工业机械手设计[全套CAD图纸].pdf

1 摘 要 在机械制造业中， 机械手已被广泛应用， 从而大大的改善了工人的劳动条件， 显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，本设计通过 对机械手各主要组成部分（手部、手腕、手臂和机身等）分析，从而确定各主要 组成部分的结构，在此基础上对机械手进行设计计算，从而确定装配总图。通过 此次机械手设计，掌握相关机械手设计的主要步骤，对于 c a d / c a m 软件应用方 面有了进一步的提高。 关键词：机械手，设计，手部，手腕，手臂，机身，结构 2 the design of industry manipulator abstract in the mechanical manufacturing industry, the manipulator has been widely applied, thus the big improvement workers work condition, the remarkable enhancement labor productivity, sped up realizes the industrial production mechanization and the automated step, this design through to the manipulator each main constituent (hand, skill, arm and fuselage and so on) analyzes, thus determined each main constituent the structure, carries on the design calculation in this foundation to the manipulator, thus determination assembly assembly drawing.designs through this manipulator, the grasping correlation manipulator designs the main step, had the further enhancement regarding the cad/cam software application aspect. keywords: manipulator, design, hand, skill, arm, fuselage, structure 3 目 录 1 绪论 1 2 机械手设计要求 1 3 机械手总体设计方案 1 3 . 1 机械手的组成 1 3 . 1 . 1 执行机构 1 3 . 1 . 2 驱动机构 2 3 . 1 . 3 控制机构 2 3 . 2 机械手在生产中的应用 2 3 . 3 机械手的主要特点 2 3 . 4 机械手的技术发展方向 3 3 . 5 机械手坐标形式与自由度选择 4 3 . 5 . 1 机械手坐标形式选择 4 3 . 5 . 2 机械手自由度选择 4 3 . 6 机械手的规格参数 4 3 . 7 机械手手部设计计算 5 3 . 7 . 1 手部设计基本要求 5 3 . 7 . 2 手部力学分析 5 3 . 7 . 3 夹紧力与驱动力的计算 7 3 . 7 . 4 手抓夹持范围计算 9 3 . 7 . 5 手抓夹持精度的分析计算 9 3 . 8 机械手腕部设计计算 1 0 3 . 8 . 1 腕部设计基本要求 1 0 3 . 8 . 2 腕部的结构选择 1 0 3 . 8 . 3 腕部回转力矩计算 1 1 3 . 8 . 4 腕部工作压力计算 1 3 4 3 . 8 . 5 液压缸盖螺钉计算 1 4 3 . 8 . 6 动片和输出轴联接螺钉计算 1 5 3 . 9 机械手臂部设计计算 1 5 3 . 9 . 1 臂部设计基本要求 1 5 3 . 9 . 2 臂部的结构选择 1 6 3 . 9 . 3 手臂伸缩驱动力计算 1 6 3 . 9 . 4 手臂伸缩液压缸参数计算 1 8 3 . 1 0 机身升降机构计算 1 9 3 . 1 0 . 1 手臂偏重力矩计算 1 9 3 . 1 0 . 2 升降导向立柱不自锁条件 2 1 3 . 1 0 . 3 手臂升降驱动力计算 2 1 3 . 1 0 . 4 手臂升降液压缸参数计算 2 2 3 . 1 1 机身回转机构计算 2 3 3 . 1 1 . 1 手臂回转液压缸驱动力矩计算 2 3 3 . 1 1 . 2 手臂回转液压缸参数计算 2 4 3 . 1 1 . 3 液压缸盖螺钉计算 2 4 3 . 1 1 . 4 动片和输出轴间联接螺钉计算 2 5 4 机械手装配总图 2 6 5 结论 2 7 致谢 2 7 参考文献 2 8 英文文献名称（工业机械手） 5 1 绪论 工业机械手设计是机械制造、机械设计等方面的一个重要的教学环节，是学 完技术基础课及有关专业课以后的一次综合设计， 通过这一环节把有关课程中所 获得的理论知识在实际中综合的加以应用，使这些知识能够得到巩固和发展，并 使理论知识和生产密切的结合起来，通过设计培养学生独立思考能力，树立正确 的设计思想，掌握机械产品设计的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好的 基础。 2 机械手设计要求 要求本设计能鲜明体现设计构思，并在规定的时间内完成以下工作： 1）拟定机械手的整体设计方案，特别是机械手各主要组成部分的方案。 2）根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结 构。 3）各主要部件（手部、腕部、臂部）的设计计算。 4）工业机械手装配图的绘制。 5）编写设计计算说明书。 3 机械手总体设计方案 3.1 机械手的组成 工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 3.1.1 执行机构 1）手部 即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型， （多为回转型， 因其结构简单） ， 手部多为二指 （也由多指） ， 根据需要分为外抓式和内抓式两种， 也可以用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。 传力机构形式也很多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、 丝杠螺母式、弹簧式、重力式。 2）腕部 是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位，以扩大 机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑、灵 6 巧，但回转角度小，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。 3 ）手臂 是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件，并带动它们做空间运动， 它的主要作用是带动手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到给定的位置，一 般手臂需要三个给定自由度才能满足要求， 即手臂的伸缩、 左右旋转、 升降运动。 4 ）行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国正处于仿真阶段。 3.1.2 驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源的不同大致可分为气 动、液压、电动和机械式四种。采用液压机构速度快，结构简单，成本低，臂力 大，尺寸紧凑，控制方便。 3.1.3 控制机构 在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种，大多数用插销板进行点动 控制，也有用 plc 进行控制，主要控制的是坐标位置。 3.2 机械手在生产中的作用 机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下几个方面： 1）建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线。 2）在实现单机自动化方面： a 各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，仍需 人工上下料，装上机械手，可实现自动生产，一人看管多台机床。 b 注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装 卸工件，可实现自动生产。 c 冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动 化。 3.3 机械手的主要特点 1）对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对 人类有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当 的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、 放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。 2）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩 大和延伸人的功能。 3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避 7 免人为的操作错误。 4）机械手通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足 柔性生产的需要。 5）采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。 3.4 机械手的技术发展方向 国内外使用的实际上是定位控制机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。目 前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓 取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确的在机器 中定位、定向。 为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由 视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否 是所要抓取的工件。 为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来， 一般采用两种 方法：一种是检测把握物体手臂的变形，以选择适当的握力，另一种是直接检测 指部与物件的滑落位移，来修正握力。 因此这种机械手具有以下几方面的性能： 1）能准确的抓住方位变化的物体。 2）能判断对象的重量。 3）能自动避开障碍物。 4）抓空或抓力不足时能检测出来。 这种具有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械 手，它是有发展前途的。 现在工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，代替人 从事繁重、危险的工作，在恶劣环境下尤其明显，至于在汽车工业和电子工业之 类的费工的工业部门，机械手的应用情况不能说是很好的，其原因之一是，工业 机械手的性能还不能满足这些工业部门的要求，适合机械手工作的范围很狭小， 另外经济性问题也很重要，利用机械手节约人力从经济上看不一定总是合算的。 然而利用机械手实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价 格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将飞跃发展。 3.5 机械手坐标形式与自由度的选择 8 3.5.1 机械手坐标形式选择 机械手一般包括圆柱坐标式、球坐标式、直角坐标式、多关节式。直角坐标 式机械手，占用空间大，工作范围小，惯性大，一般不多用，只有在自由度较少 时才考虑用。圆柱坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性大，结构简单。 多关节式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，能抓取底面物体，但多关 节式结构复杂，所以也不多用。球坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯 性小，所需动力小，能抓取底面物体。 由以上叙述可以看出圆柱坐标式和球坐标式比较适合， 但由于圆柱坐标式比 球坐标式在结构方面简单一些，所以最后决定选择圆柱坐标式机械手。 图 1 圆柱坐标机械手的机构运动简图 3.5.2 机械手自由度选择 由圆柱坐标式机械手结构简图选择四自由度机械手。 3.6 机械手的规格参数 抓重：n300 自由度：4个 坐标形式：圆柱坐标式 手臂运动参数： 伸缩行程（x ） ： mm400 伸缩速度： smm/250 升降行程（z ） ： mm400 升降速度： smm/70 回转范围： 2100 9 回转速度： s/ )(90 手腕运动参数： 回转范围： 1800 回转速度： s/ )(90 2222 max 2 max 2 1 sincos sin 2 sin ala r l r l+= ）（ 222222 407 .54sin100407 .54cos 60sin 60 1002) 60sin 60 (100 += 923. 0= 14 2222 min 2 min 2 2 sincos sin 2 sin ala r l r l+= ）（ 222222 407 .54sin1007 .54cos 60sin 40 1002) 60sin 40 (100 +=a 939. 0= 所以 1939. 0= 夹持误差满足设计要求。 3.8 机械手腕部设计计算 3.8.1 腕部设计的基本要求 1）力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，显然，腕 部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能，因此， 在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支撑作用，除保证力和运动的要 求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部 和手部的联接。 3）工作条件 对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太 受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太 多不利因素。 3.8.2 腕部的结构选择 腕部的结构有四种，分别为： 1）具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构 直接用回转液压缸驱动，实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优 点而被广泛使用。 2）用齿条活塞驱动的腕部结构 在要求回转角大于 2 7 0 的情况下，可采用齿条活塞驱动腕部结构。 3）具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构 15 它使腕部具有绕垂直和水平轴转动的两个自由度。 4）机 液结合的腕部结构 此手腕具有传动简单、轻巧等特点，但结构有点复杂。 本设计要求手腕回转 1 8 0 ，综合以上分析考虑，腕部结构选择具有一个自由度 的回转缸驱动腕部结构。 3.8.3 腕部回转力矩计算 腕部在回转时一般需要克服以下三种阻力： 1） 腕部回转支承处的摩擦力矩 摩 m 为简化计算，一般取 总力矩摩 mm1 . 0= 2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 偏 m egm 1 = 偏 式中 1 g 夹持工件重量)(n。 e 工件重心到手腕回转轴线的垂直距离)(m。 3）克服启动惯性所需的力矩 惯 m 启动过程近似等加速运动， 根据手腕回转的角速度及启动所需时间 启 t ， 按下式 计算： 启 工件惯 t jj )(m+= 或者根据腕部角速度及启动过程转过的角度 启 计算： 启 工件惯 2 )(m 2 jj += 式中 工件 j 工件对手腕回转轴线的转动惯量)( 2 smn。 j 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量)( 2 smn。 手腕回转过程的角速度)/(srad 启t 启动过程中所需时间，一般取s3 . 005. 0。 16 启 启动过程所转过的角度)(rad。 手腕回转所需的总的阻力矩相当于上述三项之和，即： 惯偏摩总力矩 mmmm+= 设抓取一根轴，其直径mmd100=，长度mml500=，kgm50 1 =，当手抓夹持在 工件中间位置回转180， 将手抓、 手抓驱动液压缸和回转液压缸转动件等效为一 个圆柱体，长mmh150=，半径为mm50，其所受重力为g，启动过程所转过的 角度rad314 . 0 = 启 ，等速转动角速度srad /616. 2=。 圆柱体重力nkgnmkgg90/8 . 9/780015 . 0 05 . 0 32 = 因为手抓夹持在工件中间位置，所以工件重心到手腕回转轴线的垂直距离为 0， 即e等于 0，所以0 1 =egm偏。 由于 启 工件惯 2 )(m 2 jj += 2222 012 . 0 05 . 0 8 . 9 90 2 1 2 1 2 1 smnr g g mrj= 22222 1 07. 1)05. 035 . 0(50 12 1 )3( 12 1 smnrlmj=+=+= 工件 mnjj= +=+=8 .11 314. 02 616. 2 )07. 1012. 0( 2 )(m 22 启 工件惯 又因为 总力矩摩 mm1 . 0= 所以 8 .1101 . 0+=+= 总力矩惯偏摩总力矩 mmmmm 即 mm=n1 .13 总力矩 3.8.4 腕部工作压力计算 表 2 标准液压缸内径系列（j b 8 2 6 - 6 6 ） 2 0 2 5 3 2 4 0 5 0 5 5 6 3 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 1 0 0 1 0 5 1 1 0 1 2 5 1 3 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 5 0 设定腕部的部分尺寸：根据上表设缸体内孔半径mmr55=，外径选择mm133, 17 考虑到实际装配问题后，其外径为mm180，动片宽度mmb66=, 输出轴半径 mmr5 .22=。 表 3 标准液压缸外径系列（j b 1 0 6 8 - 6 7 ） 液压缸内径 4 0 5 0 6 3 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 5 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 0 钢 p 1 6 0 m p a 5 0 6 0 7 6 9 5 1 0 8 1 2 1 1 3 3 1 6 8 1 4 6 1 8 0 1 9 4 2 1 9 2 4 5 4 5 钢 p 2 0 0 m p a 5 0 6 0 7 6 9 5 1 0 8 1 2 1 1 3 3 1 6 8 1 4 6 1 8 0 1 9 4 2 1 9 2 4 5 由于实际回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩 总力矩 m，即： 总力矩 m rrpb m = 2 )( 22 式中 总力矩 m 手腕回转时的总的阻力矩（mn） p 回转液压缸工作压力（mpa） r 缸体内孔半径（mm） r 输出轴半径（mm） b 动片宽度（mm） 所以 mpa rrb m p16. 0 )0225. 0055. 0(066. 0 1 .132 )( 2 2222 = = 总力矩 ， 取mpap1= 所以腕部回转液压缸主要参数为： 工作压力 p 缸体内径 r 输出轴半径 r 回转力矩 m 动片宽度 b 1 m p a 1 1 0 m m 2 2 . 5 m m 1 3 . 1 n m 6 6 m m 3.8.5 液压缸盖螺钉计算 表 4 螺钉间距 t 与压力 p 之间的关系 工作压力 p ( m p a ) 螺钉的间距 t ( m m ) 0 . 5 1 . 5 1 5 0 1 . 5 2 . 5 1 2 0 2 . 5 5 . 0 1 0 0 5 . 0 1 0 . 0 总 取16. 0=f 即 f h g g 总 总 2 也即mmh3915 .122232. 032. 0= n h g fr3 .2501 391 5 .1222800 2 = = 总 因此在设计中必须考虑到立柱导套长度大于mm391。 式中 f摩擦系数 h立柱导套的长度 3.10.3 手臂升降驱动力的计算 由手臂升降驱动力的公式得： 总密回惯摩驱 gfffff+= （1 ） 摩 f 的计算 fff r2 2= 摩 取16. 0=f 又因为nfr3 .2501 2 = 25 所以 nfff r 4 . 80016 . 0 3 . 250122 2 = 摩 （2） 惯 f的计算 经计算 tg vg f = 总 惯 式中 v由静止加速到常速的变化量)/(smm。 t启动过程时间)(t，一般取ss5 . 001. 0。 手臂启动速度smmv/83=，启动时间st02. 0=，kgng/8 . 9=，带入数据得： n tg vg f8 .338 02. 08 . 9 083. 0800 = = = 总 惯 （3） 密 f 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mpa10时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为： 驱密 ff03 . 0 = （4） 回 f 的计算 一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。 经过以上分析计算，液压缸的驱动力为： 8008 .33803. 04 .800+=+= 驱总惯回密摩驱 fgfffff 所以 当液压缸向上驱动时 nf 2 . 1999= 驱 当液压缸向下驱动时 nf 7 . 349= 驱 3.10.4 手臂升降液压缸参数计算 经过上面计算，确定了液压缸的驱动力 驱 f，因此选择液压缸的工作压力 mpap1=，为了满足要求，此时取nf 2 . 1999= 驱 进行计算。 （1 ）液压缸内径计算： 当油进入无杆腔： 4 2 11 d pff= 驱 26 当油进入油杆腔： 4 )( 22 22 dd pff = 驱 液压缸的有效面积： 1 p f s = 所以 11 13. 1 4 p f p f d= （无杆腔） 2 1 4 d p f d+= ( 有杆腔) 式中 驱 f 手臂升降液压缸驱动力)(n d液压缸内径)(mm d活塞杆直径)(mm 液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取95. 0= 1p液压缸的工作压力)(mpa 带入数据得： m p f p f d0518. 0 95. 0101 2 .1999 13. 113. 1 4 6 11 = = 驱驱 根据液压缸内径系列（j b 8 2 6 - 6 6 ） ，选取液压缸的内径为：mmd55= （2）活塞杆直径计算 活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求，对于杆长l大 于直径 1 5 倍)15(dl 的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。 按强度条件决定活塞杆直径d 按拉压强度计算： 4 2 = d f驱 设活塞杆材料为碳钢，碳钢mpa120100=，取mpa100= 即 m f d00505. 0 1010014. 3 2 .19994 4 6 = = 驱 根据活塞杆直径系列（j b 8 2 6 - 6 6 ）选取活塞杆直径mmd6= 27 所以手臂升降液压缸主要参数为： 工作压力 p 液压缸内径 d 活塞杆直径 d 驱动力 f 1 m p a 5 5 m m 6 m m 1 9 9 9 . 2 n 3.11 机身回转机构的计算 3.11.1 手臂回转液压缸驱动力矩计算 手臂回转液压缸驱动力矩 回密惯驱 mmmm+= （1 ） 惯 m的计算 t jjm = 00 惯 g g jj c 2 0 总 += 而 12 )3( 22 rlm jc + = 回转部件可以等效为一个高mm1500，半径为mm60的圆柱体，圆柱体重量为 ng800= 总 ，设启动角速度srad /314. 0=，启动时间st1 . 0=。 所以 2 22 22 25 12 )06 . 0 35 . 1 ( 8 . 9 1296 12 )3( smn rlm jc= + = + = 2 2 2 0 147 8 . 9 2225 . 1 800 25smn g g jj c = +=+= 总 mn t jjm= =6 .461 1 . 0 314. 0 147 00 惯 （2 ） 密 m 与 回 m 的计算 为了计算方便，密封处的摩擦阻力矩 驱密 mm03 . 0 =，由于回油背差一般非常的 小，故在这里忽略不计，即0= 回 m。 因此 003. 06 .461+=+= 驱回密惯驱 mmmmm 即mnm= 476 驱 3.11.2 手臂回转液压缸参数计算 设mmb60=，液压缸工作压力mpap4=， mmd50=，则由 8 )( 22 ddpb m = 驱 得 md bp m d136. 005. 0 10406. 0 47688 2 6 2 =+ =+= 驱 28 所以取液压缸内径为mm140 式中 d 液压缸内径)(mm p 回转液压缸工作压力)(mpa b 动片宽度)(mm d 输出轴与动片联接处的直径)(mm 所以手臂回转液压缸主要参数为： 工作压力 p 液压缸内径 d 动片宽度 b 输出轴直径 d 驱动力矩 m 4 m p a 1 4 0 m m 6 0 m m 5 0 m m 4 7 6 n m 3.11.3 液压缸盖螺钉计算 由表 4 可以看出螺钉间距 t 与压力 p 之间的关系： t为螺钉的间距，间距跟工作压力有关，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为： += qsq