搬运机械手的设计概述Word下载.docx

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工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。

此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。

通过对机械手进行结构设计和液压传动原理设计，它能实现自动上料运动，自动搬运棒料。

机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。

关键词：

搬运机械手,手爪,手腕,手臂,液压，PLC

Abstract

Thistopicdesignforgeneralcylindricalcoordinatemanipulator.Industrialmachineryhandistheinevitableproductofindustrialproduction,itisacopyoftheupperpartofthehumanbodyfunctions,inaccordancewithapredeterminedtransferrequestortheworkpieceholdthetoolstooperatetheequipmentautomationtechnology,toachieveindustrialproductionautomation,thepromotionofindustrialproductionofthefurtherdevelopmentplaysanimportantrolein.Sotheyhavestrongvitalityofthepeoplebytheextensiveattentionandwelcome.Practicehasproved,theindustrialrobotcanreplacethestaffoftheheavylabor,significantlyreducedlaborintensityofworkers,improveworkingconditions,improvelaborproductivityandthelevelofautomation.Industrialproductionoftenappearsinthebulkyworkpiecehandlingandfrequentlong-term,monotonousoperation,amechanicalhandtobeeffective.Inaddition,itcanbeinhightemperature,lowtemperature,water,theuniverse,radioactiveandothertoxic,pollutionoftheenvironmentundertheconditionsofoperation,butalsoshowitssuperiority,therearebroaddevelopmentprospects.

Throughthemechanicalhandforstructuredesignandthehydraulictransmissionprincipledesign,itcanrealizetheautomaticfeeding,automatichandlingbar.Themanipulatormotionspeedistomeettherequirementstosettheproductivity.

Keywords:

manipulator,gripper,wrist,arm,hydraulic,PLC

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第一章绪论

1.1搬运机械手的组成

搬运机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成

图1.1搬运机械手的动作顺序和检测元件、执行元件的布置示意图

1.执行机构：

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件

手部：

是机械手与工件接触的部件。

由于与物体接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。

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，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。

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。

手臂：

支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。

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。

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。

搬运机械手各系统相互之间的关系如方框图1.2所示。

图1.2机械手组成方框图

1.2设计的主要内容

设计通用圆柱坐标系机械手及控制系统。

设计中的机械手各动作由液压缸驱动，并有电磁阀控制，技术指标如下：

抓重：

50N-200N

自由度（四个自由度）

动作符号行程范围速度

伸缩X400mm小于250mm/s

升降Z300mm小于70mm/s

回转φ0——120º

小于90º

/s

手腕运动参数

回转φ行程范围0——180º

速度小于90º

手指夹持范围：

棒料，直径50——70mm，长度450——1200mm

定位精度：

±

3mm。

控制方式：

PLC

第二章搬运机械手执行机构的设计

2.1手部设计计算

2.1.1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，且不损坏棒料的已加工表面。

对于刚性很差的棒料夹紧力大小应该设计得可以调节，对于本应考虑采用自锁安全装置。

2、有足够的开闭范围

本机械手手部的手指有张开和闭合装置。

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，一般来说，工

作环境许可，开闭范围大一些较好，如图2.1所示。

图2.1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

对于夹紧机械手，根据工件的形状为圆形棒料，因此最常采用的是外卡式两指钳爪，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。

2.1.2拉紧装置原理

如图2.3所示：

油缸右腔停止进油时，弹簧力向右工件，油缸右腔进油时松开工件。

当油缸的右腔停止进油时，弹簧收到向右的力，使与弹簧相连的手部受到向右的拉力，从而使手爪合拢。

当油腔的右腔进油时，弹簧受到向左的压力，使与弹簧相连的手爪向外伸出，从而放松工件。

左出油口右进油口

图2.2缸示意简图

2.1.3手部驱动力的计算

图2.3手部受力分析

1.手指2.销轴3.拉杆4.指座

如图所示为滑槽式手部结构。

在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。

根据销轴的力平衡条件，即

∑Fx=0,P1=P2;

∑Fy=0

P=2P1cosα

P1=P/2cosα

销轴对手指的作用力为p1′。

手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。

由手指的力矩平衡条件，即∑m01（F）=0得

P1′h=Nb

因h=a/cosα

所以P=2b（cosα）

N/a

式中a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。

α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。

由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°

~40°

。

这里取角α=30度。

这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。

查《工业机械手设计基础》中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。

为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即：

P实际=PK1K2/η

式中η——手部的机械效率，一般取0.85~0.95；

K1——安全系数，一般取1.2~2

K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。

本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒

，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120°

α=30°

时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：

根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式

N=0.5G

把已知条件代入得当量夹紧力为

N=49（N）

由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式

P=2b（cosα）

N/a得

P=P计算=2×

45/27（cos30°

）

×

49=122.5（N）

P实际=P计算K1K2/η

取η=0.85,K1=1.5,K2=1+1000/9810≈1.1

则P实际=122.51×

.5×

1.1/0.85=238（N）

2.2腕部回转设计计算

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。

本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。

要求：

回转0——180º

，即±

90º

角速度W小于90º

以最大负荷计算

2.2.1腕部的结构形式

本搬运机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构