机械手毕业论文...

发布时间：2020-03-02 19:54:28 来源：范文大全收藏本文下载本文手机版

毕业设计论文

题目：气动机械手的设计

设计人：

指导教师：

所属院系：

专业班级：

2014年11月10日

太原科技大学毕业设计（论文）

第1章前言

1.1工业机械手概述

工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，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。

1.2 机械手的组成和分类

1.2.1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装置等所组成。各系统

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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。机械手的立I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

5、行走机构: 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。

6、机座: 机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机座上，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、气压传动、机械传动。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。控制系统有电气控制和射流控制两种，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。 (二)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。控制系统有电气控制和射流控制两种，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。 1.2.2 机械手的分类

工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 (一)按用途分

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即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。 (三)按控制方式分

1、点位控制

它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

2、连续轨迹控制

它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。

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太原科技大学毕业设计（论文）图2-1 机械手的运动示意图

2.2 机械手的手部结构方案设计

为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。

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气缸。

2.4 机械手的手臂结构方案设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。

2.5 机械手的驱动方案设计

由于气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气压传动方式。

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 机械手的主要参数

1.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，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5公斤

2.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1.0m/s。最大回转速度设计为90°/s。平均移动速度为0.8m/s。平均回转速度为60°/s。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

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机械手臂剖视图图2-6

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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，其结构如附图所示。 3.1.3手部夹紧气缸的设计

1、手部驱动力计算

本课题气动机械手的手部结构如图3-2所示，

图3-2 齿轮齿条式手部

其工件重量G=5公斤，

V形手指的角度2120，b120mmR24mm,摩擦系数为f0.10 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: p2bN R(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: N0.5tg()

0.55tg(60542')

25(N)所以p2bN245(N) R- 11活塞杆上的推力，N Ft

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n- 弹簧有效圈数.G- 弹簧材料剪切模量，一般取G79.4109Pa

在设计中，必须考虑负载率的影响，则: F1D2p4Ft

由以上分析得单向作用气缸的直径: D4(F1Ft)

pGd1479.4109(3.5103)代入有关数据，可得Gf 3338(3010)158D1n.46(N/m)

36774FtGf(1s)

3677.4660103

220.6(N)所以:D4(F1Ft)pn4(490220.6)

0.510665.23(mm)

查有关手册圆整，得D65mm

由d/D0.20.3,可得活塞杆直径:d(0.20.3)D1319.5mm 圆整后，取活塞杆直径d18mm校核，按公式F1/(/4d2)[] 有:d(4F1/[])0.5

其中，[]120MPa，F1750N 则:d(4490/120)0.5

2.2818

满足实际设计要求。 3,缸筒壁厚的设计

缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或

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第4章手腕结构设计

4.1 手腕的自由度

手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360，并且要求严格的密封。

4.2 手腕的驱动力矩的计算

4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩

手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。

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式中:J- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量(N.cm.s2); J1- 工件对手腕转动轴线的转动惯量(N.cm.s2)`。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1为: J1JcG12e1 g式中: Jc- 工件对过重心轴线的转动惯量(N.cm.s2): G1- 工件的重量(N); e1- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s); t- 起动过程所需的时间(s); — 起动过程所转过的角度(弧度)。

2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏

M偏G1e1 +G3e3 (Ncm) 式中: G3- 手腕转动件的重量(N); e3- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm) 当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则G1e10.

3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M封

M封f(RAd2RBd1)(Ncm) 2式中:d1 ，d2- 转动轴的轴颈直径(cm); f- 摩擦系数，对于滚动轴承f0.01，对于滑动轴承f0.1; RA,RB- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据M（0,得: AF）RBlG3l3G2l2G1l

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气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，

应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。

导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 5.1.4平衡装置

在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。 5.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 5.2.1 尺寸设计

气缸运行长度设计为l=118mm,气缸内径为D1=110mm,半径R=55mm,气缸运行速度，加速度时间t=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力

G0p.R2``

0.41063.140.05

523799(N) 5.2.2 尺寸校核

1．测定手腕质量为80kg,则重力

Gmg

8010

800(N)1，设计加速度a5(m/s)，则惯性力

G1ma

805

400(N)3.考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数k0.1，

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90 0.5

108(N.m)0.6考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数k0.2, M摩k.M惯

总驱动力矩

M驱M惯M摩 1085.4

113.（4N.m）0.2108

5.（4N.m）M驱〈M  设计尺寸满足使用要求。

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入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。

6.2 机械手可编程序控制器控制方案

图6-1

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参考文献

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