的應用。 它的某些缺點隨著生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展、提高

51、，正在逐步得到克服。由于液壓傳動相對于機械傳動有以上幾個突出的優(yōu)點，所以確定機械手的前伸后 退、左轉右轉、夾緊放松三部分動作用液壓傳動來實現(xiàn)。4.2 自動上料機械手液壓系統(tǒng)如圖 5.2-1 所示，該系統(tǒng)采用雙聯(lián)葉片泵（ YB-35/18 ）驅動，其系統(tǒng)壓力為 30 公 斤力/ 厘米 2，郵箱容積為250 升。機械手手臂伸縮、升降時為得到較高速度，兩泵同時 供油，其余動作僅小泵供油，大泵自動卸荷。手臂伸縮、升降、 回轉及手腕回轉，采用單向調速閥 （QI-63B 、QI-25B 、QI-10B ） 回程節(jié)流調速。手臂升降液壓支路設置有單向順序閥（ XI-63B ），用來防止手臂升起后工作時因自 重

52、而下滑，故起支撐作用手指夾緊油路裝置有液控單向閥（ IY-25B ），用來防止因油路壓力波動（特別是油 壓下降時）引起夾持力的降低，確保加持共建牢固。減壓閥（ J-10B ）在系統(tǒng)中既可供給定位油缸所要求的低壓油（ 1518 公斤力 /厘 米 2 ，）又可作為電液換向閥（ 34DY-63B ）的控制支路。油路中兩個二位二通換向閥（ 22D-10B ）的作用為使油泵自動卸荷，以防止油溫過4.3 大臂升降油缸設計計算大臂部的升降油缸采用雙作用式直線油缸。4.3.1 工作載荷的計算油缸提升的工作載荷為F則F= K(G+Fa)/ n其中K安全系數(shù)，取 K= 1.5G運動部件所受的重力，若取 m = 3

53、00kg，貝U G = mg = 300 x 9.8 2S40NFa慣性載荷，F(xiàn)a= G - a/g,取起動時油缸活塞加速度=14m/s,貝U Fa= G - a/g=980 x 14/9.8 4290Nn液壓缸的機械效率，取n=0.9F= K(G+Fa)/ n=1.5 x (2940+4200)/0.9=11900N4.3.2 主要尺寸的確定D =其中， 活塞桿直徑d與D的比值，即=d/D,這里取=0.52。F工作載荷，前已計算過，為 11900N.工件提升時有桿腔的壓強，取二 2MPa工件提升時無桿腔的壓強，取二 0MPa最后得液壓缸內(nèi)徑也即活塞直徑D= 105.13mm若按標準取 D=1

54、15mm, 貝取 d=D= 115 x 0.52 6=0mm取D= 115mm,d = 60mm。（3）液壓缸行程的制定升降液壓缸的行程在總體方案中根據(jù)工藝要求已給出，這里為 600mm.4.3.3 校核（1）剛筒壁厚 在中低壓液壓系統(tǒng)中，剛筒壁厚往往由結構工藝要求決定，一般不要校核。（2）活塞桿直徑的校核d式中F活塞桿上的作用力活塞桿材料的許用應力，=b/1.4b= 598MP ad = = 50.35mm所以活塞桿符合要求。（3）缸蓋固定螺栓的校核ds式中F液壓缸負載；K螺紋擰緊系數(shù)，k = 1.121.5 ;Z固定螺栓個數(shù)；螺栓材料的許用應力；=S心.222.5）,s為材料屈服點s= 225MPads= = 3.6mm故聯(lián)接螺栓符合要求。4.4 液壓缸主要部件的設計和材料選擇4.4.1 缸筒工程機械、鍛壓機械