1、中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 1 中国石油大学（北京）现代远程教育 毕 业 设 计（论文） 机械设计制造及其自动化方向 自动上下料机械手设计 姓 名： 学 号： 200808108461 性 别： 男 专 业 : 机械设计制造及其自动化 批 次： 0809 层 次： 专升本 电子邮箱： QQ.com 联系方式： 学习中心： 指导教师： 2011 年 4月 22日 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 2 目录 第一章 绪论 .4 1.1 工业机械手概况 .4 1.2 工业机械手的分类 . .4 1.3 工业机械手的发展趋势 .5 1.4 本章小结 .6 第二章
2、工业机械手的设计方案 .7 2.1 工业机械手的组成 7 2.2 规格参数 8 2.3 设计路线与方案 8 2.4 本章小结 9 第三章 机械手各部分的计算与分析 . .10 3.1 手部计算与分析 . 10 3.1.1 输入输出力的比率分析 . 10 3.2 腕部计算与分析 13 3.2.1 腕部设计的基本要求 . .13 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 . 17 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
3、析 . . .28 3.5 本章小结 . .28 第四章 液压系统 . . .29 4.1 液压缸 . 29 4.2 计算和选择液压元 件 .31 4.2.1 液压泵的选取要求及其具体选取 .31 4.2.2 选择液压控制阀的原则 . . .33 4.2.3 选择液压 辅助元件的要求 . . .33 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 3 4.2.4 具体选择液压原件 . . . . .33 4.3 本章小结 . .34 第 五 章 液压缸的保养与维修 . 36 5.1 液压元件的安装 . 36 5.2 液压系统的一般使用与维护 .36 5.3 一般技术安全事项 . .36 第
4、六 章 机械手控制系统 . . 37 结论 . . 38 参考文献 . . 39 致谢 . . 40 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 4 第 1 章 绪 论 1.1 工业机械手概况 工业机械手是人类创造的一种机器 ,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。工业机械手是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工作或握持工具进行操作的自动化技术装备。机械手可以在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。工业生产上应用的机械手，由于 使用场合和工作要求的不同，技术复杂程度也有很大差别。但他们都有类似人的手臂、手腕
5、和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地、重复循环地进行工作。实践证明：工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作，采用机械手是有效的；此外，他能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。 1.2 工业机械手的 分类 1、按用途分可分为专用机械手和通用机 械手 （ 1）专业机械手 是指附属于主机，动作程序固定，一般没有独立控制系统，只制作专门用途的自动抓取或操作装置。 （ 2）通用机械手（国外泛称工业机械人）
6、 是指程序可变的、独立的、自动化的抓取或操作装置。通用工作机械手工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。 2、按驱动方式可分为液压、气压、机械、电力传动机械手 （ 1）液压传动机械手 是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装 置要求严格，不然油的泄露对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。 （ 2）气压传动机械手 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 5 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是介质来源极方便、气动动作迅速、结构简
7、单、成本低。但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 （ 3）机械传动机械手 即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动 力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠、动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于为工作主机的上、下料。 （ 4）电力传动机械手 即由特殊结构的感应电动机、 直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。 3、按控制方式分 （ 1）点位控
8、制 它的运动分为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其远动轨迹。 （ 2）连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动 过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。 1.3 工业机械手 机械手的发展趋势 1、扩大机械手在热加工行业上的应用 因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来不少困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手更好地为热加工作业服务。 2、提高工业机械手的性能 机械手的工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度
9、两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键因素。因此要解决好机械手的工作平稳性和快速 性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手外，还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀，将伺服控中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 6 制系统应用于机械手上。 3、发展组合式机械手 为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的结构化设计成可以组合的型式。组合式机械手是将一些通用部件根据作业要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。它便于标准化，系列化设计和组织专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价。 4、
10、研制具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机器人” 对于需用 人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合机械手很难代替人的劳动。因此，人们对机械手提出了更高的要求，希望具有“视觉”和“触觉”的功能，使之对物件进行判断、选择，并能进行“手 眼”协调工作。具有感觉功能的机器人，其工作性能是比较完善的，能够准确夹持任一方位的物件，判断物件重量，越过障碍物进行工作，自动测出夹紧力大小，并能自动调节，适用于从事复杂、精密的操作。 随着工业机械手工作性能不断提高，应用范围不断扩大，通用化、系列化、标准化工作进一步开展，工业机械手必将在工业生产中大量推广应用。 1.4 本章小结 本章介绍了工业机械手的概括，工业机
11、械手的分类、发展趋势 。工业机械手在国民生产中有广泛的应用，许多机械设备都用到工业机械手，它是近代自动控制领域内出现的一种新型的技术装备。 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 7 第 2章 工业机械手的设计方案 2.1 工业机械手的组成 机械手的组成一般包括执行系统、驱动系统和控制系统等部分组成。细分则可列为以下数项： 1、手部（或称抓取机构） 包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。 2、传送机构（或称臂部） 包括手腕、手臂等，主要起改变物件方位和位置的作用。 3、驱 动部分 是驱动前两部分的动力，因此也成动力源，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式。液压驱动
12、系统是由油缸、阀、油阀和油箱等组成；气压驱动系统是由气缸、气阀、空压机（或由空气压缩机站直接提供）和储气罐等组成；电机驱动系统是由一些电动机、专用电动机等组成。 4、控制部分 是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等。一般包括程序控制部分和行程检测反馈部分。 5、其它部分 如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等： （ 1）机体（也称机身） 是用以支承和连接其他零件、部件的基础件。 （ 2）行走机构 是为了扩大机械手的使用空间而设置的。而本身又包括动力源、传动（减速）机构、滚轮或连杆机构等。 （ 3）行程检测装置 是监测和控制机械手各运动行程（位
13、置）的装置。 （ 4）传感装置 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 8 其中装有某种传感器，是手指具有敏感性和自控性，用以反应手指与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的方位是否正确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应等。 2.2 规格参数 工业机械手的技术参数，是说明机械手规格和性能的具体指 标。 1、抓重（或臂力） 抓重是机械手所能抓取或搬运物件的最大重量，它是机械手规格中的主要参数。抓重以 10 公斤左右的机械手为数最多。一般将抓重 1 公斤以下的定为微型；15 公斤的定为小型； 530 公斤的定位中型； 30 公斤以上的定为大型。机械手抓重的大小对其他参数如行程范
14、围、运动速度、坐标型式和缓冲装置的设计均有影响，因此，设计时必须予以重视。 2、自由度数和坐标型式 机械手的自由度数和坐标型式的选择，应根据机械手现场具体的生产情况和工艺的要求而定。 3、运动速度 运动速度是机械手主要参数之一，它反 映了机械手的生产水平，很多机械手由于速度低限制了它的适用范围。 4、行程范围 机械手的手臂运动行程大小与机械手的抓重大小、坐标型式、驱动方式以及使用性能有关系，一般对于通用机械手的手臂回转应尽可能的大些使机械手具有一定的通用性，因此一般地手臂回转行程范围应大于 180 度；手臂伸缩行程大多数在5001000 毫米范围内选取。 2.3 设计路线与方案 2.3.1 设
15、计步骤 1.查阅相关资料 ； 2.确定研究技术路线与方案构思 ； 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 9 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 。 2.3.2 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）。 2.4 本章小结 本章介绍了工业机械手的组成、规格参数、设计路线等内容，这种设计的机械手组成全面，配置合理，能达到一定的使用要求。 中
16、国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 10 第 3章 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 可 采用两个手指。 手部的主要功用是当工件在传送过程中抓取和释放工件，当手指牢固地抓紧工件时 ，可把整个系统当做静止状态看待，这时就可以用传统的静力分析方法来确定各种力的关系及大小，从而保证机器人可靠地工作。 3.1.1输入 输 出力的比率分析 手部的主要功用是当工件在传送过程中抓取和释放工件，当手指牢固地抓紧工件时 ，可把整个系统当做静止状态看待 ，这时就可 以用传统的静力分析方法来确定各种力的关系及大小，从而保证机器人可靠地工作。现以实例说明手部输入 -输出力的确定，如图 C 点的力平衡方程式为： F23= F56= rPsin2 其中： P 驱动力 (输入力 ) F23、 F56 分别为杠杆 2 作用在杠杆 3 和杠杆 5 作用 在杠杆 6 上的力。 由 A（ A）点力矩平衡方程式可求的抓取力 （输出力）：
