毕业设计指导书(升降臂)(万俊贺)

德州科技职业学院（青岛校区）机电学院毕业设计指导书课题名称工业机械手升降臂及其控制系统设计教学系、部、室机电教研室专业机电一体化专业指导教师万俊贺一、设计题目：工业机械手升降臂及其控制系统设计二、设计参数：（1）、升降臂起升高度：0—500mm，任意可调；（2）、单向升降运动时间：0—5s；（3）、升降过程速度变化均匀，无刚性的冲击；（4）、升降臂定位可靠、精确。

（5）、升降臂和旋转底座、伸缩臂为法兰连接；（6）、结构设计时考虑伸缩臂原位时的整机平衡；三、设计要求一）、设计任务书的补充说明毕业设计是学生在校学习期间最后一个十分重要的实践性教学环节，通过毕业设计，综合运用学到的基础知识、基础理论、专业知识和基本技能，针对毕业设计课题，进行了综合训练。

，通过毕业设计培养学生初步具有以下几个方面的能力：1、综合运用知识的能力。

工业机械手升降臂及其控制系统设计，是工业机器人设计的一个部分，涉及机、电、液等多方面的设计计算和绘图工作。

2、资料检索和学习能力。

毕业设计涉及面广，工作量大，故在设计过程中需要翻阅大量有关设计手册、标准和有关参考书籍。

3、系统的设计思想和设计能力。

4、独立分析和解决问题的能力。

设计过程是一个极其复杂和综合的过程，其中不乏在大学学习阶段未及学习的内容，因此需要学生自主学习有关知识，独立分析处理有关问题。

5、开发创新能力，更好地适应将来工作的需要。

工业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，获得了日益广泛的使用，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。

本次设计的工业机械手，是从输送带上抓取待加工的坯料送到加工机床的加工工位。

有圆柱坐标式和极坐标式两种，具有手臂回转、升降、伸缩和手部夹持运动等四个自由度。

因此相应地由夹持器夹紧和松开机构、手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构和各种定位装置等组成。

工业机械手床身有两种结构方案，圆柱坐标式床身由回转底座和机械手大臂两大部分组成，和伸缩臂配合，用以调整末端执行器的位置。

床身部分具有水平面内回转、垂直升降两个自由度，包括驱动装置、传动机构、定位导向机构、支撑联接件和检测元件等。

机械手大臂部分包括滑台导轨副及其传动机构，底座部分包括机座及旋转驱动机构。

极坐标式床身包括回转底座和机械手臂两大部分组成，和夹持器旋转腕部及夹持器连接。

床身包含驱动装置、水平位姿保持机构、支撑联接件和检测元件等组成。

二）、可行方案的筛选方法提要（一）、技术要求：1、升降臂起升高度0-500mm任意可调。

极坐标式床身最大位移：Y方向500mm；X方向300mm升降臂安装于回转底座，随回转底座做旋转运动；升降臂承负伸缩臂和夹持器及工件，调整承负结构的高低位置，完成工件的工位转换。

2、单方向升降运动时间：0-5S3、定位准确、可靠，要有合理的定位措施。

4、升降臂运动平稳，起动和终止无刚性冲击。

（二）、设计方案的选择根据升降臂动作要求，结合已学知识，列出可实现动作要求的各种方案，进行对比分析，主要考虑：技术可行，结构布局合理，工艺合理，经济性好。

作为初次设计，给出液压和电动两个设计方案，供设计时参考。

图1 C1．圆柱坐标（直线移动）升降臂升降臂和底座、伸缩臂采用法兰连接，运动方式采用直线移动方式，升降滑台和升降臂立柱可采用燕尾导轨、圆柱导轨、特型导轨等联结方式。

考虑手臂最低工位的高度，可采用变行程措施以降低直线油缸的整体长度。

图（1）为变行程机构的一种形式。

C2、极坐标（旋转升降式）升降臂升降臂完成起升所承载的伸缩臂和夹持器等，运动方式采用转动起升方式，升降臂和底座、伸缩臂采用铰接方式。

升降臂起升过程中应保持伸缩臂及夹持器等的水平位姿。

升降臂可考虑采用平行四边形机构，升降臂和底座、伸缩臂交接轴间的连锁运动机构等保持伸缩臂的水平位姿。

C3．液压驱动方案设计1、工作原理采用单出杆双作用液压油缸或液压马达驱动，升降速度采用调速阀油节流调速，接近运动终点时，发出信号，进行调速缓冲，依靠行程极限和限位挡块联合定位，利用定型导轨或升降臂和底座、伸缩臂间铰接处的相对转动实现升降运动，防止承载的伸缩臂和夹持器发生失控旋转。

2、液压系统的设计计算液压控制系统设计要满足升降臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足升降臂动力要求和运动时间要求，具体设计计算参见《工业机器人液压传动控制系统设计》毕业设计指导书。

C4．机械驱动方案设计1、工作原理采用电动机作为动力源，滚珠丝杠、普通丝杠谐波减速器等传动机构。

升降臂升降转换可直接利用电动机正反转换向，也可以在变速装置中采用电磁离合器配合控制系统实现自动换向。

运动系统制动选择带有制动装置的制动电机，也可以选择利用电磁制动器和控制系统配合制动。

同时设计时考虑伸缩臂、夹持器等承载重量的惯性力作用对定位的影响以及机构能够实现快速制动。

2、传动系统结构设计根据升降臂的不同结构形式、驱动方案、传动方式设计传动系统结构。

要求传动系统体积小，运动灵活，调整方便；设计时应有利于构件间动力传递，机械效率较高。

3、传动系统设计和计算○1、丝杠的选择和设计计算 根据滑台受力分析，计算驱动功率。

根据大臂升降高度、速度、驱动功率计算丝杠导程、公称直径、长度等参数。

确定丝杠转速，选择标准丝杠。

图2 直线移动式升降臂图3旋转升降式升降臂选择丝杠时应考虑滑台在导轨上的可靠定位。

普通丝杠可以利用自锁性能，而滚珠丝杠无法实现自锁，因此需另外考虑制动系统。

丝杠设计计算承载能力 m a x3F f f L F W H Q = 压杆稳定性 m a x 22)(F Kl EI f F SK K ≥=π 刚度验算 公式中各参数参见参考资料（1）。

○2、电机的选择计算 根据驱动功率，丝杠转速、最大转矩选择电机。

○3、丝杠间隙调整方式选择 丝杠间隙调整方式有：双螺母螺纹预紧调整式、双螺母齿差预紧调整式、双螺母垫片调整式、弹簧自动调整及单螺母变位导程自顶紧式等。

○4、选择丝杠支承方式 确定丝杠的支撑方式，合理选择轴承。

支撑轴承寿命计算参见参考资料（4）或参考资料（5）。

电机、丝杠变速齿轮设计计算及校核计算参见参考资料（4）或（5）。

升降臂结构方案设计及强度和刚度计算1、结构方案说明：①、升降臂以圆形法兰连接于回转底座，其形式和尺寸要和回转底座相协调。

②、升降工作台用于安装伸缩臂等零部件，其形式和尺寸要和伸缩臂底座相协调。

③、利用所掌握的传动机构，实现升降工作台做升降动作，同时应保证伸缩臂水平位姿。

④、圆柱坐标（直线移动）升降臂导向采用定型导轨，导轨副采用铸件，自行设计，并且要考虑导轨副的润滑和间隙调整。

润滑方式参考有关手册设计。

2、导向机构设计2.1、圆柱坐标（直线升降式）升降臂升降臂导向机构包括滑台和导轨。

导轨和回转底座用法兰联接，滑台在导轨上垂直升降，已调整末端执行器的垂直高度。

（1）、导轨材料选择大臂导轨滑台副自身重量、体积均较大，并承担伸缩臂、末端夹持器和工件的重量以及运动中产生的动载荷。

因此在材料选择时既要考虑能够承受因复杂的受力引起的强度问题，又要考虑减震和加工性能方面的因素，同时导轨副应具有良好的耐磨性能，因此导轨副多采用铸铁或球墨铸铁材料，铸造成型配合机械加工。

（2）、导轨形式选择导轨副按结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。

只有闭式导轨能够承受倾覆力矩，可以依靠本身的结构形状保证滑台和导轨面之间的接触，因此设计时需选用闭式导轨。

IE Ml ES Fl L π2200±±=∇][B F s σ=常用的闭式导轨有圆柱导轨、闭式燕尾导轨、闭式矩形导轨以及闭式燕尾导轨和矩形导轨的组合等种类，各有不同的特点，根据设计需要选择。

（3）、导轨间隙调整滑台导轨副结合面配合的松紧对机械的工作性能有很大影响，除在装配时应调整导轨间隙外，经过使用后因磨损仍需调整导轨间隙。

导轨间隙一般利用镶条和压板来调整。

根据选用导轨的形式选择间隙调整方式。

（4）、导轨精度要求导轨精度应包括几何精度和接触精度。

导轨几何精度规定在导轨平面（B 项）和垂直于导轨平面（A 项）两平面内的直线度要求，两导轨面的平行度要求（C 项）。

接触精度应规定25×25mm 2面积内的接触点数。

（5）、导轨的设计计算按强度条件估算大臂导轨截面积S 。

F ：为包括滑台、伸缩臂、末端执行器等在内的质量、运动时产生的动载荷等。

按结构因素设计大臂的截面形状。

（6）、验算导轨滑台副的强度导轨受力分析导轨副的载荷可以归结为一个集中力F 和一个倾覆力矩M 。

计算导轨比压最大许用比压为 2.5——3.0Mpa2.2、极坐标（旋转升降式）升降臂升降臂完成起升所承载的伸缩臂和夹持器等，运动方式采用转动起升方式，升降臂和底座、伸缩臂采用铰接方式。

升降臂起升过程中应保持伸缩臂及夹持器等的水平位姿。

升降臂可考虑采用平行四边形机构，升降臂和底座、伸缩臂交接轴间的连锁运动机构等保持伸缩臂的水平位姿。

计算主要构件的机械强度，各构件间的传动角，选择驱动电机、减速器类型和传动比等。

参考结构如下图4、图5。

其他机械手结构可参考图6-8)61(max FLM aL F p p p M F +=+=图4连杆机构机械手传动方案可参考图9-三）、已学过的相关理论知识提要以及和设计题目有关的新知识工业机器人是典型的机电一体化设备，设计中涉及机、电、液设计，涉及面广，涉及到的专业基础知识和专业知识有：力学、 机械设计、机械制图、机电传动、液压传动和控制、机床电控和PLC 、机电一体化系统设计等相关知识，设计过程中要对涉及到的已学过的相关内容进行复习，教材是第一参考书。

四）、指导方式和图5双轴联动方案 图6、SCARA机器人 图7、直角坐标机械手图8、伸缩臂可仰俯机械手图9、机械手传动布置1 图10、机械手传动布置2大致的进度安排1、指导方式和要求学生毕业设计在固定教室进行，教师经常到教室查看设计进度，解答学生设计中遇到的问题，并对学生出勤情况进行登记。

学生有事外出，必须请假，毕业设计过程不符合要求的学生不准参加毕业答辩。

毕业设计是学生在校期间最后一个重要的实践性教学环节，毕业设计题目是涉及机电液系统设计，是难得的一个综合训练的机会。

2、设计步骤1）、明确设计任务，收集分析资料认真阅读设计任务书，明确设计任务，查找收集有关资料，进行认真分析研究，了解类似机器人的结构和工作原理。