机械手夹具设计机械设计制造及其自动化.docx
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机械手夹具设计机械设计制造及其自动化
本科毕业设计
机械手夹具设计
ManipulatorFixtureDesign
摘要
在现代社会的制造业当中，一般企业为了提高生产效率，都会重视生产过程当中的自动化程度。
自动化程度越高，生产效率也就越高。
工业机械手是我在自动化生产过程中的一种具有抓放和移动工件功能的一种新型装置。
该设计是生产线上的自动化模块工装上下料机械手，实现模块的自动化。
该机械手能够实现伸缩、夹取、放松和升降等一系列动作，是模.
仿人和臂的某些动作功能根据固定的程序来进行一系列的自动操作装置。
在自此设计当中驱动方式选用为液压驱动。
选用液压装置可以避免因为过载而导致的损坏，液压装置的使用能够准确的实现机械手的一系列动作，同时液压装置的稳定性比较高。
机械手、液压系统在整体程度上具有安全、高效、经济等特点。
设计的机械手夹具中使用的是两指式夹具。
腕部的使用能够很大程度上增加机械手的灵活性，加上机械臂的伸缩功能一共具有四个自in度，能够充分的实现机械手的I」的性功能。
在机械臂的底盘上装有多个行程开关，能够比较准确的控制机械手的位置定位，从而完成机械手的顺序动作。
设计的驱动系统当中也广泛的使用到了各种电磁阀来控制液压流量，从而可以大幅度的调节机械手的动作速度。
还装有各种节流阀和缓冲元件来减小快速换向带来的冲击力。
通过上述工作，机械手最终能够按照控制程序的要求来进行运动，完成代替人工的重复性操作，从而在生产制造当中大幅度的提高生产效率，实现模块的自动化。
关键词：
液压装置；机械手夹具；机械臂
DesignofFixtureforManipulator
ABSTRACT
Inthemanufacturingindustryofmodernsociety,inordertoimprovetheproductionefficiency,thegeneralenterpriseswillpayattentiontothedegreeofautomationintheproductionprocess・Thehigherthedegreeofautomation,thehighertheproductionefficiency.Industrialmanipulatorisanewtypeofdevicewhichhasthefunctionofgraspingandmovingworkpieceintheprocessofautomaticproduction・Thedesignistheautomaticmoduleontheproductionline,theloadingandunloadingmanipulator,torealizetheautomationofthemodule・
Themanipulatoriscapableofrealizingaseriesofactionssuchasexpansion,clamping,looseningandlifting,andisaseriesofautomaticoperatingdevicesthatimitatescertainactionfunctionsofapersonandanarmaccordingtoafixedprogram.Inthatdesign,thedrivemodeisselectedasahydraulicdrive・Thehydraulicdevicecanavoidthedamagecausedbytheoverload,theuseofthehydraulicdevicecanaccuratelyrealizeaseriesofactionsofthemanipulator,andthestabilityofthehydraulicdeviceishigh・Themanipulatorandthehydraulicsystemhavethecharacteristicsofsafety,highefficiency,economyandthelikeonthewholedegree・
Thetwo-fingerfixtureisusedinthedesignedmanipulatorfixture.Theuseofwristcangreatlyincreasetheflexibilityofthemanipulator,andthetelescopicfunctionofthemanipulatorhasatotaloffourdegreesoffreedom,whichcanfullyrealizethepurposefulfunctionofthemanipulator.Multiplestrokeswitchesareinstalledonthechassisofthemanipulator,whichcanaccuratelycontrolthepositionandpositioningofthemanipulator,soastocompletethesequentialactionofthemanipulator.
Allkindsofsolenoidvalvesarewidelyusedinthedesigneddrivesystemtocontrolthehydraulicflow,sothatthespeedofthemanipulatorcanbeadjustedgreatly.Avarietyofthrottlevalvesandcushioningelementsarealsoinstalledtoreducetheimpactofrapidreversing・
Keywords:
HydraulicdeviceManipulatorclampMechanicalarm
1弓I言2
2夹持器4
2.1夹持器设计的要求4
2.2夹持器结构设计4
3腕部9
3.1腕部结构的要求9
3.2一个自由度回转缸驱动的腕部结构9
3.3腕部结构计算10
全部都选用半粗羊毛毡毡圈油环来进行密封。
13
4伸缩臂设计14
4.1伸缩臂设计的基本要求14
4.2方案设计14
4.3伸缩臂机构的结构设计15
5驱动系统24
5.1驱动系统设计要求24
5.2驱动系统的设计方案24
5.3驱动系统设计24
5.5液压系统验算28
5.6液压系统图28
6结论30
参考文献31
致谢32
1引言
机械手可以通过程序来完成各种所预期的动作任务，体现出了人的智能型和适应性。
机械手动作具有稳定性和在各种环境下工作的适应性，在经济发展的各个领域都具有着广阔的发展前景。
机器人的研制现在己经成为了一门新兴的技术，促进了机械手的发展,是得各种各样的机械手都广泛出现在生活当中。
机械手的发展能更好的实现机械化和自动化的有机结合。
现在来说机械手虽然不能和人体一样的灵活，但是却不会疲劳，可以一直重复性的工作，不知疲倦。
在本次设计当中，首先是设计了其夹持器。
夹持器选用的是手指式夹持器，只具有抓取和松放功能，利用弹簧装置和液压装置共同作用。
其次分别设计了机械手腕部和机械手臂部，最后设计了液压驱动装置。
机械手腕部采用的是单自由度回转典型腕部结构，在一定程度上能够增加机械手的灵活性，增加了一个轴向转动的自由度，能实现夹具轴向转动。
设计的机械手臂部使用的是双作用液压缸驱动，能够实现机械手的轴向运动，伸长和收缩。
在其液压油路当中装有缓冲装置，能够大幅度的减小冲击力。
最后设计的液压装置当中采用到的软油管能够减小其震荡和磨损，不会对机械手产生较大的损害。
还采用到了各种电磁阀来控制回路，使其能够有序的进行动作。
2夹持器
2.1夹持器设计的要求
（1）具有良好的强度、刚度和工艺结构性；
（2）夹持器具有一定的夹持大小范围；
（3）具有一定的夹紧力和位置精度；
（4）方便、安全、减轻劳动强度；
（5）考虑其柔性化设计以及其它特需要求；
设计参数及要求
（1）手指式夹持器；采用回转型；
（2）工件直径大小为60mm,最大距离为120mm,夹持速度20mm/s；
（3）夹持器依靠法兰联结在机械手臂上，由液压缸来提供动力。
2.2夹持器结构设计
2.2.1夹紧装置
图2-1工件的夹持剖面图
夹紧力根据下列公式2-1来计算
Fn>KiK2K3G
（2-1）公式当中：
K1为一般安全系数，取值为1.6,由夹具体的结构工艺性来确定。
K2为工件情况系数，a为加速度大小，根据2-2计算：
o.oy
K2=l+—=1+——=1.002
g9.8（2-2）
K3为方位系数，
Kg_0.5sin
f
通过计算，可以得0=4,
G为工件的重力
可得出夹紧力Fn,Fn=KiK2K.^Mg=1.6x1.002x4x4x9.8=251.38176,取整数得到Fn=252N。
2bsina
驱动力和夹紧力的关系公式2-3：
（2-3）
可以得到―空沁=252x2x90xsi"=293.50N,夹持器的机械效c40
率为—般取值为0.8-0.9,现取值为0.85；考虑到一般都会有一
定的损耗，所以真实的驱动力F'得要大于理论计算值F；则可以计
算F十聘"口N取F，=600N。
C——滚珠至销轴的距离b——机械手爪至销轴的距离a——楔块的倾斜角单作用液压缸驱动力计算公式
F^=^（D2-d2）P
（2-4）
F7=600N,己知液压缸驱动力F‘，并且FvlOKN,所以选取工作压力大小为IMPa。
公式2-4当中：
D为活塞直径d为活塞杆直径，P为驱动压力根据公式2-4可以计算出液压缸的内径大小为：
D=
4x600
3.14x1
nun=27.65nun
通过查询《液压缸内径取值表》，表2-1,取值D二32mm。
表2T液斥缸内径取值表（mm）
8
40
125
320
50
■
（140）
400
12
63
160
500
16・
80
（180）
630
20
（90）
200
25
100
（220）
32
（110）
250
/1/o-L<（20-30）D吋“
缸筒的长度取L为150mm,
活塞的厚度B=（0.6〜1.0）D取B=0.7D=0.7x32mm=22.4mm,
活塞杆的直径
d=0.5D=0.5x32mm=16nun
夹持器为夹紧状态，机械手夹具夹持工件，手指夹具中的楔块移动距离为40mm,得到液压缸行程为S二40mm。
液压缸的流量计算
不夹取工件时的流量Q1
Q!
=£x（D2-d2）x-
qVi=A2Vi=-（
4
'322-162）x40x60x106=1.447L/min
夹取工件时的流量Q2
Q?
=qVi=AiVi=—D2x—=—x322x40x60x106=1.929L/min
4r4
选用的夹持器液压缸是宁波新佳行自动化工业有限公司所生产的轻型拉杆液压缸，型号为：
JXPC标准气缸行程为150mm缸径为32mm的DNC气缸。
结构简图，外形尺寸及技术要求如下图2-2：
崩翻
1緬舅
isitt
^M/Speciicaljons
32
40506380100
5讎
»
动耀武
7饉舲
Wfg
9為鑫雅0
齡（毗）
帧力
1.5HPa
l.OMPa
11卿2
O.IMPa
13ilM
耕
气耕轴
15耕删6
豔
17献臓
.8
Sffircfg
5卜伽毗
期丄㈡丿二琲目
G1/8H
G1/4WG3/8HGl/2n
乂本如NormalType
DNCS
图2-2液压缸
•Shxt
内徑
V:
）2
D5p7
EEE⑹［B
）4
KK
L2U__
L4
L5L6|L7
L8SW1SW2VD
YH
ZB
32
22bo
12
32.5M6
451/8~~t
5.2
加.25
41.662.8
4
26!
16!
3.3
ioho
16
26
120
40
24B5
16
38附
5411/48
5
卜112壮25
44
77
4
29.6tt6B.6
10.5^3
120
30
135
50
32KO
20
16.5用641/4*0
8.5
116*1.5
51
78
4
30jl75.1
11.517
27
37
143
63
32”5
20
56.5M8753/8*24
10
116*1.5
54
87
4
35.6”k・6
15tt7
;27
37
158
80
W*5
25
72|M10|933/8b・5
3
加.5
62.4
95.2
4
35.9”10.5
15.722
J34.7
46
174
100
40|55
25
89皿0
110阪|11.8
10
加・5
69.8
100.4
4
39|17|8
19.222
L0取2
51
189
图2・3液压缸尺寸
2.2.2夹持误差的分析
在机械手夹具设计当中，很大程度上机械手的准确性都是受到机械手的定位精度和夹持器的夹持误差所影响。
夹持误差不应该超过1mm,最终的误差与装置的加工精度和控制系统的补偿能力等有关。
适当的手部夹具结构参数能够在一定的程度上减小夹紧误差。
工件的直径是60mm,尺寸偏差为1mm,所以最大直径为65mm最小直径是55mm,平均直径为60mm。
当工件的半径为R0时，X去最小的值Xmin,还可以从上图得出：
Ro=lABsin6bo^,一般情况下通常20=120°Xmin=LABsinp如果说工件的半径Rmax缩小到Rmin的时候，就是夹持误差，可以用△来表示的。
可以加长手指的长度，用来减小夹持误差。
但是手指太长的话会让夹持器的结构变大：
从另外的一个方面来确定合适的转偏角0,让夹持误差减小，这个时候的转偏角是最佳转偏角。
当工件的半径R为R0的时候，误差达到最小。
两个支点回转型式的手爪可以来选择这时最佳的转偏角，不容易按照夹持误差最小的条件来决定偏转角0的大小，因为考虑到这个角度下可能会岀现抓取半径太小的工件时，手爪的BE和B，F这两条边会平行，导致抓取不到工件，所以会按照手爪抓取工件的平均值R来计算，因为ZBCD二90°,所以可以得到两个支点的回转型手爪的转偏角P，下方公式：
在这之中2a=80mm,LAB=70mm,V型钳夹角为20=120°代入公式当中可以得到：
0二65.27°
可以推断出
RO=LABsin&os0=70•sin60°•cos65.27°=31.17mm
可以知道Rmin分别带入公式求值可以得到：
Al=0.00247mm,A2=0.1532mm,因为△二所以夹
具的设计满足设计的要求，根据上述的值可以得到：
X=J—^（R・LABsin&os0），+（L2ABsin2/7-a2）=42.6524nun取值X二43mm°VsinP
3腕咅0
3.1腕部结构的要求
为了让机械手拥有轴向方向的转动，增大机械手臂的行程，让其机械手增加灵活性和柔性，所以手腕零部件的设置在手部和臂部之间的。
因为手部零部件拥有绕中轴回转运动的自由度，所以手部零部件具有独立的自由度。
（1）要求重量轻并且结构紧凑
影响手臂部的结构、运转性能和重量的有腕部的结构、动力载荷和重量。
所以在腕部的设计时，需要要求重量轻结构紧凑并且降低其重量。
（2）布局合理，结构紧凑
腕部除了保证力和运动的要求之外，还应该综合考虑，合理的布局，消除腕部和臂部与手部之间的连接。
结构的紧凑能够缩小腕部所占据的空间，增加其机械手的灵活性。
（3）工作条件
因为机械手的工作环境比较温和，所以机械手不太受到环境的影响，所以单从工作环境来说对于机械手没有太多的不利条件。
由于机械手的动力装置为液压装置，故工作环境对液压油也没有较大的影响。
3.2—个自由度回转缸驱动的腕部结构
动片用螺钉和销钉和转轴连接。
采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。
旋转角的极限值根据动、静片之间允许的角度（）一般来说小于270。
）来确定。
可以用位置定位：
挡块来控制腕部的旋转位置问题。
可以用电位器来对任意位置进行检测，通过反馈控制来确定任一位置。
只需要一个油路就可以来控制夹持器的抓取和放松，为了避免油路外泄和扭转，夹持器的油路是从回转中心进入，当腕部旋转动作的时候，油路任然可以通过。
有手部油管，两根用来提供腕部进行回转
动作的液压缸油管，一共三根油管来实现腕部的动作。
3.3腕部结构计算
3.3.1腕部的回转力矩计算
需要克服的阻力有：
（1）克服由于工作重心偏移所需要的力矩
M備移=Ge
e为手腕回转轴线到匸作重心的距离，己知e二10mm。
M備移=4x9.8x0.01N・m=0.392N・m
（2）克服启动惯性力矩M
根据回转速度3,启动过程中所转动的角度4）按照计算公式2-7：
M惯=（J+J匸作）
馆动（2-7）
J工作一一工作队手腕回转轴线的转动惯量
3——手腕回转过程当中的加速度
t启动一一启动过程的时间
J——手腕回转部分对腕回转轴线的转动惯量
将手部和腕部以及驱动液压缸看做成一个高度为200mm,直径大小为90mm的圆柱体，其重力估算；
G=龙x0.0452x0.2x7800kg/n?
x9.8N/Kg=97.26N,G二98No
（3）克服摩擦阻力矩M
（2-8）
M摩=—（FriDi+FrjD?
）
33.2回转液压缸所驱动力矩的计算
总阻力矩M总必须要小于回转液压缸所产生的驱动力矩。
3.3.3回转钢的内径计算
动片宽度的选择条件：
>2
可以得到如图2-4所示:
定片
动片
d=32mm,b二50mm。
33.4液压缸螺钉的计算
7TD
/rx0・08
~~2
=0.1256/z?
=125.6nun<150mm
螺钉的数量应该适合Z=2（个）受力截而危险截而上，螺钉所承受的拉力为工作拉力预参与预紧力的和。
计算:
80〃加-32nmr
4
=0.003436116m2
PS
106x0.003436116
9
=2267.84/V
F沪KJ取1.6。
F沪KF=1.6x2267.84—362&54N材料选用为Q235
240
—=160MPa
1.5
直径由下式3・2得出
14x1.3F
（3-2）
q兀0]
F为总拉力即F=F总
心亞耳严・3如9噪=7.8呗
V/r[b]Y3」4x160x2
安全系数n取1.5（1.5-2.2）,直径选择d二8mm.
3.3.5静片和输出轴间的连接螺钉
由于预紧力作用，将在接合而产生有摩擦力用来抵抗螺钉由于油液的冲击而产生的横向载荷，因为接合面不产生相对位移的前提来决定预紧力的大小。
通过公式3-3确定：
Pb（D2-d2）/4=M^=fF.Zi（M3）
仇为预紧力丿为摩擦系数取值0.15,，为接合面数，取匚2,Z=2,
D静片外径，d输出轴直径，通过公式3-4计算：
朕卄）
（3-4）
危险截而螺钉的强度条件为:
得到:
0.04x1x106
4x0.15x2x2
（0.082-0.032,
96.257V
材料选择为Q235
240
螺钉直径
取d=6mmo
选择两个M6的开槽盘头螺钉，GBITZM5x46。
3.3.6腕部的轴承选择
轴承所受径向的载荷大小为50N.采用两端支撑，两处都选用为深沟球轴承。
深沟球轴承的基木数据：
c严10KN,当量动载荷载荷系数几取Fr=50N，则
L,=—（―）^
p=50N,60/1p
N为转速，T二0.5S经过90回转：
n=60/-/minc=cr
球轴承£=3
出吃2.4x10"
"60x6050
远远大于轴承额定寿命10伽。
3・3・7材料及连接件，密封件选择
动片与输出轴的连接选用六角头螺栓，全螺纹，GBIT沁,M5xl6需要用到2个。
选用六角头螺栓，全螺纹，GB/T5783,M5xl6,来连接右端的轴承端盖与回转缸，需要用到4个螺栓。
选用六角头螺栓，全螺纹，GB/T5783,M5x31,来连接左缸盖与缸体及法兰盘，需用4个螺栓。
选用公称尺径为5mm的垫圈GB/T848来防松。
轴的左侧增加一个材料为HT200,尺寸大小如图3-2套筒用来进行定位。
Q
全部都选用半粗羊毛毡毡圈油环来进行密封。
4伸缩臂设计
4」伸缩臂设计的基本要求
底板固定在伸缩大臂上，伸缩臂的前端为法兰，用来安装机械手完成直线方向上的伸缩性动作。
（1）功能性要求
（2）可行性要求
（3）灵活性要求
（4）使用寿命要求
（5）工程学要求
（6）经济性要求
（7）安全保护和报警保护方面的要求
设计参数
（1）机械臂有效伸缩的长度：
350mm；
（2）单次伸出和缩回时间：
1.0〜2.5S；
（3）定位误差:
采用有多种定位方式，误差小于2mm；
4.2方案设计
液压缸液压驱动方案
（1）伸缩原理
因为需要回来两个运功，所以采用单杆双作用液压缸，采用节流阀来控制速度，在液压回路上采用缓冲油缸来进行缓冲。
采用位置极限定位，采用电磁换向阀，用来控制伸缩方向，采用导向杆导向用来防止转动。
（2）液压系统设计计算
参考《液压传动与控制》等相关的教材。
断续式的往复运动，所产生的冲击比较大，要考虑缓冲措施。
设计的计算参数以及要求：
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