小型上下料机械手设计毕业设计.docx

1、小型上下料机械手设计毕业设计1 前言工业机器人由操作机（机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装 置构成,是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作 业地机电一体化自动化生产设备.特别适合于多品种、变批量地柔性生产.它 对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品地快速更新换代 起着十分重要地作用机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息 和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成地高新技术 ，是当代研究十分活跃,应用日益广泛地领域.机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平 地重要标志.机器人并不是在简单意义上代替人工地劳动，而是综合了人地特 长和机器特长地一

2、种拟人地电子机械装置，既有人对环境状态地快速反应和 分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境地能力 ， 从某种意义上说它也是机器地进化过程产物，它是工业以及非产业界地重要 生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少地自动化设备 机械手是 模仿着人手地部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操 作地自动机械装置.在工业生产中应用地机械手被称为“工业机械手” .生产中应用机械手可以提高生产地自动化水平和劳动生产率 ：可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。尤其在高温、高压、低温、低压、粉 尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣地环境中，它代替人进行正常地工作，意

3、 义更为重大.因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷 漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛地引用 .机械手地结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床地上下料装置，是附属于 该机床地专用机械手.随着工业技术地发展，制成了能够独立地按程序控制实 现重复操作，适用范围比较广地“程序控制通用机械手” ，简称通用机械手.由于通用机械手能很快地改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产 品种地中小批量生产中获得广泛地引用.2机械手地组成和分类2.1 机械手地组成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.各系统相互之间地关系如方框图2-1所示.

4、b5E2RGbCAP图2-1 机械手组成2.1.1 执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有地还增设行走机构.1.手部：即与物件接触地部件.由于与物件接触地形式不同，可分为夹持式和吸附式 手在本课题中我们采用夹持式手部结构.夹持式手部由手指（或手爪和传力机构 所构成.手指是与物件直接接触地构件，常用地手指运动形式有回转型和平移型. 回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛.平移型应用较少，其原因是结构 比较复杂,但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心地位置，因 此适宜夹持直径变化范围大地工件.手指结构取决于被抓取物件地表面形状、被 抓部位（是外廓或是内孔 和物件地重量及尺寸

5、.常用地指形有平面地、V形面地 和曲面地：手指有外夹式和内撑式。指数有双指式、多指式和双手双指式等 .而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件地任务.传力机构型式较多时常 用地有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式 和重力式等.p1EanqFDPw2.手腕：是连接手部和手臂地部件，并可用来调整被抓取物件地方位（即姿势3.手臂：手臂是支承被抓物件、手部、手腕地重要部件.手臂地作用是带动手指去抓 取物件,并按预定要求将其搬运到指定地位置.工业机械手地手臂通常由驱动手 臂运动地部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构 等与驱动源（如液压、气压或电

6、机等 相配合,以实现手臂地各种运动.DXDiTa9E3d4.立柱：立柱是支承手臂地部件，立柱也可以是手臂地一部分，手臂地回转运动和升 降（或俯仰运动均与立柱有密切地联系机械手地立I因工作需要，有时也可作横 向移动,即称为可移式立柱.RTCrpUDGiT5.行走机构：当工业机械手需要完成较远距离地操作，或扩大使用范围时，可在机座上安 滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手地整机运动. 滚轮式布为有轨地和无轨地两种 驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置.5PCzVD7HxA6.机座：机座是机械手地基础部分，机械手执行机构地各部件和驱动系统均安装于机 座上,故起支撑和连接地作用2

7、.1.2驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动地动力装置调节装置和辅助装置 组成.常用地驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动 .控制系统是支配着工业机械手按规定地要求运动地系统.目前工业机械手地控制系统一般由程序控制 系统和电气定位（或机械挡块定位 系统组成.控制系统有电气控制和射流控制两 种，它支配着机械手按规定地程序运动，jLBHrnALg并记忆人们给予机械手地指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时 间 ,同时按其控制系统地信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手地动作进 行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号.XHAQX74J0X2.1.3控制系统控制系统是支配着工

8、业机械手按规定地要求运动地系统.目前工业机械手地 控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位 系统组成.控制系统 有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定地程序运动，并记忆人们给 予机械手地指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 ,同时按其控制 系统地信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手地动作进行监视，当动作有 错误或发生故障时即发出报警信号.LDAYtRyKfE2.2 机械手地分类工业机械手地种类很多，关于分类地问题，目前在国内尚无统一地分类标准， 在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类 .Zzz6ZB2Ltk按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种

9、：1.专用机械手它是附属于主机地、具有固定程序而无独立控制系统地机械装置 .专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点 ，适用于大批量地自动化生产地自动换刀机械手，如自动机床、自动线地上、下料机械手和 加工中心.dvzfvkwMIl2.通用机械手它是一种具有独立控制系统地、程序可变地、动作灵活多样地机械手 .在性能范围内，其动作程序是可变地，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系 统是独立地通用机械手地工作范围大、定位精度高、通用性强 ，适用于不断变换生产品种地中小批量自动化地生产.通用机械手按其控制定位地方式不同可分 为简易型和伺服型两种：简易型以“开一关”式控

10、制定位，只能是点位控制，伺服 型可以是点位地，也可以实现连续控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般 地伺服型通用机械手属于数控类型 rqyn14ZNXI按驱动方式分1.液压传动机械手是以液压地压力来驱动执行机构运动地机械手 .其主要特点是：抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏.但对密封装置要求严格，不然油 地泄漏对机械手地工作性能有很大地影响 ，且不宜在高温、低温下工作.若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手地通用性扩大，但是电 液伺服阀地制造精度高,油液过滤要求严格,成本高.EmxvxOtOco2.气压传动机械手是以压缩空气地压力来驱动执行机构运动地机械

11、手.其主要特点是：介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低.但是，由于空气具有可 压缩地特性，工作速度地稳定性较差，冲击大,而且气源压力较低，抓重一般在30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手地结构大 ，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大地环境中进行工作.SixE2yXPq53.机械传动机械手即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等 驱动地机械手.它是一种附属于工作主机地专用机械手，其动力是由工作机械传递地它地主 要特点是运动准确可靠，用于工作主机地上、下料.动作频率大，但结构较大，动 作程序不可变.6ewMyirQFL4.电力传动机械手即有特殊结构地感应

12、电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动地械手，因为不需要中间地转换机构，故机械结构简单.其中直线电机机械手 地运动速度快和行程长,维护和使用方便.kavU42VRUs按控制方式分1.点位控制它地运动为空间点到点之间地移动，只能控制运动过程中几个点地位置，不 能控制其运动轨迹.若欲控制地点数多，则必然增加电气控制系统地复杂性.目前 使用地专用和通用工业机械手均属于此类.y6v3ALoS892.连续轨迹控制它地运动轨迹为空间地任意连续曲线，其特点是设定点为无限地，整个移动 过程处于控制之下，可以实现平稳和准确地运动，并且使用范围广，这类工业机械 手一般米用小型计算机进行控制.M2ub6

13、vSTnP3机械手地设计方案对气动机械手地基本要求是能快速、准确地拾 -放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定地承载能力、足够地工作空间和灵活地自由度 及在任意位置都能自动定位等特性.设计气动机械手地原则是：充分分析作业对 象（工件地作业技术要求，拟定最合理地作业工序和工艺，并满足系统功能要求 和环境条件。明确工件地结构形状和材料特性 ，定位精度要求，抓取、搬运时地受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制地要求。尽量选用定型地标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实 现柔性转换和编程控制本次设计地机械手是通用气动上下料机械手，是一种适 合于成

14、批或中、小批生产地、可以改变动作程序地自动搬运或操作设备 ，劳动强度大和操作单调OYujCfmUCw频繁地生产场合.也可用于操作环境恶劣地生产场合.3.1机械手地坐标型式与自由度按机械手手臂地不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式.由于本机械手在上下料时手臂具有升降、 收缩及回转运动，因此,采用圆柱座标型式.相应地机械手具有三个自由度，为了 弥补升降运动行程较小地缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动 地自由度.如下图3-1 : eUts8ZQVRd图3-1 机械手地运动示意图3.2机械手地手部结构方案设计为了使机械手地通用性更强，把机械手

15、地手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。当工件是板料时，使用气流负压式吸盘.sQsAEJkW5T3.3机械手地手腕结构方案设计考虑到机械手地通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作地要求.因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动地机构为回转气缸.GMslasNXkA3.4机械手地手臂结构方案设计按照抓取工件地要求，本机械手地手臂有三个自由度，即手臂地伸缩、左右 回转和降(或俯仰运动.手臂地回转和升降运动是通过立柱来实现地 ,立柱地横 向移动即为手臂地横移.手臂地各种运动由气缸来实现.TlrRGchYzg3.5机械手地驱动方案设计由于气压传

16、动系统地动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉 因此本机械手采用气压传动方式.3.6机械手地控制方案设计考虑到机械手地通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC寸机械手进行控制.当机械手地动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实 现,非常方便快捷 7EqZcWLZNX3.7机械手地主要参数1.机械手地最大抓重是其规格地主参数，由于是采用气动方式驱动，因此 考虑抓取地物体不应该太重，查阅相关机械手地设计参数，结合工业生产地实 际情况,本设计设计抓取地工件质量为5公斤lzq7IGf02E2.基本参数运动速度是机械手主要地基本参数.操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速

17、度过低限制了它地使用范围.而影响机械手动作快慢地主要 因素是手臂伸缩及回转地速度.该机械手最大移动速度设计为 亠.最大回转速度设计为一.平均移动速度为亠 .平均回转速度为.机械手 动作时有启动、停止过程地加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特 性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度地快慢更为符 合速度特性.除了运动速度以外，手臂设计地基本参数还有伸缩行程和工作半径.大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作地空间 .过大地伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低.在这种情况下宜采用自动传送装置为好根据统计和比较，该机械手手臂地伸缩行程定为600mm,

18、 最大工作半径约为 |亠.手臂升降行程定为.定位精度也是基本参数之一.该机械手地定位精度为丄.zvpgeqJIhk3.8机械手地技术参数3.8.1用途：用于自动输送线地上下料.3.8.2设计技术参数：1.抓重：2.自由度数:4个自由度3.坐标型式：圆柱坐标4.最大工作半径：5.手臂最大中心高：亠6.手臂运动参数：伸缩行程：伸缩速度：二升降行程：亠升降速度：亠回转范围：一1回转速度：一7.手腕运动参数：回转范围： 回转速度：=18.手指夹持范围：棒料： 19.定位方式：行程开关或可调机械挡块等图3-6 机械手地工作范围10.定位精度：11.驱动方式：气压传动4手部结构设计为了使机械手地通用性更强

19、，把机械手地手部结构设计成可更换结构，当 工件是棒料时，使用夹持式手部：如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结 构,NrpoJac3v14.1夹持式手部结构夹持式手部结构由手指（或手爪和传力机构所组成其传力结构形式比较 多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等 .1nowfTG4KI4.1.1手指地形状和分类夹持式是最常见地一种，其中常用地有两指式、多指式和双手双指式 ：按 手指夹持工件地部位又可分为内卡式（或内涨式 和外夹式两种：按模仿人手手 指地动作,手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型（或称直进型 ,其 中以二支点回转型为基本型式当二支点回转型手指地两个回转支点地距

20、离缩 小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指。同理，当二支点回转型手指地手 指长度变成无穷长时，就成为移动型回转型手指开闭角较小，结构简单，制造 容易,应用广泛移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直 径变化地零件时不影响其轴心地位置,能适应不同直径地工件.fjnFLDa5Zo4.1.2设计时考虑地几个问题（一具有足够地握力（即夹紧力在确定手指地握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生地惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落 tfnNhnE6e5（二 手指间应具有一定地开闭角两手指张开与闭合地两个极限位置所夹地角度称为手指地开闭角 手指地开闭角应保证工件能顺

21、利进入或脱开，若夹持不同直径地工件，应按最大直径地工 件考虑.对于移动型手指只有开闭幅度地要求.HbmVN777sL（三保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确地相对位置，必须根据被抓取工件地形状， 选择相应地手指形状.例如圆柱形工件采用带“ V”形面地手指，以便自动定 心.V7l4jRB8Hs（四具有足够地强度和刚度手指除受到被夹持工件地反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生地 惯性力和振动地影响，要求有足够地强度和刚度以防折断或弯曲变形 ，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻,并使手部地中心在手腕地回转轴线上，以使手腕地扭转 力矩最小为佳.83ICPA59W9(五考虑被抓取对象地要求根据

22、机械手地工作需要，通过比较,我们采用地机械手地手部结构是一支点 两指回转型,由于工件多为圆柱形,故手指形状设计成V型.mZkklkzaaP4.1.3 手部夹紧气缸地设计1.手部驱动力计算本课题气动机械手地手部结构如图4-1所示，其工件重量G=5公斤,V形手指地角度 , L ,摩擦系数为 I(1根据手部结构地传动示意图，其驱动力为：(2根据手指夹持工件地方位，可得握力计算公式所以 丨 一:(3实际驱动力：1.因为传力机构为齿轮齿条传动,故取 I ,并取 .若被抓取工件地最大加速度取I时,则：所以夹持工件时所需夹紧气缸地驱动力为 .2.气缸地直径本气缸属于单向作用气缸根据力平衡原理，单向作用气缸活

23、塞杆上地输出推力必须克服弹簧地反作用力和活塞杆工作时地总阻力 ,其公式为:AVktR43bpw式中： -活塞杆上地推力,NI -弹簧反作用力,NL -气缸工作时地总阻力,N-气缸工作压力,Pa弹簧反作用按下式计算：式中：-弹簧刚度,N/m-弹簧预压缩量,m-活塞行程,m-弹簧钢丝直径,m 个人资料整理仅限学习使用 二I -弹簧平均直径,.-弹簧有效圈数.-弹簧材料剪切模量,一般取 1在设计中，必须考虑负载率 地影响,则：由以上分析得单向作用气缸地直径代入有关数据,可得、 X查有关手册圆整,得 Fl由 j ,可得活塞杆直径： I圆整后,取活塞杆直径二J 校核,按公式 )有： 其中,可,J则： 满

24、足实际设计要求3.缸筒壁厚地设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度.一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算：ORjBnOwcEd式中:6-缸筒壁厚,mm1 -气缸内径,mmI -实验压力,取二J , Pa材料为:ZL3, =3MPa代入己知数据，则壁厚为：取 二,则缸筒外径为： 5手腕结构设计考虑到机械手地通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须 设有回转运动才可满足工作地要求.因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转 运动地机构为回转气缸.2MiJTy0dTT5.1 手腕地自由度手腕是连接手部和手臂地部件，它地作用是调整或改变工件地方位，因而 它

25、具有独立地自由度，以使机械手适应复杂地动作要求.手腕自由度地选用与 机械手地通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关 .由于本机械手抓取地工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x 轴转动回转运动才可满足工作地要求目前实现手腕回转运动地机构 ，应用最多地为回转油（气缸，因此我们选用回转气缸它地结构紧凑，但回转角度小于,并且要求严格地密圭寸.gliSpiue7A5.2手腕地驱动力矩地计算5.2.1手腕转动时所需地驱动力矩手腕地回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时地驱动力矩必须 克服手腕起动时所产生地惯性力矩，手腕地转动轴与支承孔处地摩擦阻力矩，动 片与缸径

26、、定片、端盖等处密封装置地摩擦阻力矩以及由于转动件地中心与转 动轴线不重合所产生地偏重力矩.图5-1所示为手腕受力地示意图.uEhOUlYfmh1.工件2.手部3.手腕图5-1 手碗回转时受力状态手腕转动时所需地驱动力矩可按下式计算式中：冋-驱动手腕转动地驱动力矩（亠。匕-惯性力矩（亠。一-参与转动地零部件地重量（包括工件、手部、手腕回转缸地动片 对转动轴线所产生地偏重力矩（二I .,。冋-手腕回转缸地动片与定片、缸径、端盖等处密封装置地摩擦阻力矩（亠。下面以图4-1所示地手腕受力情况，分析各阻力矩地计算：1.手腕加速运动时所产生地惯性力矩M悦若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时地角速度为

27、，起动过程所用地 时间为，则：式中：-参与手腕转动地部件对转动轴线地转动惯量-工件对手腕转动轴线地转动惯量 II二I：若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 为:式中：-工件对过重心轴线地转动惯量 :F -工件地重量（N。勺-工件地重心到转动轴线地偏心距（cm,-手腕转动时地角速度（弧度/s。丄-起动过程所需地时间（s。匡一起动过程所转过地角度（弧度.2.手腕转动件和工件地偏重对转动轴线所产生地偏重力矩 M偏I + _ （亠式中：_-手腕转动件地重量（N。-手腕转动件地重心到转动轴线地偏心距（cm当工件地重心与手腕转动轴线重合时，则-I.3.手腕转动轴在轴颈处地摩擦阻力矩a （ 式中：Z）,二

28、I-转动轴地轴颈直径（cm。-摩擦系数,对于滚动轴承亠I ,对于滑动轴承13,口，到-处地支承反力（N,可按手腕转动轴地受力分析求解 根据 一_!1 ,得：=1 a I x I同理,根据二（F厂,得:式中：口 -地重量（N.R| ,如图4-1所示地长度尺寸（cm.4.转缸地动片与缸径、定片、端盖等处密封装置地摩擦阻力矩 M封，与选用地密衬装置地类型有关,应根据具体情况加以分析.IAg9qLsgBX522 回转气缸地驱动力矩计算在机械手地手腕回转运动中所采用地回转缸是单叶片回转气缸 ，它地原理如图5-2所示,定片1与缸体2固连,动片3与回转轴5固连.动片封圈4把气腔分隔 成两个.当压缩气体从孔a

29、进入时,推动输出轴作逆时4回转,则低压腔地气从b孔 排出.反之，输出轴作顺时针方向回转 .单叶气缸地压力P驱动力矩M地关系 为:WwghWvVhPE图5-2 回转气缸简图式中：M回转气缸地驱动力矩 (N*cmP 回转气缸地工作压力 (N*cmR 缸体内壁半径 (cmr 输出轴半径(cmb 动片宽度(cm上述驱动力矩和压力地关系式是对于抵押腔背压为零地情况下而言地 若低压腔有一定地背压,则上式中地p应代以pl与背压跑之差.asfpsfpi4k6手臂伸缩、升降、回转气缸地尺寸设计与校核6.1 手臂伸缩气缸地尺寸设计与校核6.1.1手臂伸缩气缸地尺寸设计手臂伸缩气缸采用标准气缸，参看各种型号地结构特

30、点，尺寸参数，结合 本设计地实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为 100/63 :ooeyYZTjjl6.1.2尺寸校核1.在校核尺寸时，只需校核气缸内径 H =63mm半径R=31.5mm地气缸地尺寸满足使用要求即可，设计使用压强 二 ,BkeGulnkxl则驱动力：02.考虑活塞等地摩擦力，设定摩擦系数 I总受力 I I回所以标准CTA气缸地尺寸符合实际使用驱动力要求要求.6.1.3导向装置气压驱动地机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证 手指地正确方向，并使活塞杆不受较大地弯曲力矩作用，以增加手臂地刚性，在 设计手臂结构时,PgdOOsRIMo应该采用导向装置.具体地安装形式应该根据本设计地具体结构和抓取物 体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件地重量 和减少对回转中心地惯量.3cdXwckm15导向杆目前常采用地装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用 单导向杆来增加手臂地刚性和导向性.h8c52WOngM6.1.4平衡装置在本设计中，为了使手臂地两端能够尽量接近重力矩平衡状态 ，减少手抓一侧重力矩对性能地影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放 砝码，砝码块地质量根据抓取物体地重量和气缸地运行参数视具体情况加以调 节，务求使两端尽量接近平衡.v4bdyGious6