汽车零件加工自动线上的多功能机械手的设计Word文件下载.docx
《汽车零件加工自动线上的多功能机械手的设计Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车零件加工自动线上的多功能机械手的设计Word文件下载.docx（31页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
5.1.7缸体螺纹计算14
5.2手臂俯仰运动的设计计算15
5.2.1手臂俯仰时所需的驱动力矩15
5.2.2缸盖联接螺钉计算和动片联接螺钉计算16
5.2.3动片联接螺钉的计算16
6.机身设计18
6.1机身结构的计算18
6.2机身设计时应注意的事项19
7机械手液压系统的工作原理20
7.1液压系统的组成20
7.2液压传动系统机械手的特点20
7.3油缸泄漏问题与密封装置20
7.3.1活塞式油缸的泄漏与密封21
7.3.2回转油缸的泄漏与密封21
7.4液压系统传动方案的确定22
7.4.1各液压缸的换向回路22
7.4.2调整方案22
7.4.3减速缓冲回路22
7.4.4系统安全可靠性23
参考文献25
致谢26
1绪论
1.1机械手的概述
工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，作为多学科融合的边沿学科，它是当今高技能发展速度最快的领域之一，并已经成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。
所谓工业枢机手就是一种能按给定的程序或要求自动完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人的手工劳作。
较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。
1.2机械手的组成与分类
1.2.1机械手的组成
工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成，各部关系如图1所示：
图1工业机械手组成图框
机械手大致可分为手部、传送机构、驱动部分、控制部分以及其他部分。
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；
传送机构（或称臂部）包括手腕、手臂等.主要起改变物件方向和位置的作用；
驱动部分它是驱动前两部分的动力.因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动等四种形式；
控制部分它是机械手动作的指挥系统.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；
其它部分如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。
1.3机械手的分类
机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：
（1）按机械手的使用范围分类：
1）专用机械手
一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。
它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛胚上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。
这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。
2）通用机械手（也称工业机器人）
指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动生成传送物件或操作某些工具的机械装置。
通用机械手按其定位和控制方式的不同，可以分为简易型和伺服型两种。
简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。
这种机械手由于手指可以更换（或可调节），程序可变，故适用于中、小批生产。
但因其运动较多，结构复杂，技术条件要求较高，故制造成本一般也较高。
按机械手臂部的运动坐标型式分类：
1）直角坐标式机械手
臂部可以沿直角坐标系X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩（定为沿X方向移动）、左右移动（定为沿Y方向移动）和上下升降（定为沿Z方向的移动）;
2）圆柱坐标式机械手
手臂可以沿着直角坐标系的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动（定为绕Z轴转动），亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；
3）球坐标式机械手
臂部可以沿直角坐标轴Z方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩（沿X轴方向移动）上下摆动（定为绕Y轴摆动）和左右转动（仍定为绕Z轴转动）；
4）多关节式机械手
这种机械手的臂部可以分为小臂和大臂。
其小臂和大臂的连接（肘部）以及大臂和机体的连接（肩部）均为关节（铰链）式连接，亦即小臂对大臂可以绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右移动。
（3）按机械手的驱动方式分类：
1）液压驱动机械手以压力油进行驱动；
2）气压驱动枢机手以压缩空气进行驱动;
3）电力驱动机械手直接用电动机进行驱动；
4）机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。
1.3机械手的组成
机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本上的组成形式是相同的。
一般机械手由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。
机构手的执行机构，由手、手腕、手臂、支座组成。
手是抓取机构，用来夹紧或是松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。
手腕是连接手指和手臂白元件，可以上下、左右和回转动作。
简单的机械手可以没有手腕，而只有手臂，手臂的动作和手腕相类似，只是动作范围更大，可以前后伸缩，上下升降和左右摆动等。
支柱用来支撑手臂，它是固定的，也可以根据需要做成移动的。
执行机构的动作要有传动系统来实现。
常用的机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。
控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程度、方向、位置、速度进行动作。
简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现对传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作。
动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。
简单的组成和分类以及适用范围如下：
执行系统的组成：
手部、腕部、机身、行走机构。
驱动系统的组成：
各种电气、液压元件。
控制系统的组成：
位置检测器、记忆存储器。
2总体方案分析
2.1总体方案分析
由设计内容可知，本次设计所确定的机械手整体结构为球坐标式机械手，此机械手要实现从传送带到设备的上下料过程。
传送带移动方向与设备上所夹持的工件方向垂直。
因此手臂动作摆动或者转动，手爪的动作为伸缩和松夹。
由于此机械手的动作要求旋转不同的工件，所以实现上下料过程也要求手腕能旋转动作。
多种方案分析
通过以上分析，这里初选三个方案，各方案如下：
方案一：
机身的旋转，采用电动机驱动实现，大手臂的俯仰也采用电动机驱动实现，小手臂的伸缩用伸缩缸实现，手腕的回转用电动机实现。
方案二：
机身的旋转，采用电动机驱动实现，大手臂的俯仰也采用电动机驱动实现，小手臂的伸缩用齿轮条实现，手腕的回转用电动机实现。
方案三：
机身的旋转，采用摆液压缸驱动实现，大手臂的俯仰采用摆动液压缸驱动实现，小手臂的伸缩用伸缩缸实现，手腕的回转用摆液压缸实现。
2.2方案的确定
通过方案一，方案二和方案三的比较分析可知，方案一从功能上讲可以满足条件，但电动机的造价太高，不太经济。
方案二中也存在上述的问题。
同时齿轮齿条的驱动精度太低，在抓取工件时定位不够准确，而且结构大而复杂。
方案三中，由液压缸来完成的部分，不仅驱动力大且结构也相对简单，摆动缸结构尺寸大但输出转矩大，进行优化设计，从而得出方案三最佳，并最终确实此次的设计方案为方案三，方案如下：
机身旋转、手腕转动，均采用摆缸来控制，手臂的伸缩用伸缩缸控制，而爪的松夹用夹紧缸来控制。
2.3动作原理
本次设计是液压驱动，电气控制。
机械手的各个动作是由液压缸来驱动的，其动作过程是由液压缸的各个动作运动至终点时压合行程开关，将行程开关的机械运动通过PLC转化为电磁阀得电和失电，后由电磁阀控制各油路的通断，以实现各液压缸的相应运动，从而控制机械手的和个动作。
2.4主要技术指标
（1）最大抓取重量：
15Kg；
（2）工件最大尺寸（长×
宽×
高）250×
170×
140mm
（3）最大操作范围：
提升高度1.5m；
回转半径1m；
行走范围≤30m；
（4）机械手的自由度：
4~5个；
（5）定位精度：
0.5~1mm；
（6）装料高度：
1050mm；
输送轨道宽度：
350mm；
输送速度：
20m/min
（7）生产纲领：
10万件/年；
生产节拍：
3min/件；
（8）性能要求：
抓取灵活，送放平稳，安全可靠，寿命不低于15年；
3手部的设计
3.1手部结构
手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部分，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等不同，所以工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。
归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可以分成夹持和吸附两大类。
夹持手部按其手指夹持工件时的运动方式，可分为手指回转型和手指平移型两种。
平移型手指的张开和闭合靠手指的平行移动，适用于夹持平板、方料。
在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。
所以选择平移型手指。
由于工件为方料，而平移型手指适于夹持平板和方料，故本设计选用平移型十指。
移动型即两手指相对支座往复移动。
其驱动力为：
F=2FN
3.2手爪的计算与分析
3.2.1手爪执行液压缸工作压力计算
一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。
手爪对工件的夹紧力：
FN≥K1K2K3G
式中K1—安全系数，通常取1.2～2.0；
K2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下式估算K2=1+
运载工件重力方向的最大上升加度；
g—重力加速度，g=9.8m/s2
a=
vmax—运载工件时重力方向的最大上升速度；
t响—系统达到最高速度的时间；
根据设计参数选取。
一般取0.03～0.5s。
K3—方向系数，由于手爪是水平放置夹持水平放置工件，v形指端夹圆形工件，
由<
<
机械设计手册第五卷>
>
表2-1得:
取K3=0.5。
G—被抓持工件的重量，G=15×
9.8=147N
代入数据，计算得
FN=K1K2K3G
=1.5×
1.02×
0.5×
147N=112.45N≈112N
查<
表2-1得：
驱动力：
F计算=2FN=224N
取η=0.85
F实际=
=224/0.85N=264N
3.2.2手爪的夹持误差分析与计算
机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度，而且也与手指的夹持误差大小有关。
为适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，必须注意选用合理的手部结构参数，从而使夹持误差控制在较小的范围。
在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过±
1mm就可以了。
4腕部的设计
4.1腕部结构
手腕部件设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善或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的运动范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。
手腕部件具有独立的自由度。
手腕运动有：
绕X轴转动称为回转运动；
绕Y轴转动称为上下摆动（或俯仰）；
绕Z轴转动称为左右摆动；
甚至沿着Y轴（或Z轴）的横向移动。
采用一个自由度的回转缸驱动的腕部结构，具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛采用。
4.2腕部回转力矩的计算
腕部回转时，驱动力矩用来克服腕部摩擦力矩、工件重心偏移力矩和惯性力矩。
受力分析和图所示。
图2腕部回转受力分析图
手腕回转所需的驱动力矩大小可以按下式计算：
M驱=kf（M摩+M偏+M惯）
kf—考虑驱动缸密封摩擦损失的系数，通常kfbc1.1～1.2；
M偏—工件重心偏执引起的偏置力矩（N·
m）；
M摩—腕部转动支撑处的摩擦阻力矩（N·
M惯—克服启动惯性所需的力矩（N·
（1）腕部转动支撑处的摩擦阻力矩：
f—轴承的摩擦系数,滚动轴承f=0.02，滑动轴承f=0.1；
N1，N2—轴承处支承反力（N）；
D1，D2—轴承直径（m）；
（2）工件重心偏置引起的偏置力矩：
M偏=G1e
G1—工件重量；
e—偏心矩（m）（即工件重心到腕部回转中心线垂直距离）；
由于工件重心与手腕回转中心重合，故M偏=0。
（3）克服启动惯性所需的力矩：
M惯=（J+J工件）
J—手腕回转对腕部回转轴线的转动惯量（KG·
M2）；
J工件—工件对手腕回转轴线的转动惯量（KG·
ω—腕部回转角速度（rad/s）；
t—启动过程所需的时间（s），此处假定启动过程均为加速运动，一般取0.05～0.3s。
表3—1有：
J=M（a2+b2）/12=
（a2+b2）/12
取G=15×
∴J=15×
（0.22+0.22）/12KG·
M2
=0.1KG·
根据经验取J工件=0.5J=0.1KG·
∴M惯=（J+J工件）
=0.3×
N·
m=1.9N·
m
M偏=0
取M摩=0.1M驱
又M驱=kf（M摩+M偏+M惯）
=1.2×
（0.1M驱+0+1.9）
∴M总=2.61N·
图3回转缸筒图
1-定片2-缸体3-动片4-密封圈5-转轴
5手臂的设计
5.1手臂伸缩液压缸的设计计算
5.1.1手臂作水平伸缩直线运动驱动力的计算
手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。
其驱动力F驱可按下式计算：
F驱=F摩+F惯（N）
式中F摩—各支承处的摩擦阻力；
F惯—启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算：
F惯=
a（N）
式中W—手臂伸缩部件的总重量（N）；
g—重力加速度（g=9.8m/s2）；
a—启动过程中的平均加速度（m/s2），
而a=
（m/s2）
△ν—速度变化量。
手臂从静止状态加速到工作速度V时，则这个过程的速度量就毛等于手臂的工作速度；
△t—启动过程中所用的时间，一般为0.01～0.5s。
5.1.2手臂垂直升降运动驱动力的计算
手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力F摩和惯性力F惯之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力F驱可以按下式计算：
F驱=F摩+F惯±
W（N）
式中F摩—各支承处的摩擦力（N）；
F惯—启动时的惯性力（N）可按臂伸缩运动时的情况计算；
W—臂部部件的总重量（N）；
±
—上升时为正，下降时为负。
当F摩=100N，F惯=133N，W=1300N时
F惯=100+
×
+1300=1533（N）
5.1.3确定液压缸的结构尺寸
液压缸的内径的计算，当油进入无杆腔，活塞推力
F=F1η=P
η
当油进入有杆腔活塞推力
F=F2η=P
液压缸有效面积D=
（无杆腔）
式中F—驱动力（N）
P1—液压缸的工作压力（Pa）
d—活塞杆的直径（m）
D—液压缸的内径（m）
η—液压缸的机械效率，在工程机械中可用耐油橡胶
可取η=0.95
∴D=
=0.059m
液压传动与控制手册>
表4-3，4-4圆整取D=80mm,d=45mm
表4-2和表4-3得
液压缸工作压力的选取一般取2～8MPa
∴液压缸的工作压力是1533N
液压缸的内径80mm
5.1.4液压缸壁厚计算
三种壁厚的公式选取中等壁厚：
δ=
+C
式中P1—液压缸内工作压力（Pa）
C—入管壁公差及侵蚀的附加厚度值
D—液压缸内径（m）
б—缸筒材料的许用应力，应按壁厚圆筒公式验算壁厚
取[б]=100MPa；
∴δ=
=0.7×
10-3m
表4-4得液压缸外径为95mm
5.1.5活塞杆的计算
活塞杆的尺寸要满足活塞运动的要求和强度的要求。
对于杆长1大于直径d的15倍（即1＞15d）的活塞杆必须具有足够的稳定性。
按强度条件计算决定活塞杆直径d
∴d≥
P=100～120MPa
∴d≥
=0.004m（d=45mm）
满足强度要求
又已知手臂伸缩行程600mm，即1=600mm
1＜15d=675
∴活塞杆的稳定性校核无需进行
5.1.6液压缸端盖的联接方式与强度计算
当液压缸缸体的材料先用无缝钢管时，它的端盖连接方式多采用半环联接，优点是加工和装卸方便，缺点是缸体开环槽削弱了强度。
5.1.6缸盖螺钉计算
查《液压传动与控制手册》表4-1工件压力为P=2MPa
∴螺间距t1＜120mm取t1=100mm
又FQ0=FQ+FQS
FQ=
=
FQ0—螺栓所受的总接力
FQ—工作载荷
F—驱动力（N）
FQS—加载后被连接件结合面之间的剩余紧力FQS=KFQK=1.5～1.8
Z—螺钉数目
P—工作压力（Pa）
D—危险剖面直径
取Z=4又Z=
∴D0=
=0.13m
∴D0=0.14m
∴FQ=
=7693N
∴FQS=KFQ=1.6×
7693=12308N
FQ=7693+12308=20001N
螺钉的强度条件
б合=
≤[б][б]=
抗拉许应力（单位MPa）
n=1.2～1.5取n=2бs取45钢为360MPa
∴[б]=
=180MPa
∴d1=
=8.11cm
取d1=100cm
5.1.7缸体螺纹计算
d1≥
取k1=1.3D=80mmd1=100mm
d1≥0.08m
联接半环的计算
半环的剪切强度条件
t=
≤[t]
D1=D+2d=80+20=100mm
[t]=0.75×
180×
106=135MPa
l≥PD1/4[t]=2×
106×
0.1/4×
135×
106=0.37mm
取l=10mm
半环的挤压强度条件
бc=
≤[б]jy
[б]jy—材料的许用挤压应力（Pa）；
h—半环的径向高度（m）；
∴满足条件
5.2手臂俯仰运动的设计计算
5.2.1手臂俯仰时所需的驱动力矩
驱动手臂回转的力矩M驱，应该与手臂起动时所产生的惯性力矩M惯及各密封装置处的摩擦阻力矩M封相平衡。
M驱=M惯+M封
式中M封—密封装置处的摩擦力矩（N·
m）
需要输入回转油缸的流量Q：
Q=
L/min
Z-叶片数，Z=1
D—回转油缸的内径，D=15cm
D—输出轴与动片连接处的直径，d=6cm
b—动片宽度，b=12cm
ω—输出轴的角速度，ω=0.187rad/s
∴Q=
=3.18L/min
驱动力矩M驱=
=
=567N·
5.2.2缸盖联接螺钉计算和动片联接螺钉计算
螺钉的间距取60mm
Z=
=9.42取Z=10
工作载荷：
F=
=3532.5N
缸盖联接螺钉直径d1：
=0.57c
升级会员 