工业机械手设计指导书

工业机械手设计

一、毕业设计题目概述

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(图1)。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。

机械手工作过程如图2所示。

图2 机械手工作流程图

码垛机械手结构如图3所示。工作程序为：液压缸2伸出→四边形机构3下降→夹持器4夹紧工件5→液压缸2缩回→四边形机构3上升→底座1回转→（到达位置后）液压缸2伸出→四边形机构3下降→夹持器4放开工件5→液压缸2缩回→四边形机构3上升→底座1回转至原位。然后进行下一循环。

改变夹持器形状，可夹持不同工件或物体。

二、设计参数

（说明：工业机械手改换末端执行器和工作方式，可完成不同工件或物体的操作，基本结构、设计内容和控制程序大体相同。本设计题目共分四种：工件工序转换机械手；箱体类物体移位机械手；工件翻转机械手；装箱机械手。）

本设计工业机械手由四个部分组成：底座回转部分、机身升降部分、伸缩臂伸缩部分和末端执行器夹持部分。

主机总体参数：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。

三、设计方案及要求

（一）底座回转部分设计方案及要求

1、转动角度90度，单向运动时间2秒；定位准确，要有定位措施。

2、采用回转支承机构，齿圈固定，液压马达行星齿轮传动或电机驱动。

3、与大臂和地基采用法兰联接。

（二）机身升降部分设计方案和要求

1、升降臂起升高度：0—500mm，任意可调；

2、单向升降运动时间：0—3s；

3、可采用电机驱滚珠丝杠传动或液压传动齿轮倍程升降机构，共两种方案。

4、升降臂定位可靠、精确。

5、升降臂与旋转底座、伸缩臂为法兰连接；

6、结构设计时考虑伸缩臂工作时的整机平衡；

（三）伸缩臂设计方案和要求

1、伸缩长度：300mm，伸缩臂固定在升降台上，随升降台做上下运动和旋转运动；伸缩臂

前端安装机械手，用于夹持工件；伸缩臂直线伸缩，完成工件的工位转换。

2、单方向伸缩时间：1~1.5S

3、可采用电机(伺服电机、步进电机)驱滚珠丝杠传动或液压驱动，共两种方案。

4、伸缩运动平稳，起动和终止无刚性冲击，定位准确，要有定位措施。。

（四）夹持器设计方案和要求

1、所要抓紧的工件直径为80mm。

2、抓持速度为20mm／s

3、采用液压驱动连杆式或楔块式夹持器，有多种方案，方案自定。

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

四、设计步骤及工作量

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。

2、总体方案设计

参考有关资料，进行方案设计。确定各部分采用的具体方案，绘出结构草轶闻。

3、技术设计

根据总体方案的结构形式，进行技术设计，进行运动设计和动力设计，选择元件，对主要零件进行强度和刚度计算初步确定主要结构尺寸。

4、图纸设计

根据总体设计方案和技术设计的结果，进行图纸设计，按国家制图标准完成图纸设计。5、编制技术文件

按规定要求，编制设计计算说明书（毕业论文），准备毕业答辩。

设计内容和工作量

1、方案选择，列出多方案分析对比，从中选优，进行系统设计，画出简图。

2、运动分析计算。

3、动力计算。

4、控制系统的设计和控制程序的编制。

5、结构设计、绘图，按学院要求，工程绘图量一般不少于折合成图幅为A0号的图纸3张。机械装配图1张，电器控制图1张，液压控制图1张，零件图数量根据设计结果确定，为培养工程素质，要加大绘图量。

6、编制毕业设计说明书，毕业设计说明书正文字数不少于2万字（大约40页以上），查阅相关参考文献10篇以上，翻译与课题有关的英文资料2万个印刷字符以上，约5000个汉字。

五、控制系统设计

本设计的控制系统包括液压控制和电器控制两部分。

液压控制部分参考液压相关教材进行设计。

电器控制的核心部分是PLC控制。PLC控制系统的设计按以下程序和要求进行：

1、分析控制过程与要求

根据任务书要求，分析整个系统必须完成的动作与顺序，画出工艺流程图（各个动作的顺序及相应所需的执行器、行程开关）并具此而列出机械手动作的顺序表，（各个不许对应的输入条件，输出状态及个对应执行器的对应关系等）

分析整个控制过程，即可确定PLC的输入输出两即相应的元件与设备。

2、选择PLC

（1）I/O点数的估算

根据上述分析的结果，进行统计估算，一般估算后再增加15%的点数。

（2）容量计算

一般指令的条数为I/O点数的10-12倍左右，PLC的容量不得小于此要求。

（3）其它

还应考虑功能，I/O接口模块（工作电压、负荷及匹配等）的要求。

我们此次设计选择的PLC定为F1或FX系列。

3、编制I/O分配表、图

根据所选的PLC（F1或FX系列）的内部元件及输入输出的相关元件、设备，编制出I/O分配表、图

4、软件设计

根据任务书的要求，可以采用移位寄存指令或步进指令进行系统软件的设计，整个控制系统的设计应采用模块化设计。

六、图纸设计

根据结构设计和计算的结果，进行图纸设计。制图工作量不少于学院规定。图面要求整洁，图幅、图样画法、尺寸公差、形位公差和表面粗糙度的标注等符合国家标准规定，装配图技术求中说明伸缩臂的技术参数及装配技术要求，标准件、外购件的规格型号应在明细表中注明。

七、编制设计计算说明书

编制设计计算说明书的基本要求：

1、设计计算说明书按统一格式打印装订。

2、正文的内容及格式：概述——方案设计（包括控制方案）——动力设计计算——主要零件的设计计算——结构设计及必要的说明（附图）——设计总结。

3、设计计算公式和参数选择正确，并注明出处，计算过程清晰、正确，单位统一，符合国家标准规定。

八、知识准备

本设计涉及机、电、液各方面内容，可进行机械系统设计能力的训练、设计计算能力的训练、机械结构设计的训练、电器控制系统设计能力的训练、液压系统设计计算和回路设计能力的训练，查阅机械设计手册和相关技术资料的能力训练、阅读翻译科技英语的训练，知识涵盖面广，综合能力训练比较全面。

涉及到已学知识有：机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、工程材料、机制工艺、机电传动与控制、可编程控制器、液压传动与控制等。在设计中应用到相关内容时要进行复习。

如采用步进电机作为驱动电机，可用PLC控制，也可用单片机控制，单片机知识不足的学生，可自行学习，通过自学，培养自己获取知识的能力。

九、本题目的重点和难点以及与同组其它学生所做题目的关系

本题目的综合训练比较强，涉及知识面广，重点是对学生进行综合能力培养，在设计过程中培养工程思想，培养工程意识，理论联系实际，培养和提高初步设计能力。

本题目难度适中，难点不在于设计计算，而在于结合实际，进行结构设计，选择标准零部件，查阅设计手册，培养实际能力。

工业机械手由底座、机身、伸缩臂、末端夹持器和控制部分组成，不同部分，不同方案，组合成不同题目，每个学生所做题目都不完全相同，但各部分之间又有相互联系，设计中要有总体思想，注意和其他学生之间的接口联接。

十、指导方式和进度安排

本次毕业设计采取集中指导和个别指导相结合的辅导方式。根据设计进度，分阶段进行集中