机械手设计说明书双面.pdf

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1、-前言 由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔

2、性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。本次毕业设计课题为轴类零件球坐标机械手。随着生产率水平的提高，人们对产品精度和质量要求越来越来严格，企业生产线的自动化程度要求越来越高，工业机械手已成为多数企业生产线上必不可少的设备。此次设计的机械手各组成部分有：手爪、手腕、手臂、机身、机座等。并对其进行了严谨、详细的设计、计算、校核和绘

3、图。由于自身缺乏实践经验，而且本次设计内容较多，任务繁重，而且这方面的资料少，加重了设计的难度。所以在设计中难免会出现这样那样的错误，还请各位老师斧正。总之，我希望通过本次毕业设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性的训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为将来的工作打下一个良好的基础。-一 对机械手的分析 1.1 机械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原

4、子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。1.2 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

5、、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。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业

6、中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，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，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工

7、作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。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，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.3 机械手的组成 球坐标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（1）执行机构 机械手的执行机构可以分为手部、手臂、和躯干等三部分。手部一般安装在手臂的前端其构造是模仿人的手指。手臂可以分为无关节臂和有关节臂，其主要作用是引导手指准确地扎住工件，并运送到所

8、需要的位置上。躯干是安装手臂，动力源和执行机构。（2）驱动机构 机械手的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，电动和机械用的比较少。（3）控制系统 机械手控制的要素包括工作顺序，到达位置、动作时间、运动时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制可以分为点位控制、连续轨迹控制、力控制和智能控制方式等（4）球坐标机械手结构特点 球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。1.4 应用机械手的意义 一、以提高生产过程中的自动化程度 应用

9、机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人

10、力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.5 课题工作要求 机械加工工业机械手是现代制造中的重要装备，特别是在现代自动化生产线制造中一种不缺少的装备，因此按照制造现场的实际运行状况，设计一种灵巧、机构紧凑、满足要求的工作范围，适用铣削加工轴类的机械手，技术要求：收集各种相关的资料，选择合适的方案。能够正确地工作。技术上要先进，结构上要合理，要有安全上的保证。-手的夹持部位要有可调性，每个动作要有缓冲，液压阀的连接方式采用集成块。控制部分要能进

11、行灵活调节，手动、单步、单周期、连续和回原位五种工作方式。编写说明书。工作要求：基本动作 伸出夹紧运行松开复位等 夹紧工件，运行可靠控制：PLC -二 机械手的结构设计 2.1 系统的组成 机械手由执行机构、驱动-传动机构、控制系统等组成，驱动、传动机构与执行机构是相辅相成的，在驱动系统中可以分：机械式、电气式、液压式和复合式。2.2 总体方案 根据课题要求，机械手需要具备上料、翻转和转位等多种功能，并按该自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作，因此可采用以下多种设计方案。（1）直角坐标系式，自动线成直线布置，机械手空中行走，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种方案结构简单，自由度少，易于

12、配线，但需要架空行走，油液站不能固定，这使设计复杂程度增加，运动质量增大。（2）机身采用立柱式，机械手侧面行走，顺序完成上料、翻转、转位等功能，自动线仍呈直线布置。这种方案可以集中设计液压站，易于实现电气、油路定点连接，但占地面积大，手臂悬伸量较大。（3）机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种案具有电液集中、占地面积小、可从地面抓取工件等优点，但配线要求较高。本设计拟采用第三种方案，如图（1）所示。这是一种球坐标式机械手，具有立柱旋转(z)、手臂伸缩(x)、手臂俯仰(y)三个自由度。2.3 主要参数-自由度 3 操作方式 自动 夹持的工件 50400（轴）工作

13、范围 满足工作要求 传动装置 液压 坐标形式 球坐标 位置控制 点位 电气控制 控制 工作速度 0.2m/s 位置精度 0.5mm 三 抓取机构的设计 3.1 抓取机构结构形式的确定 机械手手爪的典型结构有以下五种：1.楔块杠杆式手爪 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。-2.滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。3.连杆杠杆式手爪 在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。4.齿轮

14、齿条式手爪 通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。5.平行杠杆式手爪 采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，且比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小得多。设计时应该保证：(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确

15、定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的 惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量 使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭 转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V 型，本设计采用齿轮齿条的手爪。驱动活塞往复移动，通

16、过活塞杆端部齿条，中间齿轮及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。手抓的具体结结构形式如下-3.2 夹紧力的确定 当用不同的手部机构夹紧同一种工件时，由于各手部机构的增力倍数不同，所需拉紧油缸的驱动力也不同。当手部机构选定后，由于工件的方位不同（如工件水平放置或垂直放置），钳爪的受力状态不一样，因而所需拉紧油缸的驱动力也不一样。下图（2）为两钳爪式手部机构，由于驱动力 P使一对钳口对被夹持的工件产生两个作用力 N，当忽略工件重量时（即相当于夹紧一块握力表），这两个力大小相等，力 N 称为由驱动力 P 产生的夹紧力。现引入一个称为“当量夹紧力”的概念，所谓当量夹紧力，就

17、是指把重量为 G 的工件，按某一方位夹紧可以求得其拉紧油缸具有的最小驱动力，这个最小驱动力所能产生的夹紧力，就称为工件在这个方位的当量夹紧力。当量夹紧力的数值与具体的手部机构方案无关。只与工件的重量 G 和它相对与钳爪的放置方位有关。证明如下：（1）首先求驱动力 P 与夹紧力 N 的关系。当驱动力推动活塞杆移动一小段距离 dy 时，两个钳爪-都相应产生一微小转角 d，依据虚功原理，驱动力 P 所做功（Pdy）和夹紧力 N 所做功应相等，即 NbdNbdPdy N=bdPdy2（3-1）（2）当量夹紧力与工件重量之关系。当钳爪水平夹紧重为 G 的工件时，根据工件的平衡条件F=0可得 R1=R2+

18、G 可以看出，上下钳爪对工件的夹紧力并不相等，且随驱动力的增大而增大，但 R1和 R2的差值永远为工件之重量 G，如 R2=0，R1=G，驱动力最小。这个最小驱动力可以由下述方法求出：bdRbdRdyP21 将 R1=G，R2=0 代入上式得 dydGbP （3-2）由P所产生的夹紧力N，即当量夹紧力。将（2-10）式代入（2-9）式得 2212GddybdydGbddybpN （3-3）从计算结果可以看出，当量夹紧力N与具体的手部结构方案无关。不同的手部机构的增力倍数特性dyd不一样，而当量夹紧力与dyd无关，只与工件的重量和它相对于钳爪的放置方位有关。手指对工件的夹紧力可按公式计算：N=k

19、3G 式中，N夹持工件时所需的握力；K3工位系数 G被抓取工件所受重力（N）。工件在传送过程中还会产生惯性力、振动以及受到传力机构效率等的影响，故而实际握力应按以下计算：N实21KKN 式中，手部的机械效率，一般=0.850.95；k1安全系数，一般取 k1=1.22；k2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下式估21bKa 其中 a，重力方向的最大上升加速度；maxvbt响 t响系统达到最高速度的时间，一般选取 0.030.5s-maxv运载时工件最大上升速度 计算：设 a=100mm,G=558N，机械手达到最高响应时间为 0.5s，求夹紧力NF 设11.5K 21bKa =0.1

20、0.519.8=1.02 根据公式，将已知条件带入：k3 取 0.5 NF=1.5x1.02x588x0.5=449.8N 3.3 夹紧缸驱动力的计算 1.根据驱动力公式得：202 100cos30449.850F计算=1378N （3）取0.85 137816210.85FFN计算实际 （4）确定液压缸的直径 D 224FDdp实际 选取活塞杆直径 d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力 P=0.81MPa，取 P=0.8MPa 6244 16210.05870.8 100.751 0.5Fp实际m 根据表 4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm 则活塞杆外径为:D=63

21、0.5=31.5mm，选取 d=32mm 2.抓取机构的定位误差分析 图（7）所示的为一支点回转型手指的示意图。图示情况为分别夹持两种不同直径的工件时的情况。其中，ABl为手指长度，即手指的回转中心 A 到 V 形槽顶点 B 之间的距离；2为 V 形槽的夹角；为偏转角，即 V 形槽的角平分线 BC 与手指 AB 间的夹角；R 为工件的半径。-图（7）工件的中心 C 与手指的回转中心 A 之间的距离 x 可由下式求得：cossin2sincos222222RlRlllllxABABBCABBCAB 将上式整理后得 2222sincossinsin1ABABllRx 或 1sinsincossin

22、sin2222ABABABllRlx 此式为双曲线方程，其曲线如图所示。图中曲线表示了 X 随 R 变化的关系，而且 X 的变化是以 R0为分界线左右对称的。当工件的半径由 Rmax 变化到 Rmin 时，X 的最大变化量即为定位误差，其值为 cossinmin2sinmincossinmax2sinmax2222RlRlRlRlABABABAB-在设计手指时，只要给定手指的长度ABl，选取合适的偏转角，即可根据工件的最大直径 Rmax和最小直径 Rmin 确定定位误差。为了减少定位误差，可加大手指的长度，会使结构增大，重量增加。另外，选择最佳的偏转角，也可使定位误差最小。当 R 等于平均半径

23、 Rm2minmax RRRm时，定位误差最小，此时 eleRlRleleRlRlABABABABABABsincossinmin2sinminsincossinmax2sinmaxmin2222 式中，e最佳偏转角。3.液压缸壁厚的计算 对于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算：2Dpp 式中，液压缸缸筒厚度（mm）；pp试验压力（MPa），工作压力 p16MPa 时，pp=1.5p；工作压力 p16MPa 时，pp=1.25p，由于本次设计的液压系统压力为 2.5MPa，故pp=1.52.5=3.75Mpa；D液压缸内径（mm）；缸材料体的许用应力（MPa）：-nb b缸体材料的抗拉强

24、度（MPa）；n安全系数，n=3.55，一般取 n=5。对于：锻钢 =100120 MPa 铸钢 =100110 MPa 钢管 =100110 MPa 铸铁 =60 MPa 现 选用铸铁材料，=60Mpa。将以知数据代入上式得 mm625.06022075.3 因结构设计需要，取=10mm。4.液压缸外径 D0及长度 l 的计算 83mm=102+63=2+D=D0 L（23）D0，由结构需要确定，取 l=60mm。5.液压缸行程 S 的确定 根据课题要求以及机构的运动要求查【5】按 GB/T2349-1980 标准系列确定液压缸活塞行程为450mm。-四 机械手手腕的设计 机械手手腕是机械手

25、操作机的最末端，与手爪相连接，它与机械手手臂配合，使手爪在空间运动，完成所需要的作业动作。4.1 手腕结构的设计要求、由于手腕安装在机械手末端，因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。、根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。一般情况下，自由度数目愈多，腕部的灵活性愈高，对对作业的适应能力也愈强。但自由度的增加，必然使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。、为实现腕部的通用性，要求有标准的连接法兰，以便于和不同的机械手手爪进行连接。、为保证工作时力的传递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。、要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回

26、间隙，提高传动精度。、手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。4.2 具体设计方案 在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3 个自由度来实现完全足够。具体的手腕（活塞杆端部齿条，中间齿轮及扇形齿条）结构见图 2-4。五机械手的手臂和机身的设计-5.1 手臂和机身的方案 手臂部件（简称臂部或手臂）是机械手的主要执行部分，其作用是支承手腕及抓取机构（包括被抓取的工件或工具），有时其他一些装置如传动机构或驱动装置也安装在手臂上。机身则直接支承和带动手臂部件，并实现手臂

27、的回转、升降、俯仰等运动。因此，手臂的送放运动越多，机身的结构和受力状况也越复杂。设计手臂和机身时应注意以下几个问题：1）刚度 刚体是指手臂和机身在外力作用下抵抗变形的能力。由于机械手的手臂一般都要悬伸（水平或垂直悬伸），因而手臂和机身的刚度十分重要。手臂的悬伸量越大，刚度越差，而且刚度岁悬伸距离的变化而不断变化，因而悬伸量对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力都有很大的影响。为了提高手臂的刚度，除了尽量缩短手臂的悬伸量外，还应合理地选择使手臂抗弯扭能力强的手臂截面形状，并合理地确定手臂的壁厚和材质，以及合理地布置受力构件的位置和方向。2）精度 机械手的精度最终反映在手部的位置精度上，在很大程

28、度上取决与手臂和机身的精度。影响手臂和机身的精度的因素较多，主要有本身的刚度、手部和腕部与手臂的连接刚度，以及手臂和机身运动的导向装置和定位装置的精度等。3）平稳性 手臂和机身的质量较大，其运动速度和负荷也较大，因而产生的冲击和振动也较大。因此，它们的工作平稳性十分重要，将直接影响到机械手的工作质量和寿命，在设计时应予以足够的重视。在设计时除了力求结构合理、紧凑、重量轻、惯性小以外，还应采取有效的缓冲措施，以便吸收冲击能量，提高机械手的工作平稳性。4）其他要求 对于一些在特殊条件下工作的机械手，设计时应满足其他特殊的要求。例如：在高温环境工作时，应考虑热辐射的影响；在腐蚀性介质环境下工作时，应

29、考虑防腐蚀措施；在多用途作业环境下工作时，应考虑控制、检测、维修方便等等。臂和机身的配置 臂和机身的配置形式反映了机械手的总体布置形式，主要取决与机械手的工作要求、运动形式和作业环境，大致上可归纳为以下几种：1）立柱式 这种配置形式适合于回转型、俯仰型或屈伸型机械手，因而是一种最常见的配置形式。这种配置形式的手臂可以在水平面内回转，具有占地面积小、工作范围大的特点。立柱可以安装在生产线-上，为一台机车服务，也可以在其上加装行走装置，为多台机床服务。立柱式配置形式的机械手可以做成单臂的，也可以作成双臂的。后者通过两臂同时升降、交臂伸缩，实现一手上料，一手下料，使结构简单紧凑。2）机座式 机座式配

30、置形式的机身设计成机座的形式，独立自成系统，便于安装和搬动。也可在机座上增设行走装置，使机座能在地面专用轨道上移动。这种配置形式的手臂装在机座的顶端，适合于回转型或俯仰型机械手。这种配置形式的机械手也可以做成双臂的或多臂的，以便同时为几台机床服务。3）屈伸式 屈伸式配置形式的小臂相对于大臂可以作屈伸运动，大臂又可相对于机身作回转和俯仰运动。因此，手臂夹持中心的运动轨迹为一空间曲线。这种配置形式能有效地利用空间，并能绕过障碍物夹持和送放工件，但使机械手的结构较复杂。4）悬挂式 悬挂式配置形式的机身设有横梁，用于悬挂手臂，这种配置形式主要用于直角坐标式机械手。横梁可设计成固定的，也可以设计成移动的

31、。一般情况下，横梁可安放在厂房原有的建筑物上。本机械手机身采用机座式，手臂运动的导向装置为双导向杆式，两导向杆对称配置在驱动油缸的两侧。5.2 手臂驱动力的计算 计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，要把臂部所受的全部负荷考虑进去。机械手工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等。手臂水平伸缩运动时的驱动力计算 下图（13）所示的为手臂作水平伸缩运动时的受力分析。-图（13）当压力油输入工作腔时，活塞驱动手臂前伸。其驱动力应克服手臂在前伸启动时所产生的惯性力、手臂运动部件与密封装置的摩擦阻力，以及回油腔的压力（即负压）。因此，驱动力为 背封摩惯PPPPP 式中，惯P手臂启动过程中的惯性力；

32、摩P摩擦阻力（包括导向装置和活塞与缸体之间的摩擦阻力）；封P密封装置处的摩擦阻力，用不同形式的密封装置，其摩擦阻力不同；背P油缸非工作腔的压力（即背压）所造成的阻力，若非工作腔与油箱或大气相通，则背P=0。手臂摩擦力的分析与计算 分析：摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。-图 5.1 机械手臂部受力示意 计算如下：由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。0AM bG LaF总 得 bG LFa总 0Y baGFF总 得 aLaFGa总 ababFFFF

33、F摩摩摩 2LaFGa总摩 (5.2)式中 G总参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算;a导向支撑的长度（m）;当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面：41.271.572 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：-图 5.2 双作用液压缸示意图 当油进入无杆腔，214DFFp 当油进入有杆腔中，2224DdFFp 液压缸的有效面积：1FSp 故有：1141.13FFDpp （无杆腔）(5.4)214FDdp （有杆腔）(5.5)F=6210N，1p=62 10 pa，选择机械效率0.95 将有关数据代

34、入：611462101.131.130.064600.95 2 10FFDmpp 根据表 4-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择 D=65mm.（2）液压缸外径的设计 根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在 7mm，所以该液压缸的外径为 79mm.（3）活塞杆的计算校核 活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长 L 大于直径 d 的 15倍以上，按拉、压强度计算：-24Fd (5.6)设计中活塞杆取材料为碳刚，故 100120Mpa，活塞直径 d=20mm,L=1360mm,现在进行校核。6622621019.8 10100 100.0244FMpad

35、结论：活塞杆的强度足够。5.4 手臂作回转运动时的驱动力矩计算 手臂回转缸的回转驱动力矩M驱，应该与手臂运动时所产生的惯性，力矩M惯及各密封装置处的摩擦阻力矩M阻相平衡：MMMM驱阻回惯 (6.1)惯性力矩的计算：00MJJt惯 (6.2)式中 回转缸动片角速度变化量（rad s），在起动过程中=；t起动过程的时间(s);0J手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（2N m s）。若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则 20cGJJg (6.3)式中 cJ回转零件的重心的转动惯量。22312zcJm lR (6.4)回转部件可以等效为一个长 1800mm，直径为 60mm 的圆柱体，质

36、量为 159.2Kg.设置起动角度=180，则起动角速度=0.314rad s，起动时间设计为 0.1s。222312 43zcJmlRN ms -2201495cGJJN m sg000.314=14950.1MJJt惯4694.32N m s 密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下M阻=0.03M驱，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。经过以上的计算M驱=4839.52N m s（1）回转缸尺寸的初步确定 设计回转缸的静片和动片宽 b=60mm，选择液压缸的工作压强为 8Mpa。d 为输出轴与动片连接处的直径，设 d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算：28MDd驱bp (6.5)D=

37、151mm 既设计液压缸的内径为 150mm,根据表 4.2 选择液压缸的基本外径尺寸 180mm(不是最终尺寸)，再经过配合等条件的考虑。（2）液压缸盖螺钉的计算 根据表 4.3 所示，因为回转缸的工作压力为 8Mpa,所以螺钉间距 t 小于 80mm,根据初步估算：3.14 150471LDmm，t 47178.56LtZ,所以缸盖螺钉的数目为（一个面 6 个，两个面是 12 个）。危险截面222220.150.050.01574SRrm 所以，QF 20933PSNZ SQQFKF1.51.8K =1.52093331400SQQFKFN 所以0=20933+31400=52333NQF

38、 螺钉材料选择 Q235，则 2401.2sn200MPa（1.22.5n）螺钉的直径 064 1.34 1.3 523330.0203.14 200 10QFdm -螺钉的直径选择 d=20mm.选择 M20 的开槽盘头螺钉。经过以上的计算，需要螺钉来连接，最终确定的液压缸的截面尺寸如图 5.2 所示，内径为 150mm，外径为 230mm，输出轴径为 50mm 静片动片连接螺栓液压缸盖连接螺钉图 6.2 回转缸的截面图 5.5 手臂作俯仰运动时的驱动力矩计算 下图（14）所示为手臂作俯仰运动时的受力分析图。图（14）由图可知，当手臂与水平线成仰角1 和俯角2 时，铰接活塞缸的驱动力 P 的

39、作用线与垂直线-的夹角 a 在 a1 与 a2 的范围内变化。而作用在活塞上的驱动力通过连杆机构产生的驱动力矩与手臂的俯仰角有关，当手臂处在仰角为1 的位置 OA1 时，驱动力矩为)cos(11 PbM 因为 CBDADOCBDODAtg1111111 而 11cosbCB11sinbcDO 所以 111sincosbcbarctg 111sincoscosbcbarctgPbM 而 背封PPPDP42 式中，a,b,c机械手的结构尺寸（参见图 14）；P作用于活塞上的驱动力；P液压缸的工作压力；D活塞缸的内径；封P密封装置的摩擦阻力；背P非工作腔的油压（背压），当非工作腔通油箱或大气时，背P

40、=0。当手臂处在俯仰2 的位置 OA2 时，驱动力矩为)cos(22 PbM 因为 ECCOEAEOEAtg12122 而 2222cosbOCOBCBEA cCO1 222sinbBAEC 所以 222sincosbcbarctg-六 液压系统的设计 本次所设计的机械手 3 个自由度，即主运动有 3 个自由度（手臂的伸缩、回转、俯仰）分别由一个直动液压和两个回转液压缸来实现。机械手液压系统的工作原理图如下图所示：-6.1 液压缸参数确定 液压缸工作载荷的确定 R=Rt+RfRm Rt=RwRg 式中，R液压缸的工作载荷；Rw液压缸轴线方向上的外作用力；Rg液压缸轴线方向上的重力；Rf运动部件

41、的摩擦力；Rm运动部件的惯性力。非标准机械的液压缸设计，按实际计算出工作压力后，还应符合液压缸额定工作压力系列标准规定（JB2183-77），本设计确定的系统工作压力为 2.5Mpa。液压缸推力的确定 当液压缸工作压力确定之后，即可计算出液压缸的推力。对于活塞式液压缸，液压缸的推力为 P=pA 式中，p系统的工作压力；A活塞的有效工作面积。-.液压缸流量的计算 液压缸的工作流量为 q=Av 式中，v液压缸或活塞杆的速度；A液压缸的有效工作面积。因此，只要确定出液压缸的直径 D，就可求出活塞或液压缸的有效工作面积，从而可求得液压缸的推力和流量。或者，根据各缸的实际工作载荷 P，先求出活塞或液压缸

42、的有效工作面积 A，再确定各缸的直径 D。6.2.液压缸基本尺寸的确定 1）活塞缸直径 D 的确定 无杆腔工作时：D=)()(4212221pppdPPRm 有杆腔工作时：D=)()(4211221pppdPPRm 式中，1P系统的工作压力，1P=2.5Mpa；2P回油腔的压力；m机械效率，一般取m=0.95；R液压缸的工作载荷；d活塞杆的直径。按上式计算后，还应按 JB2183-77 取规定系列的直径值。2）活塞杆直径 d 的确定 活塞杆直径可按工作压力确定，对于常用速比的液压缸也可根据已定的缸径 D 查下表：液压缸工作压力（MPa）5 57 7 活塞杆直径 d （0.50.6）D （0.6

43、0.7）D 0.7D 另外，当液压缸速度在 610 m/s 左右时，也可按活塞往返的工作速度之比来确定活塞杆直径：d=D1，其中=12vv 速比与工作压力有如下关系：-工作压力（MPa）1.0 1.2520 20 速比 1.33 1.462 2 3）液压缸壁厚的确定=2Dpp 式中，pp试验压力；D 液压缸直径；缸体材料的许用应力。4）液压缸外径 D0及长度 l 的确定 D0=D+2 l（2030）D0 缸体长度 l 根据上式由活塞行程来确定，并注意缸体的制造工艺性和经济性。七 控制系统的设计 7.1 操作方式-机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。1.手动操作：就是用按钮作机械手的每一

44、步运动进行单独的控制。当选择升降按钮时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手上升。当选择正转/逆转按钮时，按下启动按钮，机械手顺时针转动，而按下停止按钮时，机械手逆时针转动。同理，当选择夹紧/放松按钮时，按下启动按钮，机械手爪夹紧，而按下停止按钮时，手爪松开。2.自动操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手的动作将自动的、连续的周期性循环。在工作中若按下停止按钮，机械手将继续完成一个周期动作后，回到原点位置。7.2 工艺过程与控制要求 机械手的动作有腰座的旋转，手臂的府仰，水平手臂的伸缩及手爪的夹紧与松开。手臂府仰和水平伸缩由液压实现驱动；手爪的夹紧与放松，通过柱塞缸与齿轮来实

45、现；腰座旋转通过步进电动机与齿轮来实现。其中，液压缸由相应的电磁阀控制，府仰分别由双线圈的两位电磁阀控制，当下降电磁阀通电时，机械手下降；断电时，机械手下降停止；当上升电磁阀通电时，机械手上升；断电时，机械手上升停止。而水平方向的伸缩主要由电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器构成的回路进行调节控制。实现执行手爪夹紧与放松的柱塞缸，由单线圈的电磁阀（夹紧电磁阀）来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，手爪闭合。当机械手旋转到机床上方，并准备下降进行上下料工作时，为了确保安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才允许机械手下降进行作业。

46、同时，从工件料架上抓取工件时，也要先判断料架上有无工件可取。7.3 作业流程 机械手工作流程如图所示：-从原点开始，按下启动键，且有上下料命令，则水平液压缸开始前伸并进行伺服定位，前伸到位后，停止前伸；下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同时张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同时手爪夹紧，抓住工件；上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；PLC开始输出高速脉冲，驱动机械手逆时针转动，当转过 90 度到位后，PLC 停止输出脉冲，机械手停止转动；接着下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后，碰到下限行程

47、开关，下降电磁阀断电，下降停止，机械手到达卡盘中心高度；机械手开始水平定位后缩，将工件装入机床卡盘；当工件装入到位后，卡盘收紧；机械手松开手爪，准备离开；接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；PLC 启动高速脉冲驱动机械手作顺时针转动，当转过 90 度到位后，PLC 停止输出脉冲，机械手停止转动，机械手回到原点待命；机床进行加工。当数控机床加工完一个工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，PLC 马上输出脉冲驱动机械手逆时针转动，当转过 90 度到位后，PLC 停止输出脉冲，机械手停止转动；下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，

48、机械手下降且张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止且手爪夹紧，夹紧已加工好的工件；机床卡盘松开；机械手开始前伸，将工件从机床上取出，准备运走；上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；PLC 输出高速脉冲，驱动机械手顺时针转动，当转过 90度到位后，PLC 停止输出脉冲，机械手停止转动；下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止；接着手爪柱塞缸电磁阀通电，手爪张开，放下工件准备离开；接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同时手爪也闭合复原；

49、接着机械手水平手臂开始后缩，准备回原点，当后缩到位时，后缩停止，机械手回到原点，一个上下料过程结束；机械手在原点等待命令，准备下一个工作循环。机械手的每次循环都从原点位置开始动作。7.4 I/O 地址分配 机械手控制系统所采用的 PLC 是德国西门子生产的 S7-200 CPU 214,图 5-2 是S7-200 CPU 214 输入/输出端子地址分配图。该机械手控制系统共使用了 17 个输入量，8 个输出量。详细参见表：-结论 本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业

50、毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。-机械手采用可编程序控制器控制,可以实行手动调整、手动及自动控制。系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。PLC 有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对 I/O 点的接线稍作修改，或对 I/O 重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。综上，经过资料的收集、方案的选择比较和论证，到分析计算，再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大学四本科阶段的知识有了一个整体的深层次的理解