多自由度机械手课程设计

机电一体化系统设计课程设计设计题目：内装：1. 设计说明书2. 装配图3. 控制电路原理图4. …….专业：姓名：学号：指导教师：完成日期：成绩：福建农林大学机电工程学院机电一体化系统设计课程设计说明书设计题目：学院：专业年级：学号：学生姓名：指导教师：年月日一、机械手的概述 (1)1.1 机械手的组成和分类 (1)1.2 应用机械手的意义 (1)二、总体方案设计 (3)2.1 设计任务 (3)2.2 总体方案确定 (3)2.2.1机械手基本形式的选择 (3)2.2.2机械手的主要部件及运动 (3)2.2.3驱动机构的选择 (4)三、机械系统设计 (5)3.1机械手手部的设计计算 (5)3.1.1手部设计基本要求 (5)3.1.3机械手手抓的设计计算 (5)3.1.4.机械手手抓夹持精度的分析计算 (8)3.1.5弹簧的设计计算 (9)3.2腕部的设计计算 (11)3.2.1 腕部设计的基本要求 (11)3.2.3 腕部结构和驱动机构的选择 (12)3.2.4 腕部的设计计算 (12)3.3臂部的设计及有关计算 (15)3.3.1 臂部设计的基本要求 (15)3.3.2 手臂的典型机构以及结构的选择 (16)3.3.3 液压缸工作压力和结构的确定 (18)3.4机身的设计计算 (19)3.4.1 机身的整体设计 (19)3.4.2 机身回转机构的设计计算 (20)3.4.3 机身升降机构的计算 (22)3.4.4 轴承的选择分析 (25)四、控制系统硬件电路设计 (26)4.1可编程序控器的简介 (26)4.2 PLC的结构，种类和分类 (26)4.3 FX2n系列三菱PLC特点 (30)4.4 接近开关传感器 (28)4.5 I/O接口简介 (29)4.6 行程开关的介绍 (30)4.6.1 行程开关的概念 (30)4.6.2 行程开关的作用及原理 (30)4.7电路的总体设计 (30)4.7.1回路的设计 (30)4.7.2 系统输入/输出分布表 (31)4.7.3机械手的程序设计 (33)4.7.4 步进电机的运行控制 (33)五、参考文献 (34)一、机械手的概述机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等领域。

随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。

1.1机械手的组成和分类1.1.1机械手的组成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

1.1.2机械手的分类机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。

它是一种独立的不附属于某一主机的装置。

它可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定的操作。

它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。

第二类是需要人工才做的，称为操作机。

它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。

工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。

第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。

这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。

本课题所做的机械手是属于第三类机械手。

1.2应用机械手的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用在各行各业中。

在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。

其他领域，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。

因此，在自动化机床的综合加自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。

二、总体方案设计2.1 设计任务基本要求:设计一个多自由度机械手（至少要有三个自由度）将最大重量为24Kg的工件，由车间的一条流水线搬到别一条线上；二条流水线的距离为：1000mm；工作节拍为：40s；工件：最大直径为160mm 的棒料；2.2 总体方案确定2.2.1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)极坐标型机械手；(4)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，如下图所示。

2.2.2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5个主要运动。

本设计机械手主要由4个大部件和5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）腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动1.2m 。

（4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。

2.2.3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。

三、机械系统设计3.1机械手手部的设计计算3.1.1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）∆γ，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。

3.1.3机械手手抓的设计计算1.选择手抓的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角γ∆=060，夹取重量为30Kg 。

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。

若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。

显然是不合适的，因此不选择这种类型。

通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。

夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。

2 .手抓的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3.1（a ）为常见的滑槽杠杆式手部结构。

(a) (b)图3.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析1——手指 2——销轴 3——杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F ，并通过销轴中心O 点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F 1和F 2，其力的方向垂直于滑槽的中心线1oo 和2oo 并指向o 点，交1F 和2F 的延长线于A 及B 。

由x F ∑=0 得 12F F =y F ∑=0 得 12cos F F α= '11F F =-由01M ∑()F =0 得'1N F F =h cos a h α= F=2cos N b F aα （3.1） 式中 a ——手指的回转支点到对称中心的距离（mm ）. α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。

由分析可知，当驱动力F 一定时，α角增大，则握力N F 也随之增大，但α角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好α=030~040。

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： 123N F K K K G ≥ （3.2） 式中1K ——安全系数，通常1.2~2.0； 2k ——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。

可近似按下式估21b K a =+其中a ，重力方向的最大上升加速度；max v a t =响max 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 3K ——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 液压缸的工作压力计算：设a=100mm,b=50mm,010<α<040;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。