送料机械手设计及其运动仿真.docx

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送料机械手设计及其运动仿真

1机械手设计要求与动作分析

1.1毕业设计目的

毕业设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。

这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。

其主要目的：

（1）培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。

（2）培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。

（3）培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。

（4）培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。

1.2本课题的内容和要求

（1）原始数据及资料

原始数据：

a、生产纲领：

80000件（两班制生产）

b、动作要求：

臂转动180º

臂上下运动500mm

臂伸长（收缩）500mm

腕部回转±90º

手部夹持工件50~100mm

（2）设计要求：

a、结合课题给参数，确定结构方案，完成机械手的结构设计及各种计算，并作出相应运动仿真校核；

b、绘制机械手的相应零件图、装配图；（画装配结构，安装说明等）

（3）技术要求

主要参数的确定：

a、坐标形式：

直角坐标系

b、臂的运动行程：

伸缩运动500mm，回转运动180º。

c、运动速度：

使生产率满足生产纲领的要求即可。

d、控制方式：

起止设定位置。

e、定位精度：

±0.5mm。

f、驱动方式：

液压驱动。

1.3分析动作要求

动作要求分析如图1.2所示

动作一：

预夹紧

动作二：

手臂上升

动作三：

手臂旋转

动作四：

小臂伸长

动作五：

手腕旋转

动作六：

卸荷

动作七：

小臂缩短

动作八：

手臂转回

预夹紧

手臂上升

手臂旋转

小臂伸长

手腕旋转

手臂转回

图1.2动作要求分析

2机械手的组成与分类

2.1机械手结构方案的设计

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统组成。

【1】

（1）执行机构：

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件如图2.1所示：

图2.1机构简图

1手部：

是机械手与工件接触的部件。

由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。

由手指和传力机构所构成，手指与工件接触则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。

2手腕：

是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。

3手臂：

支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。

4立柱：

是支承手臂的部件。

手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。

机械手的立柱通常为固定不动的。

5机座：

是机械手的基础部分。

机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支承和联接的作用。

（2）驱动系统：

机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。

常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。

（3）控制系统：

控制系统是机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行机构按规定的要求进行工作，并检测其正确与否。

一般常见的为电器与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。

2.2机械手的分类

2.2.1根据所承担的作业的特点，工业机械手可分为以下三类：

1承担搬运工作的机械手：

这种机械手在主要工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。

2生产工业用机械手：

可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等。

3通用工业机械手：

其用途广泛，可以完成各种工艺作业。

2.2.2按功能分类

1专用机械手：

它是附属于主机的具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。

专用机械手具有动作少，工作对象单一，结构简单，实用可靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。

2通用机械手：

又称工业机器人。

它是一种具有独立控制系统的机械装置。

具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强的特点，适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。

3示教再现机械手：

采用示教法编程的通用机械手。

所谓示教，即由人通过手动控制，“拎着”机械手做一遍操作示范，完成全部动作后，其储存装置即能记忆下来。

机械手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作。

2.2.3按驱动方式分

1液压传动机械手

2气压传动机械手

3机械传动机械手

2.2.4按控制方式分

1固定程序机械手：

控制系统是一个固定程序的控制器。

程序简单，程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。

2可编程序机械手：

控制系统是一个可变程序控制器。

其程序可按需要编排，行程能很方便改变。

3抓取机构的设计

3.1手部设计计算

3.1.1对手部设计的要求

（1）有适当的夹紧力。

手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。

对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。

【2】

（2）有足够的开闭范围。

夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。

工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。

对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。

手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图3.1所示。

图3.1机械手开闭示例简图

（3）力求结构简单，重量轻，体积小。

手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。

因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。

（4）手指应有一定的强度和刚度。

（5）其它要求。

因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。

此种结构较为简单，制造方便。

3.1.2拉紧装置原理【4】

如图3.2所示：

油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。

图3.2油缸示意图

（1）右腔推力为

FP=（π／4）D²P（3.1）

=（π／4）

0.5²

25

10³

=4908.7N

（2）根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：

F1=（2b／a）

（cosα′）²N′（3.2）

其中N′=4

98N=392N，带入公式2.2得：

F1=（2b／a）

（cosα′）²N′

=（2

150/50）

（cos30º）²

392

=1764N

则实际加紧力为F1实际=PK1K2/η（3.3）

=1764

1.5

1.1/0.85=3424N

经圆整F1=3500N

（3）计算手部活塞杆行程长L,即

L=（D/2）tgψ（3.4）

=25×tg30º

=23.1mm

经圆整取l=25mm

（4）确定“V”型钳爪的L、β。

取L/Rcp=3（3.5）

式中：

Rcp=P/4=200/4=50（3.6）

由公式（3.5）（3.6）得：

L=3×Rcp=150

取“V”型钳口的夹角2α=120º，则偏转角β按最佳偏转角来确定，

查表得：

β=22º39′

（5）机械运动范围（速度）

4伸缩运动Vmax=500mm/s

1.Vmin=50mm/s

5上升运动Vmax=500mm/s

2.Vmin=40mm/s

6下降Vmax=800mm/s

Vmin=80mm/s

7回转Wmax=90º/s

Wmin=30º/s

所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s

（6）手部右腔流量

Q=sv（3.7）

=60πr²

=60×3.14×25²

=1177.5mm³/s

（7）手部工作压强

P=F1/S（3.8）

=3500/1962.5=1.78Mpa

3.2腕部设计计算

腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。

要求：

回转±90º

角速度W=45º/s

以最大负荷计算：

当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，长度l=650mm。

如图3.3所示。

【5】

3.2.1计算扭矩M1〖

设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩M1为：

M1=F×S（3.9）

=10×9.8×0.2=19.6（N·M）

F

S

F

图3.3腕部受力简图

3.2.2油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩M2〖4〗

F=5kgS=10cm

带入公式2.9得

M2=F×S=5×9.8×0.1=4.9（N·M）

3.2.3摆动缸的摩擦力矩M摩〖4〗

F摩=300（N）（估算值）

S=20mm（估算值）

M摩=F摩×S=6（N·M）

3.2.4摆动缸的总摩擦力矩M〖4〗

M=M1+M2+M摩（3.10）

=30.5（N·M）

3.2.5由公式

T=P×b（ΦA1²-Φmm²）×106/8（3.11）

其中：

b—叶片密度，这里取b=3cm；

ΦA1—摆动缸内径,这里取ΦA1=10cm；

Φmm—转轴直径,这里取Φmm=3cm。

所以代入（3.11）公式

P=8T/b（ΦA1²-Φmm²）×106

=8×30.5/0.03×（0.1²-0.03²）×106

=0.89Mpa

又因为

W=8Q/（ΦA1²-Φmm²）b

所以

Q=W（ΦA1²-Φmm²）b/8

=（π/4）（0.1²-0.03²）×0.03/8

=0.27×10-4m³/s

=27ml/s

3.3臂伸缩机构设计

手臂是机械手的主要执行部件。

它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。

机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。

所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。

手臂的伸缩速度为200m/s

行程L=500mm

（1）手臂右腔流量，公式（3.7）得【7】：

Q=sv

=200×π×40²

=1004800mm³/s

=0.1/10²m³/s

=1000ml/s

（2）手臂右腔工作压力，公式（3.8）得：

P=F/S（3.12）

式中：

F——取工件重和手臂活动部件总重，估算F=10+20=30kg，F摩=1000N。

所以代入公式（3.12）得：

P=（F+F摩）/S

=（30×9.8+1000）/π×40²

=0.26Mpa

（3）绘制机构工作参数表如图3.4所示：

表3.4机构工作参数表

（4）由初步计算选液压泵

所需液压最高压力

P=1.78Mpa

所需液压最大流量

Q=1000ml/s

选取CB-D型液压泵（齿轮泵）

此泵工作压力为10Mpa，转速为1800r/min，可以满足需要。

（5）验算腕部摆动缸：

T=PD（ΦA1²-Φmm²）ηm×106/8（3.13）

W=8θηv/（ΦA1²-Φmm²）b（3.14）

式中：

Ηm—机械效率取：

0.85～0.9

Ηv—容积效率取：

0.7～0.95

所以代入公式（3.13）得：

T=0.89×0.03×（0.1²-0.03²）×0.85×106/8

=25.8（N·M）

T

因此，取腕部回转油缸工作压力P=1Mpa

流量Q=35ml/s

圆整其他缸的数值：

手部抓取缸工作压力PⅠ=2Mpa

流量QⅠ=120ml/s

小臂伸缩缸工作压力PⅠ=0.25Mpa

流量QⅠ=1000ml/s

4液压系统原理设计及草图

4.1手部抓取缸

图4.1手部抓取缸液压原理图〖

1、手部抓取缸液压原理图如图4.1所示【14】

2、泵的供油压力P取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300ml/s。

因此，需装图3.1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。

采用：

YF-B10B溢流阀

2FRM5-20/102调速阀

23E1-10B二位三通阀

4.2腕部转动液压回路

图4.2腕部转动液压回路【8】

1、腕部摆动缸液压原理图如图4.2所示

2、工作压力P=1Mpa

流量Q=35ml/s

采用：

2FRM5-20/102调速阀

34E1-10B换向阀

YF-B10B溢流阀

4.3小臂伸缩缸液压回路

图4.3小臂伸缩缸液压回路〖

1、小臂伸缩缸液压原理图如图4.3所示

2、工作压力P=0.25Mpa

流量Q=1000ml/s

采用：

YF-B10B溢流阀

2FRM5-20/102调速阀

23E1-10B二位三通阀

4.4总体系统图

图4.4液压总体系统图

（1）总体系统图如图4.4所示【14】

（2）工作过程

小臂伸长→手部抓紧→腕部回转→小臂收缩→手部放松→卸荷

（3）电磁铁动作顺序表

表4.5电磁铁动作顺序表

元件

动作

1DT

2DT

3DT

4DT

5DT

小臂伸长

－

+

-

-

-

手部抓紧

－

+

+

-

-

腕部回转

－

+

+

+

-

小臂收缩

－

-

+

-

-

手部放松

－

-

-

-

-

卸荷

＋

-

-

-

-

5电机、减速器的结构设计

5.1电机的选择

机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。

带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。

1、带动臂部升降的电机：

【10】

初选上升速度V=100mm/s

P=6KW

所以n=（100/6）×60=1000转/分

选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。

采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。

如图5.1Y90S-4电动机技术数据所示：

表5.1Y90S-4电动机技术数据

型号

额定功率KW

满载时

堵转电流

堵转转矩

最大转矩

电流A

转速r/min

效率%

功率因素

额定电流

额定转矩

额定转矩

Y90S-4

1.1

2.7

1400

79

0.78

6.5

2.2

2.2

2、带动机身回转的电机：

〖【10】

初选转速W=60º/s

n=1/6转/秒

=10转/分

由于齿轮i=3

减速器i=30

所以n=10×3×30=900转/分

选择Y90L-6型笼型异步电动机

电动机采用B级绝缘。

外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。

如图5.2Y90S-6电动机技术数据所示：

表5.2Y90L-6电动机技术数据

5.2减速器的设计

减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。

用来降低转速和增转矩，以满足工作需要。

减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。

用来降低转速和增

转矩，以满足工作需要。

【11】

初选WD80型圆柱蜗杆减速器。

WD为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。

蜗杆的材料为38siMnMo调质

蜗轮的材料为ZQA19-4

中心矩a=80

Ms×q=4.0×11（5.1）

传动比I=30

传动惯量0.265×10ˉ³kg·m²

5.3螺柱的设计与校核

螺杆是机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。

螺杆的材料选择：

从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁【19】。

螺距P=6mm梯形螺纹

螺纹的工作高度h=0.5P（5.2）

=3mm

螺纹牙底宽度b=0.65P=0.65×6=3.9mm（5.3）

螺杆强度[σ]=σs/3～5（5.4）

=150/3～5

=30～50Mpa

螺纹牙剪切[τ]=40

弯曲[σb]=45～55

1、当量应力【6】

（5.5）

式中T——传递转矩N·mm

[σ]——螺杆材料的许用应力

所以代入公式（4.5）得：

σ=（4×200×9.8/πd1²）²+3（200×9.8×0.6/0.2d1³）²

=（2495/d1²）²+3（61.2/d1³）²≤30～50×106

=（2495/d1²）²+3（61.2/d1³）²≤900～2500×1012

=6225025/d14+11236/d16≤900～2500×1012

6225025d12+11236≤900d16×1012

6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012

即16471pa＜535340pa

合格

2、剪切强度【20】

Z=H/P=160/6（旋合圈数）（5.6）

τ=F/πd1bz（6.7）

=200×9.8/π×0.029×3.9×（160/6）×10-3

=206.8×103pa

=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa

3、弯曲强度【6】

σb=3Fh/πd1b2z

=3×200×9.8×3/π×2.9×3.92×（160/6）

=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa

合格

6机械手的定位与平稳性

6.1常用的定位方式

机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。

当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。

若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。

一般可高于±0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。

6.2影响平稳性和定位精度的因素

机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。

在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。

影响单个线量或角量定位误差的因素如下【11】：

（1）定位方式

不同的定位方式影响因素不同。

如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。

（2）定位速度

定位速度对定位精度影响很大。

这是因为定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。

通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。

（3）精度

机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。

（4）刚度

机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。

（5）运动件的重量

运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量。

运动件重量的变化对定位精度影响较大。

通常，运动件重量增加时，定位精度降低。

因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。

（6）驱动源

液压、气压的压力波动及电压、油温、气温的波动都会影响机械手的重复定位精度。

因此，采用必要的稳压及调节油温措施。

如用蓄能器稳定油压，用加热器或冷却器控制油温，低速时，用温度、压力补偿流量控制阀控制。

（7）控制系统

开关控制、电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。

这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关。

本课题所采用的定位精度为机械挡块定位。

6.3机械手运动的缓冲装置

缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式。

内缓冲形式有油缸端部缓冲装置和缓冲回路等。

外缓冲形式有弹性机械元件和液压缓冲器。

内缓冲的优点是结构简单，紧凑。

但有时安置位置有限；外缓冲的优点是安置位置灵活，简便，缓冲性能好调等，但结构较庞大。

本课题所采用的缓冲装置为油缸端部缓冲装置。

当活塞运动到距油缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲室。

利用节流的原理使缓冲室产生临时背压阻力，以使运动减速直至停止，而避免硬性冲击的装置，称为油缸端部缓冲装置。

在缓冲行程中，节流口恒定的，称为恒节流式油缸端部缓冲装置。

设计油缸端部恒节流缓冲装置时，amax（最大加速度）、Pmax（缓冲腔最大冲击压力）和Vr（残余速度）三个参数是受工作条件限制的。

通常采用的办法是先选定其中一个参数，然后校验其余两个参数。

步骤如下：

（1）选择最大加速度

通常，amax值按机械手类型和结构特点选取，同时要考虑速度与载荷大小。

对于重载低速机械手，-amax取5m/s2以下，对于轻载高速机械手，-amax取5～10m/s2

（2）计算沿运动方向作用在活塞上的外力F【12】

水平运动时：

F=PSA-Ff（5.1）

=0.25×103×π×3.62-7

=138N

（2）计算残余速度Vr

Vr=VO/1-amaxm/F（5.2）

=0.1/0.64=0.15m/s

7机械手的控制系统

控制系统是机械手的重要组成部分。

在某种意义上讲，控制系统起着与人脑相似的作用。

机械手的手部、腕部、臂部等的动作以及相关机械的协调动作都是通过控制系统来实现的。

主要控制内容有动作的顺序，动作的位置与路径、动作的时间。

机械手要用来代替人完成某些操作【14】。

实现上述各种机能的控制方式有多种多样。

机械手的程序控制方式可分为两大类，即固定程序控制方式和可变程序控制方式。

本课题所用的是固定程序控制类别的机械式控制。

常用凸轮和杠杆机构来控制机械手的动作顺序、时间和速度。

一般常与驱动机构并用，因此结构简单，维修方便，寿命较长，工作比较可靠。

适用于控制程序步数少的专用机械手。

8机械手的模型及运动分析

用PROE设计机械手的运动模型如图8.1所示：

图8.1机械手的外观图

本课题机械手的机身设计成机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。

臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手。

臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。

升降过程由电动机带动螺柱旋转。

由螺柱配合导致了手臂的上下运动。

手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。

自由度少，动作简单，同时考虑到工业行业生产的特点和工厂的现有生产条件，以及设备更新的成本等因素。

9结束语

对于这个设计题目，其方法和成果早已非常成熟和完善，但对于大学本科，尤其是机械或机电专业的学生而言，此题目是一个非常好的题目。

通过本课题的训练，掌握了一般机械设计的流程，机械设计方案的设计的方法，了解了方案优化的原则，以及机械设计中问题解决方法，复习巩固了以前所学的知识，为今后的工作学习打下了坚实的基础。

同时学习到了很多新的知识，了解了工业机械手的发展、应用及其发展的动态，知道了目前工业机械手中应用的新技术。

本课题机械手的机身设计成机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。

臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手。

臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。

升降过程由电动机带动螺柱旋转。

由螺柱配合导致了手臂的上下运动。

手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。

自由度少，动作简单，同时考虑到工业行业生产的特点和工厂的现有生产条件，以及设备更新的成本等因素，设计中采用了标准件及通用件。

这样使得机械手的设计简单，制造安装容易，使用维护方便。

通过这次设计，提高了我分析和解决问题的能力，扩宽和深化了学过的知识，掌握了设计的一般程序规范和方法，