机械设计及其自动化专业毕业设计(立式精锻机床自动上料

1、题 目：立式精锻机自动上料机械手设计专 业： 机械设计制造及其自动化学号：姓名：指导教师：学习中心：青岛科技大学机电工程学院二零一二年 十月题目类型：工程设计 V 技术专题研究理论研究软硬件产品开发1. 毕业设计(论文)的主要内容及基本要求1)、规格参数：抓重:60公斤；自由度数:4个；坐标型式:圆柱坐标；最大工 作半径：1700毫米；手臂最大中心高：2300毫米手臂运动参数:手臂伸缩范围:0500毫米；手臂伸缩速度：伸 出176毫米/秒，缩回233毫米/秒；手臂升降范围:0600毫米； 手劈升降速度:上升102豪米/秒，下降152毫米/秒；手臂回转范 围:0200° (实际使用为9

2、5° );手臂回转速度:63 ° /秒手腕运动参数：手腕回转范围:0。180°；手腕回转速度：201°/秒手指夹持范围： 30120毫米驱动方式:液压2)、设计要求：(1) 、全部设计图纸用 AutoCAD绘制；(2) 、设计说明书1份(40页以上)。2. 指定查阅的主要参考文献及说明(1)机械零件设计手册(2)工业机械手图册(3) 机械设计手册（4）其他相关参考资料3. 进度安排设计（论文）各阶段名称起止日期1查阅相关参考资料，完成开题报告2011.9.10-2011.9.302结构设计2011.10.12011.10.83编写设计说明书2011.10

3、.10-2011.11.54毕业设计（论文）的修改、答辩的准备2011.11.10-2011.12.1指导教师：学院审查意见:审批人：诚信承诺一、本 设计是本人独立完成；二、本设计没有任何抄袭行为；三、若有不实，一经查出，请答辩委员会取消 本人答辩（评阅）资格。承诺人：年月日摘要本文介绍了立式精锻机自动上料机械手与其它设备的配置关系及 工作过程，并对机械手的动作进行了分析，详细论述了机械手总体方 案的设计，特别是对实现预期要求动作的各种方案进行了比较分析， 进而得出最终方案。根据手臂的动作要求，采用圆柱坐标型机械手； 机械手的自由度数为四个，它们是大臂的升降和回转运动，小臂的伸 缩运动，手腕的

4、回转运动；机械手手部结构采用两支点回转型；机械 手驱动方式采用液压驱动。控制方式为点位程序控制。本次设计主要 进行大臂升降及回转机构设计、 手臂及伸缩结构设计、 手部结构设计， 并且对液压系统进行理论分析和比较。关键词：双作用式油缸；点位控制；液压系统；结构设计目录第 一 章 绪论91.1 机 械 手 的 基 本 概念 91.2 机 械 手 的 分 类 及 简史 101.2.1 机械手的分类 101.2.2 机械手的简史 101.3 机 械 手 的 应 用 简101.4 机 械 手 的 发 展 趋势 111.5 机 械 手 的 组成121.5.1. 执 行 机构 121.5.2. 驱动机构 1

5、21.5.3. 控制系统 121.6 应 用 机 械 手 的 意义 12第 二 章系 统 设 计 方案 132.1 机械手的设计参数 132.2 机械手的工艺流程 142.3 机械手的工作过程 142.4 机械手的总体结2.5机械手的坐标型式与自由度152.6机械手的手部结构方案设计152.7机械手的手腕结构方案设计162.8机械手的手臂结构方案设计162.9机械手的驱动方案设计162.10机械手的控制方案设计16第三章机械手各机构设计173.1手部设计计算173.1.1手部设计要A 7求173.1.2拉紧装置设计183.2腕部设计计M13.2.1计算扭3.2.2 油 缸 （ 伸 缩 ） 及

6、其 配 件 的 估 算 扭 矩M2 203.2.3 摆 动 缸 的 摩 擦 力 矩 M摩 203.3 手 臂 伸 缩 机 构 设计 213.4 机 身 和 机 座 的 设 计 计233.4.1 电 机 的 选择 233.4.2 减 速 器 的 选择 243.4.3 螺 杆 的 设 计 与 校核 26第 四 章 机 械 手 的 液 压 部分 274.1 液压系统简介 274.1.1 液 压 系 统 的 工 作 原液 压 传 动 的 工 作 特性 27液 压 系 统 的 组成 28液 压 系 统 的 优 、点 284.2 自 动 上 料 机 械 手 液 压统 294.3 大 臂 升 降缸工作载荷主

7、要尺寸的32的32缺系油32计确324.4 液 压 缸 主 要 部 件 的 设 计 和 材 料 选择 33缸334.4.2 活塞 334.4.3 缸 盖 及 活 塞 杆 导 向套 334.4.4 活塞杆 334.5 液 压 缸 的 缓 冲 、 排 气 与 密封 34总结35致谢36参考文 献37第一章 绪论 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活 提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开 各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对 国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工 业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术

8、水平的重要标 志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点 之一。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。 工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程 来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优 点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手是在机械化， 自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。 在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的 研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术， 它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。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技

9、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。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能 机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工 作。1.1 机械手的基本概念机械手（又称机器人，机械人，英文名： Robot ）, 机械手是在机 械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手是一种能 模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。 我国国家标准 (GB/T 12643-90) 对机械手的定义 :“具有和人手臂相似的动作功能， 可在空间抓放物体， 或进行其它操作的机械装置。1.

10、2 机械手的分类及简史工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一 的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。机械手的分类(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种：1、专用机械手它是附属于主机的、 具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价 低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如加工中 心。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机 械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合 使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、

11、定 位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的 生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两 种。（ 二） 按驱动方式分1、液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 : 抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封 装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且 不宜在高温、低温下工作。2、气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点 是: 介质李源极为方便， 输出力小，气动动作迅速， 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

12、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。3、机械传动机械手即由机械传动机构 （ 如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等 ） 驱 动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工 作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、 下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手 即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动 执行机构运动的械手， 因为不需要中间的转换机构， 故机械结构简单。 其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便

13、。此类机械手目前还不多，但有发展前途。（ 三 ） 按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点 的位置，不能控制其运动轨迹。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线， 其特点是设定点为无限的， 整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用 范围广，但电气控制系统复杂。1.2.2 机械手的简史机械手首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制 出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有 电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数 控示教再现型机

14、械手。 1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。 1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学， 麻省理 工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手， 装有小型电子计 算机进行控制， 用于装配作业， 定位误差小于±1 毫米。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工 业机械手发展最快、 应用最多的国家。 自 1969 年从美国引进两种机械 手后大力从事机械手的研究。目前， 工业机械手大部分还属于第一代， 主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制

15、。它设有微型电子计算控制系统，具 有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感 觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。1.3 机械手的应用简况现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化 工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加 工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切 性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力， 改善热、累

16、等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上 下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路 车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系 统。采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象 机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装 的目的。1.4 机械手的发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的 机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时， 相应的发展通用机械手，有

17、条件的还要研制示教式机械手、计算机控 制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升 降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的 通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构， 即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩 大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发 挥机械手的作用。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的 机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应 的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，目前已经取 得一定成绩。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，

18、从 而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.5 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图：执行机构 （如图 所示 ）图 1.5.1(1) 手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给 手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。本课所指的机械手仅需开闭手指。机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自 由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二 指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的 夹头，以适应操作需要。本课所做的机械手采用二指形状。(2) 手臂手臂有无关节和有关节手臂之分本课所做

19、的机械手的手臂采用无关节臂手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置 上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的 定位。本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的 执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、 直流伺服马达和步进马达等。躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。驱动机构 驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱 动。其中以液压气动用的最多，占 90%以上，电动、机械驱动用的较 少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用 油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减 速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的 优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便， 并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气压驱动所采用的元