机械手-冲床上下料气动机械手的设计（含CAD图纸）
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冲床上下料气动机械手的设计（含CAD图纸）
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I 冲床 上下料气动机械手的设计 摘 要 机械手 在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配 、 轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的 应 用。本文 的机械手用于冲床上下料 ，介绍它 的组成和分类 、 自由度和座标型式 、 气动技术的特点 、 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，设计出机械手的气动系统，绘制机械手气压系统工作原理图。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取合适的 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 设计 ； 冲床上下料； 气动； I in In of of of to of of of to LC to LC of I 目录 1 前言 . 1 题背景 . 1 计目 的 . 错误 !未定义书签。 展现状和趋势 . 1 械手的系统工作原理及组成 . 2 2 机械手各部件的设计 . 2 械手的总体设计 . 2 械手总体结构的类型 . 2 械手手爪结构设计 . 3 计要求 . 3 动方式 . 3 型结构 . 4 体设计方案 . 5 械手手臂结构的设计 . 5 臂结构的设计要求 . 5 体设计方案 . 5 械手腰座结构的设计 . 6 座结构的设计要求 . 6 体设 计方案 . 6 械手驱动系统设计 . 6 用驱动系统及其特点 . 6 体设计方案 . 7 械手手臂的平衡机构设计 . 7 衡机构的形式 . 7 体设计方案 . 8 3 手部结构设计 . 9 指的形状 . 9 计时考虑的几个问题 . 9 部夹紧气缸的设计 . 10 部驱动力计算 . 10 缸的直径 . 11 筒壁厚的设计 . 13 4 手臂结构设计 . 15 臂伸缩 . 15 构设计 . 15 导向装置 . 15 臂伸缩驱动力的计算 . 15 臂升降和回转部分的结构设计 . 16 臂伸缩气缸的设计 . 17 动力计算 . 17 缸的直径 . 17 塞杆直径的计算 . 18 筒壁厚计算 . 19 5 气动系统设计 . 21 要元器件的选择 . 21 动三联件 . 21 向阀 . 21 流阀 . 23 定执行元件运动控制回路 . 24 源系统的设计 . 24 压传动系统工 作原理图 . 24 械手运行顺序及电气控制 . 25 6 机械手的 . 27 编程序控制器的选择及工作过程 . 27 编程序控制器的选择 . 27 编程序控制器的工作过程 . 27 . 28 械手可编程序控制器控制方案 . 29 统简介 . 29 业机械手的工作流程 . 29 (如附图所示 ) . 31 7 结论 . 33 参考文献 . 34 致谢 . 35 附录 1 . 36 附录 2 . 37 附录 3 . 38 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 1 1 前言 题背景 由于工业自动化的全面发展和 科学 技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作 已 满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其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 一个重要组成部分。把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。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我把上下料机械手作为我研究的课题。 现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点 : (1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失 (摩擦损失、泄露损失等 )；液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。 (2)工作时 受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。 (3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。 (4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高 ;且使用西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 1 维护需要较高技术水平。 鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，气动技术有以下优点 : (1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器 :介质清洁，管道不易堵塞 ，不 存在介质变质及补充的问题 . （ 2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小 (一 般仅为油路的千分之一 )，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。 (3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要 的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。 (4) 能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。 (5) 工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能 。 (6) 成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。 计目的 目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床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。 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。 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 2 （ 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 图 1控制系统 （ 驱动系统 （气压 传动 ） 执行机构 位置检测装置 手部 手腕 手臂 立柱 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 3 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，有时也可作西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 2 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。该机械手采用的是 支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信 息 (如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 )，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。 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 2 2 机械手各部件的设计 械手的总体设计 械手总体结构的类型 工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构 和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下： （ 1） 直角坐标机械手结构特点 直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的 。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。 （ 2） 圆柱坐标机械手结构特点 圆 柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的 。其工作空 间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。 （ 3） 球坐标机械手结构特点 球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直 线运动来实现的 。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。 （ 4） 关节型机械手结构特点 关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型 两种。 体采用方案 如图 2据实际操作的需要，该机械手在工作中需要 3种运动 ,其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动 ,另一个为手臂的回转运动 ,因此其自由度数目为 3，综合考虑，应选择圆柱坐标机械手结构，其结构简单，工作范围相对较大，且有较高的精度，满足设计要求。 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 3 图 2械手模拟工作布局图 械手手爪结构设计 计要求 手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置 ，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。 机械手手爪设计有如下要求： （ 1） 机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。 （ 2） 机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换 装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。 （ 3） 机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。 （ 4） 机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。 动方式 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 4 一般工业机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型；按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。 机械手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种： （ 1） 气动驱动方式 这种驱动系统是 用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。 （ 2） 电动驱动方式 电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。 （ 3） 液压驱动方式 液压驱动方式是利用液压系统进行 控制，传动刚度大，可实现连续位置控制。 型结构 机械手手爪的典型结构有以下五种： （ 1） 楔块杠杆式手爪 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 （ 2） 滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。 （ 3） 连杆杠杆式手爪 在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。 （ 4） 齿轮齿条式手爪 通过活塞 推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 （ 5） 平行杠杆式手爪 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 5 采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，且比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小得多。 体设计方案 结合具体的工作情况，本设计采用 齿轮齿条式 的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条 与齿轮的啮合来实现 手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为 50 械手手臂结构的设计 臂结构的设计要求 机械手的手臂在工作时，要承受一定的 载荷，且其运动本身具有一定的速度，因此，机械手手臂的设计需要遵循以下设计要求： （ 1） 工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应合理，一般满足其工作空间即可。 （ 2） 为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。 （ 3） 应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。 （ 4） 机械手各关节的间隙要尽可能小，以减 小机械间隙所造成的运动误差。 （ 5） 为提高机械手手臂运动的速度、减小电机负载，机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡。 体设计方案 由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件的重量较大（质量达50以及机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性和较高的刚度要求，因此选择 气 压驱动方式。通过 气 缸的直接驱动， 气 缸既是驱动元件，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件；而且 气 缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。 由于 气 压系统能提供很大的驱动力，因此驱动力和结构的强度都较容易 实现，其关键在于机械手运动的稳定性和刚度的设计。因此手臂 气 缸的设计原则是气 缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 6 同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大 气 缸的直径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，尽量增加其刚度；为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。 械手腰座结构的设计 座结构的设计要 求 机械手的腰座，就是机械手的回转基座。它是机械手的第一个回转关节，承受了机械手的全部重量。因此在设计机械手腰座结构时，有以下设计要求： （ 1） 由于腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手腰座的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力，且腰座是机械手的第一个回转关节，它对机械手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度。 （ 2） 腰部结构要便于安装、调整。要有可靠的定位基准面和调整机构。且腰座要安装在足够大的基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。 （ 4） 腰部 的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。 （ 5） 为了减轻机械手运动部分的惯量，提高控制精度，要求回转运动部分由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。 体设计方案 腰座回转的驱动形式主要有 三 种，一是电机通过减速机构来实现，二是通过摆动液压缸或液压马达来实现 ，三是通过气缸来实现 。考虑到腰座是机械手的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大， 且整个系统都用气压驱动， 故采用气压 驱动 齿条与齿轮的啮合 来实现腰部的回转运动 。 械手驱动系统设计 用驱动系统及其特点 工业 常用驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 7 （ 1） 液压驱动系统 具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动、精度高等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机械手。 （ 2） 气动驱动系统 具有速度快，系统结构简单，维 修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机械手中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中。 （ 3） 电动驱动系统 具有使用方便，噪声较低，控制灵活等特点。这类驱动系统不需要能量转换，但大多数电机后面需安装精密的传动机构。 体设计方案 在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素，机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，因此采用 气压传动 来实现。 随着机床加工的工件的不同，通过程序对其控制，结合气压驱动可增加其通用性。 械手手臂的平衡机构设计 直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机 械手可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。关节机械手手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。 衡机构的形式 （ 1） 配重平衡机构 这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机械手手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机械手手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。 （ 2） 弹簧平衡机构 弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。 （ 3） 活塞推杆平衡机构 活塞式平衡系统分为两种，一是液压平衡系统，二是气动 平衡系统。其中液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；而气动平衡系统，具有很好西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 8 的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。 体设计方案 因为本机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机 构进行平衡。 因为机械手设计为圆柱坐标形式，且具有 4个自由度，一个为腰座的转动，两个为手臂的移动 和手部的抓取 。同时考虑机械手的工作环境和载荷对其布局和定位精度的要求，以及计算机的控制的因素，机械手的腰座的转动 、 水平 伸缩 手臂 、 垂直 升降 手臂 、手部抓取 都采用单活塞杆液压缸 来实现 。 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 9 3 手部结构设计 手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运 的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。 对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应 、 一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是 :充分分析作业对象 (工件 )的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件 ； 明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受 力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求 ； 尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制 。 本次设计的机械手是 冲床 气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批 生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。 该机械手主要应用于棒料的拾取，故采用齿轮齿条夹持式，当活塞向前运动时，齿轮和齿条的啮合推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。 指的形状 夹持式 中常用的有两指式、多指式和双手双指式，按手指夹持工件的部位又可分为内卡式和外夹式两种，用于模仿人手手指的动作，该种手指结构简单，制造容易，应用广泛。鉴于本文的机械手的用途，选择两指夹持式。 计时考虑的几个问题 (1)具有足够的握力 (即夹紧力 ) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (2)手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开。 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 10 (3)保 证工件准确定位 使手指和被夹持工件保持准确的相对位置。 (4)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的 惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，应当尽量使结构简单紧凑，自重轻。 部夹紧气缸的设计 部驱动力计算 该 动机械手的手部结构如图 3示，其工件重量 0 ， “V” 形手指的角度 2 120 ， 20 ， 4 ,摩擦系数为 1.0f 。 图 3轮齿条式手部 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为 : （ 3 (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式 : )( 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 11 所以： )(4902 (3)实际驱动力 : 21实际(3取 =并取 1K = 若被抓取工件的最大加速 度取 a=g 时，则 : 212 所以： 56 0 实际所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 缸的直径 本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为 : 421 （ 3 式中 : 1F N N N P 气缸工作压力， 簧反作用按下式计算 : （ 3 1418 （ 3 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 12 12 （ 3 式中 : L m S m 弹簧钢丝直径 ， m 径 ， m 弹簧外径 ， m 效率 n G 般取 ， 在设计中，必须考虑负载的影响，则 : 421 由以上分析 代入公式 得单向作用气缸的直径 : 14 由公式 （ 3代入有关数据，可得： 1418 1510308/439 7 )( 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 13 所以： 14 2/16 )( 查有关手册圆整，得 )(65 由 可得活塞杆直径 ( 圆整后，取活塞杆直径 8 ， 校核，按公式 24/ 2/1/4 其中 , 490则 : d (4 490/ 120) 2/1 18 满足设计要求 ，则取气缸直径为 筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算 : 2/ (3式中 : D P P = 5106 材料为 : 代入己知数据，则壁厚为 : 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 14 2/ = 365 101032/10665 = (查设计手册， 取 = 则缸筒外径为 : 。 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 15 4 手臂结构设计 按照抓取工件的要求， 本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转 是通过齿轮与齿条的啮合来实现， 升降运动是通过立柱 升降 来实现的， 手臂 的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。 臂伸缩 构设计 手臂的伸缩是直线运动，实现直线往复运动采用的是气压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用比较多。同时 ， 气压驱动的机械手手臂在进行伸缩 (或升降 )运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增 加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。在本机械手中，采用的是单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向性。 向装置 气压驱动的机械手手臂在进行伸缩 (或升降 )运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体 的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。 目前常采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等，在本机械手中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 臂伸缩驱动力的计算 手臂作水平伸缩时所需的驱动力 : 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 16 图 4嘴伸出时的受力状态 图 4- 1 所示为活塞气缸驱动手臂前伸时的示意图。在单杆活塞气缸中，由 于气缸的两腔有效工作面积不相等，所以左右两边的驱动力和压力之间的关系式不一样。当 压力油 (或压缩空气 )输入工作腔时，驱使手臂前伸 (或缩回 )，其驱动力应克服手臂在前伸 (或缩回 )起动时所产生的惯性力，手臂运动件表面之间的密封装置处的摩擦阻力，以及回油腔压力 (即背压 )所造成的阻力，因此，驱动力计算公式为 : 4321 （ 4 式中 :1P N 2P 力 (包括导向装置和活塞与缸壁之间的摩擦阻力 ) ,N 3 ，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不同 ； 4P 即背压 )所造成的阻力 N ，若非工作腔与 油箱或大气相连时，则 04 P 。 臂升降和回转部分的结构设计 其 结构如附图所示。手臂升降装置由转柱 、升降缸活塞 杆 、升降缸体 、立柱回转缸等组成。其中立柱回转缸有两个活塞，分别装在带齿条的活塞杆两头，齿条的往复运动带动立柱上的齿轮旋转，从而实现立柱的旋转。 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 17 臂伸缩气缸的设计 动力计算 根据手臂伸缩运动的驱动力公式 : （ 4 其中，由于手臂运动从静止开始，所以 , 摩 擦 系 数 :设计气缸材料为 塞材料为 45钢，查有关手册可知 f=臂伸缩部分主要由手臂伸缩气缸、手臂回转气缸、夹紧气缸、手爪及相关的固定元件组成。气缸为标准气缸，根据中国烟台气动元件厂的产品样本可估其质量，同时测量设计的有关尺寸，得知伸缩部分夹紧物体时其质量为 70松物件后其质量为 S=上料时： 5 F = )(1540 N 下料时： 7 F = 060055275 3 )(935 N 考虑安全因素，应乘以安全系数 则上料时 ，所需驱动力 : )(1 8 5 4 0 下料时 ，所需驱动力 : )( 缸的直径 根据双作用气缸的 计算公式 : 41 （ 4 4222 （ 4 其中 : 活塞杆伸出时的推力 ,N 西南科技大学应用型 自学考试 毕业设计 18 活塞杆缩入时的拉力 ,N 由公司 （ 4和 （ 4代入有关数据，得 : 当推力做功时 : 4 = 2/13 = )(当拉力做功时 : 24) 2/1p ) 2/15 1 2 24 )( 圆整后，取 气缸直径 00 。 塞杆直径的计算 根据设计要求 ,此活塞杆为空心活塞杆，目的是杆内将装有 3根伸缩气管。因此，活塞杆内径要尽可能大，假设取 0 ,0d 校核如下 :(按纵向弯曲极限力计算 ) 气缸承受纵向推力达到极限力 塞杆会产生轴向弯曲，出现不稳定现象。因此，必须使推力负载 (气缸温州大学毕业论文 基于 目 录 摘要 1 引言 1 2 计要求 2 动形式的选择 2 动方式的选择 4 体结构设计 5 6 构分析 6 算分析 6 11 械手移动工件控制系统的控制要求 11 械手移动工件控制系统的 型和资源配置 13 械手移动工件控制系统的 序 14 18 立机械手模型 18 作机械手的动画 18 结束语 26 致谢 26 参考 文献 26 附录 27 温州大学毕业论文 基于 手设计 1 摘 要 机械手设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。本课题通过对设计要求的分析，设计出机械手的总体方案，重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬软件的设计，完成了整个系统工作的动画设计。实现了机械手的基本搬运功能，达到了预期要求，具有一定的应用前景。 关键词 ： 机械手 动画 引 言 随着世界经济和技术的发展，人类活动的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造 领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随着机器人的产生和大量应用，很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完成。 工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机 , 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一 样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式 。 机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序来抓取、搬运工件或夹持工具，机械手可在空间抓放物体，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，广泛应用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能组成，主要完成移动、转动、抓取等动作。 控制系统是机械手的指挥系统，它通过控制驱动系统，让执行器按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。可编程控制器（ 一种数定运算操作的电子系 统，它将逻辑运算、顺序控制、时序、计数、算术运算等控制程序，用指令形式存放在存储器中，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。与继电器控制线路相比， 有可靠性高、抗干扰能力强；编程简单、使用方便；设计、安装容易，维护工作量少；功能完善、通用性强；体积小、能耗低等特点。因此，机械手控制系统越平越多的由可编程控制器来实现。 温州大学毕业论文 基于 手设计 2 计要求： 到另一个工作点上。 行夹紧力的计算分析。 初值给定如下： 工件质量 m=擦系数 =力加速度 g=直加速度 a=平加速度 a=转半径 r=速度 s 角加速度 全系数 S=角 45 为控制系统。 动形式的选择： 根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见机器人的运动形式有四种，下面分别论述其特点，然后确定运动形式。 直角坐标型机器人 的结构简图如图 1示，它在 x,y,z 轴上的运动是独立的， 3 个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是： (1)在三个直线方向上移动，运动容易想象。 (2)计算比较方便。 (3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。 (4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。 (5)要求有较大的平面安装区域。 (6)滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。 圆柱坐 标型机器人的结构简图如图 1示， R、 和 x 为坐标系的三个坐标，其中 是手臂的角位置， 种形式的主要特点是： (1)容易想象和计算。 (2)能够伸入形腔式机器内部。 (3)空间定位比较直观。 (4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。 (5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。 极坐标型机器人又称为球坐标机器人，其结构图如图 1示， R， 和为坐标系的坐标。其中是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，是手臂在 铅垂面内的的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是： 温州大学毕业论文 基于 手设计 3 (1)在中心支架附近的工作范围较大。 (2)两个转动驱动装置容易密封。 (3)覆盖工作空间较大。 (4)坐标系较复杂，较难想象和控制。 (5)直线驱动装置仍存在密封问题。 (6)存在工作死区。 多关节机器人结构简图如图 1是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。、和为坐标系的坐标，其中是绕底座铅垂轴的转角，是过底座的水平线与第一臂之间的夹角 ，是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是： (1)动作较灵活，工作空间大。 (2关节驱动处容易密封防尘。 (3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。 (4) 适合于电动机驱动。 (5)运动难以想象和控制，计算量较大。 (6)不适于液压驱动。 图 1直角坐标型 图 1圆柱坐标型 图 1极坐标型 图 1多关节型 温州大学毕业论文 基于 手设计 4 选择方案的准则： 械手能够旋转一定角度。 于计算分析。 分析比较以上四种运动形式，确定选用圆柱坐标型机器人。 动方式的选 择： 机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。下面将三种 驱动方式进行分析比较。 机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点： (1)液压容易达到较高的压力（常用液压为 体积较小，可以获得较大的推力或转矩； (2)液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度； (3)液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制； (4)液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。 液压传动系统的不足之处是： (1)油液的粘度随 温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃爆炸等危险； (2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高； (3)需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。 液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。 与液压驱动相比，气压驱动的特点是： (1)压缩空气粘度小，容易达到高速； (2)利用工厂集中的空气压缩站供气，不必添加动力设备； (3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业； (4)气动元件工 作压力低，故制造要求也比液压元件低。 它的不足之处是： (1)压缩空气常用压力为 要获得较大的力，其结构就要相对增大； (2)空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难； (3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。 气动式驱动多用于点位控制、抓取、开关控制和顺序控制的机器人。 电动机驱动可分为普通交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。 普通交、 直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交、直伺服电动机一般用温州大学毕业论文 基于 手设计 5 于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。 本课题设计的机械手的特点： 用顺序控制方式。 度要求不高。 根据以上特点，确定选用气压驱动。 体结构设计 根据圆柱坐标型运动方式和气压驱动方式的选定，对 机械手进行总体结构的设计，机械结构由摆动气缸、双联气缸、单联气缸和气爪组成，结构图如图 1 图 1机械手总体结构图 温州大学毕业论文 基于 手设计 6 构分析 机械手的手部是最重要的执行机构，是用来握持工件的部件。常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类，本课题采用夹持类手部。夹持类手部又可分夹钳式、托勾式和弹簧式。本课题选用夹钳式，它是工业机器人最常见的一种手部。手部传动机构可分回转型、平动型和平移型。回转型的特点是当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大 小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。平动型的特点是手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。和回转型手爪一样，夹持中心随被夹持物体直径的大小而变。平移型的特点是当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不变，不受工件直径变化的影响。为便于夹持避免固定中心的麻烦，采用平移型，图 2示的是靠导槽保持手指作平移运动。手部结构也采用气压驱动。 图 2手部装配图 算分析 因工件运动速度引起视在重量增加情况下的夹紧力计算 机器人手臂停止状态开始的直线运动和旋转运动的组合，所以伴随有速度和加速度 视在重量就变化。设机械手手部纵向中心线上所加的驱动力为 P， P气缸有效截面积 使用的气压 向沿手指的运动方向） Q，工件重量为 G=. 如图 2件以加速度 使工件不掉下，下式必须成立 . 20Q m g m a 得2温州大学毕业论文 基于 手设计 7 代入数据，得 0 . 3 1 9 . 80 . 1 4 . 2 52 0 . 1 5图 2工件垂直上升时受力分析图 机械手部绕垂直轴以半径 件夹紧面与旋转圆弧切线方向平行，如图 2 切线方向： 20Q t m r 主法线方向： 2( ) 02n m r 2( ) 02n m r 副法线方向： 2( ) 02b m r 2( ) 02b m r 联立上式，求解得 2 2 2( ) 22r g 代入数据，得 2 220 . 5 2 . 1 9 . 8 2 0 . 5 3 . 50 . 1 7 . 3 72 0 . 1 5 |注塑模具 |冲压模具 |工艺夹具 |减速器 |变速器 |机械手 |机器人 |汽修设计|数控加工编程 |数控改造 |数控机床 |液压设计 |机电 单片机 |专用组合温州大学毕业论文 基于 手设计 8 机床 |污水处理工程 |化工设备类 |自动生产线类 |三维造型类 床类 |矿用机械 |农用机械 |专用机械 |本科精品设计 |部分下载 | 为很快找到自己要的题目，可以通过上面分类选择，也可以直接联系 249796576 题目每天在更新，一定有你要的资料， 24小时客服 49796576,也可点进网站下载到历届同学的设计内容 . 后指： 22c o s( s i n ) ( ) ( ) 022R m a m gQ m a 由于是机械手部机构， R,所以结果 22( c o s ) 2 s i g 代入数据，得 2 20 . 3 9 . 8 c o s 4 5 9 . 8 2 0 . 1 5 0 . 3 9 . 8 s i n 4 50 . 1 3 . 5 52 0 . 1 5 温州大学毕业论文 基于 手设计 9 图 2工件水平直进时受力分析图 综上所述，得 7 . 3 7 大 值由于考虑到设计的机械手的安全问题， Q 应再乘上一个安全系数 S。 7 . 3 7 1 . 4 5 1 0 . 6 9Q Q S N 安 全 值 最 大 值 夹紧力 图 2示。 由设计要求得知夹持长度 L 25据图 2知所加的压强约为 夹持长度（夹紧力温州大学毕业论文 基于 手设计 10 夹持长度（夹紧力图 2夹紧力、夹持长度、压强关系图 制系统设计 械手移动工件控制系统的控制要求 械手移动工件的基本结构、工作流程和工作原理 机械移动工件的基本结构图如图 3示。 温州大学毕业论文 基于 手设计 11 图 3机械移动工件的基本结构图 机械手移动工件单个工作流程示意图如图 2示。 机械手移动工件的单个工作流程由复位到初始位置、将机械手移动到工件处、夹紧工件、将工件移动到目标位置、放下工件和移动到初始位置 6 个过程组成。机械手移动工件通过 控制，可以实现这 6 个过程全自动依次运行。 由于本机械手采用气动传动，为方便检测，选用磁性开关作为传感器。安装在气缸外部即可。机械手移动工件通过磁性限位开关与电磁阀来控制。 (1)机械手左转、右转、左移、右移、上移、下移分别通过左转电磁阀、右转电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、上移电磁阀、下移电磁阀来实现，移动 或转动的最大位置由左转限位开关 转限位开关 移限位开关 移限位开关 移限位开关 移限位开关 控制。 (2)放松、夹紧工件通过放松电磁阀、夹紧电磁阀来实现。夹紧工件通过定时器控制，根据实际情况，夹紧时间设为 3 秒。放松工件通过放松限位开关来控制。 (1)按下启动按按钮，系统先检查机械手是否在初始位置，若不是机械手先进行复位，然后再进入机械手正式工作状态。按下停止按扭，等机械手运行到初始位置后，再停车。按下急停按钮，断开 部负载电源和气动装置电源，系统立即停止。 温州大学毕业论文 基于 手设计 12 图 3 机械手移动工件单个工作流程 备控制要求 该系统要求机械手能自动进行工作，转动时要求回转半径最小，要具体控制要求如下： (1
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