完整版四自由度上料液压传动机械手毕业设计.docx
《完整版四自由度上料液压传动机械手毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整版四自由度上料液压传动机械手毕业设计.docx（42页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
完整版四自由度上料液压传动机械手毕业设计
毕业设计论文
四自由度上料液压传动机械手
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
摘要
在机械制造业中，机械手已被广泛应用，大大地改善了工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。
本文通过对机械手的组成和分类，及国内外的发展状况的了解，对本课题任务进行了总体方案设计。
确定了机械手用四个自由度和圆柱坐标型式。
设计了机械手的夹持式手部结构；以及设计了机械手的总体结构，以实现机械手伸缩，升降，两个回转四个自由度及手爪的开合。
驱动方式由液压缸来实现手臂伸缩和升降，手臂旋转和手腕旋转。
运用了FX系列可编程序控制器（PLC）对上下料机械手进行控制,论述了电气控制系统的硬件设计,控制软件结构以及手动控制程序和自动控制程序的设计。
关键词：
机械手，液压缸，可编程序控制器
Abstract
Inmechanicalmanufacturingindustry,manipulatorappliedextensivelysothatthelaborconditionofworkergreatlyimproved,laborproductivityraisednotably,thestepofindustrialproductionmechanizationandautomationrealizedrapidly.
Thisarticlethroughtomanipulator'scompositionandtheclassification,andthedomesticandforeigndevelopmentcondition'sunderstanding,theoverallconceptdesigntothistopicduty.Haddeterminedthemanipulatorusesfourdegrees-of-freedomandthecircularcylindricalcoordinatepattern.Designedmanipulatorgripper-typeoftheoverallstructureofthemechanicalapproachtoachievebytheandwristrotation.
ThepaperillustratesthatthecontroloftheupperandlowermaterialbymeansofthePLCandalsoincludestheoftheelectriccontrolsystem,thecontrolsoftwarestructureandthedesignofthemanualandautomaticcontrolprogram.
Keywords:
manipulator,Hydrauliccylinder,PLC
结论和展望
参考文献
1绪言
在工业生产线中，机械手具有很广泛的用途。
它是工作抓取和装配系统中的一个重要组成部分。
它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。
机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品质量和生产效率。
1.1机械手的概述
机械手的组成：
能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～3个自由度。
1.1.1机械手的种类
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
1.1.2机械手的特点
（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。
（2）机械结构向模块化、可重构化发展。
例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:
由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。
（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:
大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
1.2国内外机械手的现状和发展趋势
目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。
在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。
将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。
既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。
同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。
此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。
目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。
此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。
使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。
如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。
目前已经取得一定成绩。
视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。
工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。
触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。
工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。
手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。
总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。
更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
1.3本课题设计要求
1.3.1本课题预计达到的目的
本课题研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了上料机械手的搬运的工作的原理。
在此基础上，确定了上料搬运机械手的基本系统机构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。
运用液压传动的技术和PLC的控制系统来对上料搬运机械手来实施控制，进而分析它的运动过程，来完成最后的机械手设计。
1.3.2本课题的关键理论和技术
机械原理、理论力学、材料力学、机械设计、液压传动和PLC控制等。
1.3.3本课题的技术方案（技术路线、技术措施）
运用液压传动来控制机械手的放松，伸缩，升降，回转，横移和抓紧等自由度，最后运用PLC来编程来实施各自由度的总控制。
1.3.4本课题要解决的主要问题和技术的关键
1）.机械手的结构设计：
机械设计、理论力学、机械制图等
2）.传动结构的设计：
液压传动
3）.控制系统的设计：
PLC技术
1.3.4本课题可能遇到的困难及应对措施
1）.结构设计方案不合理，应对的措施：
做完后腰及时给老师审核，然后进行其他方面的设计。
2）.计算及校核方面的不合理，应对的措施：
计算要有相当的严密性，并且要合理的应用公式，不要乱用公式。
做完要仔细的校核，同时也要有相当的耐心。
3）.文献翻译的不合理，应对措施：
要多翻课外的参考资料，不懂就要查字典。
或者自己觉得翻得不够好就找专业的英文老师来教导。
4）.作图方面的不合理，应对措施：
要熟悉自己的作图软件并且作图时要仔细。
5）.控制方面的不合理，应对措施：
要画出T形图、方框图，然后再进行合理的编程。
2机械手手部结构设计及计算
2．1手部结构
四自由度液动机械手采用夹持式手部结构，由手抓和传力机构所组成。
其传力结构形式多样，有楔块杠杆式、滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条平行连杆式、左右旋丝杠平移型等，本设计采用滑槽杠杆式的传力机构。
2.1.1端执行器的要求
1）不论是夹持或是吸附，末端执行器需具有满足作业要求的的足够的夹持力和所需的夹持位置精度。
2）应尽可能使末端执行器结构简单，紧凑、重量轻，以减轻手臂的负荷。
专用的末端执行器机构简单，工作效率高，而能完成多种作业的万能末端执行器可能具有结构复杂、费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器。
2.1.2手爪的分类和选取
工业机器人中应用的机械式夹持器多为双指手爪式，按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型。
回转型手爪又可分为单支点回转和双支点回转型，按夹持方式可分为外夹式和内撑式，按驱动方式有电动、液压和气动三种。
回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变化时，将引起工件的轴心偏移。
这个偏移量称为夹持误差。
平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置，但其架构复杂，体积大，制造精度要求高。
当设计机械式夹持器式，在满足工件定位精度要求的条件下，尽可能采用结构较简单的回转型夹持器。
结合机械手设计任务书中要求：
手爪开合角为60度，且能够抓取重约6kg的圆柱形铁质工件。
所以本设计采用双支点回转型滑槽杠杆式手爪。
2.2机械手手爪设计计算
2.2.1手爪的力学分析
下面对其基本结构进行力学分析：
滑槽杠杆图2.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。
图2.1滑槽杠杆式手部结构、受力分析
1——手指2——销轴3——杠杆
=（2.1）
式中：
——驱动力
——夹紧力
a——手指的回转支点到对称中心的距离
b——手指长度
——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。
由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则夹紧力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=~。
2.2.2夹紧力及驱动力的计算
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。
必须对大小、方向和作用点进行分析计算。
一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按公式计算：
（2.2）
式中：
K——安全系数，通常1.22.0；
--轴向力
--V形手抓的开合角
--工件和手抓间的摩擦系数
计算：
设a=40mm,b=80mm,=，求夹紧力和驱动力。
（1）设K=1.5，，0.3
根据公式，将已知条件带入：
（2）根据驱动力公式得：
由于实际采用的液压缸驱动力大于计算，把手抓的机械效率考虑在内，一般取。
（3）取
2.3夹紧液压缸的设计
2.3.1主要尺寸的确定
1.液压缸工作压力的确定
由表2-1取液压缸工作压力
表2-1液压压负载常用的工作压力
负载FN
<5000
5000～10000
10000～20000
20000～30000
30000～50000
>50000
工作压力pMPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
>5～7
2.液压缸内径和活塞杆直径的确定
确定液压压缸的内径D
（2.3）
预设活塞杆直径d=0.5D,液压缸工作压力P=0.4MPa,
根据机械设计手册液压压传动分册，选取液压缸内径为：
D=40mm
则活塞杆内径为:
d=400.5=20mm，选取d=18mm
3.缸筒壁厚和外径的设计
缸筒直接承受压缩液压油压力，必须有一定厚度。
一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于110，其壁厚可按薄壁筒公式计算:
（2.4）
式中，
-缸筒壁厚，mm
-液压缸内径，mm
-液压缸试验压力，一般取（Pa）
-液压缸工作压力（Pa）
-缸筒材料许用应力（Pa）
本设计手爪夹紧液压缸缸筒材料采用为:
铝合金ZL1060,[]=3MPa
代入己知数据，则壁厚为:
取，则缸筒外径为:
4.手部活塞杆行程长L计算
活塞杆的位移量
（2.5）
液压缸的活塞行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。
多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。
为保证夹紧效果，必须按计算行程多加的行程余量。
（2.6）
故液压压传动手册圆整为
5.手抓部分总质量估算
（2.7）
其中：
手爪部分和活塞杆材料采用45钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金ZL106
查相关手册，45号钢密度为7.85
ZL1060的密度为2.73
手抓部分总质量约为
2.4弹簧的设计计算
选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。
如图2.2所示，计算过程如下。
图2.2圆柱螺旋弹簧的几何参数
（1）.选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力
（2）.选择旋绕比C=8，则
（2.8）
（3）.根据安装空间选择弹簧中径D=30mm，估算弹簧丝直径
（2.9）
（4）.试算弹簧丝直径（2.10）
=1.6
d取4mm
（5）.根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数：
（2.11）
=
选择标准为，弹簧的总圈数圈
（6）最后确定,d=4mm,,
（7）.对于压缩弹簧稳定性的验算
对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。
为了避免这种现象压缩弹簧的长细比，本设计弹簧是2端自由，根据下列选取：
当两端固定时，,当一端固定；一端自由时，；当两端自由转动时，。
结论本设计弹簧，因此弹簧稳定性合适。
（8）.疲劳强度和应力强度的验算。
对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。
现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。
计算公式：
（2.12）
选取1.31.7（力学性精确能高）（2.13）
=
结论：
经过校核，弹簧适应。
3.腕部的设计计算
3.1腕部设计的基本要求
（1）力求结构紧凑、重量轻
腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。
显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。
因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。
（2）结构考虑，合理布局
腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。
（3）必须考虑工作条件
对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。
3.2腕部的结构以及选择
3.2.1典型的腕部结构
（1）具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。
它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：
克服启动惯性所用。
回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于）。
（2）齿条活塞驱动的腕部结构。
在要求回转角大于的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。
这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。
（3）具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。
它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。
（4）机-液结合的腕部结构。
3.2.2腕部结构和驱动机构的选择
本设计要求手腕回转-115°-115°，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。
3.3腕部的设计计算
3.3.1腕部设计考虑的参数
夹取工件重量6Kg，回转-115°-115°。
3.3.2腕部的驱动力矩计算
（1）腕部的驱动力矩需要的力矩。
（2）腕部回转支撑处的摩擦力矩。
夹取棒料直径80mm，长度150mm，重量6Kg，当手部回转230°时，计算力矩：
（1）手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直径120mm，其重力估算
（2）擦力矩。
（3）启动过程所转过的角度=0.314rad，等速转动角速度。
（3.1）
查取转动惯量公式有：
（3.2）
（3.3）
代入：
（3.4）
3.3.3腕部驱动力的计算
表3-1液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
设定腕部的部分尺寸：
根据表3-1设缸体内空半径R=26mm，外径根据表3-2选择100mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，动片宽度b=40mm,输出轴r=20mm.基本尺寸示如图4.1所示。
则回转缸工作压力
=76086Pa,选择1MPa（3.5）
液压缸内径
40
50
63
80
90
100
110
125
140
150
160
180
200
20钢P
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
45钢
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
3.3.4液压缸盖螺钉的选择
图3.1缸盖螺钉间距示意
表3.3螺钉间距t与压力P之间的关系
工作压力P（Mpa）
螺钉的间距t（mm）
小于150
小于120
小于100
小于80
缸盖螺钉的计算，如图4.2所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4.3，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力
（3.6）
计算：
液压缸工作压强为P=1Mpa,所以螺钉间距t小于150mm,试选择4个螺钉，=＜150,所以选择螺钉数目合适Z=4个
危险截面
（3.7）
（3.8）
（3.9）
所以=2000+3000=5000N
螺钉材料选择Q235，
（）（3.10）
螺钉的直径（3.11）
=
螺钉的直径选择d=8mm
3.3.5动片和输出轴间的螺钉选择
（1）动片和输出轴间的连接螺钉
动片和输出轴之间的连接结构见上图。
连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。
连接螺钉的作用：
使动片和输出轴之间的配合紧密。
于是得（3.12）
D——动片的外径；
f——被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15
螺钉的强度条件为
（3.13）
或（3.14）
带入有关数据，得
=
=6157N（3.15）
螺钉材料选择Q235，则（）（3.16）
螺钉的直径（3.17）
螺钉的直径选择d=8mm.选择M8的开槽盘头螺钉。
4.臂部的设计及有关的计算
臂部件是机械手的主要握持部件。
它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。
手臂运动应该包括3个运动：
伸缩、回转和升降。
本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。
臂部运动的目的：
把手部送到空间运动范围内任意一点。
如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。
因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。
因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。
4.1手臂的设计要求
（1）臂部应承载能力大，自重轻。
（2）臂部运动速度高，惯性小。
（3）手臂动作灵活。
（4）位置精度高。
4.2伸缩液压压缸的设计
4.2.1液压缸主要尺寸的确定
1．液压缸内径和活塞杆直径的确定
根据设计要求，结合末端执行器的尺寸，采用单活塞杆双作用液压缸，初定内径为。
由,可得活塞杆直径:
（4.1）
圆整后，取活塞杆直径
由液压设计手册，取液压缸工作压力
（4.2）
（4.3）
计入载荷率就能保证液压缸工作时的动态特性。
若液压缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取，速度高时取小值，速度低时取大值。
若液压缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取。
得。
2．缸筒壁厚和外径的设计
缸筒直接承受压缩液压油压力，必须有一定厚度。
升级会员 