机械四自由度自动线通用多关节机械手设计液压工业机械手含.docx

自动线通用多关节机械手设计 摘 要：工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。液压机械手具有快速、高效等优点。1关键词：工业；机械手；液压； Design of the manipulator General Multi-joint for production line Student:Li Xuejiao Tutor:Chen Wenkai（Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128）Abstract：Industrial machinery hand is the inevitable product of industrial production, it is a copy of the upper part of the human body functions,it is accordance with the scheduled transfer request or the work piece hold the tools to operate the equipment automation technology, industrial automation, and promote the further development of industrial production from the An important role. So they have strong vitality of the people by the extensive attention and welcome. Practice has proved that the industrial robot can replace the staff of the heavy labor, significantly reduced labor intensity of workers and improve working conditions, improve labor productivity and the level of automation. Industrial production in the often cumbersome work piece handling and frequent long-term, monotonous operation, a mechanical hand to be effective. In addition, it can at high temperature, low temperature, Sham Shum Po, the universe, radioactive and other toxic and pollution of the environment under the conditions of operation, but also show its superiority, there are broad development prospects. Hydraulic manipulator is fast, efficient, and other advantages. The mechanical hand used hydraulic drive, control the telescopic arm, wrist and hand the rotary-grasping movement, movement from top to bottom by motor control. Key words:Industry;Manipulator; Hydraulic; 1 前言 工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。我设计的是一种液压机械手。本机构具有快速、高效等优点。液压传动的基本原理是在密闭的容器内，利用有压力的油液作为工作介质来实现能量转换和传递动力的。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。 （1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当过载或停车时，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2 3。2 机械手的总体设计方案2.1 机械手的基本结构自动线通用多关节机械手能在几台机械设备间进行搬运和装卸工件，可以根据生产的需要改变机械手的动作程序。（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。（3） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段4 5。2.2 机械手基本形式的选择（1）根据所承担的作业的特点，工业机械手可分为以下三类：1 承担搬运工作的机械手：这种机械手在主要工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。2 生产工业用机械手：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等。3 通用工业用机械手：其用途广泛，可以完成各种工艺作业。 （2）按功能分类1 专用机械手：它是附属于主机的具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少，工作对象单一，结构简单，实用可靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。2 通用机械手：又称工业机器人。它是一种具有独立控制系统的机械装置。具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强的特点，适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。3 示教再现机械手：采用示教法编程的通用机械手。所谓示教，即由人通过手动控制，“拎着”机械手做一遍操作示范，完成全部动作后，其储存装置即能记忆下来。机械手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作。（3）按驱动方式分1 液压传动机械手2 气压传动机械手3 机械传动机械手（4）按控制方式分1 固定程序机械手：控制系统是一个固定程序的控制器。程序简单，程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。2 可编程序机械手：控制系统是一个可变程序控制器。其程序可按需要编排，行程能很方便改变6 7。23 机械手的主要部件及运动参数设计根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有4个自由度既：手部抓取；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降4个主要运动。本设计机械手主要由3个大部件和4个液压缸组成：(1)手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合；(2)臂部，采用直线缸来实现手臂平动0.8m；(3)机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。设计技术参数:（1）抓重:20Kg (夹持式手部)（2）自由度数:4个自由度（3）座标型式:圆柱座标（4）最大工作半径:1600mm（5）手臂最大中心高:900mm（6）手臂运动参数伸缩行程：800mm伸缩速度： 250mm/s升降行程： 330mm升降速度： 60mm/s回转范围: 180（7）手腕运动参数回转范围: 18033 手部的设计3.1 手部的基本要求1、有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。2、有足够的开闭范围夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好3、力求结构简单，重量轻，体积小手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。4、手指应有一定的强度和刚度5、其它要求因此送料时，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便8 9。根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。其机构如图1所示10图1齿轮齿条式手部Fig 1 The hand of gear wheel 3.3 手部的计算3.3.1 手指夹紧力的计算113.3.2 驱动力计算 （2）由图1可知，b=120mm ,r=24mm,故 =1200N故手指液压缸的驱动力为1200N3.3.3 液压缸直径计算根据活塞杆上受力可得： （3）式中: 活塞杆上的推力，N弹簧反作用力，N气缸工作时的总阻力，NP气缸工作时的压力，Pa弹簧反作用按下式计算: （4）式中: 弹簧刚度，N/mL 弹簧预压缩量，mS活塞行程，md弹簧钢丝直径，mD弹簧平均直径，mD弹 簧外径，mn 弹 簧 有效 圈数 G 弹簧 材料剪切模量，一般取G= Pa在设计中，必须考虑负载率几的影响，则: （5）由以上分析得单向作用气缸的直径: （6）代入有关数据，可得： 所以：取D=65mm，由d/D=O.20.5， 可得活塞杆直径:d=(0.20.5)D=1332.5 mm，圆整后，取活塞杆直径d=32 mm按公式 （7）有 其中=120MPa则d (41200/120)=12.7mm 32mm故活塞杆满足设计要求。3.3.4 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩液体压力，必须有一定厚度。一般液压缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: （8）式中 缸筒壁厚 mmD气缸内径 mm P实验压力，取P=1.5PPa材料为 : ZL3, =3MPa代入己知数据，则壁厚为: =5.8 mm取=8.5 mm，则缸筒外径为:D=65+8.52 =82 mm。4 臂部设计4.1 臂部的基本要求手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑手部，并带动它们在空间运动。臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。 机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。4.2 臂部基本结构的设计常见的手臂伸缩机构有以下几种：（1） 双导杆手臂伸缩机构；（2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构；（3） 双活塞杆液压缸结构；（4） 活塞杆和齿轮齿条机构。在本设计中采用双导向管的结构。两根导向管装在油缸两侧，通向手部的油管都安装在导向管内，活塞油缸安装在支撑板中间。其特点就是受力均匀，可用于抓重较大、行程较长的情况。其机构图如下所示12：图4 手臂结构图Fig4 Chart of arm4.3 臂部的计算4.3.1驱动力计算手臂伸缩时需要克服摩擦力和惯性力，其驱动力可按下式计算： （9）式中： 摩擦阻力包括导轨支承间的摩擦阻力；活塞与液压缸及密封处的摩擦阻力起动过程的惯性力；其大小按下式估算 （10）式中：G手臂移动部件的总质量 kgfg重力加速度 手臂运动速度 t起动时所需的时间 s 一般取t=0.01s0.5s故：液压缸实际驱动力4.3.2伸缩液压缸计算液压缸直径的计算可以根据公式（6）进行计算 取D=40mm由d/D=O.20.3， 可得活塞杆直径:d=(0.20.5)D=820 mm，取d=18 mm。校核，按公式（7）计算有 其中=120MPa则d (4880/120)=3.05mm 18mm故活塞杆满足设计要求。4.3.3 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩液体压力，必须有一定厚度。一般液压缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式（8）计算 式中: 缸筒壁厚 mmD气缸内 径 mm P实验压力，取P=1.5PPa材料为 : ZL3, =3MPa代入己知数据，则壁厚为: = =4 mm取=4 mm，则缸筒外径为:D=40+42 =48 mm。5 机身设计5.1 机身的基本要求机身是机械手的主体，他是支承手部和臂部，并实现升降和回转的部件。设计时主要有以下要求：(1) 要有足够的刚度和稳定性；(2) 升降运动要灵活，升降立柱的导套长度不宜过短，否则可能产生卡死现象，一般需要导向装置；(3) 结构布置合理，便于装修。5.2机身升降、回转机构设计按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：（1） 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大；（2） 回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大；（3） 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动；（4） 经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。回转机构置于升降缸之上的机身结构，手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下端盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑13 14。具体结构如图4所示。图4机身结构图Fig4 Chart of body5.3 升降运动的计算5.3.1 驱动力的计算升降运动时，活塞油缸的驱动力可按公式（9）计算式中：各个支撑处的摩擦力 kgf启动时惯性力 kgf W运动部件（包括手部、工件等的总重量） kgf上升时为正，下降时为负取0.5，代人数据可得： kgf5.3.2 液压缸直径的计算液压缸直径根据公式（6）进行计算 根据实际情况，取D=150mm由d/D=O.20.5，可得活塞杆直径:d=(0.20.5)D=3075 mm，取d=38mm校核，按公式(7)计算有:其中=120MPa则:d (42250/120)=5 38满足设计要求。5.3.3 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩液体压力，必须有一定厚度。一般液压缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚按薄壁筒公式（8）计算: 式中 缸筒壁厚 mmD气缸内径 mmP实验压力，取P=1.5PPa材料为 : ZL3, =3MPa代入己知数据，则壁厚为: =11mm取=25 mm，则缸筒外径为:D=150+252 =200 mm。5.4 机身回转缸的计算5.4.1驱动力计算机身回转时驱动力矩可按下式计算： kgf （11）式中： 考虑驱动油缸的密封摩擦损失的系数机身转动支承处的摩擦阻力矩， 轴承处支反力f 轴承处的摩擦系数，滚动轴承取f=0.02，轴承的直径在本次设计中取=0.09 克服工件重心偏置所需的力矩 G工件重量 kg e 偏心距 m 克服腕部启动的惯性力矩J机身回转部 件和工件对回转轴心的转动惯量 W腕部回转的角速度t起动过程所需的时间代人相关数据机身回转部件和工件对回转轴心的转动惯量 由此可得：得 ： 5.4.2 液压缸压力验算在机械手的机身回转运动中所采用的回转缸是单叶片式摆动缸，它的原理如图5所示：图5 回转气缸简图Fig5 Schematic of rotary cylinder定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把腔分隔成两个.当液体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的液体从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。叶片J缸的压力p和驱动力矩M的关系为: （12）式中M- 回转缸的驱动力矩(Ncm);P- 回转缸的工作压力(Ncm);R- 缸体内壁半径(cm);r- 输出轴半径(cm);b 动片宽度 (cm).代人数据得：满足设计要求6 驱动系统的设计6.1 驱动系统设计要求及选择本次设计的工业机械手属坐标式机械手。具有手臂伸缩，回转，升降，手腕回转四个自由度。因此，相应地有手腕回转机构、手臂伸缩机构，手臂回转机构，手臂升降机构等构成。设计要求（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，按程序依次步进动作而实现；（2）机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调；（3）控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求。本次设计采用液压传动的控制方式,相比其他传动控制方式,液压传动有以下优点:（1）在同等的体积下,液压装置能比电气装置产生更大的动力。在同等的功率下，液压装置的体积和质量小，即其功率密度大，结构紧凑。液压马达的体积和质量只有同等功率电动机的12%左右；（2）液压装置工作比较平稳。由于质量和惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁换向；（3）液压装置能在大范围内实现无级变速，它还能在运行过程中调速；（4）液压传动易于对液体压力、流量或流动方向进行调节和控制。当将液压控制和电气控制、电子控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，也能实现远程控制和自动化；（5）液压装置易于实现过载保护；（6）由于液压元件已实现标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便；（7）用液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单。62 液压回路的选择6.2.1 各液压缸的换向回路为便于机械手的自动控制，采用可编程控制器进行控制，前分析可得系统的压力和流量都不高，选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效益。液压机械手采用单泵供油，手臂伸缩，手腕回转，夹持动作采用并联供油，这样可有效降低系统的供油压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干扰，实现同步或非同步运动，换向阀采用中位“O”型换向阀。6.2.2 调速方案整个液压系统只用单泵工作，各液压缸所需的流量相差较大，各液压缸都用液压泵的全流量是无法满足设计要求的。尽管有的液压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速，用以保证液压缸的平稳运行。各缸可选择进油路或回油路节流调速，选用节流阀调速。单泵供油系统以所有液压缸中需流量最大的来选择泵的流量。系统较为简单，所需元件较少，经济性好，考虑到系统功率较小，其溢流损失也较小15。6.2.3 缓冲回路伸缩臂处设置缓冲回路，使用节流减速缓冲。6.2.4 系统安全可靠性手臂升降缸在系统失压的情况下会自由下落或超速下行，所以在回路中设置平衡回路。6.3 各部分液压回路设计6.3.1手部手部采用一个单作用直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。在液压回路中采用两位两通阀，通过YA14来控制。同时在加以单向阀起背压作用，保证机械手工作时的可靠性。其液压原理图6所示:图6 手部液压图Fig6 Hydraulic diagram of hand6.3.2 臂部臂部采用直线缸来实现平动，通过一个三位四通电磁阀来实现手臂的左右运动，同时在回油路上用一个节流阀来实现调速。其原理如图8所示：图8 臂部液压图Fig8 Hydraulic diagram of arm6.3.3 机身机身采用一个直线缸和一个回转缸来实现升降和回转。机身的升降和回转均采用三位四通电磁阀来分别实现。同时也均采用回油路节流调速回路来实现调速。在升降回路上设置液压锁，提高可靠性和安全性。其液压原理图分别如图9、10所示：图9 机身回转液压图Fig9 hydraulic diagram of body图10 机身升降液压图Fig10 Lift hydraulic diagram of body6.3.4 供油系统本系统采用单泵供油，同时在油路上设置单向阀起到防止回油的作用，通过并联一溢流阀和两位二通电磁阀分别来实现齿轮泵的过载保护与卸荷作用。其液压原理如图11所示：图11 供油液压图Fig 11 Hydraulic diagram of fuel system6.4 系统液压原理图将上述各部分的液压图结合起来便构成了系统液压原理总图，如图12所示：图12 系统液压图Fig 12 7 结论此次设计的液压机械手能很好的完成工件的搬运和装卸工作，通过机身的收缩实现上下运动，通过臂架的收缩实现左右运动，同时还有两个回转油缸来实现各个方位的工件的抓取。在做毕业设计的同时也让我对以前所学的专业知识更加的熟悉，使的我先前所学的理论知识得以在实践中得到应用。参考文献1 郭洪江主编.工业机器人技术M.西安电子科技大学出版社.2006:18202 丁树模主编.液压传动M.北京.机械工业出版社.2003:6567 3 张建民.工业机器人M.北京理工大学出版社,2005:18204 徐灏.机械设计手册5M.机械工业出版社,2004:32425 工业机械手编写组.工业机械手-机械结构上M.上海科学技术出版社.2004:1121136 王天然.机器人J.北京：化学工业出版社，2002.01：26-27 7 王栋梁.机械基础M.中国劳动出版社，2003:134145 8 卜炎主编.机械零部件设计M.南昌：江西科学技术出版社，2002.1:208-2799 濮良贵、纪名.机械设计M.高等教育出版社，2006：103113 10 孙开元,李长娜主编.机械制图新标准解读及画法示例M.化学工业出版社.2006:9812211 刘延俊.液压与气压传动传动M.机械工业出版社,2006：687512 吴宗泽、罗圣国.机械设计课程设计手册M.高等教育出版社.2006：555713 张淑娟、全腊珍.画法几何与机械制图M.高中国农业出版社,2007:370372 14 朱张校.工程材料M.北京：清华大学出版社，2001:23323415 李恒权、朱明臣、王德云.毕业设计指导书M.青岛海洋出版社,2002:3841致 谢本论文是在陈文凯老师的悉心指导和热情关怀下完成的。回首这几个月来的设计过程，可以说是付出了不少心力，但更多的是收获。它检验了我大学四年对各学科知识掌握程度，通过老师们和同学们的帮助今天我的设计终于做完了。虽然在毕业设计中遇到很多困难，但在做的过程中我真正掌握和领会了各项知识。面对问题仔细揣摩，查阅各方文件资料，也得到老师和同学的帮助。在这里我要特别感谢陈文凯老师，在这次设计中陈老师不厌其烦地指出我设计中需要改正的地方，指引我完善好方案，在百忙之际给了我们最大的关怀和耐心的指导，使得设计工作得以顺利完成。同时也要感谢和我一起进行毕业设计的同学，是你们的鼓励和支持，使设计中的困难得以解决。