自动上下料机械手设计

自动上下料机械手的设计摘要随着机电一体化技术和计算机技术的应用，机械手的研究和开发水平获得了迅猛的发展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域，特别是工业机械手在生产加工中的应用。

机械手是近代自动控制领域中出现的一种新型技术装备，它能模仿人体上肢某些动作，在生产中代替人搬运物体或操持工具进行动作，已成为现代机械制造系统中的一个重要组成部分。

本次设计主要设计自动上下料的机械手，该系统采用液压驱动，传动平稳，且易于控制，控制系统采用一般PLC所具有的位移寄存器和位移指令来编程。

关键词：机械手，液压驱动，控制系统目录1绪论 (1)2 工业机械手的设计方案 (2)2.1 工业机械手的组成 (2)2.2 上下料机械手的工作原理 (3)2.3 规格参数的选择 (3)2.4 设计路线与方案 (4)2.4.1 机械手的总体设计方案 (4)2.4.2 设计步骤 (4)2.4.3 研究方法和措施 (4)3 机械手各部分的计算与分析 (5)3.1 手部计算与分析 (5)3.1.1 滑槽杠杆式手部设计的基本要求 (5)3.1.2 手部的计算和分析 (5)3.2 腕部计算与分析 (12)3.2.1 腕部设计的基本要求 (12)3.2.2 腕部回转力矩的计算 (13)3.2.3 腕部摆动油缸设计 (16)3.2.4 选键并校核强度 (18)3.3 臂部计算与分析 (18)3.3.1 臂部设计的基本要求 (18)3.3.2 手臂的设计计算 (20)3.4 机身计算与分析 (28)4 液压系统设计 (29)4.1 液压系统总体设计 (29)4.2 液压元件的选择 (29)4.2.1 液压缸 (29)4.2.2 液压泵的选取要求及其具体选取 (31)4.2.3 选择液压控制阀的原则 (33)4.2.4 选择液压辅助元件的要求 (33)5 液压元件的保养与维修 (37)5.1 液压元件的安装 (37)5.2 液压系统的一般使用与维护 (37)5.3 一般技术安全事项 (37)6 结论 (39)参考文献 (40)致谢 (41)附录 (42)1绪论工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的。

世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。

在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。

随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在各行各业中还在不断开辟着新用途。

机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。

上料机械手与卸料机械手相比，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。

例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达180mm，最大抓握重量可达30公斤，最大行走距离为1200mm。

根据作业要求及载荷情况，机械手各关节运动速度可调。

移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。

整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。

电气控制系统采用OMRON可编程控制器，各种作业的实现可以通过编程实现。

机械手涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

它是一种能自动控制并可以从新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

2 工业机械手的设计方案2.1 工业机械手的组成工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框图：图2-1 工业机械手各部分关系图执行机构：执行机构包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。

（1）手部：直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。

传动机构形式多样，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。

（2）腕部：是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。

（3）臂部：手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。

手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定位置。

该设计的手臂有三个自由度，采用关节式坐标（绕横轴旋转，上下摆动和左右摆动）关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性，机械臂的结构性容易进行优化，便于提高机械手的动态操作性能。

（4）行走机构：有的工业机械手带有行走机构。

驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。

控制系统：有点位控制和连续控制两种方式。

机身：它是整个工业机械手的基础。

机械手功能：（1）它能部分的代替人工操作；（2）它能按照生产工艺的要求遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；（3）它能操作必要的机具进行焊接和装配。

2.2 上下料机械手的工作原理上下料机械手是一种专用的工业机械手，其执行程序一般是固化好的，或只能进行简单编程，所以机械手的动作是固定的，一种机械手只能供送一种或有限的几种物品，程序控制系统相对比较简单。

供送料机械手可看做是一种无料槽、滑道的供送料机构，它在一个位置（料槽）抓取物品（工件），然后将其搬运到另一个位置。

其基本动作是：上料时，先由料槽中取出工件，带着工件到指定工位，将其放在工位上，返回；卸料时则从工位上取下工件，带走，放到料箱中。

上料时一般有位置及方位要求，而卸料时一般无严格要求，所以上料是关键。

要完成上述动作，上下料机械手的手爪必须到达两点（取料点—料槽；放料点—加工工位），这可通过机械手的手臂来实现。

手爪必须做两个动作（抓取料和放下料），这可通过机械手的手爪闭合、张开来实现。

方位要求一般通过机械手的手腕来满足供送料要求的运动，轨迹应该是：直线下降—直线升起—平面圆弧摆动—直线下降。

2.3 规格参数的选择工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：（1）抓重（又称臂力）：额定抓取重量或称额定负荷，单位为公斤，本次设计要求抓重为25kg。

（2）自由度数目：本次设计整机四个自由度，手臂三个自由度，手腕两个自由度。

（3）定位方式：有固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其他各种位置设定和检测装置，本次设计选固定机械挡块定位。

（4）驱动方式：有气动，液动，电动和机械式四种形式，本次设计选择液压驱动。

（5）手臂运动参数：臂部上仰60度、下俯30度、回转220度。

（6）手腕运动参数：腕部回转顺逆各180度。

（7）手指夹持范围和握力：工件直径d<100mm。

（8）定位精度：位置设定精度和重复定位精度。

（9）轮廓尺寸：长×宽×高（毫米）为445.75×223.15×459.5mm。

2.4 设计路线与方案2.4.1 机械手的总体设计方案本课题是自动上下料机械手的设计，本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及液压系统方面的简单设计。

在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。

因此机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。

2.4.2 设计步骤（1）查阅相关资料；（2）确定研究技术路线与方案构思；（3）结构和运动学分析；（4）根据所给技术参数进行计算；（5）按所给规格，范围，性能进行分析，强度和运动学校核；（6）绘制工作装配图草图；（7）绘制总图及零件图等；（8）总结问题进行分析和解决。

2.4.3 研究方法和措施使用现在机械设计方法和液压传动技术进行设计，采用关节式坐标（四个自由度，可以绕横，纵轴转动和上下左右摆动）。

液压驱动即是以油液的压力来驱动执行机构。

抓重能力大，结构小巧轻便，传动平稳，动作灵便，可无级调速，进行连续轨迹控制，易于实现直接驱动。

但因油的泄露对工作性能影响较大，故它对密封装置要求严格，且不宜在高温或低温下工作。

3 机械手各部分的计算与分析3.1 手部计算与分析手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。

夹持类最常见的主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。

夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴，盘，套类零件，一般情况下多采用两个手指。

手部示意图如下：图3-1 手部示意图3.1.1 滑槽杠杆式手部设计的基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。

（2）手指应具有一定的开闭范围。

（3）应保证工件在手指内的夹持精度。

（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高。

（5）应考虑通用性和特殊要求。

3.1.2 手部的计算和分析（1）手部受力分析图3-2 手部受力图(1)图3-3 手部受力图(2)（2）手指尺寸初步设定由拉杆的力平衡条件：112sin P P =∂ 0x F=∑ 1p cos 1∂=22cos ∂p得 12P P ='11P P =由()0M F =∑得'1AB P h NL =cos h c =∂ **p b tg N =∂又由工件的平均半径： 502537.52cp R +==mm 初取V 型手指的夹角2120o θ=，55AB L =mm ，2100C mm =，53b mm =，53CD L mm =，滑杆总长h=170mm（3）夹紧力计算又由于工件的直径不影响其轴心的位置即定位误差为零，手指水平位置夹取水平位置放置的工件。

由参考文献[2]中表2-1查得：N ＝0.5G=0.5×25=12.5kg （3—1）又因为：22cos b P N c=∂ （3—2） 当α取最小值时，则增力比较大，手指走到最小行程时则有min α, o min 30α=又因为：kg a N cb p 88.19cos 2min 2==理 （3—3） 12k k P P η≥理实 （3—4）取安全系数1 1.5k =，工作情况系数2 1.5k =,传动机构的机械效率0.9η= ××50P kg ≈实19.881.51.5＝0.9手指夹紧时：夹紧缸活塞移动范围L ＝130mm ，其动作时间t=1.5s （由机械手的动作节拍时间得之），所以夹紧活塞移动得平均速度v 为：138.671.5l v cm s t ===运动部件得总重估算G ＝10kg 夹紧力N 与驱动力P 的关系：由于结构左右对称，在驱动力P 的作用下，每一滑槽杠杆受力相等图3-4 夹紧力与驱动力的关系图在不计摩擦力的情况下：1212cos PP P α==1α为夹紧状态得倾斜角1α＝50夹紧工件半径为50mm1212cos PP P α==＝38.9kg根据各力对回转支点1O 的力矩平衡条件，同样在不计摩擦力的情况下,112cos PCNb PC α==C 为杠杆动力臂，即驱动销对滑槽杠杆作用力1p 对支点1O 的垂直距离。