工业机械手设计说明书

1、工业机械手设计 -指导老师 ：郝健 组员： * * 24目录第一章 引 言第二章 机械手的整体设计方案第三章 手爪结构设计第四章 手腕结构设计第五章 机械手伸缩，升降，回转液压缸的尺寸设 计与校核第六章 气动系统设计第七章 机械手的PLC控制系统设计第一章 引 言1.1 工业机械手概述 机械手的结构形式比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

2、液压传动机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。液压技术有以下优点: （1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击； （2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速； （3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换； （4）液压

3、泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； （5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长； （6）操纵控制简便，自动化程度高； （7）容易实现过载保护。1.2 液压机械手的设计要求1.2.2 课题的设计要求本课题将要完成的主要任务如下:(1)机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。(2)选取机械手的座标型式和自由度。(3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计，可以应用于夹持式手爪来抓取棒状物体等。(4)液压传动系统的设计本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括液压元器件的选取，液压回路的设计。(

4、5)机械手的控制系统的设计本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。1.3 机械手的系统工作原理及组成机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。 控制系统（PLC）位置检测装置驱动系统（液压传动）执行机构立柱手臂手腕手爪 图1-1机械手的系统工作原理框图 机械手的工作原理：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。在PLC程序控制的条件下，采用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检

5、测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。1、手爪即与物件接触的部件。在本课题中我们采用夹持式手爪结构。夹持式手部由手爪和传力机构所构成。手爪是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸

6、。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:连杆杠杆式和重力式等。2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)3、手臂手臂是支承被抓物件、手爪、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手爪去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如液压缸等)与驱动源(如液压等)相配合，以实现手臂的各种运动。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。5、底座底座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于底座上，故起支撑和连接

7、的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 机械传动。 (三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机

8、构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 第二章 机械手的整体设计方案对液压机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计液压机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制

9、造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用液压上下料机械手（如图2-1所示），是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。图2-1机械手的整体机械结构2.1 机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、伸缩、夹紧与松开、旋转及左右回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有五个自由度。2.2 机械手的手部结构方案设计为了使机械手更好地夹持物料，将其手

10、部设计成类似V字形状，这样就能更稳固地夹住棒状产品（如保温杯）。2.3 机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。2.4 机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有两个自由度，即左右回转和升降。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，手臂的各种运动由液压缸来实现。2.5 机械手的驱动方案设计由于液压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用液压传动方式。2.6 机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时

11、使用点位控制，因此我们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。2.7 机械手的主要技术参数一.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用液压方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为2.5公斤。二.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为。最大回转速度设计为。平均移动速度为。平均回转速度为。机械手动作时有

12、启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为。手臂升降行程定为。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为。三. 用途:用于自动输送线的上下料。四设计技术参数:1、抓重 2.5kg 2、自由度数 5个自由度3、座标型式 圆柱座标4、最大工作半径 5、手臂最大中心高 6、手臂运动参数 伸缩行程 伸缩速度 升降行程 升降速度 回转范围 回转速度 7、手腕运动参数 回转范围

13、 回转速度8、手指夹持范围 棒料:9、定位方式 行程开关或可调机械挡块等10、定位精度 11、驱动方式 液压传动12、控制方式 点位程序控制(采用PLC) 第三章 手爪结构设计3.1 夹持式手部结构夹持式手部结构由手爪和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜弹簧杠杆式等。3.1.1手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、其中以二支点回转型为基本型式。3.1.2设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手爪的握力时，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。(二)手指间应具有一定的开闭角两手爪

14、张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手爪的开闭角。手爪的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。(三)保证工件准确定位为使手爪和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比

15、较，我们采用的机械手的手爪结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。3.1.3手部夹紧液压缸的设计1、手部驱动力计算 其工件重量G=2.5公斤，V形手指的角度，,摩擦系数为(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:所以(3)实际驱动力: 1、因为传力机构为气动传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:所以 所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为。2、液压缸的直径本液压缸属于单向作用液压缸。根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式

16、为:式中: - 活塞杆上的推力，N - 弹簧反作用力，N- 液压缸工作时的总阻力，N- 液压缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算:Gf = 式中:- 弹簧刚度，N/m- 弹簧预压缩量，m- 活塞行程，m- 弹簧钢丝直径，m- 弹簧平均直径，.- 弹簧有效圈数.- 弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则:由以上分析得单向作用液压缸的直径:代入有关数据，可得 所以:查有关手册圆整，得由,可得活塞杆直径:圆整后，取活塞杆直径校核，按公式有:其中，则:满足实际设计要求。3、缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空液压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚

17、可按薄壁筒公式计算:式中:6- 缸筒壁厚，mm- 液压缸内径，mm- 实验压力，取, Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为: 第四章 手腕结构设计4.1 手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转气缸，因此我们选用回转液压缸。它的结构紧凑，但回转角度

18、小于，并且要求严格的密封。4.2 手腕的驱动力矩的计算4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩。 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: 式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩();- 惯性力矩();下面以手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M惯若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则: 式中:- 参与手腕转

19、动的部件对转动轴线的转动惯量;- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为:式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s); 起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M摩 ()式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm);- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;,- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据,得:同理，根据(F),得:式中:- 的重量(N), 长度尺寸(cm)4.2.2回转液压缸的驱动力矩计算

20、在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸，它的原理如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶液压缸的压力P驱动力矩M的关系为: 或 4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核1.尺寸设计液压缸长度设计为,液压缸内径为=96mm,半径,轴径=26mm,半径,液压缸运行角速度=，加速度时间=0.1s, 压强, 则力矩： 2.尺寸校核（1）测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：

21、 （）工件的质量为5,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量： 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为: （3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承，对于滑动轴承=0.1， ，为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈处的支承反力，粗略估计, 26.3+0.05 26.35（N.m） 设计尺寸符合使用要求，安全。第五章 机械手伸缩，升降，回转液压缸的尺寸设计与校核5.1 手腕伸缩液压缸的尺寸设计与校核5.1.1手腕伸缩液压缸的尺寸设计手腕伸缩液压缸采用液压元件厂生产的标准液压缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，液压缸用此

22、型液压缸，尺寸系列初选内径为100/63。 5.1.2 尺寸校核1. 在校核尺寸时，只需校核液压缸内径=63mm,半径R=31.5mm的液压缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强, 则驱动力： 2测定手腕质量为50kg,设计加速度，则惯性力： 3.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数, 总受力 所以标准CTA液压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。5.1.3 导向装置液压驱动的机械手腕在进行伸缩运动时，为了防止手腕绕轴线转动，以保证手爪的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手腕的刚性，在设计手腕结构时，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

23、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。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手腕的刚性和导向性。5.1.4 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，故在手腕伸缩液压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液压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。5.2 立柱升降液压缸的尺寸设计与校核5.2.1 尺寸设计液压缸运行长度设计为=118mm,液压缸内径为=110mm,半径R=55mm,液压缸运行速度，加速度时间=0.1s,

24、压强p=0.4MPa,则驱动力： 5.2.2 尺寸校核1测定手腕质量为80kg,则重力： 2设计加速度，则惯性力： 3.考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数， 总受力 所以设计尺寸符合实际使用要求。5.3 手臂回转液压缸的尺寸设计与校核5.3.1 尺寸设计 液压缸长度设计为,液压缸内径为,半径R=105mm,轴径半径,液压缸运行角速度=，加速度时间0.5s,压强, 则力矩： 5.3.2 尺寸校核1测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： （） 考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数, 总驱动力矩： 设计尺寸满足使用要求。 724

25、DH-10-S1二位五通电磁滑阀1824D2H-10-S1二位五通电磁滑阀4924D2H-15-S1二位五通电磁滑阀110单向节流阀211LI-25单向节流阀212快速排气阀213气液转换器1 各通行机构的调速，凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调节，这种方法的特点是结构简单效果好。如平臂伸缩液压缸在接近液压缸处安装两个快速排气阀，可加快启动速度，也可调节全程的速度。升降液压缸采用气节流的单向节流阀以调节手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器液压缸的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。为简化

26、气路，减少电磁阀的数量，各工作液压缸的缓冲均采用液压缓冲器，这样可以省去电磁阀和切换节流阀或行程节流阀的气路阻尼元件。电磁阀的通径，是根据各工作液压缸的尺寸，行程，速度计算出所需压缩空气流量，与选用的电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。 第七章 机械手的PLC控制系统设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们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。7.1 可编程序控制器的选择及工作过程7.1.1 可编程序控制器的选择考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，因此在本次设计中选择了三菱公司的F系

27、列FX2N-32MR型号PLC可编程序控制器。7.1.2 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为四个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。第二阶段是处理

28、输入信号阶段。在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。 CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。7.2 机械手可编程序控制器控制方案7.3.1 控制系统的工作原理及控制要求1.控制对象为圆柱座标液压机械手。它的手臂具有三个自由度，即水平方向的伸、缩;竖直方向的上、下;绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末端执行装置 机械手，还可完成抓、放功能。以上各动作均采用液压方式驱动，即用五个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈，对应两个相反动作)分别控制五个液压缸，使机械手完成伸