机械手毕业设计说明书

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1、摘要 在当今大规模的制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度,工业机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业认同并采用.工业机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家的工业自动化水平.目前,工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重要性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取试教在线的方式。本文将设计一台四自由度的工业机械手，用于给冲压设配运送物料。首先,本文将设计工业机器人的底座、手、手腕、臂部等结构。然后选择合适的传动方式，驱动方式，搭建工业机器人的结构平台.在此基础上,本文将设计该机械手的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择,反馈

2、方式和反馈元件的选择，端子板电路的设计以及控制软件的设计,重点加强控制软件的可靠性和机械手运行的安全性。最终实现目标包括：关节的伺服控制和制动问题实时的检测机械手的各关节的运动情况，机械手的示教编程和在线修改程序,设置参考点和回参考点。关键词:机械手；示教编程;伺服；制动ABSTRACTIn todays large-scale manufacturing， the enterprise to improve production efficiency and ensure product quality， universal attention production process auto

3、mation degree， manipulator as an important member of automatic production line， gradually by enterprise and the use of identity. Industrial robot technology level and application degree to a certain extent reflect a nation of industrial automation level. Currently, the manipulator main bear the weld

4、ing， painting, handling and storage， and the intensity of labor great importance of the work， work way to try to teach the general way online。This paper will design a four degrees of freedom industrial robot， are used to transport materials with stamping set。 First of all, this article will design t

5、he base of the industrial robot hand， wrist, arm, the structure， etc。 And then choose the appropriate transmission mode, driving way， build the structure of manipulator platform。 On this basis， this paper will design the system control system， including data collection card and the choice of servo a

6、mplifiers, feedback and feedback of components of the way choice， terminal board circuit design and control of the software design， focusing on the reliability of the control software and operation safety of manipulator。 Finally realize the goals include: the joint servo control and braking problems

7、 in real time detection of each joint movement of the manipulator， the manipulator。 Teaching program and online modification program， set the reference points and back to the point of reference。Keywords: Manipulator； Demonstration program； Servo; brake。目录摘要IABSTRACTII1 绪论11。1 工业机械手的分类21。2 工业机械手的组成31

8、.3 工业机械手在生产中的作用61。4 工业机械手设计的目的81。5 工业机械手设计的内容91.6 工业机械手的技术发展方向92 机械手总体设计方案122.1 原始数据（主要参数）122.2 工作要求122.3 系统组成132.4 总体技术方案133 机械手的手部设计计算153.1 手部结构设计153.2 夹钳式手部设计的基本要求163.3 夹钳式手部的计算与分析173。4 楔块等尺寸的确定293。5 材料及连接件选择334 机械手的腕部设计计算344.1 腕部设计的基本要求344。2 腕部结构的选取364.3 腕部结构的计算37总结50参考文献51致谢53附录 外文文献541 绪论机械工业是

9、国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民提供耐用消费品的产业,不论是传统产业,还是新兴产业，都离不开各种各样的机械设备。机械工业所提供装备的性能、质量和成本,对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响.机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要指标。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济战略重点之一.工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，工业机械手的工业机器人的一个重要分支，它的特点是通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性，机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民

10、经济各领域有着广阔的发展前景.机械手是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，在现代化生产过程中，机械手被广泛的运用于自动化生产线中，机器人的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复和劳动，不知疲劳，不惧危险，抓举重物的力量比人手大的特点,因此机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛的得到了应用。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可

11、长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工 业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备. 机械手技术涉及到力学，机械学,电气液压技术，自动控制技术，传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨多种学科的综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器,它有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。1。1 工业机械手的分类目前，我国对工业机械手尚无交统一的分类标准。一般可按机械手的规格、功能或用途等来分类。1。1.1 按规格（所搬运的工件重量）分类1）微型的-搬运重量在1kg以下

12、。2）小型的搬运重量在10kg以下。3）中型的搬运重量在50kg以下。4)大型的-搬运重量在500kg以下。目前大多数工业机械手能搬运的重量为1-30kg.最小的为0。5kg，最大的已达800kg.1。1。2 按功能分类1） 简易型工业机械手 有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓或挡块转鼓控制，可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序。近年来,普遍采用可编程序控制器（PC)组成控制系统。这种机械手多为气动或液动,结构简单，价格便宜，改变程序较容易。只适用于程序较简单的点位控制，但作为一般单服务的搬运作业已足够。所以,目前这种工业机械手数量最多。2） 记忆再现型工业机械手 这种工业机械手有人

13、工通过示教装置领动一遍，有记忆元件(如磁盘、磁带或存储器）把程序记录下来，以后机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这是采用较多的一种,多为电液伺服驱动。与前者相比较，有较多的自由度，能进行程序较复杂的作业，通用性较强.3） 计算机数字控制的工业机械手 可通过更换穿孔带或其它记忆介质来改变工业机械手的动作程序，还可以进行多机控制（DNC）。计算机可以是可编程序控制器或微型计算机.4） 智能工业机械手 有计算机通过各种传感元件等进行控制，具有视觉、热觉、触觉、行走机构等。1。1。3 按用途分类1）专用机械手 附属于主机的，具有固定的程序而无独立的控制系统的机械装置。这种机械手工作对象不变，动

14、作固定，结构简单，实用可靠，适用于成批、大量生产的生产自动线或专机作为自动上、下料用。2）通用机械手 具有独立控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。1。2 工业机械手的组成工业机械手是由执行机构、驱动机构和控制系统所组成的，各部分关系如图(1。1)所示，机械手的组成示意图如图(1。2）所示。图1。1 工业机械手组成框图图1。2 工业机械手组成示意图1-手指 2-手部 3手腕回转液压缸 4导向杆 5手臂伸缩液压缸6手臂回转液压缸 7手臂升降液压缸 8液压系统控制阀9-液压泵电动机 10液压泵 11油箱1.

15、2。1 执行机构执行机构由抓取部分(手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。（1）手部 详见第三章，即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型(多为回转型，因其结构简单）。手爪多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式或内抓式两种;也可用负压或真空式的空气吸盘（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构型式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮杠杆式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。(2）腕部 详见第四章，是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位（即姿态）。（3）臂部 手臂是支撑被抓物体、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物体，

16、并按预定要求将其搬运到给定的位置.手臂有三个自由度，可采用直角坐标系（前后、上下、左右都是直线），圆柱坐标系（前后、上下直线往复运动和左右旋转)，球坐标系（前后伸缩、上下摆动和左右旋转)和多关节（手臂能任意伸缩）四种方式。直角坐标占空间大，工作范围小，惯性小，所以一般不多用，只有在自由度数较少时用之。圆柱坐标占空间较小，工作范围较大，但惯性也大，且不能抓取底面物体。球坐标式和多关节式占用空间小，工作范围较大,惯性小,所需动力小，能抓取底面物体，多关节还可以绕障碍物选择途径，但多关节式结构较复杂，所以也不多用。目前常用的是球坐标式和圆柱坐标式的工业机械手。(4）行走机构 有的工业机械手带有行走机

17、构.1。2。2驱动机构有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快,结构简单,成本低。采用点位控制或机械挡块定位控制时,有较高的重复定位精度,但臂力一般在300N以下。液动式的臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构,可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在1mm范围内.目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型,机械式只用于动作简单的场合.1。2。3控制系统有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1。2.4基体(机身

18、)基体是整个机械手的基础。1。3 工业机械手在生产中的作用机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下一些方面.1.3.1建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线一般都采用机械手在机床之间传送工件。国内已建成的这类自动线很多，如沈阳水泵厂的深井泵轴承体加工自动线(环类），大连电机厂的4号和5号电动机轴加工自动线（轴类），上海拖拉机齿轮厂的齿柸加工自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的,如上海动力机厂的气缸盖加工自动线转位机械手。1.3.2在实现单机自动化方面（1）各类半自动车床,有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料

19、；装上机械手,可实现全自动生产，一人看管多台机床。目前,机械手在这方面应用最多,如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二机床厂的自动循环液压仿形车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手,青海第二机床厂的滚齿花键机床机械手等。由于这方面使用已有成熟的经验，国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时就附上机械手,或为用户自行安装机械手提供条件.(2）注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环,装上机械手自动装卸工件，可实现全自动生产。(3）冲床有自动上下料冲压循环,装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈

20、阳低压开关厂200t冲床磁力起动器壳体下料机械手和天津拖拉机厂400t冲床的下料机械手等;一是用于多工位冲床,用作冲压件工位间步进,如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位冲床)和天津二轻局技术研究所制作的12t和40t多工位冲床机械手等。1.3.3铸、锻、焊、热处理等加工方面在模锻方面,国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉,用两只机械手成一定夹角布置在炉前,实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。总的来说，工业机械手满足了社会生产的需要,其特点是：（1）对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工

21、作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要跟据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常的高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。为了谋求操作安全和彻底防止公害，在工伤事故多的工种，如冲压、压铸、热处理、钢造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊接等作业中，推广工业机械手或机器人。（2)由于机械手的动作准确，因为可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。（3)机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人得功能。人在连续工作几小时后,总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护、检修，即能胜任长时

22、间的单调重复劳动。（4）机械手特别是通用工业机械手的通用性，灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置（或轨迹）能够十分灵活快速地予以改变，而其众多的自由度，又提供了迅速改变作业内容的可能，在中、小批量的自动化生产中，最能发挥其作用。（5）采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本.1。4 工业机械手设计的目的工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程(机电一体化）等专业的一个重要的教学环节,是学完技术基础课程及有关专业课以后的一次专业课程的综合设计。通过设计提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构设计的能力、机电一体化系统设计能力，

23、掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过这一教学环节要求可以达到：(1)通过设计，把有关课程（机构分析与综合、机械原理、机械设计、液压与气动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及应用、自动机械设计等）中所获得的理论知识在实际中综合地加以应用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切的结合起来。因此，工业机械手设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课程设计.(2)工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学生一次比较完整的机电一体化整机设计。通过设计,培养学生独立的机械整机设计的能力，树立正确的设计思想，掌握机电一体化机械产品的基本方法和步骤，为自动机

24、械设计打下良好基础。（3）通过设计，使学生能熟练地应用有关资料、计算图表、手册、图册和规范;熟练有关国家标准和部颁标准，已完成一个工程技术人员在机械整机设计方面必须具备的基本技术训练。（4）由于整个机械手设计工作量大为了是学生在几个周之内得到一个完整的训练，因此此次设计我们小组四个人分工协作一个完整的工业机械设计.这样既能培养学生独立工作与分工协作完成大型设计的能力，又解决了工作量大、时间短的矛盾。1.5 工业机械手设计的内容要求本设计能较鲜明地体现机电一体化的设计构思。所谓机电一体化技术,是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。尽管机电一体化的产品

25、名目较多,并由于它们的功能不同而有不同的形成和复杂程度，但做功的机械本体部分（包括动力装置）和微电子控制部分（包括信息处理）是其最基本的、必不可少的要素。我们选择工业机械手作为毕业设计题目,无论从内容的深度、份量以及覆盖各科知识面的程度来衡量都是适当的。此设计要就我们组各成员完成以下工作：（1)拟定整体设计方案，特别是传感、控制方式与机械本体的有机结合的设计方案。（2）根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂身和机身的结构。（3）各部分的设计计算.（4)工业机械手工作装配图的设计与绘制。（5）液压系统图的设计与绘制.（6）机械手的运动分析。（8）编写设计计算说明书.（9）就本次设计参

26、加答辩.1.6 工业机械手的技术发展方向现在工业机械手的应用简况:在现在工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。有资料统计:美国偏重于毛坯的生产。日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业,铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料。减轻工人的劳动强度.国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件

27、.并和机床组合成一个综合的数控系统.采用机械手进行装配更是现在研究的重点,国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。国内外实际上使用的定位控制的机械手，没有“视觉”和“触觉”反馈.目前,世界各国正积极研制带有“视觉和“触觉”的工业机械手，使它能对所抓取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确地夹持工件，进而精确地在机器中定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和法、分辨形状不同的零件，它有视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨,判别是否是所要抓取的工作.为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物体滑落下来，一般采用两

28、种方法：一是检测把握物体手臂的变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物体的滑动位移，来修正握力。因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能：（1）能准确地抓住方位变化的物体。（2)能判断对象的重量。（3）能自动避开障碍物.(4）抓空或抓力不足时能检测出来。这种具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能机械手，它是具有发展前途的。现在，工业机械手的使用范围只限于在简单的操作方面节省人力，其效用是代替人从事繁重的工作和危险地工作，在恶劣的环境下尤其明显。至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门，机械手的应用情况决不能说是很好的。虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐，但采用机

29、械手只限于一小部分工序。其原因之一是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小。另外经济性问题当然也很重要,采用机械手来节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而，利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长,只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决,机械手的应用必将会飞跃发展。2 机械手总体设计方案2。1 原始数据(主要参数）1. 抓重： 200N2. 自由度： 4个3。 标形式： 球坐标4. 手指夹持范围:棒料，直径4060mm,长度4501200mm5. 定位方式:电位器设定,点位控制6。 驱动方式:液压（中、低压系统)7. 定位精度

30、: 3mm8. 控制方式：可编程控制9. 手臂运动参数：运动名称符号形成范围速度回转0120小于90()/s俯仰045小于90()/s伸缩X350小于250mm/s10. 手腕参数：运动名称符号形成范围速度回转0180小于90(）/s 11. 放松时的两爪的最大距离为8090mm，1s抓紧，夹紧速度20mm/s2.2 工作要求机械手的工作流程：机械手的原位伸缩臂前伸夹持器夹紧机械手臂向左回转90机械手手腕逆时针回转90机械手臂向下俯仰30机械手松开工件机械手臂向上俯仰30机械手手腕顺时针回转90机械手臂向右回转90伸缩臂后缩机械手复位:依次循环其机械手球坐标型运动简图如下图所示：图2。1 球坐

31、标式手臂运动：俯仰(或大臂上下摆动）2。3 系统组成本次设计工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统组成的，其中机体有本体部分组成；传送机构主要有伸缩臂及抓紧机构组成；动力源由液压驱动和机械驱动两种形式构成控制装置主要由自动控制和手动控制两部分组成。2。4 总体技术方案毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来，并进行灵活运用,现在的发展趋势是机电一体化，因此，我们的毕业设计是要我们将“机”“电”“液”三者合并起来。2。4。1 动作分析工业机械手的机械机构是指它的执行系统，是机械手抓持工件、进行操作及各种运动的机械部件.机械部件主要包括手部,手臂前后伸缩部分，手臂上下升降部分，腰

32、转部分以及机座。2.4。2 手部手部：包括杠杆手指，单向作用式握紧油缸等.其工件原理：物体进入手指之后,拉杆手油缸作用,通过拉杆带动杠杆手指回转,实现握紧或松开动作。手臂的前后伸缩部分 由直线油缸带动实现,当直线油缸工作时通过活塞杆行程的变化，完成手臂的伸缩运动。2。4.3 腰转部分主要由转盘和回转油缸组成当压力油进入回转油缸时，回转油缸的回转销回转，通过活塞杆的伸缩带动转盘的转动，从而实现机械手的左右转动.3 机械手的手部设计计算3.1 手部结构设计手部（亦称抓取机构)是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同,所以工业机械手的手部结构是多种多

33、样的，大部分的手部结构是根据持定的工件要求而设计的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理,大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类常见的主要有夹钳式，此外还有钩托式和弹簧式。夹持类手部按其手指夹持工件时的运动方式,可分为手指回转型和手指平移型两种.吸附类中,有气吸式和磁吸式.夹钳式手部是有手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件.一般情况下，多采用两个手指，少数采用三指或多指.驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现加紧或松开。平移型手指的张开闭合靠

34、手指的平行移动,适于夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆棒时,不会引起中心位移的偏移.但这种手指结构比较复杂、体积大，要求加工精度高.回转型手指的张开闭合靠手指根部（以枢轴支点为中心）的回转运动来完成.枢轴支点为一个的，称单支点回转型;为两个的，称为双支点回转型.这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位误差。综合考虑以上各种手部结构和本次设计所需的工作要求，最后确定手部的基本结构为夹钳式双支点回转型手部结构。图3。1 回转型和平移型手指a)单支点回转型 b）双支点回转型 c）平移型（平直指）3.2 夹钳式手部设计的基本要求1、应具有适当的夹紧力和驱动力 手指握力（夹紧力)大小适宜

35、,力量过大则动力消耗多,结构庞大，不经济,甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落.在确定握力时,除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件夹持安全可靠。而对手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力.应指出，由于机构传力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的.2、手指应具有一定的开闭范围 手指应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)或开闭距离(对平移型手指从张开到合闭的直线移动距离）S，以便于抓取和退出工件。3、应保证工件在手指内的夹持精度 应保证每个被夹持的工件，在手指内部都有准确的相对位置。这对一些有方位

36、要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度.4、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。5、应考虑通用性和特殊要求 一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件要求，通常采取手指可调整的办法。如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工件环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、乃承受锻锤冲击力等。3。3 夹钳式手部的计算与分析3。3.1 夹紧力的计算手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主

37、要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下列公式计算: F KKKG 式（3。1）式中：K安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定，通常取1.22。0,取1。5K-工件情况系数，主要考虑惯性力的影响,计算最大加速度，得出工作情况系数K2，K2=1+ =1+=1。002 , a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s)：K 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定手指与工件位置:手指水平放置,工件水平放置；表3.1 夹紧力的方位系数手指与工件

38、位置手指水平放置夹水平放置工件手指水平放置夹水平悬臂放置工件手指水平放置夹垂直放置工件V型指夹圆棒K=0.5K粗略计算KK=-V型手指半角。粗略计算K4手指与工件位置手指水平放置夹水平放置工件手指水平放置夹水平悬臂放置工件手指水平放置夹垂直放置工件V型指夹圆棒K=粗略计算K0.9 1.1K=粗略计算K4手指与工件形状：V型指端夹持圆柱型工件;即根据手指与工件的位置要求查表3.1得K=0。5;G被抓工件重量；因此，求得夹紧力F,FN=K1K2K3G=1.51。0020.5200=150。3N 取整的151N3。3.2 驱动力的计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式： F= 式（3.2）式中：c滚子

39、至销轴之间的距离b抓至销轴之间的距离 楔块的倾斜角可得F=146.89N，得出F为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力F要大于理论计算值,考虑手爪的机械效率,一般取0.8 0.9，此处取0.88，则： F=166。93N，取F=500N3.3。3 液压缸驱动力计算设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力:F = 式（3.3)式中:D活塞直径 d活塞杆直径 p驱动压力F推=F，已知液压缸驱动力F,且F=500N10KN由表3.2于F10KN，故选工作压力P=1MP3.3.4 液压缸内经计算据公式计算可得液压缸内径:D=mm=25.231mm表3。2 液压缸工作压

40、力作用在活塞上的外力F（N）液压缸工作压力（MP）50000.81.05000100001。52.010000200002。53。020000300003.04.030000500004。05。0500005.07。0根据液压设计手册,见表3.2圆整后再结合液压缸标准取D=40mm.表3。3 液压缸的内径系列（JB82666）2025324050*55636570(75)80（85)90（95）100（105)110125*（130)140*160180200250注：1。括号内尺寸尽可能不用。 2。 *号者为（JB108667）标准系列。3。3.5 活塞杆的计算：活塞杆的尺寸要满足活塞（或液

41、压缸)运动的要求和强度的要求。按强度条件校验活塞杆直径d 按拉、压强度计算： = 式(3。4）或 d 式（3。5） = 式（3。6）碳钢取100120MP，n一般不小于1。4，计算出的直径d再按表33标准值取整。活塞行程，当抓取60mm工件时,即手爪从张开90mm减小到60mm，楔块向前移动大约40mm.取液压缸行程S=40mm。表3.4 液压缸工作压力与活塞杆直径液压缸工作压力pMPa5577推荐活塞杆直径（0。50。55）D(0.60.7）D0.7D即可得: 活塞杆直径d=0.5D=0。540=20mm按强度条件校验活塞杆直径d可得：d=2。52mm（查表3.5取标准直径值为20mm） 活

42、塞厚B=（0。6 1。0）D，取B=0.8d=0。840=32mm 缸筒长度L(20 30)D，取L=123mm 活塞行程，当抓取60mm工件时，即手爪从张开90mm减小到60mm，楔块向前移动大约30mm。去液压缸行程S=30mm。液压缸流量计算: Q= 式（3.7）放松时流量 qV=1.1304Lmin夹紧时流量 qV=1.5072 Lmin表3.5 活塞杆的直径系列(JB82666）10121416182022252830323540455055（60）63（65）70（75）80（85）90（95）注:括号内的尺寸尽可能不用。3.3。6 液压缸壁厚计算 液压缸壁厚计算，在实际使用中有下

43、列三种公式：（1） 中等壁厚,即163.2时=+C 式（3.8）式中: p1-液压缸内工作压力（Pa）; -强度系数(当无缝钢管时=1)；C计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准厚度值；D液压缸内径(m);（2） 薄壁,即16时= 式（3.9)(3) 厚壁，即当3。2时=（） 式（3.10）式中： =材料抗拉强度（Pa）； n安全系数,n=3.55；一般常用缸体材料的许用应力；锻钢 =110120MPa铸铁 =60MPa无缝钢管 =100110MPa结合该液压缸内径大小取中等壁厚即:=+C=考虑工程机械标准液压缸外径和C值取壁厚5mm3。3.7 液压缸外径的选取 具体参照表（3。6）表3

44、。6 标准液压缸外径（JB1086-67）液压缸外径405063809010011012514015016018020钢160MP5060769510812115316814618019421930钢200MP50607695108121153168146180194219由液压缸内经和液压缸壁厚尺寸可确定液压缸外径尺寸为50mm。3.3.8 选用夹持器液压缸经网络查询，温州中冶液压气动有限公司所生产的轻型拉杆液压缸型号为:MOB-B40FB,结构简图，外形尺寸及技术参数如下: 图3.2 结构简图图3.3 外形尺寸表3。7 夹持器液压缸技术参数工作压力使用温度范围允许最大速度效率传动介质缸径受

45、压面积速度比无杆腔有杆腔1MPa-10 +80 300m/s90常规矿物液压油40mm12。58。61。453.3.9 手爪的夹持误差及分析 机械手能否准确夹持工件,把工件送到指定的位置，不仅取决于机械手定位精度（右臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差,必须注意选用合理的手部结构参数，见下图, 图3.4 夹持不同直径工件时的夹持误差（R和R不同工件 CC)从而使夹持误差控制在较小范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过1mm就可以了。这就可以在满足定位精度的条件下，

46、采用简单的回转型手爪。而避免单纯追求自动定心，而使设计出的结构过分复杂。本次设计为楔块杠杆式回转型夹持器，选用两支点回转型手爪。如图所示：图3.5 两支点回转型手爪其中：l为手指长度 选取为60mm； 2为V型槽的夹角 选取为120； 为偏转角; 2a为两回转支点距离 选取为50mm；若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有：X= 式（3。11)为讨论方便起见上式改写为:X= 式（3.12)或 该方程同样为双曲线方程.如图3.6所示:图3。6 工件半径与夹持误差关系曲线由上图3。6得，当工件半径为R时，X取最小值X，又从上式可以求出： ，通常取2=120 X=l

47、sin若工件的半径R变化到R时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用表示.在设计中，希望按给定的R和R来确定手爪各部分尺寸，为减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大;另一方面可选取合适的偏转角，是夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角.只有当工件的平均半径R取为R时，夹持误差最小.此时必须说明，对于双支点回转型手爪(尤其当a值较大时），偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的BE和BE边平行，抓不着工件.为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径R,以BCD=90 为条件确定两支点回转型手爪的偏转角,即为： = 式（3.1

48、3）表3。8 最佳偏转角(2120)m=1.522。533.544.55最佳偏转角39 405444622967237044731374027639其中2a=50mm，l=60mm，V型钳的夹角2=120 即 =56.932由 R= lsincos=60sin60 cos56.932 =28.35mm如下表3。9则RRR，此时定位误差为和中的最大值。= =43.66743.626mm=0。041mm=43.679-43。625mm=0。054mm所以，由=0。054mm1mm，即手指夹持误差满足设计要求.由以上各值可得：X=56.63mm取值为X=57mm3。4 楔块等尺寸的确定楔块进入杠杆手

49、指时的力分析如下：图 3.7上图3。7中斜楔角,30时有增力作用；-滚子与斜楔面间当量摩擦角，tan(dD）tan，为滚子与转轴间的摩擦角，d为转轴直径，D为滚子外径，tan=f，f为滚子与转轴间摩擦系数；支点O至斜面垂线与杠杆的夹角；表3。9 回转型手爪的定位误差计算 手爪形式手爪参数与定位误差二支点回转型手抓 参数的选择2通常可取2120手指长l不要太大a不要太大偏转角通常取cos定位误差的计算当RRR或RRR|- 当RRR定位误差为和中最大者 其中Rlsincos对于只抓取R和R两种尺寸时，偏转角按表右选取,定为误差为零.cos注意:此时a值尽量要取小些l杠杆驱动端杆长；l杠杆夹紧端杆长

50、；杠杆传动机械效率3.4。1 斜块的传动效率斜块的传动效率可由下式表示： 式（3.14）杠杆传动机械效率取0.834，tan取0.1，dD取0.5.则可得26.036 ，90 ，取整得26 。3.4。2 动作范围分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即90 ,见下图图 3。8如果,则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零,且为不稳定状态，所以必须大于。此外，当=90时杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。3.4。3 斜楔驱动行程与手指开闭范围当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为L,此时对应的杠杆手指由位置转到位置，其驱动

51、行程可用下式表示： 式（3。15）杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为： 式（3。16）通常状态下，在90左右范围内，则由手指需要的开闭范围来确定.由给定条件可知最大s为1525mm，最小设定为15mm。即15（1525)。已知26,可得=9064。3.4.4 l与l的确定斜楔传动比i可由下式表示： 式（3。17）可知一定时，l愈大，i愈大，且杠杆手指的转角在90范围内增大时,传动比减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由l+=120分配距离为：l=31mm，=17mm。3.4.5确定由前式得：s=（2515）=10s=10=60 cos（26 ）cos(76 26 )，=50。623，

52、取=50.3.4。6 L的确定L为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，由下图中关系图 3。9L=30。56mm,取L=31mm，则楔块上边长为8mm。3.5 材料及连接件选择V型指与夹持器连接选用圆柱销GBT119。1，d=6mm，需使用2个杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销GBT119。1，d=8mm，需使用2个滚子与手指连接选用圆柱销GBT119.1,d=4mm，需使用2个以上材料均为钢,无淬火和表面处理楔块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径8mm,螺距p=1，旋合长度为10mm。4 机械手的腕部设计计算4.1 腕部设计的基本要求手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础

53、上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。一般机械手手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动即可满足工作要求,一些动作较简单的专用机械手，为简化结构，可以不设置腕部搬运工件。此外，机械手腕部具有独立的自由度,如下图所示，手腕运动有：绕X轴转动称为回转运动；绕Y轴转动称为上下摆动（或俯仰)；绕Z轴转动称为左右摆动；有的甚至是沿Y轴（或Z轴）的横向移动。图4。1 腕部的自由度1臂部 2腕部 3手部图4。2 运动简图符号a）表示手指 b）表示垂直、升降 c）表示水平伸缩运动d）表示回转运动 e）表示俯仰运动 f）表示轮轨(行走机构）此设计中要求有绕中轴

54、的回转运动.应满足的基本要求有：（1)力求结构紧凑、重量轻腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承受.显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部结构、重量和运作性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑,重量轻.（2）综合考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支承作用，除保证力和运动的要求以及具有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局。如应解决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题。（3）必须考虑工作条件对于高温作业和腐蚀性介质中工作的机械手,其腕部在设计时应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀、压力油的

55、粘度和燃点，有关材料及电控元件的耐热性等)。对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。4。2 腕部结构的选取 典型的腕部结构有以下几种形式：（1）具有一个自由度的回转缸的腕部结构;（2)用齿条活塞驱动的腕部结构;(3)具有两个自由度的回转缸驱动的腕部结构；（4）机-液结合的腕部结构.综合考虑此次设计的各参数情况和机械手工作的环境条件，本次设计我选用第一种具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构。如下图所示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从AA剖视图上可以看到，回转叶片（简称动片）

56、用螺钉，销钉和转轴10连续在一起，定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔5.7进出油腔，实现手部12的旋转。旋转角的极限值由动,静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270 ），图中缸可回转90 。腕部旋转位置控制问题,可采用机械挡块定位。当要求任意点定位时，可采用位置检测元件对所需位置进行检测并加以反馈控制。图4.3 用一个回转液压缸实现腕部旋转的机构1-手部驱动液压缸 2回转液压缸 3-通向手部的油管 4腕架 5左进油孔6-通向摆动缸油管 7右进油孔 8-固定叶片 9缸体 10回转轴11回转叶片 12手部图4。3所示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个油管。通向手部驱动液压缸的油管是从

57、回转中心通过，腕部回转时，油路认可保证畅通，这种布置可使油管既不外露,又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管(一根供手部油管，两根供腕部回转液压缸)由手臂内通过并经腕部架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸.本设计要求手腕回转180 ,综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动，参考上图典型结构.4.3 腕部结构的计算4。3.1 腕部回转力矩的计算腕部回转时,需要克服以下几种阻力：腕部回转时支承处的摩擦力矩M磨 克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏克服启动惯性所需的力矩M惯。手腕回转所需的驱动力矩相当于上述三项之和.即：M=M磨+M偏+M惯 式（4.1）（1)、腕部回转支承处的摩擦力矩M磨的计算如图所示：图4.4 腕部支承反力计算M磨= 式（4。2）式中： F、F-轴承处支反力（N），可由静力平衡方程求得； D、D-轴承直径（m）; f轴承的摩擦系数，对于滚动轴承f=0。010.02；对于滚动轴承：f=0。1。为简化计算,取M磨=0.1M总驱动力图中所示，G为