工业机械手毕业设计说明书

第1章绪论

1.1工业机械手的概述

（1）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。业机器人机械手是模仿人的手部动作，按照给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操纵的自动装置，它是机械化、自动化的重要手段。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、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。

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。

工业机械手可以在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣的环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，代替人的工作，具有重要的意义。在机械加工中，冲压、铸造、锻造、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输、国防工业等各方面，也已愈来愈引起人们的重视。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

（2）我国机器人的发展状况

我国工业机器人发展于20世纪70年代，经过30多年的发展，大致经历了三个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的适用化期。

20世纪70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星，世界范围内工业机器人的应用掀起了一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种情况下，我国于1972开始研究制造自己的机器人。

进入20世纪80年代后，随着改革开放的不断深入，在高科技浪潮的冲击下，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机械人及其零部件进行攻关，完成了工业机械人的成套技术的开发，研制出了喷漆取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。

从20世纪90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步的热潮。我国的工业机器人又在实践中迈出了一大步，

先后研制出一批点焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

目前我国机器人的研究主要内容如下：

①示教再现型工业机器人的产业化技术的研究

这些研究主要包括：关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人的标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人的开发；焊接机器人的标准化、通用化、模块化、系列化设计；弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发；焊接机器人的离线示教编程以及工作站系统动态仿真；电子行业用装配机器人产品标注化、通用化、模块化、系列化设计；批量生产机器人所用的专用制造、装配、测试设备和工具的研究的开发。

②智能机器人的开发

这些研究主要包括：遥控加局部自主系统构成和控制策略研究；智能移动机器人的导航很定位技术研究；面向遥控机器人的虚拟现实系统；人机交互环境建模系统；

基于计算机屏幕的多机器人遥控技术。

③机器人化机械研究开发

这些研究开发主要包括：并联机构机床与机器人化加工中心开发研究；机器人化无人职守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备

④以机器人为基础的重组装配系统

这些系统主要包括；开放式模块化装配机器人；面向机器人装配的设计技术；机器人柔性化装配系统设计技术，可重构机器人柔性装配系统设计技术；装配力觉、视觉技术；智能装配策略以及控制技术

⑤多传感信息融合与配制技术

该技术主要包括：机器人的传感器配制和融合技术在水泥生产过程配制和污水处理自动控制系统中的应用；机电一体化智能传感器的设计应用。

1.2 工业机械手设计方案的选择

工业机械手是将圆柱形零件从传送带上股夹装到专用机床上，待加工完毕后再夹装回传送带的专用机械手(见示意图)。机械手总体设计分为夹持器、伸缩臂、升降臂和底座四大部件设计及二个系统：PC电控系统与液压控制系统设计。夹持器安装于伸缩臂上，伸缩臂安装在升降臂上，升降臂安装在底座上。连接方式均为法兰盘螺栓连接。

机械手的动作要求分为16步。从原位开始——升降臂下降——夹持器夹紧——升降臂上升——底座快进回转——底座慢进——伸缩臂伸出——夹持器松开——伸缩臂缩回；待加工完毕后，伸缩臂伸出——夹持器夹紧——伸缩臂缩回——底座快退(回转)——底座慢退——升降臂下降——夹持器松开——升降臂上升到原位停止，准备下次循环。

圆柱形零件的尺寸为直径100—140毫米，高为150毫米，机械手回转角度为90度。

图1-1 机械手立体机构示意图

、点焊和搬运机器人。1986年，国家高技术研究发展计划开始实施，经过几年的研究，

1.3 总体方案的选择

1.3.1夹持器设计方案

（一）夹持器的设计要求：

要有足够的夹持力和所需的夹持精度；

它是连接在手上，应尽可能使结构简单、紧凑、质量轻小，以减轻手臂的负荷。

（二）设计参数：

1 所需要夹紧的饿工件直径为80mmm。放松动作时两爪间最大距离为100-120mm。抓持速度为20m/s，夹持器从运输车上抓取待加工的坯料送到加工机械上及把加工好的工件送回到运输车上。

2 工件重量约6kg，材质：45#钢；

3 夹紧动作平稳，起动和终止无刚性冲击，由运动分析及所需夹持力得到机构各部分尺寸。

（三）设计方案：

齿轮齿条平行连杆平移夹持器

图1-2 齿轮齿条平行连杆平移夹持器示意图

1.3.2伸缩臂设计方案

(一）设计任务

设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装机械手，完成直线伸缩动作。

(二)、技术要求

1、伸缩长度：300mm

2、单方向伸缩时间：1.5～2.5s

3、定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm。

4、前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击。

(三)、方案设计

方案为液压伸缩机构

1、伸缩原理

采用双向作用单活塞杆带可调缓冲式油缸，推动导向杆移动。电磁阀换向，控制伸缩方向。此油缸伸缩终点有缓冲，无刚性冲击。

2、设计计算及元件选择

设计计算参数及要求：

电磁阀流量：要满足伸缩速度的要求。

油缸直径：推力大小要能克服机构起动惯性并有一定的起动加速度，要满足运动时间要求。

导向杆刚度：按最长伸出时机械手端部的挠度不超过规定要求。

定位方式和元件：自选。

3、结构示意图1-3

图1-3 液压伸缩机构示意图

1.3.3液压控制系统设计方案

本次设计的工业机械手属于圆柱坐标式的液压驱动机械手，具有手臂升降、伸缩、回转等三个自由度。因此相应地有手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构等组成。每一部分均用液压缸驱动与控制。要求画出液压传动系统图。对系统图的具体要求如下：

(1)满足工业机械手动作顺序要求。动作顺序的各个动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁(电磁换向阀)，按程序依次步进动作而实现的。

(2)手臂伸缩运动采用单出杆双作用缸。手臂伸出时采用单向调速阀进行回油节流调速，其伸出速度为200毫米／秒左右，当快到端点时，提前发讯切断油路，手臂靠惯性滑行缓冲，此外，采用电液换向阀，换向时间可调。定位由死挡铁保证精度。手臂缩回，没有定位精度要求，由终点行程开关控制，适当提前发讯号切断油路，由活塞与缸筒端盖相接触来定位。

(3)手臂回转采用摆动液压缸(齿条缸)，正反方向均采用单向调速阀调速。由于回转部分的重量大，回转长度长，手臂中心的线速度为毫米／秒(回转角速度约为45度／秒)，因此手臂回转时具有很大的动能。为此，除采用调速阀的回油节流调速外，还在回油路上安装行程节流阀，进行减速缓冲。

1.3.4 PLC电控系统设计方案

设计内容

1、设计该系统液压泵电机及各部件总成驱动电机的主电路。

2、参照主电路及液压控制系统图设计控制柜，画出所有元件的柜中布置图。

3、确定全部的行程开关的安装、调试方案。

4、选择电控系统中所有电机及元气件的型号。

5、以FX系列基本指令、移位寄存指令、步进指令编程。要求编写I/O分配图、程序总框图、各部分的梯形图并编写出完整的语句表。

第2章伸缩臂的设计

2.1设计设计方案

2.1.1设计任务

设计机械手臂底板固定在大臂上。地段法兰安装机械手，定成直线伸缩动作。

2.1.2技术要求

a：伸缩长度300mmm

b：单方向伸缩时间1.5—2.5s

c：定位误差要有定位措施，定位误差小于2mm

d：前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击。

2.1.3方案设计

：液压伸缩机构伸缩原理，采用双作用单活塞杆带动可调式油缸，推动导向杆移A

1

动，电磁阀换向，控制伸缩方向，此油缸伸缩有缓冲，无刚性冲击。

：设计计算参数及要求。

A

2

电磁阀流量：要满足伸缩速度的要求；

油缸直径：推力大小要能克服机构启动惯性并有一定的启动加速度，要满足运动时间要求。

元件选择

油缸选用带可调缓冲轴向底座固定式油缸。

电磁阀：二位四通电磁阀

定位方式：采用液压油路与行程开关共同作用定位方式。

A3：结构示意图，如图所示：

该结构采用液压缸，配用导向杆，靠导向杆增加机构的运动精确性，从而减小误差。

图2-1 液压伸缩机构示意图

2.2 底板的设计计算说明

底板长度555mm ，宽220mm

图2-2 底板结构图

两肋板中间距离为320mm

底板用螺钉与升降臂滑台连接，对连接螺钉进行计算 伸缩臂夹持器总质量为

t mgv

F g

(2-1)

v —滑台的运动速度 g —9.8m/s

t —起动反映时间0.1-0.5s 取t=0.1s

N

F g 60022.18.950≈??= (2-2)

所以使其改变运动状态的惯性力是600N 。 根据不滑动定理：

mf CF

F a ≥

(2-3

Fa —预紧力 M —结合面数目 C —可靠系数取1.5 F —摩擦系数取0.1 所以预紧力

N

F a 90001.01600

5.1??=

(2-4)

图2-3 联结受力示意图

如图2-3，翻转力矩所产生的对螺栓的轴向的拉力

N F F 260073

.060003.0=?=? (2-5)

总轴向力

Fa+F=9000+2600=11600N (2-5) 取螺钉数为4个 则由

[]MPa

s

804

==σσ (2-6)

得螺纹小径d

[]mm

Fa

d 32.8108014.3101163.145.146

3

1?????=

?≥

π

σ (2-8)

所以为保证机构受冲击时的安全性与伸缩臂连接螺栓取M12 校核底板的弯曲强度

图2-4 底板弯曲强度示意图

m N Mb m N Ma N mg P ?=?-?=?-=?-?==?==

25.111055.02505.025025.8144.0250115.02502502

10

502 (2-9) 作弯矩图2-5：

图2-5 底板弯矩图

所以b 处为危险截面 截面的矩形的抗弯截面摸量[7]

()MPa

Z M m W bh W nax 5.440000025.025.1110000025.0601.015.06

3

2

2

===?==

σ (2-10) 底板材料为Q235，

MPa S 235=σ (2-11)

取安全系数S=1.5，则许用应力

[][]σσσσ<==

=max 5.11752

.1235

MPa s

s

(2-12)

故底板系数的强度满足要求

底板与升降臂滑块的连接定位是用内螺纹式的圆锥销 公称直径6mm 长度26mm

同样是把底板与滑台调整连接好后，打定位锥孔。

2.3导向杆的结构设计 2.

3.1 导向机构的作用

保证液压缸活塞赶伸出时的方向性，提供机构刚度，保证伸出量的准确性

2.3.2导向杆的外型尺寸及材料

导向杆采用圆柱行实心长杆，直径为20mm ，长度为516mm 导向杆的材料为40

2.3.3校核导向杆的弯曲强度及绕度 （1）导向杆的弯曲应力

Z

W M

=

max σ (2-13)

m N PC M ?=?==802004.0

(2-14)

()371085.732

3

02.014.3323

m d Z W -??==π (2-15)

a MP Z

W M 54.9571085.780max

-?==

σ

(2-16)

材料的弯曲许用应

[]a MP 210=σ (2-17)

[]σσ

（2）杆的挠度

此杆为一悬臂梁，根据简单载荷作用下梁的绕度公式：[7]

EL

FL W EL FL W EL

FL Q B 3323

22

=

==

其中644

d I π= (2-18) ()

mm

W mm

W B B 2027.064

02.014.31020034

.016.02004

9

<=??????=

(2-19)

上式计算是完全把载荷夹在导向杆上 实际是载荷由导向杆与活塞共同承受 所以载荷的绕度会更小，符合设计要求。

（3）转角

()

23

49

2000.1664 3.810232*********.02B FL rad EL θ-??===????? (2-20)

符合设计要求

2.3.4 导向杆的表面处理及润滑

导向杆的表面卒火，可以提高表面硬度和钢度。

导向杆在滑动过程中不可以直接与轴套摩擦，要加以润滑，以减少对导向杆的磨损，提高导向杆的寿命。因此设计中我们在导向杆支座中夹装了润滑装置，用来对导向杆加以润滑。

润滑示意图2-3

图2-6 润滑示意图

压配式注油标 2。导向杆支座 3。导向杆 4。毛毡圈

装置由压配式注油标和毛毡圈配合使用，由注油标注油，油径孔深入毛毡圈中，毛毡圈始终保持润滑，从、而保证了对导向杆的润滑

支座￠36的钢孔内加装一铜套，起材料是ZHMn58-2-2与孔按6

7

h s 配合安装。其中b=5mm ，d=3mm, 为14°

图2-7 压配式注油标和毛毡圈配合图

在槽顶上开有d=3mm 的孔用于与压配式油标的孔相对应，用来注油。

Φd=6mm ，用来装注油标以67

h s 配合安装。

注意事项：

工作前要给润滑装置注油，保持毛毡圈的湿润 润滑油要保持一定的清洁度，以防止杂质堵塞注油标。 毛毡圈使用一段时间后，要进行检查，若油性不佳要及时更换。 导向杆与外界的连接

导向柑外端加工有外螺纹用法兰盘与夹持器的支撑板连接。连接栓为M6

图2-8 导向杆与外界的连接

导向杆支座有两个 ，有螺栓与底板连接 螺栓M18?30

支座用圆锥销与底版定位（导向杆调整好后再打定位销） 两支座之间的距离是206mm

2.4 伸缩臂机构设计计算 2.4.1伸缩臂油缸的计算

液压缸的输出力3

10?=PA F [4]

式中F —液压缸的输出力 P —对应输出力的工作压力 有效工作截面积 无杆腔：

2

14

D A π

=

(2-21)

有杆腔：

()

22

24

d D A -=

π

(2-22)

计算单活塞杆1A ，计算的推力是取单活塞杆时液压缸拉力取2A

2.4.2 液压缸阻力

Ff

Fi Fe F ++= [5] (2-23)

Fe ──工作负载为0

Ff ──摩擦阻力

N N Ff 982.08.950=??==μ (2-24) Fi ──惯性负载

t g V

G F i ??=

(2-25)

运动部件所受重力G=50N

重力加速度g=10s m

启动时间?t ，?t 时间内的速度变化为V ? 一般的加速时间为0.1—0.5s

取

s m V s t 2.01.0=?=?

N F F F F N t g V G F e f i i 1980100981007

.0102

.0500=++=++=??=??=

(2-26)

2.4.3液压缸的行程

因为伸缩臂伸缩量为300mm 压缸的行程为300mm.[4] 产品要求伸出时间为1.5–2.5s ，取嘴快速度

s

m V 200max =

2.4.4液压缸的选用

a 压缸的工作负载较小，所以选定液压缸的工作压力应为低压

取额定工作压力为1.6Mpa

b 根据活塞最大速度极限，可知当液压缸径为32─63的小型液压缸

最大速度为0.5s m

, 本着结构紧凑的思想选港径为40的液压缸。 C 在液压缸产品汇总中选取轻型拉杆液压缸W70L –1系列[6] *型号W70L –1–2，LB40，B –70B300–DB ， 该油缸为W70L –1系列轻型液压缸。 *密封材料为聚氨脂橡胶。

*安装形式为LB 型轴向脚架式外形安装，起外形结构如图2-2

图2-9 液压缸结构图AS : 11 AD : 13 W=30

AE : 75.5 AT :8 P=90

AH : 43 TE : 46 B=11

AL : 32 UA : 69 DC=M10 1.25 SA : 205 油缸为ZG3，L=141

注：油口位置为示意实际油口在P处

*杆径形式：B

*缓冲形式：B型为两端缓冲型

*油口位置：D

*使用温度；-10—+180°C

mm

*允许最大速度：300s

*效率：>90%

*传动介质: 常规矿物质液压油

*受压面积：无杆腔12.5cm2

有杆腔8.1 cm2

*速度比：1.45

*允许行程：1200mm

*活塞杆的外端结构形式为外螺纹

2.5 伸缩伸缩范围控制与调整

伸缩臂伸缩范围的控制靠行程开关与活动档块。这里特别的解释以下，设备附件的活动档块，它用于在当设备安装好后，可以靠它在小范围内调节臂的伸缩量。其结构图2-10

图2-10 行程开关与活动档块结构图

此活动档块可套装在导向杆上，a处可以压住行程开关压柱，从而压动行程开关，使行程开关实现动作。

此外除上述调节外还可以调节连接件（a）（b）的旋入导向杆和液压缸活塞杆的长度，实现对伸长度的润滑，保证把工件精确的放在加工机床作业台上。

行程开关使用LXW4-11微型动开关。[6]P1344

第3章 夹持器的设计

3.1液压缸的设计

3.1.1液压驱动力

液压驱动力 N F P 200= (3-1)

N F F nax

P

210626.210595.02000

1≈==

=

η (3-2)

KN F 10<

所以选工作压力 MPa P 10=[2]

液压缸内径D

mm D 8.51102106

46

≈??=

π (3-3)

取标准液压缸内径 D=63ｍｍ[2]P19-206

3.1.2 活塞杆直径

因为工作压力P MPa 5≤

所以 ()D d 55.05.0-=[3]P74表42 (3-4)

取 5.315.0==D d (3-5)

3.1.3活塞臂的厚度

活塞厚 B 4.508.0==D (3-6) 所以取 B=50ｍｍ

3.1.4 活塞行程