自动上下料机械手设计

自动上下料机械手设计

摘要

该次设计是为了设计智能上料和卸料机械手的机械操作系统。此设计主要是完成了四个自由度关节型机械手的操作,并在该设计中运用了液压驱动配置。因为它使用普遍,操作简单。在我的设计的这个装置的控制系统选取普通plc的位移寄存器及位移编程。

关键词：机械手 4自由度关节型液压驱动控制系统

Design of automatic feeding and unloading manipulator

Abstract

The design is to design the mechanical operating system of intelligent material and unloading manipulator. In this design, the motion of the manipulator of four degrees of freedom ( rprr —joint p joint ) joint is completed, and the hydraulic drive system is selected in the design. Hydraulic transmission is widely used, stable and easy to control. In this device of my design, the general PLC displacement register and displacement programming are selected.

Key words:manipulator 4 degrees of freedom joint hydraulic

driving system control system

目录

前言 (1)

第1章绪论 (2)

第1.1节工业机械手概况 (2)

第1.2节工业机械手的分类 (3)

第1.3节工业机械手在工业生产中的应用 (5)

第2章工业机械手的设计方案 (7)

第2.1节工业机械手的组成 (7)

第2.2节规格参数 (7)

第2.3节设计路线与方案 (8)

第3章机械手各部分的计算与分析 (9)

第3.1节手部计算与分析 (9)

第3.2节腕部计算与分析 (16)

第3.3节臂部计算与分析 (21)

第3.4节机身计算与分析 (31)

第4章液压系统 (32)

第4.1节液压缸 (32)

第4.2节计算和选择液压元件 (34)

第5章液压缸的保养与维修 (39)

第5.1节液压元件的安装 (39)

第5.2节液压系统的一般使用与维护 (39)

第5.3节一般技术安全事项 (39)

第6章机械手控制系统 (41)

结论 (42)

参考文献 (43)

致谢 (45)

前言

机械手的大量推广和使用是由于其在企业生产中的优势,可以提高智能化操作水平,可以降低劳动力,确保产品质量,特别是在一些糟糕环境中,它可以代替正常工作,更重要的是可以根据产品需要,按照特定的程序和位置完成产品的运输。所以有了这个机械手,大大改善了工人的工作情况,大大缩短了企业的开发周期。因此,这使其受到所有发达工业国家的注意,进而投入大量的人力和物力。

在最近的一些年里,世界各国的工业生产都极其的迅猛的发展,正在这同时,让自动化也步入了一个新的天地,而且在一些其他的地方更是运用的厉害,比如工业装卸、卸载、转向等一些工具的自动化,在这些方面上,发展的非常迅猛,也越来越受到工业的重视,并取得了十分显著的效果。

在当今的这个时代,机械手可谓书的应用的范围非常之大,但是它并不是十分的完美,还需要在以后的日子里加强改善做到更好,因为现在的技术也发展的很迅猛,和这个机械手有很多联系的学科,也一起运用,这使得机械手的性能得到很高的提升,使用范围也在逐步的扩大,运用形式也十分的方便简单。而且,不光光只是对应用技能技术这些方面,加上这些的综合运用,使得机械手实现了有一些自我判断功能,它能够在这样的情况下独立去处理某些小事,并且在某方面来说,和人们进行信息处理相比,没有一点劣势。

第1章绪论

第1.1节工业机械手概况

工业机械手是一种新型产品,可以说是一个非常具有前景的科技。我们的工业机械手从二十世纪后期开始。在国家的支持下,我们拥有了这些方面许多的科学研究成果,比如这些的机械手臂设计和生产技术、电子控制的信息技术、运动学、生产机器手臂核心部件的生产、焊接、装配、搬运等一系列问题,包括100多个喷涂机器人,但工业机械手的水平与工程应用在国内外有一定的差距。例如:我国生产的机械手臂它的可靠性不如外国,这也是因为我国的机械手臂它的起步没有外国早,使用范围很单一,而且我国的生产线技术也远远跟不上国外。并且在一些软件、硬件和机械结构上,我国和那些发达国家相比较,确实远远不如,没有他们那样的先进。当今,工业机器人主要是运用在制造,并且使用范围极其的广,其中汽车工业是第一( 27.9 )、第二( 15.4% )和第三( 12.7%)。发达国家汽车工业使用的机器人数量为19.4 ~ 49% 。

别看全球各国的机械手臂的数量仍然大幅度的增加,可市场也是正在逐步发展的,这是一个良好的现象,有利于机械手臂的发展。在当今这个时代,人们更加普遍的喜欢更舒适优雅的上班环境,艰苦的危险上班条件都没人愿意去,这些自然都需要用机械来代替。同时对于机械手臂的使用不断深入和加深,机械手臂在其他领域也有着重要的作用,比如汽车。对于机械手臂,它的发展历史很久,最开始时的阶段是靠液压去驱动,但是随着发展,变成了气压控制,然后又到了如今的智能化,转变成了人工智能式机械手臂,而且随着现如今高科技的不断加强,这一技术将逐渐加强。

这样的设备和另一种卸料机械手两者作比较,它的优点更多,使用的范围更广,它能适用于各种棒料,而且对于工件的自动装卸和送料工作也是可以完全做到。按照其操作的要求和载荷条件,可以适当的去调节机械手臂的关节运动速度,这是可以的。

在现如今,全球各国外应用最广泛的机械手臂是具有定位控制的机械手臂,无视觉及触觉的对它产生反馈。而且,全球所有国家都在研究具有视觉和触觉的机械手臂,这是一个很好的方向,这样能够使它具有能够识别被捕获的工能,选择所需的工件,准确定位和定位工件。

为了提高它的工作性能,要让机械手臂具有处理工件的位置不断变化的功能，还有

按照外形去识别其不同的工件,它的工作原理十分简单，是通过视觉传感器给予3个不同的方向的信息,如此一来,再通过电脑信号加以分辨,考虑要不要来抓取。

因为考虑到抓力如果过大,这样会对物体造成损坏,再者说抓力如果过小,会引起抓地力,通常采用这2个办法:首先,确定手臂的形变程度以确定力的大小;其次是是看零件及物体的滑动位移以修正夹紧强度。

因此,要求具有以下性能：

(1）能准确把握位置变化的对象；

(2）可确定物体的重量；

(3)自动避障。

具有感知能力和反映信息感知能力的工业机器人被称为智能机械手,具有广阔的发展前景。

如今,机械手臂仅仅只是在普通的操作上，它是作用范围很小，主要是把人们的高负重工作减轻了，降低了它的危险系数，尤其是它能不知疲惫的重复工作，在什么样的环境下都能进行工作。对于汽车及电子的一些行业,它的使用情况也不是说太好，但也非常不错，不过需要进一步的加强。这对于那些企业不能使其产品生产周期缩短是很大的一个问题,使用机械手臂只能把它运用在其中很小的一部分上，对于这样的问题，他的毛病就是机械手臂还不能符合这些企业的生产要求，它作用的范围非常小，导致成为其重要问题。当然,对于经济这个方面上，它也显得尤为重要，利用自动化机械去代替廉价劳动力也不一定是划算的。但是,在自动化生产方面（机械手臂或类似的设备），去达到生产效率最大化,如果在价钱和性能上继续改善，这将使得它的前景会更加广阔。

在现如今科技发展迅猛的句式下,机械和电子的使用相当频繁,而且也越来越高端,并且涉及到生活的许多方面,对于机械手臂,在制造行业也运用的很多。机械手臂的最初提出基于汽车半轴,包括了它的设计原理和思路,并且汽车的半轴的特点,有很深的利用价值。

第1.2节工业机械手的分类

目前对机械手臂的没有一个明确的分类界限。按照规格大概分成以下4种:

1.0到1000g的起重质量的机械手臂为微型的机械手臂:

2.0到10000g的起重质量的机械手臂为小型的机械手臂:

3.0到50000g的起重质量的机械手臂为中型的机械手臂:

4.大于50000g的起重质量的机械手臂为大型的机械手臂。

现在,大部分工业机械臂可以负重1到30Kg。最低是0.5Kg,最高的能上升到800Kg。

按功能分类：

1．简易型工业机械臂

有两种类型,分别是固定和可变程序。在这个固定的程序中,涵盖了凸轮和停止鼓;而对于另一个的变量程序中,利用对其进行可插销板控制,或者利用另一种形式如顺序转动也行,都能达到目的,从而去给予程序。

在这个机械手臂中,它采用的多是依靠气体或者液体去驱动,因为这样的化结构就变得十分简单,而且对于程序,改动也相对的容易。仅在一个简单的控制点中使用,但作为一个普通的单机服务是足够处理的,由于这样的原因,这种机械手臂或者与其类似的在制造业里使用的最多也最广泛,这在大多数国家都是如此。

2．记忆再现型工业机械手

对于这种具有具有存储记忆功能的机械手臂,他是通过人由转动实验装置,通过一些由记忆记录设备进行记录,例如磁带,如此一来,这个机械手臂就会按照这个模式一遍遍的去重复这个动作,去重复的生产。

这也是使用极其普遍的一个,它所用到的驱动机子一般都是电液伺服类型,这种和前面的相比较,它具有更多的自由度,如此一来,对于一些需要多轴操作的工件它都能够单独的完成其操作。

3．计算机数字控制的工业机械手

如果需要去改变机械手臂的控制,那么它的方法有许多种,不仅仅是上面的利用磁带记忆,例如改变穿孔带去完成,也能达到目的,而且其他类型的储存介质也行,都能够做到,不是单一的一种,这都能使其改动机械手臂的运行程序,并且进行多机控制也没有问题。并且这样的目的实现还能够利用电脑编程去实现。

4．智能工业机械手（机器人）

这种类型原理也很简单,他是利用其电脑控制,通过在机械手臂上添加的一些传感器得到的信息去判定工作情况,然后通过电脑做出准确的工作路线,让执行机构去完成。

按用途分：

1．专用机械手

如果要想对工件实行大批量的生产,那么就需要一条很强的自动化的生产线,进行上下料,而这种装着可以是那种机械手臂附加在主机上,加载的是固定的程序结构,没有没有单独的控制系统,像这样的就非常好,它结构也相对的简单,可靠性高。

2．通用机械手

对于通用型的机械手臂,它的程序可以进行变量,而且动作也极其灵敏,机械手臂也活动灵活,还是采用的单独的控制系统。对于这样的机械手臂,它的优点十分的明显,不但精度十分的高,适用一般所用的类型,而且它的工作范围也极其的广,像这样的机械手臂,它比较适用于那些生产加工时总来回变换不同工件的生产企业,而且加工的量也是很小的那种。

第1.3节工业机械手在工业生产中的应用

对于这个机械手臂,已经逐步的应用到了企业中,可概括如下：

1.建造旋转零件体自动线方面

如果需要作关于旋转体的一些工件,通常都是利用机械手臂去移动机床上的工件,这样可以让生产时间大幅度发缩短,同时也能降低工人的工作环境。

2.在实现单机自动化方面

(1)如果想要实现全自动化的生产,仅仅是依靠那些半自动的车床远远是达不到了其目的的,这还需要一个自由移动的抓取设备,这就使得机械手臂有了重要的作用,如果在这个半自动化的生产设备上在加载一个机械手臂去辅助完成,那么就能实现生产的全自动化了,从而节约了人力物力。

(2)如果把机械手臂加载在注塑机上，除了其本身固有的功能外，还能够使其自己来取料，让生产过程完全自动化。

(3)冲床具有自动和向下的冲孔周期,对于这样的，其机械手臂能够完成液压机完全自动化生产。

3.铸、锻、焊、热处理等方面

一般而言,对于机械手臂本身所具有的特点，它能够达到国家生产的要求，如此一来，就带来了足够的经济效益。其特征：

(1)可以在恶劣的环境下进行工作，而对人不利的一些因素在它身上都可以忽略，

这也就使得该机械手臂有更好的发挥场所，不局限于一些人为的因素。

(2)该机械手经久耐用,坚固耐用,对于那些比较单一的工作，可以免去人力而换成机械手臂去代替操作，达到节约人力物力的作用。

(3)它由于是机器，动作不会像人一样产生一些不规范的作用，让产品质量可以达到高水平并且相当的稳定。

(4)采用这个机器设备能够解放人力，降低资源浪费。

第2章工业机械手的设计方案

第2.1节工业机械手的组成

机械手臂组成成分并不是十分的复杂，主要包括了驱动和执行机构，在这个基础上加载一个控制系统去控制这个机器,关系的各个部分如下：

图2.1 工业机械手各部分关系图

执行机构：

对于执行机构而言，就包含了一些手部和腕部这些运动部件。

1.手部：手部:就是和要操作的物品接触的部位。各种类型的传动机构，例如斜槽杆型和弹簧型等。

2.腕部：是用于调整捕获对象的方向的手和臂的一部分。

3.臂部：臂部:是用于作支撑的，当抓物品的时候。那么机械手臂的手臂在这个机械设备中所起的功能就是抓物品，并把该物品移动到要放的对应的地方。

设计的手臂具有三自由度。

行走机构：具有行走机构的工业机器手臂。

驱动机构：其驱动机构包含了气、液、电、机这样的4类。

控制系统:在这个控制系统里，主要是点和连续控制这些。

机身：工业机械手的基础。

第2.2节规格参数

按照规格和性能,一般包括以下几个方面：

1.抓重:简单来讲就是抓的东西的重量；

2.自由大小及坐标方式:有许多自由度和坐标形式；

3.定位方式:动或者不可以动的机械挡块及一些其他的装置；

4.驱动方式:气、液、电和机械这样的4个；

5.手臂运动参数；

6.手腕运动参数；

7.手指夹持范围和握力；

8.定位精度；

9.轮廓尺寸；

10.重量：整机重量。

第2.3节设计路线与方案

2.3.1 设计步骤

1.查阅相关资料；

2.确定研究的技术路线和概念设计；

3.结构和运动学分析；

4.基于一些技术参数，然后进行一系列的复杂计算；

5.校核一些参数；

6.绘制工作装配图草图；

7.绘制总图及零件图等；

8.汇总后对此进行研究。

2.3.2 研究方法和措施

至于设计的方法，运用的是当今的机械设计和液压传动设计,使用关节坐标。

第3章机械手各部分的计算与分析

第3.1节手部计算与分析

手直接用于抓取工件部分,通过举办的形状,大小,重量,等一系列因素。

夹持式,这样的装置是最简单的,也是最具高效的,手指可以分为一个主转换,两个支点运动和转换类型(或类型)直接转换的基本模型的两个主要的回报。当两个主点的两个主要点之间的距离被缩短到一个无限小时,它就变成了一个轴心点。同样地,当两个手指的手指长度变得无限长时,它就变成了一种运动。简单、简单、广泛使用。移动应用程序相对较小且复杂。

要根据工件的具体形状来确定手部的具体形状,同时还要考虑工件的重量,常见的平面形式、v和表面,手指有外部夹子和内在支撑,两个手指,两个手指,两个手指。然后,通过建立压力传输机制指为任务,支持对象。力型类型更广泛:导轨、传动杆、齿轮、弹簧螺母旋转,重力等。

3.1.1 滑槽杠杆式手部设计的基本要求

(1)对于夹紧力和另一个驱动力要选取适当。

(2)手指有一定开闭范围。

(3)应保夹持精度。

3.1.2 手部的计算和分析

（1）手部受力分析

图3.1 手部受力图(1)

图3.2手部受力图(2)

（2）手指尺寸初步设定 由拉杆的力平衡条件：

0.y F =∑ 11

2sin P

P =

? 0x F =∑ 得12P P = '11P P =

由

()0M F =∑

得'

1AB P h NL = cos h c =? **p b tg N =?

又由工件的平均半径

5025

37.52

cp R +=

=mm 初取V 型手指的夹角2120o θ=

55AB L =mm ，2100C mm =，53b mm =，53CD L mm =，滑杆总长h=170

(3)夹紧力计算

在这里会有这么一个问题，对应的工件直径，不会影响到轴心的位置。

由工业机械手设计基础表2－1查得

N ＝0.5G=0.5×25=12.5kg

又因为

22cos b

P N c

=

? （3.1） 当α取最小值时，则增力比较大，手指走到最小行程时则有min α

则o min 30α= 又因为cos 2N c

b P =

理2

a min =19.88kg 12

k k P P η

≥理

实

取安全系数1 1.5k =，工作情况系数2 1.5k = 传动机构的机械效率0.9η=

××50P kg ≈实19.881.51.5＝0.9

(3.2)

当在夹紧手指的状态下，对应的活塞运动的范围是l 等于13cm,那么它所花费的时间为1.5S ，然后得到的速度是：

138.671.5

l v cm s t ===

运动部件得总重估算G ＝10kg 夹紧力N 与驱动力P 的关系：

由于结构左右对称，在驱动力P 的作用下，每一滑槽杠杆受力相等

图3.3夹紧力与驱动力的关系图

在不计摩擦力的情况下

121

2cos P

P P α==

，1α为夹紧状态得倾斜角1α＝50夹紧工件半径为50mm 为例

121

2cos P

P P α==

＝38.9kg (3.3)

根据各力对回转支点1O 的力矩平衡条件，同样在不计摩擦力的情况下

1

1

2cos PC

Nb PC α==，c 是杠杆动力臂。

又因为a=50mm

C=

150

77.878cos cos50o

a mm α==≈ 则 Nb=11

2cos pc

Pc α=

5078

12.52cos50b ??=

?

38.97824312.5

b mm ?=≈

当夹紧半径为25mm 的工件时，1α＝70

150

146.2147cos cos 70

a c mm α=

==≈ 则Nb=121

2cos pc

p c α=

21

2cos N a p b α= 212.550

502cos 50

b =?? 243b mm ≈

(4)动作特性和传动特点 定位到最大行程时，50α=

max max

cos a L α=

则max max

80cos a L mm α=

≈取max 130L mm =

又因为max 1

cos 2

α>

，max 60α<

滑槽杠杆手指最大开闭角为max max 120r α=<

滑槽倾斜角的变化范围可以为6060α-<< 可见机构传动比将在下列范围内变化 22a N a b P b ≤<，0.10.4N

P ≤< 那么最初所带入的AB 及α值是非常正确的。 （5）确定夹紧油缸外径D 驱动杆行程与手指开闭范围关系

12.αα－这两个代表的是对应的滑槽在2个支点的连接的倾斜角，当然是在手指夹紧其标准的值时的前提下。 1278L atg atg mm αα=-≈

机构效率

考虑到机构效率，传力比N/P 的公式应力

21

2cos N a

P b ηα= η＝0.9 又因为G=250N,夹紧力F=500N,260α<

W F .表示其负载的状况，W F ＝250N 。

f F －导轨摩擦阻力负载，对于平导轨()f Rn F f G F =+

Rn F －这表示对垂直于导轨的负载，Rn F ＝0。

f.这个字母所表示的是导轨的摩擦因数,根据我们初中所学的知识知道摩擦分为静摩擦和动摩擦，他们分别取0.2和0.1。

0.225050fs F N =?=，0.125025f F N λ=?=

a G v

F g t

?=

?，一般取t ?＝0.010.5s ，v t ?-?时间内速度变化量 255 4.239.80.0560

a F N =

?=? 启动：54.23fs a F F F N =+= 稳态：275fa W F F F N =+=

对于其工作压力，它的值的大小是由负载和机械的类型去决定的。按照对应的机械手册上面的表可以知道其压力为1a MP 。

通过一系列的复杂计算，可以算出缸内径和对应的活塞杆直径之后，通过负载就能知道其最大的负载是275N 。

通过查阅相关的书籍，按表查得2P 是0.5a MP ，cm η是0.95，d/D 是0.7。 又因为

0.0223m D =

= (3.4)

按照其查找的关于液压的书籍可以知道，其缸的内径圆的直径为25mm ，而且知道活塞杆对应的直径是d/D=0.7和活塞的直径是18mm 。

对于这样的情况，为了使其满足工作要取还有关于夹紧力的稳定性，那么就会由一个夹紧缸提供夹紧力，并且还要满足另一个条件就是其压力一定要高出复位弹簧的弹力。

还由于进油缸在有杆腔，则其有效工作面积

()2

220.1884

A D

d cm π

=

-= (3.5)

液压缸壁厚和外径计算

[]

2y P D δσ≥

，1P 是1a MP 和y P ＝1.5a MP 。

[]σ高强度铸铁，[]σ＝60a MP

3.125mm δ≥

12252433D D mm δ≥+=+?=

这一步确定其缸的工作行程，查数可以得知s 等于100mm 。 缸盖厚度的确定

在通常的情况下，其缸多为平底式，对于它的有效厚度是按照其强度去进行计算的，这样比较合理。

0.433t D ≥0.27t mm ≥

现取t=20mm 。

对于其活塞的宽度，通常情况下会按b 等于0.6d(0.6 1.0)，即值是15mm 。 夹紧缸弹簧的确定。 弹簧工作载荷F=50N 最大轴直径max 18D mm = 最小筒直径min 25D mm = 弹簧刚度0.769F

N k mm f

=

=

查机械设计手册表30.2－8圆柱螺旋压缩弹簧的尺寸及参数得 该材料的直径是2.5、弹簧中径是25、节距是10.4，单位统一是mm.

当在单圈的弹簧的超大负重的情况下操作，那么其对应的变形量是7.075mm ，对应的其刚度是24.5N

k mm

'=。

max 100P N =

max 3

max 8G d

Z P C

λ=

(3.7) 10D

C d

=

= 曲度系数1k ＝1.14，G －弹簧材料的剪切弹性模量，钢材G=()25810kg cm ? z 等于11cm 和活塞缸l 等于12cm 。

第3.2节 腕部计算与分析

3.2.1 腕部设计的基本要求

(1)力求结构紧凑、重量轻

腕部位于手臂的前部,手臂和手的其余部分都是由手臂进行的。很明显目前来看,活动较多以及力提及到的部位,在机械结构中问题更为明显。因为对于的每一个地方有去驱动系统和操作元件。从现有的腕部结构来看,用油缸直接装配的腕部,只有两个活动度;用机械传动的腕部,已有三个活动度。对于那些特别的情况，例如大于3个自由度的腕部，没有在世界那个国家运用起来。因此,在这样的情况下，对于腕部的进一步改善会有很大的空间，例如改变它的体积重量和研发新结构。

(2)综合考虑、合理布局

如何解决手腕、手臂和手的问题,手腕自由的位置,管道的布置,以及润滑、保养和调节。

(3)必须考虑工作条件

在设计时应充分估计机械手手腕所收到的的负面影响(如热膨胀、压力油粘度和闪点,相关材料和热性能的电气控制电动测量元素,等等)。,用一些方法来保护机械手可以长久的保持运动的性能不变。

3.2.2 腕部回转力矩的计算

如果遇到腕部回转的情况,那么它所要克服的阻力主要是以下几种：

（1）腕部回转支承处的摩擦力矩M 摩 从图3.4可知：M 摩＝

()11222

f

R D R D +×()kgf m -×12D D .轴承直径（m ） 在方程式里：12R R ()kgf m -，即轴承处支反力，能够通过静力学得到答案。 f.轴承的摩擦系数，对于滚动轴承f=0.010.02 为简化计算取M 摩0.1M =总阻力矩