上下料機械手的設計

上下料機械手的設計,上下料機械手的設計,上下,機械手,設計 題目：上下料機械手的設計 姓名： 學號： 專業(yè)：機械設計制造及其自動化 指導老師： 職稱：副教授 時間：二〇〇八年四月五號 上下料機械手的設計 1 、科學依據 ? 課題的科學意義 通過設計出上下料機械手來提高工作效率，降低工人的工作強度，使我們的工廠向無人化、機械化、高效化發(fā)展。通過設計，培養(yǎng)學生調研、文獻檢索及應用的獨立工作能力，使學生掌握機電系統(tǒng)的監(jiān)控的一般方法及步驟，熟練掌握各類資料、手冊以及計算機等工具的使用方法，提高學生的自學能力、動手能力與創(chuàng)新能力。 ? 課題的提出 進入21世紀，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海還出現在大量的缺工現象，迫切要求我們提高勞動生產率，降低工人的勞動強度，提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行，本設計的目的就是設計一個氣動上下料機械手，應用于工業(yè)自動化生產線，實現自動化生產，減輕產業(yè)工人大量的重復性勞動，同時又可以提高勞動生產率。 現在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點: 1) 液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。 2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 3）因液壓脈動和液體中混入空氣，易產生噪聲。 4）為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護需要較高技術水平。鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動。 氣動技術有以下優(yōu)點: 1）介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器:介質清潔，管道不易堵存在介質變質及補充的問題。 2）動作迅速，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現過載保護，便于自動控制。 3）能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。 2、 研究內容 本課題將要完成的主要內容如下： 1)廣泛收集相關資料，擬定多種設計方案，并比較其優(yōu)劣，選擇合理的設計方案。 2） 完成系統(tǒng)機械結構設計，對主要零部件進行計算并校核；設計出機械手的各執(zhí)行機構，包括:手部、手腕、手臂等部件的設計。 3）繪出主要零部件圖及系統(tǒng)裝配圖。 4)完成控制系統(tǒng)的硬件設計，并用計算機繪出電路原理圖；本機械手擬采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號，根據機械手的工作流程編制出PLC程序。 5） 對氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的參數化繪制進行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質量。 3、 擬采取的研究方法、技術路線 首先對上下料機械手進行一個總體設計，形成一個總體概念，再根據機械手要完成的工作按先后順序分部設計。具體如下： 總體方案設計 機械手總體結構設計 機械手液壓驅動系統(tǒng)的計算 計與校核 上下料機械手液壓系統(tǒng)的工作原理 機械手的PLC控制設計 4、本課題進度安排 1）第1-2周 查閱和收集設計資料，完成系統(tǒng)初步設計方案； 2）第3-4周 完成系統(tǒng)的主要零部件設計、計算； 3）第4-5周 繪制系統(tǒng)的主要零部件圖； 4）第6-7周 繪制系統(tǒng)的結構圖； 5）第8周 完成控制系統(tǒng)設計，繪出控制系統(tǒng)原理圖； 6）第9周 編寫設計說明書； 7）第10周 準備答辯。 題目：上下料機械手的設計 姓名：胡文才 學號：043003010324 專業(yè)：機械設計制造及其自動化 指導老師：張錚 職稱：副教授 時間：二〇〇八年四月五號 上下料機械手的設計 前言 機械手是一種能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運對象或操作工具的自動操作裝置。機械手是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著現代技術的高速發(fā)展，無人化操作已逐步取代了原始的工作方式。本文主要討論了上下料機械手的結構設計，繪出了主要零部件圖及系統(tǒng)裝配圖，完成控制系統(tǒng)的硬件設計，并用計算機繪出電路原理圖. 關鍵詞：機械手 結構設計 上下料 Forword Manipulator is a kind of manpower and arms to imitate some of the motor function to crawl at a fixed procedure, removal of the object or operation of the automatic installation tools. Manipulator in the mechanization and automation of the production process to develop a new device. In recent years, as electronic technology, especially the extensive application of the electronic computer, the robot has been the development and production of a high-tech field with the rapid development of a new and emerging technologies, it has more to promote the development of manipulator, making manipulator can better achieve and the mechanization and automation organic integration. It can be a substitute for the arduous work to achieve production mechanization and automation, in the environmentally harmful to operate under the protection of personal safety, thus widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and nuclear energy sectors. With the rapid development of modern technology, unmanned operation, has been gradually replacing the primitive methods of work. This paper mainly discusses the upper and lower material manipulator structural design, drawn map of the main components and system assembly, complete control system hardware design, and drawn by computer circuit schematics. Keywords: manipulator structural design top and bottom anticipate 研究的目的和意義 機械設計制造及其自動化專業(yè)是為了培養(yǎng)從事機械設計、制造行業(yè)的人才而開設的專業(yè)。而工業(yè)機械手課程設計不僅培養(yǎng)設計者對機械的認識、運用能力,而且也增進了對機械工業(yè)發(fā)展的了解和認知。 機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等. 此次設計目的主要是培養(yǎng)我們的機械設計能力，擴展我們的知識結構和幫助我們培養(yǎng)綜合運用能力，是一個從理論向實際轉換的過程。 意義：通過設計出上下料機械手，它可以減輕工人的工作強度，提高工作效率，使我們的工廠逐步向無人化和機械化發(fā)展。 國內外研究狀況 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。 (2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 此外，國內外好多知名企業(yè)也逐步朝著無人化和高效率化這個方向發(fā)展。 文獻給我們的啟示 隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動.通過查找資料和不斷思考，上下料機械手在當今這個飛速發(fā)展的時代起著越來越重要的作用。做畢業(yè)設計是一個長期的學習過程，需要我們不斷的去思考，去挖掘有用的知識。這也是一個從理論向實踐的轉換過程。 參考文獻 [1]張建民.工業(yè)機器人.北京:北京理工大學出版社，1988 [2]蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機器人技術，2001, 4 [3]金茂青，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機器人發(fā)展勢態(tài)分析.機器人技術與應用 ， 2001 [4]王雄耀.近代氣動機器人(氣動機械手)的發(fā)展及應用.液壓氣動與密封，1999, 5 [5]嚴學高，孟正大.機器人原理.南京:東南大學出版社，1992 [6]機械設計師手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1986 [7]黃錫愷，鄭文偉.機械原理.北京:人民教育出版社，1981 [8]成大先.機械設計圖冊.北京:化學工業(yè)出版社 [9]鄭洪生.氣壓傳動及控制.北京:機械工業(yè)出版社，1987 [10]吳振順.氣壓傳動與控制.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1995 目 錄 前言………………………………………………………………………… 1 第一章 緒論…………………………………………………………………3 1.1 工業(yè)機械人概述……………………………………………………3 1.2 上下料機械手的組成和分類………………………………………4 1.2.1機械手的組成 ………………………………………………4 1.2.2機械手的分類 ………………………………………………5 第二章 總體方案的設計……………………………………………………7 2.1 工業(yè)機械手的傳動方案設計………………………………………7 2.2 主要技術指標的確定………………………………………………7 2.3 上下料機械手的動作順序及其控制要求…………………………8 第三章 機械手的機械結構設計………………………………………… 10 3.1上下料機械手的機械結構組成……………………………………10 3.2機械手的手臂設計…………………………………………………10 3.2.1 手臂的作用和組成 ……………………………………… 10 3.2.2 對設計手臂的要求…………………………………………10 3.2.3 手臂驅動力的計算…………………………………………11 3.2.4 臂部直升降運動驅動力的計算……………………………12 3.2.5 臂部回轉運動的計算………………………………………12 3.2.6 升降柱不自鎖的條件………………………………………13 3.3機械手的機身設計…………………………………………………14 3.3.1 機身的作用…………………………………………………14 3.3.2 機身設計時應注意的事項…………………………………14 第四章 機械手液壓驅動系統(tǒng)的選擇與計算…………………………… 15 4.1手臂伸縮油缸的選擇及計算………………………………………15 4.1.1 手臂伸縮油缸的及計算……………………………………15 4.1.2 手臂伸縮油缸的選擇及計算………………………………16 第五章 自動上料機械手液壓系統(tǒng)各項工作原理……………………… 18 5.1 液壓系統(tǒng)的組成………………………………………………… 18 5.2 液壓傳動系統(tǒng)機械手的特點………………………………………18 5.3 自動上料機械手的緩沖和定位……………………………………19 5.4 油缸泄露問題與密封裝置…………………………………………19 第六章 PLC 控制系統(tǒng)……………………………………………………21 6.1機械手PLC 控制系統(tǒng)上下料編程指令……………………………21 致 謝 ………………………………………………………………………22 參考文獻……………………………………………………………………22 前 言 隨著市場經濟體制的建立，科技進步和產業(yè)機構的調整，機械行業(yè)對高級應用型人才的綜合能力要求越來越高，創(chuàng)新是技術和經濟發(fā)展的動力，是國民經濟發(fā)展的重要因素。當今世界各國之間在政治、經濟、軍事和科技方面的劇烈競爭，實際上是人才的競爭。 機械手是在機械化，自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械人的研制和生產已成為高技術鄰域內，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并廣泛地得到了應用。 機械手是一種能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運對象或操作工具的自動操作裝置。機械手是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著現代技術的高速發(fā)展，無人化操作已逐步取代了原始的工作方式。 本論文的編寫兼顧了理論基礎和實踐兩個方面，使用了簡潔明了的語言，避免了晦澀難懂的理論分析，同時應用了大量的機械結構簡圖，力求做到通俗易懂且內容全面，實用性強。? 由于本人編寫水平有限，經驗不足，說明書中難免有錯誤和欠妥之處，懇請指正。 編者 2008年5月 內容摘要： 本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類。本文對機械手進行總體方案設計，確定了機械手的轉動方案，確定了機械手的技術參數。同時，計算出了回轉油缸的驅動力矩，設計了機械手的手臂結構。詳細計算出機械手液壓驅動系統(tǒng)的各個技術參數，利用可編程序控制器對機械手進行控制，根據機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，并繪制了可編程序控制器的控制程序。 關鍵詞 機械手，液壓，可編程序控制器（PLC） Abstract This paper briefly introduced the concept of indu- strial robot, and their composition and classification.In this paper, the mechanical design of the overall plan in order to determine the manipulator rotation programme and determine the technical parameters of the manipulator. At the same time, calculated the driven torque of the rotary fuel tank torque. Designed arm structure of a manipulator. The detailed cal- culations to manipulator hydraulic drive system for various technicalparameters, using programmable logic controller to control the mechanical hand, according to the workflow mani- pulator developed a PLC control programme, and the mapping of the PLC Control procedures. Keywords manipulator, hydraulic, programmable logic controller (PLC) 第一章 緒 論 1.1 工業(yè)機械人概述 工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為“上下料機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產;尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 1.2 上下料機械手的組成和分類 1.2.1機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。 (一)執(zhí)行機構 包括手部、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手。在本課題中我們采用吸附式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.上下料機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。 3、行走機構 當上下料機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現上下料機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。 4、機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動上下料機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著上下料機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前上下料機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 1.2.2 機械手的分類 上下料機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (一)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 1、專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產的自動換刀機械手，如自動線的上、下料機械手和‘加工中心”。 2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現連續(xù)軌控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數控類型。 (二)按驅動方式分 1、液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，燃油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅動系統(tǒng)，可實現連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 2、氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3、機械傳動機械手 即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。 第二章 總體方案的設計 2.1工業(yè)機械手的傳動方案設計 按工業(yè)機械手的不同形式及其組合情況，其活動范圍的圖形也是不同的，運動形式基本上分為四種：直角坐標形式機械手，圓柱坐標機械手，球坐標形式機械手，關節(jié)坐標形式機械手。 根據原人工用電葫蘆吊料到立式精鍛機上，下料的動作（有升降動作，電葫蘆在軌道上轉動和前伸后退動作），類似直角坐標和圓柱坐標形式，考慮到圓柱坐標的占地面積小而動作范圍廣的特點，確定用圓柱坐標式。由于液壓傳動具有以下幾個優(yōu)點： 1) 壓力高，可實現較大的驅動力，機構可做的輕小，緊湊。 2) 無級變速，定位精度高，可實現任意位置的停止。系統(tǒng)的固有震動頻率高，壓力，容量調節(jié)容易。 3) 重量小，慣性小，可做到經?？焖偾覠o沖擊的變速和換向，容易控制。動作平穩(wěn)，故采用傳動平穩(wěn)的液壓驅動。 2.2主要技術指標的確定 機械手主要技術參數有抓重（即臂長），自由度，工作行程（或轉角），工作速度和工作精度。 抓重（即臂長） 抓重是指機械手在正常運行時所能抓取或搬運工件的最大重量，抓取工件的重量為60公斤，考慮到手臂結構強度等因素，通常安全系數k在2—3范圍內使用。 自由度 由于階梯軸有掉頭鍛打問題和將棒料送到立式精鍛機卡頭中有個定長要求，所以機械手需要有個手腕回轉180度的回轉動作，這樣機械手就需要有手臂升降，伸收，回轉及手腕回轉四個自由度，以滿足上料動作要求。 工作行程范圍 運動行程范圍是指臂部，整個機械手直線移動或回轉角度的范圍。對通用機械手，保證一定的通用性，一般手臂回轉行程范圍應盡可能大些，選擇0°到200°（實際使用為180°），手臂升懸也升長，偏重力矩，偏轉慣性也較大，剛性減低，易振動，定位精度難于保證，手臂伸縮行程在500到1000毫米范圍內選取，根據設計要求，選取上下料機械手伸縮范圍為0到600mm，手臂升降范圍為0到600mm。 工作速度 工作速度是指機械手的最大運動速度，運動速度的大小與機械手的驅動方式，定位方式，抓重大小和行程距離有關。因此，手臂的運動速度應根據節(jié)拍時間長短，生產過程的平穩(wěn)性，定位精度要求來確定。 影響機械手的動作快慢的兩個主要運動是：手臂的伸縮和回轉運動，一般應用的機械手移動速度通常在200到300mm/s，回轉角度在50°/s左右。 定位精度 即位置精度，位置精度的高低與位置控制方式，機械手運動部件的精度和剛度。抓重，運動速度有關。目前，機械手大多采用點位控制，采用固定檔次控制時，可達到較高的位置精度。 2.3上下料機械手的動作順序及其控制要求 動作順序：起始位置→手臂下降→吸盤吸緊物體→手臂上升→手臂右移→手臂下降→吸盤放松→手臂上升→手臂左移→一個循環(huán)結束 控制要求： 1．在傳輸帶A端部，安裝了光電開關PS，用以檢測物品的到來。當光電開關檢測到物品時為ON狀態(tài)。 2.機械手在原位時，按下起動按鈕，系統(tǒng)起動，傳送帶A運轉。當光電開關檢測到物品后，傳送帶A停。 3．傳輸帶A停止后，機械手進行一次循環(huán)動作，把物品從傳送帶A上搬到傳送帶B(連續(xù)運轉）上。 4. 機械手返回原位后，自動再起動傳送帶A運轉，進行下一個循環(huán)。 5．按下停止按鈕后，應等到整個循環(huán)完成后，才能使機械手返回原位，停止工作。 6.機械手的上升／下降和左移／右移的執(zhí)行結構均采用雙線圈的二位電磁閥驅動液壓裝置實現，每個線圈完成一個動作。 7.抓緊／放松由單線圈二位電磁閥驅動液壓裝置完成，線圈通電時執(zhí)行吸緊動作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作。 8.機械手的上升、下降、左移、右移動作均由極限開關控制。 示意圖如下： 第三章 機械手的機械結構設計 3.1 上下料機械手的機械結構組成 機械手的結構是由手部,手臂以及支撐全部執(zhí)行機構的機座所組成.機械手的傳動油缸, 由于工作條件的限制,往往油缸就是手臂,手腕等機構的主體,各油缸既有自身的運動,又有空間的相對運動,即作為傳遞的執(zhí)行部件,又作支撐部件.比如,手臂伸縮油缸,既是伸縮運動的執(zhí)行構件,又作為手腕回轉油缸,手部夾緊油缸的支撐部件.因此,要求手臂,手腕的傳動結構簡單緊湊,輕巧,工作可靠,并具有足夠的強度和剛度.同時,組成手臂結構的配置應使其重量的分配均勻,偏重力矩小,此外,通往各油缸的管路亦應力求短,連接方便,外觀清晰. 3.2.機械手的手臂設計 3.2.1 手臂的作用和組成 手臂一般有三個運動――伸縮，回轉和伸降，實現回轉升降運動是由橫臂和主立柱去完成，手臂的基本作用是將手爪移到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重申量，以及手臂本身的重量。 手臂由以下幾部分組成： 1. 動作元件：如油缸是驅動手臂的部件。 2. 導向裝置：是保證手臂的正確方向及承受由工件的重量所產生的彎曲和扭轉力矩。 3. 手臂：起著連接和承受外力的作用。手臂上的零部件如油缸、 導向桿、控制件等都安裝在手臂上。 此外，根據機械手動作的要求，如管路，冷卻裝置，行程定位裝置和自動檢測機構等，一般也裝在手臂上，所以手臂的結構、工作范圍、承載能力和動作精度都直接影響機械手的工作性能。 3.2.2 對設計手臂的要求。 1. 手臂應承載能力大，剛性好，自重輕。 手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時動作的平穩(wěn)性，運動的速度和定位精度。手臂一般都采用剛性也要有一定的要求，以保證能承受所需要的驅動力。 2. 手臂的運動速度要恰當，慣性要小。 機械手的運動速度一般是根據產品的生產節(jié)拍來決定，但不宜盲目是追求高速度。 手臂由靜止狀態(tài)達到正常的運動速度－啟動，以及由常速減到停止不動－制動速度的變化過程為速度特性曲線。 手臂自重輕，其啟動和停止的平穩(wěn)性就好。 3. 手臂動作要靈活。 手臂的結構要緊湊小巧，才能使手臂運動靈活、輕快。對于手臂式的機械手，還要考慮零件在手臂上的布置，就是要計算手臂移動零件時的重量對回轉、升降、支承中心的偏重力矩，偏重力矩過大，會引起手臂的振動，在升降時還會發(fā)生一種沉頭現象，也會影響運動的靈活性，嚴重時手臂與立柱會卡正。 3.2.3 手臂驅動力的計算 臂部伸縮運動時，需要克服摩擦力和慣性力，其驅動力可按下式計算： Pq =Fm +Fq 式中: FM ---------摩擦阻力，包括手臂與伸縮導機間的摩擦阻力，活塞與缸壁及密封裝置處的摩擦阻力； Fq ---------手臂在起動過程中的慣性力； 其大小可按下式計算: Fq= 其中， G ---------手臂移動部件的重量； g ---------重力加速度; △v --------起動或制動前后的速度; △t --------起動或制動前后所需的時間，一般可取△t =0,設腕部的總重量N= 50kg FM = f N =0.02×100=2kgf Fg = ==539kgf Pq= 1+539 = 540kgf 3.2.4 臂部直升降運動驅動力的計算 Pq= FM+Fg +w 式中， FM ----------各支承處的摩擦力 Fg ----------起動的慣性力 w ----------參與升降的手臂，手腕和被抓取物件的總 ±-----------上升時為正，下降時為負 設臂部油缸的承受的總重為 100kg Fg ==(100+60)×4.9=784 w = 100+60=160kg 在油缸上升時， Pq= FM+Fg+w=2+784+160=946kgf 在油缸下降時，Pq= FM+Fg-w =2+784-160=626kgf 3.2.5 臂部回轉運動的計算 臂部回轉運動時，由于起動過程中不是等加速運動，以最大驅動力矩需比理論上的平均值大一些，計算時取 1.3 倍，驅動力矩按下式計算：Mq= 1.3(Mm +Mg)kgf .m 式中， Mm ----------摩擦力矩（包括各支承處的摩擦力矩） Mg----------手臂起動時的慣性力矩 Mg=J =(J0 +Jc) 其中，J ----------手臂回轉部件對其回轉中心的轉運慣量 △w --------手臂的回轉角速度等 △t ---------啟動時所需的時間 Jc ---------零件對回轉中心的轉運慣量 Jo ---------零件作為其重心位置的質點，對手臂回轉中的轉動慣量。 Jo=ρ2 ρ---------手臂的回轉半徑 G ---------手臂運動件的重量 按設計條件，夾取工件為棒料，則按下面公式計算 Jc=(l2+3R2) 臂部回轉速度為50om/s,即w =0.87rad/s 工件質量 m=60kg ,鐵的（質量）密度為7.8×103kg/m 3 V=m/ρ=60/7.8×103 =7.7×10-3kg/m3 v =sh =πd2ｌ 當Φ=120mm時，7.7×10-3 =π（0.12）2ｌ Jc=×(0.8252+3×0.122)=9.65 J o=160×1.4 2= 193.6 Mg=(193.6+9.65)×=353.7kgfm . Mq =1.3×(353.7+25.6)=493 kgfm 3.2.6升降柱不自鎖的條件 因手臂在總重量 G 的作用下有一順時針方向傾斜的趨勢,而導套卻阻止這種趨勢,套對升降立柱的作用R 和R ,如上圖所示,根據升降立柱的力平衡條件,得: ∑Fx =0,R1=R2 ∑MA=(Fx)=0,Rlh = Gρ 所謂不自鎖的條件是升降立柱能在導套內自由下滑,點分析必須使: G>F1+F2=2F1=2klf=2ρ/h Gf 即 h>2fρ 一般鋼材對鑄鐵的滑動摩擦系數為0.1,但考慮到還有其他摩擦副作 用,f 的值應為0.16. 即 h>2 fρ 則:h >2×0.16×1.4=0.448m 取h=0.8m 2ρ/h Gf=2××160×160=89.6kgf ∴ w> 160kgf 故 w>2ρ/h Gf （條件成立，升降立柱不會卡死） 3.3 機械手的機身設計 3.3.1 機身的作用 機身是直接支撐和傳動臂部的部件.臂部的升降.回轉運動的驅動裝置或傳動機構,都安裝在機身上,或直接構成機身的軀干,與底座相連. 3.3.2 機身設計時應注意的事項 1.應使機身具有足夠的剛度和穩(wěn)定性; 2.應使機身運動的位置精度高,動作靈活; 第四章 機械手液壓驅動系統(tǒng)的選擇與計算 4.1 手臂伸縮油缸的選擇及計算 手臂伸縮油缸同手指夾緊油缸一樣,選用雙作用單活塞油缸,實現手臂的往復運動,但活塞桿與中間架體連接,物體作直線運動(在燕尾槽形導軌內實現手臂的往復運動),.其行程大小靠擋塊和組合行程開關來調整,手臂伸縮的導向裝置,導向性能好,手臂剛度大,工作時運動靈活. 4.1.1 手臂伸縮油缸的計算 油缸的驅動力是指油缸的高壓油腔的壓力油所產生的形成液壓力,在機械手工作時,各油缸的驅動力要分別克服各自油缸活塞上的機械載荷,以保證機械手正常運動. 1. 確定油缸尺寸 油缸內徑的計算油缸工作時,進油腔壓力油液作用于活塞上的合成液壓力即驅動力應與活塞桿上縮手的總機械載荷,即油缸的直徑可由下式計算: D==5.9 cm 查表，取D=75mm ,d=27mm 2. 油缸的臂厚的計算 油缸的內徑 D確定后,由于強度條件計算所需的最小油缸臂厚δ,再根據具體的結構來確定適當的數值. 依據材料力學的薄壁筒公式, 油缸的厚度可用如下公式計算: δ= 式中: p ----------計算壓力，其值比油缸的最大工作壓力大20 —30%， 即p=（1.2— 1.3）p.(kg/cm ) D ----------油缸內徑（mm） [α] ---------油缸材料的許用應力（kg/cm） 選取無縫鋼管: [α]=1000-1100kg /cm2 則：σ=δ===0.052cm 選取δ= 10 mm以滿足油缸的強度要求。 活塞桿的長度計算 活塞桿的尺寸要滿足活塞運動的需要和強度的要求,對于桿長大于直徑的 15 倍的活塞桿還必須具備足夠的穩(wěn)定性,即具有保持其軸線不會因作用所受軸向壓力而受彎的能力. 1 按強度條件決定活塞桿直徑d,取d=40mm 活塞桿工作時,主要承受拉力或壓力,因此,計算可按 d ≥ [σ]=1100 kg/cm G= = =21.72 kg/cm 故活塞桿滿足強度要求. 注: 活塞桿一般采用碳鋼, [σ]=1100-1200 kg/cm2 2 .故活塞桿穩(wěn)定性問題 當活塞l>150應進行穩(wěn)定性計算 l=600mm 當細長桿l/R≥m時,其中l(wèi)------活塞桿長度 查機械工程手冊下冊表11-131,得l=600mm k---塞桿橫截面的最小回轉半徑k= = m---柔性系數,查表11-128,得m=80 n---末端條件系數, 查表11-127,得n=1 l/n=600/1>80 故活塞桿滿足穩(wěn)定性要求. 4.1.2 油缸端蓋的連接方式及強度計算 油缸體與端蓋的聯結方式和油缸的工作壓力,選用材料以及工作條件有關,當油缸體的材料選用無縫鋼管時,連接方式為多采用半環(huán)連接. 優(yōu)點是加工和裝卸都很方便,缺點是剛體必須開環(huán)槽,削弱了剛體,為了油缸體和缸蓋連接的可靠性,對于壓力較高的油缸應該校核連接螺釘,半環(huán)和螺紋強度計算. 當剛體與缸蓋連接時,螺釘除應具有足夠的強度之外,還需要保證連接的正確性,故螺紋的間距要適當的數值可參考下表來決定,同時缸蓋所受的合成液壓作用力下.連接一定要有足夠的剩余索緊力,以防形成間隙而漏油. 在連接中,螺釘在危險面所承受的拉力Q0 是工作載荷Q 與剩余鎖之和,即 t1<150mm, t1取120mm Q=p/z =∕z 取D0=140mm Z==3.67 取z=4 選取Q= ==125.6kg 剩余鎖緊力Q：=kQ（k=1.5—1.8），取k=1.6 Qs =1.6×125.6=201kg Q0= Qs+Q=201+125.6=326.6kg `螺釘的強度條件：Q合=≤[σ]1 其中，Q1……計算載荷，Q1=1.4Q0 [σ] ……許用拉應力，[σ]1 = σs……螺釘材料的流動極限（kg/cm2 ） 選取45＃鋼，σs =3600kg/㎝2 n……安全系數，一般n=1.2-2.5 [σ]1 = =3600/2=1800 kg/cm2 d1 ≥==0.55cm 故可取d1=6mm 第五章 上下料機械手液壓系統(tǒng)各項工作原理 機械手的液壓傳動是以有壓力油液作為傳遞動力的工作介質，電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉換為油液的壓力能。壓力油經過管道及一些控制調節(jié)裝置導進入油缸， 推動活塞桿運動，從而手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉換成機械能。 其液壓傳動系統(tǒng)可概括如下： 5.1 液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動系統(tǒng)由以下幾個主要部分組成：油泵、液動機、控制調節(jié)裝置（如單向閥、溢流閥、換向閥、節(jié)流閥、調速閥、減壓閥、 順序閥等），輔助裝置。 5.2 液壓傳動系統(tǒng)機械手的特點 機械手采用液壓傳動比采用氣壓傳動有如下特點： （1）能得到較大的輸出力或力矩 （2）液壓傳動滯后現象下，反應較靈活，傳動平穩(wěn)。 （3）輸出力和運動速度控制較容易。 （4）可達到較高的定位精度 但液壓傳動也有其缺點： ①系統(tǒng)的泄漏難以避免，影響工作效率和系統(tǒng)的工作性能 ②油液的粘度，對溫度的變化很敏感，當溫度升高時，油的粘度即顯著降低，油液粘度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量。 5.3 自動上料機械手的緩沖和定位 （1）手臂伸縮運動 手臂伸出速度為250mm/s，由行程開關適時斷電而切斷油路， 手臂滑行靠慣性緩沖，由死擋塊定位；縮回速度為200mm/s，沒有定位精度要求，由死擋塊定位；縮回速度為200mm/s，沒有定位精度要求，由終點行程開關適時斷電，由活塞和油缸端蓋相碰而定位。 （2）手臂升降運動 上升速度為100mm/s，緩沖定位是靠可調碰鐵觸動行程開關。發(fā)出信號，使電液換向閥變?yōu)椤癘”型機能，切斷油路來實現下降運動是非工作狀態(tài)，速度為150mm/s,靠QI 控制速度，采用缸端可調節(jié)流緩沖，活塞與油缸端蓋相碰而定位。 （3）手臂水平回轉 手臂參與回轉部分的長度（被抓取的棒料中心至回轉中為180mm,參與回轉部分的重量為 700 公斤?；剞D角度設計為 63°，使棒料中心處的線速度達 1300mm/s 以上，手臂回轉時具有很大功能，給緩沖定位帶來困難?，F在手臂回轉角速度降為 50°。并在回轉油缸的兩腔安裝單向調速閥，控制手臂的回轉速，在回轉油路安裝行程節(jié)流閥， 進行減速緩沖，緩沖效果較好。并靠定位油缸插銷定位，其定位精度能滿足要求。 5.4油缸泄露問題與密封裝置 機械手由于油缸泄露嚴重，壓力不能提高，工作性能不能定，以致影響機械手的正常使用。因此，為了保證機械手液壓系統(tǒng)的工作性能，在各油缸的相對運動表面和固定連接的表面進行密封，以防壓力油液從高壓油腔泄露到低壓油或泄露到缸體外面。 目前，機械手液壓系統(tǒng)使用的密封件大多采用耐油橡膠制成的各種形式密封圈，作為動密封和靜密封，以保證配合面的密封性。密封圈在配合面間的密封作用，主要是借安裝時的預壓和工作時由于油液壓力的作用，使密封圈產生變形并壓緊密封表面來表達的。 （一） 活塞式油缸的泄露與密封 對于實現往復運動的活塞油缸來說，其泄露主要是活塞與缸壁處的內泄露及往復活塞桿與缸蓋處的外泄露。引起泄露的原因是加工精度和滑動面光潔度不高，以及密封裝置的不良所致。 對于活塞油缸的靜密封，主要采用 O形密封圈。它既可以用外徑或內徑密封，也可以用端面密封。 O 形密封圈裝在溝槽中，因受油壓作用而變形，并張緊溝槽和間隙，從而起到密封的作用，因此它的密封性能隨壓力的增加而提高。但是，當壓力過高或溝槽尺寸選擇不當時，密封圈很容易被擠出溝槽而造成劇烈磨損。為克服這個缺點，當油缸油液壓力大于100公斤/平方厘米時，要在O形密封圈側面放置擋圈，在壓力低于100斤/平方厘米時，一般不加擋圈。 在手臂伸縮油缸和手臂升降油缸中都用了 Y 形密封圈，Y 形密封圈在工作時，壓力油液把Y 形圈的唇邊緊緊壓在相對運動的兩配合面上并隨著油液壓力的增高而提高密封能力，并能補償磨損的影響，所以裝配時唇邊要面對壓力油腔。 在一般情況下，Y 形圈可直接裝入溝槽內即可引起密封作用，但在壓力變動較大，滑動速度較高的地方，要使用支承環(huán)以固定密封圈。 （二）回轉油缸的泄漏與密封 手臂回轉油缸中，由于動作與缸體，動片與輸出軸，動片端面和缸蓋之間的間隙不易保證，易引起較大的泄漏，使油液的壓力降低，減小了輸出扭矩，達不到設計要求，影響機械手的正常的回轉運動， 為減少泄漏，除嚴格控制相對運動表面的配合間隙外，主要的還是采用密封裝置進行密封。 致 謝 本文是在我尊敬的導師張錚副教授耐心指導下完成的。導師嚴謹的治學態(tài)度和精益求精的工作作風使我受益匪淺。在此，我首先向導師表示誠摯的感謝，并致以崇高的敬意!在課題的研究和開發(fā)階段，得到了本系老師的大力支持和幫助，在此一并向他們表示衷心的感謝。在畢業(yè)設計過程中，得到了黃火保，屈亮等同學大力支持和幫助，在此我向他們感謝！ 參考文獻 [1]范欽珊，劉燕，王琪.理論力學.北京：清華大學出版社，2004.11 [2]劉鴻文.材料力學.北京：高等教育出版社,2004.1 [3]鄧星鐘，周祖德，鄧堅.基電傳動與設計. 華中理工大學出版社，2000 [4]《工業(yè)機械手圖冊》編寫組。工業(yè)機械手圖冊.北京：機械工業(yè)出版社，1978 [5]丁樹模，周驥平.液壓傳動.北京：機械工業(yè)出版社，2003 [6]彭文生，楊家軍，王均榮.機械設計與機械原理.武漢：華中科技大學出版社 ， 2002 [7]《機械設手冊》聯合編寫組.機械設計手冊.北京:化學工業(yè)出版社,1980 [8]崔忠圻.金屬學與熱處理.北京：機械工業(yè)出版社，1999 [9]吳振順.氣壓傳動與控制.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1995 [10]機械設計師手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1986 [11]成大先.機械設計圖冊.北京:化學工業(yè)出版社 [12]廖常初.S7-300/400 PLC應用技術.北京:機械工業(yè)出版社，2005.1 - 23 -