1、液压机械手臂设计完整说明书参考模板编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 液压机械手的设计 信机 系 机械工程及自动化 专业学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） 2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 液压机械手的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 学 号： 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院信 机系 机械工程及自动化 专业毕 业
2、设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目 液压机械手的设计 2、专题 二、课题来源及选题依据 本课题是设计基于液压系统的机械手。 液压机械手是一种模仿人体上肢部分功能，按照预定要求输送工件或者握持工具进行操作的自动化技术设备，它可以代替手的繁重劳动，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。有着广阔的发展前途。本课题通过机械手进行液压传动原理设计，实现机械手代替人力进行工作。机械工业是国民的装备部，是为国民竞技提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。机械工业的规模和技术水品是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。三、本设计（论文或其他）应达到的要求：1、收集相关资料，分析自己完成
3、本课题还存在哪些方面的困难。2、选定自己适合的制图软件，对选定的工具进行学习和具体实践。3、对驱动油路进行仔细的研究，了解液压驱动原理，绘制油路图。4、机械结构的分析，根据要求设计出合理轻便的机械手。5、模拟调试后对整个液压机械手进行完善。四、接受任务学生： 班 姓名 五、开始及完成日期： 自2012年11月12日 至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名2012年11月12日摘 要液压机械手是模仿人的手部动作，按照给定的程序、轨迹通过液压系统实现抓取和搬运操作的自动装置。本次设计的液压传动机械手根据规定的
4、动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图、。机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸，手腕回转采用回转油缸，立柱的转动采用齿条油缸，机械手的升降采用升降油缸，立柱的横移采用横向移动油缸；通过控制电磁阀的开关来控制机械手进行相应的动作循环，当按下连续停止按钮后，机械手在完成一个动作循环后停止运动。 本设计拟开发的上料机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。可以改善劳动条件，避免人身事故。可以减少人力，并
5、便于有节奏的生产。关键词： 机械手；液压；控制回路AbstractHydraulic robot mimic is the hand movements which in accordance with a given program, the path through the hydraulic system to achieve automatic device to capture and handling operations.The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the
6、order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical de
7、vice component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ； through the control of the solenoid valve to control the switch manipul
8、ator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign.The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the arti
9、ficial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger work pieces . Can improve working conditions, avoid personal accident. Can reduce manpower, and to facilitate the there are-paced the production of.Keywords： Manipulator ；Hydraulic；Control Loop 1 绪论1.1 机械手的基本概念的研究内容和意义
10、1.1.1 机械手的基本概念液压机械手，从本质上来说是属于工业机器人的范围的，机器人问题是最近几十年的热门研究课题。它包括了机械工程、计算机科学、电子工程和自动控制以及人工智能等多种学科，体现了机电一体化技术的最新成就，是当代科学技术发展最活跃的范围之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。“机械手”（Machanical Hand）：大部分是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（我国一般称作机械手或专用机械手）。比如自动生产线、自动机的上下给料系统，加工中心自动化装置1。1.1.2 机械手的研究意义1.可以提高生产过程的自动化程度。应用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送、
11、工件的装卸、刀具的更换、以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。2.可以改善劳动条件，避免人身事故。3.可以减少人力，并便于有节奏的生产。 4.用液压系统来控制机械手，比一般的机械控制具有更好的稳定性，并且控制的精确度更高。5.运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间，从而能大幅提高劳动的生产率。 1.2 机械手的发展现状及应用机械手的迅速发展是因为它的积极作用正逐渐被人们所认可；第一，它能部分代替体力人工操作；第二，它可以按照生产工艺的要求，按照一定的程序，时间和位置来完成工作的传送和装卸；第三，它能操作必要的器具进行焊接和装配。从而改善人们的劳动
12、条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，各先进工业国家都对此十分重视，投入大量的人力物力进行研究和应用。尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带有放射性的污染的场合应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视2。1.2.1 世界机器人发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：（1）. 工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国
13、外已有模块化装配机器人产品问市。（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型
14、装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域3。1.2.2 我国工业机器人的发展有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器
15、人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质
16、量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系统化、通用化、模化设计，积极推进使机器人产业链化。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基
17、础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中4。1.3 本课题达到的要求本次设计的液压传动机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图。机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸，手腕回转采用回转油缸，立柱的转动采用齿条油缸，机械手的升降采用升降油缸，立柱的横采用横向移动油缸机械手在完成一个动作循环后停止运动。本论文内容包括以下几个方面：a.对所设计的液压机械手机械部分进行阐述，并说明其原理；b
18、.分析实现其功能应有的动作；c.对PLC选型，给出系统的硬件连接图；d.绘制电路原理图、接线图画出设计流程图。2 液压机械手主要结构的机械设计2.1 臂力的确定目前使用的机械手的臂力范围较大，我国目前机器人最小臂力为0.15N，最大为8000N。本课题设计的液压机械手的臂力为N臂 =1650（N），安全系数在1.53，本机械手采取安全系数2。 定位精度为 1mm。2.2 确定工作范围机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹需要几个动作合成，在工作范围被确定的情况下，可将轨迹分解成几个单个的动作，由多个动作的行程来确定机械手的最大行程。确定本机械手的动作范围如下：手
19、臂伸长量150mm 手腕回转角度115手臂回转角度115手臂升降行程170mm手臂水平运动行程100mm2.3 确定运动速度机械手各动作的最大行程确定之后，可按照生产需要来分配每个动作的工作时间，从而确定各动作的运动速度。液压机械手要完成整个工作过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩，平移等一系列的动作，这些动作都应该预订设定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复进行计算，对分配的方案进行比较，才能确定。机械手的总工作哦时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求： 给定的运动时间应大于液压元件的执行时间； 在满足工作拍节要
20、求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。 在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。采取相应的措施来驱动系统，来保证运转动作的同步。液压抓取机械手的各运动速度如下：手腕回转速度 手臂伸缩速度 手臂回转速度 手臂升降速度 立柱水平运动速度 手指夹紧油缸的运动速度 2.4 手臂的配置形式机械手的手臂配置形式决定了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用固定底座式。工业机器人大多采用基座式机械手，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部
21、也可以安装行走机构，已扩大其活动范围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大5。2.5 位置检测装置的选择机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。本机械手采用行程开关式。利用行程开关检测位置，精度低，；所以一般与机械挡块联合应用。在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也是最多的。2.6 驱动与控制方式的选择机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修
22、方便、成本底的方式。控制系统也有不同的类型。除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动6。参考工业机器人表9-6和表9-7，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的PLC控制。总装配图如下：图2.1 总装图2.7 本章小结本章主要确定了机械手的臂力范围，工作范围，运动速度和手臂的配置形式。确定本机械手的检测装置和驱动控制方式，是系统可以正常运行。3 手部结构3.1 概述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构
23、型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，这里采用滑槽杠杆式。3.2 设计时应考虑的几个问题应具有足够的握力（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。手指间应有一定的开闭角两个手指张开与
24、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。应保证工件的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。应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，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。应考虑被抓取对象的要求应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。3.3 驱动力的计算 1.手指 2.
25、销轴 3.拉杆 4.指座图3.1杠杆式手部受力分析如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于O1OA和O2OA均为直角三角形，故AOC=BOC=。根据销轴的力平衡条件，即 ,; （3.1）销轴对手指的作用力为p1。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即得 因为 所以 （3.2）式中 a手指的回转支点到对称
26、中心线的距离（毫米）。 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力P一定时，角增大则握力N也随之增加，但角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取=3040。这里取角=30度。这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查工业机械手设计基础7中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即： （3.3）式中 手部的机械效率，一般取0.850.
27、95； K1安全系数，一般取1.22 K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120,=30时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式 （3.4）把已知条件代入得当量夹紧力为由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 得 （3.5） P=P计算 P实际=P计算取, , 则 3.4 两支点回转式钳爪的定位误差
28、的分析钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O的距离为x,则 （3.6）当工件直径变化时,x的变化量即为定位误差,设工件半径R由Rmax变化到Rmin时,其最大定位误差为=- （3.7）其中l=45mm ,b=5mm ,a=27mm , ,代入公式计算得最大定位误差=44.2-44.7=0.50.8所以是符合要求3.5 本章小结本章阐述了液压机械手手部在设计时需要注意的问题，计算出驱动力，分析了回转式抓手的定位误差。4 腕部的结构4.1 概述腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点：1结构紧凑，重量尽量轻。2转动灵活，密封性要
29、好。3注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题 4要适应工作环境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐8。4.2 腕部的结构形式本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为115.如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。图4.1手的腕部结构4.3 手腕
30、驱动力矩的计算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的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算： （4.1）式中 M驱驱动手腕转动的驱动力矩M惯惯性力矩 （N.m） M偏参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩 （N.m） M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 （N.m） 图4.2腕部回转力矩计算图摩擦阻力矩M摩 （4.2）式中 f轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.02，滑动轴承取f=0.1；N1 、N2 轴承支承反力 （N）；D1 、D2 轴承直径（m）由设计知 时 （4.3） 得 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏 （4.4）式中 G1工件重量（N）e偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M偏为零当e=0.020，G=98N时 腕部启动时的惯性阻力矩M惯 当知道手腕回转角速度时，可用下式计算M惯
