搬运机械手的设计概述.docx

1、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、

2、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，PLCAbstractThis topic design for general cylindrical coordinate manipulator. Industrial machinery hand is the inevitable product of industrial production, it is a cop

3、y of the upper part of the human body functions, in accordance with a predetermined transfer request or the workpiece hold the tools to operate the equipment automation technology, to achieve industrial production automation, the promotion of industrial production of the further development plays an

4、 important role in. So they have strong vitality of the people by the extensive attention and welcome. Practice has proved, the industrial robot can replace the staff of the heavy labor, significantly reduced labor intensity of workers, improve working conditions, improve labor productivity and the

5、level of automation. Industrial production often appears in the bulky workpiece handling and frequent long-term, monotonous operation, a mechanical hand to be effective. In addition, it can be in high temperature, low temperature, water, the universe, radioactive and other toxic, pollution of the en

6、vironment under the conditions of operation, but also show its superiority, there are broad development prospects.Through the mechanical hand for structure design and the hydraulic transmission principle design, it can realize the automatic feeding, automatic handling bar. The manipulator motion spe

7、ed is to meet the requirements to set the productivity.Key words: manipulator, gripper, wrist, arm, hydraulic, PLC分享到 翻译结果重试抱歉，系统响应超时，请稍后再试 支持中英、中日在线互译 支持网页翻译，在输入框输入网页地址即可 提供一键清空、复制功能、支持双语对照查看，使您体验更加流畅第一章 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

8、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

9、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 X 400mm 小于250mm/s升降 Z 300mm 小于70mm/s回转 0120 小于90/s手腕运动参数

10、 回转 行程范围 0180 速度 小于90/s手指夹持范围：棒料，直径5070mm，长度4501200mm 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

11、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

12、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=。根

13、据销轴的力平衡条件，即 Fx=0,P1=P2;Fy=0P=2P1cosP1=P/2cos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P1h=Nb因 h=a/cos所以 P=2b(cos)N/a式中 a手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。 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，角增大则握力N也随之增加，但角过大会导致拉杆（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

14、=3040。这里取角=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/式中 手部的机械效率，一般取0.850.95； K1安全系数，一般取1.22 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

15、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,=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(cos)N/a 得P=P计算=245/27(cos30) 49=122.5(N)P实际=P计算K1K2/取=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1则 P实际=122.51.51.1/0.85=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

16、，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0180，即90 角速度W小于90/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

17、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 摩擦阻力矩M摩M摩 =（N1D1+N2D2）

18、 （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=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=98N e=0.020时M摩 =0.1（2000.035+8000.054）/2得 M摩 =2.50（N.m） 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏 M偏 =G1 e （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 （Nm） 腕部

19、启动时的惯性阻力矩M惯 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） （Nm） 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（kgm） J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量 （kgm） 按已知计算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2故 M惯 = 1.3（Nm） 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） （Nm） 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，

20、可取M =1.11.2 （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=400mm1.手臂右腔工作压力，公式得：P=（F+ F摩）/S式中：F取

21、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=0.6MPaS=（F+ F摩）/P =（5510+1800）/0.6=3917mm由S=R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80mm2.手臂右腔流量，公式得：Qmax=sv =25040 =1256000.65mm/s =1256ml/s2.4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

22、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：

23、（） 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0210 角速度W小于90/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

24、求：回转0210 角速度W小于90/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=FS =10000.25=250（NM）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=1.2则M总= M2=2501.2=300（NM）由公式T=Pb（A1-mm）106/8其中： b叶片密度，这里取b=3cm；A1摆动缸内径, 这里取A1=15cm；mm转轴直径, 这里取mm=6cm。所以代入公式P=8

25、T/b（A1-mm）106 =8300/0.03（0.15-0.06）106=4.23Mpa由W=8Q/（A1-mm）b所以 Q=W（A1-mm）b/8 =（/4）（0.15-0.06）0.03/8=0.5610-4m/s=56ml/s2.5.2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0180（90） 工作压力2.71MPa 流量35ml/s 速度小于90/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

26、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0210 工作压力4.23MPa 流量56ml/s 速度小于90/s2.6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3270ml/r之间，即900mm/s2100mm/s，可以满足需要。2.验算腕部摆动缸：T=Pb（A1-mm）m106/8W=8v/（A1-mm）b式中

27、：m机械效率取： 0.850.9v容积效率取： 0.70.95所以代入公式得：T=2.710.03（0.12-0.05）0.85106/8=102.8（NM）TM=121（NM）代入公式得：Wmax=（83510-6）0.85/（0.12-0.05）0.03 =0.667rad/sW/21.57rad/s因此，取腕部回转油缸工作压力 P=3Mpa流量 Q=40ml/s3.验算手臂回转摆动缸：T=Pb（A1-mm）m106/8W=8v/（A1-mm）b式中：m机械效率取： 0.850.9v容积效率取： 0.70.95所以代入公式得：T=4.230.03（0.15-0.06）0.85106/8 =

28、254.8（NM）TM总=300（NM）代入公式得：Wmax=（85610-6）0.85/（0.15-0.06）0.03=0.672rad/sW/21.57rad/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P=4.5Mpa 流量Q=300ml/s小臂伸缩缸工作压力P=0.6Mpa 流量Q=1300ml/s手臂升降缸工作压力P=0.6Mpa 流量Q=600ml/s4.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3270ml/r之间。选取1500ml/s（90L/min）为额定流

29、量的泵因此：传动功率 功率=压力流量/（60效率） N=PQ/ 式中：=0.8 （经验值）所以代入公式得：N=1090/（600.8）=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