运料机械手的设计毕业论文.doc

运料机械手的设计毕业论文目 录1 绪论 11.1 课题背景 1 1.2 设计目的12 手部结构 12.1 设计时应考虑的几个问题 12.2 驱动力的计算 22.3 夹紧缸的设计计算 43 臂部设计 63.1 伸缩手臂运动驱动力计算 63.2 液压缸缸筒内径D的确定 93.3 液压缸外径的设计及校核 103.4 活塞杆设计参数及校核 104 机身升降机构设计 114.1 手臂偏重力矩的计算 114.2 升降不自锁条件分析计算 124.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 124.4 液压缸缸筒内径D的确定134.5 液压缸外径的设计及校核144.6 活塞杆设计参数及校核145 机身回转机构设计155.1 回转缸驱动力矩的计算155.2 回转缸尺寸的初步确定165.3 液压缸盖螺钉的计算165.4 动片和输出轴间的连接螺钉176 液压及控制系统设计186.1 液压系统设计186.2 PLC控制系统设计21结论 30致谢 31 参考文献 32淮海工学院二一三届毕业设计（论文）（理工类）1 绪论1.1 课题背景机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，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。尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。机械手得到了越来越广泛的应用，在机械行业中它可以用于零部件组装，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，机械手已成为柔性制中的重要组成部分。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，可节省庞大的工件输送装置，结构紧凑且适应性强。柔性生产系统更容易适应当代瞬息万变的市场环境，有利于企业不断更新适销对路的品种，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相当有意义的。1.2 设计目的进入21世纪，随着的到来，近年来在东南沿海还出现在大量的缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必行。本设计通过对机械电子工程专业本科四年所学知识进行整合，要完成一个将检测不合格的工件从生产线上搬出的机械手。其能够比较好地体现机械电子工程专业毕业生的理论水平，能够实现理论和实践的有机结合。毕业设计是工科学生的最后一个实践性环节，通过设计机械手机械结构、驱动系统和控制系统，使我能够熟练地运用所学的基础理论知识，初步掌握本专业课题研究的一般方法，独立完成课题设计，为毕业后的工作打下良好的基础。2 手部结构2.1 设计时应考虑的几个问题2.1.1 要具有足够的握力确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还要考虑在传送和操作过程中所产生的振动和惯性的影响，来保证工件不会产生松动或脱落。2.1.2 手指间要有一定的开闭角手指的开闭角是指两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度。手指的开闭角要保证工件能顺利进入或脱开。如果，则按最大直径的工件来考虑。2.1.3 要保证工件的准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，要根据被抓取工件的形状，选择相应的抓形。2.1.4 要有足够的强度和刚度手抓除受到以外，还受到在运动过程中所产生的振动和惯性的影响，所以要具有足够的强度和刚度来防止手抓的弯曲变形或折断，且尽量使结构简单紧凑，质量轻。2.1.5 要考虑被抓取对象的要求要根据的不同，来设计和确定手指的形状。2.2驱动力的计算如图2-1所示为滑槽式手部结构。在拉杆作用下销轴向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指的滑槽对销轴的反作用力为、 ，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，和的延长线交O1O2于A及B，。根据销轴的力平衡条件，即 Fx=0 得; （2-1）Fy=0 得 （2-2） 图2-1滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1-手指 2-销轴 3-杠杆销轴对手指的作用力为。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以表示。由手指的力矩平衡条件，即得 （2-3） h=a/cos F=式中 a手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）。 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。b夹片中间到手指回转支点的距离。由上式可知，当驱动力F一定时，角增大则握力也随之增加，但角过大会导致拉杆的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取。这里取角 。这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。为了考虑工件在传送过程中，其实际的驱动力F实际应按以下公式计算，即： （2-4）本机械手的手臂伸缩移动速度为，手臂升降移动速度为，手臂回转移动速度为，系统达到最高速度的时间根据设计参数选取，一般取，取，工件重量G为， ，V型钳口的夹角为，时，拉紧油缸的驱动力F和计算如下：手指对工件的夹紧力计算公式： （2-5）式中 安全系数，通常取1.22.0，取1.5; 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算 （2-6） 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定按工业机械手设计中的选取。 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 得 （2-7） 取手指传力效率， 则 2.3夹紧缸的设计计算2.3.1夹紧缸主要尺寸的计算由前知，夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸，设夹紧工件时的行程为，时间为，则所需夹紧力为：表2-1 按载荷选择工作压力载荷/KN50工作压力/Mpa0.811.522.5334455工作压力取，考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑，取工作压力为。表2-2 按工作压力选取d/D工作压力/Mpa5.05.07.07.0d/D0.50.550.620.700.7选取得： （2-8）式中：液压缸内径 液压缸工作压力 液压缸工作效率，根据液压缸内径系列选取液压缸内径， 同理查得活塞杆直径2.3.2缸体结构及验算缸体采用无缝钢管，由，查得可取缸筒外径 2.3.3液压缸额定工作压力应低于一定极限值，以保证工作安全 （2-9）式中： 缸筒内径 缸筒外径 缸筒材料的屈服点，号钢为 已知工作压力，故安全。2.3.4缸筒两端部的计算(1) 缸筒底部厚度的计算此夹紧缸采用了平行缸底，底部设有油孔，则底部厚度为 （2-10）考虑结构要求，取式中：缸筒内径 液压缸最大工作压力，取 缸底材料的许用应力，材料为号钢，为安全系数，取。 （2-11）(2) 缸筒底部联接强度计算缸筒底部采用螺钉联接法兰式缸头，材料为，联接图如下：图2-2 外卡环联接图卡环尺寸一般取： （2-12）侧面的挤压应力为： （2-13）上的拉应力： （2-14）故知缸筒底部联接安全。(3) 缸筒端部联接强度计算缸筒端部与手指是用螺钉联接，联接图如下：图2-3 螺钉联接图螺纹处的拉应力： （2-15）螺纹处的剪应力： （2-16）则合成应力： （2-17）则知螺纹连接处安全可靠。 其中：拧紧螺纹的系数，取 螺纹连接处的摩擦系数， 螺纹外径， 螺纹底径， 螺钉数量，3 臂部设计3.1伸缩手臂运动驱动力计算计算液压缸的总机械载荷 （3-1）式中， -为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为0；-为活塞上所受的惯性力；-为液压缸内的密封阻力；-为导向装置的摩擦阻力；3.1.1 的计算 （3-2）式中， -为液压缸所要移动的总重量，取为；-为重力加速度，；-为速度变化量，取；-启动或制动时间，一般为，取将各值带入上式，得：3.1.2 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，当液压缸工作压力小于。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：（3-3）3.1.3 的计算计算公式推导如下：（3-4）（3-5）得 （3-6）（3-7）（3-8）得 （3-9） （3-10）（3-11）式中液压缸所要移动的总重量，为液压缸所要移动总重量的重心到手臂回转中心的距离，为 导向支撑的长度，为当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。图3-1 导向杆示意图对于圆柱面： (3-12)静摩擦且无润滑时的摩擦系数钢对青铜：取钢对铸铁：取导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁 ，, ，将有关数据代入进行计算 (3-13)经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力： (3-14)计算得3.2液压缸缸筒内径D的确定图3-2 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔，（3-15） （3-16） 当，时p可取，选择机械效率将有关数据代入： 表3-1 液压缸推荐参数根据表3-1，选择标准液压缸内径系列，选择。3.3液压缸外径的设计及校核根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在，所以该液压缸的外径为。当 时，液压缸壁厚的较核公式如下： （3-17）-为缸筒内径；-为缸筒试验压力，当缸的额定压力时，取为-为缸筒材料的许用应力，为材料抗拉强度，经查相关资料取为，为安全系数，此处取带入数据计算，上式成立,因此液压缸壁厚强度满足要求。3.4活塞杆设计参数及校核3.4.1 活塞杆材料选择号调质钢，其抗拉强度3.4.2 活塞杆的直径查袖珍液压气动手册得，当压力小于时，可选取活塞杆直径为系列。 3.4.3 活塞杆强度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L大于直径d的倍以上，按拉、压强度计算： (3-18)设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径, ,现在进行校核。结论： 活塞杆的强度足够。 4机身升降机构设计4.1手臂偏重力矩的计算图4-1 手臂各部件重心位置图(1) 零件质量量、等现在对机械手手臂做粗略估算：和总共33Kg （4-1）(2) 计算零件的质心位置，求出重心到回转轴线的距离， （4-2） 所以，回转半径(3) 计算偏重力矩 (4-3) 4.2 升降不自锁条件分析计算手臂在的作用下有向下的趋势，而里柱导套有防止这种趋势。由力的平衡条件有= （4-4） （4-5）即 = (4-6)所谓的不自锁条件为： （4-7）即 （4-8） （4-9）取则 (4-10)当时，在设计中考虑可靠性，立柱导套设计为。4.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 (4-11)式中摩擦阻力，取 （4-12）G零件及工件所受的总重。1. 的计算 （4-13）设定速度为；起动或制动的时间差；估算为；将数据带入上面公式有：2. 的计算 （4-14） （4-15） 3. 液压缸在这里选择O型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算 (4-16)最后通过以上计算得 当液压缸向上驱动时，4.4 液压缸缸筒内径D的确定液压缸内径的计算，如图4-2所示图4-2 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔， (4-17)故有 (4-18) ，当时p可取，选择机械效率。将有关数据代入： 根据表3-1，选择标准液压缸内径系列，选择。4.5 液压缸外径的设计及校核根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在，所以该液压缸的外径为。当时，液压缸壁厚的较核公式如下： （4-19）-为缸筒内径；-为缸筒试验压力，当缸的额定压力时，取为-为缸筒材料的许用应力，为材料抗拉强度，经查相关资料取为，为安全系数，此处取。带入数据计算，上式成立,因此液压缸壁厚强度满足要求。4.6 活塞杆设计参数及校核1. 活塞杆材料：选择号调质钢，其抗拉强度2. 活塞杆的直径：查袖珍液压气动手册得，当压力小于时，可选活塞杆直径为系列。 3. 活塞杆强度活塞杆的尺寸要满足活塞运动的要求和强度要求。 (4-20)设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径, ,现在进行校核。结论： 活塞杆的强度足够。5 机身回转机构设计5.1 回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡。 (5-1)惯性力矩的计算 (5-2)式中回转缸动片角速度变化量（），在起动过程中=起动过程的时间(s)手臂回转部件对回转轴线的转动惯量（）若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则 (5-3)式中 回转零件绕过重心轴线的转动惯量。 (5-4)回转部件可以等效为一个长，半径为的圆柱体，质量为，回转中心距离质心为，即，, 设置起动角度，则起动角速度，起动时间设计为。密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。经过以上的计算。5.2 回转缸尺寸的初步确定为减少动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度时，选用：综合考虑，取值计算如下：回转缸的静片和动片宽，选择液压缸的工作压强为,输出轴与动片连接处的直径,则回转缸的内径通过下列计算： (5-5)查表3-1，设计液压缸的内径为,选择液压缸的基本外径尺寸。5.3 液压缸盖螺钉的计算图5-1 缸盖螺钉间距示意表5-1 螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（Mpa）螺钉的间距t(mm) 小于150小于120小于100小于80因为回转缸的工作压力为,所以螺钉间距小于,根据初步估算， （5-6） （5-7）所以缸盖螺钉的数目为个。危险截面 （5-8）所以 （5-9）取 （5-10）所以螺钉材料选择，取安全系数则 （5-11）螺钉的直径选择的开槽盘头螺钉。5.4动片和输出轴间的连接螺钉连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。 （5-12）于是得 （5-13）式中每个螺钉预紧力；D动片的外径；f被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取螺钉的强度条件为 （5-14）或 （5-15）带入有关数据，得螺钉材料选择，取则 （5-16）螺钉的直径 则选择的开槽盘头螺钉。6液压及控制系统设计6.1液压系统设计此机械手的循环动作顺序共划分为12步，动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁，按程序依次步进动作从而实现。（从初始位置开始）手臂下降且传送带停止工作抓手夹紧手臂上升机身逆转工件松开手臂顺转（到初始位置停止并传送带启动准备下次循环）手臂伸出机身下降工件松开手臂缩回机身上升手臂顺转（到初始位置停止并传送带启动准备下次循环）。图6-1 液压系统工作原理图6.1.1 工业机械手的循环动作顺序的实现1手臂下降且传送带停止工作：当传送带上有工件传送过来并且不是废品时，传感器1发出信号给YA2、KM1和KM2，YA2得电，KM1、KM2失电，传送带停止工作，手臂下降。到达指定位置后，压下行程开关SQ2并停下来。2抓手夹紧：行程开关SQ2接通后将电信号传送给YA7，YA7得电，抓手夹紧。到达指定位置后，压下行程开关SQ7并停下来。3手臂上升：行程开关SQ7接通后将电信号传送给YA1，YA1得电，手臂上升。到达指定位置后，压下行程开关SQ1并停下来。4机身逆转：行程开关SQ1接通后将电信号传送给YA3，YA3得电，机身逆转。当工件经过传感器2，如果传感器2检查工件长度不合格，传感器2发出信号给SP5，SP5断开。如果检查工件长度合格，传感器2不发出信号给SP5，SP5不断开。到达指定位置后，压下行程开关SQ3并停下来。5工件松开：当SP5断开，行程开关SQ3接通后将电信号传送给YA8，YA8得电，抓手松开。如果SP5不断开时，则执行步骤7手臂伸出。到达指定位置后，压下行程开关SQ8并停下来。6手臂顺转：行程开关SQ8得电时将电信号送给YA4，YA4得电，手臂顺转，到达指定位置后，碰到行程开关SQ4并停下来（到初始位置停止并KM7得电，传送带启动准备下次循环）。7手臂伸出：当SP5闭合，行程开关SQ3得电时将电信号传送给YA5，YA5得电，手臂伸出。到达指定位置后，压下行程开关SQ5并停下来。8手臂下降：行程开关SQ5接通后将电信号传送给YA2，YA2得电，手臂下降。到达指定位置后，压下行程开关SQ2并停下来。9松开工件：行程开关SQ2接通后将电信号传送给YA8，YA8得电，抓手松开。松开工件后，压下行程开关SQ8并停下来。10手臂缩回：行程开关SQ8接通后将电信号传送给YA6，YA6得电，手臂缩回。到达指定位置后，压下行程开关SQ6并停下来。11手臂上升：行程开关SQ6接通后将电信号传送给YA1，YA1得电，手臂上升。到达指定位置后，压下行程开关SQ1并停下来。 12手臂顺转：行程开关SQ1得电时将电信号传送给YA4，YA4得电，手臂顺转。到达指定位置后，压下行程开关SQ4并停下来（到初始位置停止并KM1、KM2得电，传送带启动准备下次循环）。表6-1 液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表(+表示电磁铁线圈通电) 运动顺序电磁铁YA1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA9手臂下降+抓手夹紧+手臂上升+机身逆转+工件松开+手臂顺转+手臂伸出+手臂下降+松开工件+手臂缩回+手臂上升+手臂顺转+卸荷+6.1.2油泵的选择计算1. 流量计算根据其余各组数据统计如下 （6-1）得： 手臂回转缸 手臂升降缸 手臂伸缩缸 手抓伸缩缸 选择系数 (6-2)2.确定泵的压力(1) 4个液压缸的压力分别为：手臂回转缸： 手臂升降缸： 手臂伸缩缸： 手抓伸缩缸： (2) 液压缸最大工作压力： (6-3)液压缸压力最大数值进油路总压力损失取。(3) 泵的额定压力为： （6-4）(4) 油泵具体型号的选定油泵型号:YBN-B25N型叶片泵技术参数如下：最大排量：25mL/r 额定压力：7MPa 转速：6001800r/min 驱动功率：5.4kw额定转速：1500r/min6.1.3油泵电动机的选择公式计算电动机功率 （6-5）其中：液压泵总效率取0.8液压系统总流量泵的压力电动机功率： 选择电动机型号为型异步电动机电动机规格及参数如下：额定功率：转速：6.2 PLC控制系统设计想到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。选用三菱的Fx2N-32MR。测距仪型号：GP2Y0A51SK0F，模拟输出距离测量范围20150mm。根据机械手的动作顺序，选定电磁阀、开关等现场器件相对应的PLC内部等效继电器的地址编号，其对照表如下：表6-2 现场器件与PLC内部等效继电器对照表现 场 器 件内部继电器地址说 明输入 SB1SB2SB3SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SP4SP5SQ7SQ8X0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13X14启动按扭停止按钮 急停按钮 机身升降上限位开关机身升降下限位开关机身逆转限位开关机身顺转限位开关手臂伸缩前限位开关手臂伸缩后限位开关测距仪1处光电感应开关测距仪2处光电感应开关工件夹紧限位开关工件松开限位开关输出 YA1YA2YA3YA4YA5YA6KM1KM2YA7YA8Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y10Y11机身上升电磁阀机身下降电磁阀机身逆转电磁阀机身顺转电磁阀手臂伸出电磁阀手臂缩回电磁阀传送带开启传送带停止工件夹紧电磁阀工件松开电磁阀根据表6-2画出PLC与现场器件的连接示意图；如图6-2所示：图6-2 PLC与现场器件的实际连接表6-3运料机械手的工作阶段及负载序号 0123456789 10 1112顺序工作阶段初始位置抓取-手臂下降且传送带停止工作抓取-抓手夹紧夹持-手臂上升夹持-机身逆转松开工件空手-手臂顺转夹持-手臂伸出夹持-手臂下降放置-松开工件空手-手臂缩回空手-手臂上升空手-手臂顺转选定的状态继电器S2S20S21S22S23S24S25S26S27S28S29S30S31负载系统静止，KM1得电 YA2得电，KM2得电 YA7得电YA1得电，工件YA3得电，工件YA8得电YA4得电YA5得电，工件YA2得电，工件YA8得电YA6得电YA1得电YA4得电根据表6-3运料机械手的工作阶段及负载，可以设计出运料机械手功能流程图，如图6-4所示图6-4运料机械手功能流程图满足此机械手工艺流程的梯形图如下图所示 ： 图6-4 运料机械手梯形图对应的指令语句如下：LD M8002SET S2STL S2OUT Y006LD X000AND X011SET S20STL S20OUT Y001OUT Y007LD X004SET S21STL S21OUT Y010LD X013SET S22STL S22OUT Y000LD X003SET S23STL S23OUT Y002LD X012AND X005SET S24STL S24OUT Y011LD X014SET S25STL S25OUT Y003LD X006SET S2LD X005SET S26STL S26OUT Y004LD X012SET S27STL S27OUT Y001LD X004SET S28STL S28OUT Y011LD X014SET S29STL S29OUT Y005LD X010SET S30STL S30OUT Y00