程控机械手设计

四川理工学院毕业设计1第一章绪论1.1机械手设计的目的工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要学习环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容的综合设计。通过设计提高自身的机构分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液压一体化系统设计能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过设计，把有关课程（机构分析与综合、机械原理、机械设计、液压与液压动技术、机电控制理论及应用、数控技术、微型计算机原理及应用、机械设计等）中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切地结合起来。因此，工业机械手设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课程设计。工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学生一次比较完整的机电一体化整机设计。通过设计，培养学生独立的机械整机设计的能力，树立正确的设计思想，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法步骤，为自动机械设计打下良好的基础。通过设计，使学生能熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图册规范；熟悉有关国家标准和部颁标准，以完成一个工程技术人员在机械整体设计方面所必须具备的基本技能训练。1.2机械手设计的内容本设计要求能较鲜明地体现机电一体化的设计构思。所谓机电一体化技术，是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。尽管机电一体化的产品名目繁多，并由于它们的功能不同而有不同的形式和复杂程度，但做功的机械本体的部分（包括动力装置）和微电子控制部分是其最基本的、不可或缺的要素。1）拟定整体方案；、2）根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结构；3）各部件的设计计算；第一章绪论24）工业机械手工作装配图的设计与绘制；5）液压压系统图的设计与绘制；6）机械手的运动分析；7）编写设计计算说明书1.3机械手在生产中的作用1、建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线一般都采用机械手在机床之间传送工作。国内已建成的这类自动线很多，如沈阳水泵厂的深井轴承体加工自动线，大连电机厂的4号和5号电动机轴加工自动线，上海拖拉机齿轮厂的齿坯加工自动线等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的液压缸加工自动线转位机械手。2、实现单机自动化方面各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面的应用最多。注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现全自动化生产。冲床有自动上下料循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床机械手的较多。一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间进步。3、铸、锻、焊、热处理等热加工方面在模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置在炉前，实现进出料自动化。工业机械手满足了社会生产的需要，其主要特点是：1)对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害液压体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。2)机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。3)由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免四川理工学院毕业设计3人为的操作错误。4)机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需杂。5)采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。1.4机械手的分类一、规格分类1）微型的——搬运重量在1Kg下。2）小型的——搬运重量在10Kg下。3）中型的——搬运重量在50Kg下。4）大型的——搬运重量在500Kg下。二、按功能分类1、简易型工业机械手有固定程序和可变程序两种。固定程序由凸轮转鼓或挡块转鼓控制，可变程序用插销板或转鼓控制给定程序。2、记忆型再型工业机械手3、计算机数子控制的工业机械手。4、智能工业机械手。三、按用途分类1、专用机械手2、通用机械手具有独立控制系统，程序可变、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大，定位精度高，能用性强，适用于工偷看经常变换的中、小批量自动化生产。1．5机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测等所组成。各系统相互之间的关系如下方框图所示：图2-1系统组成图第一章绪论4一、执行机构1、执行机构由抓取部分手部、腕部和行走机构等运动部件组成。2、根据设计任务书要求，手臂自由度数为三个，选用直角坐标系。3、直角坐标系占空间大，工作范围小，惯性大，所以一般不采用，根据任务书原始数据和给出的自由度数，因其自由度数较少故选用之。4、行走机构，直角式坐标式。手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件，手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件与驱动源相配合，以实现手臂的各种运动。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确的方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。二、驱动机构有液压动、液动、电动和机械四种形式。根据设计任务书要求，选用液压动式驱动，因其速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下，根据设计要求，满足设计需要。三、控制系统有点位控制和连续控制两种方式。大数数采用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘碰带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速特性。四、基体基体是整个机械手的基础。四川理工学院毕业设计5第二章机械手总体设计方案2.1机械手的设计方案对程控通用机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计液压动机械手的原则是：充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，制定最倒是的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量先用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械手是程控通用机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动手动或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。2.2机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。图2-1工业机械手的运动示意图第二章机械手总体设计方案62.3机械手设计参数一、机械手的规格参数，是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：1）抓重：额定抓取重量或称额定负荷，单位为Kg；任务书给出抓取种为30Kg。2）自由度数数目和坐标形式：任务书给定自由度数为4个，坐标形式给定为圆柱座标。3）定位方式：由电液压定位系统控制电磁阀为“O”型机能使油缸惯性定位。4）驱动方式：液压驱动。5）手臂运动参数：手臂运动参数：伸缩行程:800毫米；伸缩速度：250mm/秒；升降行程:330毫米；升降速度：60mm/秒；回转范围：0°-210°；回转速度：70°/秒；手腕运动参数：回转范围：0°-180°；回转速度：90°/秒；当手臂的运动速度很高时，手臂在起动和制动过程中会产生很大的冲击和振动，这会影响手臂的定位精度。因此，手臂运动速度应根据生产节拍时间的长短、生产过程的平稳性和精度等要求来确定。6）手指夹持范围和握力：φ65-85φmm;握力：400N。7）位置检测：用电位器反馈式；8）缓冲方式：用节流阀减速缓冲；9）定位精度：位置设定精度及重复定位精度±3mm。10）控制方式：采用HTL集成电路可编程序控制；11）程序步数：每循环程序步数不少于32步；四川理工学院毕业设计7图2-2圆柱坐标式运动简图第三章机械手手部、腕部、手臂设计8第三章机械手手部、腕部、手臂设计3.1机械手手部结构设计3.1.1机械手手部设计方案应具有适当的夹紧力和驱动力手指握力大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件夹持安全可靠。而对手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力大小是不同的。手指应具有一定的开闭范围手指应具有足够的开闭和开闭距离，以便于抓取和退出工件。应保证工件在手指内的夹持精度应保证每个被夹持的工件，在手指内都有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。要求结构紧凑、重量轻、效率高在保证本身风度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。考虑机械手的通用性和特殊要求因为一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和开关的工件需要，通常采取手指可调整的办法。如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、以承受锻锤冲击力等。3.1.2机械手手部的计算分析需夹紧工件重量G=30公斤。V形手指的角度1202，mmRmmb24120,摩擦系数为10.0f1、夹紧力计算手指在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来产，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化产生的载荷，以使工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算：四川理工学院毕业设计9GKKKFN321(3-1)式中1K--安全系数，通常取1.2~2.0.2K--工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。2K可近似按下式计算：2K=1+(3-2)其中：a——运载工件时重力方向的最大上升加速度；g——重力加速度；a=式中：maxV——运载工件时重力方向的最大上升速度；响t——系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取。3K——方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。G——被抓取工件所受的重力（1）根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:N(3-3)(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:)(5.0tgN(3-4)所以N)(1470N2、机械手手部夹紧液压缸的计算1）夹紧缸的直径计算本液压缸属于单向作用液压缸。根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:(3-6)式中:1F-活塞杆上的推力，NtF-弹簧反作用力，NzF-液压缸工作时的总阻力，NP-液压缸工作压力，Paga响tVmaxRbp2)(150)42560(305.0'NtgztFFPDF421第三章机械手手部、腕部、手臂设计10弹簧反作用按下式计算:)1(sGFft(3-7)fG=式中:fG-弹簧刚度，N/m1-弹簧预压缩量，ms-活塞行程，m1d-弹簧钢丝直径，m1D-弹簧平均直径，.n-弹簧有效圈数.G-弹簧材料