机械手 - 图文

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第1章 绪论 1.1工业机械手简介

机械手是模仿人的手部动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置，它是机械化、自动化的重要手段。因此，获得了日益广泛的应用，特别在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，它代替了人的工作，具有重要的意义。在机械加工中，冲压、铸、锻、焊、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输、国防工业等各方面，也已愈来愈引起人们的重视。

机械手一般由执行机构、驱动机构、控制机构以及位置检测装置等组成，驱动系统可采用液压传动、气动传动、电气传动和机械传动等形式，而多数采用电液机联合传动。

该机械手是将圆柱形零件从传送带上夹装到专用机床上，待加工完毕后再夹装回传送带的专用机械手(见示意图)。机械手总体设计分为夹持器、伸缩臂、升降臂和底座四大部件设计及二个系统：PC电控系统与液压控制系统设计。夹持器安装于伸缩臂上，伸缩臂安

装在升降臂上，升降臂安装在底座上。连接方式均为法兰盘螺栓连接。

1.2机械手的组成和工作程序

机械手的动作要求分为14步。从原位开始——伸出——下降——夹紧——上升——回缩——下降——正转——上升——下降——松开——上升——缩回——反转——到原

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位停止，准备下次循环。

圆柱形零件的尺寸为直径80毫米，高为150毫米，机械手回转角度为90度，升降高度为500mm，伸缩长度为300mm。

本设计为工业机器人机械手的夹持器设计，机器人通过夹持器的松紧动作，实现工件的加紧与放松。

第2章 机械手设计 2.1设计参数和性能要求

（1）所要抓紧的工件直径为80mm。放松动作时两爪间最大距离为110-120mm。抓持速度为20mm／s，夹持器从运输车上抓取待加工的坯料送到加工机械上及把加工好的工件送回到运输车上。

（2）抓持速度为20mm／s

（3）工件重约6㎏，材质：45＃钢，

（4）加紧动作平稳，起动和终止无刚性冲击；由运动分析及所需夹持力得到机构各部分尺寸。

（5）要有足够的夹持力和所需的夹持精度，

（6）是联接在手臂上，应尽可能使结构简单、紧凑、质量轻，以减轻手臂负荷。 2.2机构选型

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2.2.1方案对比

方案1:楔块杠杆式回转型夹持器。

图2-1

方案2:连杆杠杆式回转型夹持器

图2-2

方案3:齿轮齿条平行连杆平移夹持器

由于结构原因，手爪松开的距离不会很大，所以只适用于工件尺寸变化不大的范围，由于楔块的倾斜角不易太小，太小则夹持范围过小，太大则夹持力变小，故夹紧力不是很大。但该种结构简单，适用于轻载场合

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图2-3

方案4：左右旋丝杠平移夹持器 图2-4

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上图结构中采用了扇形齿轮和齿条机构，结构紧凑，体积小，安装方便，但制造难度大，成本高，经济性不好；下图采用了平行四边形机构和连杆机构，制造容易，机构简单，

但大大增加了整个夹持器的尺寸；综合以上两种结构的优缺点，选择下图2-5所示方案

图2-5

2.3结构尺寸设计 2.3.1设计要求

(1) 行程：最大爪距120mm，最小为0mm

(2) 构尺寸有机构图可以知道，两个爪块之间的距离主要取决于同机架项链的铰链之间的距离，V型块厚度为30mm，则铰链间距取200mm可满足要求，即机架宽度约为200mm。结构尺寸设计如图2-6所示：

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图2-6 2.3.2动力计算

抓取的圆柱体直径为80mm,高为150mm,45# 钢 。

223m??????rh?7.8???0.04?0.15?10?5.88kg 工件质量

夹紧力： FN?K1K2K3G (2.1) 使用系数 K1: 1.2~ 2 取K1=1.3

aK2?1?g得K2=1.9 动载荷系数K2:

安全系数K3: K3=2

F?K1K2K3G?1.3*1.9*2*9.8*5.88?284.66N夹紧力N

Fp2tan340FN驱动缸输出力驱动力 ==375 N 2.3.3驱动缸选型

F由上节知道液压缸输出力p?375 N，假定液压缸的工作压力P=1Mpa,液压缸内径4F4?375D=?P=??1MPa=23.5mm

取标准液压缸内径 D=32 mm 活塞杆直径d=0.5D=16mm

经Solidworks三维立体仿真，机械手从完全闭合到张开，液压缸的行程S?100mm 根据以上数据，选择轻型拉杆液压缸，型号为BFC32/16B,安装尺寸和方式如表2-1：

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表2-1

第3章 伸缩臂设计 3.1性能参数计算

液压伸缩缸完成水平动作，行程S=300mm,主要承受的载荷包括摩擦力，惯性力，启动平稳，停止无刚性冲击，定位精确。

伸缩臂驱动的质量包括自身活塞杆质量，机械手和驱动缸的质量，以及工件质量，各部分质量如下，

活塞杆m1?2Kg,机械手m2?10Kg工件m3?5.9Kg，总质量m=18Kg,取摩擦系数u=0.2，加速度a=20m/s,伸缩缸输出力

F=uG+ma=0.2?18?9.8+18?20=395.28 N

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4F4?395.28液压缸内径D=?P=??1MPa=22.51mm 取标准内径D=32mm，活塞杆直径d=0.5D=16mm

3.2液压缸选型

根据以上数据选择液压缸，为了减小整体结构尺寸，连接方式采用切向底座连接，液压缸基本尺寸数据和安装结构如下表3-1所示：

表3-1

第4章 升降液压缸设计 4.1设计任务及要求

升降液压缸为整个升降平台提供动力和支撑，液压缸除了提供升降动力外，还应该满足启动迅速，运动平稳，定位精确，停止无刚性冲击等性能；液压缸的主要载荷包括滑台和其上所装零部件质量，以及启动加速时的惯性力。

4.2性能参数计算

液压缸载荷质量m包括滑台，伸缩臂，机械手，工件，总质量为m=30Kg15 Kg 20 Kg 5.9 Kg=70.9 Kg, ,液压缸推力为F=uG+ma=0.2?70.9?9.8+70.9?20=2112.3 N

4F4?2112.3液压缸内径D=?P=??1MPa=51.4mm

取标准值D=63mm,活塞杆直径d=40mm.行程S=500mm 4.3液压缸选型

根据以上数据，选择液压缸，采用头部轴销连接方式，结构参数和安装尺寸如表4-1：

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表4-1

第5章 机架设计 5.1设计任务及要求

机架是整个及其的主要部分，起到对移动件的支撑，固定，和导向作用，所以机架应该具有足够的强度和刚度，以下主要根据载荷与受力情况设计机架及其上面的各部件的结构尺寸。

5.2回转支承选型

回转支承是转动部分和底座之间的可动连接，能承受一定的垂直力和倾覆力，由于及其所受的倾覆力不大，故主要根据液压升降缸的结构尺寸来选择，结构尺寸如图5-1：

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图5-1

5.3底座设计

底座起到支撑和固定整个回转部分的作用，整个支撑所承受的载荷在200Kg以内，其结构主要根据回转支承安装设计，底座结构尺寸参看装配图。

5.4导向杆设计

导向杆的作用是对运动部件起到导向作用，导向杆应具有一定的刚度，在滑台承受倾覆力和横向力时的变形不超过许用值。导杆在正常使用情况下横向载荷很小，可以忽略不计，主要载荷为倾覆力矩，受力情况如图5-2所示：

图5-2

倾覆力矩M=mgl=25Kg*9.8N/Kg*300mm=73500N?mm 导杆截面的弯曲应力?应小于许用值，

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?b?3MZ<[?]

D>

16M?[?]3=

16?73500?450MPa=13.7mm

取D=20mm

滑台之间采用直线轴承连接方式，由导杆直径选择直线轴承，型号和结构尺寸如图5-3：

图5-3

第6章 液压元件选用 6.1液压泵的选择

液压的流量根据系统所需流量最大的液压缸确定，升降液压缸缸径最大，所需流量也

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最大，故根据升降缸的流量确定液压泵的流量。

?D2?63260v60100mm/s44流量Q===18.69L/min

压力P>1MPa,选用CB-B20型齿轮泵，性能参数和安装尺寸如表6-1：

表6-1

6.2液压控制元件的选择 6.2.1压力控制阀

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采用SBT03-32型先导式溢流阀，性能参数如表6-2：

表6-2 6.2.2换向阀

系统所需的主要液压控制元件为换向阀，溢流阀，实现液压缸的换向动作和系统压力控制，根据液压泵的流量和压力，换向阀均采用具有锁紧保持中位机能的三位四通电磁换向阀，型号为WE10EB型。如图6-1：

图6-1

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第7章 液压/电器控制系统的设计 7.1液压控制回路

液压控制系统的作用主要是控制机械系统各机构的动作顺序，并满足速度要求。本系统要求动作平稳，速度不随负载的变化而差生大的改变，故液压控制系统调速回路均采用回油节流调速。液压控制回路如图7-1：

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夹紧缸松夹伸缩缸升降缸液压泵液压控制回路

图7-1

7.2 电气控制系统

电气控制系统的功能是控制系统的启动和停止，并控制底座回转电机的正反转：

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图7-2

第8章 PLC控制系统设计 8.1 PLC介绍

可编程逻辑控制器（PLC）又称可编程控制器。它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统。它使用可编程存储器存储用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来控制各种机电一体化，程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低，特别是易于、价格便宜等特点，现已经广泛的应用在生活和生产的各个领域。

8.1状态逻辑表

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工位状态 1夹紧 2上升 3回缩 4下降 5转动 6上升 7伸出 8下降 9松开 10上升 11缩回 12转动 13伸出 14下降 原位循环 表8-1

限位开关状态 继电器状态和动作 SS1 SS通通 通通 通通S5 通 通 通 通 通 S6 + 通 通 通 通 通 S7 通 通 通 通 通 通 通 通 Y002(YA5) 上升 Y005(YA4) 回缩 Y004(YA6) 下降 Y006(YA7) 转动 Y007(YA5) 上升 Y005(YA3) 伸出 Y003(YA6) 下降 Y006(YA1) 松开 Y001(YA5) 上升 Y005(YA4) 缩回 通通通+ 通通通通 通通 通通 通 通 通 + 通 通 通 Y004(YA8) 转动 YO10(YA3) 伸出 Y003(YA6) 下降 通 通 通 通 通通 通 通通 Y002(YA2) 夹紧 + S9 机械手每次完成一个动作，所以适合使用步进顺控指令的编程方式，根据以上工步顺序，和继电器通断循序，设计机械手系统顺控指令编程结构梯形图。

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8.2 PLC型号选择

输入点需要21个，输出点需要10个，选用三菱型号为FX1N-40MR-001XPLC的控制器，输入点为24个，输出继电器为16个，可以满足应用要求。

各控制按钮，内部继电器地址，及其功能如表8-2：

现场器件 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 输 入 SB9 SB10 SB11 SB12 SA1 SA2 S1 S2 S3 S4 S5 S6 KP 输

KM1 KM2 KM3 线 圈 限 位 开 关 按 钮 内部继电器地址 X001 X002 X003 X004 X005 X006 X007 X010 X012 X013 X014 X015 X016 X017 X020 X021 X022 X023 X025 X026 X027 Y001 Y002 Y003 说明 液压泵电机启动 液压泵电机停止 PC启动 PC停止 上升 下降 伸出 缩回 正转 反转 夹紧 松开 手动 自动 缩回 伸出 下降 上升 反转 正转 夹紧/放松 底座正转 底座反转 油泵运转 18

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出 YA1 YA2 YA3 YA4 YA5 YA6 YA7 电 磁 阀 Y004 Y005 Y006/ YA3 Y007 / YA4 Y010 /YA5 Y011/ YA6 Y012/ 夹持器松开 夹持器夹紧 伸出 缩回 上升 下降 卸荷 表8-2 8.3控制梯形图 8.3.1启动程序梯形图

启动程序泵启动PC启动点动程序自动程序

图8-1

LD X001 OR Y003 ANDI X002

OUT Y003 LD X003 ANDI X004

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AND Y003 OUT M501 LD X016 OR M001 AND X017

8.3.2点动程序梯形图及代码OUT M001 LD X017 OR M002 ANDI X016 OUT M002

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点动程序伸出伸出伸出限位夹紧夹紧夹紧限位上升上升上限位正转正转正转限位松开松开缩回缩回缩回限位反转反转反转限位下降 图8-2

LD X007 ANDI X021 OUT Y006

下降下限位

LD X014 ANDI Y027 OUT Y005

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LD X005 ANDI X023 OUT Y010 LD X012 ANDI X026 OUT Y001 LD X010 ANDI X020 OUT Y007 LD X013 ANDI X025 OUT Y002 LD X015 AND X027 OUT Y004

8.3.3自动程序梯形图及代码LD ANDI OUT 22

X006 X022 Y011

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自动程序伸出下降夹紧上升回缩下降正转动

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1 LD M071 上升伸出下降 松开上升缩回反转2 SET S600

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3 STL S600 4 OUT Y006 5 OR X021 6 SET S601 7 STL S601 8 OUT Y011 24 OR X023 25 SET S604 26 STL S604 27 OUT Y007 28 OR X020 29 SET S605 9 OR 10 SET 11 STL 12 OUT 13 OR 14 SET 15 STL 23 OUT 16 STL 17 OUT 18 OR 19 SET 20 STL 21 OUT 22 OR 38 SET 39 STL 40 OUT 41 OR 42 SET 43 STL 44 OUT 45 OR 46 SET 47 STL X022 S602 S602 Y005 XO27 S603 S603 Y010 S607 Y010 X023 S610 S610 Y006 X021 S611 S611 Y011 X022 S612 S612 Y004 X027 S613 S613 30 STL 31 OUT 32 OR 33 SET 34 STL 35 OUT 36 OR 37 SET 48 OUT 49 OR 50 SET 51 STL 52 OUT 53 OR 54 SET 55 STL 56 OUT 57 OR 58 SET

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S605 Y011 X022 S606 S606 Y001 X026 S607Y010 X023 S614 S614 Y007 X020 S615 S615 Y002 X025 S600

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8.4 PLC接线图

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泵启动泵停止PC启动PC停止上升下降伸出缩回正转反转夹紧松开手动自动缩回限位伸出限位下降限位上升限位反转限位正转限位夹紧压力信号I/O接线图FX1N-40MR-001X PLC

第9章 总结

毕业设计是大学最后一次理论与实践相结合的学习，经过三个多月的辛苦工作，当初

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的设想终于变成实物放在自己的面前，这是一个由设想到实际的诞生过程。

本次设计是工业机械手。工业机械手作为自动化生产线的执行机构，对自动化水平的提高有很大影响，它的好坏直接影响自动化发展程度定高低。

设计的第一阶段主要是熟悉课题的内容，调研，查资料，确定工业机械手的设计方案；第二阶段，我们对对零部件结构方案进行了分析。主要确定了液压缸的选定等；第三阶初步确定了，液压缸，夹持器的主要参数；第四阶段进入了夹持器的设计与计算阶段。主要对夹持器的楔块、手爪、弹簧强度计算与校核和确定夹持器的结构元件；第五阶段进行了用CAD和手工绘图。通过这几个阶段的实际操作，对设计过程和设计思路有了更本质的认识，为自己以后走向工作岗位进行独立的动手操作打下了坚实的基础。

在设计过程中，得到周殿春老师的悉心指导，使得本次设计在结构和细节上尽量符合现代的设计理念和设计习惯，在整体上更科学，更实用。在这里向辛勤培育我们的老师们和给我们极大帮助的同学表示衷心的感谢和崇高的敬意！

致 谢

本学位论文是在周殿春老师的悉心指导下完成的。周殿春老师严谨的治学态度、高深的学术造诣、高度负责的育人品格使作者在完成本学位论文中受益匪浅。老师深厚的理论基础和丰富的实践经验，认真负责的工作态度，值此毕业论文完成之际，谨向周老师致以衷心的感谢。

在日常生活和学习中，机电学院的各位老师，以及全体同学给予我的大力支持和帮助，在此我向他们以及多年来为我的成长付出辛勤劳动的老师和同学们表示衷心的感谢。

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感谢所有给予支持、关心、帮助和鼓励的各位老师以及同学和朋友们，感谢所有参考文献的作者，感谢河北工程大学给我的良好学习环境。

参考文献

1、《电气控制与PLC原理及应用》 周亚军主编. 西安电子科技大学出版社.2008年 2、《液压传动与控制》 张平格主编．冶金工业出版社，2004．8 3、《机械设计手册》 徐灏主编．第2版．机械工业出版社，2000．6 4、《材料力学Ⅰ》 刘鸿文 主编．第4版．高等教育出版社，2004．1

5、《机械设计基础》 杨可桢、程光蕴主编．第4版．高等教育出版社，1999．6 6、《机电一体化设计基础》 郑堤、唐可洪主编 机械工业出版社，1997． 7、《液压传动》 丁树模 主编 机械工业出版社，2003

8、《机械设计》 第八版 濮良贵 纪名刚 主编 北京高等教育出版社 2006. 5 9、《互换性与测量技术》 何志刚 主编 中国农业出版社 10、《机械设计手册（软件版）》 机械工业出版社

11、《先进制造技术》扬州大学 王隆太 主编，机械工业出版社 2003. 9

12、《机械设计》 第八版 濮良贵 纪名刚 主编 西北工业大学机械原理及机械零件教研室 2006. 5

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8n6o.html