畢業(yè)設計具有五個自由度的機械手設計

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1、桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 畢 業(yè) 論 文 題 目： 具有五個自由度的機械手設計 院 （系）： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學生姓名： 盧 住 學 號： 0500110410 指導教師： 田 玲 職 稱

2、： 教 授 題目類型： 理論研究 實驗研究 工程設計 工程技術研究 軟件開發(fā) 年 月 日 共59頁 摘要 隨著工業(yè)自動化發(fā)展的需要，機械手在工業(yè)應用中越來越重要。文章主要敘述了機械手的設計計算過程 。 首先，本文介紹機械手的作用，機械手的組成和分類，說明了自由度和機械手整體座標的形式。同時，本文給出了這臺機械手的主要性能規(guī)

3、格參量。機械手采用液壓傳動，使傳動系統簡單可靠；選用可編程控制器對機械手的動作進行控制，使控制程序簡單，系統維護方便。設計過程中，對機械手和液壓缸部分做了詳細的設計計算。同時，對機械手的通用性主要是采用可更換式手部結構來實現，通過更換手部，可使機械手抓取外圓零件和內圓零件，從而實現了系統的多功能化。機械手總體結構能夠實現手臂的水平伸縮、垂直升降、旋轉和抓取等功能，這些動作都是可編程控制器控制，用液壓缸驅動機械手來完成的。 文章中介紹了搬運機械手的設計理論與方法。全面詳盡的討論了搬運機械手的手部、腕部、手臂以及機身等主要部件的結構設計。 最后使用軟件對機械手PLC控制仿真。 關鍵詞：機

4、械手；液壓傳動；液壓缸；PLC仿真； Abstract The applying of the manipulators are more and more important in the industry, with the development of industrial automation. The paper mainly narrated the design and calculation of light and transfer manipulator. The first，Th

5、e paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator. Manipulator use hydraulic drive so the transmission system can be simple

6、and reliable. The manipulator and hydraulic cylinder are detailed introduction in this paper. The movements of mechanical hands are controlled by programmable controller which procedures are simple and the system maintenance can be convenient. And the universal ability of manipulator is based on the

7、 interchangeability of the hand’s structure. Manipulator can grasp cylindrical parts and inner parts through the replacement of hand so system is multifunctional. Manipulator overall structure achieves some functions of the level expands and contracts, the vertical fluctuation and captures the semif

8、inished materials. All those movements are controlled by programmable controller and realized by hydraulic cylinders. This article system elaboration industry manipulators design theory and method. The comprehensive exhaustive discussion has transported manipulators hand, the wrist, the arm ，the fu

9、selage and so on ,which the major structural design computation. Finally uses the software to carry out the PLC control simulation for manipulators hand. Keywords: manipulator; hydraulic power transmission；Hydraulic cylinder；Programmable logic Controller simulation; 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 目錄

10、 1 緒論 1 1.1前言 1 1.2 工業(yè)機械手的簡史 1 1.3工業(yè)機械手在生產中的應用 3 1.4 機械手的組成 4 1.5工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢 5 2 機械手的總體設計方案 7 2.1 機械手基本形式的選擇 7 2.2機械手的主要部件及運動 7 2.3驅動機構的選擇 8 2.4 機械手的技術參數列表 8 3 機械手手部的設計計算 9 3.1 手部設計基本要求 9 3.2 典型的手部結構 9 3.3機械手手抓的設計計算 9 3.4 機械手手抓夾持精度的分析計算 13 3.5彈簧的設計計算 14 4 腕部的設計計算 17 4.1 腕部設計的基本

11、要求 17 4.2 腕部的結構以及選擇 17 4.3 腕部的設計計算 18 5 臂部的設計及有關計算 23 5.1 臂部設計的基本要求 23 5.2 手臂的典型機構以及結構的選擇 24 5.3 手臂直線運動的驅動力計算 24 5.4 液壓缸工作壓力和結構的確定 27 6 機身的設計計算 29 6.1 機身的整體設計 29 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 6.2 機身回轉機構的設計計算 30 6.3 機身升降機構的計算 34 6.4 軸承的選擇分析 37 7 液壓驅動系統設計 38 7.1液壓驅動的特點 38 7.2液壓系統設計 39

12、8 PLC控制系統設計 40 8.1 PLC的特點 40 8.2 PLC的選擇及I/O分配 40 8.3 PLC程序設計及仿真 42 結論 50 致謝 51 參考文獻 52 附錄 53 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 53 頁 共 62 頁 1. 緒論 1.1前言 用于再現人手的的功能的技術裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為工業(yè)機械手。 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已成為現代機械制

13、造生產系統中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵

14、循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重

15、復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 1.2 工業(yè)機械手的簡史 現代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產品。 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統是示教型的。 1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為Unimate(

16、即萬能自動)。運動系統仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動；控制系統用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產工業(yè)機械手。 1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算

17、機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。 德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。 瑞士RETAB公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產值達443億日元，產量

18、為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產量達56900臺。在數量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經出現了觸覺和視覺機械手。 第三

19、代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。 1.3工業(yè)機械手在生產中的應用 機械手是工業(yè)自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。 在現代工業(yè)中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行

20、各業(yè)的自動化水平越來越高，現代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。可在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產很大程度上不是連續(xù)的。據資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠實現這類工作的搬運機械手

21、為研究對象。下面具體說明機械手在工業(yè)方面的應用。 1.3.1 建造旋轉零件（轉軸、盤類、環(huán)類）自動線 一般都采用機械手在機床之間傳遞零件。國內這類生產線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機廠的4號和5號電動機加工自動線（軸類），上海拖拉機廠的齒坯自動線（盤類）等。 加工箱體類零件的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力機廠的氣蓋加工自動線轉位機械手。 1.3.2 在實現單機自動化方面 各類半自動車床，有自動加緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，單仍需人工上下料；裝上機械手，可實現全自動化生產，一人看管多臺機床。目前，機械手在這方面

22、應用很多，如上海柴油機廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機械手，大連第二車床廠的自動循環(huán)液壓仿行車床機械手，沈陽第三機床廠的Y38滾齒機械手，青海第二機床廠的滾銑花鍵機床機械手等。由于這方面的使用已有成功的經驗，國內一些機床廠已在這類產品出廠是就附上機械手，或為用戶安裝機械手提供條件。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產線機械手（生產線中有兩臺多工位機床）和天津二注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手的自動裝卸工件，可實現全自動化生產。目前機械手在沖床上應用有兩個方面：一是160t以上的沖床用機械手的較多。如沈陽低壓開關廠200t環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機械手和天京拖拉機廠400

23、t沖床的下料機械手等；其一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進輕局技術研究所制作的120t和40t多工位沖床機械手等。 1.3.3 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面 模鍛方面，國內大批量生產的3t、5t、10t模鍛錘，其所配的轉底爐，用兩只機械手成一定角度布置早爐前，實現進出料自動化。上海柴油機廠、北京內燃機廠、洛陽拖拉機廠等已有較成熟的經驗。 1.4 機械手的組成 工業(yè)機械手由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。 1.4.1 執(zhí)行機構 （1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據需要分為外抓式和內抓式兩種

24、；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機構形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 （2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。 目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構

25、緊湊，靈巧但回轉角度小（一般小于 2700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。 （3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。 手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的

26、靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。 （4） 行走機構 有的工業(yè)機械手帶有行走機構，我國的正處于仿真階段。 1.4.2 驅動機構 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 1.4.3 控制系統分類 在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控

27、制的是坐標位置，并注意其加速度特性。 1.5工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢 (1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。 (2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的

28、傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術在產品化系統中已有成熟應用。 (5)虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統的發(fā)展特點不是追求全自治系統，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統構成完整的監(jiān)控遙控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系

29、統成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用

30、的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6

31、000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列。 2 機械手的總體設計方案 本課題是輕型平動搬運機械手的設計及運動仿真。本設計主要任務是完成機械手的結構方

32、面設計，以及ADAMS軟件進行簡單的運動仿真。在本章中對機械手的座標形式、自由度、驅動機構等進行了確定。因此，在機械手的執(zhí)行機構、驅動機構是本次設計的主要任務，然后通過ADAMS軟件對機械手的手部進行簡單的運動仿真。 2.1 機械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標型機械手;(2)圓柱坐標型機械手; ( 3)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標。圖1.1 是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B

33、。 圖1.1 機械手基本形式示意 2.2機械手的主要部件及運動 在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據設計任務，為了滿足設計要求，本設計關于機械手具有5個自由度既：手抓張合；手部回轉；手臂伸縮；手臂回轉；手臂升降5個主要運動。 本設計機械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成：（1）手部，采用一個直線液壓缸，通過機構運動實現手抓的張合。（2） 腕部，采用一個回轉液壓缸實現手部回轉（3）臂部，采用直線缸來實現手臂平動1.2m。（4）機身，采用一個直線缸和一個回轉缸來實現手臂升降和回轉。 2.3驅動機構的選擇 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在

34、很大程度上取決于驅動方案及其裝置。根據動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅動力大等優(yōu)點。因此，機械手的驅動方案選擇液壓驅動。 2.4 機械手的技術參數列表 一、用途：搬運:用于車間搬運 二、設計技術參數: 1、抓重:60Kg (夾持式手部) 2、自由度數:5個自由度 3、座標型式:圓柱座標 4、最大工作半徑:1600mm 5、手臂最大中心高:1248mm 6、手臂運動參數 伸縮行程：1200mm 伸縮速度：83mm/s 升降行程：300mm 升降速度：67mm/

35、s 回轉范圍: 7、手腕運動參數 回轉范圍: 3 機械手手部的設計計算 3.1 手部設計基本要求 （1） 應具有適當的夾緊力和驅動力。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需的驅動力大小是不同的。 （2） 手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度），以便于抓取工件。 （3） 要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。 （4） 應保證手抓的夾持精度。 3.2 典型的手部結構 （1） 回轉型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 （2

36、） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復運動。 （3）平面平移型。 3.3機械手手抓的設計計算 3.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置 本設計是設計平動搬運機械手的設計，考慮到所要達到的原始參數：手抓張合角=，夾取重量為60Kg。常用的工業(yè)機械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移 型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結構簡單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型

37、手指, 驅動力需加在手指移動方向上,這樣會使結構變得復雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。 通過綜合考慮，本設計選擇二指回轉型手抓，采用滑槽杠桿這種結構方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機械手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機械手手指張開。 3.3.2 手爪的力學分析 下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿 圖3.1（a）為常見的滑槽杠桿式手部結構。 (a) (b) 圖3.1 滑槽杠桿式手部結構、受力分析 1——手指 2——銷軸 3——杠桿 在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉

38、力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點，交和的延長線于A及B。 由=0 得 =0 得 由=0 得h F= （3.1） 式中 a——手指的回轉支點到對稱中心的距離（mm）. ——工件被夾緊時手指的滑槽方向與

39、兩回轉支點的夾角。 由分析可知，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=。 3.3.3 夾緊力及驅動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： （3.2） 式中 ——安全系數，通常1.22.0； ——工作情況系數，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋，重力方向

40、的最大上升加速度； ——運載時工件最大上升速度 ——系統達到最高速度的時間，一般選取0.030.5s ——方位系數，根據手指與工件位置不同進行選擇。 G——被抓取工件所受重力（N）。 表3-1 液壓缸的工作壓力 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 小于5000 50000以上 計算：設a=100mm,b=50mm,<<;機械手達到最高響應時間為0.5s，求夾緊力和驅動力和 驅動液壓缸的尺寸。

41、 (1) 設 ==1.02 根據公式，將已知條件帶入： =1.5 （2）根據驅動力公式得： =1378N （3）取 （4）確定液壓缸的直徑D 選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.81MPa, 根據表4.1（JB826-66），選取液壓缸內徑為：D

42、=63mm 則活塞桿內徑為: d=630.5=31.5mm，選取d=32mm 3.3.4 手抓夾持范圍計算 為了保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34mm。 手抓夾持范圍，手指長100mm,當手抓沒有張開角的時候，如圖3.2（a）所示，根據機構設計，它的最小夾持半徑，當張開時，如圖3.2（b）所示，最 大夾持半徑計算如下： 機械手的夾持半徑從 （a） (b) 圖3.2 手抓張開示意圖 3.4 機械手手抓夾持精度的分析計算 機械手的精度設計要求工件定位準確,抓取精度高,重復定位精度和運動穩(wěn)

43、定性好,并有足夠的抓取能。 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、 小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，一定進行機械手的夾持誤差。 圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖 該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。 機械手的夾持范圍為80mm180mm。 一般夾持誤差不超過1mm,分析如下： 工件的平均半徑： 手指長,取V型夾角 偏轉角按最佳偏轉角確定： 計算 當S時帶入有： 夾持誤差滿足設計要求。 3.5彈簧的設計計算

44、 選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計算如下。 圖3.4 圓柱螺旋彈簧的幾何參數 (1).選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應力 (2).選擇旋繞比C=8，則 （3.3） (3).根據安裝空間選擇彈簧中徑D=42mm，估算彈簧絲直徑 (4).試算彈簧絲直徑 （3.4） (5). 根據變形情況確定彈簧圈的有效圈數：

45、 （3.5） 選擇標準為，彈簧的總圈數圈 (6).最后確定，，， (7).對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現象壓縮彈簧的長細比，本設計彈簧是2端自由，根據下列選?。? 當兩端固定時，,當一端固定；一端自由時，；當兩端自由轉動時，。 結論本設計彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。 (8).疲勞強度和應力強度的驗算。 對于循環(huán)次數多、在變應力下工作的彈簧，還應該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應力強度進行驗算（如果變載荷的作用次數，或者載荷變化幅度不大時，

46、可只進行靜應力強度驗算）。 現在由于本設計是在恒定載荷情況下，所以只進行靜應力強度驗算。計算公式： （3.6） 選取1.31.7（力學性精確能高） （3.7） 結論：經過校核，彈簧適應。 4 腕部的設計計算 4.1 腕部設計的基本要求 （1） 力求結構緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力

47、載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 （2）結構考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 （3） 必須考慮工作條件 對于本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。 4.2 腕部的結構以及選擇 4.2.1典型的腕部結構 (1) 具有一個自由度的回轉驅動的腕部結構。它具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部

48、回轉，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用?；剞D角由動片和靜片之間允許回轉的角度來決定（一般小于）。 (2) 齒條活塞驅動的腕部結構。在要求回轉角大于的情況下，可采用齒條活塞驅動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。 (3) 具有兩個自由度的回轉驅動的腕部結構。它使腕部具有水平和垂直轉動的兩個自由度。 (4) 機-液結合的腕部結構。 4.2.2 腕部結構和驅動機構的選擇 本設計要求手腕回轉，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有一個自由度的回轉驅動腕部結構，采用液壓驅動。 4.3 腕部的設計計算 4.3.1

49、腕部設計考慮的參數 夾取工件重量60Kg，回轉。 4.3.2 腕部的驅動力矩計算 （1） 腕部的驅動力矩需要的力矩。 （2） 腕部回轉支撐處的摩擦力矩。 夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量60Kg，當手部回轉時，計算 力矩： （1） 手抓、手抓驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算G=3.14 （2） 擦力矩。 （3） 啟動過程所轉過的角度=0.314rad，等速轉動角速度。 （4.1） 查取轉動慣量公

50、式有： 代入： 4.3.3 腕部驅動力的計算 表4-1 液壓缸的內徑系列（JB826-66） （mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 設定腕部的部分尺寸：根據表4-1設缸體內空半徑R=110mm，外徑根據表3-2選擇121mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為226mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖4.1所示。

51、則回轉缸工作壓力，選擇8Mpa 圖4.1 腕部液壓缸剖截面結構示意 表4.2 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm） 液壓缸內徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20鋼P 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 4.3.4 液壓缸蓋螺釘的計算 圖

52、4.2 缸蓋螺釘間距示意 表4.3 螺釘間距t與壓力P之間的關系 工作壓力P（Mpa） 螺釘的間距t(mm) 小于150 小于120 小于100 小于80 缸蓋螺釘的計算，如圖4.2所示，t為螺釘的間距，間距跟工作壓強有關，見表4.3，在這種聯結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力 （4.2） 計算： 液壓缸工作壓強為P=8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇8個螺釘，，所以選擇螺釘數目合適Z=8個 危險截面

53、 (4.3) 所以 =11863.3+10545=19772N 螺釘材料選擇Q235，（） 螺釘的直徑 （4.4） 螺釘的直徑選擇d=16mm. 4.3.5動片和輸出軸間的連接螺釘 （1） 動片和輸出軸間的連接螺釘 動片和輸出軸之間的連接結構見上圖。連接螺釘一般為偶數，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘的作用：使動片和輸出軸之間的配合緊密。 于是得

54、 (4.5) D——動片的外徑； f——被連接件配合面間的摩擦系數，剛對銅取f=0.15 螺釘的強度條件為 (4.6) 或 (4.7) 帶入有關數據，得 螺釘材料選擇Q235，則（） 螺釘的直徑 螺釘的直徑選擇d=12mm.選擇M12的開槽盤頭螺釘。

55、 5 臂部的設計及有關計算 手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括3個運動：伸縮、回轉和升降。本章敘述手臂的伸縮運動，手臂的回轉和升降運動設置在機身處，將在下一章敘述。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部應該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構

56、、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。 5.1 臂部設計的基本要求 一、 臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 （1） 根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。 （2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離。 （3） 合理布置作用力的位置和方向。 （4） 注意簡化結構。 （5） 提高配合精度。 二、 臂部運動速度要高，慣性要小 機械手手部的運動速度是機械手的主要參數之一，它反映機械手的生產水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在,最大回轉角速度設計在內，大部分平均移動速度為，平均回轉角速度在。在速度和回轉角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最

57、直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有3個途徑： （1） 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。 （2） 減少臂部運動件的輪廓尺寸。 （3） 減少回轉半徑，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉動作。 （4） 驅動系統中設有緩沖裝置。 三、手臂動作應該靈活 為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構卡死（自鎖現象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。 5.2 手臂的典型機

58、構以及結構的選擇 5.2.1 手臂的典型運動機構 常見的手臂伸縮機構有以下幾種： （1） 雙導桿手臂伸縮機構。 （2） 手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結構。 （3） 雙活塞桿液壓崗結構。 （4） 活塞桿和齒輪齒條機構。 5.2.2 手臂運動機構的選擇 通過以上，綜合考慮，本設計選擇雙導桿伸縮機構，使用液壓驅動,液壓缸選取雙作用液壓缸。 5.3 手臂直線運動的驅動力計算 先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據運動參數初步確定有關機構的主要尺寸，再

59、進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結構。 做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力根據液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定液壓缸所需要的驅動力。液壓缸活塞的驅動力的計算。 (5.1) 5.3.1 手臂摩擦力的分析與計算 分析： 摩擦力的計算 不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據具體情況進行估算。上圖是機械手的手臂示意圖，本設計是雙導向桿，導向桿對稱配置在伸縮崗兩側。 圖 5.1 機械手臂部受力示意 計算如下： 由于導向桿對稱

60、配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。 得 得 (5.2) 式中 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L——手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m）,參考上一節(jié)的計算; a——導向支撐的長度（m）; ——當量摩擦系數，其值與導向支撐的截面有關。 對于圓柱面： ——摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時：

61、鋼對青銅：取 鋼對鑄鐵：取 計算： 導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵 ，，L=1.69-0.028=1.41m,導向支撐a設計為0.016m 將有關數據代入進行計算 5.3.2 手臂慣性力的計算 本設計要求手臂平動是V=,在計算慣性力的時候,設置啟動時間，啟動速度V=V=, (5.3) 5.3.3 密封裝置的摩擦阻力 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用O型密封，當液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。 經過以上分析計算最后計算出液

62、壓缸的驅動力： 5.4 液壓缸工作壓力和結構的確定 經過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力F=6210N，根據表3.1選擇液壓缸的工作壓力P=2MPa （1） 確定液壓缸的結構尺寸： 液壓缸內徑的計算，如圖5.2所示 圖5.2 雙作用液壓缸示意圖 當油進入無桿腔， 當油進入有桿腔中， 液壓缸的有效面積： 故有 （無桿腔） (5.4) （有桿腔） (5.5) F=6210N，=，選擇機械效率 將有關數據代入：

63、 根據表4-1（JB826-66），選擇標準液壓缸內徑系列，選擇D=65mm. （2） 液壓缸外徑的設計 根據裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm，所以該液壓缸的外徑為79mm. （3） 活塞桿的計算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算： (5.6) 設計中活塞桿取材料為碳剛，故，活塞直徑d=20mm,L=1360mm,現在進行校核。 結論： 活塞桿的強度足夠。

64、 6 機身的設計計算 機身是直接支撐和驅動手臂的部件。一般實現手臂的回轉和升降運動，這些運動的傳動機構都安在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構和受力情況就越復雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。 6.1 機身的整體設計 按照設計要求，機械手要實現手臂1800的回轉運動，實現手臂的回轉運動機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構，就要綜合考慮，分析。 機身承載著手臂，做回轉，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結構有以下幾種： （1） 回轉缸置于升降之下的結構。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。

65、其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。 （2） 回轉缸置于升降之上的結構。這種結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。 （3） 活塞缸和齒條齒輪機構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。 分析： 經過綜合考慮，本設計選用回轉缸置于升降缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉和升降。如上圖所示，回轉機構置于升降缸之上的機身結構。手臂部件與回轉缸的上端蓋連接，回轉缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉運動?；剞D缸的轉軸與升降缸的活塞桿是一體的。活塞桿采

66、用空心，內裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導向。花鍵軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結構是導向桿在內部，結構緊湊。具體結構見下圖。 驅動機構是液壓驅動，回轉缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉葉片的兩側來實現葉片回轉?；剞D角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉動的角度，為滿足設計要求，設計中動片和靜片之間可以回轉1800。 圖6.1 回轉缸置于升降缸之上的機身結構示意圖 6.2 機身回轉機構的設計計算 （1） 回轉缸驅動力矩的計算 手臂回轉缸的回轉驅動力矩，應該與手臂運動時所產生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡。 (6.1) 慣性力矩的計算 (6.2) 式中 ——回轉缸動片角速度變化量（），在起動過程中=； t——起動過程的時間(s); ——手臂回轉部件（