河北工程大学机械手毕业设计说明书

河北工程大学毕业设计（论文）-1-第1章绪论1.1工业机械手的概述（1）工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。业机器人机械手是模仿人的手部动作，按照给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操纵的自动装置，它是机械化、自动化的重要手段。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。工业机械手可以在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣的环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，代替人的工作，具有重要的意义。在机械加工中，冲压、铸造、锻造、焊接、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的重视。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。（2）我国机器人的发展状况我国工业机器人发展于20世纪70年代，经过30多年的发展，大致经历了三个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的适用化期。20世纪70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星，世界范围内工业机器人的应用掀起了一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种情况下，我国于1972开始研究制造自己的机器人。进入20世纪80年代后，随着改革开放的不断深入，在高科技浪潮的冲击下，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机械人及其零部件进行攻关，完成了工业机械人的成套技术的开发，研制出了喷漆取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从20世纪90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步的热潮。我国的工业机器人又在实践中迈出了一大步，河北工程大学毕业设计（论文）-2-先后研制出一批点焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。目前我国机器人的研究主要内容如下：①示教再现型工业机器人的产业化技术的研究这些研究主要包括：关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人的标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人的开发；焊接机器人的标准化、通用化、模块化、系列化设计；弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发；焊接机器人的离线示教编程以及工作站系统动态仿真；电子行业用装配机器人产品标注化、通用化、模块化、系列化设计；批量生产机器人所用的专用制造、装配、测试设备和工具的研究的开发。②智能机器人的开发这些研究主要包括：遥控加局部自主系统构成和控制策略研究；智能移动机器人的导航很定位技术研究；面向遥控机器人的虚拟现实系统；人机交互环境建模系统；基于计算机屏幕的多机器人遥控技术。③机器人化机械研究开发这些研究开发主要包括：并联机构机床与机器人化加工中心开发研究；机器人化无人职守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备④以机器人为基础的重组装配系统这些系统主要包括；开放式模块化装配机器人；面向机器人装配的设计技术；机器人柔性化装配系统设计技术，可重构机器人柔性装配系统设计技术；装配力觉、视觉技术；智能装配策略以及控制技术⑤多传感信息融合与配制技术该技术主要包括：机器人的传感器配制和融合技术在水泥生产过程配制和污水处理自动控制系统中的应用；机电一体化智能传感器的设计应用。1.2工业机械手设计方案的选择工业机械手是将圆柱形零件从传送带上股夹装到专用机床上，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。河北工程大学毕业设计（论文）-3-机械手的动作要求分为16步。从原位开始——升降臂下降——夹持器夹紧——升降臂上升——底座快进回转——底座慢进——伸缩臂伸出——夹持器松开——伸缩臂缩回；待加工完毕后，伸缩臂伸出——夹持器夹紧——伸缩臂缩回——底座快退(回转)——底座慢退——升降臂下降——夹持器松开——升降臂上升到原位停止，准备下次循环。圆柱形零件的尺寸为直径100—140毫米，高为150毫米，机械手回转角度为90度。图1-1机械手立体机构示意图、点焊和搬运机器人。1986年，国家高技术研究发展计划开始实施，经过几年的研究，1.3总体方案的选择1.3.1夹持器设计方案（一）夹持器的设计要求：要有足够的夹持力和所需的夹持精度；河北工程大学毕业设计（论文）-4-它是连接在手上，应尽可能使结构简单、紧凑、质量轻小，以减轻手臂的负荷。（二）设计参数：1所需要夹紧的饿工件直径为80mmm。放松动作时两爪间最大距离为100-120mm。抓持速度为20m/s，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工件重量约6kg，材质：45#钢；3夹紧动作平稳，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。（三）设计方案：齿轮齿条平行连杆平移夹持器图1-2齿轮齿条平行连杆平移夹持器示意图1.3.2伸缩臂设计方案(一）设计任务河北工程大学毕业设计（论文）-5-设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装机械手，完成直线伸缩动作。(二)、技术要求1、伸缩长度：300mm2、单方向伸缩时间：1.5～2.5s3、定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm。4、前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击。(三)、方案设计方案为液压伸缩机构1、伸缩原理采用双向作用单活塞杆带可调缓冲式油缸，推动导向杆移动。电磁阀换向，控制伸缩方向。此油缸伸缩终点有缓冲，无刚性冲击。2、设计计算及元件选择设计计算参数及要求：电磁阀流量：要满足伸缩速度的要求。油缸直径：推力大小要能克服机构起动惯性并有一定的起动加速度，要满足运动时间要求。导向杆刚度：按最长伸出时机械手端部的挠度不超过规定要求。定位方式和元件：自选。3、结构示意图1-3图1-3液压伸缩机构示意图1.3.3液压控制系统设计方案河北工程大学毕业设计（论文）-6-本次设计的工业机械手属于圆柱坐标式的液压驱动机械手，具有手臂升降、伸缩、回转等三个自由度。因此相应地有手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构等组成。每一部分均用液压缸驱动与控制。要求画出液压传动系统图。对系统图的具体要求如下：(1)满足工业机械手动作顺序要求。动作顺序的各个动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁(电磁换向阀)，按程序依次步进动作而实现的。(2)手臂伸缩运动采用单出杆双作用缸。手臂伸出时采用单向调速阀进行回油节流调速，其伸出速度为200毫米／秒左右，当快到端点时，提前发讯切断油路，手臂靠惯性滑行缓冲，此外，采用电液换向阀，换向时间可调。定位由死挡铁保证精度。手臂缩回，没有定位精度要求，由终点行程开关控制，适当提前发讯号切断油路，由活塞与缸筒端盖相接触来定位。(3)手臂回转采用摆动液压缸(齿条缸)，正反方向均采用单向调速阀调速。由于回转部分的重量大，回转长度长，手臂中心的线速度为毫米／秒(回转角速度约为45度／秒)，因此手臂回转时具有很大的动能。为此，除采用调速阀的回油节流调速外，还在回油路上安装行程节流阀，进行减速缓冲。1.3.4PLC电控系统设计方案设计内容1、设计该系统液压泵电机及各部件总成驱动电机的主电路。2、参照主电路及液压控制系统图设计控制柜，画出所有元件的柜中布置图。3、确定全部的行程开关的安装、调试方案。4、选择电控系统中所有电机及元气件的型号。5、以FX系列基本指令、移位寄存指令、步进指令编程。要求编写I/O分配图、程序总框图、各部分的梯形图并编写出完整的语句表。河北工程大学毕业设计（论文）-7-第2章伸缩臂的设计2.1设计设计方案2.1.1设计任务设计机械手臂底板固定在大臂上。地段法兰安装机械手，定成直线伸缩动作。2.1.2技术要求a：伸缩长度300mmmb：单方向伸缩时间1.5—2.5sc：定位误差要有定位措施，定位误差小于2mmd：前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击。2.1.3方案设计A1：液压伸缩机构伸缩原理，采用双作用单活塞杆带动可调式油缸，推动导向杆移动，电磁阀换向，控制伸缩方向，此油缸伸缩有缓冲，无刚性冲击。A2：设计计算参数及要求。电磁阀流量：要满足伸缩速度的要求；油缸直径：推力大小要能克服机构启动惯性并有一定的启动加速度，要满足运动时间要求。元件选择油缸选用带可调缓冲轴向底座固定式油缸。电磁阀：二位四通电磁阀定位方式：采用液压油路与行程开关共同作用定位方式。A3：结构示意图，如图所示：该结构采用液压缸，配用导向杆，靠导向杆增加机构的运动精确性，从而减小误差。河北工程大学毕业设计（论文）-8-图2-1液压伸缩机构示意图2.2底板的设计计算说明底板长度555mm，宽220mm图2-2底板结构图两肋板中间距离为320mm底板用螺钉与升降臂滑台连接，对连接螺钉进行计算伸缩臂夹持器总质量为tmgvFg(2-1)v—滑台的运动速度g—9.8m/st—起动反映时间0.1-0.5s取t=0.1s河北工程大学毕业设计（论文）-9-NFg60022.18.950(2-2)所以使其改变运动状态的惯性力是600N。根据不滑动定理：mfCFFa(2-3Fa—预紧力M—结合面数目C—可靠系数取1.5F—摩擦系数取0.1所以预紧力NFa90001.016005.1(2-4)图2-3联结受力示意图如图2-3，翻转力矩所产生的对螺栓的轴向的拉力NFF260073.060003.0(2-5)总轴向力Fa+F=9000+2600=11600N(2-5)取螺钉数为4个则由河北工程大学毕业设计（论文）-10-MPas804(2-6)得螺纹小径dmmFad32.8108014.3101163.145.14631(2-8)所以为保证机构受冲击时的安全性与伸缩臂连接螺栓取M12校核底板的弯曲强度图2-4底板弯曲强度示意图mNMbmNMaNmgP25.111055.02505.025025.8144.0250115.0250250210502(2-9)作弯矩图2-5：河北工程大学毕业设计（论文）-11-图2-5底板弯矩图所以b处为危险截面截面的矩形的抗弯截面摸量[7]MPaZMmWbhWnax5.440000025.025.1110000025.0601.015.06322(2-10)底板材料为Q235，MPaS235(2-11)取安全系数S=1.5，则许用应力max5.11752.1235MPass(2-12)故底板系数的强度满足要求底板与升降臂滑块的连接定位是用内螺纹式的圆锥销公称直径6mm长度26mm河北工程大学毕业设计（论文）-12-同样是把底板与滑台调整连接好后，打定位锥孔。2.3导向杆的结构设计2.3.1导向机构的作用保证液压缸活塞赶伸出时的方向性，提供机构刚度，保证伸出量的准确性2.3.2导向杆的外型尺寸及材料导向杆采用圆柱行实心长杆，直径为20mm，长度为516mm导向杆的材料为402.3.3校核导向杆的弯曲强度及绕度（1）导向杆的弯曲应力ZWMmax(2-13)mNPCM802004.0(2-14)371085.732302.014.3323mdZW(2-15)aMPZWM54.9571085.780max(2-16)材料的弯曲许用应aMP210(2-17)