工业机械手设计幻灯片

工业机械手设计 姓名： 班级：机教051班 指导老师：,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。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CAD/CAM 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,1 机械手设计内容,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。,2 机械手总体设计方案,2.1 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。2.1.1 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（也有多指），根据需要分为外抓式和内抓式两种。(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。,(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。(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。2.1.2 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。本设计采用液压机构。,4 工艺设计与计算,2.1.3 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。 2.2 机械手坐标形式与自由度的选择2.2.1 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，惯性小，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，所以最后决定选择圆柱坐标式机械手,他的机构简图为： （1）手腕的回转运动 （2）手臂的伸缩运动 （3）手臂的升降运动 （4）手臂的水平回转运动,2.2.2 机械手自由度选择由圆柱坐标式机械手机构简图选择四自由度机械手。 2.3 机械手的规格参数抓重：300N 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）：400mm 伸缩速度：250mm/s 升降行程（Z）：400mm 升降速度：70mm/s 回转范围：0210 回转速度：90/s 手腕运动参数：回转范围：0180 回转速度： 90/s 位置检测：用电位器反馈式 重复定位精度： 3mm驱动方式：液压驱动 控制方式：可编程控制,2.4 机械手手部设计计算2.4.1 手部设计基本要求(1)应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到在一定的夹 紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。 (2)手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。(3)在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、 重量轻，以利于减轻手臂负载。 (4)应保证手抓的夹持精度。2.4.2 手部力学分析通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，下面对其结构进行力学分析：,机械手原理图：,经过上图分析计算，则由分析可知，当驱动力F一定时， 角增大，则夹紧力FN也随之增大，但 角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好取 。2.4.3 夹紧力与驱动力的计算一般来说，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动载荷，以使工件保持可靠的夹紧状态，因此手指对工件的夹紧力可按下式计算式中：K1 安全系数，通常1.22.0。 K2 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。 K3 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G 被抓取工件所受重力。,通过计算得:夹紧力FN=243.4N F驱=859.06N。经过分析满足设计要求。2.4.4 夹紧液压缸参数计算因为选取活塞杆直径d=0.5D,液压缸工作压力P=0.8MPa经计算得：液压缸内径D=42.7mm。根据液压缸内径系列（JB826-66），选取液压缸的内径为 D=50mm，活塞杆直径d=0.5D=25mm。所以手部夹紧液压缸的主要参数为：,2.6 机械手腕部设计计算2.6.1 腕部的结构选择(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270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 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180，综合以上分析，腕部结构选择具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构。2.6.2 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M摩，为了简化计算，一般取M摩=0.1M总力矩。(2)克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏，M偏=G1e，G1是夹持工件的重量，e是工件重心到手腕回转轴线的垂直距离。(3)克服启动惯性所需的力矩M惯。手腕回转所需的驱动力矩相当于上述三项之和，即经过计算得M总力矩=13.1Nm,2.6.3 腕部工作压力计算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，即经计算P0.16MPa 取P=1MPa。所以腕部回转液压缸主要参数为：,2.7 机械手臂部设计计算2.7.1 臂部的结构选择(1)双导向杆手臂伸缩机构 手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆均受拉压，故受力简单传动平稳。(2)双层液压缸空心活塞杆单杆导向机构其特点是工作液压缸容积小、运动速度快、外形整齐、活塞杆直径大、增加手臂刚性。(3)采用花键套导向的手臂升降机构内部导向，活塞杆直径大、刚度大、传动平稳，花键轴端部的定位装置值得注意，必须保证手臂安装在正确的初始设计位置上。,(4)双活塞杆液压缸结构活塞杆速度先慢后快，是用短液压缸实现大行程的结构。(5)活塞杆和齿轮齿条机构 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联接的齿轮做往复回转而使手臂左右摆动。综合考虑，本设计选择双导向杆手臂伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。2.7.2 手臂伸缩驱动力计算伸缩液压缸活塞驱动力的计算公式为： F驱=F摩+F密+F回+F惯式中F摩手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。 F密密封装置处的摩擦阻力。 F回液压缸回油腔低压油液所造成的摩擦阻力。,F惯启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。经过计算得：F驱=4102N 满足设计要求。2.7.3 手臂伸缩液压缸参数计算经过上面计算，确定了液压缸的驱动力F驱=4102N，因此选择液压缸的工作压力P=1MPa。,经计算确定液压缸内径为D=80mm，活塞杆直径为d=8mm。所以手臂伸缩液压缸主要参数为：,2.8 机身升降机构计算2.8.1 手臂偏重力矩的计算偏重力矩就是手臂悬伸部分的全部零件重量的重心位置对手臂回转中心的静力矩，即所以经计算，M偏=978Nm。,2.8.3 手臂升降驱动力的计算由手臂升降驱动力的公式得：F驱=F摩+F惯+F回+F密G经计算：当液压缸向上驱动时 当液压缸向下驱动时 2.8.4 手臂升降液压缸参数计算 手臂升降液压缸参数同手臂伸缩液压缸参数计算相同,代入数据得手臂升降液压缸主要参数为：,2.9 机身回转机构的计算2.9.1 手臂回转液压缸驱动力矩计算机身回转液压缸驱动力矩M驱=M惯+M密+M回。带入设定值计算得