對于澆注機械手的結構設計
對于澆注機械手的結構設計,對于澆注機械手的結構設計,對于,澆注,機械手,結構設計
沈陽化工大學科亞學院
本科畢業(yè)論文
題 目： 對于澆注機械手的結構設計
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 機制1201
學生姓名： 李亞南
指導教師： 王楠
論文提交日期：2016 年 6 月 1 日
論文答辯日期：2016 年 6 月 6 日
畢業(yè)設計（論文）任務書
機械設計制造及其自動化專業(yè)
1201班
學生：李亞南
畢業(yè)設計（論文）題目：
澆筑機械手結構設計
畢業(yè)設計（論文）內容：
1.設計說明書一份
2.CAD圖紙一套（包括總裝圖、零件圖 ）
畢業(yè)設計（論文）專題部分：
澆筑機械手結構
起止時間： 2016年3月1日至 2016年6 月6 日
指導教師： 年 月 日
沈陽化工大學科亞學院全日制普通本科生
畢業(yè)設計誠信聲明
鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文是自己在導師的指導下，進行研究所取得的結果，結果不存在知識產權爭議。除文中曾經聲明援用的內容外，本論文不含任何其余個人或團體已經頒發(fā)或撰寫過的文章結果。對本文的咨詢做出重要貢獻的小我和團體在文中均作了精確的解釋并表達了感謝。同時，本論文的著作權由本人與指導教師共同擁有。自己一切明白本說明的法令后果由本人擔當。
畢業(yè)設計作者簽名：
年 月 日
摘要
機械工業(yè)是為國民經濟提供裝備和人民生活耐用消費品的產業(yè)。隨著世界經濟的發(fā)展，機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平已成為衡量一個國家發(fā)展水平的重要標志。因此，世界各個國家都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經濟的戰(zhàn)略重點。
隨著工業(yè)革命的不斷變革，在各個工業(yè)領域中機械手的地位變得越來越重。本篇文章主要記述了機械手的設計計算過程 。
首先，本文介紹了機械手的發(fā)展和機械手的用途，組成，分類等，說明自由度和機械手整體座標的樣式。同時，文章給出了這臺機械手主要的性能規(guī)格參量。
文章中介紹了機械手的設計原理與設計方法。全面詳盡的討論了機械手各主要組成部分的結構設計。
關鍵詞: 機械手; 液壓傳動; 液壓缸；
Abstract
Machinery industry is to provide equipment for the national economy and people's life and durable consumer goods industry. With the development of world economy, scale and technical level of machinery industry has become a measure of an important symbol of a nation's development. Therefore, the world all countries to develop machinery industry as a strategic priority to develop national economy.
With the constant change of the industrial revolution, in various industrial fields in the position of the manipulator is becoming more and more heavy. This article mainly describes the design and calculation process of the manipulator.
First, this paper introduces the development and use of the manipulator of the manipulator, composition, classification and so on, the degrees of freedom and the style of the manipulator overall coordinates. At the same time, the article gives the main performance specifications of the manipulator parameters.
The article introduces the design of the manipulator principle and design method. Comprehensive and detailed discussed the structure design of the main component of manipulator.
Keywords: Manipulator; Hydraulic power transmission; Hydrauliccylin- de.
目錄
第一章引言 1
第二章手部結構設計 4
2.1 手爪的結構選定 4
2.2 液壓缸的選定 5
2.2.1 單活塞液壓缸缸筒內徑的計算 5
2.2.2 缸筒壁厚的計算 5
2.2.3 缸筒壁厚的驗算 6
2.2.4 液壓缸活塞桿的確定及校核 8
2.2.5 活塞的最大行程 9
2.2.6 缸蓋螺釘的計算 9
2.2.7 液壓缸其它元件的確定 10
第三章上升缸設計 12
3.1 上升缸活塞桿受力分析 12
3.1.1 缸筒壁厚驗算 13
3.1.2 缸筒端部法蘭厚度計算 14
3.1.3 液壓缸其它元件的確定 14
3.1.4 液壓缸行程確定 15
第四章底座的設計 16
4.1 底座材料及尺寸的選定 16
4.2 地板螺栓的確定 16
4.2.1 受翻轉力矩的螺栓組連接 16
4.2.2 缸蓋螺釘的計算 17
第五章計算和選擇液壓元件 19
5.1 閥的種類和功用 19
5.1.1 壓力控制閥 19
5.1.2 流量（速度）控制閥（流量閥） 19
5.1.3 方向控制閥 19
5.2 擬定液壓系統(tǒng) 20
5.2.1 換向回路 20
5.2.2 調速方案 20
5.2.3 系統(tǒng)的安全性 20
5.2.4 合成并完善液壓系統(tǒng) 20
5.3 油泵的選擇 20
5.3.1 確定油泵的工作壓力 20
5.3.2 計算液壓泵的流量 21
5.3.3 確定油泵所需要的電動機功率 21
5.4 液壓系統(tǒng)中的輔助裝置1 22
5.4.1 油箱容積的確定 22
5.4.2 油箱的結構 23
5.5 液壓系統(tǒng)中的輔助裝置2 23
結論 25
參考文獻 26
致謝 27
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言
第一章引言
工業(yè)機器人是一種智能機器人的簡化版本,僅僅通過模仿人類行為來幫助完成大量人類日常生產和生活,操作簡單,重復率高的工作。
在早期的工業(yè)機器人是一種教學和再現機器人。它由驅動器,教箱,框架控制器和機械臂爪等組成。運營商通過教學板輸入機械手的工作內容。機器人收到啟動命令后,將從內存讀取相關的程序指令,完成相對的工作內容。
中期的工業(yè)機器人已經配備外部傳感器設備(如觸覺傳感器、力傳感器、視覺傳感器和語音識別設備等等),可以得到關于工作條件和操作對象的基本信息。機器人根據信息反饋控制機械臂的運動。
現如今，工業(yè)機器人已經發(fā)展成為一個擁有高度適應性和各種認知功能的智能機器人。這種機器人控制系統(tǒng)可以自行判斷決定反饋信息,使機器人在未知環(huán)境中提前獨立操作,從事各種復雜的操作。工業(yè)機器人和其他專業(yè)自動化生產設備的主要區(qū)別是,它的工作內容可以通過改變計算機程序完成。當生產任務改變,工業(yè)機器人編程和輔助器具配置,付出相對較低的成本就可以快速適應新工作。
機器人機械手主要由本體和控制系統(tǒng)兩部分組成。本體部分包括機械臂,驅動器和爪子。爪用于抓取工件(或工具)的部件,根據抓住對象的形狀,尺寸,重量,材料和需求和結構有很多類型,比如夾類型,類型和吸附型,等等運動旋轉手完成各種各樣的機械手臂(擺動),移動或復合運動來實現,改變抓取工件的位置和姿態(tài)。機械臂的升降、縮放、旋轉、等獨立運動方式,稱為機械手的自由度。為了抓住任何在空間對象的位置和方向,需要一定程度的自由。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多,機械手的靈活性越大,通用性更廣泛,它的結構比較復雜。
機械手通常用作機床或其他機器的附件,如自動機床和自動生產線裝卸或轉讓工件等,一般沒有獨立的控制裝置。一些操作需要由人直接操縱裝置,例如原子能部門。
圖1.1 澆筑機械手結構
在機械工業(yè)部門使用液壓傳動的起點是不一樣的:1.在操作控制方面,如機床的工作過程中使用液壓傳動可使其實現無級速度,容易實現頻繁變換,容易實現自化；2.它在傳動功率方面,如工程機械、壓力機械和航空工業(yè)的主要原因是采用液壓傳動使它與之前相比結構相對簡單,減少體積,重量,輸出功率大等等,不同的主機也可以選擇不同的準確性控制式液壓傳動裝置?，F在液壓領域實際上已經成為一個完整的智能單元。
一句話,液壓技術和微電子技術在一起,在微型計算機或微處理器控制,進一步擴大其應用領域,形成了使用機器人和智能組件形式類型只是它是最常見的例子?，F在一直在各種產業(yè)海外通用智能硬件的組合,他們只是用適當的軟件可以在不同行業(yè)完成不同的任務。
通過上述相關的介紹可以知道,液壓行業(yè)變得越來越重要在國民經濟的地位中，其發(fā)展一直用作如何看待一個國家的工業(yè)水平的重要標志，液壓行業(yè)在中國和其他主要工業(yè)國家扔相當落后,在標準化工作上仍需繼續(xù)保持。
27
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 手部結構設計
第二章手部結構設計
2.1 手爪的結構選定
擬定最大抓取重量為300N，根據工作位置和工作環(huán)境的需要，決定采用連桿杠桿式手部（圖2.1）。擬訂手抓基架的材料為HT200。
如圖(手指的回轉支點到對稱中心的距離mm)，，(當驅動力一定時,角增大, 則握力也隨之增大,但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好)，：
a
圖2.1 手爪結構圖
手指夾緊力的計算：
(安全系數，)；
(工作情況系數，)；
(方位系數，手爪水平放置夾水平放置工件)；
(被抓取工件的重量)；
夾緊時活塞桿的驅動力計算：
取=500,則
(2-1)
故初步估算手爪結構的重量為。
2.2 液壓缸的選定
2.2.1 單活塞液壓缸缸筒內徑的計算
液壓缸的負載推力，液壓缸的理論輸出力P可按下式計算：
（2-2）
：活塞的實際作用力（）；
：負載力，一般取0.5～0.7；
：液壓缸的總效率，一般取0.9～0.95；
由機械設計手冊查的液壓缸的工作壓力，初定。
由公式：
由機械設計手冊查得選用標準液壓缸內徑。
2.2.2 缸筒壁厚的計算
初定：
則按下式計算：
（2-3）
-缸筒材料的許用應力；
而 （2-4）
因為缸筒的材料要求要有足夠的強度和可靠的沖擊韌性，所以選用45號缸，由機械設計手冊；而知液壓缸為沖擊載荷，故查得安全系數，；
則得。
由機械設計手冊查得已選??；，則選定：
故得
初選，則。
故 。
由機械設計手冊查得：
則知初選壁厚成立。
綜上所述選取標準液壓，則液壓缸壁厚為
。
2.2.3 缸筒壁厚的驗算
額定工作壓力應低于一定極限值，以保證安全：
(2-5)
：缸筒材料的屈服強度；
：缸筒外徑；
D：缸筒內經；
故可得：
則可得： 。
為了使缸筒在工作時不使其發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定工作壓力值應該和塑性變形壓力有一定的比例范圍：
(2-6)
(2-7)
：缸筒發(fā)生塑性變形的壓力；
而，則?。凰裕?
本液壓缸最大工作壓力為1.6Mpa，故設計選擇的壁厚符合要求。
缸筒的底部厚度計算（因為缸筒底部為平面，所以它的厚度可以按照四周嵌住圓盤的強度公式進行近似計算得）：
(取)
故。
缸筒端部法蘭厚度的計算：
(2-8)
選用M6的沉頭螺釘；
初選， ；
則
為了防止油液的泄漏，兩端內需裝入O型密封圈，所以端蓋向內凹處厚度選為7mm；即整個端蓋厚度14mm。
2.2.4 液壓缸活塞桿的確定及校核
對于雙作用單活塞桿的液壓缸，其活塞桿直徑d，可依據往復運動速度比的要求初步按下式計算活塞桿直徑d：
(2-9)
：缸筒內徑；
：速度比；
由機械設計手冊查得：；
由機械設計手冊查得： ；
大體估計整個液壓缸加上油液的重量約為25N。
活塞桿強度的計算：
(2-10)
（活塞桿在穩(wěn)定工況下，只受軸向推力或拉力）；
而
（活塞桿選用45號鋼）；
故可知，所以滿足工作時的強度要求。
2.2.5 活塞的最大行程
活塞桿一般為細長桿，當時，由歐拉公式推導得：
（2-11）
：活塞桿彎曲失衡臨界壓縮力；
：活塞桿縱向壓縮力；
：安全系數，通常；
：材料的彈性模數，材鋼 ；
：活塞桿橫截面慣性矩；
取N；則：
由機械設計手冊得取取活塞桿標準行程。
2.2.6 缸蓋螺釘的計算
缸蓋用受軸向載荷的螺釘組聯接，工作載荷（N）：
(Z取6) （2-12）
則 。
；；
：剩余預緊力；
螺釘強度條件：
即；
：料的許用應力；
因Mpa；為安全系數，則取3；
則選用標準六角螺栓6M。
2.2.7 液壓缸其它元件的確定
缸蓋的材料：因為缸蓋的另一用途是活塞桿的導向套，所以缸蓋選用鑄鐵，擬定HT200。
活塞的材料：無導向環(huán)的活塞可用耐磨鑄鐵，灰鑄鐵（HT300,HT350），球墨鑄鐵；故初步擬定為HT300
密封圈的選擇：選用O形橡膠密封圈，選取橫截面為圓形，標準直徑，型號為。
油口接頭的確定：因為油口孔大多數是屬于薄壁孔（其指的是孔的長度與直徑之比的通孔）。通過薄壁孔的流量按下面公式計算：
(2-13)
式中：為流量系數，接頭處大孔與小孔之比大于7時，，小于7 時，；
：油孔的截面積；
：液壓油的密度；
：油孔前腔壓力 ；
：油孔后腔壓力；
：油孔前后腔壓力差；
推導可得式子：
(2-14)
：液體的流量；
：按推薦值選定，一般；
取標準值。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 上升缸設計
第三章上升缸設計
圖3.1 上升缸結構圖
3.1 上升缸活塞桿受力分析
圖3.2 上升缸活塞桿受力圖
一個人的
因：
；
；
；
；
得出：。
選標準值,選活塞桿直徑=。
因：
（）
選取標準值：
選取標準值：
所選液壓缸的壁厚為：
3.1.1 缸筒壁厚驗算
額定壓力：
(3-2)
則知符合。
為了缸筒在工作時不發(fā)生塑性變形,液壓缸的額定壓力值應該和塑性
變形壓力有一定的比例范圍：
：缸筒發(fā)生完全塑性變形的壓力
則：
選取，
本液壓缸最大工作壓力為2.5Mpa.故設計選擇的壁厚可滿足要求。
缸筒底部厚度計算：
取。
3.1.2 缸筒端部法蘭厚度計算
(3-3)
選用M6 沉頭螺釘初定。
選定螺栓為M6,所以初選,。
為了防止油液的泄露兩端蓋內需要裝入O 型密封圈，所以蓋內凹處厚度選用為8mm，即整個端厚度為16mm。
3.1.3 液壓缸其它元件的確定
缸蓋的材料：缸蓋本身因為又是活塞桿的導向套，所以缸蓋選用的材料為鑄鐵擬定HT200。
活塞的材料：無導向環(huán)的活塞可用耐磨鑄鐵，灰鑄鐵（HT300，HT350），球墨鑄鐵，初步擬定為HT300。
密封圈的選擇：密封件大多采用O型密封圈，參考機械手冊可知，O型密封圈的標準值，即截面直徑，故端蓋厚度符合要求。
管接頭的確定，由公式得：
(3-4)
：液體流量，L/min；
v按推薦制選定，一般。
求得，取標準值。
3.1.4 液壓缸行程確定
由公式：
（3-5）
，
選用,可選行程為250mm，所以整個液壓缸的長度為。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 底座的設計
第四章底座的設計
4.1 底座材料及尺寸的選定
初步擬定底座上底版和臂座以及連接板均采用200HT，底板邊長為640mm，高為438mm的方鑄鐵，臂座采用邊長為600mm，高為70mm的方鑄鐵，連接板邊長為400mm，高為25mm的圓鑄鐵，立柱為80mm直徑，高為460mm的圓鑄鐵，回轉缸固定在連接板和底板中間，采用螺栓連接。估算底座重量約為650N。
4.2 底板螺栓的確定
受扭轉力矩以及翻轉力矩的螺栓組連接，初步擬定底板用8個螺栓，螺栓中心距翻轉軸距離270mm。
公式：
（4-1）
其中：
：防滑系數，；
T ：扭轉力（N/m）；
f ：摩檫系數，；
r1,r2,r3……：螺栓中心至底板旋轉中心的距離；
4.2.1 受翻轉力矩的螺栓組連接
公式：
（4-2）
其中：
：螺栓所受的最大工作載荷（N）；
：對稱軸線左側各螺栓軸線到對稱軸線的距離（mm）；
：中最大值（mm）；
M：各運動工件的偏重力矩；
求得：
4.2.2 缸蓋螺釘的計算
公式：
（4-3）
其中：
Q：工作載荷(N),；
P：缸蓋所受的負載液壓力(N)；
Z：螺釘數目；
D：螺釘中心所在圓的直徑(mm)；
P：油缸內油液的工作壓力(Mpa)；
：剩余鎖緊力對于要求緊密的連接,,，??；
公式：
(4-4)
：材料的許用應力，，n：安全系數，，；
；
，；
；
取標準開槽沉頭螺釘M16100。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第五章 計算和選擇液壓元件
第五章 計算和選擇液壓元件
5.1 閥的種類和功用
5.1.1 壓力控制閥
其作用主要是控制系統(tǒng)中油液的壓力大小，用來達到機械手運動時所需要的輸出力（或力矩）。這種類型閥主要包括溢流閥、液壓閥、安全閥和壓力繼電器等。
溢流閥其主要功用是維持液壓系統(tǒng)中的壓力趨于穩(wěn)定，也可以作安全閥使用，以防止液壓系統(tǒng)壓力超負荷，還可以作卸荷閥用，以減少液壓系統(tǒng)的功率損耗和發(fā)熱量。
減壓閥其主要功用是使閥的出口壓力低于進口壓力，并使液壓系統(tǒng)某一部分的壓力低于油泵的穩(wěn)定壓力。
5.1.2 流量（速度）控制閥（流量閥）
它的作用主要是控制液壓系統(tǒng)中油液流量的大小，用來實現機械手執(zhí)行機構所要求的運動速度，如節(jié)流閥、調速閥。
節(jié)流閥亦稱簡式節(jié)流閥，其主要功用是以節(jié)流的形式改變所通過的流量大小，使執(zhí)行機構得到不同的運動速度。它也可作背壓閥和截止閥使用。
調速閥亦稱復式節(jié)流閥，它是由減壓閥與節(jié)流閥串聯而成，用以保證節(jié)流閥進出口壓力差趨于穩(wěn)定，從而調節(jié)流量時不受外界負荷的變化影響。
5.1.3 方向控制閥
其主要功能是控制液壓系統(tǒng)中的油液流動方向，用來達到機械手的執(zhí)行機構所要求的運動方向，如電磁換向閥等。
電磁換向閥是利用其電磁鐵線圈通電后通過電磁鐵帶動閥芯完成換向工作的。按電源的不同。
它又分為交流和直流兩類；而按閥芯位置數和油路數又可分為二位二通、二位三通、二位四通、二位五通、三位四通和三位五通等。
閥類的選擇原則，是根據通過閥門的流量，工作壓力及要求的通路等因素結合產品的規(guī)格型號進行選取。
5.2 擬定液壓系統(tǒng)
5.2.1 換向回路
所有換向閥選用O型三位四通換向閥。選人控閥便于人工控制，選中位為O型定位準確。
5.2.2 調速方案
該系統(tǒng)功率較小，所以選簡單的進油路節(jié)流閥調速，同理可見選用單泵供油，力求獲得較好的經濟性。
5.2.3系統(tǒng)的安全性
為防止俯仰缸因為自重導致自由下滑，在仰起一定角度后自由下滑，所以都采用液控單向閥來控制其平衡。為樂保證夾緊缸工作的可靠性所以選用液控單向閥保壓和鎖緊。
5.2.4合成并完善液壓系統(tǒng)
壓力繼電器在夾緊工件后發(fā)出訊號，讓微機控制其它缸開始運動。二位二通電磁換向閥用于系統(tǒng)卸荷。
5.3 油泵的選擇
5.3.1確定油泵的工作壓力
公式：
（5-1）
P：油缸的最大工作油壓（Mpa）；
：管道和各閥的全部壓力損失之和，。
因，估算。
取。
5.3.2 計算液壓泵的流量
油泵的流量應該根據各系統(tǒng)回路，按設計其要求在工作時實際所需的最大流量，并考慮系統(tǒng)的總泄露量來確定，即：
：是在系統(tǒng)中同時工作的所有并聯油缸，按最大的速度運動時需要的總量()。
K:考慮系統(tǒng)油液泄露的系數，一般取K=1.101.25。
所選油泵的額定流量，應該大于上述計算的數值，但也不宜過大，避免浪費動力和引起油溫的突然升高。
根據手冊選標準的定量單片葉泵YB，,，。
5.3.3 確定油泵所需要的電動機功率
公式：
（5-2）
N ：油泵所需要的電動機功率；
：所需油泵的工作壓力（Mpa）
：油泵的額定流量（）；
： 油泵的總效率，一般葉片泵??；
選電動機Y801-4,,。
5.4 液壓系統(tǒng)中的輔助裝置1
油箱的主要功用是存儲液壓油使供給液壓系統(tǒng)的工作液壓油不會出現缺失，同時達到散發(fā)熱量(在工作環(huán)境溫度較低時可以保持液壓油中的熱量)、沉淀液壓油中雜質和溢出混在液壓油中的氣體等作用，因此其容積不宜太小。最小容積應能貯存整個液壓系統(tǒng)都充滿油液還稍有富余。目前液壓驅動機械手的油壓一般多為中壓（）范圍內，油管容積一般是油泵每分鐘流量的倍以上。
5.4.1 油箱容積的確定
從油箱的散熱和沉淀雜質等方面考慮，油箱的體積越大就越好，但也因油箱的體積過大導致占空間，難移動，操作不方便等。油箱的有效容積是指油位高度大約是槽體積高度的80%。因此，油箱的有效容積應根據加熱的原理的液壓系統(tǒng)設計計算和熱平衡。一般條件下，油箱的有效容積可以根據油泵的額定流量計算
公式：
；
v：油箱的有效容積,()；
：與系統(tǒng)壓力有關的經驗數字；低壓系統(tǒng)中，中壓系統(tǒng)中， 高壓系統(tǒng)中，取。
：液壓泵的額定流量，（）；
擬定長、寬、高分別為640mm,500mm,438mm,底座高為38mm。
5.4.2 油箱的結構
圖4.2 油箱的結構簡圖
5.5 液壓系統(tǒng)中的輔助裝置2
油管：有紫銅管、塑料管、尼龍管和軟管等，應根據油管的壓力，流量、裝置條件和工作部位等不同進行選取。
紫銅管彎曲較方便，容易裝配，承受壓力65100公斤/厘米以下，對機械手來 說一般還是夠用的，故采用較多。
橡皮管多用于高壓和有相對運動的部件上較為方便。尼龍和塑料管已逐漸廣泛采用。尼龍管可用于低壓或中壓系統(tǒng)中，而塑料管則可用于回油管系統(tǒng)中。
管接頭：在管路中應采用管接頭進行連成管路時，必須注意緊湊、美觀、整齊等。在手部和腕部所用的油缸，如果在外部有很多較長的軟管輸油，就有可能會影響機械手的運動，甚至損壞油管。因此，常將從液壓操作板來的油管在遠離手部處集中輸入，然后根據結構的特點在油缸壁或活塞桿、導向桿等內部鉆孔輸油，采用回轉接頭或伸縮油管將油液輸往手部或腕部動作的油缸內。
濾油器：它的主要作用是濾油，以保證油液的清潔，防止油泵和液壓系統(tǒng)中其它元件的擦傷，咬死或堵塞節(jié)流閥和管路小孔而影響機械手工作。
網式過濾器結構簡單，清洗方便，通用性好。但濾油強度強度較大，抗腐蝕性能較好，制造較簡單，過濾精度較高，可是一旦本身的顆粒有脫落，則會影響過濾精度。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 結論
結論
機械手主要優(yōu)點是：
1.工作環(huán)境工作時間長，可重復的流程，維護生產線的正常工作。
2. 運動精度，靈活，尤其是在計算機的控制下，可達到很高的精度。
3.對環(huán)境的要求簡單，可用于粉塵，易燃，易爆糟糕的工作環(huán)境。
4.工作效率高，提高勞動生產率的同時也降低了生產成本。
5.良好的通用性，除了特定的目的，簡單的改變手部，就能完成噴涂，焊接的要求。
本文所設計的機械手綜合運用了機械設計，材料力學，金屬工藝學，熱處理，技術測量配合與公差，機械制圖，機械原理，理論力學等知識，主要是運用在那些簡單，頻繁的操作中來代替人的勞動進行工作。
就本次設計而言，我在所掌握的資料的基礎上，增加了對液壓缸設計過程以及機械手手部和手腕結構的分析和液壓控制系統(tǒng)的原理，這使我加深了對液壓系統(tǒng)和有關機械手知識的認識和理解，鞏固了以前書本上的理論知識。最重要的是，在這次設計中，我學會了液壓設計的步驟以及分析和解決問題的方法。開闊了視野，增加了自己的知識面，同時也鍛煉了自己獨立思考和實際動手的能力。
但是，在這次設計中也存在著一些不可避免的欠缺和不足。主要是因為缺少設計經驗，對許多的細節(jié)問題考慮不周，希望老師給予批評和指導，我會在以后的學習和設計工作中不斷的完善和糾正自己，努力的提高自己的專業(yè)素質。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻
參考文獻
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沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 致謝
致謝
首先，我要誠摯的感謝沈陽化工學院以及機械工程學院的各位老師在這四年中給予我的悉心培育，使我由一個毫無專業(yè)概念的高中生，變成了一名對專業(yè)知識有了相當把握并具有較高設計實力的合格大學畢業(yè)生。特別要感謝的是王楠老師在這一個學期內對我畢業(yè)設計的盡心指導，使我對所設計的課題有了深刻的了解，并順利的完成了此次設計。
在這次設計中，我將大學四年所學的基礎知識和專業(yè)知識進行了系統(tǒng)的復習和鞏固，對以前所學的知識有了一個全新的理解，弄清楚了許多以前不甚了解的地方，使我的知識面得到了擴展，也使我的專業(yè)水平得到了提高。在王老師的耐心指導下，我在資料室和圖書館中查閱了大量的資料，并將他們綜合運用于我的設計之中，理論聯系實際，終于在設計課題上畫上了圓滿的句點。
就本次設計而言，我在所掌握的資料的基礎上，增加了對液壓缸設計過程以及機械手手部和手腕結構的分析和液壓控制系統(tǒng)的原理，這使我加深了對液壓系統(tǒng)和有關機械手知識的認識和理解，鞏固了以前書本上的理論知識。最重要的是，在這次設計中，我學會了液壓設計的步驟以及分析和解決問題的方法。開闊了視野，增加了自己的知識面，同時也鍛煉了自己獨立思考和實際動手的能力。
本次設計是在王楠老師的仔細修訂和悉心斧正下完成的。無論是在最初課題的選擇，還是在中間課題設計過程中，直至到最后的設計總結。王老師都給予了我莫大的幫助，他給予了許多設計的指導，并提出了許多建設性的意見，使我能夠直接捕捉到本次設計的精髓所在，少走了許多彎路。因此，此次設計的成功與王老師的精心培養(yǎng)是分不開的。她注意培養(yǎng)同學們在設計中的創(chuàng)造能力以及獨立思考能力，鼓勵同學們應用現有的比較先進的設備，并傳授她的學習的心得以幫助我們設計的順利進行。此外，王老師在生活上也給予了無限的關心和照顧，王老師的工作作風與為人處事的態(tài)度都使我敬佩不已，在此，僅以此文表示對王老師的教誨和幫助表示我最衷心的感謝。
另外，在此次設計的過程中，我還要特別感謝我的搭檔付曉慶對我的幫助，以及教研室其他老師對我的幫助，使我在設計過程中能夠一直保持干勁，克服學習上的困難，不斷前行。在此，本人予以最誠摯的感謝。 此外，我還要向其他
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 致謝
所有幫助過我，鼓勵過我的師長、同窗致以我最深深的謝意。
最后，謹祝科亞的明天更加美好 ！
MCB －工業(yè)的機械手論文
巴雷特機械手爪－可編程式可彎曲部分的搬運和組裝
摘要
本文詳細介紹了巴雷特機械手爪BH8 – 250型的設計和運行，一個智能的，靈活的八軸夾具, 一個可以隨時進行自我完善,改變或者中斷各種危險行為的工具。機械手爪帶來巨大的價值-工廠自動化,因為它:降低所需機器人工作單元的數量和尺寸 (平均每項90,000美元不包括高成本的占地面積),從而提高了工廠的生產能力,通過一個可編程平臺控制整合了各種各樣的機械手抓;漸漸的改進和推出新產品介紹，通過工廠里的軟件進行國際聯網。
介紹
本文介紹了一種新的方法來進行材料處理，零件分類和構件組裝，我們稱它為“抓”，即一個單一的嵌入式智能可重構機械手爪，取代了獨特的，固定形狀的夾子和整個換刀庫。指導的目的是為了感謝巴雷特機械手爪的設計，今天我們必須探討什么是錯誤的機器人技術，機器人在未來的巨大潛力，以及以前遺留下來的行不通的手爪的解決方案。
為了實現機器人的優(yōu)秀解決方案，可編程的靈活性，需要沿著整個機器人的設計史，從它的誕生，到現在。機器人手臂能夠從基礎的編程升級到靈活性的鈑金，讓機器人的外殼越來越薄。但即使要讓這些機器人的外殼變薄，也必須嵌入智能軟件Excel，以確保每個機器人能正常運轉和適應新的復雜的功能。就像在串行鏈中最薄弱環(huán)節(jié)，不靈活的爪子限制了整個工作單元機器人的生產力。
機械爪子已經進行了獨特的設計，但是固定顎板的形狀還沒有確定。在設計的過程中，一般難以預計硬盤成本和進度的范圍。一般來說，機器人的每個形狀、方向和接近角的預期的變化，需要其他自定義，但是爪子固定的位置，存放爪子的地方和更換爪子的器械，是不容許擅自改變和增加的。
相比之下，巴雷特的專利機械手爪如圖1所示，機械結構，自動重新配置和高度可編程性，不到一秒鐘匹配，地工作單元不停頓的數據交換量，交換手爪的幾乎任意形狀的變換功能。
對于需要處理的可變等多種有效載荷的方向，提出了高度靈活性的任務，一個能讓機械手爪更安全，更快捷的安裝，以及比定做加工夾具更低的成本和大容量的存儲機架。
不間斷運行時，工作單元只有一個或兩個備用機械手爪可以作為應急備份，而一個或兩個備用的手抓，是要求每個手爪都能變化 - 可能每個工作單元需要幾十人。而且，悲劇的是如果兩個手爪都系統(tǒng)備份，如果失敗，因為它會存儲前幾天的可以識別的數據，很多自定義形狀，裝運和自身裝配，所以會影響后面的操作。與此相反，由于機械手爪是數據相同，他們總是可以通過特定的軟件及時提供無限量的數據。
傳統(tǒng)夾具
今天的機器人，裝配零件的處理大部分是通過夾具。如果表面的條件允許，真空吸力和電磁鐵也可以應用，例如：處理汽車擋風玻璃和車身。作為部分尺寸開始超過100gms，顎板的自定義形狀，以確保安全運行。由于處理和裝配耐用的主體，這些工具沒有什么變化，因為機器人是從三十年以前才開始的。
夾具，可以看做簡單的類似鉗子的動作，有兩個或三個非鉸鏈手指，被稱為“鉗口”，保持平行或者進行打開或者觀關上的運動，如2所示。良好的組織目錄可從制造商那里得到客戶所匹配（除了自定義形成的素具）的各種組成手爪所需要的部分任務和部分參數。
大型液壓夾鉗的有效載荷的尺寸范圍從微克至100+公斤。驅動是典型的氣動或液動,用簡單的開/關閥控制切換全開或全閉狀態(tài)。鉗口通常移動1cm就可以全開至全關。這兩只手，兩個或三個手指，被稱為“鉗口”。對鉗口部分的制造目標是可移動的機械軟鋼或鋁，被稱為“軟鉗口”。
在特殊的情況下，工具專家設計師決定要對矩形軟鉗口件進行自定義加工。一旦加工形狀完成，軟鉗口夾持器就要連接到各自的機構進行測試。這一過程可以采取任何數量的迭代和調整，直到系統(tǒng)正常工作。模具設計者需要時間來重復整個過程中每一個新的形態(tài)。
隨著消費者需求產品選擇的多元化，更加頻繁的產品介紹，對可調節(jié)自動化的需求前所未有地強烈。然而，并沒有使機械手爪更全面，在過去幾年中機器人產業(yè)一直遵循的工具自動來交換數控磨刀具技術的例子。
但是，應用換模型串行工具連接機器人證明是昂貴的和無效的。不同于使用標準規(guī)范外的銑床工具進行成品切割，機器人工具設計者必須定制每一套機械爪的形狀 ， 一個耗時多、昂貴且難以確定范圍的任務。雖然機械手爪只便宜了500美元，但是每個工人努力制造機械手爪會耗資數倍。通過上面的例子，如果你要增加12個爪子的換刀架和刀具庫，那么花費就不止10,000美元，而是劇增到20,000美元至60,000元。
更嚴重的是，在定制過程中準確的預測成本將是未知數。因此，客戶必須提交一份包括初裝費、所需時間和材料的成本在內的采購訂單，這是是交易的基礎。雖然在美國售價30,000美元，智能機械手爪并不便宜。然而，人們可以“定制”在某一天運行一個小時軟件來驗證的系統(tǒng)的性能。如果系統(tǒng)的性能不能達到目標要求，那么那一天的勞動是白費的。如果系統(tǒng)成功，那么按照原訂單將沒有任何隱藏的費用。
除了成本、轉換機制的物理重量，在末端串行連接的機械臂外，限制了有效載荷和整個系統(tǒng)的動態(tài)響應。該轉換長度增加了額外的有效載荷中心，運動的靈活性，動態(tài)響應和關鍵的安全距離。
巴雷特機械手爪的說明
靈活性和耐久性的簡潔介紹
巴雷特機械手爪在靈活性的基礎上，按圖3中確定的八種聯合軸連接。只有四個直流伺服電動機，如圖4所示，需要控制所有八個關節(jié)，由智能機械耦合增強。由此產生的機械手爪是自身總共只有一點一八公斤重，只有8mm直徑的連接電纜提供直流電源，建立雙向串行通訊連接到機器人的主要工作單元控制器中。該機械手爪的通訊電子，五微處理器，傳感器，信號處理電路，電子換相，電流放大器，和伺服電機都整齊的安裝在機械手的體內。
巴雷特機械手爪的手掌有三個手指關節(jié)，如圖5所示，通過聯系手掌及每個手指，協調他們的動作，能讓他們在目標范圍內，牢牢的抓住物體。
每個巴雷特機械手爪的三根手指都是由三個獨立伺服電機控制，如圖6所示。除了F1手指和F2手指的伸展動作, 都是由伺服電動機驅動，F1、F2、F3 三個手指的內外部的機械結構都是用一樣的鉸鏈連接的。
三個手爪的每個馬達都必須驅動兩個關節(jié)軸。通過專用通道來控制扭矩，扭矩控制器如圖7所示，這些關節(jié)的作用是能讓爪子在抓東西時更安全。如圖8所示，當手爪第一次接觸物體時，需要傳遞簡單的扭矩，確定他們的接合處，關閉電機電流，并等待手抓內部的微處理器發(fā)出進一步的指示命令。
但是，當扭矩控制器如圖9所示時，為使安全和控制，扭矩控制機制第一次接觸物體時，用事先設置好的扭矩的上限值，再次確定物體螺紋的聯系，并當手爪第二次接觸時，在一毫秒之內更改第一次接觸時的所有扭矩信息。接觸順序快速確定，沒有高速攝像機的幫助下你將無法想象其中的過程。當機械手爪放開被抓對象時，它會讓扭矩控制器對每個手爪的扭矩的上限值進行設定，而可控扭矩可以讓機械的停止的爪子再一次打開。當扭矩達到最高，那就是它的上限。這樣的話，機械手爪就有一個可抓起物體重量的準確范圍。
與傳統(tǒng)的機械手爪不同，這種手抓里的連接，容許每個手指的兩個一致的獨立接觸點來穩(wěn)固的抓住物體的表面。不管位置，速度，加速度，還是扭矩，都可以通過所有17,500種型號的編碼器進行控制處理。當速度和加速度設置為最大時，每個手指可以在不到一秒鐘的時間內向任何一個的方向上進行運動。通過測量，每個手指都能夠迅速的產生2公斤的力。一旦確定穩(wěn)定的抓住物體時，則鏈接將自動鎖定，并關掉電機，這樣可以節(jié)省電源，直到需要重新調整或者放開物體時，電機會自動打開。
雖然手抓的張開與收縮是擬人化，但如圖10所示，清楚的顯示了機器的非擬人化。機器伸展的動作非常近似于靈長類動物的手指（拇指）的動作，但是又不能替代，巴雷特機械手爪還有一種類似的手爪，整個手爪可以旋轉180度，手指中心對稱且平行于連接軸，是一種可以抓住各種夾具形狀的多功能手爪。
在1/2秒內可控制的機器在 [3000]位置中任意伸展。不同的是機械鎖定了手爪伸縮的運動，使伸縮運動變回了可驅動狀態(tài)，允許其控制手爪的位置，速度，加速度和扭矩。通過允許手爪的伸縮運動，使手指緊密的感應物體，機械手爪的主要目的是找到一個接觸面積最大的同時耗能又是最小的地方。
電子和機械的優(yōu)化
可編程機器人智能靈巧的控制是成功的關鍵，不論是控制機械手臂，自動引導工具，還是機械手爪。雖然智能機器人驅動電機控的制通常是與處理器相關聯，很多生物系統(tǒng)，包括人類的手，一定程度上是通過大腦控制來處理一些反饋上來的獨立信號。實際上，巴雷特機械手爪通過結合現實世界中生物的靈活動作，制作了一個機械程度相當高的智能可編程微處理器，來處理反饋的信號。
通過嚴格的數學定義，要求關節(jié)軸通過智能電機的控制，使每一個獨立關節(jié)都能非常靈活。如果想讓機器人變得靈活，至少需要N個獨立的伺服電機，有時會多達N+1個或者2N個，每個關節(jié)軸都需要驅動器控制。能讓機器人靈活的最重要的組成是伺服電機，可惜的是，這個家伙非常大，非常復雜，同時也是非常昂貴的。所以，理想中的想法可能是美好的，但放到現實中確實一個不切實際的設計。
根據定義，靈活的既不是你的手，也不是巴雷特機械手爪。當然，其本身的良好定義是多功能的。其次，如果嚴格的定義巴雷特機械手爪的靈活性，它需要八至16個馬達，使過于笨重的，復雜的，和不牢固的機械手變得靈活起來，但實際應用起來卻并非如此。但是，通過利用四個智能的聯合耦合機制，僅需要4個伺服電機基本上就可以讓巴雷特機械手爪變得靈活起來。
在某些情況下反射控制甚至比刻意控制要好?；趯ψ陨碛袃蓚€例子可以說明這一點。假設你的手不小心摸了非常燙的表面，它本能的會立刻回縮，通過條件反射來彌補主觀控制。如果沒有這種反射行為，你的手將邊燃燒邊等待疼痛的感覺通過神經纖維緩慢的從你的手傳送到到你的大腦，然后你的大腦通過相同的神經纖維緩慢的指揮你的手臂，手腕，手指的肌肉收縮。
至于第二個例子，試著動食指的某一個關節(jié)而不出動其他關節(jié)。如果你還是正常人的話，你將不能完成，因為你的手的關節(jié)是聯系在一起的。你的肌肉和肌腱為了精簡而失去了某些靈活的功能。
巴雷特機械手爪承諾，微處理器和機械智能集成的功能設計將滿足智能靈活的要求。
電子控制
在巴雷特機械手爪中，包含了中央監(jiān)控微處理器，協調四個專門的運動控制微處理器通過RS232線進行對I / O的控制。在圖4所示部分控制電路是在70針底板上建立并運行的。每個控制微處理器都是傳感器電子進行相關的運動，電機換向電子和電機功率，手指或擴散的動作電流放大器的電子產品。
微處理器通過I/O命令監(jiān)視高速通過的信息，通過行業(yè)標準的RS232串行通信連接到PC的工作單元 或 控制器進行通訊。機器人的兼容性允許使用任何RS232控制器，只有8毫米直徑的電纜同時對所有電力和通信進行限制。通過使用公開出版的機械手爪通訊語言（GLS）優(yōu)化了通信速度、帶寬和所需要的時間，并處理了機械手爪遇到特殊情況所出現的延遲問題。重要的是要認識到，機械手爪一般在工作周期中是最活躍的，而其執(zhí)行手臂運動，手臂在一個估計的軌跡兩端活動時所用時間是最短的。
當然機械臂在整個周期需要高控制帶寬，機械手抓就有足夠的時間接受安裝信息，因為它所接近的目標比較大。然后，用精確定時的控制器發(fā)布一個“觸發(fā)器”命令，如ASCII字符“C”，在幾個毫秒內開始執(zhí)行。
機械手爪的控制語言(GCL)
該機械手爪可以傳達和接受任何機器人的工作控制器命令，個人電腦，蘋果機，UNIX box，甚至是通過標準的ASCII RS232 - C的掌上電腦進行串行通信 他們都有共同的通信協議。雖然強大，相比USB或火線的標準， RS232有一個慢速帶寬的說法，但其的簡單導致了數據有一個短時間的小延遲。通過簡化GCL，我們已經實現了只需要以毫秒為單位就可以執(zhí)行和反饋一個命令（從控制器傳輸到機械手爪，然后再傳回控制器）。通過最初的努力，建立了一個高度優(yōu)化的機械手爪語言，這樣的標準基礎協議意味著GCL的行業(yè)標準兼容協議的未來是美好的。
該機械手抓有兩種控制模式：監(jiān)管模式和即時模式。監(jiān)督是通過正常的模式來控制機械手爪。它是通過一個簡單的指揮體系，為了實現最佳的性能。
監(jiān)管模式具有以下幾種語法結構：
對象（前綴） - 動作（命令） - 主體（參數） - 限定（數值）.
前綴是指通過1-4臺電機的ASCII數值1，2，3，4來分別對應F1,F2,F3,F4四個手指。任何前綴號碼，可用于任何命令。如果前綴被省略，那么機械手爪的命令適用于所有可用的軸。
舉一個例子，在ASCII字符“c”表示命令，驅動相關的發(fā)動機，以默認（或用戶定義）的速度和加速度開始運行，直到運行夠默認（或用戶定義）的時間后停止，并鎖定這個時候機械手抓的位置
?1C代表關閉F1號手指。
?2C代表關閉F2號手指
?12C代表關閉F12號手指。
?C相當于1234C并關閉所有手指。
我們也有專門的命令“S”（取自于單詞“spread”）作為 “4”的快捷方式，“G” （取自于“grasp”）作為“123”的快捷方式，所以：
?GC是相當于123C
?SC是相當于4C。
有類似的命令啟動手指，移動任何組合的四個軸的位置，打開默認或用戶定義的數據，讀取和設置用戶自定義的參數，并讀取（可選）相應的三個手指。BH8-250型號的最新版本有21和28兩種命令設置參數，可以靈活的進行各種設置。
在即時模式下，如過先進的即時遙操作控制，并且經常通過巴雷特的用戶友好的GUI訪問運行Windows95/98/NT電腦。在即時模式下，用戶指定一個已有的數據包括模式和結構。巴雷特的個人電腦軟件為用戶提供了20個連續(xù)的模式，使用戶可以通過定量細化數據包里的信息內容。
GUI可以快速的形成一個機械手抓的圖案，其中包括了速度和位置的控制。GUI也有新型“生成C + +代碼”按鈕，使一個沒有任何C或C + +編程知識人都可以成功的保存和讀取。但是，如果熟悉C + +編程，也可以根據需要自行編輯代碼。
一旦即時模式啟動，數據將全部處于ASCII字符的控制，直到發(fā)出停止即時模式或監(jiān)管模式才能返回。則該系統(tǒng)已被證明有效，并將客戶的各種應用進行了強化。
結論
雖然巴雷特機械手爪BH8 - 250只在1999年推出商用，已在30個企業(yè)投入使用，在全球各地每個的價格統(tǒng)一30,000美元。購買機械手爪最集中的產業(yè)是日本汽車行業(yè)的制造商和供應商，包括本田，雅馬哈摩托車， NGK（催化改裝陶瓷基板）。在這個時候，這些廠家才剛剛開始探索這種多功能設備的功能，而諸如Fanuc Robotics公司，美國和日本空間計劃的客戶，已成為回頭客。
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