机械手夹持器毕业设计论文及装配图论文

课程题目机械创新设计学院机械工程学院课题名称机械手夹持器日期2011年11月02日设计目录第一部分夹持器整体设计及部分参数第二部分腕部设计第三部分伸缩臂设计第四部分驱动系统第五部分PLC控制系统第六部分设计主要内容第一部分夹持器整体设计及部分参数11夹持器设计的基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；（2）手指应具有一定的开闭范围；（3）应保证工件在手指内的夹持精度；（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；（5）应考虑通用性和特殊要求。设计参数及要求（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松；（2）所要抓紧的工件直径为80MM放松时的两抓的最大距离为110120MM/S，1S抓紧,夹持速度20MM/S；（3）工件的材质为5KG，材质为45钢；（4）夹持器有足够的夹持力；（5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由液压缸提供动力。12夹持器结构设计121夹紧装置设计1211夹紧力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、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。1212驱动力力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式2SINNFCBA式中C滚子至销轴之间的距离；B爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角A可得，得出F为理论2SIN17286SIN19534NFBANC计算值，实际采取的液压缸驱动力F要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0809，此处取088，则，取50FN19527608FN1213液压缸驱动力计算设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力24FDP推式中D活塞直径D活塞杆直径P驱动压力，,已知液压缸驱动力F，且501NKF推由于10KN，故选工作压力P1MPA据公式计算可得液压缸内径4523131FDMP根据液压设计手册,见表21，圆整后取D32MM。表11液压缸的内径系列（MM）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250活塞杆直径D05D0540MM16MM活塞厚B0610D取B08D0732MM224MM,取23MM缸筒长度L2030D取L为123MM活塞行程，当抓取80MM工件时，即手爪从张开120MM减小到80MM，楔快向前移动大约40MM。取液压缸行程S40MM。1214选用夹持器液压缸轻型拉杆液压缸型号为MOBB3283FB，结构简图，外形尺寸及技术参数如下表12夹持器液压缸技术参数图12结构简图受压面积2CM工作压力使用温度范围允许最大速度效率传动介质缸径无杆腔有杆腔速度比1MPA108300M/S90常规矿物液压油32MM12586145图13外形尺寸122手爪的夹持误差及分析机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图24，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过002MM，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。图14本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图25。图152221SINCOSINSINABABXRLLA该方程为双曲线方程，如图26图16工件半径与夹持误差关系曲线由上图得，当工件半径为60时，X取最小值，又从上式可以求出XMIN9785MM通常取MINSIABXL若工件的半径R60变化到R78时，X值的最大变化量，即为夹持误差。在设计中，希望按给定的RMAX和RMIN来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径取为RO时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当A值较大时），偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的BE和边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径RAP，以90CD为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式1COSINEPABRAL其中290AM,86ABL,V型钳的夹角210此时定位误差为1和2中的最大值。222MAXMIN1COSSINSIABABABRLLLA2222ININISABABABLLL分别代入经验证夹持误差满足设计要求。123楔块等尺寸的确定楔块进入杠杆手指时的力分析如下图171231斜楔驱动行程与手指开闭范围当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为L，此时对应的杠杆手指由位置转到位置，其驱动行程可用下式表示1212COSCOSINILLLL124材料及连接件选择V型指与夹持器连接选用圆柱销/9GBT，D8MM,需使用2个杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销1，D8MM,需使用2个滚子与手指连接选用圆柱销/，D6MM,需使用2个以上材料均为钢，无淬火和表面处理楔块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径12MM，螺距P1，旋合长度为10MM。第二部分腕部21腕部设计的基本要求手腕部件设置在手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度，此设计中要求有绕中轴的回转运动。（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，又承担连接和支撑作用，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连接。（3）必须考虑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。22具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构如图31所示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从AA剖视图上可以看到，回转叶片（简称动片）用螺钉，销钉和转轴10连接在一起，定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔57进出油腔，实现手部12的旋转。旋转角的极限值由动，静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270），图中缸可回转90。腕部旋转位置控制问题，可采用机械挡块定位。当要求任意点定位时，可采用位置检测元件（如本例为电位器，其轴安装在件1左端面的小孔）对所需位置进行检测并加以反馈控制。图31图示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个油管。通向手部驱动液压缸的油管是从回转中心通过，腕部回转时，油路认可保证畅通，这种布置可使油管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管（一根供手部油管，两根供腕部回转液压缸）由手臂内通过并经腕架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。本设计要求手腕回转平稳，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动，参考上图典型结构。23腕部结构计算231腕部回转力矩的计算腕部回转时，需要克服的阻力有（1）腕部回转支承处的摩擦力矩M摩12RFMFD摩式中，FR轴承处支反力（N），可由静力平衡方程求得1D,D轴承的直径（M）；F轴承的摩擦系数，对于滚动轴承F001002；对于滑动轴承F01。为简化计算，取01，如图31所示，其中，G2为工件重量，G1为手部重量，G3为手腕转动件重量。图21（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏1GE偏式中E工件重心到手腕回转轴线的垂直距离M，已知E10MM则（3）克服启动惯性所需的力矩M惯启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度及启动过程转过的角度启按下式计算T惯工件启（J）式中J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量2NMS；J手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量；手腕回转过程的角速度1S；T启启动过程所需的时间，一般取00503S,此处取01S。手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为200MM，直径90MM，其重力估算2304578098726GKGMNG,取98N232回转液压缸所驱动力矩计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩M总如图33，定片1与缸体2固连，动片3与转轴5固连，当A,B口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。图23图34图34为回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩233回转缸内径D计算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2BRR综合考虑，取值计算如下R16MM，R40MM，B50MM，P取值为1MPA，即如下图图23234液压缸盖螺钉的计算24缸盖螺钉间距示意表21螺钉间距T与压力P之间的关系上图中表示的连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为工作拉力与残余预紧力之和工作压力P（MPA）螺钉的间距TMM051小于1502小于120小于100501小于80计算如下液压缸工作压强为P1MPA,所以螺钉间距T小于150MM,试选择2个螺钉，此处连接要求有密封性，故K取（1518），取K16。1627843625FKN预所以螺钉材料选择Q235，安全系数N取15（1522）螺钉的直径由下式得出413FD，F为总拉力即F总6589371140M螺钉的直径选择D8MM第三部分伸缩臂设计31伸缩臂设计基本要求设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装机械手，完成直线伸缩动作。（1）功能性的要求机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（2）可靠性的要求可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。（3）安全保护和自动报警的要求按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须考虑的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警装置。设计参数（1）伸缩长度300MM；（2）单方向伸缩时间1525S；（3）定位误差要有定位措施，定位误差小于2MM；（4）前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击；32方案设计液压驱动方案（1）伸缩原理采用单出杆双作用液压油缸，手臂伸出时采用单向调速阀进行回油节流调速，接近终点时，发出信号，进行调速缓冲（也可采用缓冲油缸），靠油缸行程极限定位，采用导向杆导向防止转动，采用电液换向阀，控制伸缩方向。（图41）图31（2）液压系统的设计计算液压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求，具体设计计算参考液压传动与控制等相关教材。由于伸缩臂做间歇式往复运动，有较大的冲击，设计时要考虑缓冲措施，可从液压回路设计上考虑，也可从液压件结构上考虑。（3）结构方案设计及强度和刚度计算伸缩臂运动简图见图41结构方案说明A支座1安装在机器人床身上，用于安装伸缩臂油缸和导向杆等零部件。B法兰4用于安装机械手，其形式和尺寸要与机械手相协调。C液压缸伸出杆带动导向杆同时伸出300MM，伸出长度较大，设计、制造和安装时要考虑液压缸与导向杆的平行度要求。D导向杆可采用直线导轨或直线导轴。直线导轨可选用外购件，直接从生产厂家的有关资料中获得所需参数（网上查询直线导轨、直线导轴）。采用直线导轴时可自行设计，并且要考虑导向杆的润滑，润滑方式参考有关手册设计。33伸缩臂机构结构设计331伸缩臂液压缸参数计算3311工作负载R液压缸的工作负载R是指工作机构在满负荷情况下，以一定加速度启动时对液压缸产生的总阻力，即IMGR式中IR工作机构的荷重及自重对液压缸产生的作用力；M工作机构在满载启动时的静摩擦力；G工作机构满载启动时的惯性力。1IR的确定工件的质量M2VRH208785314559KG夹持器的质量15KG已知伸缩臂的质量50KG估计其他部件的质量15KG估计工作机构荷重RI5915501510859N取RI860N172086RI2M的确定RMN3G的确定RG172086TGVGN式中T为启动时间，其加速时间约为0105ST01S,02S总负载RRIRGRM8601721721204N取实际负载为R1200N3312液压缸缸筒内径D的确定DMMPAP3914320式中R1000N5000,P可取08,A取液压缸缸筒内径为40MM。3313活塞杆设计参数及校核1活塞杆材料选择45号调质钢，其抗拉强度B570AMP2活塞杆的直径查液压传动设计手册得，当压力小于10MPA时，速比133。则可选取活塞杆直径为20MM系列，且缸筒的厚度为5MM。最小导向长度304522LDHMM3314缸筒设计参数及校核1缸筒材料选择ZG310570铸钢,其抗拉强度B570AMP2缸筒壁厚及校核取壁厚5MM30125408D因此属于普通壁厚缸筒壁厚的校核MAXSPD式中MAXP缸筒内最高工作压力；AX7PAMS材料的许用应力57014BSPA材料的安全系数5MAX740162323SPDMP校核符合要求3缸筒外径5014213315缸底设计参数及校核1缸底材料选择Q235碳素结构钢，其抗拉强度B375460AMP2缸底厚度MAX705054428603SPDMM取缸底厚度为5MM3317液压油缸其他零件结构尺寸得确定由于液压缸的工作负载较小，所以选定液压缸的工作压力为低压。取额定工作压力为20AMP。液压缸的基本形式如下图所示图32整个油缸安装在下部伸缩臂基座上。（1）活塞与活塞杆得连接结构油缸在一般工作条件下，活塞与活塞杆采用螺纹连接。其形式如图所示图33（2）活塞杆导向套做成一个套筒，压入缸筒，靠缸盖与缸筒得连接压紧固定，材料选用铸铁材料。基本结构为图34图中1为缸盖，2为橡胶防尘圈，3为活塞杆，4为活塞杆导向套。（3）活塞与缸体得密封。采用O型密封圈密封。选用365内径，截面直径为35510MM其基本形式如下图35图中1即为O型密封圈，2则为活塞。活塞与缸体之间靠O型密封圈密封。（4）活塞杆端部结构形式及尺寸端部结构形式有外螺纹的，内螺纹的，光滑的，球形，耳环等等。此处因活塞杆固定，选用外螺纹连接形式。其基本结构如下图36图中各尺寸可查液压传动设计手册得，当D20MM时，1D取56ML12151D,512LDM2416332导向杆机构设计3321导向机构的作用导向机构的作用是保证液压缸活塞杆伸出时的方向性，提供机构刚度，保证伸缩量的准确性。3322导向机构的外形尺寸及材料导向选择矩形导轨导向，导轨为伸缩臂基座上得一部分，经加工而成；滑台则在其上滑动且滑台得端部靠法兰安装夹持器部分。材料选择为45号钢，如图48所示图37图中1为滑台，2为伸缩臂基座，3为矩形导轨的压板。此处矩形导轨是直接在基座上加工出来的，滑台在导轨面上滑动，靠压板来固定调节。第四部分驱动系统41驱动系统设计要求本次设计的工业机械手属坐标式液压驱动机械手。具有手臂伸缩，回转，升降，手腕回转四个自由度。因此，相应地有手腕回转机构、手臂伸缩机构，手臂回转机构，手臂升降机构等构成。各部分均用液压缸或液压马达驱动与控制。设计要求（1）满足工业机械手动作顺序要求。动作顺序的各个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而实现。（2）机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（3）液压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求42驱动系统设计方案采用叶片泵供油，动作顺序从原位开始升降臂下降夹持器夹紧升降臂上升底座快进回转底座慢进手腕回转伸缩臂伸出夹持器松开伸缩臂缩回；待加工完毕后，伸缩臂伸出夹持器夹紧伸缩臂缩回底座快退回转底座慢退手腕回转升降臂下降夹持器松开升降臂上升到原位停止，准备下次循环。43驱动系统设计431分功能设计分析（1）夹持器采用单出杆双作用缸，保证运动过程中不使工件下掉，夹持器夹紧工件后，锁紧回路由先导型顺序阀和单向阀组成。顺序阀的设置在夹持器松开回油过程中起到缓冲作用。（2）底座回转采用摆动液压缸，正反方向均采用单向调速阀调速。由于回转部分的重量大，回转长度长，因此手臂回转时具有很大的动能。为此，除采用调速阀的回油节流阀调速阀外，还在回油路上安装双溢流阀，进行减速缓冲。（3）手臂伸缩采用单出杆双作用缸，手臂伸出时，由单向阀和节流阀组成的调速回路进行回油节流调速。手臂缩回时，回油路设置调速阀以完成缓冲作用。（4）手臂升降运动采用单出杆双作用缸，上升和下降均由单向调速阀回油节流。因为升降缸为立式，在其液压缸下腔油路中安装单向顺序阀，避免因整个手臂运动部分的自重而下降，起支撑平衡作用。（5）伸缩臂进油路设置蓄能保压回路，伸出完全后，进油路压力升高，压力继电器发出电信号导致换向阀通电，泵卸荷，单向阀自动关闭，由蓄能器保压。（6）单泵供油，采用先导型溢流阀卸荷，设置二位二通换向阀。432液压泵的确定与所需功率计算系统各执行元件最大需用流量夹紧缸Q115L/MIN伸缩缸Q215L/MIN升降缸Q37536L/MIN回转缸Q41734L/MINMAX17390/IN20/MIPKLB、泵的排量316/PQQLRNC、泵工作时的最高压力夹紧缸1PMA伸缩缸26升降缸3回转缸40PA3PP包括油液流经流量阀和其他元件的局部损失，管路沿程损失等为0205MPAPP204MPA作为压力储备，可选额定压力为5MPA选择YBA16B型号泵，其主要性能参数如表41所示排量压力输入功率额定转速最低转速最高转速YBA16B163ML/R5MPA169KW1000R/MIN600R/MIN1800R/MIN433确定泵的电机功率NPQP泵的实际最大工作压力KGF/CM2Q泵在P压力下的实际流量L/MINT泵的总效率0650753241709256NKW考虑到压力损失，故按标准选用15KW的电机434液压元件的选择,如表52所示表42编号元件名称阀最大通过流量L/MIN型号公称流量L/MIN1滤油器（粗）19074XUCJ4550BS403溢流阀19074YF310L634电磁换向阀23DOB8C226滤油器（精）XUCJ4530BS409电磁换向阀（夹紧）10、11液控单向阀CPT03045040项目型号13压力继电器HE1DO20A/3514电磁换向阀（伸缩）1534DF30E10BD2515单向调速阀AQ3F10C3017电磁换向阀（回转）173434DF30E10BD2518、19单向调速阀AQ310D21电磁换向阀（升降）7536DG55522单向顺序阀HCT03A3225023、24单向节流阀SRCT03503044液压系统图441设计的液压系统图图43工业机械手除腕部采用摆动液压马达之外均采用单出杆双作用直线油缸。442液压系统电磁铁动作顺序控制原理降臂下降使6DT通电阀21位于左位，压力油经阀24单向阀，进入油缸25上腔，回油经油缸下腔，单向调速阀23，阀22的顺序阀，阀21左位回油箱。下降速度由阀23调节。单向顺序阀22防止自重下滑起支撑平衡作用。升降到一定位置碰到行程开关，使电磁铁2DT通电，6DT断电，压力油经阀10进入油缸12左腔，油缸右腔油液经阀11，阀9左位回油箱。10，11液控单向阀保持夹持器夹牢工件。降臂上升夹紧后发出讯号，使7DT通电2DT断电，压力油经阀21右位，阀22，23中的单向阀进入油缸25下腔，上腔油液经阀24，阀21右位回油箱。升降速度由阀24调节。座回转当升到预定位置时，挡块碰撞到行程开关。使的7DT断电8DT通电，阀17处于左位，压力油经阀17左位，阀18单向阀进入回转缸上腔，下腔油液经阀19，阀17左位回油箱。于是底座回转90度，回转速度由阀19调节。回转缸在其油路上安装有行程节流阀进行减速缓冲。缩臂伸出底座回转到位碰撞行程开关时，使8DT断电，4DT通电，压力油经阀14左位，进入油缸16左腔，右腔油液经阀15，阀14左位回油箱。伸缩臂外伸，伸缩速度由阀15调节。持器松开手腕回转90度完毕，挡块碰到行程开关，4DT通电，压力油经阀9右位，阀11到油缸12右腔，左腔油液经阀10，阀9右位回油箱。夹持器松开，放下物料。缩臂缩回当夹持器松开后，挡块碰撞行程开关，使5DT通电，压力油经阀14右位，阀15单向阀进入油缸16右腔，左腔油液经14右位回油箱，伸缩臂缩回。压力油使油缸19快速缩回。到位后碰撞行程开关，使5DT断电。缩臂伸出待加工完毕后，发出信号，使4DT通电，压力油经阀14左位进入油缸16左腔，右腔油液经阀15，阀14左位回油箱。持器夹紧当伸到适当位置，挡块碰撞行程开关，使2DT通电，4DT断电，压力油经阀19左位，阀10进入油缸12左腔，油缸右腔经阀11，阀9左位回油箱。缩臂缩回当夹紧后，挡块碰撞行程开关，使5DT通电，经15单向阀进右腔，左腔油液经14回油箱。底座回转当缩到适当位置，挡块碰撞行程开关，使9DT通电，压力油经阀19单向阀进回转油缸下腔，上腔油液经阀18，阀17右位回油箱。升降臂下降当手腕回转到位，挡块碰撞行程开关，使9DT断电，6DT通电，压力油经阀21左位，阀24到油缸25上腔，回油经油缸25下腔，阀23，阀22，阀21左位回油箱。夹持器松开当降到预定位置，挡块碰撞行程开关，使6DT断电，3DT通电，压力油经阀9右位，阀11进入油缸12右腔，左腔油液经阀10阀9右位回油箱。第五部分PLC控制系统51PLC的构成及工作原理可编程逻辑控制器（PLC）又称可编程控制器。它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统。它使用可编程存储器存储用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来控制各种机电一体化，程