分类号
郑州电力高等专科学校
毕业设计（论文）
题目液压机械手
并列英文题目
系部机电工程学专机电一体化姓名原顺昉班级机电0701 指导教师时存职称
论文报告提交日期
郑州电力高等专科学校
工业机械手设计
指导教师：赵东辉时存
摘要：在工业生产流水线上，机械手得到了广泛的应用，大大提高了生产的自动化，精细化。本文对工业机械手的结构和控制进行了设计，从三维造型到运动仿真及应力分析都采用CAD/CAE软件来进行，大大提高了设计的效率和设计的可行性、科学性。针对当前工业生产中产品小批量、多变型的发展趋势，大胆和创新地对本机械手进行了机械手的手部可更换设计，大大扩展了该机械手的使用范围。气动技术在该机械手中的应用，可使本机械手在工作中减少对环境污染、使设备整体结构紧凑，并减少了中间环节。PLC在总控制中的应用，使得机械手在工作时更加稳定和准确。
关键词: CAD/CAE 手部可更换设计气动技术 PLC
Design of Industrial Manipulator
Participating students：Zhao Dongfang Yuan Sunfang Gaobo Hewei
Huang Decun Zhang Sunlai
Instructor：Zhao Donghui Zhu Jinsong
Abstract：In the course of industrial production line, manipulator has been widely used, enhanced the production of automation, fine. Based on the structure and control of industrial robots from the design, three-dimensional modelling to motion simulation and stress analysis using CAD/CAE software, can greatly improve the design efficiency and feasibility of the design and scientific. In view of the current industrial production in small batches, product development trend of variant, bold and innovative this manipulator to the design of manipulator hand replaceable, greatly expanded the scope of
application of manipulator. Pneumatic technology application in this manipulator, can make the robot in work to reduce environmental pollution, compact structure, equipment and reduce the intermediate link. The application of PLC in the control, more stable while working manipulators and accurate.
Keywords: CAD/CAE Hand replaceable design Pneumatic PLC
目录
第一章
第二章
第三章
第四章
第五章
第六章
第一章前言
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高科技技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有可不断重复工作、能在条件比较恶劣的环境下工作、载重量大、定位精确等特点，因此，机械手受到了许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：
(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。
(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，
在机械行业中它可以用来组装零部件
(3)可在劳动条件差、单调重复、易疲劳的工作环境中工作，以代替人的劳动。 (4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。
(5)军事工程及生物医学方面的研究和试验，
（）宇宙及海洋的开发
第二章 机械手的结构
特点介绍：机械手的总体尺寸为1800mm*800mm*1650mm ，如图1所示。采用了最简单的四杆铰链机构，底座与步进电机相连，可沿导轨准确定位，适应于中小轻型物品的搬运和定位放置。分别用三个气缸和一
1—工件 2—机械手手臂 3—撑杆 4—夹放汽缸 5—伸缩汽缸
6—丝杠 7—旋转汽缸 8—底座
个由电动机控制的丝杠的控制，以实现在一个沿x轴的直线行走，一个沿y轴直线行走，一个沿z轴直线行走和一个绕z轴旋转的四个自由度。
机械手工作时的运动过程：当货物到达时，机械手系统开始工作。旋转气缸和伸出气缸迅速定位到达工件上方，丝杠旋转下降，同时机械手气缸放气，机械手爪张开，机械手到达工件中部。机械手气缸充气，将工件夹紧。丝杠旋转上升，旋转气缸开始旋转，伸出气缸开始收缩，同时步进电机开始向前运动。放置工件时，机械手迅速定位至指定位置的上方，丝杠旋转下降，机械手气缸放气，工件被放入指定位置。
第三章机械手手部设计
为了使机械手有较大的力矩和更好的稳定性,机械手的最大张角要控制在一定的范围，最大角度为005。尺寸也有一定的限制，考虑到工件在夹紧过程中打滑，一般将工件放在机械手手部的中间位置，故最大直径为130mm。如图2。针对目前市场上的机械手的手爪是和
图2 机械手夹紧最大角度与最大直径
机械手的整个装置一体的，一个机械手系统只有一个手型，这种机械手只能抓取范围很小的一类东西，特别是对于现在工业生产中产品小批量，多变型的发展趋势，以往的这种机械手就暴露了很多弊端，当产品变化时企业不得不花费大量的钱来买新的机械手，买来的机械手可能用不了多久随着产品的换代，这些机械手就被废弃了。这些以往的机械手造成企业资金的严重浪费。针对这些以往机械手适应性不强的弊端，为实现灵活适应不同的工作要求，我们在设计该机械手的手部时采用了机械手的活动部位的活动原理不变，而手的根部和手指之间采用可拆卸的螺栓连接，也就是手爪部设计成大小、形状、材料不同的产品，分系列生产，以灵活适应工作要求的变化实现一个机多用的目的。遇到特殊情况可以自己设计爪部安装到机械手手的根部。
在工业生产中，当需要用机械手抓取的产品的表面质量要求较高，不能损害时，如：瓷砖，地板等。我们可以把机械手手部面积设计的较大些，增加了与工件的受力面积，在保证受力不变的情况下，减小压强，同时把手爪的掌面安装软垫，软垫材料用一般的合成橡胶，可多次更换。
图3 机械手部橡胶垫
软垫表面是均匀分布的三角凹坑（软垫如图3），以增大摩擦。这样可使工件在夹紧过程中，实先被抓物体的受力从开始到加紧有一个缓慢的过程，从而保护被抓物体的表面。当该机械手用在产品的热处理中实现工件的放进和取出热处理炉时，机械手的手爪部可以用耐高温材料制成。
第四章、撑杆的应力分析：
1.撑杆材料特征如表1。
表1 撑杆的基本特征
由于机械手伸出的“臂”在强度分析上相当于一个悬臂梁结构，所以对其起主要支撑作用的撑杆有更高的强度要求！普通碳钢应用较广泛，价格低廉，但其强度和适应环境的能力还不够好。由此我们选择了低合金钢——这种可塑性好，有着比普通碳素结构钢更高的屈服强度和屈强比的材料。低合金钢还有着较好的冷热加工成型性，良好的焊接性，较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性，以及较好的抗大气、海水等腐蚀能力。
2.受力情况
对于撑杆的受力分析可看作是对悬臂梁结构的受力分析，将撑杆的一端固定，另一端施以400N的法向均布载荷。
3.分析结果
通过Solidworks软件对零件的结构分析得到如下数据：如表2
表2 撑杆的应力分析结果
solidworks软件对零件的分析采用的是一种被称为对等应力（也称von mises 应力）的应力分析方式，von mises等效应力其实就是一维屈服应力在多轴应力状态下的等小表达。尽管一个点处的对等应力不独特定义此点处的应力状态，它却可为许多延性材料提供评估设计安全性的适当信息。软件程序使用 von Mises 屈服准则，该标准规定当对等应力达到材料的屈服力时，材料开始屈服。
4.结论
由撑杆应力图可知撑杆的应力最大和最小值都在撑杆的连接端部，此处对材料的性能的要求就要更高！而对于整个机构来说，其最大承载
能力就由此撑杆的承载能力决定！分析得到在对撑杆施加400N的均布载荷时，撑杆仍能保证最低5.3的安全系数。所以对于我们这个设计的工业机械手来说，其结构强度完全满足！
第五章液压控制部分的设计
流程图是液压系统设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地设计出设计出液压系统图进而选择各种液压元件到最终的完整的液压系统，而完成设计设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计首先要做的任务。据三轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图5所示。
图液压控制编制流程图
根据上面的机械手工作流程图设计出的液压系统图如下液压系统的工作原理
工业机械手的液压系统如上图所示，该系统属于中高压系统，用一个轴塞泵作动力源，用电动机通过传动装置驱动工作整个系统由转台回转，机械臂伸缩，机械手手部抓合等三个支路组成其中机械手臂伸缩和手部抓合由换向阀A和B组成一个阀组（多联多路阀），根据工作的的具体要求，操纵各阀不仅可以分别控制各执行元件件运动的方向，还可以通过控制阀芯的位移量来实现节流调速。
1.转台回转支路
回转支路的执行元件是一个转矩液压马达，他能双驱动转台回转。通过齿轮，蜗杆机构减速，转台可以获得，马达由手动换向阀C控制正、反转。其油路为：
进油路：液压泵阀Ａ阀Ｂ阀Ｃ回转液压马达；
回油路:回转液压马达阀C 阀D 油箱
机械手手臂伸缩支路
机械手手臂由基本臂和伸缩臂组成。伸缩臂装在基本臂内部。由手臂液压缸带动伸缩运动。手臂的伸缩由换向阀D控制，使伸缩臂有伸出、缩回、停止三种工况。例如，当阀D在右位工作时，伸缩臂伸出，其油路路线为：
进油路：液压泵阀A 阀B 阀C 阀D 阀E中单向阀伸缩液压缸无缸腔：
回油路：伸缩液压缸有有杆腔阀D 阀E 阀F 油箱
3机械手手部伸合支路
机械手的手部的伸合以抓取物体，其动作的实现要用液压刚来实现，伸缩动作要求平稳可靠，故在油路中油路中设置了平衡阀2。其油路为：进油路：
出油路：
部件的选择
电动机的选择
采用异步电动机
液压缸的选择
液压泵的选择
液压马达的选择
过滤器
冷却器
油管
接通
密封元件
第六章总结
本文对工业机械手的结构和控制进行了设计，从三维造型到运动仿真、应力分析都采用了CAD/CAE软件来设计，大大提高了设计的效率和设计的可行性、科学性。针对当前工业生产中产品小批量，多变型的发展趋势，大胆和创新地对机械手进行了机械手的手部可更换设计，大大
提高了该机械手的使用范围。气动技术在该机械手中的应用，可使本机械手在工作中减少对环境的污染，使设备整体结构紧凑，减少了中间环节。PLC在总控制中的的应用，使得机械手在工作时安全、准确。由于本机械手具有用途广泛、结构紧凑、控制准确安全等优点。能实现一机多用，具有较高的性价比，故一旦推向市场必将有较好的市场占有率。
参考文献：
[1]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社 1995
[2]冯辛安,黄玉美,杜君文.机械制造装备设计[M].北京:机械工业出版社 2004.
[3]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京:高等教育出版社 1997.
[4]廖常初《PLC程与应用》机械工业出版社 2005年5月
网上查阅的部分资料