毕业设计（论文）-工业机械手设计.doc

沈阳理工大学应用技术学院毕业设计说明书前言工业机械手是近几年来出现的一种技术装备，它能够仿人体上肢的某些动作，在生产中代替人搬运物体或操持工具进行操作。因此，机械手的应用越来越普遍，并有着广泛的发展前途。为了提高生产的自动化水平和劳动生产率，减轻工人的劳动，并且可保证产品的质量。在设计机械手之前，我们到工厂进行了实地考察对其结构、运动形式进行研究和分析。回校之后，通过查找有关资料进行机械手的初步设计和计算。通过这次设计，培养了我们综合运用所学的理论知识掌握了工程设计的一般程序，建立了正确的设计思想，使我们学到了许多在课堂上没有学到的知识，为我们将来的工作奠定了一定的基础。在设计过程中得到了老师的指导和帮助，在此向您表示感谢。由于我们的能力有限，在计算和结构中难免会出现缺点错误，真诚期待各位领导和各位老师给予批评指正。 1 机械部分1-1 确定机械手的结构及拟定工作原理图一、设计要点1、130，152大炮药筒压底工序上，下料机械手完成顶料、抓料、提开、转腕、下降、放料。2、手臂行程分为两个行程：提开和放料：1000mm3、传动方式：液压传动4、抓持工件的重量：130、16.15kg ；152、12.48kg二、传动方案的确定1、驱动方式的确定：该机械手采用的是液压传动，它与气压传动相比，能够有如下优点：1) 能得到较大的输出力和力矩。2) 液压传动滞后现象小，反映较灵敏，传动平稳，由于气压传动能得到较高的速度，但空气粘性比油液低，传动中冲击较大，不利于精确定位。3) 输出力和运动速度控制比较容易，输出力和运动速度在一定的油缸尺寸下，主要决定于油液的压力和流量，通过调节相应的压力和流量，能比较方便地控制输出功率。4)可达到较高的定位精度，抓重较轻时，采用适宜的缓冲措施和定位方式，但系统的泄漏难以避免，影响工作效率和系统的工作性能。2、运动路线的确定 根据其工作循环，确定运动路线传料下降抓料上升转腕下降松指上升直腕三、机械手的基本参数1) 抓重：根据任务所给质量，抓料的质量为16.15kg、12.47kg两种工件。2) 自由度数为两个，手臂的竖直方向向上的直线往复运动，腕部回转油缸的摆动。3) 工作时间：任务是要求机械手在一分钟内完成两个工作循环，根据其循环时间可分配如下： 手臂上升时间：5秒 手臂下降时间：4秒 转腕时间：3秒 抓料时间：2秒 放料时间：1秒4)定位精确：机械手的定位精度是由加工工艺要求决定的，三抓定位精度高，根据本身的结构，抓重工作速度以及驱动方式和缓冲定位方式来确定。本机械手的定位精度为1mm。四、机械手的结构设计 根据任务书的要求和工作地的要求，升降系统设计成双作用单杆活塞式油缸，它完成工件的放料任务。考虑它的体积要求和转矩要求，采用双叶片回转油缸，手部采用双作用单杆式油缸，由滑块来确定手部的夹紧位置。腕部回转45，采用单导向结构。1-2 夹紧油缸的设计一夹紧油缸的设计1、夹紧缸的结构设计选择采用滑头结构，这种形式结构简单、可靠，并在夹紧工作后能自锁。2、手指选择根据工作形状结构和工艺要求，采用三指式结构，这样在转腕时比较平稳，三指式120，对称分布。3、三指夹紧力的计算 在手指好工件接触处安装橡胶，加橡胶垫的目的是使其夹紧可靠，避免碰伤工件表面。 工件夹紧力的计算： 铜和橡胶的摩擦系数 =0.2 (查手册) 工件的重力： =16.1510=161.5（） 3 =269（）由于,故夹紧力传给滑块，滑块通过活塞杆的斜块，将滑块的压力分解为两个方向，一个是对斜块的压力，一个是摩擦力，由受力分析如图示：图1.1理论驱动力：p f为钢与钢的摩擦系数，取f=0.15故实际驱动力p 安全系数，1.52 0.850.9 所以4.夹紧缸的计算：1指部夹紧缸的运动形式是直线王府运动，常选用单杆活塞油缸。2液压缸尺寸的确定 缸的推力： 取工作压力:液压缸活塞有效工作体积： 3）无杆腔：4）活塞杆直径的确定根据上式和速度比确定由于抓料时间与放料行程相等，所以时间比等于速度比，即：放料所需的速度：抓料所需的速度由工业机械手册设计基础天津科学技术出版社，差得活塞杆直径的验算：故安全5.实际液压的计算：缸的推力：实际压力：6夹紧缸的结构设计1）液压缸的密封均采用o型密封圈密封。2）活塞杆结构设计。 图1.2材料：选45钢 密封圈外径：d=100mm 沟槽宽度：b=6.40.2mm 往复运动距离：h=5.4mm沟槽外径：d=100mm 沟槽内径d=100mm内因角半径r=0.4mm 外因角半径r=0.2mm不同轴度e0.1mm7.顶料杆设计1)材料选35钢2)杆长的计算，腕部回转45,根据其结构形式来确定其长度.图1.3o为回转缸中心；a为夹紧缸的中心；b为顶料杆的接点；c为顶料杆的位置。由结构可知 ab=95mm ob=198mm oc=630mm则：即：顶料杆与竖直方向的角度为1-3腕部的计算1、腕部总重力腕部选用回转杆，材料查手册机械设计手册上册，第一分册第二版，比重选钢对钢1)手指按矩形：a=20，b=3.5 c=3.5有三个手指2)钩耳：a=5.4cm b=1.4cm c=7.7cm有六个钩耳3）气抓体： 4) 抓料缸体：5）手部缸重：m5=m2+m3+m4=2.7+11.17+21.42=35.29(kg)6）工件重：m6=16.15(kg)7）紧固板：8）回转缸所能达到的总质量：m=m1+m5+m6+m7=63kg总重力：2、回转缸的转矩验算 图1.4设回转缸驱动中心为其几何中心s1：连板重心到回转轴的距离s1=7mms2：手部缸的重心到回转轴距离s2=70mms3：手指重心到回转轴的距离s3=180mms4：工件重心到回转轴距离 s4=800mmsx：回转缸所能达到的重心由图可知：3、驱动力矩的计算 m=163.84、回转缸内径的计算p1：回转油缸的工作压力 p1=20105pad：输出轴与动片联接处的直径，初设计时可按 选取，根据工业机械手册设计基础天津科学技术出版社查得验算转动缸的转矩：查工业机械手册设计基础天津科学技术出版社 p99 3-135、回转缸的壁厚可根据腕部结构和工艺性选取6、选用的轴承由于此轴主要承受的是径向载荷，也承受一定的轴向载荷，故选用单列向心球轴承，由于结构的限制采用超轻窄系列的轴承，轴承型号70001107、回转油缸密封形式的确定回转油缸的动片和静片均采用截石形状为o型的矩形密封圈，由于双向受压力故加双向牛皮档圈，其作用：是防止高压油液将o型密封圈挤入配合间隙，以保证密封性，并延长密封圈的使用寿命。8、回转缸螺栓的验算 引自机械零件设计手册国防工业出版社编。1）螺栓受力分析：此螺栓受轴向载荷，载荷作用线与螺栓轴线平行，其合力通过螺栓组的形心，螺栓组受的轴向载荷，查机械零件设计手册国防工业出版社编。每个螺栓受的轴向载荷为：2）求螺栓工作时总拉伸载荷3）校核螺栓的许用应力螺栓材料：选45钢由机械零件设计手册国防版查3.1-5.3取，设装配时可控制预紧力，按表3.1-53暂取安全系数sp=2，引自表3.5-56得螺栓的许用应力为：4）确定螺栓直径由表3.1-47得：设计时选用m8的螺栓。9、花键的强度校核引自机械零件设计手册国防工业出版社工作面的挤压或磨损静联接：式中：t转矩nmm t=163800nmm 各齿间载荷分面均匀系数通常取=0.70.8 取=0.8 z齿数 取z=8 h齿的工作高度 cc=0.25倒角尺寸 l齿的工作长度 l=28mm 1-4手臂缸的设计和计算1、手臂缸内径的确定查工业机械手设计手册天津科学技术出版社取d=80mm活塞的有效工作面积 2、油缸的壁厚 d缸筒内径 油缸材料的许用应力=（10001100）105p 校核：= 只有在（40004400）105之间，才满足条件，为4000105满足条件。3、活塞杆的计算及验算活塞杆的尺寸要满足活塞运动的要求和强度要求，对于杆长若要大于15d，则活塞杆还必须考虑是否具有足够的稳定性（即具有保持其轴线不会因工作时所受轴向压力而弯曲的能力）。1）按强度条件决定活塞杆d=式中：p-活塞杆上所受的总机横载荷，为1296.5n d-活塞杆直径，为40mm由于大柔度杆或称为细长杆的临界力pk当活塞杆的计算柔度。i活塞杆的横截面的惯性半径l活塞杆的计算长度h长度计算系数i=特定柔度值=e活塞杆材料的弹性模量 e=2.11011pa活塞杆材料的比例极限由于= hk安全系数，取为2p轴向压力 p为1297n 4、缸盖的设计1）缸盖的材料选用zg35，根据其结构可能性参考机械零件设计手册冶金工业出版表3-1-56设计的上、下盖由法兰联接，下盖的结构有缓冲装置。2）密封的结构（1）均采用o型密封圈密封o型密封圈具有结构简单，密封性良好，动磨擦阻力小，沟槽尺寸小，结构紧凑，制造容易，成本低，安装方便等优点，因此，o型密封圈应用较广泛。按化学工业出版社机械设计手册表6-134，6-136，6-137查得80处的静密封为：断面的直径：沟槽宽度：运动的距离：沟槽外径：d1=80mm沟槽内径： p2=0.3mm r=0.1mm不同轴度：b=3.9+0.15mmh=3.3mmd1=d2+2h=46.6mmd1=40mmp2=0.3mmr=0.1mme0.07mm5、活塞的结构设计1）活塞材料选用45号钢2）长度由冶金工业出版社编机械零件设计手册表31-43查得l=60mm3）在活塞上开密封槽尺寸，化学工业出版社机械设计手册表6-134，6-136查得80处的动密封：6、油缸端盖的连接方式及强度计算 油缸材料为45钢 它的端盖联接方式用法兰连接 优点：容易加工和装卸 缺点：外径和重量较大1）缸盖螺钉的计算：当缸体与缸盖用法兰连接时，螺钉除了应具有足够的强度之外还要保证联接的紧密性。查工业机械手设计基础天津科学 出版社。取缸盖螺钉间的距离。 t=150mmh安全系数 取h为1.22.5在这种联接中，每个螺钉在危险部石上承受的拉力，是工作载荷与剩余锁紧为之和。 p缸盖受的合成液压力剩余锁紧力取螺钉直径d1=10mm7、液压缸的放置及固定形式根据工作情况，竖直放置，其固定形式为外，法兰安装与导向板联接。8、手臂下盖世太保缓冲装置的设计运动部件的全部机械能e的计弱。e=e液+e磨+e动+e+静 式中：p1活塞的工作压力取8105paf活塞的有效工作面积f=l缓冲行程l=300mm=0.3m2）在缓冲过程中所具有的磨擦能：e磨 由于e磨很小，可以忽略不计3）参与运动的部件所具有的动能：e动 v运动部件在缓冲下行时，所具有的速度为10m/sg参与运动的重量，为1297ng重力加速度 为10m/s2 4）当油缸为非水平位置安装时，作升降运动的部件所具有的重力势能：e重 当油缸在水平方向安置时 e重=o9、节流孔直径的确定式中：e缓冲开始时，运动部件所具有的全部机械能为7262.8nm l缓冲行程，有时即为缓冲柱塞长度为0.3m f缓冲柱塞的活塞有效面积f为调恒节流时c取固定的23倍。 取节流孔直径d=10mm10、导向套的设计导向套的选取主要是根据轴的直径以及所设计的结构来选取的。导向套的配合长度一般选取直径的1.5倍。引自机械设计手册上册，第二分册，化学工业出版社。11、回转缸轴的确定1）轴进行校核 轴的材料选用45钢，经调质化处理。（1）轴疲劳强度校核计算 扭矩： 合成弯矩： 轴的直径： 抗弯截面的系数： 扭转截面系数： 弯曲应力幅： 弯曲平均应力： 图1.5 图1.6 弯曲扭转疲劳强度： 弯曲和扭转等效系数： 绝对尺寸： 表面质量系数： 弯曲时有效应力集中系数： 扭转时有效应力集中系数：k2 只考虑弯曲作用时的安全系数：只考虑扭矩作用时的安全系数za扭转平均应力 安全系数： 安全系数sp=1.5查机械零件设计手册国防出版社出版由于 s1sp 故满足要求，安全 s2sp（2）轴静强度校核计算bs=360mpa 扭转屈服强度极限zs: zs=208.8mpa抗弯截面系数w： w1=34300mm3 w2=9940mm3扭转截面系数wp: wp1=60642.4mm3 wp2=19800mm3最大瞬时弯矩： mmax=2m=238900=77800nmm最大瞬时扭矩： tmax=t=8190nmm只考虑弯曲时安全系数只考虑扭转时安全系数查手册 sp=1.4故：满足要求静强度足够2电器部分 2-1机械手电器部分的设计概述一、本设计的目的及意义工业机械手的动作过程控制系统按照预先整定好的程序来运行。检查元件及电子驱动装置，克服了在设备上受到限位开关，体积大，有触电磨损，寿命的不足。二、设计要求1、有工件启动，机械手按工艺要求，顺序完成各项工作，无工件停止。2、本电气控制装置要能保证使用寿命长，无触电磨损，可靠性好，维修方便。3、外加电源电压200v三、总体方案论证实现机械手自动电子控制系统主要有四种方式：1、数字电子技术2、工业控制计示机3、继电器4、可编程序控制器数字电路复杂，成本低，可以设计出数字控制装置但是可靠性差。工业计示机快速，实时性强，但人员技术水平要求高，应具有一定的专业知识，在整机结构上不能适应恶劣工作环境，不如可编程易于推广。继电器控制系统是针对一定生产机械，固定的生产工艺而设计的，采用硬接电线安装而成，只能完成既定的逻辑控制，定时，计数等功能，即只能进行开关量的控制，一旦改变生菜工艺过过程，继电器控制系统必须重新配线，因而适应性很差，且体积庞大，安装维修均不方便。可编程序只要改变程序，就可适应生产工艺过程的改变，适应性强，即可以进行开关量控制又可进行模拟量控制。可编程序控制器体积小，重量轻，结构紧凑，开发期短，安装和维修工作量少，有自动诊断功能，可靠性高。综上比较，本机械手采用可编程序控制器来实现自动控制。2-2 传感器的选择一、 传感器的作用是将有无工件的情况转换成电信号，将机械手到位与否装换成电信号。 该液压机械手的位置检测传感器有霍尔传感器，自感传感器，涡流传感器，电位传感器多种，它们各有优缺点，比较如下：霍尔传感器是一种磁敏传感器，具有使用寿命长，无触电磨损，无火花干扰，无转换抖动，工作效率高，温度特性好，结构简单，体积小，输出电动势的变化范围大等优点。自感传感器简单可靠，输出功率大的优点，缺点是输出量于电源频率有密切关系，要求有一个频率稳定的电源。涡流传感器测量的线性范围大，灵敏度高，结构简单，抗干扰能力强，但电测量位移的范围较小，不适于机械手位移检测。电位传感器测量结构简单，价格便宜，有一定可靠性，输出功率较大，但其粘度不够。综上比较，选择霍尔传感器。二、霍尔传感器电路图及工作原理。图2.1图2.2工作原理：当外加磁场强度b上升到导通点bop时，霍尔开关输出由高降到低，当b由大到小降至brp时，霍尔开关输出由低到高，霍尔位检开关正是利用这一转移特性，机械手适当位置固定是一块磁钢，当磁钢和霍尔开关相靠近时，磁路导通，输出为低电平，当磁钢和霍尔相远离时磁路断开，输出为高电平。2-3 放射式红外检测开关图2.3工作原理：无元件光路通t1导通t2导通v0为低电平有工件光路断t1截止t2截止v0为高电平。24 根据工艺过程分析控制要求 机械手的全部动作由液压缸驱动，而液压缸又由相应的电磁阀控制，其中，上升/下降和直腕/转腕分别由双线圈两位电磁阀控制，通电上升，断电上升停止；通电下降，断电下降停止；通电直腕，断电直腕停止；通电转腕，断电转腕停止，夹/松由单线圈两位置电磁阀控制，通电加紧，断电放松。机械手直腕并准备下降时，为了准保安全，必须在无工件时才能允许下降，也就是说上一次搬运的工件未被搬走时，机械手应自动停止。机械手的工作过程:从原点开始，按下启动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降，下降到底时，碰到下线位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧，夹紧后，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通转腕电磁阀，机械手转腕，转腕后，若此时工作地上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。放松后，上升电磁阀通电，机械手上升，上升到顶时，碰到上位开关，上升电磁阀断电，上升停止，同时接通知腕电磁阀，直腕时间停止。至此，机械手动作完成一个周期。为了满足生产要求，机械手应设置手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步，单周期，连续操作方式。手动操作方式：就是用按钮操作时对机械手的每一种动作单独进行控制。单步操作：每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。单周期操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止，重新启动时，须用手动操作方式将机械手移回原点，然后按一下启动按钮，机械手有重新开始单周期操作。连续操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手的动作将自动的，连续不断地周期性循环。在工作中肉按下停止按钮，则机械手动作停止，重新启动时需用手动操作方式将机械手移回原点，然后按下启动按钮机械手又开始连续操作。在工作中按下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后回到原点自动停止。25确定所需的用户输入/输出设备及pc的选择一：输入设备用以产生输入控制信号输出设备由pc得输出信号驱动的执行元件。 i/o 表输入信号 序号输入信号序号启动按钮x400单步x407上限位开关x401单周期x410下限位开关1x402连续x411下限位开关2x403直腕/转腕x412光电开关x404夹/松x413停止按钮x405上/下x500手动x406复位x501输出信号序号输出信号序号下降电磁阀x430夹紧电磁阀x433转腕电磁阀x431直腕电磁阀x434上升电磁阀x432原点指示x435表2.1所以pc共需14点输入，6点输出。二、pc选择 该机械手的控制为纯开关控制，且所需的i/o点数不多，因此选择一般的小型抵挡机即可 由于所需的i/o点数为14/6点，考虑到机械手操作的工艺固定，pc的i/o点基本上可留余量。综上所诉，选择f1-40h，其主机i/o点数为14/16点。26 pc程序设计 当作方式选择开关置于“手动”时，输入点x406接通，其输入继电器常闭节点断开，执行手动操作。 在操作选择开关置于“单步”“单周期”“连续”时，其对应的输入x407,x410,x411接通，其输入继电器常闭节点断开，执行自动操作程序。在执行自动操作程序时，如操作选择开关置于连续时，启动后辅助继电器m200同样接通，程序自动循环。操作选择开关置于“单步”时，m200同样接通，程序也可以循环，但必须是每按一次启动按钮执行一步，如果操作选择开关置于“单周期”或运行过程中按下复位按钮时，则辅助继电器m200复位，程序执行完一个周期时自动停止。由于直腕/转腕，上/下运动采用双线圈两位电磁阀控制，两个线圈不能同时通电，因此在直腕/转腕，上/下移动的电路中设置了互锁环节.一、步进指令编程。1. 步进指令是由状态转移设计梯形图的一种步进指令。状态转移图直观地表示了工艺流程。因此，采用步进指令设计梯形图具有简单直观地特点，是顺序控制变得容易，大大缩短了设置者的设计时间。 步进指令stl和步进返回指令ret与状态寄存器s配合使用，能方便地编制出步进控制程序 图2.4图2.5用状态寄存器编程的自动操作流程图 机械手在原点时，按下启动按钮后，状态s600接通，执行第一程序，机械手完成第一步动作以后，每完成一步，原来的状态自动复位，机械手完成下一步移动。 在单周期操作方式下，状态转移到最后一步后不再转移，机械手完成最后一步动作后自动停止在原点。 在连续操作方式下，m200接通，当机械手完成最后一步动作后，不再转移，机械手完成最后一步动作后自动停止在原点。在运行中，如按复位按钮，则x501接通，m200复位，机械手的动作继续执行完成第一个周期后，回到原点自动停止。在运行中，如按停止按钮后，则x405接通，状态s600-s680全部复位，机械手动作停止，重新启动时先用手动操作将机械手移回原点，再按启动按钮，又重新开始自动操作。根据梯形图，便可编出自动操作程序： 0 ld x401 1 out y435 2 ld x400 3 and x401 4 s s600 5 stl s600 6 out y430 7 ld x402 8 s s601 9 stl s60110 s y433 32 out t45211 out t451 33 k312 k3 34 ld t45213 ld t450 35 s s60614 s s602 36 stl s60615 stl s602 37 out y43216 out y432 38 ld x40117 ld x401 39 s s60718 s s603 40 stl s60719 stl s603 41 s y43420 s y431 42 out t45321 out t451 43 k322 k3 44 ld t45323 ld t451 45 s s60824 s s604 46 stl s60825 stl s604 47 lot x40426 ld x404 48 s x43427 out y430 49 out t45228 ld x403 50 k329 s s605 51 ld x40430 stl s605 52 and t45231 stl y434 53 and m20054 s s600 55 ret 56 and2-7 外部电源为了保护可编程序控制器安全和负载的紧急停车，赢在