工业机械手设计说明书

1工业机械手设计--指导老师：郝健组员：******1目录第一章引言第二章机械手的整体设计方案第三章手爪结构设计第四章手腕结构设计第五章机械手伸缩，升降，回转液压缸的尺寸设计与校核第六章气动系统设计第七章机械手的PLC控制系统设计1第一章引言1.1工业机械手概述机械手的结构形式比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。液压传动机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。液压技术有以下优点:（1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速；（3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；（4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制；（5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；（6）操纵控制简便，自动化程度高；（7）容易实现过载保护。1.2液压机械手的设计要求1.2.2课题的设计要求本课题将要完成的主要任务如下:(1)机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。(2)选取机械手的座标型式和自由度。(3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计，可以应用于夹持式手爪来抓取棒状物体等。(4)液压传动系统的设计本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括液压元器件的选取，液压回路的设计。2(5)机械手的控制系统的设计本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。1.3机械手的系统工作原理及组成机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。图1-1机械手的系统工作原理框图机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。1、手爪控制系统（PLC）驱动系统（液压传动）执行机构位置检测装置手爪手腕手臂立柱3即与物件接触的部件。在本课题中我们采用夹持式手爪结构。夹持式手部由手爪和传力机构所构成。手爪是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:连杆杠杆式和重力式等。2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)3、手臂手臂是支承被抓物件、手爪、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手爪去抓取物件，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(如液压缸等)与驱动源(如液压等)相配合，以实现手臂的各种运动。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。5、底座底座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于底座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、机械传动。(三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定4位置。第二章机械手的整体设计方案对液压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。设计液压机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，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;尽量选用定型的标准组件，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通用液压上下料机械手（如图2-1所示），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搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。5图2-1机械手的整体机械结构2.1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、伸缩、夹紧与松开、旋转及左右回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有五个自由度。2.2机械手的手部结构方案设计为了使机械手更好地夹持物料，将其手部设计成类似V字形状，这样就能更稳固地夹住棒状产品（如保温杯）。2.3机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。2.4机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有两个自由度，即左右回转和升降。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，手臂的各种运动由液压缸来实现。2.5机械手的驱动方案设计由于液压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用液压传动方式。2.6机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.7机械手的主要技术参数一.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用液压方式驱动，因此考虑抓取的物6体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为2.5公斤。二.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为sm/0.1。最大回转速度设计为s/90。平均移动速度为sm/8.0。平均回转速度为s/60。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为mm1400。手臂升降行程定为mm120。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为mm1。三.用途:用于自动输送线的上下料。四．设计技术参数:1、抓重2.5kg2、自由度数5个自由度3、座标型式圆柱座标4、最大工作半径mm14005、手臂最大中心高mm12506、手臂运动参数伸缩行程mm1200伸缩速度smm/400升降行程mm120升降速度smm/250回转范围1800回转速度s/907、手腕运动参数回转范围1800回转速度s/908、手指夹持范围棒料:mmmm150809、定位方式行程开关或可调机械挡块等10、定位精度mm111、驱动方式液压传动712、控制方式点位程序控制(采用PLC)第三章手爪结构设计3.1夹持式手部结构夹持式手部结构由手爪和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜弹簧杠杆式等。3.1.1手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、其中以二支点回转型为基本型式。3.1.2设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手爪的握力时，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爪张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手爪的开闭角。手爪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。(三)保证工件准确定位为使手爪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爪结构是一支点，两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。3.1.3手部夹紧液压缸的设计1、手部驱动力计算其工件重量G=2.5公斤，V形手指的角度1202，mmRmmb24120,摩擦系数为10.0f(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:8Rbp2N(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:)(5.0tgN)(25)42560(55.0'Ntg所以Rbp2N)(245N(3)实际驱动力:21KKpp实际1、因为传力机构为气动传动，故取94.0，并取5.11K。若被抓取工件的最大加速度取ga3时，则:412gaK所以)(156394.045.1245Np实际所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为N1563。2、液压缸的直径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:ztFFPDF421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，Pa弹簧反作用按下式计算:)1(sGFftnDGdGf31419Gf=nDGd31418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-弹簧材料剪切模量，一般取PaG9104.79在设计中，必须考虑负载率的影响，则:tFpDF421由以上分析得单向作用液压缸的直径:pFtFD)(41代入有关数据，可得fGnDGd314184333915)1