上下料机械手结构设计及运动学分析设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 摘  要  机械手也被称为自动手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。  本文讲述了 上下料机械手结构设计及运动学分析 设计。首先，通过对 机械手现状进行全方位调研，在此基础上提出了 机械手 方案；接着，设计计算了各主要构成件的结构尺寸；然后，对 液压 系统进行了设计；最后，通过 图软件绘制了 上下料机械手 装配图、主要零件图。  通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了起重机械产品的设计方法并能够熟练使用 图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。  关键字： 上下料 ，机械手，液压缸 ，运动学  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 is as to of a to or of In of of of on of of of of to of of of of of be to in is of Up 要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 目  录  摘  要  . I .  1 章  绪论  . 1 景及意义 . 1 械手概述 . 2 械手的组成 . 2 械手的分类 . 2 内外发展状况 . 2 第 2 章  总体方案设计  . 4 计要求 . 4 作要求 . 4 数要求 . 4 案拟定 . 4 步分析 . 4 拟定方案 . 4 第 3 章  机械手手部设计  . 6  部分析 . 6 紧力及驱动力的计算 . 7 紧油缸的设计 . 8 抓的设计 . 8 第 4 章  机械手臂部设计  . 11 部整体设计 . 11 臂伸缩驱动力计算 . 12 臂摩擦力的分析与计算 . 12 臂密封处的摩擦阻力的计算 . 13 臂惯性力的计算 . 13 臂伸缩油缸的设计 . 14 定液压缸的结构尺寸 . 14 压缸外径的设计 . 15 塞杆的计算校核 . 15 缸端盖的设计 . 16 第 5 章  机械手机身设计  . 18 身的整体设计 . 18 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 转机构的设计 . 18 转缸驱动力矩的计算 . 18 转缸尺寸参数的确定 . 19 身升降机构的设计 . 21 臂片重力矩的计算 . 21 降导向立柱不自锁条件 . 22 降油缸驱动力的计算 . 22 降缸尺寸参数的确定 . 23 第 6 章  机械手液压及控制系统设计  . 25 械手运动学分析 . 25 部夹紧机构 . 25 部回转机构 . 25 部伸缩机构 . 26 部升降机构 . 27 压系统方案拟定 . 28 速回路方案分析 . 28 进回路方案分析 . 30 紧回路的选择 . 31 压元件的计算和选择 . 32 压泵 . 32 定油箱容量 . 33 压元件的选择 . 33 压系统性能验算 . 33 算回路中的压力损失 . 33 压系统发热温升计算 . 35 总  结  . 37 参考文献  . 38 致  谢  . 39 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第 1 章  绪论  景及意义  目前，由于劳动 力成本和技术问题，国内拉伸机的上下料仍然采用人工上下料，不仅效率低、精度低，而且工人的劳动强度大，存在操作者发生安全事故的隐患。有些拉伸机生产厂商为了防止操作者发生安全事故，在拉伸机上加入了一些防护措施，如加入光电保护器等；但这不能从根本上防止操作者的安全。因此，设计机械手以代替人工进行上下料的操作就变得十分重要。本设计就是根据这一工程应用需要，设计上下料机械手结构，并对其进行运动学分析。  机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。我国的工业机械手是从 80 年代 "七五 "科技攻关开始起步 ， 在国家的支持 下 ， 通过 "七五 "， "八五 "科技攻关 ， 目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术 ， 控制系统硬件和软件设计技术 ， 运动学和轨迹规划技术 ， 生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有 130 多台喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，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距离。  世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶 劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。  随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中 液压 机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的 液压 机械手有气控机械手、 丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。  随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。机械手能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 械手概述  机械手也被称为自动手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。随着工业机械化和自动化的发展以及 液压 技术自身的一些优点， 液压 机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。   械手的组成  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。  械手的分类  机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、 液压 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。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为 “它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人  内外发展状况  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。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸 缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司 ， 专门生产工业机械手。  1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。  1978 年美国 司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配 作业，定位误差小于 1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。  联邦德国 司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977年底，其中一半是国产，一半是进口。  目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制 系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 柔性制造单元 的重要一环。  一般概况国内机械行业应用的机械手绝大部分为专用机械手 ， 附属于某一设备 ， 其工作程序是固定的。通用机械手也有发展 ， 目前应用的都是开关式点位控制型 ， 伺服型已试制出数台在调试中 ， 连续轨迹控制型还没有。  控制方式 有触点固定程序控制占绝大多数 ， 专用机械手多采用这种控制 。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第 2 章  总体方案设计  计要求  作要求  要求设计的机械手能在几台机械设备之间搬运和装卸工件。由手部握紧工件，往上抬起离开定位装置，手臂缩回，水平回转 90 度，手部放下工件。  数要求  本次设计选定参数如下：  （ 1） 伸缩行程： 800缩速度， 250mm/s；  （ 2） 升降行程： 330降速度， 60mm/s；  （ 3） 回转范围： 210 ，回转速度， 70 /s；  （ 4） 参考抓取重量： 15 案拟定  步分析  机械手抓重为 15工业 机械手的分类，属于中型，按用途分为通用机械手，其特点是具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样，通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适合于不断变换生产品种的中小批量自动化生产。圆柱坐标式机械手与直角坐标式械手相比，占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到很高的定位精度，因此应用广泛。  拟定方案  (1)由初始参数拟定整体设计方案  通用机械手是 36 个自由度，而本次设计为 3 由度圆柱坐标机械手，其结构简图如图 2 图 2构简图  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 (2)整体结构  由于本设计要求完成手臂的升降，旋转以及伸缩三个动作。则可以考虑升降在下或回转缸在下两种方式。通过综合考虑，本次试验决定采用升降缸在下的形式。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第 3 章  机械手 手部设计  部分析  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 况下多采用两个手指。  滑槽杠杆式手部设计的基本要求为：  (1)应具有适当的夹紧力和驱动力。  (2)手指应具有一定的开闭范围。  (3)应保证工件在手指内的夹持精度。  (4)要求结构紧凑，重量轻，效率高。  (5)应考虑通用性和特殊要求。  本设计考虑到设计的简便，采用了滑槽式杠杆回转型的手部结构。简图如下。  驱动杆可以连接液压缸，由液压缸带动其往复运动从而让手指夹紧或放松。  通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓， 用了滑槽式杠杆回转型的手部结构。简图如下。  驱动杆可以连接液压缸，由液压缸带动其往复运动从而让 手指夹紧或放松。  下面对其基本结构进行力学分析：   (a)                               (b) 图 3槽杠杆式手部结构、受力分析  123需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 在杠杆 3 的作用下，销轴 2 向上的拉力为 F，并通过销轴中心 O 点，两手指1 的滑槽对销轴的反作用力为 2， 其力的方向垂直于滑槽的中心线 1 2o 点，交 1F 和 2F 的延长线于 A 及 B。  由     得   1F = 2F  由     得   1F =2 '1F  由 ) =0   得 '1F =NFh  F= 2a 式中       角。  由分析可知，当驱动力 F 一定时， 角增大，则握力 角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好 = 030 040  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 ：  1 2 3 K K G式中       1K 安全系数，通常  2K 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估  其中 a 是重力方向的最大 上升加速度  t响， g=9.8 m/s ；  运载时工件最大上升速度；  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 系统达到最高速度的时间，一般选取  3K方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择；  G被抓取工件所受重力（ N）。  计算：设 a=40b=120 =35；机械手达到最高响应时间为 夹紧力 和  驱动液压缸的尺寸。  (1) 设 1K = 0 mm/s      =K= 根据公式，将已知条件带入：    519N 根据驱动力公式得：  (2)  计算F=F=40 35 119=479N 取   (3)  计算实际 = 599N 紧油缸的设计  确定液压缸的直径 D 224F D d p实 际选取活塞杆直径 d=择液压缸压力油工作压力 P=3   D= ）（据液压缸内径系列表（ 选取液压缸内径为： D=25据装配关系，外径为 36 则活塞杆直径为：  d=25 根据活塞杆标准系列 选取 d=12 抓的 设计  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能。  机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别 是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。  图 3抓夹持误差分析示意图  该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。  机械手的夹持范围为 3060 夹持误差不超过 3析如下：  工件的平均半径：  6030=45指长 L=120 V 型夹角 02 120  偏转角： = 1 1 605=按最佳偏转角确定：  =计算理论平均半径     c o 45为   m a x 2222m a a as i ss i n2)s i n(L 222222 4044 . 36s i  3 46co i n 601202)06s i n 60(201               要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 2222m i i as i ss i n2)s i n(L 222222 404 . 3 46s i  36co i n 301202)06s i n 30(201   以 = 夹持误差满足设计要求。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第 4 章  机械手 臂部设计   部整体设计  手臂部件是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部 和手部（包括工作），并带动它们作空间转动。  臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。因此，臂部具有两个自由度才能满足基本要求：即手臂，左右回转和升降运动。手臂的各种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现，从背部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因而，它的结构，工作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。  机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。臂部要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求：  1）机械手臂式机身的承载  机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。显然，伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度逾差，而且其刚度随支臂杆的伸缩不断变化，对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。  2）臂部运动速度要高，惯性要小  机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般时根据生产节拍的要求来决定。在一般情况，手臂回转要求均速运动，（ V 和w 为常数），但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前的加速度不能太大，否则引起冲击 和振动。  对于高速运动的机械手，其最大移动速度设计在 1000 1500mm/s，最大回转角速度设计在 180 /s 内，在大部分行程距离上平均移动速度为 1000mm/s 内，平均回转角速度为 90 /s 内。  3）手臂动作应灵活  为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滑动摩擦代替滑动摩擦。  对于悬臂式的机械手，其传动件，导向件和定位件布置应合理，使手臂运动过程尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生 “卡死 ”的现象（自锁现象）。  4）位置精度要高  一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度 较 高；除此之 外，要求机械手同用性要好，能适合做种作业的要求；工艺性要好，便于加工和安装；用于热加需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 工的机械手，还要考虑隔热，冷却；用于作业区粉尘大的机械手，还要设置防尘装置等。  考虑到本次设计的 机械手最大夹持重量 15取重量较小，因此 本设计选择 油缸杆 伸缩机构，其手臂的伸缩油缸 活塞杆 安装在 导向套内 ， 减小油缸杆的弯曲应力。 活塞杆受拉压 和弯曲载荷共同 作用，受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。使用液压驱动 ， 液压缸选取双作用液压缸。  臂伸缩驱动力计算  先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关 机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。  做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算为  F F F F F 回摩 密 惯 臂摩擦力的分析与计算  由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。  0     得                         b a 总  0Y   F总  得                          a a 总  ''a b a  F F F 摩 摩摩  ' 2 a 总摩式中     参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（ N）；  L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 离（ m） ， 参考上一节的计算 ; a导向支撑的长度（ m） ; ' 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。  对于圆柱面：   摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：  钢对青铜：取   钢对铸铁：取   计算： 油缸 杆的材料选择钢，导向 套 支撑选择 钢 ，  预估G ， 已知 L=800导向支撑 a 设计为 200将有关数据代入进行计算   a 总摩 600 2 00 2 006 1260N 臂密封处的摩擦阻力的计算  不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用 O 型密封圈，当液压缸 工作压力小于 10压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：  封F= 臂惯性力的计算  惯F=总式中   总G参与运动的零件的总重力（包括工件） (N)；  v 从静止加速到工作速度的变化量 (m/s)；  t 启动时间 (s)，一般取  设启动时间为 v 最大为 s。  则：  惯F=于背压阻力较小，可取回F=所以     F =摩F+惯F+封F+回F=1260+得     F =1446N 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 所以手臂伸缩驱动力为 F =1446N。  臂伸缩油缸的 设计  表 5压缸的工作压力  作用在活塞上外力 F（ N）  液压缸工作压力 用在活塞上外力 F（ N）  液压缸工作压力 于 5000  2000030000 00010000 000050000 000020000 0000 以上  过上面的计算，确定了液压缸的驱动力 F=4378N，根据表 5择液压缸的工作压力 P=1 定液压缸的结构尺寸  液压缸内径的计算，如图 5示  图 4作用液压缸示意图  当油进入无杆腔：  4211  当油进入有杆腔：  4 )(2212  液压缸的有效 面积：  1( 所以         11  （无杆腔）  214 （有杆腔）  式中 P 活塞驱动力 (P)；  1p 油缸的工作压力 (  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 d 活塞杆直径；   油缸机械效率，工程机械中用耐油橡胶可取 = 由上节求得驱动力 F=1446N， 1p =1械效率 =数据代入得：   11 =据表 4选择标准液压缸内径系列，选择 D=50压缸外径的设计 &nbs