精品自动上下料机械手设计毕业设计.docx
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精品自动上下料机械手设计毕业设计
中国石油大学（北京）现代远程教育
毕业设计（论文）
机械设计制造及其自动化方向
——自动上下料机械手设计
姓名：
性别：
男
专业:
机械设计制造及其自动化
批次：
0809
层次：
专升本
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学习中心：
指导教师：
2011年4月22日
目录
第一章绪论………………………………………………….4
1.1工业机械手概况…………………………………………...4
1.2工业机械手的分类.………………………………………..4
1.3工业机械手的发展趋势…………………………………….5
1.4本章小结…………………………………………………….6
第二章工业机械手的设计方案…………………………….7
2.1工业机械手的组成…………………………………………7
2.2规格参数……………………………………………………8
2.3设计路线与方案……………………………………………8
2.4本章小结……………………………………………………9
第三章机械手各部分的计算与分析.……………………..10
3.1手部计算与分析…………………………………….……10
3.1.1输入输出力的比率分析……………………………………...…10
3.2腕部计算与分析…………………………………………13
3.2.1腕部设计的基本要求…………………………………….……..13
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.…………………………………………………17
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
3.5本章小结…………………………………………........….28
第四章液压系统.……………………………………...…..29
4.1液压缸…………………………………………………..…29
4.2计算和选择液压元件……………………………………..31
4.2.1液压泵的选取要求及其具体选取……………………………….31
4.2.2选择液压控制阀的原则……………….……………………...….33
4.2.3选择液压辅助元件的要求……………….…………………...…..33
4.2.4具体选择液压原件…….…………….…………………...…...….33
4.3本章小结………………………………………..………..34
第五章液压缸的保养与维修…………………………..……36
5.1液压元件的安装…………………………………….……36
5.2液压系统的一般使用与维护……………………………...36
5.3一般技术安全事项…………………………….…………..36
第六章机械手控制系统……..…………………..…………37
结论………………………………………………...….………38
参考文献……………………………………………...…….…39
致谢…………………………………………………..…...……40
第1章绪论
1.1工业机械手概况
工业机械手是人类创造的一种机器,机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
工业机械手是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工作或握持工具进行操作的自动化技术装备。
机械手可以在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。
工业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，技术复杂程度也有很大差别。
但他们都有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地、重复循环地进行工作。
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，提高劳动生产率和生产自动化水平。
工业生产中经常出现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，他能在高温、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。
1.2工业机械手的分类
1、按用途分可分为专用机械手和通用机械手
（1）专业机械手
是指附属于主机，动作程序固定，一般没有独立控制系统，只制作专门用途的自动抓取或操作装置。
（2）通用机械手（国外泛称工业机械人）
是指程序可变的、独立的、自动化的抓取或操作装置。
通用工作机械手工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。
2、按驱动方式可分为液压、气压、机械、电力传动机械手
（1）液压传动机械手
是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。
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，不然油的泄露对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。
（2）气压传动机械手
是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。
其主要特点是介质来源极方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。
但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
（3）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）驱动的机械手。
它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。
它的主要特点是运动准确可靠、动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。
它常被用于为工作主机的上、下料。
（4）电力传动机械手
即由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。
3、按控制方式分
（1）点位控制
它的运动分为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其远动轨迹。
（2）连续轨迹控制
它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。
1.3工业机械手机械手的发展趋势
1、扩大机械手在热加工行业上的应用
因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来不少困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手更好地为热加工作业服务。
2、提高工业机械手的性能
机械手的工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。
机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键因素。
因此要解决好机械手的工作平稳性和快速性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手外，还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手上。
3、发展组合式机械手
为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的结构化设计成可以组合的型式。
组合式机械手是将一些通用部件根据作业要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。
它便于标准化，系列化设计和组织专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价。
4、研制具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机器人”
对于需用人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合机械手很难代替人的劳动。
因此，人们对机械手提出了更高的要求，希望具有“视觉”和“触觉”的功能，使之对物件进行判断、选择，并能进行“手——眼”协调工作。
具有感觉功能的机器人，其工作性能是比较完善的，能够准确夹持任一方位的物件，判断物件重量，越过障碍物进行工作，自动测出夹紧力大小，并能自动调节，适用于从事复杂、精密的操作。
随着工业机械手工作性能不断提高，应用范围不断扩大，通用化、系列化、标准化工作进一步开展，工业机械手必将在工业生产中大量推广应用。
1.4本章小结
本章介绍了工业机械手的概括，工业机械手的分类、发展趋势。
工业机械手在国民生产中有广泛的应用，许多机械设备都用到工业机械手，它是近代自动控制领域内出现的一种新型的技术装备。
第2章工业机械手的设计方案
2.1工业机械手的组成
机械手的组成一般包括执行系统、驱动系统和控制系统等部分组成。
细分则可列为以下数项：
1、手部（或称抓取机构）
包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。
2、传送机构（或称臂部）
包括手腕、手臂等，主要起改变物件方位和位置的作用。
3、驱动部分
是驱动前两部分的动力，因此也成动力源，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式。
液压驱动系统是由油缸、阀、油阀和油箱等组成；气压驱动系统是由气缸、气阀、空压机（或由空气压缩机站直接提供）和储气罐等组成；电机驱动系统是由一些电动机、专用电动机等组成。
4、控制部分
是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等。
一般包括程序控制部分和行程检测反馈部分。
5、其它部分
如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等：
（1）机体（也称机身）
是用以支承和连接其他零件、部件的基础件。
（2）行走机构
是为了扩大机械手的使用空间而设置的。
而本身又包括动力源、传动（减速）机构、滚轮或连杆机构等。
（3）行程检测装置
是监测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。
（4）传感装置
其中装有某种传感器，是手指具有敏感性和自控性，用以反应手指与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的方位是否正确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应等。
2.2规格参数
工业机械手的技术参数，是说明机械手规格和性能的具体指标。
1、抓重（或臂力）
抓重是机械手所能抓取或搬运物件的最大重量，它是机械手规格中的主要参数。
抓重以10公斤左右的机械手为数最多。
一般将抓重1公斤以下的定为微型；1~5公斤的定为小型；5~30公斤的定位中型；30公斤以上的定为大型。
机械手抓重的大小对其他参数如行程范围、运动速度、坐标型式和缓冲装置的设计均有影响，因此，设计时必须予以重视。
2、自由度数和坐标型式
机械手的自由度数和坐标型式的选择，应根据机械手现场具体的生产情况和工艺的要求而定。
3、运动速度
运动速度是机械手主要参数之一，它反映了机械手的生产水平，很多机械手由于速度低限制了它的适用范围。
4、行程范围
机械手的手臂运动行程大小与机械手的抓重大小、坐标型式、驱动方式以及使用性能有关系，一般对于通用机械手的手臂回转应尽可能的大些使机械手具有一定的通用性，因此一般地手臂回转行程范围应大于180度；手臂伸缩行程大多数在500~1000毫米范围内选取。
2.3设计路线与方案
2.3.1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。
2.3.2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）。
2.4本章小结
本章介绍了工业机械手的组成、规格参数、设计路线等内容，这种设计的机械手组成全面，配置合理，能达到一定的使用要求。
第3章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三部分组成，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，一般情况下可采用两个手指。
手部的主要功用是当工件在传送过程中抓取和释放工件，当手指牢固地抓紧工件时，可把整个系统当做静止状态看待，这时就可以用传统的静力分析方法来确定各种力的关系及大小，从而保证机器人可靠地工作。
3.1.1输入～输出力的比率分析
手部的主要功用是当工件在传送过程中抓取和释放工件，当手指牢固地抓紧工件时，可把整个系统当做静止状态看待，这时就可以用传统的静力分析方法来确定各种力的关系及大小，从而保证机器人可靠地工作。
现以实例说明手部输入-输出力的确定，如图C点的力平衡方程式为：
F23=F56=
其中：
P—驱动力（输入力）
F23、F56——分别为杠杆2作用在杠杆3和杠杆5作用在杠杆6上的力。
由A（A`）点力矩平衡方程式可求的抓取力（输出力）：
F=F23=F56=·
一般取≈4~6，
即r≈arcsin（~）≈4°47′~7°11′
上述分析说明这类杠杆机构的最大优点就是过死点位置时产生自锁作用。
上述方法还不是一种简便而直观的方法，最直观而又有效的方法就是虚功原理。
现以实例来分析，如图根据虚功原理我们可得方程式：
PV1=FVC1
其中：
V0=Va=Lψ；V1=Rψ
而ψ——杠杆2的角速度，R——扇形齿轮的节圆半径，L——A点至固定铰链点OR的距离。
VC的垂直分量VC1为：
VC1=VCcosθ=Locosθ
将Vm=Rψ和VC1=Locosθ代入PV1=FVC中可以求得输入—输出力的比率为：
ε==cosθ
另一实例瞬时中心确定在O3,由于ΔO1O1’O3∽ΔO2O4O3则
=即=
再根据平衡条件得：
Pδp-Fbr=0
即P·b·δφ2－F·a·δφ1=0
由图所示的几何关系可得：
Lb·δφ1=Lδφ2
即δφ2=δφ1=δφ1
整理可得c==
同样可求出其它不同手部的输入一输出的比率ε0。
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X轴转动和沿X轴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）。
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
从图3.4可知：
＝××-轴承直径（m）
式中：
－轴承处支反力；可静力学平衡方程求得。
f-轴承的摩擦系数，对于滚动轴承f=
为简化计算取
图3.4腕部回转支承处的受力图
-工件重量（kgf），-手部重量（kgf），－手腕转动件重量（kgf）
2.克服由于重心偏置所引起的力矩
＝（kgf）
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
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：
＝（3.8）
式中：
－工件对手腕回转轴线的转动惯量
J－手腕回转部分对手腕回转轴线的转动惯量
－手腕回转过程的角加速
－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。
（3.9）
因为手腕回转部分的转动惯量不是很大，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，适当放大，而省略掉，这时
（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＝0.1
（3）设起动过程所转过的角度＝,等速转动角速度
计算：
求＝
查型钢表有：
代入＝256（N·m）
＝0;＝0.1;＝0.1+265
M=
确定转轴的最小尺寸
，－抗扭剖面模量
，查得
，，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，机械手的手腕回转运动
所采用的单叶片回转油缸，定片1与缸体2固连，动片3与转轴5固连，当a,b口分别进出油时，动片带动转轴回转达到手腕回转目的。
M=（3.10）
式中：
—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：
=1.5—2.5,,取=2，=3
又因为d=40mm，则D=80mm，b=60mm
去顶回转油缸工作压力：
（3.11）
由于系统工作压力远远大于此压力，因此回转油缸的工作压力足以克服摩擦力。
3.2.3腕部摆动油缸设计
偏离重心e的计算及
图3.5腕部摆动油缸设计尺寸图
估计L=45cm，
，
=30cm
克服重心偏置所需的力矩
克服摩擦所需力矩
=0.1cm
克服运动惯性所需的力矩
=0.7654（kg-m-）
==25=5.1（kg-m-）
=5.8654（kg-m-）
=JWt
设w=,
=0.0175=12.83（kgf·m）
则摆动所需的驱动力矩
=32.14（kgf·m）
确定转轴的最小直径
抗拒剖面摸量
所需驱动力矩
（3.12）
取d=50mm
所以机械手的摆动采用单叶片回转油缸，定片与缸体固连，动片与转轴固连，当两油口分别进出油时，动片带动转轴转动达到腕部摆动目的。
（3.13）
又因为：
=1.5—2.5,，取=2，=3
所以：
d=50mm，所以D=100mm，b=75mm
确定回转油缸工作压力
（3.14）
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
所以满足要求。
2.油缸端盖的连接方式及强度计算
为保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距，进而决定螺钉的数目。
缸的一端为缸体与缸盖铸造成一体，另一端缸体与缸盖采用螺钉连接。
（1）缸盖螺钉的计算
为保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距，进而决定螺钉的数目
在这种连接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷Q和预进力之和。
式中：
P—驱动力kgf
P—工作压力kgf
Z—螺钉数目，取8
—预紧力kgf
=K，K=1.5-1.8
螺钉的强度条件为：
式中：
=1.3——计算载荷（kgf）
表3-1螺钉间距与压力p的关系
工作压力（）
螺钉间距（mm）
5—15
<150
15—25
<120
25—50
<100
50—100
<80
（）抗拉许用应力
，——螺纹内径（cm）
表3-2常用螺钉材料的流动极限
钢号
10
A2
A3
35
45
40cr
2100
2200
2400
3200
3600
（2）缸体螺纹计算
（3.23）
式中，，
D—油缸内径
—考虑螺纹拉应力和扭应力合成作用系数取=1.3
3.大臂回转缸的设计
驱动手臂回转的力矩
D—输出轴与缸差密封处的直径（cm）
L—密封的有效长度（cm）
—“O”形密封圈的截面直径（cm）
—“O”形圈在装配时压缩率，对于回转运动，k=0.03-0.35
—摩擦系数
P—回转轴缸的工作压力（kg）
选取=0.5，b=10cm,p=80kg,设=6mm
若，则取
，取，则
，D=14cm
选用O型橡胶密封圈S58型，=4.7mm
则
（3.24）
—动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力距
—回转缸动片的角速度变化量，在启动过程中（弧度秒）
—启动过程时间
—手臂回转部件，对回转轴的轻功惯量（）
若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为
则
—回转零件对重心轴线的转动惯量
（3.25）
=649.2（）
设角速度，启动时间
—般取=0.2P=16（）
由内径公式
（3.26）
基本满足要求，则D=16cm，d=8cm。
又由
4.缸盖连接螺钉和动片连接螺钉计算
螺钉的强度条件为
或（取=8mm）
式中：
—螺钉的内径（cm）
—计算载荷（kgf）
—螺钉材料作用拉应力
3.4机身计算与分析
机身是直接支撑和传动手臂的部件。
一般实现臂部的升降，回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机体的躯干与底座相连。
因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。
机身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空轨道运动。
此次设计机身为地面轨道运动式。
它的驱动系统是步进电机其型号为Y132S—8功率2.2KW转速710rmin，再电动机后接了一个圆锥圆柱齿轮减速器其输出速度为1.2ms。
在后是一个制动箱。
其主要参数是由外部计算机调整和控制，在很大程度上是由运动学和轨迹运动而去编制小车的运行程序。
3.5本章小结
本章介绍了机械手各部分的计算与分析，分别为手部、腕部、臂部、机身的结构，并进行了计算与校核，在使用中能满足要求。
第4章液压系统
4．1液压缸
根据前面设计好的各种液压缸的参数。
1.活塞缸
已知参数（包括设计出的参数）：
—表示第几个缸的参数
}无杆腔进油
}有杆腔进油
2.摆动缸
已知参数：
注意已知参数中在前面设计中不够明确时，则要进行分析。
已知参数（包括已设计好的参数）
（1）单作用弹簧复位的夹紧缸；
=25mm，=18mm
F==8.67cms
注意：
为尚未夹持工件的时间。
（2）手腕回转缸。
=80mm，=40mm，=60mm
（4.1）
（3）手腕摆动缸
（4）手臂回转缸
=160mm=80mm=120mm
注意：
忽略角加速度和角减速度的影响
（5）手臂仰俯活塞缸：
=63mm，=45mm
V=5cms
3.估算流量
（1）夹紧缸：
。
（2）手腕回转缸：
（3）手腕摆动缸：
（4）手臂回转缸：
（5）手臂仰俯活塞缸：
4．2计算和选择液压元件
4.2.1液压泵的选取要求及其具体选取
（1）计算液压泵的工作压力
泵的工作压力是所有液压缸中工作压力最大者与管道压力损失之和。
即：
—管道和各类阀的全部压力损失之和。
可先估计，一般取：
=（5—8）
（2）计算液压泵的流量
，式中：
K—泄露折算系数，一般，K=1.1—1.5
（3）选择液压泵的规格
参照设计手册或产品样本，选取其额定压力比
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