1、2 机械手的总体设计本科毕业设计( 论文)题目：凸轮轴机床的工件输送机构的设计系 别： 机电信息系 专 业：机械设计制造及其自动化班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2013 年 05 月3 手部结构设计凸轮轴机床的工件输送机构的设计摘 要在现代企业生产过程中，生产线零件的输送是非常重要的工作之一，随着生产自动化的发展，目前，这一工作已由机械手的自动搬运逐渐替代传统的人工完成。机械手的出现在减轻工人劳动强度和难度、提高工作效率和质量、降低生产成本上做出了突出贡献,机械手的发展在企业的发展和创收上起到了举足轻重的作用。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
2、操作的自动机械装置。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。本课题设计一种在七工位凸轮轴加工机床上应用的机械手,用于实现工件的输送。明确机械手的功能、技术参数、工作原理、主要结构及特点。要求结构简单、抓取重量大、开合行程长、运行可靠,从而提高生产效率。关键字：机器人；抓取装置；工业机械手；手爪CAM shaft of machine tool workpiece conveying mechanism designAbstractIn the modern enterprise production process, the delivery of parts of the pr
3、oduction line is one of the very important work, with the development of production automation, this work by the automatic handling of the robot gradually replace the traditional manual. Reduce labor intensity and difficulty, improve work efficiency and quality, reduce production costs, the emergenc
4、e of robot made outstanding contributions to the development of the robot has played a pivotal role in the development of enterprises and income-generating. The robot is imitating the action of manpower, the robotic device used to automatically capture, handling or operation to achieve a given progr
5、am, track and requirements.The industrial robot is a high-tech automated production equipment developed in recent decades. The design of this project an application in the the seven stations camshaft machine tools, robots, used to implement the delivery of the workpiece. Clear function of the robot,
6、 the technical parameters, it works, the main structure and characteristics. Requirements of the structure is simple, grab the weight, opening and closing stroke, reliable operation, thereby enhancing production efficiency.Keywords: robot ；grasping device；industrial manipulator； gripp目 录1 绪论 .11.1 题
7、目背景 .11.2 研究意义 .11.3 国内研究的情况 .11.4 国外研究情况 .21.5 本课题研究的主要内容 .21.5.1 凸轮轴机床的工作原理 21.5.2 机械手总体结构的设计 32 机械手的总体设计 .52.1 机械手的设计原则 .52.2 机械手的座标型式与自由度 .62.2.1 确定大体参数 62.3 机械手的手部结构方案设计 .62.4 机械手的手腕结构方案设计 .72.5 机械手的手臂结构方案设计 .72.6 机械手的控制方案设计 .72.7 机械手的主要技术参数 .73 手部结构设计 .93.1 夹持式手部结构 .93.1.1 手指的形状和分类 93.1.2 设计时考
8、虑的几个问题 93.1.3 手部夹紧液压缸的设计 .104 手腕结构设计 144.1 手腕的自由度 144.2 手腕的驱动力矩的计算 144.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩 .144.2.2 回转液压缸的驱动力矩计算 .164.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核 .175 手臂液压缸的尺寸设计与校核 195.1 手臂伸缩液压缸的尺寸设计与校核 195.1.1 手臂伸缩液压缸的尺寸设计 .195.1.2 尺寸校核 .195.1.3 导向装置 .195.1.4 平衡装置 .205.2 手臂升降液压缸的尺寸设计与校核 205.2.1 尺寸设计 .205.2.2 尺寸校核 .205.3 手臂回转液压缸
9、的尺寸设计与校核 215.3.1 尺寸设计 .215.3.2 尺寸校核 .216 机械手的 PLC 控制系统设计 236.1 可编程序控制器的选择及工作过程 236.1.1 可编程序控制器的选择 .236.1.2 可编程序控制器的工作过程 .236.2 可编程序控制器的使用步骤 246.3 机械手可编程序控制器控制方案 246.3.1 控制系统的工作原理及控制要求 .25结 论 .26致 谢 .27参考文献 .28毕业设计（论文）知识产权声明 29毕业设计（论文）独创性声明 30设计图纸和说明书联系QQ25766365383 手部结构设计3.1夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力
10、机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、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、多指式和双手双指式。按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种；按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型、二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指。同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化
11、的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。3.1.2设计时考虑的几个问题a. 具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，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。b. 手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指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。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。c. 保证工件准确定位为使手指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。d
12、. 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。e. 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。3.1.3手部夹紧液压缸的设计a. 手部驱动力计算本课题液动机械手的手部结构如图3.1所示：图3.1齿轮齿条式手部其工件重量G=15公斤，V形手指的角度 ， ,摩120mRb24擦系数为 。10.f(1
13、) 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:(3.1)RpN(2) 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:(3.2)(5.0tg)(2)4256N所以 Rbp)(45(3) 实际驱动力 : 21K实 际因为传力机构为齿轮齿条传动，故取 ，并取 。若被抓取工94.05.1件的最大加速度取 时，则:ga32ga所以 )(563.15Np实 际所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为 。N1563b. 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:(3.3)ztFPDF421式中: - 活塞杆上的推力，
14、N；1F- 弹簧反作用力，N；t- 液压缸工作时的总阻力，N；z- 液压缸工作压力，Pa。P弹簧反作用按下式计算:(3.4)(slGFft(3.5)nDdf3148式中: - 弹簧刚度，N/m ；fGl - 弹簧预压缩量，m；- 活塞行程，m；s- 弹簧钢丝直径，m；1d- 弹簧平均直径,m；D- 弹簧有效圈数；n- 弹簧材料剪切模量，一般取 。GPaG9104.7在设计中，必须考虑负载率 的影响，则:(3.6)tFpD21由以上分析得单向作用液压缸的直径:(3.7)pt)(41代入有关数据，可得 fGnDd314843915)0(7)/6.mN(sFft)(6.2014373N所以: Dpn
15、Ft6105.).249()(23.65m查有关手册圆整，得由 ,可得活塞杆直径:.02/d mDd5.193).02(圆整后，取活塞杆直径 校核，按公式d18)4/(21dF有: 5.)/14(F其中， ，MPaN701则: 5.2/90d8.2满足实际设计要求。c. 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。一般液压缸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 :2/pDP（3.8）式中:6- 缸筒壁厚，mm；- 液压缸内径，mm；D- 实验压力，取 , Pa。pPPp5.1材料为:ZL3, =3MPa代入己知数据，则壁厚为: 2/pD)(5.6)103/
16、(65m取 ，则缸筒外径为:m5.7 )(8271毕业设计（论文）独创性声明4 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，因此我们选用回转液压缸。它的结构紧凑，但回转角度小于 ，并且要求严格的密封。3604.2手腕的驱动力矩的计算4.2.1手腕转动时所需
17、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。1.工件2.手部3.手腕图4.1手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:封摩偏惯驱 MM（4.1）式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩( )；驱McmN- 惯性力矩( )；惯 c- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的偏动片)对转动轴线所产生的偏重力矩( )；- 手腕回转缸的动片与定片、缸径
18、、端盖等处密封装置的摩擦封阻力矩( )。cmN下面以图4-1 所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:a. 手腕加速运动时所产生的惯性力矩 惯M若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为 ，起动过程所用的时间为 ，则 :t(4.2).(1cmNtJ）（惯式中: - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 ；J ).(2sc- 工件对手腕转动轴线的转动惯量 。1 ).(2s若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 为:1J(4.3)gGJc112e式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量 ；cJ ).(2scmN- 工件的重量(N) ；1G- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm) ；e- 手腕
19、转动时的角速度(弧度/s)；- 起动过程所需的时间(s)；t- 起动过程所转过的角度(弧度)。b. 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 偏M+ ( ) (4.4)偏M1eG3cmN式中: - 手腕转动件的重量(N)； 3G- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm) 。e当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 。1e0c. 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 封( ) (4.5)封 )(21dRfBAcmN式中: ， - 转动轴的轴颈直径 (cm)；1d2- 摩擦系数，对于滚动轴承 ，对于滑动轴承 ;f 0.f 1.0f, - 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解。ARB
20、根据 ,得:0）（ FM3lGRBl1231同理，根据 (F) ,得:B0lllRA )()()( 321式中: - 重量(N)；2G- 如图4-1所示的长度尺寸 (cm)。31,ld. 转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M，与选用的密封装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。4.2.2回转液压缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸，它的原理如图4.2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个。当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶液压缸的压力P驱动力矩M的关系为:或 )(2rRbMp2)(rRpb4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核a. 尺寸设计液压缸长度设计为 ,液压缸内径为 =96mm,半径 ,轴mb101DmR48径 =26mm,半径 ,液压缸运行角速度 = ，加速时间 =0.1s,2DR3s/90t压强 ，则力矩：MPa4.02)(rRpb).(63)026.48.(104.6mNb. 尺寸校核(
