自动上下料机械手设计.docx
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自动上下料机械手设计
自动上下料机械手的设计
摘要
随着机电一体化技术和计算机技术的应用，机械手的研究和开发水平获得了迅猛的发展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域，特别是工业机械手在生产加工中的应用。
机械手是近代自动控制领域中出现的一种新型技术装备，它能模仿人体上肢某些动作，在生产中代替人搬运物体或操持工具进行动作，已成为现代机械制造系统中的一个重要组成部分。
本次设计主要设计自动上下料的机械
手，该系统采用液压驱动，传动平稳，且易于控制，控制系统采用一般PLC所具有的位移寄存器和位移指令来编程。
关键词：
机械手，液压驱动，控制系统
1绪论1
2工业机械手的设计方案.2
2.1工业机械手的组成2
2.2上下料机械手的工作原理3
2.3规格参数的选择3
2.4设计路线与方案4
2.4.1机械手的总体设计方案.4
2.4.2设计步骤.4
2.4.3研究方法和措施.4
3机械手各部分的计算与分析.5
3.1手部计算与分析5
3.1.1滑槽杠杆式手部设计的基本要求.5
3.1.2手部的计算和分析.5
3.2腕部计算与分析12
3.2.1腕部设计的基本要求.12
3.2.2腕部回转力矩的计算.13
3.2.3腕部摆动油缸设计.16
3.2.4选键并校核强度.18
3.3臂部计算与分析18
3.3.1臂部设计的基本要求.18
3.3.2手臂的设计计算.20
3.4机身计算与分析28
4液压系统设计.29
4.1液压系统总体设计29
4.2液压元件的选择29
4.2.1液压缸.29
4.2.2液压泵的选取要求及其具体选取.31
4.2.3选择液压控制阀的原则.33
4.2.4选择液压辅助元件的要求.33
5液压元件的保养与维修.37
5.1液压元件的安装37
5.2液压系统的一般使用与维护37
5.3一般技术安全事项37
6结论.39
参考文献.40
致谢.41
附录.42
1绪论
工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的。
世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。
在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。
随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在各行各业中还在不断开辟着新用途。
机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。
上料机械手与卸料机械手相比，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。
例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达180mm最大抓握重量可达30公斤，最大行走距离为1200mm根据作业要求及载荷情况，机械手各关节运动速度可调。
移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。
整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。
电气控制系统采用OMRO可编程控制器，各种作业的实现可以通过编程实现。
机械手涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
它是一种能自动控制并可以从新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。
2工业机械手的设计方案
2.1工业机械手的组成
工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框
图：
图2-1工业机械手各部分关系图
执行机构：
执行机构包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。
（1）手部：
直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。
传动机构形式多样，常用的有：
滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。
（2）腕部：
是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。
（3）臂部：
手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。
手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定位置。
该设计的手臂有三个自由度，采用关节式坐标（绕横轴旋转，上下摆动和左右摆动）关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性，机械臂的结构性容易进行优化，便于提高机械手的动态操作性能。
（4）行走机构：
有的工业机械手带有行走机构。
驱动机构：
有气动，液动，电动和机械式四种形式。
控制系统：
有点位控制和连续控制两种方式。
机身：
它是整个工业机械手的基础。
机械手功能：
（1）它能部分的代替人工操作；
（2）它能按照生产工艺的要求遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；
（3）它能操作必要的机具进行焊接和装配。
2.2上下料机械手的工作原理
上下料机械手是一种专用的工业机械手，其执行程序一般是固化好的，或只能进行简单编程，所以机械手的动作是固定的，一种机械手只能供送一种或有限的几种物品，程序控制系统相对比较简单。
供送料机械手可看做是一种无料槽、滑道的供送料机构，它在一个位置（料槽）抓取物品（工件），然后将其搬运到另一个位置。
其基本动作是：
上料时，先由料槽中取出工件，带着工件到指定工位，将其放在工位上，返回；卸料时则从工位上取下工件，带走，放到料箱中。
上料时一般有位置及方位要求，而卸料时一般无严格要求，所以上料是关键。
要完成上述动作，上下料机械手的手爪必须到达两点（取料点—料槽；放料点—加工工位），这可通过机械手的手臂来实现。
手爪必须做两个动作（抓取料和放下料），这可通过机械手的手爪闭合、张开来实现。
方位要求一般通过机械手的手腕来满足供送料要求的运动，轨迹应该是：
直线下降—直线升起—平面圆弧摆动—直线下降。
2.3规格参数的选择
工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：
（1）抓重（又称臂力）：
额定抓取重量或称额定负荷，单位为公斤，本次设计要求抓重为25kg。
（2）自由度数目：
本次设计整机四个自由度，手臂三个自由度，手腕两个自由度。
（3）定位方式：
有固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其他各种位置设定和检测装置，本次设计选固定机械挡块定位。
（4）驱动方式：
有气动，液动，电动和机械式四种形式，本次设计选择液压驱动。
（5）手臂运动参数：
臂部上仰60度、下俯30度、回转220度。
（6）手腕运动参数：
腕部回转顺逆各180度。
（7）手指夹持范围和握力：
工件直径d<100mm。
（8）定位精度：
位置设定精度和重复定位精度。
2.4设计路线与方案
2.4.1机械手的总体设计方案
本课题是自动上下料机械手的设计，本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及液压系统方面的简单设计。
在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。
因此机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。
2.4.2设计步骤
（1）查阅相关资料；
（2）确定研究技术路线与方案构思；
（3）结构和运动学分析；
（4）根据所给技术参数进行计算；
（5）按所给规格，范围，性能进行分析，强度和运动学校核；
（6）绘制工作装配图草图；
（7）绘制总图及零件图等；
（8）总结问题进行分析和解决。
2.4.3研究方法和措施使用现在机械设计方法和液压传动技术进行设计，采用关节式坐标（四个自
由度，可以绕横，纵轴转动和上下左右摆动）。
液压驱动即是以油液的压力来驱动执行机构。
抓重能力大，结构小巧轻便，传动平稳，动作灵便，可无级调速，进行连续轨迹控制，易于实现直接驱动。
但因油的泄露对工作性能影响较大，故它对密封装置要求严格，且不宜在高温或低温下工作。
3机械手各部分的计算与分析
3.1手部计算与分析
手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。
夹持类最常见的主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。
夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置二部分组成，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴，盘，套类零件，一般情况下多采用两个手指。
手部示意图如下：
图3-1手部示意图
3.1.1滑槽杠杆式手部设计的基本要求
（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。
（2）手指应具有一定的开闭范围。
（3）应保证工件在手指内的夹持精度
（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高
（5）应考虑通用性和特殊要求。
3.1.2手部的计算和分析
（1）手部受力分析
图3-2手部受力图
（1）
图3-3手部受力图
（2）
（2）手指尺寸初步设定由拉杆的力平衡条件：
=0
P
2sin1
Fx0
Picos1=P2cos2
R1P
由M（F）0得Rh
NLab
hccospb*tg*N
又由工件的平均半径:
□37.5mm
2
初取V型手指的夹角2
120o,Lab55mm,2C100mm,b53mm,
Lcd53mm，滑杆总长h=170mm
（3）夹紧力计算
又由于工件的直径不影响其轴心的位置即定位误差为零，手指水平位置夹取
水平位置放置的工件。
由参考文献［2］中表2-1查得:
N=0.5G=0.5X25=12.5kg
（3—1）
又因为:
（3—2）
RNcos2
c
又因为:
cos2amin19.88kg
（3—3）
（3—4）
取安全系数K1.5,工作情况系数k21.5,传动机构的机械效率
0.9
19.88X.5X.5
50kg
实0.9
手指夹紧时：
夹紧缸活塞移动范围L=130mm其动作时间t=1.5s
（由机械
手的动作节拍时间得之），所以夹紧活塞移动得平均速度v为:
l13
t1.5
8.67cm.s
运动部件得总重估算G=10kg
夹紧力N与驱动力P的关系:
由于结构左右对称，在驱动力P的作用下，每一滑槽杠杆受力相等
在不计摩擦力的情况下:
i为夹紧状态得倾斜角i=50夹紧工件半径为50mm
—=38.9kg
2cos1
根据各力对回转支点Oi的力矩平衡条件，同样在不计摩擦力的情况下
C为杠杆动力臂，即驱动销对滑槽杠杆作用力pi对支点Oi的垂直距离。
又因为a=50mm
i2.5b宜壬
2cos50
12.5
当夹紧半径为25m的工件时，!
=70°
ca5^^146.2147mm
cos1cos70
Nb=
pc
p1c2
2cos1
Na
p2bcos21
12.550
502bcos250°
b243mm
（4）动作特性和传动特点
定位到最大行程时，50o
a
COSmax-
Lmax
则Lmax80mm取Lmax130mm
COSmax
又因为cosmax-，max60。
，滑槽杠杆手指最大开闭角为
2
围内变化:
a
2b
0.1
所以开始所初步取的a，b与均符合要求。
（5）确定夹紧油缸外径D
1驱动杆行程与手指开闭范围关系
1.2—分别为手指夹紧工件范围值时，滑槽相对于两支点连接的倾斜角
考虑到机构效率，传力比N/P的公式应力：
（3—5）
50N
25N
Na
P2bcos21
=0.9
又因为G=250N夹紧力F=500N,260°
则Ffsffw0.2250
Ffffw0.1250
式中：
Fw—工作负载即为重物重力Fw=250No
Ff—导轨摩擦阻力负载，对于平导轨Fff（GFRn）
FRn—垂直于导轨的工作负载，FRn二0o
f—导轨摩擦系数，取静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1
GFa
g
v
t
，一般取
t=0.01-0.5s，v
t时间内速度变化量:
Fa
255
4.23N
9.80.0560
启动：
F
FfsFa
54.23N
稳态：
F
FfaFw
275N
2工作压力P的确定，工作压力根据负载大小及机器的类型来初步确定。
参
阅参考文献⑸中表37.5按载荷选择工作压力为1MPao
3计算液压缸内径D和活塞杆直径d,由负载可知最大负载F为275N
根据液压系统设计手册表2-2取F2为0.5MPa，cm为0.95，d/D为0.7
又因为：
D
cm
0.0223m
（3—6）
P
根据参考文献［8］中表2-4,将液压缸内径圆整为标准系列直径D=25mni活塞杆直径按d/D=0.7及参考文献［8］中表2-5活塞直径系列取d=18mm
按工作要求夹紧力为一个夹紧缸提供，考虑到夹紧力的稳定性。
夹紧缸的工
作压力应大于复位弹簧的弹力。
又因为进油缸在有杆腔，则其有效工作面积：
A—D2d20.188cm2
4
4液压缸壁厚和外径计算：
（3—7）
PyD
2
py为最大工作压力P的1.5倍，py=1.5MPa
材料为高强度铸铁，=60MPa
3.125mm
D,D2252433mm
液压缸工作行程的确定，并参照参考文献［8］中表2-6中的系列尺寸选取标
准值S=100mm
5缸盖厚度的确定
一般液压缸为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求计算。
t0.433D2.Py（3—8）
t0.27mm
现取t=20mm
活塞的宽度B—般取
B=（0.6-1.0）D=0.6D=15mm
6夹紧缸弹簧的确定
弹簧工作载荷F=50N最大轴直径Dmax18mm,最小筒直径Dmin25mm
查参考文献⑸中表30.2-8圆柱螺旋压缩弹簧的尺寸及参数得
F变形量为7.075mn,单圈弹簧刚度k
材料直径d=2.5mm弹簧中径D=25mm节距P=10.4mm单圈弹簧工作极限载荷
Z
Gmaxd3（3—9）
8PmaxC
CDd
10
24.5N
/mm
o
C-直径比，G-弹簧材料的剪切弹性模量，钢材G=8105kgcm2，Pmax100N
计算得Z=110mml则活塞缸总长L=120mm
3.2腕部计算与分析
3.2.1腕部设计的基本要求
手腕部件置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步
改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，适应性更强。
手腕具有独立的自由度，此设计手腕有绕XW转动和沿XW左右摆动两个自由度。
手腕回转运动机构为回转油缸，摆动也采用回转油缸。
他的结构紧凑，灵活，自由度符
合设计要求，它要求严格密封才能保证稳定的输出转矩。
（1）腕部处于臂部的前端，它连同手部的动静载荷均由臂部承受。
腕部的结构、重量和动力载荷直接影响着臂部的结构、重量和运动性能。
因此在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。
（2）腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支承作用，除了保证力和运动的要求以及具有足够的强度和刚度外还应综合考虑合理布局腕部和手部的连接、腕部自由度的检测和位置检测、管线布置以及润滑、维修调整等问题。
（3）腕部设计应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀，压力油的粘度和燃点，有关材料及电控电测元件的耐热性等问题）。
腕部的结构如图3-5所示，它可做与手臂垂直方向（例如YW方向）横移，还可以绕Ytt或Z轴回转
图3-5手腕运动示意图
3.2.2腕部回转力矩的计算
腕部回转时，需要克服以下几种阻力：
（1）腕部回转支承处的摩擦力矩M摩：
由静力学平衡方程求得
M摩=fRQ!
R?
D2xkgfm（3—10）
2
式中：
D、D—轴承直径（m）
Ri、R—轴承处支反力（kgf-m）
f—轴承的摩擦系数，对于滚动轴承f=0.01-0.02
为简化计算取M摩0.1M总阻力矩
G!
—工件重量（kgf）
G2—手部重量（kgf）
G3—手腕转动件重量（kgf）
（2）克服由于G重心偏置所引起的力矩M偏：
M偏二Ge（kgf）（3—11）
式中e—工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m
（3）克服启动惯性，所需的力矩M惯
启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角加速度及启动所用的角速度
2
M惯=0.0175JJ工件（3—12）
2
式中：
J工件一工件对手腕回转轴线的转动惯量kgfms2
J—手腕回转部分对手腕回转轴线的转动惯量kgfms2
—手腕回转过程的角加速度秒
—启动过程所转过的角度（度）
手腕回转所需要的驱动力矩应当等于上述三项之和：
M总M偏M摩M惯
因为手腕回转部分的转动惯量J+J工件不是很大，手腕起动过程所产生的转
动力矩也不大，为了简化计算，可以将计算M偏，M摩适当放大，而省略掉M惯，
1设手指，手指驱动油缸及回转油缸转动件为一个等效圆柱体，L=50cm直
径D=10cm则m=27.5kg。
2摩擦阻力矩M摩二0.1M总阻力矩
③设起动过程所转过的角度起=20°,等速转动角速度100s
M偏二0.0175JJ工件
代入M惯=256（N-n）
M摩=o.1M总阻力矩
M摩=OHM总阻力矩+265
265
M=294.4kgm0.9
确定转轴的最小尺寸：
T60MPa,d15mm,取转轴直径d=40mm
④回转油缸所产生的驱动力矩计算
回转油缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩M总，机械手的手腕回转运
动所采用的单叶片回转油缸，其结构简图如图3-6所示，它的回转角小于360度。
定片2与缸体1固连，动片3与输出轴4固连，当a,b口分别进出油时，动片带动输出轴回转达到手腕回转目的。
图3-6叶片式摆动缸结构简图
22
（3—16）
M=pb（R-r）M总
总、
2
式中：
m总一手腕回转总的阻力矩（n・m
P—回转油缸的工作压力
r—缸体内径半径（cm
r—输出轴半径（cm
b—动片宽度
注：
可按外形要求或安装空间大小，先设定b,R,r中两个:
竺2，取空=3
D-dD-d
D=1.5-2.5,取-=2
dd
又因为d=40mm则D=80mmb=60mm
去顶回转油缸工作压力：
3.2.3腕部摆动油缸设计
（3—17）
偏离重心e的计算及M偏
估计L=45cme116cm,e>45cm,R5cm，m干29.7kg
e（m杆em件d）/m杆m件=30cm
克服重心偏置所需的力矩M偏Ge16.41（kgfm）
克服摩擦所需力矩M摩=0.1cm
克服运动惯性所需的力矩M惯:
222o
J杆=m（L3R）/12me,0.7654（kg-m-s2）
J件=me>2=250.452=5.1（kg-m-s2）
J总=5.8654（kg-m-s2）
M惯=JW/t
设w=500/s,起20o
M惯=0.0175J总w2/起=12.83（kgf•m）
则摆动所需的驱动力矩：
MM摩M偏M惯=32.14（kgf•m）
（3—18）
确定转轴的最小直径：
TtM驱/WT[T]
抗拒剖面摸量Wt存3（曲）
所需驱动力矩：
2
10.58kg/cm
2M总
总、
22~
b（R2r2）
由于系统工作压力远远大于此压力，因此该缸的工作压力足以克服摩擦力
3.2.4选键并校核强度
转轴直径d=40mm由参考文献⑸中GB1095-79选键为bh=128键校核如下公式：
3
p=2T10/kld[p]（3—19）
K—接触面的高度
k=0.4h=0.4x8=3.2mm
p=32.24mpa<[p]
转轴直径d=50mm由参考文献⑸中GB1095-79选键为bh=2010k=0.4h=0.4x10=4mm
p=13.208mpW[p]
取接方式：
静连接，轻微冲击，查得[p]=100Pa
所以满足要求
3.3臂部计算与分析
3.3.1臂部设计的基本要求
手臂部件是机械手的主要执行部件。
它的作用是支承腕部和手部（包括工作）,并带动它们作空间转动。
臂部运动的目的：
把手部送到空间范围内的任意一点。
因此，臂部具有三个自由度才能满足基本要求：
即手臂绕横轴旋转，左右回转和俯仰运动。
手臂的各种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现，从背部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。
因而，它的结构，工作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。
机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。
臂部要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求：
（1）机械手臂式机身的承载
机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。
显然，伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度逾差，而且其刚度随支臂杆的伸缩不断变化，对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。
为可提高刚度，尽量缩短臂杆的悬伸长度，还应注意：
1根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸
臂部和机身既受弯曲（而且不仅是一个方向的弯曲）也受扭转，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。
所以机械手常用工字钢或槽钢作为支撑板，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置，传动机构以及管道，有利于结构的紧凑，外形整齐。
2高支承刚度和选择支承间的距离臂部和机身的变形量不仅与本身刚度有关，而且同支撑的刚度和支撑件间距
离有很大关系，要提高刚度，除从支座的结构形状，底板的刚度以及支座与底版的连接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。
3合理布置作用力的位置和方向在结构设计时，应结合具体受力情况，设法使各作用力的变形相互抵消。
a）设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理，确定调整补偿环节，以及减少重要不见的间隙，从而提高刚度。
b）水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位
置精度，使导向杆承受部分或者大部分自重。
c）提高活塞和刚体内径配合精度，以提高手臂俯仰的刚度。
（2）臂部运动速度要高，惯性要小
机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一，它反映机械手的生产水平，
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