自动上下料机械手结构毕业设计

'齿轮轴加工的上下料装置设计摘要：机床自动上下料装置是一种典型的机电一体化产品,尤其是自动上下料的机械手目前已经在航天航空、大批量生产、核工业等领域中有着举足轻重的作用O木设计主要针对在大批量牛产齿轮轴时仍在使用工人进行上下料这一现象的改进，通过引入自动上下料机械手，使生产加工更加的自动化，也节省了人力资源成本，提高生产效率。本次设计共包含3个主要内容，工业机械手的特点、机械手的总体设计和结构设计。在机械手的基础之上加以液压技术来控制上下料动作，通过PLC来控制机械手的运动位置。同时计算及校核出了机械手的相关参数，设计出了机械手的结构和工作原理。在实际加工中，需要机械手进行高效准确的实现上下料，因此本次设计机械手的亮点将在于实现一次控制4台机床的上下料，并且机械手设计有1个末端操作器，可以实现两次完成上下料，充分的在大批量生产的前提之下，提高了生产效率，在木设计的最后将采用计算机三维绘图软件UG对木机械手进行仿真及运动分析，提高了设计的准确率。关键词：机械手;自动化;上下料 ThegearshaftloadingandunloadingdevicedesignAbstract:Themachineautomaticfeedingdeviceisakindoftypicalmechatronicproducts,especiallytheautomaticfeedingmanipulatorhasbeeninmassproduction,aerospace,nuclearindustryandothermanufacturingindustrieshaveplayedanimportantrole.Thisdesignismainlyforpowerplantagentsinthemassproductionofgearshaftwhentheworkerswerestillinusethisphenomenonontheimprovementofmaterial,automaticloadingandunloadingmanipulatorbyintroducingtheproductionlinemoreautomation,butalsosavesthecostofhumanresources,improveproductionefficiency・Thedesignincludes3maincontents,thecharacteristicsoftheindustrialmanipulator,theoveralldesignandstmcturaldesignofthemanipulato匚Onthebasisofthemanipulator,thehydraulictechnologyisusedtocontrolthemovementoftheupperandthelower,andthepositionofthemanipulatoriscontrolledbyPLC.Atthesametime,therelevantparametersofthemanipulatorarecalculatedandchecked,andthestructureandworkingprincipleofthemanipulatoraredesigned.Intheactualprocessingofyouragentfactory,toachieveefficientandaccuratebymanipulator,sothedesignofthemanipulatorwillhighlightliesintherealizationofacontrol4machineloadingandunloading,andthereare1endeffectorofmanipulatordesign,canaccomplishloadingandunloadingtimefullyunderthepremiseofmassproduction,improvetheproductionefficiency,attheendofthisdesignwillusethecomputersoftwareUGtosimulateandanalyzethemovementofthemanipulator,improvetheaccuracyofdesign.Keywords:Mechanicalhand;automation;Loadingandunloading 1绪论11.1机械手的基本结构11.2机械手的发展分析22工业机械手的总体设计32.1设计的具体环境32.2机械手的工作过程33机械手的结构设计53.1机械手自由度设计53.2机械手臂总体结构设计63.3机械手末端操作器的设计73.3.1工作原理83.3.2夹紧力计算83.3.3基本结构尺寸计算93.3.4驱动力计算103.3.5尺寸的校核113.3.6材料及连接件的选择123.4机械手手腕的设计123.4.1手腕结构的选取123.4.2腕部结构计算133.4.3回转液压缸驱动力计算153.4.4液压缸盖的计算163.4.5腕部轴承的选择183.4.6腕部轴的键强度校核183.4.7腕部轴的强度校核计算193.5伸缩小臂的设计19 3.5.1小臂的设计要求193.5.2小臂的结构设计203.5.3小臂液压缸参数计算203.5.4缸筒壁厚设计校核213.5.5缸底设计及校核223.5.6油缸连接件的计算223.5.7伸缩臂的伸缩范围控制及调整243.6大臂及机座的设计243.6.1升降液压缸驱动力的计算243.6.2升降液压缸的参数计算263.6.3大臂机座的设计264驱动装置的设计274.1驱动系统的工作顺序274.2液压驱动的设计283.2.1各液压缸的流量的选取283.2.2液压泵的确定及所需功率的计算284.3大臂电机驱动的设计293.3.1电机驱动的计算303.3.2电机的选型304.4导轨电机驱动的设计314.5机械手液压系统总设计313.5.1液压系统的设计313.5.2液压系统的工作原理323.5.3液压系统电磁铁动作顺序33结论34 ［参考文献］35谢辞错误!未定义书签。 1绪论在英文翻译中，机器人被翻译成了“ROBOT”，人们当时最早对机器人的期望就是能够像人一样的去做一些劳动，但随着电影行业的飞速发展，越来越多的影片里把机器人塑造成了一个与人有着同样外貌的样子。但在机械行业加工屮,机器人的样子可不像人的模样，所以在机械行业中，机器人一般都像机械手一样,随着制造业的进步，机器人的定义随着时代的改变而改变，但无论怎么改变，机器人的作用始终的都是帮助人类去完成一些高危、高强度的工作，使加工行业更加的自动化。机器人自20世纪60年代问世以来，经过了40多年的发展，已广范应用于各个领域，本章主要介绍机器人的应用和发展及工业机器人的分类情况。1.1机械手的基本结构由于应用场合可能会有所差別，且工业机器人的结构形式种类繁多。驱动方式、传动方式也不一样。工业机械手基本的结构如图1所示：手腕图1工业机器人机械结构（1）末端操作器机械人是要进行相关工作的，因此需要一个形如手一样的装置，所以人们设计时在手腕上配置了手爪，有时也叫末端操作器，因为被操作工件形状、尺寸、 重量等齐有不同，所以工业机器人按操作器分类是多种多样的，大部分末端操作器的结构是根据特定的工件专门设计的，有夹钳式取料手、吸附式取料手、专用操作器及转换器、仿生多指灵巧手。（2）手腕连接手部和手臂的中间部分，作用是位末端操作器增加一个自由度，使抓取变得更加灵活。（3）手臂就像人类的手臂一样，联接着手腕和基座，主要是带动手腕和末端操作器进行相应的动作，使机器人变得更加灵活。（4）机身机器人的基础部分，起支承作用。因为机器人有固定式和移动式，因此不同的结构会有不同的机身。1.2机械手的发展分析在齿轮轴加工中，大多数齿轮轴均为犬批人量生产，为了提高效率减少人力资源成木，在一些比较成熟的牛产线中，适宜采用自动上下料机械手去工作。齿轮轴的加工中，先要对毛坯棒料在数控车床中进行车外圆粗加工，该工序适宜引入自动上下料机械手，总体来说上下料机械手的发展方向其一是机器人的智能化，多传感器、控制器，先进的控制算法，能够胜任复杂的生产任务环境。其二是与生产加工相联系，满足具体任务前提之下，追求系统的经济、简介、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。 2工业机械手的总体设计2.1设计的具体环境如图2所示，机械手在4台数控车床的中间移动，为4台机床进行上下料工作，上下料顺序由左向右依次进行，每一台数控车床分别做齿轮轴的4道工序。工序1为粗车端面、外圆；工序2为精车端面外圆；工序3为滚齿、工序4是剃齿。左侧是毛坯，右侧是加工好的齿轮轴成品。2.2机械手的工作过程（1）机械手先逆吋针旋转90度，大臂液压缸下降，手爪旋转90度，抓取工件，大臂液压缸上升，手臂顺时针旋转90度，手臂伸入工序1的机床内，将工件放入机床内，手臂缩回。当工序1加工完毕后，手臂伸入机床内取走工件，手臂缩回。（2）顺时针旋转180度，手臂伸入工序2,将工件放入工序2的机床内加工，加工完毕后，手臂伸入工序2取下工件，手臂缩冋。（3）机械手由地面的导轨移动至工序3处，手臂伸入工序3,将工件放入工序3的机床内加工，加工完毕后，手臂伸入机床内取走工件，手臂缩回。（4）逆时针旋转180度，手臂仲入工序4的机床，将工件放入，手臂缩回，当工序4加工完毕后，手臂伸入机床内取走工件，手臂缩回，顺时针旋转90度， 大臂液压缸下降，并且手腕旋转90度，将成品工件放入成品区域内，大臂液压缸上升，机械手沿着导轨移至左侧。机械手工作初始和工作吋的情况模型如图3、图4所示：图3机械手初始状况下的三维模型机械手工作状况时的三维模型图4 3机械手的结构设计3.1机械手自由度设计育角坐标型机器人圆柱坐标型机器人球坐标型机器人关节型机器人育角坐标型机器人圆柱坐标型机器人球坐标型机器人关节型机器人的机械结构可分为以下四类：关节型机器人、球坐标型机器人、、直角坐标型机器人，其特点如表3.1所示。表3.1工业机器人的分类及特点特点这种机器人由三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器的位置，这种机器人在X.Y.Z轴上运动是独立的，且方程是线性相关的，因此使用计算机控制相对简单，但它的操作范圉小，占地面积大，运动速度低。一个可以上下移动的关节和两个在移动中旋转的运动副组成，再附上一个旋转关节来确定部件的位姿。这种机器人可以绕中心轴旋转一个角，工作范围可以扩大，直线部分宜釆用液压驱动，能够仲入型腔式机器内部，但直线驱动部分难以密封。用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态，但坐标复杂，难以控制。这种关节类型全都是旋转运动幅，相当于人手臂的关节，它是在机器人领域中中最常见的结构，工作位姿较为复杂。,本设计适宜釆用圆柱坐标型机器人，其结构如图5所示：图5工业机器人结构简图 圆柱坐标机器人有三个自由度，为了使其末端操作器更加灵活的抓取工件,故在其手腕部位再增加一个旋转自由度，如图6所示:图6机械手的运动自由度示意图3.2机械手臂总体结构设计工业机械臂由三大部分六个子系统组成，这三大部分是：机械传动部分、传感器感应部分、控制驱动部分。六个子系统是：驱动控制系统、机械系统、感受传感系统、机器人■环境交互系统、人机交互系统、控制系统组成，如图7所示：图7机械手系统的组成 (1)驱动系统给机器人的灵活动作提供相应的动力支持，这就是驱动系统。本次设计机械手抓取的是质量不大的棒料，故机械手大臂和小臂的伸缩采用液压较为合适，大臂的旋转和手腕的旋转采用旋转液压缸来驱动。同时机械手在导轨中也需要准确移动至其他工位的机床上实现上下料，故在导轨上的驱动采用步进电机来实现。(2)机械结构系统本设计机械手的机械结构由机身、手臂、手腕、末端操作器四大件组成。(3)机器人■环境交互系统机械手无法单独存在工作，需要与所在的实际工作环境进行交互，在木设计中，机械手需要将工件放入机床的夹具内，首先需要和机床的夹具进行交互，其次，机械手的小臂伸缩也需要与机床的门的开关时间交互才可以顺利完成动作。(4)人机交互系统一个机械手的所有动作，一定少不了人对机械手的编程和控制，因此人机交互系统是使操作人员参与机器人进行交互的装置。木次设计选用示教盒.(5)控制系统机器人在工作时，一定是由人提前将机器人的工作方式编写成程序，然后机器人按程序进行工作，这就是控制。本次设计选用PLC主要对机械手的位置进行控制，这也就需要在机床门处以及机床夹具处均安装传感器，方便给PLC反馈信号，进行控制。3.3机械手末端操作器的设计末端操作器是执行夹取圆柱棒料任务的末端装置，大多数末端操作器的结构和尺寸都是根据其不同工作任务要求来专门设计的，从而形成多种多样的结构形式，根据其用途和结构的不同，可分为许多，本次设计需要末端操作器对棒料进行抓取，因此采用连杆式夹持器，为了方便更换末端执行器，本次设计釆用法兰盘作为机械接口处的连接器。因为机械手要抓取零件，所以一般使用的末端操作器均为双指手爪式，手爪可以分为平移型和回转型，本次设计采用回转型。回转时可以以一个支点回转,也可以是两个支点回转。按被加持的方式可以分为从零件外部夹持和从零件内腔 夹持，手爪的驱动可以有液压、气压和电动三种方式。3.3.1工作原理本次设计因夹持的为圆柱型棒料，所以选用如图8所示的单支点回转里末端操作器，驱动方式为液压驱动。A图8单支点回转型夹持器该滑槽杠杆式回转型末端夹持器工作原理为：当需要末端操作器手爪张开时,则驱动杆向下运动，圆柱销在滑槽中移动，迫使与支架较接的左右手爪张开准备夹取零件，当杆向上时，手爪夹紧。33.2夹紧力计算既然手爪的作用是夹取零件，因此夹紧力将是末端操作器的一个重要参数,必须对其大小、作用点和方向分析，手指对工件的夹紧力公式为：FN>K1K2K3G13-1 式中：K】一安全系数，由机械工艺手册查出通常取1.2〜2。本设计取1.6。©—工件情况系数，K2=1+-og因本设计加工棒料质量不大，故a可取0.01m/s2,g取9.8N/kg,代入公式即可得K产1+—=1.001o29.8心一方位系数，依据操作器手爪形状及其手爪和零件位置来选定。木次设计棒料为水平放置，查夹紧力方位系数为0.5。Gi—被抓工件重量。本设计中，因加工齿轮轴，工件质量相对较轻，根据工件实际质量取Gi为60No因此求得夹紧力为：Fn=KiK2K3G=1.6*1.001*0.5*60=48.048N,取整为49N。3.3.3基本结构尺寸计算O2图9手爪上半部分简图001为左手爪，0］为左手爪的支点，002为右手爪，02为右手爪的支点，0为销轴中心点，左手爪的反作用力为P2,右手爪的反作用力为P1O该姿态为末端操作器的初始姿态，此时左右手爪对销轴0的反向作用力为P1、P2,其力的 方向垂直于滑槽的中线向OOi和002。Pl、P2的延长线a、B交于0|02。由于三角形OQB和三角形O2OA为直角三角形，故角AOC等于角COBo（2）对手爪下半部分的简图如图10所示：图10手爪下部分初始简图由拉杆的力平衡条件：》Fy=O,P1=-^-,SFx=O得Pi=P2oP=2P1COSB,0初始位置定位452COSo度。因左右手爪夹取的是棒料，且形状规则。棒料的直径为100・140mm。取直径为140mm。则a可约为90mmo则h为：h=—^―=90128mm、b可初取cos0cos45136mm。对于手爪的支点处直径，初取"8,V型手指的夹角取120度即可完成夹持。3・3・4驱动力计算手爪工作时夹紧力F*及其驱动力FpZ间满足的关系为:Fn=Fph2bcos203-2式中: h—销轴心到左侧杠杆支点的距离。b—手爪至销轴运动最下方的距离。0—手爪的倾斜角。已知Fn=49N、h=128mm,>b=136mm、0=45度，代入式3・2可求得驱动力Fp~52.13N,取整为53N。考虑在实际情况中，液压缸驱动力要大于理论计算值。一般末端操作器机械的效率H可以取0.8-0.9,本设计即取0.9,则:F实际=半=58.92取整可为59No从式3・2也可得出：当驱动力Fp—定时，B角变大则夹紧力Fn越大，但9角过大则导致拉杆的行程过大，以及手指滑槽长度增长，使之结构变大，所以将B角定为45度为适屮尺寸，故合格。3.3.5尺寸的校核（1）在不计摩擦力的情况下：Pi=P2=-^T=^—-41.74N2cos02*cos45如图11所示，手爪可近似为一根杠杆，支点为02,动力臂为h,阻力臂为b：O2同样在不计摩擦的条件下，根据杠杆原理，则有: 3-3Fph=P(h=F“b2cos0又因为a为90mm,贝！J：h=—=90-127.3mmcos0cos45所以b通过计算可得：b=41-74*1273^108.4mmFn49因此h和b的计算值符合要求。3.3.6材料及连接件的选择V型手爪与夹持器支点处选用直径为12mm的圆柱销(GB/T119」)，需使用2个，滑槽处选用圆柱销直径为10mm,使用1个，以上材料均为钢件，调质处理。3.4机械手手腕的设计3.4.1手腕结构的选取在机械手中，末端操作器和手臂是需要手腕相连接才可以正常工作的，因此手腕的作用就是改变手爪抓取时的方位，因此手腕也是拥有一个旋转的自由度,驱动着末端操作器做旋转运动，手腕结构一般有以下儿种：(1)用摆动液压马达驱动来实现回转运动(2)具有两自由度的手腕结构。(3)含有三自由度的手腕结构。(4)偏置三自由度机械传动手腕结构。(5)PUMA机器人的机械手腕结构。本次设计因抓取棒料，运动相对简单，故选取第一种方案，如图12所示，采用一个回转液压缸，实现腕部旋转运动。其屮，控制机械手爪张开的进油口进入液压油时，至手部驱动液压缸处，此时•手爪打开。当手爪开至极限，可停止供油，此时，手爪上的复位弹簧可将手爪缩回夹紧。此设计可保证油管不受扭转。定片和缸体相连，压力油分别从进岀口进入或岀来，推动回转叶片在回转液压缸内正反转，最终带动末端操作器旋转。腕部旋转角度控制问题可采用机械挡块进行控制，本次设计，只需要手腕旋转0〜90度即可。 图12手腕的结构3.4.2腕部结构计算在手腕工作的时候，需要计算出三种阻力，即腕部回转时支承处的摩擦力矩M廉、克服由于工件重心偏置所需要的力矩M偵、克服启动惯性所需的力矩M惯，手腕回转动作所需的驱动力矩等价于上述三者之代数和。(1)腕部在回转运动时候对支撑处产生的摩擦力矩M縻计算公式可为：M條=丄(Fr]D]+Fr2D2)3-42式中：Fri、Fr2—左右轴承上的支反力大小(N),可列岀静力平衡方程解得。Dj、D2—轴承的直径(m)。f—轴承的摩擦系数，对于滚动轴承可为0.01〜0.02；对于滑动轴承可为0.1。为方便计算取M十0.1M总力矩，如图13所示，Gi、G2、Gs分别为工件的 重量、手部的重量、手腕转动件的重量。图13转轴及手爪受力分析图（2）工件被加持的时候重心会偏置，因此克服其偏置的M保计算公式为：M偏=G】e3-5式屮：e—工件重心到手腕冋转中心的偏移距离，根据加工齿轮轴的实际工艺，本设计取10mm。将数值代入得:M僞=Gie=60*10*10_3=0.6N-m（3）手腕由静止到运动的时候克服其启动惯性的力矩M惯计算公式为：M计（J+J工件）—3-6t启式中：J工件一工件在手腕回转轴线处的转动惯量（N-m-s2）oJ—手腕回转处对手腕回转轴线的转动惯量（N•m•s2）o3—手腕冋转过程的角速度（m/s）t启一启动这一过程需要的时间，为了效率可取0.05~0.3s,木设计取0.1s即可。手爪驱动液压缸和回转液压缸可近似的看成一个简易的圆柱体，高初定为170mm,直径可以为100mm,其重力为：G=7i*0.052*0.17*7800kg/m3*9.8N/kg=102.06N取103No其中7800kg/m3为铁质液压缸的密度。 等效圆柱体的转动惯量:J=-MR2=--R2=i*—22g29.8—*0.05^0.011在本设计中，齿轮轴毛坯半径R=70mm,长度L=300mm的棒料，则齿轮轴的转动惯量为：J工件=巴(3R2+L2)=-(3*0.072+0.32)=0.035N・m1212要求工件在0.5s内转过90度，因此3=2/0.5=1.57,代入式3・6得：4”惯=(J+J工件)—=(0.011+0.035)*—=0.7222N-mg0.1最终可求得总力矩为：M总力矩=M偏+M惯+M聲=0.6+0.7222+0.1M总力矩解得：M总力矩=1.47N・m3.4.3回转液压缸驱动力计算冋转液压缸的驱动力矩必须大于M总力矩才可以正常运转，如图14所示，定片与缸体固定在一起，动片与旋转轴通过螺钉相连，当左右油口分别进出油时,动片带动转轴做旋转运动，从而达到手腕部分回转，从而驱动末端操作器动作。油口动片转轴密封圈缸体定片图14回转缸简图图15为冋转液压缸的内部结构，M为作用在动片上的旋转力矩: 图15回转液压缸内部结构由M2M总力矩，可得：“一pb(R2-r2)c、l2Mt~nr—彳—，RNj正+r23・7式中：M总一回转时的总阻力矩(N・m)。p—冋转液压缸的工作压力(pa)。R—缸体内孔半径(m),即最大轴径。r—输岀轴半径，设计原则为D/d=1.5〜2.5。b—动片宽度(m)o为了减少动片与输出旋转轴连接处螺钉所受的载荷及动片的受热悬伸长度,选择动片宽度时，选用：^>23-8R-r在满足式3・8以及机械手整体结构Z下，初取最小轴径r=llmm、最大轴径R=35mm、P为IMpa。3.4.4液压缸盖的计算液压缸盖在工作中，也承受着一定的载荷，因此选取合适直径和材料的连接件对液压系统来讲也是不可或缺的，如表3.2所示，为螺钉间距与工作压力P的关系：表3・2螺钉间距t与p间的关系 工作压力P(Mpa)螺钉间距t(mm)0.5〜1.5小于1501.5〜2.5小于1202.5〜5.0小于1005.0〜10.0小于80(1)每个螺钉在危险截面上承受的拉力为：F总=F+F预3-9式中：F—螺钉的工作拉力。F预一螺钉的残余预紧力。由于液压缸的工作压力为IMpa,所以螺钉间距小于150mm,初步选取2个螺钉，己知R=35mm,即：—*2~109.95<150mm,故2个螺钉可以满足要求。因4本设计中腕部频繁工作，因此螺钉取6个。受力截面S=hR2・“2=兀*(0.0352-0.0112)^0.003m2,所以：F』=10^03=15Q0Nz2卩预=1<尸，此处螺钉连接要求有一定的密封性，故K可以取1.5〜1.8,本设计屮取K=1.6,所以F预通过计算为3200N,因此F,®=F+F预=3200+15004700N。(2)螺钉材料可选用Q235,查相关手册可得os=240Mpa,贝叽。］=—=^=S1.6150Mpa,螺钉的直径公式为：d>3-10yj咖］式中：F—总拉力，即F总。已求得F为4700N,［o］为150Mpa,代入式3・10可得：&巨户i.3*47oo〜7Romm取整得螺钉的直径为8nwi即可满足条件，为保证长期使用，本设计可取直径为10mm的螺钉。 3.4.5腕部轴承的选择因本设计抓取的棒料质量不大，故选用HT200,密度为7.9g/m3,轴承所受径向载荷与工件的白重基本一致，故取轴承载荷为50N,两处均使用深沟球轴承即可满足要求。因此可以校核本设计中较小轴段直径处轴承寿命:因R=35mm,因此与轴承配合的轴径可取dmjn=60mm,可选用6312轴承,106即cr=10KN,当量动载荷p=fpFr,载荷系数妇取1,Fr=50N,贝0p=50N,轴承的寿命计算公式为：3-11式中:n—轴的转速。已知手爪0.5s内回转90度,因此n=60r/mino所以:L舞*（讣3==*（詈）3恤经计算可得出S远大于额定寿命106h,故选择的轴承合适。3.4.6腕部轴的键强度校核因旋转轴与末端操作器连接处轴径为22mm,故查得键的尺寸可为：6X6X20,键强度计算公式为:3-122000T4000T".矿T1T=启冬旳式屮:T—传递的转矩。k—键与轮毂键槽的接触高度，此处h为键的高度。1—键的工作长度。d—轴的直径。[%]-键、轴、轮毂三者Z中最弱材料许用挤压应力。将数据代入式3・12可得：咕帶=嚮1=叱竺y.23MpaPkidhid6*20*22r查得键连接的许用挤压应力得[op]=120〜150Mpa,故满足传动要求。3.4.7腕部轴的强度校核计算 腕部轴是连接末端操作器和手腕的一个重要部件，因此应在初步完成结构设计后进行校核计算，计算准则是满足轴的强度或刚度要求。轴的扭转强度计算公式为：3-13M—轴所受到的总力矩。Wt—轴的抗扭截面系数。WT=0.2d3通过上文计算可知，腕部的M总力矩最大值为1.47N•m,轴径d=60mm<>将其代入式3・13可得:M1.47*100014Tt-wt-0.2,603~0-Q34<[TT]=25Mpa故轴的强度合适。3.5伸缩小臂的设计机器人能否灵活自如的运动一大部分是依靠手臂来完成的，因此手臂在设计时尤为重要。手臂主要作用就是带动着末端操作器去抓取工件，因此这就需耍手臂有着伸缩自由度、左右回转自由度以及升降自由度，手臂的回转一般是靠底部的步进电机来控制，底部立柱的横向移动即为手臂的横移，本次设计手臂是由电器和液压混合驱动。手臂承受被抓齿轮轴棒料的自重，而且也承受着手腕和末端操作器自身的重量，所以手臂的设计关乎到整台机械手的性能。本次设计采用单臂式机械手小臂，可以完成仲缩运动，小臂一侧I古I定在大臂上，另一侧通过法兰连接手腕和末端操作器，小臂的实质上就是一个伸缩液压缸。3.5.1小臂的设计要求在实际加工屮，已知小臂需要伸缩的长度为400mm,单方向伸缩时间需控制在1.5s〜2.5s之内，在伸缩过程中无刚性冲击，并且要保证一定的可靠性和耐用性。 机械手的直线往复运动可直接采用液压油缸来驱动，因为油缸的体积小，重量轻。如图16所示为小臂的结构示意图，当液压缸通入压力油时，则推动活塞杆做直线往复运动，导杆在导向套内移动，以防手臂伸缩吋的转动。由于手臂的伸缩油缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲的作用，活塞杆只受拉压作用，因此受力相对简单，外型整齐美观，结构紧凑。将图小臂的伸缩机构进行简化受力分析，如图17所示，此吋小臂导杆完全伸出，长度为600mm,此时为导杆的最大受力状态也是导杆的最大变形时刻，在此情况之下，计算它的强度和刚度。图17小臂受力简图小骨在运动时会承受相关的负载，R代表着小臂由静止到工作时，以一定加速度启动对液压缸产生的阻力: R=R汁Rm+Rg3-14式屮:Ri—工作机构自重及其抓取齿轮轴所产生的负重对液压缸产生的作用力。Rm—工作机构在满载启动时的静摩擦力。Rg—工作机构满载启动时产生的惯性力。现已知工件质量约为6kg,夹持器质量为14kg,夹持器、伸缩臂和其他部件质量共约60kg,因此Ri为80kg,即800NoRm=|iRiou为摩擦系数,取0.2,则际为160Nog*avg*At3-15Rg的运算公式为:式中：△t—启动时间。因伸缩臂需要在l・5s〜2.5s伸缩到位，故启动时间可取0.1s。△v—启动速度。速度可初取0.2m/soG—机构负重，即800No代入式3-15可得：G/V_800*0.2g*At10*0.1=160No因此总负载为：R=Ri+Rm+Rg=800+160+160=1120No为了保证小臂伸缩的可靠性，故小臂液压缸桶直径初取120mm。液压缸活塞缸材料：45钢调质处理，其抗拉强度查手册得Ob=570Mpa。活塞杆的直径：查液压传动相关手册可得，当系统负载压力小于lOMpa吋，速比0=1.33,液压活塞杆直径为50mni即可实现运动平稳可靠，且缸筒厚度可为20mmo因此，最小导向长度可为：H2丄+D-4QQ+—=80mm□2022023.5.4缸筒壁厚设计校核缸筒材料初选ZG310-570铸钢，其抗拉强度ob=570Mpa,缸筒壁厚8取20mm,查得手册0窪，因此属于普通壁厚，缸筒壁厚的校核公式为：u385>PPmax3-162.3as—3pmax式中：Pmax—缸筒内最高工作压力。查得7Mpao 氏一材料的许用应力。计算公式为。尸匹，其中11为安全系数，查手册取5。n耳-晋-#T14Mpa5=5.5>DPmax=120*7^3.48mm2.3cts—3pmax114*2.3—3*7缸筒壁厚校核合格。缸筒外径：Di=D+26=160mm3.5.5缸底设计及校核缸底材料：选择Q235碳素钢结构，其拉伸强度查得ob=370〜460Mpa缸底厚度计算公式为：在缸底设计中氐=空n5=0.5D|£maxJ6安全系数T|可取3,则:3-17cs=—=—~153.33MpaT|35=0.5D|^=0.5*160*17.04mmyjas7153.33缸底厚度取整为20mm。3.5.6油缸连接件的计算因缸筒与缸底不常打开，且需要一定的密封性，因此缸筒与缸底采用焊接的办法相连，缸底与机座大臂也通过焊接相连。缸筒中各部件采用螺钉连接，便于拆卸。因小臂油缸在工作中会经常伸缩，因此螺钉的连接需要计算其强度、拉应力及剪应力。螺纹处的拉应力公式为：g=~~2~3-18tc/4(dj-D2)式中：k—螺纹预紧力系数，1.25〜1.5。取1.5。p—油缸压力。山一螺纹内径。当采用普通螺纹时，计算公式可为d1=d0-1.224t,t为螺钉间距。 D—油缸内径。本设计已知油缸压力给定为IMpa,经过换算单位得lMpa=10kgf7cm2o因为D算得为3.8cm,查得机械设计手册，采用普通螺纹基本尺寸（GB/T196-2003）公称直径第二系列，可得螺纹间距t=4.76cm,d0=18cm,所以di=d0-1.224t=18-1.224*4.76^12.17cm。将以上数据代入3-18可得:kp1.5*10D2），^12.17,12.17-12,125"4-65（kgfCm2）（1）螺纹处的剪应力为：k]kp*do3-19式中:ki—螺纹摩擦系数（0.07〜0.2）。取0.1310.4(^4)0.89(kgf/cm2)将已知的数据代入式3・19可得:kxkp*d0_0.13*1.5*10*18〜c人12.174-124dl丿04*12.17（2）螺纹的合成应力：On=Va2+3t2=V4.652+3*0.892^4.90(kgf/cm2)（3）螺纹的许用应力为:[o]竺3-20n式屮：。S—缸筒材料的屈服极限。查得为235Mpa=2350kgf/cm2n—安全系数，n=1.2〜2.5。取1.70将已知数据代入式3・20可得：[。]=严二穿〜1382.35（kgf/cm2）因为on<[o],所以设计满足条件。（4）缸筒与缸底的焊接强度计算公式为:3-21式中：p—油缸压力。耳一焊缝效率。可取n=o.7 Di—缸桶外径。d2一缸底直径。可取45mm将数据代入式3・21屮可得：p10亠/—C0°工(吟帖二肝62_122)心5・1炬％时此强度作用于机械手大臂上，故设计合理。3.5.7伸缩臂的伸缩范围控制及调整为了保证伸缩臂能精确的伸缩至指定位置，需要在机床内部加入行程开关,用以控制伸缩手臂的精度。行程开关的型号选择为：LXW4-1K3.6大臂及机座的设计木设计中，大臂可以实现旋转和上升下降，因此，大臂的驱动由一个液压缸负责升降，因旋转有着严格的精度要求，所以大臂的旋转将由电机来驱动。大臂部分的结构如图18所示，大臂外由立柱作为保护，防止大臂内液压缸磨损并且兼有防身作用，立柱下方为机座。图18大臂部分结构示意图大臂不仅负责相应的动作，其次还承载了机械手的全部载荷，所以仍然采用液压驱动。361升降液压缸驱动力的计算(1)驱动载荷计算公式:3-22F=F惯+F靡+F回+G式中： F惯一活塞杆在静止或者运动时所受平均惯性力。F縻一摩擦阻力。F^=nG,对于圆柱面，n可取0.5。F回一液压缸回油腔在机械手运动时所造成的阻力。已算出末端操作器、手腕、仲缩小臂的总重为1120N,即112kg,因此摩擦力为F靡=几G=0.5*1120=560No（2）惯性力计算公式为：F煜3一23式中：Av-|±］静止加速到常速的速度变化量。考虑本设计大臂的承载重量，因此Av取0.4m/So△t—启动过程所用的时间。木设计取0.4s将数据代入式3・23可得：…黔册"2N大臂的运动中，一定少不了密封装置，大臂的升降液压缸里，活塞和活塞杆采用了型密封圈，液压缸密封处的总摩擦力为：3-24F靡=0・03F+p兀rL式屮：r—伸缩油管的直径。本设计可取40mm.L—密封的有效长度，L^rV2k-k2,k可取0.11,计算得L约为18mm将数据代入式3・24可得：F计0.03F+pnrL=0.03F+l*n*40*18=2261.88+0.03F液压缸回油腔低压油液所造成的阻力一般可按F沪0.05F来计算。综合以上计算数据，代入式3-22,即可算出：F=Fm+F舔+F回+G=112+2261.88+0.03F+0.05F+1120解得F为3797.70N,即大臂的伸缩驱动载荷约为3798N。362升降液压缸的参数计算液压缸驱动力计算公式： F萨PA3-25式中：P—液压缸的压力。A—液压缸截面面积，即扌兀(D2—d2)D为液压缸的直径，由大臂的驱动力3798N,可初步取大臂液压缸内径为180mm,液压缸活塞杆可取1000mm,活塞杆直径可初取70mmo则A=^i(D2-d2)=|ti(0.182-0.072)=0.02m2,将以上数据代入式3・25可得：F^=PA=1000000*0.02=20000N通过计算得F,<=20000N>F=3798N,因此液压缸尺寸选用合适。查液压缸使用手册，可确定液压缸的外径为212mm,即壁厚为16mm。363大臂机座的设计机器人的机座采用铸造成型，材料可选用HT200。机座内需要安装齿轮传动装置，确保机座带动大臂的旋转精度，并且能够支撑整个机械手的动作。机器人的机座有多种形式，一般若控制一台设备时，采用固定式较为合适，但如果需要机械手往返于各机床之间，则可采用行走式机器人。因本设计需要让机械手在4台加工设备中往返移动，需要将机座与地面导轨连接。构成移动的机械手。4驱动装置的设计本设计的驱动装置主耍有两种，第一种为整个机械手的液压驱动部分,即末端操作器手爪的开闭、小臂伸缩缸的伸与缩、大臂的伸与缩、手腕旋转液压缸的旋转运动；第二种为电机驱动部分，即犬臂的旋转、整个机械手在地面导轨上的移动。整体的设计要求为：满足工业机械手的动作顺序及准确性，驱动时要灵活、快速。驱动系统要可靠，便于拆装维护。4.1驱动系统的工作顺序仲缩小臂的液压缸命名为液压缸1,大臂的液压缸命名为液压缸2,手腕旋转液压缸命名为旋转缸1,控制地而导轨的电机命名为电机1、控制大臂旋转的电机命名为电机2 。液压缸和电机的动作均由PLC来控制，则整个机械手驱动系统的动作顺序为：机械手的初始位置在毛坯存放区电机2带动大臂逆时针旋转90度一-液压缸1给末端操作器供油使手爪张开一-液压缸2下降，使工件进入末端操作器内一-液压缸1给控制末端操作器停止供油手爪闭合一-液压缸2上升一一电机1驱动机械手向工序1机床方向运动电机2带动大臂顺吋针旋转90度液压缸1伸出旋转缸顺吋针旋转90度一-液压缸1给控制末端操作器供油手爪张开一-液压缸1缩回一液压缸1伸出至机床内一-液压缸1给控制末端操作器停止供油手爪闭合一-液压缸1缩回一-电机2顺时针旋转180度一-液压缸1伸出一-液压缸1给控制末端操作器供油手爪张开一-液压缸1缩回一-液压缸1伸出至机床内一液压缸1给控制末端操作器停止供油手爪闭合一-液压缸1缩回一-电机1向工序3机床方向运动一-液压缸1伸出一-液压缸1给控制末端操作器供油手爪张开一-液压缸1缩回一-液压缸1仲岀至机床内一-液压缸1给控制末端操作器停止供油手爪闭合一-液压缸1缩回一-电机2逆时针旋转90度一-液压缸1伸出一->液压缸1给控制末端操作器供油手爪张开一-液压缸1缩回一-液压缸1伸出至机床内一-液压缸1给控制末端操作器停止供油手爪闭合一-液压缸1缩回一->电机2顺时针旋转90度一-旋转缸逆时针旋转90度一-液压缸2下降一-液压缸1给控制末端操作器供油手爪张开工件落入成品区一-液压缸2上升一-电机1带动机械臂向毛坯存放区域运动一-屯机2逆时针旋转180度。整套驱动系统工作的示意图可参照图1、2、3所示。4.2液压驱动的设计在液压驱动系统中采用单液压泵供油，液压缸在工作中所需液压油的流量有一定差距，因此需要进行节流调速。采用单液压泵供油可简化液压系统，所需原件少，节约成本。4.2.1各液压缸的流量的选取本设计所夹取的工件质量较轻，所以初选定各液压缸流量如下：手爪夹紧吋流量：Q手爪=lL/min小臂伸缩时流量：Q小计10L/min手腕旋转时流量：Q^=1.5L/min大臂仲缩时流量：Q 大曾=15L/min4.2.2液压泵的确定及所需功率的计算(1)确定液压泵的总流量：Qp^KQmax4-1式中：K—泄露系数，可取1.1。将数据代入式4・1中可得Qp^KQmax^1.1*15=16.5L/min(2)液压泵的实际工作压力Pp：Pp=P】+》APi4-2式中：Pi—计算工作压力。因需驱动2个液压缸所以为2MpaoZAP—对于进油路采用调速阀系统。可估为0.5〜1.5Mpa,这里取IMpa。因此将数据代入式4・2可得Pp=P1+EAP1=24-l=3Mpa,为保证长期使用，可选取为5Mpa的泵。 (3)液压泵的电机功率:p=2：fcPp黑Qmax60*r)4-3式中:几一液压泵工作的总效率。取0.8。将数据代入式4・3可得：Px=2*Pp"Qmax-2*^-=l.875kw60*T]60*0.8考虑到长久使用时，会有压力损失，因此，电动机功率可选用2kwo通过工作压力Pp=5Mpa,总流量Qp=16.5L/min即可选取液压泵的型号为：CBN-E325型油泵，含义即为齿轮泵，N型结构、额定压力16Mpa,齿轮模数为3,公称排量为25ml/r。该泵采用了高精度的齿轮，铝合金的壳体，使其具有结构简单、重量轻、效率高等特点，广泛应用于公称机械，加工机械等领域。如表4」所示为本齿轮泵的具体主要参数表4.1CBN-E325齿轮泵的主要参数齿轮泵型号公称排量(m/r)额定压力额定转速(r/min)容积率％(Mpa)CBN-E32525101500954.3大臂电机驱动的设计在本机械手中，电机控制着机械手的旋转动作，因此需要一定的精度，表4.2所列的为目前已有的几种机械手驱动电机的特点。表4.2机械手电机驱动的特点电机输出功率和控制性能和结构安装和维护效率与制造类型适用范围安全性性能要求成本交、直流普适用于抓取电机驱动易安装维修方成本低，效通电动机质量较大而差，大惯性,实现标准便率约0.5左速度低的中不易定位但化，需要减型机器人驱对环境无影速装置，传动体积较大 步进、伺服电动机适用于运动控制要求较为严格的中、小型机器人控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确体积小，需要减速装置维修使用较复杂成本较高，效率为0.5左右。通过分析，木设计的2台电机均选用步进电机。因为机械手上的步进电机是驱动腰部进行回转运动。4.3.1电机驱动的计算因为腰部回转运动只有摩擦力矩，在回转圆周上不存在其他的转矩，则在回转轴上有：Ti=Ft*R=gfR4-4式中：f—滚动轴承摩擦系数。可取0.005og—机械手本身的自重。R—回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R初取240mmo将数据代入式4・4可得：T尸Ff*R=gfR=379.8*0.005*0.24=0.455N/m4.3.2电机的选型通过计算得到电机的理论转矩为0.455N/m,圆整为0.5N/m。初选步进电机型号：57BYG350DL-0601o其具体意义为此步进电机拥有57mm有效外径，步进永磁式，3项电机。其具体参数如表4.3所示： 表4.3步进电机的具体参数型号相步距角相电转矩惯量重外形尺寸数（度）流(A)(N/m)(g*cm2)量(mm)(kg)57BYG350DL-060130.6/1.26.00.92200.7557*57*544.4导轨电机驱动的设计在本设计中，机械手在导轨的横向运动也是需要一定的精度，因此采用步进电机驱动，整个机械臂底端会安装有轮子，轮子在地面导轨中运动。到合适的位置停下，导轨的电机因要驱动整个机械手系统，因此需要对其摩擦力矩进行计算。整个机械臂的重量约为400kg,机械臂底座轮子与干燥的地面摩擦系数H查得0.05〜0.07。可取0.06。因此摩擦力为F计0.06*400*1O240N。为了保证整个机械手运动的寿命，可取转动惯量略大于大臂的电机。因此初选导轨处的电机型号为：110BYG350BH・0501。4.5机械手液压系统总设计4.5.1液压系统的设计整个机械手液压系统控制原理如图19所示：小臂伸缩13大臂升降n手爪开闭12＞匕3YA17561YAy八ioii訥11二・・r:•丄二一二423手腕旋转2022图19液压系统图 如表4.4所示，为液压系统齐零件的名称及用途:表4.4液压系统元件的作用编号名称数量木设计中的功能1过滤器2过滤油箱中液压油的杂质2液压泵1为油路系统中供油3单向阀1引导液压油单项流动4压力表2检测该处的压力5蓄能器1为系统储存能量，应对突发情况6电磁换向阀1控制小臂伸缩的油路方向7单向节流阀1单向对小臂仲出这一动作进行节流控制8液压缸1完成小臂的伸缩动作9行程开关2控制小臂伸缩的长度10单向节流阀1单项对小臂缩回这一动作进行节流控制11电磁换向阀1控制大臂升降的油路方向12调速阀1调节大臂上升时的速度，避免速度过快13液压缸1完成大臂升降的动作14行程开关2控制大臂升降的长度15调速阀1调节大臂下降时的速度，避免速度过快16电磁换向阀1控制手爪开闭的油路方向17单向节流阀1手爪张开动作的节流控制18液压缸1完成手爪开闭的动作19电磁换向阀1控制手腕旋转的油路方向20、21调速阀1调节手腕旋转的速度22旋转液压缸1完成手腕旋转的动作4.5.2液压系统的工作原理(1)小臂伸出时：三位四通电磁换向阀6的1YA得电，液压油从单向节流阀7流入液压缸8屮，单项节流阀由一个节流阀和一个单向阀并联而成。液压缸柱塞向右移动，若 小臂伸至行程开关9处，由PLC控制可使液压缸8停止动作，此时小臂已伸出至指定位置。(1)大臂上升吋：三位四通电磁换向阀11的3YA得电，液压油从调速阀12处流入液压缸13处，液压缸活塞向上运动此时大臂上升，若大臂上升至行程开关14处，由PLC控制可令大臂停止上升，保持原位。(2)手爪张开时：手爪在自然状况下一直处于张开动作，只有在小臂伸出至行程开关处或者大臂下降到行程开关处时，两位四通电磁换向阀16的4YA得电，此时液压缸18在弹簧的作用力下使活塞向左移动，手爪即可夹紧。手腕旋转时：三位四通电磁换向阀19无论那一侧得电，均会令手腕进行相应的正反转，在本设计中液压油若从调速阀20处经过定义为正转。4.5.3液压系统电磁铁动作顺序如表4.5所示：表4.5电磁铁动作顺序表1YA2YA3YA4YA5YA6YA小臂伸出+小臂缩冋+大臂上升+大臂下降+手爪张开+手爪闭合+结论本次设计的内容是机床自动上下料装置，通过对末端操作器、手腕、小臂、大臂、基座的受力分析，相关计算，已经达到了设计初期的FI标，本次自动上下料装置中，驱动的方式采用液压、电机混合驱动，这种驱动方式精准可靠。同时采用PLC控制。机械手是3自由度圆柱坐标系结构，分别为大臂升降旋转、小臂的伸缩、手 腕的旋转、手爪的抓取。每个自由度的运动尺寸为：小臂极限伸缩距离：0〜600mm大臂伸缩极限距离：0〜1000mm手腕冋转角度范围：0〜180度手爪夹取直径范围:100〜140mm在机械手的结构方面，末端操作器为滑槽杠杆式回转夹持器结构、小臂为双导向杆手臂伸缩结构、大臂位四导向杆手臂伸缩结构。在电机驱动部分，本设计采用了2台电机进行•驱动，腰部驱动电机型号为57BYG350DL-0601,导轨驱动电机型号为110BYG350BII-0501。综上所述，本次设计完成了一台机械手控制4台机床进行自动上下料工作。 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