工业机械手设计.doc

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1、摘 要随着工业革命的发展，生产自动化程度不断提高，生产自动化的实现离不开自动化机械。本世纪是自动化机械的时代，各种机器装备代替人完成各种复杂，危险，恶劣环境下的工作。作为人的代替品完成各种工作，自动化机械理所当然在一定程度上是根据人体的结构和功能来设计的，手是人类完成各种工作的重要器官，相当一部分自动化机械是模仿人体的各个动作来完成各种复杂的动作。此次设计就是模仿人完成一项工作的各个动作而进行设计的一台自动化机械手，完成工件的抓取和放置。设计过程和内容涉及机械，液压，电气，自动控制等多门学科知识，对设计人员有较高的综合素质要求。关键词：Abstract Along with the devel

2、opment of the industrial revolution, production automation degree unceasing enhancement, the realization of the automated production from automatic machines. This century is the era of automation machinery, various machine equipment instead of human in completing various complex, dangerous, harsh en

3、vironment. As a substitute for the people finish all kinds of work, automation machinery granted in a certain extent according to the human body structure and function to design, the hand is an important human beings in completing various organs, a considerable number of automation machinery is imit

4、ation of human body each action to finish all kinds of complicated movements. This design is the imitation people perform a task of each movement and a automation design manipulator, grab and placed complete workpiece. Design procedure and content, involving machinery, hydraulic, electric, automatic

5、 control of multi-discipline knowledge, designers have high comprehensive quality requirements. 第1章 绪论1.1工业机械手简介机械手是模仿人的手部动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置，它是机械化、自动化的重要手段。因此，获得了日益广泛的应用，特别在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，它代替了人的工作，具有重要的意义。在机械加工中，冲压、铸、锻、焊、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

6、的重视。机械手一般由执行机构、驱动机构、控制机构以及位置检测装置等组成，驱动系统可采用液压传动、气动传动、电气传动和机械传动等形式，而多数采用电液机联合传动。该机械手是将圆柱形零件从传送带上夹装到专用机床上，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。1.2机械手的组成和工作程序机械手的动作要求分为14步。从原位开始伸出下降夹紧上升回缩下降正转上升下降松开上升缩回反转到原位停止，准备下次循环。圆

7、柱形零件的尺寸为直径80毫米，高为150毫米，机械手回转角度为90度，升降高度为500mm，伸缩长度为300mm。本设计为工业机器人机械手的夹持器设计，机器人通过夹持器的松紧动作，实现工件的加紧与放松。第2章 机械手设计2.1设计参数和性能要求（1）所要抓紧的工件直径为80mm。放松动作时两爪间最大距离为110-120mm。抓持速度为20mms，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）抓持速度为20mms（3）工件重约6，材质：45钢，（4）加紧动作平稳，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。（5）要有足够的夹持力和所需的夹

8、持精度，（6）是联接在手臂上，应尽可能使结构简单、紧凑、质量轻，以减轻手臂负荷。2.2机构选型2.2.1方案对比方案1:楔块杠杆式回转型夹持器。图2-1方案2:连杆杠杆式回转型夹持器图2-2方案3:齿轮齿条平行连杆平移夹持器由于结构原因，手爪松开的距离不会很大，所以只适用于工件尺寸变化不大的范围，由于楔块的倾斜角不易太小，太小则夹持范围过小，太大则夹持力变小，故夹紧力不是很大。但该种结构简单，适用于轻载场合图2-3方案4：左右旋丝杠平移夹持器图2-4上图结构中采用了扇形齿轮和齿条机构，结构紧凑，体积小，安装方便，但制造难度大，成本高，经济性不好；下图采用了平行四边形机构和连杆机构，制造容易，机

9、构简单，但大大增加了整个夹持器的尺寸；综合以上两种结构的优缺点，选择下图2-5所示方案图2-52.3结构尺寸设计2.3.1设计要求(1) 行程：最大爪距120mm，最小为0mm(2) 构尺寸有机构图可以知道，两个爪块之间的距离主要取决于同机架项链的铰链之间的距离，V型块厚度为30mm，则铰链间距取200mm可满足要求，即机架宽度约为200mm。结构尺寸设计如图2-6所示：图2-62.3.2动力计算抓取的圆柱体直径为80mm,高为150mm,45# 钢 。工件质量 夹紧力： (2.1)使用系数 K: 1.22 取K=1.3动载荷系数K: 得=1.9安全系数K: K=2夹紧力驱动缸输出力驱动力 =

10、375 N2.3.3驱动缸选型由上节知道液压缸输出力375 N，假定液压缸的工作压力P=1Mpa,液压缸内径D=23.5mm取标准液压缸内径 D=32 mm活塞杆直径d=0.5D=16mm经Solidworks三维立体仿真，机械手从完全闭合到张开，液压缸的行程S100mm根据以上数据，选择轻型拉杆液压缸，型号为BFC32/16B,安装尺寸和方式如表2-1：表2-1第3章 伸缩臂设计3.1性能参数计算液压伸缩缸完成水平动作，行程S=300mm,主要承受的载荷包括摩擦力，惯性力，启动平稳，停止无刚性冲击，定位精确。伸缩臂驱动的质量包括自身活塞杆质量，机械手和驱动缸的质量，以及工件质量，各部分质量如

11、下，活塞杆,机械手工件，总质量m=18Kg,取摩擦系数u=0.2，加速度a=20m/,伸缩缸输出力F=uG+ma=0.2189.8+1820=395.28 N液压缸内径D=22.51mm取标准内径D=32mm，活塞杆直径d=0.5D=16mm3.2液压缸选型根据以上数据选择液压缸，为了减小整体结构尺寸，连接方式采用切向底座连接，液压缸基本尺寸数据和安装结构如下表3-1所示：表3-1第4章 升降液压缸设计4.1设计任务及要求升降液压缸为整个升降平台提供动力和支撑，液压缸除了提供升降动力外，还应该满足启动迅速，运动平稳，定位精确，停止无刚性冲击等性能；液压缸的主要载荷包括滑台和其上所装零部件质量，

12、以及启动加速时的惯性力。4.2性能参数计算液压缸载荷质量m包括滑台，伸缩臂，机械手，工件，总质量为m=30Kg15 Kg 20 Kg 5.9 Kg=70.9 Kg, ,液压缸推力为F=uG+ma=0.270.99.8+70.920=2112.3 N液压缸内径D=51.4mm取标准值D=63mm,活塞杆直径d=40mm.行程S=500mm4.3液压缸选型根据以上数据，选择液压缸，采用头部轴销连接方式，结构参数和安装尺寸如表4-1：表4-1第5章 机架设计5.1设计任务及要求机架是整个及其的主要部分，起到对移动件的支撑，固定，和导向作用，所以机架应该具有足够的强度和刚度，以下主要根据载荷与受力情况

13、设计机架及其上面的各部件的结构尺寸。5.2回转支承选型回转支承是转动部分和底座之间的可动连接，能承受一定的垂直力和倾覆力，由于及其所受的倾覆力不大，故主要根据液压升降缸的结构尺寸来选择，结构尺寸如图5-1：图5-15.3底座设计底座起到支撑和固定整个回转部分的作用，整个支撑所承受的载荷在200Kg以内，其结构主要根据回转支承安装设计，底座结构尺寸参看装配图。5.4导向杆设计导向杆的作用是对运动部件起到导向作用，导向杆应具有一定的刚度，在滑台承受倾覆力和横向力时的变形不超过许用值。导杆在正常使用情况下横向载荷很小，可以忽略不计，主要载荷为倾覆力矩，受力情况如图5-2所示：图5-2倾覆力矩M=mg

14、l=25Kg*9.8N/Kg*300mm=73500Nmm导杆截面的弯曲应力应小于许用值，=13.7mm取D=20mm滑台之间采用直线轴承连接方式，由导杆直径选择直线轴承，型号和结构尺寸如图5-3：图5-3第6章 液压元件选用6.1液压泵的选择液压的流量根据系统所需流量最大的液压缸确定，升降液压缸缸径最大，所需流量也最大，故根据升降缸的流量确定液压泵的流量。流量Q=18.69L/min压力P1MPa,选用CB-B20型齿轮泵，性能参数和安装尺寸如表6-1：表6-16.2液压控制元件的选择6.2.1压力控制阀采用SBT03-32型先导式溢流阀，性能参数如表6-2：表6-26.2.2换向阀系统所需

15、的主要液压控制元件为换向阀，溢流阀，实现液压缸的换向动作和系统压力控制，根据液压泵的流量和压力，换向阀均采用具有锁紧保持中位机能的三位四通电磁换向阀，型号为WE10EB型。如图6-1：图6-1第7章 液压/电器控制系统的设计7.1液压控制回路液压控制系统的作用主要是控制机械系统各机构的动作顺序，并满足速度要求。本系统要求动作平稳，速度不随负载的变化而差生大的改变，故液压控制系统调速回路均采用回油节流调速。液压控制回路如图7-1：图7-17.2 电气控制系统电气控制系统的功能是控制系统的启动和停止，并控制底座回转电机的正反转：图7-2第8章 PLC控制系统设计8.1 PLC介绍可编程逻辑控制器（

16、PLC）又称可编程控制器。它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统。它使用可编程存储器存储用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来控制各种机电一体化，程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低，特别是易于、价格便宜等特点，现已经广泛的应用在生活和生产的各个领域。8.1状态逻辑表限位开关状态继电器状态和动作工位状态1夹紧通通通Y002(YA5) 上升2上升通通通+通Y005(YA4) 回缩3回缩通+通通通Y004(YA6) 下降4下降通通通通Y006(YA7) 转动5转动通通通通Y007(YA5) 上升6上升通通通通Y

17、005(YA3) 伸出7伸出+通通通通Y003(YA6) 下降8下降通通通通Y006(YA1) 松开9松开通通通通Y001(YA5) 上升10上升通通通Y005(YA4) 缩回11缩回通通通Y004(YA8) 转动12转动通通通YO10(YA3) 伸出13伸出通通通Y003(YA6) 下降14下降通通通Y002(YA2) 夹紧原位循环+表8-1机械手每次完成一个动作，所以适合使用步进顺控指令的编程方式，根据以上工步顺序，和继电器通断循序，设计机械手系统顺控指令编程结构梯形图。8.2 PLC型号选择输入点需要21个，输出点需要10个，选用三菱型号为FX1N-40MR-001XPLC的控制器，输入

18、点为24个，输出继电器为16个，可以满足应用要求。各控制按钮，内部继电器地址，及其功能如表8-2：现场器件内部继电器地址说明输入SB1按钮X001液压泵电机启动SB2X002液压泵电机停止SB3X003PC启动SB4X004PC停止SB5X005上升SB6X006下降SB7X007伸出SB8X010缩回SB9X012正转SB10X013反转SB11X014夹紧SB12X015松开SA1X016手动SA2X017自动S1限位开关X020缩回S2X021伸出S3X022下降S4X023上升S5X025反转S6X026正转KPX027夹紧/放松输出KM1线圈Y001底座正转KM2Y002底座反转KM

19、3Y003油泵运转YA1电磁阀Y004夹持器松开YA2Y005夹持器夹紧YA3Y006/ YA3伸出YA4Y007 / YA4 缩回YA5Y010 /YA5上升YA6Y011/ YA6 下降YA7Y012/ 卸荷表8-28.3控制梯形图8.3.1启动程序梯形图图8-1 LD X001OR Y003ANDI X002OUT Y003LD X003ANDI X004AND Y003OUT M501LD X016OR M001AND X017OUT M001LD X017OR M002ANDI X016OUT M0028.3.2点动程序梯形图及代码 图8-2LD X007ANDI X021OUT Y

20、006LD X014ANDI Y027OUT Y005LD X005ANDI X023OUT Y010LD X012ANDI X026OUT Y001 LD X015AND X027OUT Y004LD X010ANDI X020OUT Y007 LD X013ANDI X025OUT Y002LD X006ANDI X022OUT Y0118.3.3自动程序梯形图及代码 1 LD M0712 SET S6003 STL S6004 OUT Y006 5 OR X0216 SET S6017 STL S6018 OUT Y011 9 OR X022 10 SET S602 11 STL S60

21、2 12 OUT Y00513 OR XO2714 SET S60315 STL S603 23 OUT Y01024 OR X023 25 SET S60426 STL S60427 OUT Y007 28 OR X02029 SET S605 30 STL S605 31 OUT Y011 32 OR X02233 SET S60634 STL S60635 OUT Y00136 OR X026 37 SET S60716 STL S607 17 OUT Y010 18 OR X023 19 SET S61020 STL S610 21 OUT Y006 22 OR X021 38 SET

22、 S61139 STL S611 40 OUT Y011 41 OR X022 42 SET S61243 STL S612 44 OUT Y004 45 OR X027 46 SET S61347 STL S613 48 OUT Y010 49 OR X023 50 SET S61451 STL S614 52 OUT Y007 53 OR X020 54 SET S61555 STL S615 56 OUT Y002 57 OR X025 58 SET S6008.4 PLC接线图第9章 总结毕业设计是大学最后一次理论与实践相结合的学习，经过三个多月的辛苦工作，当初的设想终于变成实物放在自

23、己的面前，这是一个由设想到实际的诞生过程。本次设计是工业机械手。工业机械手作为自动化生产线的执行机构，对自动化水平的提高有很大影响，它的好坏直接影响自动化发展程度定高低。设计的第一阶段主要是熟悉课题的内容，调研，查资料，确定工业机械手的设计方案；第二阶段，我们对对零部件结构方案进行了分析。主要确定了液压缸的选定等；第三阶初步确定了，液压缸，夹持器的主要参数；第四阶段进入了夹持器的设计与计算阶段。主要对夹持器的楔块、手爪、弹簧强度计算与校核和确定夹持器的结构元件；第五阶段进行了用CAD和手工绘图。通过这几个阶段的实际操作，对设计过程和设计思路有了更本质的认识，为自己以后走向工作岗位进行独立的动手

24、操作打下了坚实的基础。在设计过程中，得到周殿春老师的悉心指导，使得本次设计在结构和细节上尽量符合现代的设计理念和设计习惯，在整体上更科学，更实用。在这里向辛勤培育我们的老师们和给我们极大帮助的同学表示衷心的感谢和崇高的敬意！致 谢本学位论文是在周殿春老师的悉心指导下完成的。周殿春老师严谨的治学态度、高深的学术造诣、高度负责的育人品格使作者在完成本学位论文中受益匪浅。老师深厚的理论基础和丰富的实践经验，认真负责的工作态度，值此毕业论文完成之际，谨向周老师致以衷心的感谢。在日常生活和学习中，机电学院的各位老师，以及全体同学给予我的大力支持和帮助，在此我向他们以及多年来为我的成长付出辛勤劳动的老师和

25、同学们表示衷心的感谢。感谢所有给予支持、关心、帮助和鼓励的各位老师以及同学和朋友们，感谢所有参考文献的作者，感谢河北工程大学给我的良好学习环境。参考文献1、电气控制与PLC原理及应用 周亚军主编. 西安电子科技大学出版社.2008年2、液压传动与控制 张平格主编冶金工业出版社，200483、机械设计手册 徐灏主编第2版机械工业出版社，200064、材料力学 刘鸿文 主编第4版高等教育出版社，200415、机械设计基础 杨可桢、程光蕴主编第4版高等教育出版社，199966、机电一体化设计基础 郑堤、唐可洪主编 机械工业出版社，19977、液压传动 丁树模 主编 机械工业出版社，20038、机械设计 第八版 濮良贵 纪名刚 主编 北京高等教育出版社 2006. 59、互换性与测量技术 何志刚 主编 中国农业出版社10、机械设计手册（软件版） 机械工业出版社11、先进制造技术扬州大学 王隆太 主编，机械工业出版社 2003. 912、机械设计 第八版 濮良贵 纪名刚 主编 西北工业大学机械原理及机械零件教研室 2006. 5