连杆式装箱机械手的设计

XXXX大学毕业设计说明书设计Q扣11459919609Q扣21969043202学院专业题目连杆式装箱机械手的设计CONNECTINGRODLOADINGMANIPULATORDESIGN指导教师职称职称20年月日西安文理学院本科毕业设计（论文）任务书题目连杆式装箱机械手的设计学生姓名学号专业班级指导教师职称教研室毕业设计（论文）任务与要求任务与要求机械手是近几十年来自动化生产过程中发展起来的一种新型，高科技自动生产设备。在生产过程中，机械手被广泛用于自动化生产线中，它是一种类似人体上肢的部分动能，能按照要求传送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对工业生产的自动化，推动工业生产的进步发展有重要作用。在生产线上装卸工件一般有工人完成，劳动强度大，生产率低。为了提高生产线的工作效率，降低成本，使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产的需要，利用机器人技术，对生产线上装卸机械手进行设计研究，以提高自动化作业程度。具体要求如下了解工业机器人和机械手的发展及工业生产中的应用；完成机械手结构设计；建立该机械手模型；应用软件绘制所设计机械手的装配图；撰写论文；毕业设计（论文）工作进程起止时间工作内容第12周20121102012314第34周20123152012328第56周20123292012411第7周20124122012418第89周2012419201252第10周201253201259第11周20125102012516第12周20125172012523查（借）阅资料，学习连杆式装箱机械手结构基础理论和知识，了解所设计的机械手的结构，撰写开题报告。对机械手各部分零件进行结构设计。用AUTOCAD及相关绘图软件绘制机械手结构图以及重要零件图。撰写毕业论文。论文定稿整理资料准备答辩。答辩。开始日期2012110完成日期2012512教研室主任（签字）系主任（签字）西安文理学院本科毕业设计（论文）中期检查表题目连杆式装箱机械手的设计学生姓名学号专业名称指导教师检查时间班级毕业设计（论文）进展情况通过对机械手的设计的相关资料的学习，以及对整个设计的了解，现基本完成以下设计工作1对机械手的基本结构，工作原理，应用场所有一定了解。2对工业机械手的基本结构（执行机构、驱动机构、控制装置）有所了解及掌握。3被加持对象的基本结构和机械手的工作行程有一定的认识。4完成手腕、手抓基本结构的设计、计算。下一步设计工作内容连杆式装箱机械手手臂基本结构的设计计算和手腕、手臂、手抓基本结构的校核以及机械手装配图的绘制。指导教师意见1能够按自身进度要求完成相关设计2能够与老师保持正常指导关系综上所述,同意按照设计进度进行后续工作签字年月日教研室意见签字年月日摘要工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。主要叙述了机械手的设计计算过程。本文比较全面地讨论了工业机械手的手部和腕部、手臂伸缩机构以及上升和回转机构等主要部件的结构设计。并在最后做了一些液压控制方面的设计，绘制了液压系统图等。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术关键字机械手气动自由度；ABSTRACTINDUSTRIALROBOTISDEVELOPEDINRECENTDECADESASAHIGHTECHAUTOMATEDPRODUCTIONEQUIPMENTINDUSTRIALROBOTMANIPULATORISANIMPORTANTBRANCHOFINDUSTRYMAINLYDESCRIBESTHEDESIGNOFTHEMECHANICALHANDCALCULATIONTHISMORECOMPREHENSIVEDISCUSSIONOFTHEINDUSTRIALROBOTHANDANDWRIST,ARMSTRETCHINGUPANDROTATINGBODIESANDAGENCIESANDOTHERMAJORCOMPONENTSOFTHESTRUCTURALDESIGNMODERNAUTOMATICCONTROLOFINDUSTRIALROBOTSISANEWEMERGINGFIELDOFTECHNOLOGY,ANDHASBECOMEAMODERNMECHANISMINTHEPRODUCTIONSYSTEMISANIMPORTANTPART,THISNEWTECHNOLOGYHASDEVELOPEDRAPIDLY,ANDGRADUALLYBECOMEANEWSUBJECTMECHANICALHANDMANIPULATORINVOLVESMECHANICS,MECHANICS,ELECTRICANDHYDRAULICTECHNOLOGY,AUTOMATICCONTROLTECHNOLOGY,SENSORTECHNOLOGYANDCOMPUTERTECHNOLOGYFIELDSOFSCIENCE,ISACROSSDISCIPLINARYTECHNOLOGYKEYWORDSMANIPULATOR，PNEUMATIC，FREEDOM西安文理学院毕业设计（论文）第1页目录第一章绪论111机械手的基本概念112国内外的发展状况113机械手特点、研究意义2131机械手的特点2132机械手的研究意义214机械手的组成3141机械手的组成315设计任务介绍及意义3第二章机械手总体结构的确定421机械手的运动自由度422工作空间的确定423额定负载的确定424机械手结构形式的确定425运动速度526定位精度627机械手的技术参数列表628机械传动系统设计6第三章手部结构设计831夹持式手部结构8311手指的形状和分类8312设计时考虑的几个问题8313手部夹紧气缸设计9第四章手腕结构设计1441手腕的自由度1442手腕的驱动力矩的计算14422回转气缸的驱动力矩计算16423手腕回转缸的尺寸16第五章手臂伸缩，升降，尺寸设计与校核1751手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核1752纵向气缸的设计1853导向装置2154平衡装置21第六章总结22第七章致谢23参考文献24西安文理学院毕业设计（论文）第2页第一章绪论11机械手的基本概念机械手，属工业机器人的范畴，机器人学是近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机科学、自动控制以及人工智能等多种学科的最新研究成果，体现了光机电一体化技术的最新成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。“机械手”（MANIPULATOR）多数指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。一个完整的气压系统是由以下几部分组成的1能源部分。包括泵装置和蓄能器，它们能够输出气体，把原动机的机械能转变为气体压力能，并储存起来。2执行机构部分。是气缸、气动机等，它们用来带动运动部件，将气体压力能转变成使部件运动的机械能。3控制部分。是各种液压阀，用于控制流体的压力、流量和流动方向，从而控制执行部件的作用力、运动速度和运动方向，也可以用来卸载，实现过载保护等。4辅助部分。是系统中除了上述三部分以外的所有其他元件，如油箱、压力表、管路等。液压系统中机械手主要实现的辅助功能1机械手的伸、缩、回转和工件的松开和拉紧动作等。2工件的自动松开、夹紧。3工作台的松开夹紧、交换工作台的自动交换动作。4机械手的运动部件平衡。如机械手轴箱的重力平衡、机械手的平衡装置等。5机械手运动部件的制动和离合器的控制、齿轮拨又换挡等。6机械手的自动开关。液压系统在机械手中所起的作用是通过电一气转换元件把控制信号进行功率放大，对气压动力机构进行方向、位置和速度的控制，进而控制机械手的手臂按给定运动规律动作。气压动力机构多数情况下采用直线气压缸或摆动气压缸，用于实现手臂的伸缩、升降以及手腕的回转。12国内外的发展状况专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。通用机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于通用机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。通用机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国内外对发展这一技术都很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与合作。目前国内外的发展趋势是西安文理学院毕业设计（论文）第3页1研制有更多自由度的液压机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。2研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。3研制维修维护方便的通用机械手。4研制能自动编制和自动改变程序的通用机械手。5研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。6机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。7研制具有柔性系统的通用机械手目前，在国外广泛应用的再现式通用机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。现在研究的机械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度。现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位。13机械手特点、研究意义131机械手的特点1通用性机器人的通用性指具有执行不同功能和完成多样简单任务的实际能力；通用性也意味着，机器人是可变的几何结构。或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。2适应性机器人的适应性是指具有对环境的自适应能力，及机器人能够自主执行实现经规划的中间任务，而不管执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。132机械手的研究意义随着现代科学技术的发展，机械手的应用也越来越广泛。在机械工业中，大量应用于铸、锻、焊、冲、热处理、机械加工以及装配等工种。在其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下1可以提高生产过程的自动化程度。2应用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换、以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。3可以改善劳动条件，避免人身事故。应用机械手在高温、高压、低温、低压、噪声、臭味、有放射性物质的环境场合可部分或者西安文理学院毕业设计（论文）第4页全部代替人完成作业，使劳动条件得以改善。4可以减少人力，并便于有节奏的生产。应用机械手代替人手进行作业，这是直接减少人力的一个重要方面。5运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间，从而能大幅提高劳动的生产率。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。14机械手的组成141机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图11所示。控制系统驱动系统执行机构位置检测装置图11机械手的组成示意图15设计任务介绍及意义通过课程设计培养学生综合运用所学知识的能力，提高分析和解决问题能的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的意义在于1培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。2培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。3培养学生掌握机电产品设计的一般程序方法，进行工程师基本素质的训练。4树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。西安文理学院毕业设计（论文）第5页第二章机械手总体结构的确定21机械手的运动自由度物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关。物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度（DOFDEGREEOFFREEDOM）。自由度是指描述物体运动所需的独立坐标数，三维空间需要6个自由度。物体所能进行的运动有沿着坐标轴的三个平移自由度和绕坐标轴的三个旋转自由度。一般固定程序的机械手，动作比较简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多，动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的3个自由度是用来实现手臂末端的空间位置的，再用几个自由度来定出末端执行器的方位；7个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。自由度的选择也与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周围设备构成比较复杂，工件质量轻时，机械手的自由度数可少；如果要便于产品更换，增加柔性，则机械手的自由度要多一些。计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的结构和控制，应使自由度数最少。本设计的通用机械手的结构相对比较简单，自由度选择为四个。分别为大臂回转、大臂升降、小臂回转和小臂伸缩。分别由大臂回转油缸、大臂升降油缸、小臂回转油缸和小臂伸缩油缸控制。22工作空间的确定工作空间是指机械手正常工作时，手腕参考点在空间活动的最大范围，依据机械手工作范围和运动轨迹确定。工作空间大小不仅与机器人各杆件尺寸有关，而且也与它的总体构形有关。在工作空间内要考虑杆件自身的干涉，防止与作业环境发生碰撞。此外在工作空间内某些位置，机械手不可能达到预定的速度，甚至不能在某些方向上运动，即所谓工作空间的奇异性。本机械手的工作空间要求为手臂伸缩行程范围0500MM，手臂升降行程范围最大0300MM，手臂回转行程范围0240。23额定负载的确定承载能力说明机械手搬运重物的能力，负载大小主要考虑机械手各运动轴上的受力和力矩，末端执行器的重量，抓取工件的重量，以及由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。本设计要求能夹持重量为100N的物体，考虑末端执行器的重量及各运动轴上的受力和力矩，以及考虑足够的安全系数，初步确定设计负载为1500N。24机械手结构形式的确定本毕业设计是通用机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一般有以下几种西安文理学院毕业设计（论文）第6页表21机械手结构选型表【7】结构形式方案特点优缺点结构简图1直角坐标型作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低2圆柱坐标型操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高3球坐标型操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂4关节型操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差25运动速度机器人手臂的运动速度是其主要运动参数之一。它反映了机器人手臂的作业水平，运动速度的快慢与它的驱动方式、定位方式、抓去质量大小和行程距离有关，作业机器人手臂的运动速度应根据生产节拍、生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定。西安文理学院毕业设计（论文）第7页目前，工业机器人的最大直线运行速度大部分为1000MM/S左右；最大回转速度110/S左右。在本次设计中选定手臂伸缩速度500MM/S，手臂升降速度300MM/S，手臂回转速度90S，手腕回转速度180/S，驱动方式为电液伺服系统。作为机器人规格参数的运动速度是指全程的平均速度，实际使用速度可以在一定的范围内调节。26定位精度定位精度是衡量机器人工作质量的又一项重要指标，一般所说的定位精度是指重复精度，与抓取质量、运动速度、定位方式等也有密切关系。目前，专用机械手采用固定挡块定定位精度取决于位置控制方式及机器人本体部件的结构刚度与精度位方式可达到较高的定位精度（大约为002MM），采用行程开关、电位计等电器元件控制的位置精度相对较低，大约为1MM。伺服控制系统的机器人是一种位置跟踪系统，即使在高速重载的情况下，也可不发生剧烈的冲击和振动，因此可获得较高的定位精度，重复定位精度最高可达到001MM。27机械手的技术参数列表1、抓重10公斤2、自由度数4个自由度3、座标型式圆柱座标4、最大工作半径1500MM5、手臂最大中心高1380MM6、手臂运动参数缩行程600MM，伸缩速度500MM/S，升降行程200MM，升降速度300MM/S，回转范围002400，转速度900/S7、手腕运动参数回转范围001800，转速度1800/S8、手指夹持范围片料面积不大于059、定位精度士05MM10、缓冲方式液压缓冲器11、传动方式气压传动西安文理学院毕业设计（论文）第8页52纵向气缸的设计1气缸的内径根据机械手结构关系得公式54根据气缸的结构得PDDFO422估算时取D03D,P07。代入上式得按照GB/T23481993标准进行圆整，取D63MM2活塞杆直径由D03D估取活塞杆直径D18MM3缸筒长度的确定缸筒长度SLB20L为活塞行程；B为活塞厚度活塞厚度B020025D0206310MM由于气缸的行程L200MM,所以SLB20232MM4气缸筒的壁厚的确定假设所选材料为无缝钢管，则由表知5气缸的进、排气口计算查表可知，气缸的进、排气口的规格为2计算作用在活塞上的总机械载荷机械手手臂移动油缸的受力简图如图51所示。作用在活塞上的总机械载荷P为PPPPPP驱工导回封惯公式55工作阻力P工工作阻力P工的数值要根据油缸工作的具体情况确定有无，并进行计算或估算。在此为完成搬运工件的伸缩油缸，故不受工作阻力，即P工为0。导向装置处的摩擦阻力P导不同配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。西安文理学院毕业设计（论文）第9页本设计如图51所示的是双向杆导向，其导向杆截面形状是圆柱面。导向杆对称配置在气缸的两侧，并布置在过气缸活塞杆的平面内。密封装置处的摩擦阻力P封在压力油驱动活塞运动时，各密封装置处摩擦阻力之和为P封，即PPPP封封1封2封3公式56PPP封1封2封3、分别为活塞杆和缸盖处、活塞与缸壁处、伸缩气管处等密封装置处的摩擦阻力，其值随密封圈结构的不同而异。惯性力P惯机械手的手臂在起动时，活塞杆上所受到的平均惯性力，可近似计算如下GVPGT总惯公式57式中G总参与运动的零部件的总重量（包括被抓物件重量）G重力加速度V速度变化量T启动过程的时间背压阻力P回背压阻力为气缸低压气体所造成的阻力。一般背压阻力较小，可按P005P工回计算。由于P0工，故P0回。图51手臂伸缩气缸受力简图西安文理学院毕业设计（论文）第10页所以PPPPPP驱工导回封惯3气缸的校核A计算气缸可以产生的输出力已知气缸的直径D63MM，气缸的工作压力P07MPA。则有机械设计手册表129可以算出气缸所产生的推力P0652DP06563MM63MM07MPA1805895N气缸可以产生的拉力0P062DP166698NB）计算机械手臂所产生的重力机械手爪的重量约为5KG；工件重量为10KG；驱动手爪开合气缸的重量为145KG；伸缩气缸的重量为66KG；机械手臂的安装底座和以及导向杆支架等其他零件的总重量约为150KG。机械手臂总体产生的重力GMG172308N气缸所产生的推力P机械手臂总体产生的重力G，所以气缸能够推动手臂而完成手臂的升降运动。53导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。目前导向杆常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中采用双向导向杆来增加手臂的刚性和导向性。54平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。西安文理学院毕业设计（论文）第11页第六章总结本次毕业设计是在学完大学的基础知识和专业知识，进行了一系列的生产实习和以前各次课程设计的基础上进行的一次综合性的大总结。旨在培养我们综合运用所学的基础知识、专业知识去分析和解决生产实际问题的能力及培养正确的设计思想，并通过运用设计标准、规范、手册、图册、和查阅有关技术资料去进行理论计算、结构思考、绘制图样、写相关说明性材料，培养我们机械设计的基本技能和工程设计工作者的基本素质，为我们走上工作岗位打下坚实的基础。本次毕业设计课题为液压通用机械手。随着生产率水平的提高，人们对产品精度和质量要求越来越来严格，企业生产线的自动化程度要求越来越高，工业机械手已成为多数企业生产线上必不可少的设备。此次设计的机械手各组成部分有手爪、手腕、手臂、机身、机座等。并对其进行了严谨、详细的设计、计算、校核和绘图。由于自身缺乏实践经验，而且本次设计内容较多，任务繁重，而且这方面的资料少，加重了设计的难度。所以在设计中难免会出现一些的错误，还请各位老师斧正。总之，我希望通过本次毕业设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性的训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为将来的工作打下一个良好的基础。西安文理学院毕业设计（论文）第12页第七章致谢本次设计是在我尊敬的姚老师悉心指导下完成的。老师严谨的治学态度使我受益匪浅。在此，我首先向导师表示诚挚的感谢，并致以崇高的敬意本次毕业设计是大学四年间所学知识的综合运用，通过这次设计把这四年所学的基础理论和专业课程作了一个总结和回顾，加深了对理论的理解，能够掌握机械设计的全套思路，为即将走上工作岗位和以后的发展打下了一定的基础。在设计过程中，我查阅了大量的图书资料以及网络上的资料，包括液气压控制、几何量公差与测量、机械制图、机械手设计基础等等，尤其是在从对各类设计手册的查阅中，我的知识面得到了很大的提高；通过对该课题的独立设计，使我对机械知识有了一个更加深入的了解，对机械这门学科有了进一步的理解。也使我独立设计的能里有了极大的提高。在设计的研究阶段，我得到了姚老师的大力支持和帮助，在此一并向她表示衷心的感谢。在设计过程中，遇到不懂的地方，我也经常与同学进行讨论，解决难题。感谢父母、家人对我的教育，感谢所有关心我的朋友和老师，同时感谢菏泽学院良好的学习环境。当然，由于本人设计水平有限、在课程中没有接触过机械手的相关课程，实际经验的不足，以及时间上的限制，在设计中难免存在一些错误。恳请老师给予以批评以及指正。再次表示感谢西安文理学院毕业设计（论文）第13页参考文献1刘建慧,邹慧君加工中心自动换刀装置类型综述及设计特点J,机械设计与研究,20019,17349512李净仪,李秋红,郑耘杰简述机械手液压控制系统的设计J,农机使用与维修,2010,3272