搬运机械手的设计概述.docx

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搬运机械手的设计概述

毕业设计（论文）

（说明书）

题目：

搬运机械手的设计

姓名：

编号：

XXXXX学院

年月日

摘要

本课题设计的为通用圆柱坐标系机械手。

工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。

因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。

实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。

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/s

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/s

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，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为±115°.

如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。

夹紧缸体也指座固连成一体。

当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。

图2.4机械手的腕部结构

2.2.2手腕驱动力矩的计算

驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。

手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算：

M驱=M惯+M偏+M摩（N.m）

式中M驱——驱动手腕转动的驱动力矩

M惯——惯性力矩（N.m）

M偏——参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩（N.m）

M摩——手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩（N.m）

图2.5腕部回转力矩计算图

⑴摩擦阻力矩M摩

M摩=

（N1D1+N2D2）（N.m）

式中f——轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.02，滑动轴承取f=0.1；

N1、N2——轴承支承反力（N）；

D1、D2——轴承直径（m）

由设计知D1=0.035mD2=0.054mN1=800NN2=200NG1=98Ne=0.020时

M摩=0.1×（200×0.035+800×0.054）/2

得M摩=2.50（N.m）

⑵工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏

M偏=G1e（N.m）

式中G1——工件重量（N）

e——偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M偏为零

当e=0.020，G1=98N时

M偏=1.96（N·m）

⑶腕部启动时的惯性阻力矩M惯

①当知道手腕回转角速度

时，可用下式计算M惯

M惯=（J+J工件）

（N·m）

式中

——手腕回转角速度（1/s）

T——手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运动）

J——手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kg·m

）

J工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量（kg·m

）

按已知计算得J=2.5，J工件=6.25，

=0.3m/m

t=2

故M惯=1.3（N·m）

②当知道启动过程所转过的角度

时，也可以用下面的公式计算M惯：

M惯=（J+J工件）

（N·m）

式中

——启动过程所转过的角度（rad）;

——手腕回转角速度（1/s）。

考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些，可取

M=1.1~1.2（M惯+M偏+M摩）（N.m）

M=1.2（2.5+1.96+1.3）=6.9（N.m）

2.3手臂伸缩机构设计计算

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。

臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。

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。

手臂的伸缩速度为小于250m/s

行程L=400mm

1.手臂右腔工作压力，公式得：

P=（F+F摩）/S

式中：

F——取工件重和手臂活动部件总重，估算F=30+25=55kg，F摩=1800N。

所以代入公式得：

F=2350N

由课本《液压与气压传动》表9-2表得：

负载小于5KN时，工作压力小于0.8MPa，取P=0.6MPa

S=（F+F摩）/P

=（55×10+1800）/0.6

=3917mm²

由S=πR²得R=

=35.3mm则D=70.6mm

由课本《液压与气压传动》查表4-2得直径为80mm

2.手臂右腔流量，公式得：

Qmax=sv

=250×π×40²

=1256000.65mm³/s

=1256ml/s

2.4手臂升降机构设计

手臂执行机械手动作，实现机械手功能，通过升降机构可以实现机械手整体的上升与下降，联接手爪可以实现货物的上升与下降。

由于手臂重量较大，因此，升降需要导向和支撑部件来实现功能。

手臂的升降速度小于70mm/s，行程为300mm，符号为Z

手臂回转气缸的尺寸设计与校核

手臂升降机构如图2.6

图2.6手臂升降机构

工作原理：

当液压油从下端油口输入时，升降液压缸将做上升运动，液压油从上端油口回油；当液压油从上端油口进油时，液压缸做下降运动，液压油从下端油口回油

2.4.1尺寸设计

气缸长度设计为

气缸内径为

半径R=105mm,轴径

半径

气缸运行角速度

=

，加速度时间

0.5s,压强

则力矩：

2.4.2尺寸校核

测定参与手臂转动的部件的质量

分析部件的质量分布情况，

质量密度等效分布在一个半径

的圆盘上，那么转动惯量：

（

）

考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数

总驱动力矩

设计尺寸满足使用要求。

2.5手臂回转机构设计

本课题手臂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手臂结构。

要求：

回转0——210º

角速度W小于90º/s

以最大负荷计算：

当工件装夹在手爪上，伸缩手臂处于最大长度时，采用估算法，总重为100Kg，伸缩液压缸伸出总长度L=800mm。

图2.7手臂回转机构

回转液压缸的工作原理：

改回转液压缸为，轴不转动，缸桶转动。

轴当液压油从B侧进入时，回转液压缸缸桶逆时针转动；当液压油从A侧进入时，回转液压缸缸桶顺时针转动

本课题手臂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手臂结构。

要求：

回转0——210º

角速度W小于90º/s

以最大负荷计算：

当工件装夹在手爪上，伸缩手臂处于最大长度时，采用估算法，总重为100Kg，伸缩液压缸伸出总长度L=800mm。

2.5.1计算扭矩M1

设重力集中于离手指中心250mm处，假设所夹的重物的重力为F，即扭矩M2为：

M2=F×S

=1000×0.25=250（N·M）

由于有油缸配件、摆动缸的摩擦力矩的存在，暂且在计算力矩的基础上乘以系数φ=1.2则

M总=φM2=250×1.2=300（N·M）

由公式

T=P×b（ΦA1²-Φmm²）×106/8

其中：

b—叶片密度，这里取b=3cm；

ΦA1—摆动缸内径,这里取ΦA1=15cm；

Φmm—转轴直径,这里取Φmm=6cm。

所以代入公式

P=8T/b（ΦA1²-Φmm²）×106

=8×300/0.03×（0.15²-0.06²）×106

=4.23Mpa

由W=8Q/（ΦA1²-Φmm²）b

所以

Q=W（ΦA1²-Φmm²）b/8

=（π/4）（0.15²-0.06²）×0.03/8

=0.56×10-4m³/s

=56ml/s

2.5.2机构工作参数总结：

手部抓紧直径70mm行程50mm工作压力4.18MPa流量251.2ml/s

速度50mm/s

腕部回转内径120mm转轴直径50mm行程0——180º（±90º）

工作压力2.71MPa流量35ml/s速度小于90º/s

小臂伸缩内径80mm行程400mm工作压力0.6MPa流量1256ml/s

速度小于250m/s

手臂升降内径100mm行程300mm工作压力0.6MPa速度小于70mm/s

流量549.5ml

手臂回转内径150mm转轴直径60mm行程0——210º工作压力4.23MPa

流量56ml/s速度小于90º/s

2.6液压泵的初选择

1.根据小节2.5.2中计算所得参数可知

所需液压最高压力

P=4.23Mpa　　　　　　　　　　　　　　　

所需液压最大流量

Q=1256ml/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，工作流量Q在32—70ml/r之间，即900mm/s——2100mm/s，可以满足需要。

2.验算腕部摆动缸：

T=Pb（ΦA1²-Φmm²）ηm×106/8

W=8θηv/（ΦA1²-Φmm²）b

式中：

ηm—机械效率取：

0.85～0.9

ηv—容积效率取：

0.7～0.95

所以代入公式得：

T=2.71×0.03×（0.12²-0.05²）×0.85×106/8

=102.8（N·M）

T

代入公式得：

Wmax=（8×35×10-6）×0.85/（0.12²-0.05²）×0.03

=0.667rad/s

W<π/2≈1.57rad/s

因此，取腕部回转油缸工作压力P=3Mpa流量Q=40ml/s

3.验算手臂回转摆动缸：

T=Pb（ΦA1²-Φmm²）ηm×106/8

W=8θηv/（ΦA1²-Φmm²）b

式中：

ηm—机械效率取：

0.85～0.9

ηv—容积效率取：

0.7～0.95

所以代入公式得：

T=4.23×0.03×（0.15²-0.06²）×0.85×106/8

=254.8（N·M）

T

代入公式得：

Wmax=（8×56×10-6）×0.85/（0.15²-0.06²）×0.03

=0.672rad/s

W<π/2≈1.57rad/s

因此，取腕部回转油缸工作压力P=5Mpa

流量Q=60ml/s

圆整其他缸的数值：

手部抓取缸工作压力PⅠ=4.5Mpa

流量QⅠ=300ml/s

小臂伸缩缸工作压力PⅠ=0.6Mpa

流量QⅠ=1300ml/s

手臂升降缸工作压力PⅠ=0.6Mpa

流量QⅠ=600ml/s

4.确定电机规格：

通过对液压泵的型号的确定，液压泵选取CB-D型液压泵，额定压力P=10Mpa，工作流量在32～70ml/r之间。

选取1500ml/s（90L/min）为额定流量的泵

因此：

传动功率功率=压力×流量/（60×效率）

N=P×Q/η　　　　　

式中：

η=0.8（经验值）

所以代入公式得：

N=10×90/（60×0.8）

=18.75KW

选取380V交流异步电动机的额定功率20KW，转速为2940r/min。

第三章搬运机械手驱动系统的设计

经过比较分析以及工业上的应用，驱动系统的设计采用液压驱动装置

3.1手部抓取缸

图3.1钳式手爪缸液压原理图

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，需装调速阀，流量定为300ml/s，工作压力P=5Mpa。

采用：

YF-B10B溢流阀2FRM5-20/102调速阀

23E1-10B二位三通阀

3.2腕部摆动液压回路

图3.2腕部摆动液压回路

工作压力P=3Mpa流量Q=40ml/s

采用：

2FRM5-20/102调速阀

34E1-10B三位四通换向阀

YF-B10B溢流阀

3.3手臂伸缩液压缸回路

图3.3手臂伸缩液压缸回路

工作压力P=0