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宁学 毕业设计 (论文 ) 球坐标工业机械手 设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 2014 年 月 日 要 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，它是当今高技术发展最快的领域之一，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。所谓工业机械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动。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。 本次设计所确定的机械手的整体结构为球坐标式机械手，手臂动作为摆动或者转动，手爪的动作为伸缩和松夹。由于此机械手的动作要求放置不同的工件，所以实现上下料过程也要求手腕能旋转动作。 本文 的机械手用于 棒料，直径 40 60，长度 4501200介绍它 的组成和分类 、 自由度和座标型式 、 液压 技术的特点 、 对机械手进行总体方案设计，确定机械手的座标型式和自由度，确定机械手的技术参数，设计机械手的手臂结构，设计出机械手的 液 压 系统，绘制机械手 液压 系统工作原理图。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取合适的 号，根据机械手的工作流程制定可编程序控制器的控制方案，画出机械手的工作时的顺序功能图和梯形图，并编制可编程序控制器的控制程序。 关键词： 机械手 , 球坐标工业机械手 ， 抓取， 棒料 ； 液压 ； to as is a of in as it is of of an of in is a to or as or to or it of of of as or so on is In 40 60, 501200of at of to of of to of of of of of LC to LC of of 录 摘 要 . . 录 . 绪 论 . 1 题背景 . 1 械手发展现状和趋势 . 2 械手的系统工作原理及组成 . 2 坐标工业机械手的组成 . 2 2 球坐标工业机械手设计要求与方案 . 3 坐标工业机械手技术参数 . 3 体方案分析 . 3 作原理 . 4 业机械手的传动方案设计 . 4 坐标工业机械手驱动方式的选择 . 5 3 球坐标工业机械手各主要组成部分设计 . 7 部结构 . 7 部结构 种类 . 7 持器设计计算 . 8 部校核 . 9 降方向设 计计算 . 9 步确系统压力 . 10 降油缸计算 . 10 缸主要部位的计算校核 . 14 筒壁厚的计算 . 14 塞杆强度和液压缸稳定性计算 . 15 筒壁厚的验算 . 17 筒的加工要求 . 18 兰设计 . 19 缸筒端部）法兰连接螺栓的强度计算 . 19 塞的设计 . 21 向套的设计与计算 . 22 盖和缸底的设计与计算 . 24 体长度的确定 . 25 冲装置的设计 . 25 气装置 . 26 封件的选用 . 28 尘圈 . 29 压缸的安装连接结构 . 30 平方向设计计算 . 33 平方向计算 . 33 V 缸的选型 . 33 座回转机构设计计算 . 33 转部位负载计算校核 . 34 马达的选型 . 35 身结构的设计校核 . 37 马达的选择 . 37 柱的设计与校核 . 37 座的机械结构 . 38 制液压系统图 . 39 算和选择液压元件 . 40 压系统性能的验算 . 41 4 机械手控制系统设计 . 42 械手的工艺过程 . 42 制系统 . 43 制系统程序设计 . 44 总结与展望 . 47 参考文献 . 48 致 谢 . 49 1 1 绪 论 机械手是 工业自动化 发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在 机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装 ， 加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 柔性制造单元 机床设备和机械手共同构成一个柔性加 工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从 经济 上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。 随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人 的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。 目前，我国大多数工厂的生产线上装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率 ,降低成本 ,并使生产线发展成为柔性制造系统 ,适应 现代 机械行业自动化生产的要求 ,针对具体生产工艺 ,结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产 线，实现加工过程的自动化和无人化。 2 械手 发展现状和趋势 目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下： （ 1） 机械结构向模块化、可重构化发展。 （ 2） 工业机械手控制系统向基于 于标准化、 网络 化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。 （ 3）机械手中的传感器作用日益重要，使其向 智能化方向发展。 （ 4）关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； （ 5）焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。 总的 来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器 ， 多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量 采用工业控制器，市场化、模块化的元件。 械手的系统工作原理及组成 机械手的系统工作原理框图如图 1 控制系统 （ 驱动系统 执行机构 位置检测装置 3 图 1机械手的工作原理：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。在 用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统 的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 （ 1）执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本设计中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的构件，常用的手指运动形式有 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的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有 :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。 手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位 (即姿势 )。 手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的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的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手手部 手腕 手臂 机身 2 臂运动的部件 (如气缸、液压缸、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、气压或电机等 )相配合，以实现手臂的各种运动。 立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 机座 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，故起支撑和连接的作用。 （ 2）驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。 （ 3）控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的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。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 （ 4）位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执 行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 坐标工业机械手的组成 执行系统一般包括手部、腕部、臂部、机身机座等，其中最主要是运动系统。 球坐标工业机械手主要由执行系统、驱动系统及控制系统三部分组成。 手部是夹紧（或吸附、托持）与松开工件或工具 的部件，由手指（或吸盘），驱动元件和传动元件等组成。 时间、速度和加速度等参数。 球坐标工业机械手与主机及其它有关装置之间的联系 3。 2 球坐标工业机械手 设计要求与方案 坐标工业机械手 技术参数 坐标形式 :球坐标 坐标系 抓重 自由度 伸缩 X 升降 Z 球坐标 200N 4 35050 工作压力/ 34 45 5 表 3种机械常用的系统工作压力 1 机械类型 机 床 农业机械 小型工程机械 建筑机械 液压凿岩机 液压机 大中型挖掘机 重型机械 起重运输机械 磨床 组合 机床 龙门 刨床 拉床 工作压力/ 35 28 810 1018 2032 液压系统的最大负载约为 2000N（ 其中重物 200N，其它零部件重量加上摩擦超载等因素 ） ，初选液压缸的设计压力 0 升降油缸计算 手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力 惯性力 外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力 按下式计算： = + W(N)（ 4 式中 各支承处的摩擦力（ N）； 启动时惯性力（ N）可按臂伸缩运动时的情况计算； W 臂部运动部件的总重量（ N）； 上升时为正，下降时为负。 大小可按下式估算： a (N) 式中 W 手臂伸缩部件的总重量 （ N）； g 重力加速度 （ g =s ）； a 启动过程中的平均加速度 （ m/s ）， a = (m/s )； 11 v 速度变化量。手臂从静止状态加速到工作速度 这个过程的速度变化量就等于手臂的工作速度； t 启动过程中所用的时间，一般为 当 100N， 130N， W =1000N(估算重物和臂部结构重量 )时 ， V = 250mm/s (题目条件 ) 100+1000=1151（ N） ，取液压缸的机械效率 （ 2）计算液压缸内径 d 知最大负载工进 d/D= 611511 0 1 0 0 . 9 =410 D=14A =24得油缸的液压缸的内径为 125塞杆直径为 90效行程为 200 液压缸内径系列 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 200 320 400 500 (1) 液压缸缸体厚度计算 缸体是液压缸中最重要的零件，当液压缸的工作压力较高和缸体内经较大时，必须进行强度校核。缸体的常用材料为 20、 25、 35、 45 号钢的无缝钢管。在这几种材料中45 号钢的性能最为优良，所以这里选用 45 号钢作为缸体的材料。 2 式中， 实验压力， 液压缸额定压力 16 12 缸筒材料许用应力， N/ =b为材料的抗拉强度。 注： n 额定压力又称公称压力即系统压力， 010=压缸缸筒材料采用 45钢，则抗拉强度： b=600全系数 压传动与控制手册 2 10，取 n=5。 则 许用 应力 =202 取液压缸厚度 取液压缸缸体外径为 150 液压缸长度 L 根据工作部件的行程长度确定。 L=350(题目要求 ) 5. 活塞杆直径的设计 查液压传动与控制手册 根据杆径比 d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取 d/D=活塞杆受压时，一般选取 d/D=设计我选择 d/D= d=125= 表 活塞杆直径系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 13 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 200 280 320 360 400 故取 d=90 式中 许用应力； M P b （ 的抗拉强度为375 400为位安全系数取 5，即活塞杆的强度适中） 3活塞杆的结构设计 活塞杆的外端头部与负载的拖动电机机构相连接，为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适当的活塞杆端部结构。 活塞杆的密封形式有 6。采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按 H9/取。方便设计和维护，本方案选择 液压缸工作行程长度可以根据执行 机构实际工作的最大行程确定，并参照表 4压缸活塞行程参数优先次序按表 4a、 b、 c 选用。 表 4a）液压缸 行程 系列（ 3496 25 50 80 100 125 160 200 200 320 400 500 630 800 1000 1200 1600 2000 2000 3200 4000 表 4b） 液 压缸 行程 系列 （ 3496 14 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 表 4c） 液压缸形成系列（ 3496 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3400 3800 缸主要部位的计算校核 筒壁厚的计算 在中、低压系统中，液压缸的壁厚基本上由结构和工艺上的要求确定，壁厚 通常都能满足强度要求，一般不需要计算。但是，当液压缸的工作压力较高和缸筒内径较大时，必须进行强度校核。 当 时，称为薄壁缸筒，按材料力学薄壁圆筒公式计算，计算公式为 式（ 3 式中，缸筒内最高压力； 缸筒材料的许用压力。 = /b n, b为材料的抗拉强度， n 为安全系数，当 时，一般取 5n 。 当 0 0 时 ,按式（ 3算 m a x m a 3 3pD p (该设计采用无缝钢管 ) 式（ 3 根据缸径查手册预取 =30 15 此时 300 . 0 8 0 . 1 0 7 0 . 3280D 最高允许压力一般是额定压力的 ，根据给定参数 7P ，所以： =100 110无缝钢管），取 =100其壁厚按公式（ 3算为 m a x m a . 5 5 0 5 . 62 . 3 3 2 . 3 1 0 0 - 3 1 8pD 满足要求，就取壁厚为 6 塞杆强度和液压缸稳定性计算 活塞杆的直径 d 按下式进行校核 4 式中， F 为活塞杆上的作用力； 为活塞杆材料的许用应力， = /b n ,n 一般取 364 1 5 1 04 5 2 83 . 1 4 5 9 8 1 0 / 1 . 4d m m m m 满足要求 活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力 F 不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。若活塞杆的长径比 / 10且杆件承受压负载时，则必须进行液压缸稳定性校核。活塞杆稳定性的校 核依下式进行 中，般取4。 kl r m i时 22JF l 16 kl r m i时 21 ( )式中， l 为安装长度，其值与安装方式有关，见表 1；回转半径， ； m 为柔性系数，其值见表 3i 为由液压缸支撑方式决定的末端系数，其值见表 1； E 为活塞杆材料的弹性模量，对钢取 211 /1006.2 ；为活塞杆横截面惯性矩； A 为活塞杆横截面积； f 为由材料强度决定的实验值， 为系数，具体数值见表 3 表 3压缸支承方式和末端系数 i 的值 支承方式 支承说明 末端系数i 一端自由一端固定 1/4两端铰接 1 一端铰接一端固定 2 两端固定 4 表 3-3 f 、 、 m 的值 材料 28 /10 m 铸铁 时 ,缸已经足够稳定，不需要进行校核。 17 此设计安装方式中间固定的方式，此缸已经足够稳定，不需要进行稳定性校核。 筒壁厚的验算 下面从以下三个方面进行缸筒壁厚的验算： A 液压缸的额定压力证工作安全： 22121()0 . 3 5 () 式（ 3 根据式（ 3到： 2223 5 3 ( 0 . 0 5 0 . 0 4 5 )0 . 3 5 2 8 . 1 2 ( )0 . 0 5 p a 显然，额定油压np=p =7足条件； B 为了避免缸筒在工作时发生塑性变形，液压缸的额定压力 ( 0 . 3 5 0 . 4 2 )n p 式（ 3 12 . 3 l o gp l s 式（ 3 先根据式（ 3到： 12 .3 lo gp l s =再将得到结果带入（ 3到： 1 2 ( 0 . 3 5 0 . 4 2 ) 4 4 . 2 1 1 5 . 4 7 1 5 . 6np p M p a M P a M P a 显然，满足条件； C 耐压试验压力液压缸在检查质量时需承受的试验压力。在规定的时间内，液压缸在此压力下，全部零件不得有破坏或永 久变形等异常现象。 各国规范多数规定 : 当额定压力 16 （ D 为了确保液压缸安全的使用，缸筒的爆裂压力 18 12 . 3 l o ( 式（ 3 因为查表已知b=596据式（ 3到： 8 9 P a 至于耐压试验压力应为： 1 . 5 1 0 . 5 M P a 因为爆裂压力远大于耐压试验压力，所以完 全满足条件。 以上所用公式中各量的意义解释如下： 式中 : D 缸筒内径（ m ）； 1D 缸筒外径（ m ）； 液压缸的额定压力（ 液压缸发生完全塑形变形的压力（ ； 液压缸耐压试验压力（ ； 缸筒发生爆破时压力（ ； b 缸筒材料抗拉强度（ ； s 缸筒材料的屈服强度（ E 缸筒材料的弹性模量（ ； 缸筒材料的泊桑系数 钢材： = 缸筒的加工要求 缸筒内径 D 采用 配合，表面粗糙度要进行研磨； 热处理：调制， 240； 缸筒内径 D 的圆度、锥度、圆柱度不大于内径公差之半； 刚通直线度不大于 油口的孔口及排气口必须有倒角，不能有飞边、毛刺； 在缸内表面镀铬，外表面刷防腐油漆。 19 兰设计 液压缸的端盖形式有很多，较为常见的是法兰式端盖。本次设计选择法兰式端盖 （缸筒端部）法兰厚度根据下式进行计算： 04 ( - ) dh d 式（ 3 式中， h m）； d 密封环内经 d=40m）； 密封环外径（ m）；H d=50mm p 系统工作压力（ p =7q 附加密封力（ q 值取其材料屈服点 353 0D螺钉孔分布圆直径（ m）；0 D=55mm 密封环平均直径（ m）；5 法兰材料的许用应力（ = s /n=353/5= 法兰受力
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