基于AutoCAD技术的机械手和液压传动原理设计 机械设计及自动化专业毕业设计 毕业论.doc

内容摘要： 本课题是为普通车床配套而设计的上料机械手。工业机械手是工业生产的必然产物。它是一种模拟人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要的作用。通过运用AutoCAD技术对机械手进行设计和液压传动原理设计。它能自动上料运动，在安装时将工件送入卡盘中。上料机械手的运动是按着满足生产率来设定的。关键词： 机械手 AutoCADAstract： This topic is designed lathe complete loading robot。Industrial robot is an inevitable product of industrial production。It is a simulation of human upper part of the function，According to the schedule requires delivery of the workpiece gripping tools or automation technology and equipment operation，On the automation of industrial production，Promote the further development of industrial production plays an important role。Technology through the use of AutoCAD design and manipulator design of hydraulic principles。It can automatically feeding movement during installation into the workpiece chuck。Feeding the division of the movement manipulator productivity to meet the set.。Key word：Manipulator AutoCAD第一章、机械手设计任务书1.1毕业设计的目的毕业设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论，基本标知识与基本技能去解决专业范围的工程技术的问题而进行的一项基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。其主要目的1培养学生综合分析和解决未来本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。2培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册，利用图册工具书进行计算、数据处理、编写技术文件等方面的工作的能力。3培养学生树立正确的设计思想、构思、创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。4培养学生进行调查研究，面向实际、面向生产、面向工厂、面向技术人员学习的基本工作态度、工作作风和工作方法。1.2本课题的内容和要求1 原始数据及资料原始数据a 生产纲领：10000件两班制生产b 自由度：四个自由度 臂转动 180 臂上下运动 500mm 臂伸长收缩500mm 手部转动189 设计要求a 上料和结构设计图，装配图，各主要零件图一套b 液压原理图c 设计计算说明书技术要求主要参数的确定；a 坐标形式;直角坐标系b 臂的运动行程伸缩运动500mm回转运动180c 运动速度；使生产率满足生产纲领的要求即可d 控制方式；起止设定位置e 定位精度0.5mmf 手指握力1392Ng 驱动方式；液压驱动2 料槽形式及分析动作要求料槽形式由于工件的形状属于小型回转体，此种形状的零件通常采用自重输送的输料槽，如图1.1所示，该装置结构简单，不需要其他动力源和特殊装置，所以本课 题采用此种输料槽。动作要求，分析如图1.2所示动作一 送料 动作二 预夹紧 动作三 手臂上升 动作四 手臂旋转 动作五 手臂伸长 动作六 手腕旋转第二章、抓取机构设计2.1手部设计计算1 对手部设计的要求有适当的夹紧力手部爱运动时，应具有适当的夹紧力。以保证加件稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工面，对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计的可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁装置。有足够的开闭范围 手部的手指都有张开和闭合装置，工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指加紧端长度表示，手指开闭的范围要求与许多因素有关，如弓工件的的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。如图2.1 所示，力求结构简单，重量轻，体积小手部处于腕部的最前端，工作时，运动状态多变，其结构，重量和体积等直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能，因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。手指应有一定的强度和刚度 其它要求因此抓料，夹紧机械手，根据弓箭的形状，采用最常用的外卡式两指钳抓，加紧方式，用常用闭式弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸，此种结构较为简单。2 拉紧装置原理如图2.2所示，油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。右腔推力为 Fp=4D2p 2-1 4X0.52X25X103=4908.7N根据钳抓夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为 F1=(2ba)X(coa)2N 2-2 =（2X15030）X（coa30）2X392 =1764N则实际夹紧力为F1实际=PKK2n =1764X1.5X1.10.85=3424N 2-3 经圆整F1=3500N3 计算手部活塞杆行程长L即 L=(D2)tag =25Xtag300 =23.1mm 经圆整取L=25mm4 确定“V”型钳爪的L.。 取LRcp=3 2-5 式中：Rcp=P/4=50 2-6由公式（2-5）（2-6）得：L=3XRcp=150取：“V”型钳的夹角2a=1200，侧偏转角按最佳偏转角来确定， 查表得:22.39。5 机械运动范围 伸缩运动 Vmax=500mmS Vmin=50mmS 上升运动 Vmax=500mmS Vmin=40mmS 下降运动 Vmax=800mmS Vmin=40mmS 回转运动 wmax=900S Wmin=300S 所以取手部驱动活塞速度V=60mmS 手部右腔流量 Q=sv 2-7 =60r2 =1177.5mm3S 手部工作压强 P=F1S =35001962.5 2-8 =1.78Mpa2.2 腕部设计计算腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小，本课题腕部具有回转这一自由度，可采用具有一个运动度的回转缸驱动的腕部结构。要求：回转90 角速度W=45S以最大负荷计算；当工件处于水平位置时，摆动缸的扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，长度l=650mm如图2.3所示1 计算扭矩M1设重力集中离手指中心200mm处，既扭矩M1为；M1=FS 2-9 =109.80.2=19.6N.m 图2.3腕部受力简图。2，油缸及其配件的估算扭矩M2 F=5Kg S=10cm 代入公式2-9得 M2=FS=59.80.1=4.9N.m3,摆动缸的摩檫力矩M摩 F摩=300N估算值 S=20mm估算值 M摩= F摩S=6N.m4,摆动缸的摩檫力矩M M=M1+M2+M摩 =30.5N.m5，由公式 T=PbAC2-mm2)1068其中；b-为叶片密度，这里取b=3cm AC-为摆动缸内径，这里取AC=10cm mm-为转轴直径，这里取mm=3cm 所以代入（2.11）公式 P=8T/b(AC2-mm2)106 =830.5/0.03(0.12-0.032)106 =0.89Mpa又因为W=8Q（Al2-mm2）b 所以Q=W（Al2-mm2）b8 =(4)（0.12-0.032）X0.038 =0.27X10-4m3S =27mc/S2.3臂伸 机构设计手臂是机械手的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和手部，并带动他们在空间运动。臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看定在工作中即直接承受着腕部，手部和工作的动静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。机械手的精度最终集中反映在手部的位置精度上，所以在选择适合的导向装置和定位方式就显得尤为重要了。手臂的伸缩速度为200m/s行程L=500mm1手臂有枪流量，公式（2-7）得 Q=20040 =1004800mm2S =0.1102m3S =1000mc/s2手臂右腔的工作压力，公式（2-8）得P=FS其中，F-取工件重和手臂活动部件的总重，估算F=10+20=30kg，F摩=100N,所以代入公式2.1得 P=（F+F摩）/S =（309.8+100）F/402 =0.26Mpa3，控制机构工作参数表如图2.4所示 图2.4为机构工作表4，由初步计算选液压泵 所需液压最高压力 P=1.78Mpa所需液压最大流量 Q=1000ml/s选取（B-1）型液压泵（齿轮泵）此泵工作压力为10Mpa,转速为1800r/mim,工作流量Q在3270 ml/s之间。可以满足要求。 5 验算腕部摆动缸； T=PD （Al2-mm2）mX108 （2-13） W=8v（Al2-mm2）b （2-14）式中，Hm-机械效率取；0.850.9 Hv-容积积率取；0.70.85所以代入公式（2.13）得； T=0.89X0.03X(0.12-0.0032)X0.85X1068 =25.8N.m TM=30N.m 代入公式（2-14）得； W=0.673rad/s W40.785 rad/s因此取腕部回转轴油缸工作压力P2/QMPa 流量Q=3.5ml/s圆整其它缸的数值； 手部抓取缸的工作压力PI=2Mpa 流量QI=120 ml/s 小臂伸缩缸的工作压力PI=0.25Mpa 流量QI=1000ml/s第三章，液压原理设计及草图31手部抓取缸图3，1手部抓取缸液压原理图1手部抓取缸液压原理图如图3.1所示2泵的供油压力P取10Mpa流量Q取系统所需最大流量即Q=300ml/s因此，需装图3,1中所示的调速阀，流量定为7.2l/min。工作压力P=2Mpa采用；YF-B10B溢流阀 2FRM5-20/102调速阀 23EI-10B二位三通阀3,2腕部摆动液压回路图3,2腕部摆动液压回路1腕部摆动缸液压原理图如图3,2所示2工作压力P=1Mpa流量Q=35ml/s2FRM5-20/1.2 调速阀3,4E1-10B 换向阀YF-BI0B 溢流阀3.3小臂伸缩缸液压回路图3.3小臂伸缩刚液压回路1小臂伸缩缸液压原理图，如图3.3所示，2工作压力 P=0.25Mpa流量 Q=1000ml/s采用； YF-B10B溢流阀 2FRM5-20/102调速阀 23EI-10B二位三通阀 3.4总体系统图图3.4总体系统图1总体系统图如图3.4所示工作过程； 小臂伸长手臂抓紧腕部回转小臂回转小臂收缩手臂放松1 电磁铁顺序动作表2 确定电机规格 液压泵选取CB-D型液压泵，额定压力P=10Mpa,工作流量Fc在3270ml/r之间，选取80L/min为额定流量的泵。因此，传动功率 N=PQ/n （3-1） 故n=0.8经验值所以代入公式得； N=108010310/600.8 =16.7选取电动机JQ2-61-2型电动机，额定功率17KW 转速为2940r/mkin第四章 机身机座的结构设计机身是直接承受和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降，回转或俯仰等运动的驱动装置或传动零件都安装在机身上，或者就直接构成机身的驱干与机座相连，因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况愈复杂。机身既可以是固定式，也可以是行走式的。如图4.1所示。 图4.1机身机座结构屯臂部和机身的装置形成基本反映了机械手的总体布局，本课题机械手的设计成机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置。便于随意安放和搬动，也可具有行走机构，臂部放置与机座立柱中间所见与回转型机械手，臂部可沿机座立柱做升降运动，获得较大的升降行程，升降过程中，由电机带动螺柱旋转，由螺柱配合导致了手臂的上下运动，手臂的回转由电动机带用减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。4.1，电机的选择机身即使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动，其二是带动机身的回转运动，带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。1， 带动臂部升降的电机；初选上升速度V=100mm/sP=6KW所以n=(100/6)60=1000n/min选择Y90S-4型电动机，属于笼行异步电动机，采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I(014)即全封闭式自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如图4.1 Y90S-4电动机技术数据所示， 图4.1 y90s-4电动机技术数据 2 带动机身回转的电机 初选转速w=60/s N=1/6n/s=10n/min 由于齿轮i=3减速器i=30 所以n=10330=900n/min选择Y90L-6型笼行异步电动机电动机采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44冷却方式为I(014)即全封闭扇冷却。额定电压为380V，额定功率为50HZ。如图4.2 Y90L-6电动机技术数据所示， 图4.2 Y90L-6电动机技术数据4.2减速器的选择减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增转矩，以满足工作要求。 初选WD80型圆柱蜗杆减速器。 WD为蜗杆下置式以及传动的阿基米德原画组蜗杆减速器。 蜗杆的材料为38siMnMo调货，蜗杆的材料为ZQA19-4 中心矩a=80, Ms9=4.011 (4-1) 传动比I=30传动惯量0.26510kg.4.3,螺柱的设计和校核螺杆是机械手的主要支撑件，并传动使手臂上下运动。螺杆的材料的选择。从经济角度来说并能满足要求的材料为铸铁。螺距P=6mm 梯形螺纹螺纹的工作高度h=0.5p=3mm (4-2）螺纹牙底宽度b=0.65p=0.656=3.9mm (4-3)螺杆强度= =150/35 =3050Mpa螺纹牙剪切=40弯曲=45551当量应为式中T-传递转矩N/m-螺杆材料的许用应力所以代入公式(4-5)得；=6225025d+11236900d21X1012即16471Pa535340Pa所以合格2.剪切强度 Z=H/P=160/6 (旋合圈数) (4-6) T=F/d1bz =200X9.8/ X 0.029 X 3.9 X （160/6）X 10-3 =206.8X103Pa =0.206Mpa=40Mpa3.弯曲强度 b=3Fh/d1b2z =3X200X9.8X3/ X 2.9X3.92X（160/6） =0.48Mpa=45MPa 所以合格第五章、机械手的定位与平稳性5.1,常用的定位方式机械挡块定位是行程终点设置机械挡块，当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。 若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡物定位能到达较高的重复精度，一般高于0.5mm，若定位时关闭驱动油路而失掉工作压力，这时，机械手可能被挡块碰回一个微小的距离，因而，定位精度很低。 5.2影响平稳性和定位精度的因素 机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线和角量。影响定位误差的因素如下； 定位方式 不同的定位方式影响因素不同，如，机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素影响。 定位速度定位速度对定位精度影响很大，这是因为定位速度不同时，必须耗散运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统，使运动部件适时减速。精度机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。刚度机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。运动件的重量运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量。驱动源采用必要的稳压及调节油温的措施，用温度温度压力补偿流量控制阀控制。 控制系统开关控制，电液比例控制和伺服控制的位置精度是个不相同的，这不仅是因为各个控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关.本课题所采用的定位精度为机械挡块定位。第六章、机械手的控制控制系统是机械手的主要组成部分，在某种意义上讲，控制系统起着与人臂相似的作用。在机械手的手部、腕部、臂部等的动作以及相关机械协调动作都是通过控制系统来实现的，主要控制内容有动作的顺序，动作的位置与路径，动作的时间等。机械手要用来代替人手完成某些操作，通常需要具有图6.1所示的机能。 实现上述各种机能的控制方式有多种多样，通常，凸轮和杠杆机构来控制机械手的动作顺序，时间和速度，一般常与驱动机构并用，因此，结构简单，维修方便，寿命较长，工作比较可靠，适用于控制程序步数少的专用机械手。第七章、机械手的组成及分类7.1机械手的组成机械手主要由执行机构，驱动系统，控制系统等组成。执行机构；它包括手部，手腕，手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构，如7.1所示 图7.1机构简图手部；是机械手与工件接触的部件，由于与物体接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式，由于本课题的工件是圆柱棒料，所以采用夹持式，由手指和传力机构所构成，手指于工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成工件的任务。腕部；是连接手腕和手臂的部件，起调整或改变工件旋转的作用。手臂；支撑手部和手腕的部件，用以改变工