送料机械手设计说明书

送料机械手设计说明书TOC\o"1-3"\h\z摘要 1第一章机械手设计任务书 11.1毕业设计目的 11.2本课题的内容与要求 2第二章抓取机构设计 42.1手部设计计算 42.2腕部设计计算 72.3臂伸缩机构设计 8第三章液压系统原理设计及草图 113.1手部抓取缸 113.2腕部摆动液压回路 123.3小臂伸缩缸液压回路 133.4总体系统图 14第四章机身机座的结构设计 154.1电机的选择 164.2减速器的选择 174.3螺柱的设计与校核 17第五章机械手的定位与平稳性 195.1常用的定位方式 195.2影响平稳性与定位精度的因素 195.3机械手运动的缓冲装置 20第六章机械手的操纵 21第七章机械手的构成与分类 227.1机械手构成 227.2机械手分类 24毕业设计感想 25参考资料 26送料机械手设计摘要本课题是为普通车床配套而设计的上料机械手。工业机械手是工业生产的必定产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或者握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步进展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视与欢迎。实践证明，工业机械手能够代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率与自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运与长期频繁、单调的操作，使用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性与其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的进展前途。本课题通过应用AutoCAD技术对机械手进行结构设计与液压传动原理设计，它能实行自动上料运动；在安装工件时，将工件送入卡盘中的夹紧运动等。上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。关键字机械手，AutoCAD。第一章机械手设计任务书1.1毕业设计目的毕业设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。这对学生马上从事的有关技术工作与未来事业的开拓都具有一定意义。其要紧目的：培养学生综合分析与解决本专业的通常工程技术问题的独立工作能力，拓宽与深化学生的知识。培养学生树立正确的设计思想，设计构思与创新思维，掌握工程设计的通常程序规范与方法。培养学生树立正确的设计思想与使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人与技术人员学习的基本工作态度，工作作风与工作方法。1.2本课题的内容与要求（一、）原始数据及资料（1、）原始数据：生产纲领：100000件（两班制生产）自由度（四个自由度）臂转动180º臂上下运动500mm臂伸长（收缩）500mm手部转动±180º（2、）设计要求：a、上料机械手结构设计图、装配图、各要紧零件图（一套）b、液压原理图（一张）c、设计计算说明书（一份）（3、）技术要求要紧参数的确定：a、坐标形式：直角坐标系b、臂的运动行程：伸缩运动500mm，回转运动180º。c、运动速度：使生产率满足生产纲领的要求即可。d、操纵方式：起止设定位置。e、定位精度：±0.5mm。f、手指握力：392Ng、驱动方式：液压驱动。（二、）料槽形式及分析动作要求（1、）料槽形式由于工件的形状属于小型回转体，此种形状的零件通常使用自重输送的输料槽,如图1.1所示，该装置结构简单，不需要其它动力源与特殊装置，因此本课题使用此种输料槽。图1.1机械手安装简易图（2、）动作要求分析如图1.2所示动作一：送料动作二：预夹紧动作三：手臂上升动作四：手臂旋转动作五：小臂伸长动作六：手腕旋转预夹紧手臂上升手臂旋转小臂伸长手腕旋转手臂转回图1.2要求分析第二章抓取机构设计2.1手部设计计算一、对手部设计的要求1、有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳固可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。关于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得能够调节，关于笨重的工件应考虑使用自锁安全装置。2、有足够的开闭范围夹持类手部的手指都有张开与闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称之开闭范围。关于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角与手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状与尺寸，手指的形状与尺寸，通常来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图2.1所示。图2.1机械手开闭示例简图3、力求结构简单，重量轻，体积小手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量与体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，务必力求结构简单，重量轻，体积小。4、手指应有一定的强度与刚度5、其它要求因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，使用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。二、拉紧装置原理如图2.2所示【4】：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。图2.2油缸示意图1、右腔推力为FP=（π／4）D²P（2.1）=（π／4）0.5²2510³=4908.7N2、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：F1=（2b／a）（cosα′）²N′（2.2）其中N′=498N=392N，带入公式2.2得：F1=（2b／a）（cosα′）²N′=(2150/50)（cos30º）²392=1764N则实际加紧力为F1实际=PK1K2/η（2.3）=17641.51.1/0.85=3424N经圆整F1=3500N3、计算手部活塞杆行程长L,即L=（D/2）tgψ（2.4）=25×tg30º=23.1mm经圆整取l=25mm4、确定“V”型钳爪的L、β。取L/Rcp=3（2.5）式中：Rcp=P/4=200/4=50（2.6）由公式（2.5）（2.6）得：L=3×Rcp=150取“V”型钳口的夹角2α=120º，则偏转角β按最佳偏转角来确定，查表得：β=22º39′5、机械运动范围（速度）【1】（1）伸缩运动Vmax=500mm/sVmin=50mm/s（2）上升运动Vmax=500mm/sVmin=40mm/s（3）下降Vmax=800mm/sVmin=80mm/s（4）回转Wmax=90º/sWmin=30º/s因此取手部驱动活塞速度V=60mm/s6、手部右腔流量Q=sv（2.7）=60πr²=60×3.14×25²=1177.5mm³/s7、手部工作压强P=F1/S（2.8）=3500/1962.5=1.78Mpa2.2腕部设计计算腕部是联结手部与臂部的部件，腕部运动要紧用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可使用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求：回转±90º角速度W=45º/s以最大负荷计算：当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，使用估算法，工件重10kg，长度l=650mm。如图2.3所示。1、计算扭矩M1〖4〗设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩M1为：M1=F×S（2.9）=10×9.8×0.2=19.6（N·M）工件FSF图2.3腕部受力简图2、油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩M2〖4〗F=5kgS=10cm带入公式2.9得M2=F×S=5×9.8×0.1=4.9（N·M）3、摆动缸的摩擦力矩M摩〖4〗F摩=300（N）（估算值）S=20mm（估算值）M摩=F摩×S=6（N·M）4、摆动缸的总摩擦力矩M〖4〗M=M1+M2+M摩（2.10）=30.5（N·M）5.由公式T=P×b（ΦA1²-Φmm²）×106/8（2.11）其中：b—叶片密度，这里取b=3cm；ΦA1—摆动缸内径,这里取ΦA1=10cm；Φmm—转轴直径,这里取Φmm=3cm。因此代入（2.11）公式P=8T/b（ΦA1²-Φmm²）×106=8×30.5/0.03×（0.1²-0.03²）×106=0.89Mpa又由于W=8Q/（ΦA1²-Φmm²）b因此Q=W（ΦA1²-Φmm²）b/8=（π/4）（0.1²-0.03²）×0.03/8=0.27×10-4m=27ml/s2.3臂伸缩机构设计手臂是机械手的要紧执行部件。它的作用是支撑腕部与手部，并带动它们在空间运动。臂部运动的目的，通常是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部与工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。因此在选择合适的导向装置与定位方式就显得特别重要了。手臂的伸缩速度为200m/s行程L=500mm1、手臂右腔流量，公式（2.7）得：【4】Q=sv=200×π×40²=1004800mm³/s=0.1/10²m³/s=1000ml/s2、手臂右腔工作压力，公式（2.8）得：〖4〗P=F/S（2.12）式中：F——取工件重与手臂活动部件总重，估算F=10+20=30kg，F摩=1000N。因此代入公式（2.12）得：P=（F+F摩）/S=（30×9.8+1000）/π×40²=0.26Mpa3、绘制机构工作参数表如图2.4所示：图2.4机构工作参数表4、由初步计算选液压泵〖4〗所需液压最高压力P=1.78Mpa所需液压最大流量Q=1000ml/s选取CB-D型液压泵（齿轮泵）此泵工作压力为10Mpa，转速为1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之间，能够满足需要。5、验算腕部摆动缸：T=PD（ΦA1²-Φmm²）ηm×106/8（2.13）W=8θηv/（ΦA1²-Φmm²）b（2.14）式中：Ηm—机械效率取：0.85～0.9Ηv—容积效率取：0.7～0.95因此代入公式（2.13）得：T=0.89×0.03×（0.1²-0.03²）×0.85×106/8=25.8（N·M）T<M=30.5（N·M）代入公式（2.14）得：W=（8×27×10-6）×0.85/（0.1²-0.03²）×0.03=0.673rad/sW<π/4≈0.785rad/s因此，取腕部回转油缸工作压力P=1Mpa流量Q=35ml/s圆整其他缸的数值：手部抓取缸工作压力PⅠ=2Mpa流量QⅠ=120ml/s小臂伸缩缸工作压力PⅠ=0.25Mpa流量QⅠ=1000ml/s第三章液压系统原理设计及草图3.1手部抓取缸图3.1手部抓取缸液压原理图〖7〗1、手部抓取缸液压原理图如图3.1所示2、泵的供油压力P取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300ml/s。因此，需装图3.1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。使用：YF-B10B溢流阀2FRM5-20/102调速阀23E1-10B二位三通阀3.2腕部摆动液压回路图3.2腕部摆动液压回路〖7〗1、腕部摆动缸液压原理图如图3.2所示2、工作压力P=1Mpa流量Q=35ml/s使用：2FRM5-20/102调速阀34E1-10B换向阀YF-B10B溢流阀3.3小臂伸缩缸液压回路图3.3小臂伸缩缸液压回路〖7〗1、小臂伸缩缸液压原理图如图3.3所示2、工作压力P=0.25Mpa流量Q=1000ml/s使用：YF-B10B溢流阀2FRM5-20/102调速阀23E1-10B二位三通阀3.4总体系统图图3.4总体系统图〖7〗1、总体系统图如图3.4所示2、工作过程小臂伸长→手部抓紧→腕部回转→小臂回转→小臂收缩→手部放松3、电磁铁动作顺序表元件动作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸长－++--手部抓紧－+腕部回转－+-+-小臂收缩－手部放松－-+--卸荷＋±±±±图3.5总体系统图4、确电机规格：液压泵选取CB-D型液压泵，额定压力P=10Mpa，工作流量在32～70ml/r之间。选取80L/min为额定流量的泵，因此：传动功率N=P×Q/η（3.1）式中：η=0.8（经验值）因此代入公式（3.1）得：N=10×80×103×106/60×0.8=16.7KN选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率17KW，转速为2940r/min。第四章机身机座的结构设计机身的直接支承与传动手臂的部件。通常实现臂部的升降、回转或者俯仰等运动的驱动装置或者传动件都安装在机身上，或者者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构与受力情况就愈复杂，机身既能够是固定式的，也能够是行走式的,如图4.1所示。图4.1机身机座结构图臂部与机身的配置形式基本上反映了机械手的总体布局。本课题机械手的机身设计成机座式，这样机械手能够是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放与搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。4.1电机的选择机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。1、带动臂部升降的电机：〖10〗初选上升速度V=100mm/sP=6KW因此n=（100/6）×60=1000转/分选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。使用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如图4.1Y90S-4电动机技术数据所示：型号额定功率KW满载时堵转电流堵转转矩最大转矩电流A转速r/min效率%功率因素额定电流额定转矩额定转矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.2图4.1Y90S-4电动机技术数据2、带动机身回转的电机：〖10〗初选转速W=60º/sn=1/6转/秒=10转/分由于齿轮i=3减速器i=30因此n=10×3×30=900转/分选择Y90L-6型笼型异步电动机电动机使用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如图4.2Y90S-6电动机技术数据所示：图4.2Y90L-6电动机技术4.2减速器的选择减速器的原动机与工作机之间的独立的闭式传动装置。用来降低转速与增转矩，以满足工作需要。〖6〗初选WD80型圆柱蜗杆减速器。WD为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。蜗杆的材料为38siMnMo调质蜗轮的材料为ZQA19-4中心矩a=80Ms×q=4.0×11（4.1）传动比I=30传动惯量0.265×10ˉ³kg·m²4.3螺柱的设计与校核螺杆是机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。螺杆的材料选择：〖6〗从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。螺距P=6mm梯形螺纹螺纹的工作高度h=0.5P（4.2）=3mm螺纹牙底宽度b=0.65P=0.65×6=3.9mm（4.3）螺杆强度[σ]=σs/3～5（4.4）=150/3～5=30～50Mpa螺纹牙剪切[τ]=40弯曲[σb]=45～551、当量应力〖6〗(4.5)式中T——传递转矩N·mm[σ]——螺杆材料的许用应力因此代入公式（4.5）得：σ=（4×200×9.8/πd1²）²+3（200×9.8×0.6/0.2d1³）²=（2495/d1²）²+3（61.2/d1³）²≤30～50×106=（2495/d1²）²+3（61.2/d1³）²≤900～2500×1012=6225025/d14+11236/d16≤900～2500×1012 6225025d12+11236≤900d16×10126225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012即16471pa＜535340pa合格2、剪切强度〖6〗Z=H/P=160/6（旋合圈数）（4.6）τ=F/πd1bz（4.7）=200×9.8/π×0.029×3.9×（160/6）×10-3=206.8×103pa=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa3、弯曲强度〖6〗σb=3Fh/πd1b2z=3×200×9.8×3/π×2.9×3.92×（160/6）=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa合格第五章机械手的定位与平稳性5.1常用的定位方式机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。通常可高于±0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。5.2影响平稳性与定位精度的因素机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量与角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是要紧的。影响单个线量或者角量定位误差的因素如下：（1、）定位方式不一致的定位方式影响因素不一致。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度与碰接挡块时的速度等因素有关。（2、）定位速度定位速度对定位精度影响很大。这是由于定位速度不一致时，务必耗散的运动部件的能量不一致。通常，为减小定位误差应合理操纵定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能与缓冲效率，操纵驱动系统使运动部件适时减速。（3、）精度机械手的制造精度与安装调速精度对定位精度有直接影响。（4、）刚度机械手本身的结构刚度与接触刚度低时，因易产生振动，定位精度通常较低。（5、）运动件的重量运动件的重量包含机械手本身的重量与被抓物的重量。运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。（6、）驱动源液压、气压的压力波动及电压、油温、气温的波动都会影响机械手的重复定位精度。因此，使用必要的稳压及调节油温措施。如用蓄能器稳固油压，用加热器或者冷却器操纵油温，低速时，用温度、压力补偿流量操纵阀操纵。（7、）操纵系统开关操纵、电液比例操纵与伺服操纵的位置操纵精度是个不相同的。这不仅是由于各类操纵元件的精度与灵敏度不一致，而且也与位置反馈装置的有无有关。本课题所使用的定位精度为机械挡块定位5.3机械手运动的缓冲装置缓冲装置分为内缓冲与外缓冲两种形式。内缓冲形式有油缸端部缓冲装置与缓冲回路等。外缓冲形式有弹性机械元件与液压缓冲器。内缓冲的优点是结构简单，紧凑。但有的时候安置位置有限；外缓冲的优点是安置位置灵活，简便，缓冲性能好调等，但结构较庞大。本课题所使用的缓冲装置为油缸端部缓冲装置。当活塞运动到距油缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲室。利用节流的原理使缓冲室产生临时背压阻力，以使运动减速直至停止，而避免硬性冲击的装置，称之油缸端部缓冲装置。在缓冲行程中，节流口恒定的，称之恒节流式油缸端部缓冲装置。设计油缸端部恒节流缓冲装置时，amax（最大加速度）、Pmax（缓冲腔最大冲击压力）与Vr（残余速度）三个参数是受工作条件限制的。通常使用的办法是先选定其中一个参数，然后校验其余两个参数。步骤如下：选择最大加速度通常，amax值按机械手类型与结构特点选取，同时要考虑速度与载荷大小。关于重载低速机械手，-amax取5m/s2下列，关于轻载高速机械手，-amax取5～10m/s2=2\*GB3②计算沿运动方向作用在活塞上的外力F水平运动时：F=PSA-Ff（5.1）=0.25×103×π×3.62-7=138N=3\*GB3③计算残余速度VrVr=VO/1-amaxm/F（5.2）=0.1/0.64=0.15m/s第六章机械手的操纵 操纵系统是机械手的重要构成部分。在某种意义上讲，操纵系统起着与人脑相似的作用。机械手的手部、腕部、臂部等的动作与有关机械的协调动作都是通过操纵系统来实现的。要紧操纵内容有动作的顺序，动作的位置与路径、动作的时间。机械手要用来代替人完成某些操作，通常需要具有图6.1所示的机能〖3〗。实现上述各类机能的操纵方式有多种多样。机械手的程序操纵方式可分为两大类，即固定程序操纵方式与可变程序操纵方式。本课题所用的是固定程序操纵类别的机械式操纵。常用凸轮与杠杆机构来操纵机械手的动作顺序、时间与速度。通常常与驱动机构并用，因此结构简单，维修方便，寿命较长，工作比较可靠。适用于操纵程序步数少的专用机械手。装卸工件状别识别环境识别操作机能检测、识别机能操纵机能示教机能动作操纵机能动作顺序操纵机能运动操纵机能图6.1机械手的操纵机能第七章机械手的构成与分类7.1机械手构成机械手要紧由执行机构、驱动系统、操纵系统构成。〖9〗（1、）执行机构：包含手部、手腕、手臂与立柱等部件，有的还增设行走机构如7.1所示。图7.1机构简图手部：是机械手与工件接触的部件。由于与物体接触的形式不一致，可分为夹持式与吸附式手部。由于本课题的工件是圆柱状棒料，因此使用夹持式。由手指与传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。手腕：是联接手部与手臂的部件，起调整或者改变工件方位的作用。手臂：支承手腕与手部的部件，用以改变工件的空间位置。立柱：是支承手臂的部件。手臂的回转运动与升降运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的。机座：是机械手的基础部分。机械手执行机构的各部件与驱动系统均安装于机座上，故起支承与联接的作用。（2、）驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动与机械传动等四种形式。（3、）操纵系统：操纵系统是机械手的指挥系统，它操纵驱动系统，让执行机构按规定的要求进行工作，并检测其正确与否。通常常见的为电器与电子回路操纵，计算机操纵系统也不断增多。7.2机械手分类（1、）根据所承担的作业的特点，工业机械手可分为下列三类：承担搬运工作的机械手：这种机械手在要紧工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件