车床上下料机械手的设计（含全套CAD图纸）.pdf

车床上下料机械手的设计1 摘摘要要 对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析 设计了一种圆柱坐标形式机械 手 重点针对机械手的立柱 手臂 手爪等各部分机械结构以及机械手控制系统进行了 详细的设计 具体进行了机械手的总体设计 立柱结构的设计 机械手手臂结构的设计 末端执行器 手爪 的结构设计 机械手的机械传动机构的设计 机械手驱动系统的设 计 同时对液压系统和控制系统进行了理论分析和计算 基于 plc 对机械手的控制系统 进行了深入细致的设计 通过对机械手作业的工艺过程和控制要求的分析 设计了控制 系统的硬件电路 同时编制了机械手的控制程序 达到了设计的预期目标 关键词关键词 机械手 可编程控制器 plc 液压伺服定位 电液系统 车床上下料机械手的设计2 abstract integratting the knowledge of the past four years of machine discuss and analysis the each part and function of manipulator design a kind of cylinderical coordinate manipulator used to pack and unload work piece for cnc machine tools in particular made the detailed design about base arm and end effector and the control system etc including total design waist s construction design the arm s construction design the wrist s construction design the end effector s construction design and the drive system of manipulator at the same time analysis and compute the hydraulic pressure system and control system deeply design the manipulator s control system which based on plc after analysis about the craft process and the requests of the manipulator the hardware circuit and thecontrol program of the manipulator then is designed in a word the design of the manipulator has come to the anticipant object keyways manipulator programmablelogiccontroller hydraulicservocontrol electrohydraulic system 车床上下料机械手的设计3 目录 摘要 1 abstract 2 1 绪论 1 1 1 选题背景 1 1 2 设计目的 1 1 3 国内外研究现状和趋势 2 1 4 设计原则 4 2 工业机械手的总体设计方案 5 2 1 工业机械手传动方案设计 5 2 2 工业机械手运动方案设计 5 3 机械手结构设计 9 3 1 各执行部件 液压缸 的类型选择 9 3 2 各执行部件之间的联接和固定方式设计 9 3 3 手部的结构设计 计算及选型 9 3 4 小手臂的结构设计 计算及选型 13 3 5 大手臂的结构设计 计算及选型 18 3 6 回转缸的结构设计 计算及选型 20 4液压系统设计 25 4 1 液压系统的组成 25 4 2 液压系统的特点 26 4 3 拟定液压系统 26 4 4 液压系统控制元件的选型 27 4 5 液压控制原理及过程说明 29 4 6 油缸泄露问题与密封装置 30 4 7 管路布置 31 5plc 控制系统设计 32 结论 34 致谢 35 参考文献 36 车床上下料机械手的设计1 1 绪论 1 1 选题背景 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置 它是在机械化 自动化生产过程中发展起来的一种新型装置 近年来 随着电子技术特 别是电子计算机的广泛应用 机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的 一门新兴技术 它更加促进了机械手的发展 使得机械手能更好地实现与机械化和自动 化的有机结合 机械手能代替人类完成危险 重复枯燥的工作 减轻人类劳动强度 提 高劳动生产力 机械手越来越广泛的得到了应用 在机械行业中它可用于零部件组装 加工工件的搬运 装卸 特别是在自动化数控机床 组合机床上使用更普遍 目前 机械手已发展成为柔性制造系统 fms 和柔性制造单元 fmc 中一个重要组成 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 它适应于中 小批量生产 可以节省庞大的工件输送装置 结构紧凑 而且适应性很强 当工件变更 时 柔性生产系统很容易改变 有利于企业不断更新适销对路的品种 提高产品质量 更好地适应市场竞争的需要 而目前我国的工业机器人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 究设计是非常有意义的 1 2 设计目的 本设计通过对本科四年的所学知识进行整合 完成一个特定功能 特殊要求的数控 机床上下料机械手的设计 能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理 论研究水平 实践动手能力以及专业精神和态度 具有较强的针对性和明确的实施目标 能够实现理论和实践的有机结合 目前 在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成 劳动强度大 生产效率低 为了提高生产加工的工作效率 降低成本 并使生产线发展成为柔性制造系 统 适应现代自动化大生产 针对具体生产工艺 利用机器人技术 设计用一台装卸机械手 代替人工工作 以提高劳动生产率 本机械手主要与数控车床 数控铣床 加工中心等 组合最终形成生产线 实现加 工过程 上料 加工 下料 的自动化 无人化 目前 我国的制造业正在迅速发展 越来越多的资金流向制造业 越来越多的厂商加入到制造业 本设计能够应用到加工工 厂车间 满足数控机床以及加工中心的加工过程安装 卸载加工工件的要求 从而减轻 工人劳动强度 节约加工辅助时间 提高生产效率和生产力 车床上下料机械手的设计2 1 3 国内外研究现状和趋势 一 工业机器人研究 1954 年 美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念 并申请了专利 1958 年 被誉为 工业机器人之父 的 joseph f engel berger 创建了世界上第一个机器人公 司 unimation universal automation 公司 并参与设计了第一台 unimate 机 器人 1984 年 iso 国际标准化组织 采纳了美国机器人协会 ria 的建议 给机器人下了定义 即 机器人是一种可反复编程和多功能的用来搬运材料 零 件 工具的操作工具 为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系 统 a reprogrammable and multifunctional manipulator devised for the transport of materials parts tools or specialized systems with varied and programmed movements with the aim of carring out varied tasks 美国是机器人的诞生地 早在 1961 年 美 国的 consolidedcontrolcorp 和 amf 公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人 经过 40 多年的发展 美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位 其技术全 面 先进 适应性也很强 我国工业机器人起步于 70 年代初期 经过 20 多年的发展 大致经历了 3 个 阶段 70 年代的萌芽期 80 年代的开发期和 90 年代的适用化期 我国于 1972 年 开始研制自己的工业机器人 在起点上相对于美国已经晚了 10 年 由于生产技术 上存在的差距 导致我国在工业机器人技术的发展方面落后于美国 日本等发达 国家 进入 80 年代后 机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持 1986 年国家高技术研究发展计划 863 计划 开始实施 智能机器人主题跟踪世界机器 人技术的前沿 经过几年的研究 取得了一大批科研成果 成功地研制出了一批 特种机器人 从 90 年代初期起 我国的工业机器人又在实践中迈进一大步 先后 研制出了点焊 弧焊 装配 喷漆 切割 搬运 包装码垛等各种用途的工业机 器人 并实施了一批机器人应用工程 形成了一批机器人产业化基地 二 工业机器人的发展与运用 20 世纪 50 年代末 美国在机械手和操作机的基础上 采用伺服机构和自动控 制等技术 研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置 并将其称为工业机器 人 60 年代初 美国研制成功两种工业机器人 并很快地在工业生产中得到应用 1969年 美国通用汽车公司用 21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线 此后 各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人 由于工业机器人具有一 定的通用性和适应性 能适应多品种中 小批量的生产 70 年代起 常与数字控 制机床结合在一起 成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分 20 世纪末 国际机器人联合会拥有一个有关世界机器人专家和机器人商人的 信息网络 利用这一网络国际机器人联合会得出了一个季度发展趋势报告 指出 了哪些地区在机器人和自动化贸易方面有增长的趋势 在欧洲 美国等经济发达 国家 机器人产量在逐年增长 但主要不是在汽车工业 而是在其他工业领域 车床上下料机械手的设计3 工业机器人应用领域由制造业扩展到非制造业 同时在原制造业也不断深入渗透 开辟了不少新用途 原应用领域的扩展深化 如用多台弧焊机器人焊汽车 机械 大部件 车身及大薄板 电机壳的多层焊 窄空间线圈盒的焊接 电子基板喷涂 等 而新开辟的应用领域由木材家具 农林牧业 建筑 桥梁 医药卫生 办公 家用 教育科研及一些极限领域等非制造业 我国国内在工业机器人运用方面主要以汽车制造业为主 在汽车生产 中工业 机器人是一种主要的自动化设备 在整车及零部件生产的弧焊 点焊 喷涂 搬 运 涂胶 冲压等工艺中大量使用 以汽车制造业为主的制造业发展促进了工业 机器人的发展 汽车制造业属于技术 资金密集型产业 也是工业机器人运用最 广泛的行业 近几年 国内生产厂家所生产的工业机器人有超过一半是提供给汽 车行业的 汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一 据猜测我 国正在进入汽车拥有率上升时期 在未来几年里 汽车仍将每年 15 左右的速度增长 所以未来几年工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势 年增幅达到 50 左右 工业 机器人在我国汽车行业的应用将得到快速发展 工业机器人除了在汽车行业的广泛应 用 在电子 食品加工 非金属加工 日用消费品和木材家具加工等行业对工业机器人 的需求也快速增长 三 工业机器人的发展趋势 随着计算机技术的不断向智能化方向发展 机器人应用领域的不断扩展和深 化以及在系统 fms clms 中的群体应用 工业机器人也不断向智能化方向发展 以适应 敏捷制造 满足多样化 个性化的需求 并适应多变化的非结构环境作 业 向非制造领域进军 除了对工业机器人进行优化设计 增强其对各行各业的适应性之外 现代工 业机器人的揭开了能源领域新篇章 在全球对能源安全和气候安全的思考越来越 深入的时候 开创了机器人太阳能产业 目前 abb 机器人在全球太阳能产业上应 用已超过 300 台 近几年 在国外使用工业机器人行业的分布次序 大概为电子 电器 汽车制造 塑料成形 通用机械 金属加工 运输及仓库 食品 轻工 按作业性质排序为装配 弧焊 点焊 机械加工 塑料压制 测量 检查 试验 冲压 喷漆 铸造 目前国外机器人正向多种行业扩展 随着工业机器人向更加深度和广度发展 以及机器人智能化的提高 使机器人应用范围不断扩大 考虑到 21 世纪社会生活 的高龄化人口比率的增加 国外效仿 个人计算机 提出 个人机器人 概念 个人机器人定义为协助人的生活 使个人生活更加舒适 安全和高效 这方面的 发展可能与 20 世纪个人计算机相似 将会在 21 世纪普及和推广 我国的工业机器人市场也已经成熟 应用上已经遍及各行各业 但进口机器 人占了绝大多数 我国在某些关键技术上有所突破 但还缺乏整体核心技术的突 破 具有中国知识产权的工业机器人很少 目前我国工业机器人技术相当于发达 车床上下料机械手的设计4 国家 20 世纪 80 年代初的水平 特别是在制造工艺和装备方面 不能生产高精度 高速与高效的关键部件 我国目前取得较大进展的机器人技术有 数控机床关键 技术与装备 隧道挖掘机器人相关技术 工程机械智能化机器人相关技术 装配 自动化机器人相关技术 我国在未来这段时间里 将瞄准国际前沿高技术发展方 向创新性的研究和开发工业机器人技术领域的基础技术 产品技术和系统技术 未来工业机器人技术发展的重点有 第一 危险 恶劣环境作业机器人 第二 医用机器人 第三 仿生机器人 其发展趋势是智能化 低成本 高可靠性和易 于集成 在未来的发展中 工业机器人的发展趋势将继续朝着 高级智能化 机 构一体化 应用广泛化 产品微型化 组建构建通用化 标准化和模块化 高精 度高可靠性方向发展 随着机器人技术的不断发展和日臻完善 它必将促进我国 各方面的技术发展 1 4 设计原则 在设计之前 必须要有一个指导原则 这次毕业设计的设计原则是 以任务书所要 求的具体设计要求为根本设计目标 充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要 求 在满足工艺要求的基础上 尽可能的使结构简练 尽可能采用标准化 模块化的通 用元配件 以降低成本 同时提高可靠性 本着科学经济和满足生产要求的设计原则 同时也考虑本次设计是毕业设计的特点 将大学期间所学的知识 如机械设计 机械原 理 液压 气动 电气传动及控制 传感器 可编程控制器 plc 电子技术 自动 控制 机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中 使得经过本次设计对大学阶 段的知识得到巩固和强化 同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际 充分发挥个人 能动性 脚踏实地 实事求是的做好本次设计 车床上下料机械手的设计5 2 工业机械手的总体设计方案 2 1 工业机械手传动方案设计 驱动系统主要有四种 液压驱动 气压传动 电气传动和机械驱动 其中以液压 气动用的最多 占 90 以上 电动 机械驱动用的较少 本机械手为自动上下料机械手 抓取物重在 25kg 左右 将其传送带上搬运到机加 工工作台上 考虑到圆柱坐标式的占地面积小 而动作范围大的特点 确定使用圆柱坐 标式结构 驱动系统上 因抓取力不大 可考虑液压系统和气压系统 液压驱动主要是通过油缸 阀 油泵和油箱等实现传动 它采用油缸 油马达加齿 轮 齿条实现直线运动 利用摆动油缸 油马达与减速器 油缸与齿条或链条 链轮等 实现回转运动 液压驱动的优点是压力高 体积小 出力大 动作平缓 可无级变速 自锁方便 并能在中间位置停止 缺点是需配备压力源 系统复杂 成本较高 液压系统优点 1 压力高 可实现较大的驱动力 机构可做得较小 紧凑 2 可实现无级变速 定位精度高 可实现任意中间位置的停止 3 系统的固有震动频率高 压力 容量调节容易 4 重量小 惯性小 可做到经常快速且无冲击的变速和换向 容易控制 动作 平稳 迟滞小等 5 用液压电磁阀易达到 plc 控制 且成本低等 气压系统优点 1 操纵力大小可调 视气体压力而定 2 安全性方面 不会发热 但要注意安全压力 过载安全性最好 能自动保护 3 气体采集容易 成本低 4 工作压力较低 损失小 仅为油路的千分之一 5 动作迅速 反应快等优点 综合考虑自己所学知识和实际要求 本机械手选用液压系统驱动 2 2 工业机械手运动方案设计 2 2 1 机械手的自由度 自由度是机械手设计的主要参数 每一个物体相对固定坐标系所具有的独立运动称 为自由度 每一个物体相对固定坐标系最多可有 6 个自由度 即 x y z 三个方向独立 的往复移动和饶 x y z 轴的三个独立回转运动 两个构件组成相对运动的连接称为运 动副 对相对运动加以限制的条件即为约束条件 因为组成各运动副的各构件的运动是 车床上下料机械手的设计6 受约束的 不能任意运动 必须按照人们预定的规律而运动 分析机械手的手臂 手腕 手指等部件的本身和它们的关系 不外乎是用一组相互联系着的构件和运动副所组成 这些运动副又可分为只有一个自由度的转动副和移动副或有三个自由度的球面副 机械手要像人的手一样完成各种运动是比较困难的 因人的手指 手腕 手臂由十 九个关节组成 并且有三个自由度 而生产线中机械手不需要这么多自由度 手臂和立 柱的运动称为主运动 因为它们能改变被抓取工件在空间的位置 手腕和手指的运动称 为辅助运动 因为手腕的运动只能改变被抓取工件的方位 而手指的夹放动作不能改变 工件的位置和方位 故它不计为自由度数 其它运动均计为自由度数 机械手的坐标形式可分为以下几种 1 直角坐标式机械手适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械 手 它的手臂可作伸缩 左右和上下移动 按直角坐标形式 x y z 三个方向的直线进 行运动 其工作范围可以是一个直线运动 二个直线运动或三个直线运动 如在 x y z 三个直线运动方向上各具有 a b c 三个回转运动 即构成六个自由度 但在实际上 是很少有的 它的优点是产量大 节拍短 能满足高速的要求 容易与生产线上的传送 带和加工装配机械相配合 适于装箱类 多工序复杂的工作 定位容易变更 定位精度 高 可达到 0 5 毫米以下 载重发生变化时不会影响精度 易于实行数控 可与开环 或闭环数控机械配合使用 缺点是这种机械手作业范围较小 2 圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型失 适用于搬运和测量工件 具有直 观性好 结构简单 本体占用的空间较小 而动作范围较大等优点 圆柱坐标式机械手 有 x y 三个运动组成 它的工作范围可分为 一个旋转运动 一个直线运动 加 一个不在直线运动所 平面内的旋转运动 二个直线运动加一个旋转运动 圆柱坐标式 机械手有五个基本动作 手臂水平回转 手臂伸缩 手臂上下 手臂回转动作和手爪夹 紧动作 3 球坐标式机械手是一种自由度较多 用途较广的机械手 是由 x 三个 方面的运动组成 球坐标式机械手的工作范围包括 一个旋转运动 二个旋转运动和二 个旋转运动加一个直线运动 球坐标式机械手可实现以下八个动作 俯仰动作 回转动 作 伸缩动作 手腕上下弯曲 手腕左右摆动 手腕旋转运动 手爪夹紧动作和机械手 整体移动 球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上 枢轴又装在叉形架上 能在垂 直面内作圆弧上下俯仰运动 它的臂可作伸缩 横向水平摆动 还可以上下摆动 工作 范围和人手的动作类似 它的特点是能自动选择最合理的动作线路 所以工效高 另外 由于上下摆动 它的相对体积小 而动作范围大 如以行程为 203 毫米工作油缸为例 其手臂的上下移动距离就能达到 2450 毫米 若采用圆柱坐标式则高度就要达到 2450 毫 米 球坐标式机械手作业范围可达到 9 立方米 较其他型式约大三至五倍 4 关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式 它象人手一样有肘关 节 可实现多个自由度 动作比较灵活 适于在狭窄空间工作 关节式机械手 早在四 车床上下料机械手的设计7 十年代就在原子能工业中得到应用 随后在开发海洋中应用 有一定的发展前途 关节 式机械手有大臂和小臂的摆动 以及肘关节和肩关节的运动 可作几个方向转动 工作 范围大 动作灵活 通用性强 但定位精度差 控制装置复杂 关节式机械手具有上肢 结构 可实现近似于人手操作的机能 为具有近似人手操作的机能 需要研制最合适的 结构 本设计要求机械手采用圆柱坐标式运动形式 并且机械手的运动自由度数不少于 3 个 摆角度不小于 90 度 所以拟定方案为最大摆动角度为 90 度的 3 自由度机械手 其 结构如图 2 1 所示 图图 2 12 1圆柱坐标式机械手结构图圆柱坐标式机械手结构图 该机械手由支座 支柱 手臂和手部组成 其中支座完成摆动回转运动 支柱完成 升降直线运动 小臂完成伸缩直线运动 手部完成夹持工件运动 整个机械手动作顺序依次为 启动支柱下降 手部夹紧 支柱上升 手臂右旋 手 臂伸出 支柱下降 手部松开 支柱上升 手臂缩回 手臂左旋 原位泄荷 2 2 2 主要技术参数的获取及确定 机械手的主要技术参数有抓取工件的重量 自由度数 工作行程或转角等 1 抓重 即机械手在正常运动时所能抓取或搬运工件的最大重量 由实际测量 直径为 80cm 长约 100cm 的金属工件 2 工作行程范围 是指臂部 支座 手部等直线或回转运动的直线和角度范围 对于通用机械手 为保证一定的通用性 一般手臂回转和直线运动范围尽可能取大一些 手臂伸悬行程及工件半径要恰当 若伸缩行程大 工件半径大 手臂伸悬也长 偏重力 矩 转动惯性也较大 机械手的性就会降低 易引起振动 定位精度难于保证 考虑到 传送带和机床工作台间的距离和工件的尺寸等尺寸 所以拟定手臂伸缩行程为 600mmm 支柱升降行程为 960mm 传送带与工作台台间的夹角为 90 度 3 工作速度 工作速度是指机械手的最大运动速度 运动速度的大小与机械手 的驱动方式 定位方式 抓重大小和行程距离有关 因此 手臂的运动速度应根据生产 车床上下料机械手的设计8 节拍时间的长短 生产过程的平稳性 定位精度的要求业确定 影响机械手动作快慢的 两个主要运动是 手臂的伸缩和回转运动 一般应用的机械手移动速度常在 200 300 mm s 回转角度在 50 s 左右 相关规格参数如下 抓重 25 公斤 自由度数 3 个 坐标型式 圆柱坐标 手臂运动参数 伸缩行程 x 600 mm伸缩速度 300 mm s 升降行程 z 960 mm升降速度 350 mm s 回转范围 0 90 度回转速度 30 s 手部运动参数 夹紧行程 20 mm夹紧速度 40 mm s 反应时间 0 2 s 缓冲方式 用节流阀减速缓冲 驱动方式 液压驱动 控制方式 可编程序控制 工作周期 20s 车床上下料机械手的设计9 3 机械手结构设计 3 1 各执行部件 液压缸 的类型选择 手部夹紧机构的动作由液压活塞式夹紧缸完成 手部是机械手直接用于抓取和握紧 工件或夹持工件进行操作的部件 它具有模仿人手动作的功能 并安装于机械手前端 其结构设计应考虑以下几个问题 1 应具有足够的握力 即夹紧力 在确定手指握力时 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 手指应具有一定的开闭尺寸 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度 和移动尺寸称为手指的开闭尺寸 设计应保证工件能顺利进入或脱开 还要结合所夹持 工件的尺寸来设计手指相关尺寸 3 应保证工件准确定位 4 手臂的伸缩运动由活塞式液压缸完成 其结构设计最关键的考虑因素是手臂 的强度和刚度 5 机械手的升降运动由活塞式升降液压缸完成 6 机械手的回转运动由支座内的齿条液压缸完成 3 2 各执行部件之间的联接和固定方式设计 1 手指和夹紧缸之间使用螺纹联接 由于手指的夹紧动作由弹簧推动活塞杆完成 而松开动作由夹活塞缸的伸缩直线运 动控制实现 这样设计的目的是考虑到突然断电的时候 工件是由弹簧夹紧 机械外力 夹紧 不会突然砸下来产生危险 另外 由于抓取工件的不同 螺纹联接便于跟换整 个手部 2 手部和手臂之间用螺纹联接 使得手部能随着手臂的伸缩而运动到设计的位 置 3 支柱和手臂之间用法兰联接座 使得支柱的升降能带动手臂和手部一起跟着 运动 4 支柱升降和支座回转缸用整根花键轴联接 3 3 手部的结构设计 计算及选型 3 3 1 夹钳式手部设计的基本要求 应具有适当的夹紧力各驱动力 手指夹紧力大小要适宜 力量过大则动力消耗多 结构庞大 不经济 甚至会损坏工件 力量过小则夹持不住或产生松动 胶落 在确定 车床上下料机械手的设计10 握力时 除考虑工件重量外 还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动 以保 证工件夹持安全可靠 而对手部的驱动装置来说 应有足够的驱动力 应当指出 由 于机构传力比不同 在一定的夹持力条件下 不同有传动机构所需驱动力的大小是不同 的 手指应具有一定的开闭范围 以便于抓取或退出工件 应保证工件在手指内的夹持精度 应保证每个被夹持的工件 在手指内都有准确的 相对而言位置 这对一些有方位要求的场合更为重要 如曲拐 凸轮轴一类复杂的工件 在机床上安装的位置要求严格 因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精 度 要求结构紧凑 重量轻 效率高 在保证本身刚度 强度的前提下 尽可能使结构 紧凑 重量轻 以利于减轻手臂的负载 应考虑通用性和特殊要求 一般情况下 手部多是专用的 为了扩大它的使用范围 提高它的通用化程度 以适应夹持不同尺寸的工件需要 通常采用手指可调整的办法 如更换手指甚至更换整个手部 此外 还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求 如耐 高温 耐腐蚀 能承受锻锤冲击力等 3 3 2 单个手爪夹紧力的计算 机械手的手指在设计时 不但要保证有一定的开闭尺寸范围 以满足工件尺寸变化 的要求 而且还要保证手指对工件有足够的的夹紧力 以达到抓取和搬运工作中的可靠 性要求 手指加在工件上的夹紧力 是设计手部的主要依据 必须对其大小 方向和作用点 进行分析 计算 一般说来 夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状 态变化所产生的载荷 惯性力或惯性力矩 以使工件保持可靠的夹紧状态 手指对工件的夹紧力计算公式 k1k2k3gfn 3 1 式中 k1 安全系数 通常去 1 2 2 0 取 k1 1 5 k2 工作情况系数 主要考虑惯性力的影响 k2可近似按下式估算 g a k 12 3 2 其中 a 运载工件时重力方向的最大上升的加速度 g 重力加速度 g 9 8m s 响t a max v 3 3 max v 运载工件时重力方向的最大上升速度 机械手直线速度常在 200 车床上下料机械手的设计11 300mm s 本设计取 250mm s t 响 系统达到最高速度的时间 根据设计参数选取 我们取 t 响 0 4ms 2 625 4 0 250max smm s sm t v a 响 064 1 9800 6251 12 gak k3 方位系数 根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同 图图 3 13 1 夹紧力方位系数夹紧力方位系数图图 3 23 2 手部夹紧装置手部夹紧装置 由图 3 1 所示 手指是垂直放置夹水平放置的工件 查表得 k3 1 g 被抓取工件所受重力 这里 g 25kg 则有机械手夹紧力 391 02n9 82511 0641 5k1k2k3gfn 夹紧装置是使手爪开 闭的动力装置 如图 4 2 是压缩弹簧时手爪闭合夹住工件的 称之为常闭式夹紧装置 手爪和缸壳连成一体 当向液压缸同压力油时 活塞杆向下运 动 克服弹簧弹力并推动滑块及销运动 手爪松开工件 其驱动力的计算公式 n f a b p 2 cos 2 3 4 式中 p 驱动力 a 夹紧力至回转支点的垂直距离 b 工件重心至回转支点的垂直距离 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角 np06 117302 39130cos 60 1202 2 3 3 3 初选系统工作压力 压力的选择要根据载荷的大小和设备类型而定的 还要考虑执行元件的装配空间 经济条件及元件供应情况等的限制 在载荷一定的情况下 工作压力低 势必要加大执 行元件的结构尺 对某些设备来说 尺寸要受到限制 从材料消耗角度看也不经济 反 之 压力选得太高 对泵 缸 阀等元件的材质 密封 制造精度也要求很高 必然要 车床上下料机械手的设计12 提高设备成本 一般来说 对于固定的尺寸不太受限的设备 压力可以选低一些 图图 3 33 3按载荷选择工作压力按载荷选择工作压力 由上一节计算的结果 驱动力 p 1173 06n 根据图 3 3 初选工作压力 p 2mpa 3 3 4 初选液压缸类型 根据机械手的设计要求 手指液压缸需要它能够完成下压动作 所以我们选用的是 图 4 4 这种单作用活塞液压缸 它能够从两端进出油推动活塞完成前后伸缩动作 图图 3 43 4手指液压缸类型手指液压缸类型 3 3 5 液压缸主要几何尺寸的计算 液压缸的主要几何尺寸的计算 包括液压缸的内径 d 活塞杆直径 d 和液压缸行程 s 等 1 液压缸的内径 d 和活塞杆 d 的计算 液压缸的驱动力 p 2mpa pa f 22 dd 3 5 式中 p 机械手的驱动力 为前面计算结果 1173 06n 222 1173 06mm dd 由 机械设计手册 表 37 7 1 液压缸缸筒内径尺寸系列 初步选择液压缸内径 d 为 40mm 同样由 机械设计手册 表 37 7 2 液压缸活塞杆外径尺寸系列 可以选择液 压缸活塞杆直径 d 为 15mm 2 液压缸行程 s 的计算 由液压设计手册表 37 7 3 液压缸行程参数系列 再根据机械手外行设计尺寸的要 求 选用小手臂伸缩液压缸行程 s 20mm 另外 活塞宽度大约 0 5d 20mm 3 液压缸缸筒壁厚 的计算 由液压设计手册表 37 7 64 液压缸外径系列 根据已定内径 d 40mm 取液压缸外径 为 60mm 则缸筒壁厚 10mm 4 液压缸活塞杆螺纹形式的设计 由液压设计手册表 37 7 4 液压缸活塞杆螺纹尺寸系列 顶部选用外螺纹轴肩型式 螺纹形式 m10 1 5 短型螺纹长 a 15mm 车床上下料机械手的设计13 3 4 小手臂的结构设计 计算及选型 3 4 1 伸缩手臂设计的基本要求 手臂设计的基本要求臂部应承载能力大 刚度好 自重轻 对于机械手臂部或机身的承载能力 通常取决于其刚度 以臂部为例 一般结构上 较多采用悬伸梁形式 显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大 则刚度愈差 而且其刚度随着臂 杆的伸缩不段变化 对机械手的运动性能 位置精度和负荷能力等影响很大 为提高刚 度 除尽可能缩短臂杆的悬伸长度 尚以注意以下几个方面 1 根据受力情况 合理选择截面形状和轮廓尺寸 臂部和机身通常既受弯曲 也受扭转 应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状 很 明显 在截面积和单位重量基本相同的情况下 钢管 工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢 大得多 所以 机械手常用无缝钢管作为导向杆 用工字钢或槽钢作为支撑板 这样既 提高了手臂的刚度 又大大减轻了手臂的自重 而且空心的内部还可以布置驱动装置 传动机构以及管道 这样就使结构紧凑 外形整齐 2 提高支承刚度和合理选择支承间的距离 臂杆或机身的变性量不仅与本身刚度有关 而且与支承的刚度和支承间的距离有很 大关系 要提高支承刚度 除从支座的结构形状 底板的刚度 以及支座与底板的连接 刚度等方面考虑外 特别注意提高配合面间的接触刚度 3 合理布置作用力的位置和方向 在结构设计时还应结合具体受力情况 设法使个作用力引起的变形相互抵消 4 注意简化结构 在设计臂部时 元件越多 间隙越大 刚性就越低 因此应尽可能使结构简单 要 全面分析各尺寸链 在要求高的部位合理确定调整补偿环节 以减少重要部件的间隙 从而提高刚度 5 提高配合精度 水平放置的手臂 要增加导向杆的刚度 同时提高其配合精度和相对位置精度 使导向杆承受部分或大部分自重和抓取重量 提高活塞和缸体内径配合精度 以提高手 臂前伸时的刚度 臂部运动速度要高 惯性要小机械手手臂的运动速度是机械手的主要参数之一 它反映机械手的生产水平 一般根据生产节拍和行程范围 就确定了手臂的运行速度 在一般情况下 手臂的移动和回转 俯仰均要求匀速运动 但在手臂的启动和终止瞬间 运动是变化的 为了减少冲击 要求起动时间的加速度和终止前减速度不能太大 否则 引起冲击和振动 手臂动作应灵活 为减少手臂运动件之间的摩擦阻力 尽可能用滚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 车床上下料机械手的设计14 平衡 以减少对升降支承轴线的偏心力矩 特别要防止发生卡死的现象 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 关节式机械手的位 置最难控制 故精度差 在手臂上加设定位装置和检测机构 能较好地控制位置精度 检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动 啮合件的间隙 除此之外 要求 机械手通用性好 能适合多种作业的要求 工艺性好 便于加工和安装 用于热加工的 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 手臂的典型运动的形式有 直线运动 如手臂的伸缩 升降和横向移动 回转运动 如手臂的左右摆动 上下摆动 复合运动 如直线运动和回转运动组合 两直线运动的 组合 在设计计算前 通常是先进行粗略的估算 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 如此反复数次 绘出最终的结构 按照在完成即定任务的前提下 手臂设计愈简单愈好的原则 在这里我只选择了一 个手臂伸缩缸和一个手臂升降缸 伸缩缸采用直线缸式手臂结构 如图所示 这种液压 缸缸体上有进油口 a 和 b 当压力油从 a b 油口进入和排出时 缸内的活塞杆将做往 复直线运动 这种结构尺寸小 可用于较大重量的工件的抓取 在机械手中应用很广泛 升降缸采用活塞缸和齿轮齿条结构 见装配图所示 手臂的回转运动是通过齿轮齿条机 构实现的 齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转而使手臂左右摆动 升降 运动由活塞驱动 靠立柱上平键导向 缸体沿导向套在压力油的作用下作升降运动 3 4 2 伸缩手臂伸缩液压缸的设计计算 3 4 2 1 初选液压系统工作压力 由 机械设计手册 表 37 5 4 各种机械常用的工作压力 初选小手臂伸缩液压缸的 工作压力 p 2mpa 3 4 2 2 液压缸驱动力的计算 驱动载荷的计算公式 gffff 回摩擦惯性 3 6 式中 f惯性 启动或制动时 活塞杆所受的平均惯性力 f摩 摩擦阻力 gf 摩 3 7 0 50241 570 162 f回 液压缸回油腔低压油液所造成的阻力 f密 密封装置处的摩擦阻力 g 零部件及所受总重力 1 粗略计算运动部件总重力 车床上下料机械手的设计15 由前面设计的手爪以及工件的重量 可以大约估计小手臂伸缩液压缸活塞杆尺寸为 60mm 手臂液压缸活塞杆总长 675mm 按圆柱体粗略计算 kgmlpdm4025107 80 6750 06 4 1 4 1 322 工件 3 8 取 m 50kg 2 摩擦力的计算 246 176n9 8500 5024 gf 摩 3 惯性力的计算 tg g f 惯性 式中 由静止加速到常速的变化量 由于此机械手属于中小型装置 取 0 4m s t 启动过程时间 本设计取 0 4s n t f50 4 08 9 4 08 950 g g 惯性 3 9 4 密封装置处的摩擦阻力 小手臂升降液压缸采用了 o 形密封圈和 y 形密封圈 活塞与活塞杆处采用的 o 形密封圈时 液压缸密封处总的摩擦力为 dlpffo 03 0 3 10 式中d 伸缩油管的直径 取 d 80mm l 密封的有效长度 计算 2 2kkdl 3 11 k 0 11 计算得l 8 27mm 3117 72n0 03f8 27602mpa0 03fdlp0 03ffo y 形密封圈的摩擦阻力为 347 126n8 276030 08 dlpfy 3 12 5 液压缸回油腔低压油液所造成的阻力 一般背压阻力较小 可按ff0 05 回 3 13 综上计算可得出小手臂伸缩液压缸驱动力的计算得 4254 235n 500n0 05f3117 72n0 03f 246 1767n50n gffff 回摩擦惯性 3 4 2 3液压缸的内径 d 和活塞杆 d 的计算 液压缸驱动力 fddmpapap 4 1 2 22 车床上下料机械手的设计16 将上面的计算所得代如公式 d 在前面已经初步取得 30mm 则有 d 50mm 有 机械设计手册 表 37 7 1 液压缸缸筒内径尺寸系列 初步选择液压缸内径 d 为 50mm 3 4 2 4 液压缸行程的选择 由 机械设计手册 表 37 7 3 液压缸的行程参数系列 选择小手臂伸缩液压缸的行 程 s 600mm 3 4 2 5液压缸外径的选择 由 机械设计手册 表 37 7 64 工程机械用液压缸外径系列 选择小手臂伸缩液压 缸的外径 d 为 80mm 则有液压缸的壁厚mm15 2 5080 3 4 2 6 液压缸螺纹型式和尺寸系列的选择 图图 3 53 5液压缸螺纹液压缸螺纹 根据已经设计出的活塞杆的尺寸 查表 37 7 4 液压缸螺纹型式和尺寸系列 选用直 径和螺纹 m26 2 短行螺纹长 a 50mm 3 4 3 液压缸的联接计算 3 4 3 1缸盖的联接计算 液压缸的材料一般采用的是无缝钢管 那么它的端盖联结方式多采用半环联接 它的优点是加工和装卸方便 缺点是缸体开环槽削弱了总体强度 可以另外配合螺钉联 接以弥补半环联接的不足 本液压缸采用铸造 因此用螺钉连接 如图 3 6 所示 图图 3 63 6 缸盖联接方式缸盖联接方式 在这种联接中 每个螺钉在危险剖面上承受的拉力 0q f为工作载荷 q f和预紧力 qs f 之和 qsqqfff 0 3 14 车床上下料机械手的设计17 式中 z p d z f fq 4 2 3 15 f 驱动力 n z 螺钉数目 p 工作压力 pa qs f 预紧力 qqs kff 8 1 5 1 k 3 16 d 危险剖面直径 m 螺钉的强度条件为 2 1 2 1 0 d 4 4 d 3 1 qjq ff 合 3 17 qj f d 4 1 式中 0q f 计算载荷 n 3 1 qj f 抗拉许用应力 单位为 mpa n s 3 18 5 2 2 1 n 1 d 螺纹内径 cm s 螺钉材料屈服极限 3 4 3 3 缸盖螺钉的计算 如图 3 2 所示 缸盖采用的是半环联接加螺钉联接 有利于缓解缸体强度不足的缺 点 在这种联结中 每个螺钉在危险剖面上承受的拉力 0q f为工作载荷 q f 和预紧力 q f 之 和 q qqfff0 3 19 式中 z p al z f fq 4 2 3 20 z 螺钉数目 在这里取 z 6 q f 预紧力 q f k q f k 1 5 1 8 取 k 1 7 车床上下料机械手的设计18 则有 q q qqffff7 20 螺钉的强度条件为 3 14 1 0 d fq 合 3 14 0 1 q f d 抗拉许用应力 n s n 1 2 2 5 这儿取 2 对于 45 钢 s 360mpa mpa mpa 180 2 360 mm f d q 8 7 1806 380 4 7 23 14 3 14 2 0 1 即可以取此螺钉的公称直径 1 d 10mm 3 5 大手臂的结构设计 计算及选型 3 5 1 升降缸结构设计 图图 3 103 10升降缸结构示意图升降缸结构示意图 该升降缸采用矩形花键轴与花键套相配合 从而来实现导向作用 缸体需要一定 强度来保证工作中所需的弯矩 因此缸体和空心活塞杆均用铸造 3 5 2 升降缸驱动力的计算 驱动载荷的计算公式 gffff 回摩擦惯性 式中f惯性 启动或制动时 活塞杆所受的平均惯性力 车床上下料机械手的设计19 f摩 摩擦阻力 f摩 g 对于圆柱面 2 0 16 1 57 0 5024 f回 液压缸回油腔低压油液所造成的阻力 f密 密封装置处的摩擦阻力 g 零部件及所受总重力 1 粗略计算运动部件总重力 由前面设计的小手臂 手爪以及工件的重量 可以大约估计手臂伸缩液压缸活塞杆 尺寸为 130mm 手臂液压缸活塞杆总长 1000mm 按圆柱体粗略计算 kgkgmlp65 12750108 71 065 0 13 0 4 1 d d 4 1 m 32222 取 m 130kg 2 摩擦力的计算 681 2n13000 5024 gf 摩 3 惯性力的计算 tg g f 惯性 式中 由静止加速到常速的变化量 由于此机械手属于中小型装置 取 0 4m s t 启动过程时间 本设计取 0 4s 130n 0 49 8 0 41300 tg g f 惯性 4 密封装置处的摩擦阻力 大手臂升降液压缸采用了 o 形密封圈和 y 形密封圈 活塞与活塞杆处采用 的 o 形密封圈时 液压缸密封处总的摩擦力为 dlpffo 03 0 式中d 伸缩油管的直径 取 d 80mm l 密封的有效长度 计算 2 2kkdl k 0 11 计算得l 8 27mm 计算得出 3117 72n0 03f8 27602mpa0 03fdlp0 03ffo y 形密封圈的摩擦阻力为 347 126n8 276030 08 dlpfy 5 液压缸回油腔低压油液所造成的阻力 一般背压阻力较小 可按0 05ff 回 综上计算可得出大手臂伸缩液压缸驱动力的计算得 车床上下料机械手的设计20 n6722 1300n0 05f347n0 03f n301681 2n gffff 回摩擦惯性 3 5 3 升降缸的内径 d 和活塞杆 d 的计算 液压缸驱动力fddmpapap 4 1 2 22 将上面的计算所得代如公式 d 在前面已经初步取得 130mm 则有 d 180mm 有 机械设计手册 表37 7 1液压缸缸筒内径尺寸系列 初步选择液压缸内径d为200mm 3 5 4 升降缸行程的选择 由 机械设计手册 表 37 7 3 液压缸的行程参数系列 选择升降液压缸的行程 s 965mm 3 5 5 升降缸外径的选择 由 机械设计手册 表 37 7 64 工程机械用液压缸外径系列 选择升降液压缸的外 径 d 为 250mm 则有液压缸的壁厚mm25 2 200250 3 6 回转缸的结构设计 计算及选型 3 6 1 齿条活塞缸的介绍 实现机械手回转的装置是摆动液压马达 它是一种输出轴作摆动往复运动的液压执 行元件 它突出的优点是能使负载直接获得往复摆动运动 无需任何变速机构 摆动液 压马达一般分两种形式 叶片式和活塞式 叶片式传递扭矩大 工作压力高 机械效率 高 但是密封困难 加工复杂 易泄露 容积效率较低 分析本设计大手臂回转参数 对比两种形式 选择活塞式单作用齿轮齿条回转液压缸 它结构简单 密封容易 传动 效率高 扭矩和角速度都较平稳 位置精度便于控制 如图 3 11 所示即为齿轮齿条式 摆动缸结构简图 它把齿条的直线运动转换成为齿轮的回转运动 带动大手臂回转工作 图图 3 113 11 齿条活