物料搬運機械手的設(shè)計（全套含CAD圖紙和文檔）,物料,搬運,機械手,設(shè)計,全套,cad,圖紙,以及,文檔
普通機床物料搬運機械手設(shè)計
設(shè)計
題目名稱：普通機床物料搬運機械手設(shè)計
所在學(xué)院：
專業(yè)（班級）：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
評閱人：
院 長 ：
摘 要
隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)水平的發(fā)展的自動化，機器人的使用率越來越大，機械手也得到了工業(yè)生產(chǎn)的大量普及，它們被運用到了電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、機械的加工與成型產(chǎn)業(yè)、醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)等的流水線上, 它們不僅能夠提高運輸被運物的效率而且還可以節(jié)約地球上珍貴的能源，減低認(rèn)為操作帶來的失誤和成本，使現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求得到滿足。通過老師的悉心教導(dǎo)和自己查閱文獻(xiàn)，在本文中對物料搬運機械手進(jìn)行了總體機構(gòu)的設(shè)計，設(shè)計出了直角坐標(biāo)形式的搬運機械手。使機械手的能夠完成機身的旋轉(zhuǎn)，機械手臂的伸縮和升降；根據(jù)機械手的技術(shù)參數(shù)設(shè)計了機械手的手部夾持機構(gòu)，并完成了二維圖紙的工作量，并且對機械手的電動機和減速器的型號進(jìn)行了選擇；對機械傳動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)的進(jìn)行了設(shè)計，其中驅(qū)動系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)和電機系統(tǒng)，電機系統(tǒng)選用了兩個電機，在底座上的電機為機身的旋轉(zhuǎn)提供動力，另一個電機為手臂的升降提供動力；并完成了整體的液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算，繪制了機械液壓系統(tǒng)工作原理圖。
關(guān)鍵詞： 機械手； 液壓伺服定位； 驅(qū)動系統(tǒng)； 數(shù)控機床
ABSTRACT
With the development of automation in the industrial industry, the utilization rate of robots is getting larger and larger, and robots are also widely used in industrial production. they have been applied to the assembly lines of electronic equipment industry, automobile industry, food industry, machining and forming industry of machinery, pharmaceutical industry and so on. they can not only improve the efficiency of transporting transported goods, but also save precious energy on earth, reduce errors and costs caused by operation, and meet the development requirements of modern economy. Through the teacher's careful teaching and consulting the literature, this paper designs the overall mechanism of the material handling robot, and designs the handling robot in the form of right-angle coordinates. The manipulator can complete the rotation of the machine body, the extension and lifting of the manipulator; According to the technical parameters of the manipulator, the hand clamping mechanism of the manipulator is designed, and the workload of two-dimensional drawings is completed, and the models of the manipulator's motor and reducer are selected. The mechanical transmission system and drive system are designed, wherein the drive system comprises a hydraulic system and a motor system, and the motor system selects two motors, the motor on the base provides power for the rotation of the machine body, and the other motor provides power for the lifting of the arm. And completed the design and calculation of the overall hydraulic system, and drew the working principle diagram of the mechanical hydraulic system.
Key words: Manipulator；Hydraulic servo control；Drive system；Numerical control machine tools
II
目 錄
1 .緒論 1
1.1本課題的目的和意義 1
1.2 機械手國內(nèi)外研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢 1
1.3 設(shè)計要求 2
2. 機械手總體方案設(shè)計 3
2.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型 3
2.2機械手基本技術(shù)參數(shù)的確定 3
2.3設(shè)計方案 4
2.4驅(qū)動方式的選擇 5
2.5 機械手總裝圖 5
3. 機械手各部件設(shè)計計算 7
3.1 機械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算 7
3.2 腕部設(shè)計計算 9
3.3臂伸縮機構(gòu)設(shè)計 10
3.4機身和底座的設(shè)計 12
4. 機械手液壓原理圖設(shè)計 16
4.1手部抓取液壓回路 16
4.2腕部轉(zhuǎn)動液壓回路 16
4.3小臂伸縮液壓回路 16
4.4總體系統(tǒng)圖 17
5. 電機和減速器的選擇 19
5.1電機的選擇 19
5.2減速器的選擇 20
5.3螺柱的設(shè)計與校核 20
6. 機械手的定位緩沖裝置 22
6.1常用的定位方式 22
6.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 22
6.3機械手運動的緩沖裝置 23
7. 總結(jié)與展望 24
參考文獻(xiàn) 25
附錄1：譯文 26
附錄2：英文原文 30
1. 緒論
1.1本課題的目的和意義
機械手設(shè)計是完成技術(shù)基礎(chǔ)課和相關(guān)專業(yè)課后的專業(yè)課程的綜合應(yīng)用，通過設(shè)計，我們增強了分析和整合機構(gòu)的能力，以及制定設(shè)計能力和機電一體化系統(tǒng)設(shè)計能力，初步掌握了實際生產(chǎn)過程自動化的設(shè)計方法。
（1）通過設(shè)計，為了在實踐中應(yīng)用課程中學(xué)到的理論知識（機械原理、機械設(shè)計、自動控制基礎(chǔ)知識、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計等），對這些知識進(jìn)行了鞏固，并且把理論與實踐的結(jié)合。因此，機械手設(shè)計是一門綜合性的專業(yè)設(shè)計，它涉及到基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程。（2）機械手設(shè)計是我們的機械設(shè)計和制造及其自動化專業(yè)的學(xué)生設(shè)計的完整的機電一體化整機設(shè)計。通過培養(yǎng)自主完成整機設(shè)計的能力，掌握機電一體化機械產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)方法和步驟，為我的未來的工作奠定良好的基礎(chǔ)。
目的：未來，人類將在某些嚴(yán)苛的場合進(jìn)行生產(chǎn)，或者用于精簡操作，操縱者會回報工作以挽救人的力量。意義：由于機械手在生活中的廣泛使用，人類的生產(chǎn)率得到了極大的提高，我們的工作環(huán)境也得到了改善，讓人類的生活變得越來越智能化。
1.2 機械手國內(nèi)外研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢
1.2.1 機械手的國內(nèi)進(jìn)展
目前在一些機種方面，例如：弧焊機械人、搬運機械人、裝配機械人、點焊機械人、噴涂機械人、特種機械人等基本掌握了機械手的設(shè)計制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置，軟件和關(guān)鍵技術(shù)的編寫，也掌握了全套弧焊自動化、自動化噴漆線及其周邊配套設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)和自動通信；在基礎(chǔ)部件方面，機械人焊接電源、諧波減速器、自動焊縫跟蹤裝置也取得了突破。從技術(shù)方面來看，中國已經(jīng)為中國機械手技術(shù)的自主開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
1.2.2 機械手的國外進(jìn)展
近年來，國外工業(yè)機械手領(lǐng)域出現(xiàn)了一些發(fā)展趨勢。雖然機械手的性能得到了大幅度的提高，但是它們的價格卻在持續(xù)的下降；機械結(jié)構(gòu)可重構(gòu)和模塊化；控制系統(tǒng)朝向開放的基于PLC的控制器發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械手中的作用已從排練和仿真演變成了過程控制。
1.2.3 機械手的發(fā)展趨勢
目前，各種機械手和機器人的研制已經(jīng)成為各個國家的研究熱點：
1．機械手的結(jié)構(gòu)會向著模塊化前進(jìn)。例如：關(guān)節(jié)模塊中伺服電機、減速器、檢測系統(tǒng)三位一體化；機械手的機器會從關(guān)節(jié)模塊和鏈接模塊以重新組織的方式來構(gòu)造。
2．工業(yè)機器人將向由PC機控制系統(tǒng)開放型方向進(jìn)取。設(shè)備的集成度提高，控制柜的體積慢慢變小，擁有模塊化結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)的可靠性會隨之提高、易于操性和有可維修性。
3．機器人將采用傳感器。裝配和焊接機器人也采用傳感器，例如：視覺和力傳感器，而遙控機器人利用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器融合技術(shù)進(jìn)行決策控制；智能化機器人將采用多傳感器融合配置的關(guān)鍵技術(shù)。
4．機械手將開發(fā)柔性仿形涂繪機器人，開發(fā)柔性仿形復(fù)合機構(gòu)，將對仿形伺服軸軌跡的規(guī)劃進(jìn)行研究。
5．工業(yè)機器人產(chǎn)品將進(jìn)行離線教學(xué)編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。
綜上所述，大體是兩個方向：其一是機器人的模塊化化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法和復(fù)雜的機電控制系統(tǒng)的智能化；其次是生產(chǎn)和加工相聯(lián)系，以滿足相對具體的任務(wù)；在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，簡潔性，可靠性，大量采用工業(yè)控制器市場化、模塊化的元件。
1.3 設(shè)計要求
1．根據(jù)設(shè)計要求及原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行機械手抓取機構(gòu)及底座、機身的設(shè)計，選擇驅(qū)動方式；
2．根據(jù)機械手的動作，進(jìn)行液壓系統(tǒng)原理設(shè)計；
3．描述出機械手常用的緩沖定位裝置。
2. 機械手總體方案設(shè)計
2.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型
工業(yè)機器人有直角坐標(biāo)型機器人結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)型機器人結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)和圓柱坐標(biāo)型機器人結(jié)構(gòu)這四大類。
1．直角坐標(biāo)型式機器人結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機器人還有一個名字叫笛卡爾坐標(biāo)機器人，直角坐標(biāo)機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標(biāo)機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標(biāo)機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。
2．圓柱坐標(biāo)型式機器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)型式機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。
3．球坐標(biāo)型式機器人結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)型式機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。
4．關(guān)節(jié)型式機器人結(jié)構(gòu)
多關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。
關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
2.2機械手基本技術(shù)參數(shù)的確定
搬運機械手的基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)是機械手的機能以及規(guī)格的數(shù)值：
1．臂力
本次設(shè)計的機械手所需要的臂力為30kg。
2．機器人的結(jié)構(gòu)的形式和自由度的數(shù)目
本次設(shè)計的機械手所采用的坐標(biāo)的形式為圓柱坐標(biāo)的形式，其中它還包含了四個自由度，他們包含著：手腕回轉(zhuǎn)運動、手臂的伸縮運動、手臂的升降運動以及機身帶動手臂的旋轉(zhuǎn)運動。
3．機械手的手指的夾持范圍
本次設(shè)計的機械手夾持的圓柱形棒料工件，夾持范圍為60~100mm。
4．控制方式
由PLC控制。
5．定位精度
本次設(shè)計所設(shè)計的機械手定位精度是±1 mm。
6．機械手行程范圍和工作速度
如表2-1
表2-1 機械手的行程范圍和工作速度
機構(gòu)的名稱
行程的范圍
工作的速度
手部夾緊
25mm
50mm/s
腕部回轉(zhuǎn)
±90°
90°/s
臂部伸縮
500mm
200mm
臂部升降
500mm
100mm/s
機身旋轉(zhuǎn)
±180°
60°/s
2.3設(shè)計方案
機械手設(shè)計方案采用圓柱坐標(biāo)機器人；結(jié)構(gòu)主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。驅(qū)動機構(gòu)，驅(qū)動手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。
圖2-1 機械手工作原理圖
在本次設(shè)計中，被運輸物體的重量有30KG，而且有50mm長，考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，在符合系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)以減低成本并提高產(chǎn)品的可靠性。機械手工作原理如圖2-1所示。
2.4驅(qū)動方式的選擇
1.液壓驅(qū)動
機械手的手部的開閉、手腕的回轉(zhuǎn)運動及手臂的伸縮動作都采用了液壓驅(qū)動。
2.電機驅(qū)動
在機器手驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的電機類型包括步進(jìn)電機、直流伺服電機及交流
伺服電機。
步進(jìn)電機可直接將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，每輸入一個電脈沖，步進(jìn)電機就
回轉(zhuǎn)一定的角度，其回轉(zhuǎn)角度大小與脈沖數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的
順序。步進(jìn)電機可在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖的頻率來進(jìn)行調(diào)速，從而實現(xiàn)快
速起動、反轉(zhuǎn)和制動，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機器人無位置反饋的位
置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
直流伺服電機在機器人中應(yīng)用也很廣泛，它常用于直接帶動滾珠絲杠驅(qū)動關(guān)
節(jié)手臂運動。直流伺服電機的工作原理和基本結(jié)構(gòu)與一般動力用直流電機相同。
按激磁方式直流伺服電機可分為永磁式、他激式、串激式和并激式等。在機械手
驅(qū)動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機。
交流伺服電機在機器人中的應(yīng)用情況與直流伺服電機相同，但交流伺服電機
與直流伺服電機相比，其無電刷、功率大、過載能力強、環(huán)境適應(yīng)性好，因而交
流伺服電機是今后機械手用電機的發(fā)展方向。
機械手的手臂的升降運動還有機身的旋轉(zhuǎn)運動均是選用了這種方式。
2.5 機械手總裝圖
圖2-2機械手裝配圖
3. 機械手各部件設(shè)計計算
3.1機械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算
F
+
圖3-1 滑槽杠桿式手部構(gòu)造、受力剖析
1——手指2——銷軸3——杠桿
1.如圖3-1所示
由FX=0 得 (3-1)
由FY=0 得 (3-2)
由MO1F=0 得 (3-3)
h=a/cosα (3-4)
F=2bacos2α?Fn (3-5)
式中：——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線點的距離，取a=50mm；
b——夾緊力作用點與回轉(zhuǎn)支點間的距離，取b=50mm；
——夾緊工件時，兩回轉(zhuǎn)支點與手指的滑槽方向的夾角，取α=30°。
Fn——為手指握力，查握力計算公式得Fn=0.5G。
所以計算得Fn=0.5G=0.5mg=0.5×30×0.98=147N
所以由手部的驅(qū)動力計算公式(3-5)經(jīng)過計算得：F=220.5N
F實際=F?k1?k2/η (3-6)
算式中的F是理想驅(qū)動力；
k1=1.5；安全系數(shù)；
k2=1+ag；工作情況系數(shù)；取k2=1.2；
工作效率取η=0.9
所以 F實際=441N (3-7)
2.如圖所示：
圖3-2
取油缸內(nèi)徑d=50mm，手部夾緊速度v=50mm/s；
供油壓力:
P=F實際S=F實際π4?d2 (3-8)
經(jīng)計算得： P=441π4?502=0.22MPa (3-9)
3.活塞桿工作運動長度L,即
L=（D/2）tgψ （3-10）
式中D=50mm，φ=30°得出L=23.1mm
L=25mm（圓整）
4.計算兩個爪子的L、β：
取 L/RCP=3 （3-11）
式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3-12）
由公式（3-11）（3-12）得：L=3×RCP=150
兩爪的夾角2α=120o，
查表得知：
β=22o39'（按最佳偏向角計算）
5. 手部右腔流量
Q=S?v=π4d2?v=π4×502×50=98.2ml/s （3-13）
6.驗算定位誤差
由題可知 R最大加持半徑=50mm R最小夾持半徑=30mm
Rcp=（R1+R2）/2 （3-14）
Rcp=40mm
查表得知定位誤差為1.2mm，m=2，LAB=mRcp=40×2=80mm （3-15）
查表得最佳的偏轉(zhuǎn)角是βc=54°44’
所以定位誤差為：
?=lAB 2+(R1sinθ)2-lABR1sinθcosβC-lABsinβc=1.01mm (3-16)
3.2 腕部設(shè)計計算
腕部是連接手和手臂的部件。
要求：±90°的回轉(zhuǎn)區(qū)間以及轉(zhuǎn)動時速度ω=45o/s
用最大負(fù)荷計算：要使擺動缸的工件的扭矩達(dá)到最大值，必須要平放工件。工件總重10kg，長度l=650mm。如圖3-3所示。
3.2.1計算扭矩M1
設(shè)重力集齊在離手指中央200mm處，即扭矩M1為：
M1=F×S （3-17） M1=mg×0.2=19.6（N·M） m=10kg
F
S
F
圖3-3
3.2.2油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩M2
F=5kg S=10cm
代入公式2.9得
M2=F×S=5×9.8×0.1 =2.6（N·M）
3.2.3擺動缸的摩擦力矩M摩
M摩=S?F摩=0.02×50=0.1MN?m
3.2.4擺動缸的總摩擦力矩M
M=0.19+2.6+0.1=2.89N?m （3-18）
3.2.5油缸壓力P
由公式
T=P×b（?A12-Φmm2）×106/8 （3-19）
其中： b—葉片密度，這里取b=2cm；
P—油壓；T—驅(qū)動力矩；
?C—擺動缸內(nèi)徑, 這里取?A1=9.5cm；
?B—轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取?mm=3cm。
所以代入（3-19）公式
P=8T/b（?C2-?B2）×106 (3-20)
=8×2.89/0.02×（0.952-0.032）×106=0.128Mpa
3.2.6 計算流量Q
ω=8Q÷b?C2-?B2 （3-21）
Q=0.125b?C2-?B2?ω
ω=π4,b=0.02，得出Q=31.9ml/s
3.3臂伸縮機構(gòu)設(shè)計
手臂的出現(xiàn)讓機械手活動起來更為靈活，所以操作時它是最重要的部件。它可以支持住手腕和手的重量，并使它們在空間中來去自由的活動。手部的位置精度越高，則機械手的精度越高。
手臂伸縮的速度為200m/s
行程L=500mm
1. 流經(jīng)手臂的流量
Q=sv （3-25）
=200π×402
≈1050ml
2.手臂右腔工作壓力，公式得：
P=F/S （3-24）
式中：F為液壓缸活塞驅(qū)動力，
F摩=μ’G2L+aa=1890N。 （3-25）
其中μ‘為當(dāng)量摩擦系數(shù)，去μ’=0.42；
G運動部件所承重，取500N；
L為手臂重心到端點的距離，為180mm
F慣=G??νg??t=102N （3-26）
?ν為速度變化量，為0.2m/s；
?t是啟動的過程所用的時間，取0.01~0.5s,本次取0.1s；
F密=0.03F
F=F摩+F慣+F回+F密=2053.6N （3-27）
所以代入公式（3-24）得：
P=F/S=2053.6/π×402=0.41MPa
3.由初步計算選液壓泵
所需液壓最高壓力 P=0.41MPa
所需液壓最大流量 Q=1005ml/s
選擇CB-D型液壓泵（齒輪泵）他的參數(shù)如表3-1所示，
此泵工作壓力P為10MPa，轉(zhuǎn)速n為1800r/min，可以滿足需要。
型號
排量ml/r
壓力MPa
壓力MPa
轉(zhuǎn)速r/min
轉(zhuǎn)速r/min
容積效率%
CB-D
32-70
10（min）
14（max）
1800
2400
90
表3-1 CB-D型液壓泵參數(shù)
4.選取電機
根據(jù)CB-D液壓泵的Pmax確定電機功率：
Pmax=14×70×2400÷60÷0.9=43.6KW
所以這個機械手選擇Y200M-2型電機（JB/T 9616-1999），他的額定的功率是45KW。轉(zhuǎn)速為2970r/min。
5.驗算腕部擺動缸：
T=PDηm（?A12-Φmm2）×106×0.125 （3-28）
ω=8θηv/b（?A12-Φmm2） （3-29）
式中：ηm為機械效率，取值在0.85到0.90之間
ηv為容積效率，取值在0.70到0.95之間
所以代入公式（3-28）得：
T=0.89×0.03×（0.12-0.032）×0.85×106/8 （3-30）
=25.8（N·M）
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