码垛机械手设计 I 摘 要
在现代工业中,生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越
高,现代化加工车间,常配有机械手,以提高生产效率,完成工人难以完成的或者危险的工
作
随着工业自动化发展的需要,机械手在工业应用中越来越重要。用于再现人手的的功能
的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自
动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。文章
主要叙述了机械手的设计计算过程 。
首先,本文介绍码垛机械手的作用,码垛机械手的组成和分类,说明了自由度和机械手
整体座标的形式。同时,本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。 文章中介绍了码垛机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了码垛机械手的手部、腕
部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。 最后用PLC对码垛机械手进行控制
关键词:码垛机械手,液压传动,液压缸,PLC控制 码垛机械手设计 II? ABSTRACT?
In? modern? industry,? the? automation? of? the? production? process? has? become? a? prominent?
theme.Increasingly?high?level?of?automation?in?all?walks?of?life,?modern?processing?plant,?often?with?
a?mechanical? hand? in? order? to? improve? production?efficiency,? to? complete? it? hard? for?workers? to?
complete?the?work?or?risk?
With? the? development? needs? of? industrial? automation,? mechanical? hand? more? and? more?
important?in?industrial?applications.Used?to?reproduce?the?function?of?the?technical?staff?of?the?device?
is? called? robot.Robot? is? modeled? on? the? part? of? staffing? action,? according? to? a? given? program,?
automatically?
track?
and?
requirements?
capture,?
handling?or?operation?of? the? automatic?mechanical?
devices.Application? in? industrial? production? is? known? as? industrial? robot? manipulator.This? paper?
mainly?describes?the?design?of?the?manipulator?calculationFirst,? the? article? describes? the? role? of? robot? palletizing,? robotic? palletizing? composition? and?
classification,? indicating? the? degree? of? freedom? and? the? coordinates? in? the? form? of? the? whole?
manipulator.Meanwhile,?this?paper,?the?machinery?of?the?main?performance?specifications?of?hand?
parametersArticle?describes?the?
robot?palletizer?design?theory?and?methodsprehensive?and?detailed?
discussion?of?the?palletizing?robot's?hand,?wrist,?arm?and?body?and?other?major?components?of?the?
structural?designFinally,?PLC?control?for?robotic?palletizer? Key?words:?
Palletizer
robot,?
hydraulic?transmission,?
hydraulic?cylinder,? PLC?control
码垛机械手设计 III 目 录 1 绪论1?
1.2机械手的简史 1?
1.3工业机械手在生产中的应用 2? 1.4?机械手的组成3? 1.4.1?执行机构 3? 1.4.2?驱动机构 4?
1.4.3?控制系统分类 4? 1.5机械手的发展趋势4?
1.5.1国外机械手领域发展趋势:? 4? 1.5.2?我国机械手领域的现状及发展:? 4? 1.6?本章小结 5?
2? 机械手的总体设计方案 6? 2.1?机械手基本形式的选择 6? 2.2机械手的主要部件及运动? 7? 2.3驱动机构的选择7? 2.4?机械手的技术参数列表 7? 2.5手臂的配置形式7? 2.6位置检测装置的选择8? 2.7?本章小结 8?
3? 机械手手部的设计计算 9? 3.1概述? 9?
3.2?设计时应考虑的几个问题 9? 3.3?手部设计基本要求? 9? 3.4?典型的手部结构?10? 3.5机械手手抓的设计计算10? 3.5.1选择手抓的类型及夹紧装置10? 3.5.2?手抓的力学分析?10? 3.5.3?夹紧力及驱动力的计算13?
3.5.4?手抓夹持范围计算?14 码垛机械手设计 IV? 3.6?本章小结??14? 4? 腕部的设计计算??16? 4.1?腕部设计的基本要求16? 4.2?腕部的设计计算?16? 4.2.1?腕部设计考虑的参数16? 4.3.2?腕部的驱动力矩计算16? 4.4?本章小结??17?
5? 臂部的设计及有关计算??19? 5.1?臂部设计的基本要求19?
5.2?手臂的典型机构以及结构的选择?20? 5.2.1?手臂的典型运动机构20? 5.2.2?手臂运动机构的选择20? 5.3?手臂直线运动的驱动力计算??20? 5.3.1?手臂摩擦力的分析与计算20? 5.3.2?手臂惯性力的计算?22? 5.3.3?密封装置的摩擦阻力22? 5.4?液压缸工作压力和结构的确定?22? 5.5?四连杆固定轴剪切力校核??23? 5.6?本章小结??24? 6? 机身的设计计算??25?
6.1?机身的整体设计?25?
6.2?机身回转机构的设计计算??26? 6.3?机身升降机构的计算27? 6.3.1?手臂偏重力矩的计算27?
6.3.2?手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算28? 6.4?轴承的选择分析?29? 6.5?齿轮的选型?29? 6.6?本章小结??30? 7?液压系统设计??32? 7.1液压系统简介??32 码垛机械手设计 V? 7.2液压系统的组成?32?
7.3机械手液压系统的控制回路??32? 7.3.1? 压力控制回路32? 7.3.2? 速度控制回路33? 7.3.3?方向控制回路??33? 7.4?机械手的液压传动系统?34? 7.4.1?上料机械手的动作顺序34?
7.4.2?自动上料机械手液压系统原理介绍?35? 7.5机械手液压系统的简单计算??36? 7.6?本章小结??37? 8?PLC控制回路的设计38?
8.1?电磁铁的动作顺序表38? 8.2?根据机械手的动作顺序表??39? 8.3?PLC与现场器件的实际连接图??40? 8.4?梯形图??40? 8.5?指令程序??42? 9? 结论??45? 参考文献??46? 致 谢47
码垛机械手设计 1 1 绪论 1.1前言
用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作,按给
定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械
手被称为工业机器手。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统
中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新兴的学科??机械手工程。
机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、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。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器
人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有
人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作
业的能力,在国民经济领域有着广泛的发展空间。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一、它能部分的代替人工操
作;其二、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;其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著
的提高了劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重
视,投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性
和污染的场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,受
到机械工业的重视。
机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器,他有多个自由
度,可以搬
运物体以完成在不同环境中的工作。
机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。 随着工业技术的发展,制成了能够独
立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械
手。由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中
小批量生产中获得广泛的引用。 1.2机械手的简史
现代工业机械手起源于20世纪50年代初,是基于示教再现和主从控制方式、能适应产
品种类变更,具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的
结构是:机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,控制系统是示教型的。
1962年,美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商
名为 Unimate即万能自动。运动系统仿造坦克炮塔,臂回转、俯仰,用液压驱动;控制系
码垛机械手设计 2
统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司
和普鲁曼公司合并成立万能自动公司(Unimaton),专门生产工业机械手。 1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手,原意是灵活搬运。该机
械手的中央立柱可以回转,臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动,控制系统也是示教再
现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是国外工业机械手发展的基础。
1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm
型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差可小于±1毫米。
美国还十分注意提高机械手的可靠性,改进结构,降低成本。如 Unimate 公司建立了 8
年机械手试验台,进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间(注:故障前平均时间是指
一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间),由 400 小时提高到
1500小时,精度可提高到±0.1毫米。
德国机器制造业是从 1970 年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下
料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制。
瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手,采用示教方法编制程序。 瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进二种典型机械手
后,大力研究机械手的研究。据报道,1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位
多达 50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979 年日本机械
手的产值达443亿日元,产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半,达222亿日
元,是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元,比1978年增长50%。智
能机械手约为17亿日元,为 1978 年的 6倍。截止 1979 年,机械手累计产量达 56900 台。
在数量上已占世界首位,约占70%,并以每年50%~60%的速度增长。使用机械手最多的是汽
车工业,其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,
甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,使机械手具
有感觉机能。
目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。
第三代机械手(机械人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设
备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMSFlexible Manufacturing system和柔性制
造单元Flexible Manufacturing Cell中重要一环。
随着工业机器手(机械人)研究制造和应用的扩大,国际性学术交流活动十分活跃,欧
美各国和其他国家学术交流活动开展很多。 1.3工业机械手在生产中的应用
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作,
如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛广泛。 码垛机械手设计 3
在现代工业中,生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越
高,现代化加工车间,常配有机械手,以提高生产效率,完成工人难以完成的或者危险的工
作。可在机械工业中,加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍,美国生产的
全部工业零件中,有75%是小批量生产;金属加工生产批量中有四分之三在
50件以下,零件
真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出,装卸、搬运等工序机械
化的迫切性,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于
完成的工作有:注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序;机械手
加工行业中用于取料、送料;浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作
的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。 1.4 机械手的组成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成 1.4.1 执行机构
1)手部 既直接与工件接触的部分,一般是回转型或平动型(多为回转型,因其结构简
单)。手部多为两指(也有多指);根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可以用负压式或真
空式的空气吸盘(主要用于吸冷的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘。
传力机构形式教多,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、
丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
2)腕部 可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变的更灵
巧,适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有
回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求,有些动作较为简单的专用机械手,为了简
化结构,可以不设腕部
目前,应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压(气)缸,它的结构紧凑,灵巧但
回转角度小(一般小于 270 0 ),并且要求严格密封,否则就难保证稳定的输出扭距。因此在
要求较大回转角的情况下,采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
3)臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或
夹具),并带动他们做空间运动。
臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态(方位),
则用腕部的自由度加以实现。因此,一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求,即手
臂的伸缩、左右旋转、升降(或俯仰)运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸)和各种传动机构来实现,从臂部
的受力情况分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷,而且自身运动较为多,
受力复杂。因此,它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的
工作性能。
4)立柱 立柱式支承手臂的部件,立柱野可以是手臂的一部分,手臂的回转运动和升降
码垛机械手设计 4
运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的,但因工作需要,有时也可作
横向移动,即称为可移式立柱
5) 机座 机座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机
座上,故起支撑和连接的作用 1.4.2 驱动机构
驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大
致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸
紧凑、重量轻、控制方便。 1.4.3 控制系统分类
在机械手的控制上,有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行
点位控制,
也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制,采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。
主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性。 1.5机械手的发展趋势
1.5.1国外机械手领域发展趋势:
目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算
机控制系统,具有视觉触觉能力,甚至听想的能力。研究安装各种传感器,能把感觉到的信
息反馈,使机械手具有感觉机能。
国外也出现了第三代机械手,它能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设
备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环
1.5.2 我国机械手领域的现状及发展: 1)码垛机器人的市场需求
目前,在通货膨胀、人力成本逐渐升高的经济背景下,从现有国内啤酒、饮料工业的
发展趋势来看,机器人需求量将相当可观。业界已给出高度的评价和关注。据有关数据显示,
市场每年的需求在150台套以上。每年可为啤酒、饮料包装行业增加产值
1.5亿元,既可带
动相关产业链同步发展,又对推进社会进步和科技创新具有着深远的社会意义。我国啤酒、
饮料行业有数百家生产厂家、数千条20,000瓶/小时和数百条40,000瓶/小时包装生产线。
大部分生产线是人工码垛人库,工人劳动强度大,工伤事故率高,增加了啤酒、饮料企业的
生产管理成本。近年来,一些大型啤酒、饮料企业,特别是新建工厂,开始购置码垛设备,
需求量增长幅度较大。 2) 码垛机械手技术的发展
①宝鸡新科机械制造有限公司在热缩膜包装机、 40/60型纸箱包装机上成功地应用了4-7
轴伺服电机驱动、PLC、人机界面,CAN总线技术,技术水平已与国际同步,可与机器人配套
码垛机械手设计 5
使用。 ②机械设计采用目前国际流行的适于精密控制用的行星减速机,减速比1:192~256,
瞬时输出扭矩可达到 16,OOONm,额定扭矩 8,OOONm,特别适用于重载机器人。 ③针对每分
钟码垛 70 箱,即每小时完成 4,200 箱的生产能力要求,理论上可以码垛 50,400 瓶/小时,
可以满足目前国内啤酒饮料40,000瓶/小时的啤酒饮料灌装生产线的需要。 3) 码垛机械手的发展趋势
近几年,啤酒、饮料、乳品等食品行业经历了前所未有的高速增长,然而随着原料、包
装、物流、营销、人力等成本的不断上涨,国内外对节能环保要求的提高以及产业集团化、
规模化和国际化进程的加快,啤酒、饮料、乳品等食品企业正面临着成本控制和产品升级换
代的挑战。同时消费者对产品质量和多样化的要求越来越高,生产工艺和设备革新也势在必
行。 新技术、新设备、新材料不仅可帮助企业根据各自的需求和企业文化开发个性化的产
品和包装,而且可以降低原材料、设备和生产能耗等成本,增加企业的产品竞争力。
1.6 本章小结
本文研究了国内外机械手发展的现状,通过学习机械手的工作原理,熟悉了码垛机械手
的运动机理。在此基础上,确定了码垛机械手的基本系统结构,对码垛机械手的运动进行了
简单的力学模型分析,完成了机械手机械方面的设计工作(包括传动部分、执行部分、驱动
部分)的设计工作。
码垛机械手设计 6 2机械手的总体设计方案
本课题是码垛机械手的设计。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计。在本章中
对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此,在机械手的执行机构、驱动
机构是本次设计的主要任务,然后通过软件对码垛机械手的运行进行简单的运动仿真。
设计要求:
码垛机械手应用于包装机械行业,现在最新型的码垛机器人结构简单、体积小、重量轻、
速度快、安全、节能美观,整机功率小比传统的码垛机在电能上每年可以节省 10 万以上。
并且可以大大的缩短生产线的长度,减少设备量,简化工作程序。 2.1 机械手基本形式的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: 1直角坐
标型机械手;2圆柱坐标型机械手; 3球坐标极坐标型机械手; 4多关节型机机械手。
其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小,因此本设计采用圆柱坐标
型。图是机械手搬运物品示意图。
机械手基本形式示意 码垛机械手设计 7
2.2机械手的主要部件及运动
在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后,根据设计任务,为了满足设计要求,
本设计关于机械手具有4个自由度既:手抓张合;手臂伸缩;手臂回转;手臂升降4个主要运
动。
本设计机械手主要由4个大部件和3个液压缸组成:(1)手部,采用一个直线液压缸,通
过机构运动实现手抓的张合。(2)臂部,采用直线缸来实现手臂平动(3)机身,采用一个
直线缸和一个齿条缸来实现手臂升降和回转。 2.3驱动机构的选择
驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决
于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、
电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方
便,驱动力大等优点。因此,机械手的驱动方案选择液压驱动。 2.4 机械手的技术参数列表
1)用途:码垛箱体
2)设计要求: 机械手装置总装配图一张,若干部件图和零件图,计算机控制原理图一张,
设计计算说明书一本。 3)设计技术参数: 1、抓重: 20-200kg 2、自由度数:4自由度 3、座标型式:圆柱座标 4、最大工作半径:3m 5、手臂运动参数 伸缩行程:295mm
升降行程:1070+1891259mm 回转范围: ° -180?0? 2.5手臂的配置形式
机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。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。本机械手采用机座式。机座式结构多为工业机器人所采
用,机座上可以装上独立的控制装置,便于搬运与安放,机座底部也可以安装行走机构,已
码垛机械手设计 8
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。 2.6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,故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。 2.7 本章小结
本章对机械手的整体部分进行了总体设计,选择了机械手的基本形式以及自由度,确定
了本设计采用液压驱动, 给出了设计中机械手的一些技术参数。 下面的设计计算将以次进行。
码垛机械手设计 9 3 机械手手部的设计计算 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。
3.2 设计时应考虑的几个问题 1)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。 2)手指间应有一定的开闭角
两个手指张开与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。
3)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。 4)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。
5)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 手部设计基本要求
(1) 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下,不同的传动机构所需
的驱动力大小是不同的。
(2) 手指应具有一定的张开范围,手指应该具有足够的开闭角度(手指从张开到闭合绕支
点所转过的角度),以便于抓取工件。
(3) 要求结构紧凑、重量轻、效率高,在保证本身刚度、强度的前提下,尽可能使结构紧
码垛机械手设计 10
凑、重量轻,以利于减轻手臂的负载。 (4) 应保证手抓的夹持精度。 3.4 典型的手部结构
(1) 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。
(2) 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。 (3)平面平移型。
3.5机械手手抓的设计计算 3.5.1选择手抓的类型及夹紧装置
本设计是码垛机械手的设计,考虑到所要达到的原始参数:码垛高度最大1800mm;码垛
宽度最大1300mm;抓取重量:20-200kg;码台距离3m。常用的工业机械手手部,按握持工件
的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不
适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和
平移型。
平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且
工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。 通过综合考虑,本设计选择平移型手抓。在压力油作用下,连杆移位,从使机械手手指
张开与闭合。 3.5.2 手抓的力学分析 下面对其基本结构进行力学分析: 码垛机械手设计 11
机械手手部结构图 码垛机械手设计 12 机械手手部受力图 由? x?F0 得? 1 2?F F (3-1)? y?F0 得? a?cos?2? 1? F? F (3-2)? '?
1 1?F F -
由? 01?M ?F? 0 得? N?F?F? L1?*?b?sin? L2?*??b?a??cos? 1 + 3-3? N?F?F? L1?*?b?sin?
L2?*??b?a??cos?*?a?2sin + 3-4
由分析可知,当驱动力F?一定时,a角减小,b角增大,(a+b)角减小,则握力? N?F? 也随
之改变,但(a+b)角过大会导致拉杆行程过大,以及手部结构增大,因此最好 ° - ° ? 30?55?a? ,
° - ° +? 60?70?b?a? 。 码垛机械手设计 13
3.5.3 夹紧力及驱动力的计算
手指加在工件上的夹紧力,是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分
析计算。一般来说,需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生
的载荷,以便工件保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按公式计算:? 1 2 3?N?F K K K G3-5 式中? 1?K???安全系数,通常1.2: 2.0;?
2?k???工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估? 2? 1? b? K? a + 其中a,
重力方向的最大上升加速度;? ?v?a? t 响
3-6?
?v? ??运载时工件最大上升速度?
t?响 ??系统达到最高速度的时间,一般选取0.03: 0.5s? 3?K???方位系数,根据手指与工件位置不同进行选择。 G??被抓取工件所受重力(N)。 表 3-1 液压缸的工作压力 作用在活塞上外力 F(N)
液压缸工作压力 Mpa
作用在活塞上外力 F(N)
液压缸工作压力 Mpa
小于5000 0.8-1 20000-30000 3.0-4.0 5000-10000 1.5-2.0 30000-50000 4.0-5.0 10000-20000 2.5-3.0 50000以上 5.0-8.0
计算:设a1632mm,b2616mm, ° - ° ? 30?55 a ° - ° +? 60?70 b a ;机械手达到最高响应时间为
0.5s,求夹紧力? N?F? 和驱动力F?和 驱动液压缸的尺寸。 1设? 1? 1.5?K ?
2? 1? b? K? a + ? 0.1? 0.5?1? 9.8 + 1.02? 3? 0.5?K
根据公式,将已知条件带入:
\\? N?FN? 1530?2000?*?50?*?021?*?51 3-7 (2)根据驱动力公式得: 码垛机械手设计 14? 5310?1530?*? 1632?*?15?sin?
2616?*?0?7?cos?*?55?2sin ° ° ° ?F? 3-8 (3)取? 0.85 h ? N?
F? F? 6427? 850? 5310 h 计算 实际 3-9
(4)确定液压缸的直径D ?2 2? 4?
F D d p p - Q 实际 3-10
选取活塞杆直径d0.5D,系统液压缸压力油工作压力P16MPa, \\ D32mm,考虑安全因素选取液压缸内径为:D63mm 则活塞杆内径为:选取d30mm 3.5.4 手抓夹持范围计算
为了保证手抓张开角为 °?10? ,活塞杆运动长度为194mm。
手抓夹持范围,手指长 2616mm,当手抓没有张开角的时候,如图所示,根据机构设计,它的
最小夹持箱体长度为1300mm,当张开? 0?60?时,如图所示,最 大夹箱体长度为1898mm
\\机械手的夹持箱体长度可以从? mm?1898?1300 - 1300mm为设计要求尺寸
3.6 本章小结
通过本章的设计计算,先对码垛机械手部结构进行力学分析,然后分别对码垛机械手手
部结构的夹紧力、驱动力进行计算,在满足基本要求后,对手部的夹持精度进行分析计算。
码垛机械手设计 16 4 腕部的设计计算 4.1 腕部设计的基本要求 (1) 力求结构紧凑、重量轻
腕部处于手臂的最前端,它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然,腕部的结构、
重量和动力载荷,直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此,在腕部设计时,必须力
求结构紧凑,重量轻。 (2) 结构考虑,合理布局
腕部作为机械手的执行机构,又承担连接和支撑作用,除保证力和运动的要求外,要有
足够的强度、刚度外,还应综合考虑,合理布局,解决好腕部与臂部和手部的连接。
(3) 必须考虑工作条件
对于本设计, 机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料, 因此不太受环境影响,
没有处在高温和腐蚀性的工作介质中,所以对机械手的腕部没有太多不利因素。
4.2 腕部的设计计算 4.2.1 腕部设计考虑的参数 夹取工件重量200Kg 4.3.2 腕部的驱动力矩计算 码垛机械手设计 17?
m?N × ? 526000?0.001?2630?10?200?M? 4-1? F2?F1 (4-2)?
M?l?F?l?F + ?3?/?1??2??3?/?1??1? (4-3) 得:? KN?F? 475 ? MPa?MPa? A? F?
432?]?[?242? 050?050? 4? 1?
1000?475?1 t p
t (4-4) 4.4 本章小结
本章选择了具有一个简单可靠的腕部结构,并进行的腕部回转力矩的计算。 码垛机械手设计 18 码垛机械手设计 19 5 臂部的设计及有关计算
手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工件或工具),
并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动:伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的
伸缩运动,手臂的回转和升降运动设置在机身处,将在下一章叙述。 臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点。。因此,一般来说臂部应该具
备3个自由度才能满足基本要求,既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通
常用驱动机构和各种传动机构来实现, 从臂部的受力情况分析, 它在工作中即直接承受手部、
和工件的静、动载荷,而且自身运动较多。因此,它的结构、工作范围、灵活性等直接影响
到机械手的工作性能。 5.1 臂部设计的基本要求
5.1.1 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻
(1) 根据受力情况,合理选择截面形状和轮廓尺寸。 (2) 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。 (3) 合理布置作用力的位置和方向。 (4) 注意简化结构。 (5) 提高配合精度。
5.1.2 臂部运动速度要高,惯性要小
机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一,它反映机械手的生产水平。对于高速
度运动的机械手,其最大移动速度设计在?1000 1500mm s?: ,最大回转角速度设计在?
0?180? s?
内,大部分平均移动速度为?1000mm s?,平均回转角速度在? 0?90? s?。在速度和回转角速度一定
的情况下,减小自身重量是减小惯性的最有效,最直接的办法,因此,机械手臂部要尽可能
的轻。减少惯量具体有3个途径:
(1) 减少手臂运动件的重量,采用铝合金材料。 (2) 减少臂部运动件的轮廓尺寸。
(3) 减少回转半径 r ,再安排机械手动作顺序时,先缩后回转(或先回转后伸缩),尽可
能在较小的前伸位置下进行回转动作。 (4) 驱动系统中设有缓冲装置。
5.1.3手臂动作应该灵活
为减少手臂运动之间的摩擦阻力,尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于机械手的设计
码垛机械手设计 20
要使手臂运动尽可能平衡, 以减少对升降支撑轴线的偏心力矩, 特别要防止发生机构卡死 (自
锁现象)。为此,必须计算使之满足不自锁的条件。
总结:以上要求是相互制约的,应该综合考虑这些问题,只有这样,才能设计出完美
的、性能良好的机械手。
5.2 手臂的典型机构以及结构的选择 5.2.1 手臂的典型运动机构 常见的手臂伸缩机构有以下几种: (1) 双导杆手臂伸缩机构。
(2) 手臂的典型运动形式有:直线运动,如手臂的伸缩,升降和横向移动;回转运动,
如手臂的左右摆动,上下摆动;符合运动,如直线运动和回转运动组合,两直线运
动的双层液压缸空心结构。 (3) 双活塞杆液压岗结构。 (4) 活塞杆和齿轮齿条机构。 5.2.2 手臂运动机构的选择
通过以上,综合考虑,本设计选择双导杆伸缩机构,使用液压驱动,液压缸选取单作用
液压缸。
5.3 手臂直线运动的驱动力计算
先进行粗略的估算,或类比同类结构,根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸,再
进行校核计算,修正设计。如此反复,绘出最终的结构。
做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方
面的阻力,来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。
惯 回 摩 力? F?F?F?F?F + + + (5-1) 5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 分析:
摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状,其摩擦阻力是不同的,要根据具体
情况进行估算。图是机械手的手臂示意图,本设计是四连杆。 码垛机械手设计 21 机械手臂部受力示意图 起拉是受力最大 计算如下:?
1?15?cos?2?15?cos?12?cos?0?Fx? F?F?F ° ° + ° (5-2)?
1?15?sin?2?1?2?15?sin?F?sin12?0?y? F?G?G?F?F ° + + ° + ° (5-3)? 2?788?1?3342?138?*?2?119?*?0??F?? G?G?F?F?M + + (5-4) F100334N F123930N F2125298N
码垛机械手设计 22 5.3.2 手臂惯性力的计算
在计算惯性力的时候,设置启动时间? 0.2?t s D ,启动速度0.1m/S? G v? F? g t D D 总 惯
20067 (5-5)
5.3.3 密封装置的摩擦阻力
不同的密封圈其摩擦阻力不同,在手臂设计中,采用v型密封,当液压缸工作压力大于
10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为:? 0.03?F F 封 。 (5-6) 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力:? N?F?F?F?F? 123411?030 + + + 惯 力 (5-7)
5.4 液压缸工作压力和结构的确定
经过上面的计算,确定了液压缸的驱动力F123411N,液压缸的工作压力P16MPa
(1) 确定液压缸的结构尺寸: 液压缸内径的计算,如图所示 图5.2 双作用液压缸示意图 当油进入无杆腔,? 2? 1? 4? D?
F F p p h h (5-8)
当油进入有杆腔中, ?2 2? 2? 4? D d? F F p p h h - (5-9)
码垛机械手设计 23
液压缸的有效面积:? 1? F? S? p (5-10) 故有? 1 1? 4? 1.13? F F? D?
p p p h h (无杆腔) (5-11)? 2? 1? 4F? D d? p p h +
(有杆腔) (5-12)
F123411N,? 1?p?16Mpa,选择机械效率h? 0.95 将有关数据代入:?
m?10? 1? 4 h pP? F? D?
根据表4-1(JB826-66),选择标准液压缸内径系列,选择D65mm(2) 液压缸外径的设计
根据装配等因素,考虑到液压缸的臂厚在25mm,所以该液压缸的外径为125mm(3) 活塞杆的计算校核
活塞杆的尺寸要满足活塞(或液压缸)运动的要求和强度要求。按拉、压强度计算:
[ ]? 2? 4? F? d s s p (5-13)
设计中活塞杆取材料为碳刚,故[ ] s? 100 120Mpa : ,活塞直径 d50mm,L440mm,现在
进行校核。? pa?100?pa?862? d?*?d? 4? M?M? F p s
结论: 活塞杆的强度足够。 5.5 四连杆固定轴剪切力校核? g?200K?G 工件?
g?370K?G?G?G 总共 , 和 四连杆 腕 爪? g?570K?G 总? MPa?MPa? A? FS?
407?]?[?534? 040?040? 4? 1? 10?570 t
p t (5-14) 符合要求 \\
码垛机械手设计 24 5.6 本章小结
本章设计了机械手的手臂结构,手臂采用四连杆伸缩机构,对驱动的液压缸的驱动力进
行了详细的计算,并对液压缸的基本尺寸进行了设计。 码垛机械手设计 25 6 机身的设计计算
机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动,这些运动的传动
机构都安在机身上,或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此,臂部的运动越多,机身的
机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的,也可以是行走的,既可以沿地面或架空轨道
运动。
6.1 机身的整体设计
按照设计要求,机械手要实现手臂180 0 的回转运动,实现手臂的回转运动机构一般设计
在机身处。为了设计出合理的运动机构,就要综合考虑,分析。
机身承载着手臂,做回转,升降运动,是机械手的重要组成部分。常用的机身
结构有以
下几种:
(1) 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运
动传动路线长,花键轴的变形对回转精度的影响较大。
(2) 回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆,内部导向,结构紧凑。但回
转缸与臂部一起升降,运动部件较大。
(3) 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现:齿条的往复运
动带动与手臂连接的齿轮作往复回转,从而使手臂左右摆动。 分析:
经过综合考虑,本设计选用活塞缸和齿条齿轮机构。本设计机身包括两个运动,机
身的回转和升降。活塞缸和齿条齿轮机构。手臂部件与活塞缸的活塞连接,齿条齿轮机
构上的输出齿轮与由缸活塞缸上的齿轮相啮合,带动手臂回转运动。活塞杆采用空心,
内装一花键套与花键轴配合,活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用花
键座和螺母来固定,这样就固定了花键轴,也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是
导向杆在内部,结构紧凑。具体结构见下图。 码垛机械手设计 26
6.2 机身回转机构的设计计算 (1) 回转缸驱动力矩的计算
手臂的回转驱动力矩?M?驱 ,应该与手臂运动时所产生的惯性力矩?M?惯 及各密封装置处的
摩擦阻力矩?M?阻 相平衡。? M M M M + + 驱 阻 回 惯 (6-1) 惯性力矩的计算? 0 0?M J J? t w e D D 惯 (6-2)
式中 w D ??回转缸动片角速度变化量(rad s),在起动过程中D w w ; D t??起动过程的时间s;?
0?J???手臂回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量(? 2?N m s × × )。
若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为 r ,则? 2? 0? c? G? J J?
g r + (6-3)
码垛机械手设计 27
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