[优秀毕业论文]平面移动式夹持圆形工件的机械手设计

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1、平面移动式夹持圆形工件的机械手设计摘要：随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计计算过程 。首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体座标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。最后使用软件对机械手的手部实现运动仿真。关键词：机械手；运动仿真；液压传动；液压缸；目录主要符号表51 绪论61.2 工业机械手的简史71.3 工业机械手在生产中的应用81.3.1 热加工方面的应用81.3.2 冷加工方面

2、的应用91.3.3 拆修装方面的应用101.4 机械手的组成101.4.1 执行机构101.4.2 驱动机构111.4.3 控制系统分类111.5 工业机械手的发展趋势111.5.1 重复高精度111.5.2 模块化121.5.3 无给油化121.5.4 机电气一体化121.6 本文主要研究内容131.7 本章小结132 机械手的总体设计方案142.1 机械手基本形式的选择142.2 机械手的主要部件及运动142.3 驱动机构的选择142.4 机械手的技术参数列表152.5 本章小结153 机械手手部的设计计算163.1 手部设计基本要求163.2 典型的手部结构163.3 机械手手抓的设计计

3、算163.3.1 选择手抓的类型及夹紧装置163.3.2 手抓的力学分析173.3.3 夹紧力及驱动力的计算183.3.4 手抓夹持范围计算203.4 机械手手抓夹持精度的分析计算213.5 弹簧的设计计算233.6 本章小结254 腕部的设计计算254.1 腕部设计的基本要求254.2 腕部的结构以及选择264.2.1 典型的腕部结构264.2.2 腕部结构和驱动机构的选择264.3 腕部的设计计算264.3.1 腕部设计考虑的参数264.3.2 腕部的驱动力矩计算274.3.3 腕部驱动力的计算284.3.4 液压缸盖螺钉的计算294.3.5动片和输出轴间的连接螺钉314.4 本章小结32

4、5 臂部的设计及有关计算325.1 臂部设计的基本要求325.2 手臂的典型机构以及结构的选择335.2.1 手臂的典型运动机构335.2.2 手臂运动机构的选择345.3 手臂直线运动的驱动力计算345.3.1 手臂摩擦力的分析与计算345.3.2 手臂惯性力的计算375.3.3 密封装置的摩擦阻力375.4 液压缸工作压力和结构的确定375.5 本章小结396 结论40致 谢41参考文献42英文摘要43主要符号表 手指夹紧力 N D 弹簧中径 弹簧内径 弹簧外径 C 弹簧旋绕比n 弹簧有效圈数 M 转动缸的回转力矩 偏重力臂 mm 偏重力矩 t 螺钉间距 mm 螺钉承受的拉力 N 工作载荷

5、 N 预紧力 N 转动缸起动角 度 转动缸转动角速度 441 绪论1.1 前言用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个

6、重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的

7、场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2 工业机械手的简史机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，

8、端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机

9、械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手

10、，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的

11、6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Fl

12、exible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。1.3 工业机械手在生产中的应用在现代工业中，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的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法;程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75

13、%小批量生产;金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可看出，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。1.3.1 热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了实现高效率和工作安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。机械手在锻造工业中的应用能进一步发挥锻造设备的生产能力，改善热、累的劳动条件。因此，国内首先是果用锻造操作机，装取料机械手来代替人工操作，减轻劳动强度。后来在精锻机上采用机械手，使精锻过程自动化，代替人工喂料。近年国内

14、进口一条l200吨模压机生产线，配备四台机械手用以锻压曲轴、车底架等。国外对锻造机械手的研制工作十分重视，如美国采用圆柱坐标式机械手在1300吨锻压机上锻造齿轮毛坯，瑞典采用Unimate型机械手在压力机上锻造曲轴，采用Versatran型机械手生产大型轴承环，机械手在两台液压机间传送轴承环的坯料，联邦德国在一条模银线上采用自动送料装置和操作机械手，能从沪子内取出毛坯，在粗杆、短行程模锻锤的三个模膛中进行锻造，然后取出。锻压机械手的手指部位必须采用耐热钢制造，相当于40Cr2Mo的材料。同时用空气、水喷雾冷却。机械手外部装有防热护翠，内部通水冷却。机械手在铸造、熔炼方面的应用，国内已研制成功压

15、铸机上下料机械手，仁下箱、合箱、浇注机械手，以及铸件表面清理机械手等。有些工厂还将机械手和造型机配合组成铸造生产自动线，彻底改变了铸造幸产的面貌。国外对电炉炼饱过程中采用机械手进行了大量的研究.由于强大电流的干扰，影响了机械手的采用，并由于熔渣和钢水难以区别，往往在浇注过程中容易液、渣不分，需研究带有特殊传感装置的机械手，才能实现浇注的机械化和自动化。1.3.2 冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的

16、重要手段。国内机械工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人劳动强度。如在轴类、螺性、气阀和螺撑帽坐等零件的加工机床上配置了机械手，代替人工上下料。在三通阀体、轴瓦、平斜铁、柴油机摇臂加工生产自动线上采用单臂、双臂圆柱式机械手，成为联接工序、运送工件的重要装备。并在连杆粗加工自动线上采用数控机械手，这样它不仅担负自动线上机床工件的装卸、运输，并能发出指令指挥全线工作。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮对等大、中批量零部件。并和机床设备共同组成一个综合的数控加工系统 1.3.3 拆修装方面的应用拆修装是铁路土业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内

17、铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。为了改善货车油漆作业，日本、美国、苏联、法国等国以货车、漏斗车、油罐车和TGV电动车组为对象，采用一种带转向架的货车涂漆机械手。英国铁路工程公司采用机械手焊接电动车组零件。美国铁路维修公司采用机械手进行调车，还利用悬挂行车式机械手完成有盖漏斗车内部的清洗工作。采用机械手进行装配更是目前研制的重点，国外已研究采用摄象机和力的传感装置和微型计算机联接在一起，能

18、确定零件的方位，达到镶装的目的。1.4 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1.4.1 执行机构（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，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。手腕有独立的自

19、由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部

20、的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。（4） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。1.4.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。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、

21、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.4.3 控制系统分类在机械手的控制上，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。1.5 工业机械手的发展趋势1.5.1 重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关 。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度 。重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的

22、范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定 。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。1.5.2 模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特

23、点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向 。智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用 。因为智能阀岛本来就是模块化的设备，特别是紧凑型CP阀岛，它对分散上的集中控制起了十分重要的作用，特别对机械手中的移动模块。1.5.3 无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料(如烧结金属石墨材料)的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单

24、、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。1.5.4 机电气一体化由“可编程序控制器传感器气动元件” 组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。1.6 本文主要研究内容本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工

25、作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。进而运用Pro/E软件对机械手的手部作了运动仿真分析。掌握了机械仿真的一般过程。1.7 本章小结本章简要的介绍了机械手的基本概念。在机械手的组成上，系统的从执行机构、驱动机构以及控制部分三个方面说明。比较细致的介绍了机械手的发展趋势，简要的叙述了本文研究的内容。2 机械手的总体设计方案本课题是平面移动式夹持圆形工件的机械手设计设计及运动仿真。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及Pro/

26、E软件进行简单的运动仿真。在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务，然后通过Pro/E软件对机械手的手部进行简单的运动仿真。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)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。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型。图1.1 是机械手搬运物品示意图。图1.1 机械手基本形式示意2.2 机械手的主要部件及运动本设计机械手主要由

27、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180度。（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动。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。2.4 机械手的技术参数列表一、用途：搬运:用于车间搬运二、设计技术参数:1、抓重:60Kg (夹持式手

28、部)2、自由度数:3个自由度3、坐标型式:圆柱坐标4、最大工作半径:1600mm2.5 本章小结本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用液压驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计计算将以次进行。3 机械手手部的设计计算3.1 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），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

29、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。3.2 典型的手部结构（1） 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。（2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。（3）平面平移型。3.3 机械手手抓的设计计算3.3.1 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 =，夹取重量为60Kg。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

30、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。3.3.2 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

31、，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F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交和的延长线于A及B。由=0 得 =0 得 由=0 得h F=式中 a手指的回转支点到对称中心的距离（mm）. 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，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=。3.3.3 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

32、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： 式中 安全系数，通常1.22.0； 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a，重力方向的最大上升加速度； 运载时工件最大上升速度 系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s 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 液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于500050000以上计算：设a=100mm,b=50mm,;机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力和驱动力和 驱动液压缸的尺寸。(1) 设 =1.0

33、2 根据公式，将已知条件带入： =1.5 （2）根据驱动力公式得： =1378N （3）取 （4）确定液压缸的直径D 选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa, 根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆内径为:D=630.5=31.5mm，选取d=32mm3.3.4 手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径，当张开时，如图3.2（b）所示，最大夹持半径计算如下： 机械手的夹持半径从（a） (b)图3.2

34、 手抓张开示意图3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手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，一定进行机械手的夹持误差。图3.3 手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为80mm180mm。一般夹持误差不超过1mm,分析如下：工件的平均半径：手指长,取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定：计算 当S时带入有：夹持

35、误差满足设计要求。3.5 弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图3.4所示，计算过程如下。图3.4 圆柱螺旋弹簧的几何参数(1).选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力(2).选择旋绕比C=8，则 (3).根据安装空间选择弹簧中径D=42mm，估算弹簧丝直径 (4).则弹簧丝直径 (5). 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数： 选择标准为，弹簧的总圈数圈(6).最后确定，(7).对于压缩弹簧稳定性的验算 对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比，本设计弹簧是2端自由，根据下列选取： 当两端固定时，,当一端固定；一端自由时

36、，；当两端自由转动时，。结论本设计弹簧，因此弹簧稳定性合适。(8).疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式： 选取1.31.7（力学性精确能高） 结论：经过校核，弹簧适应。 3.6 本章小结通过本章的设计计算，先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析，然后分别对滑槽杠杆式手部结构的夹紧力、夹紧用的弹簧、驱动力进行计算，在满足基本要求后，对手部的夹持精度进行分析计算。4 腕部的设计计算4

37、.1 腕部设计的基本要求（1） 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3） 必须考虑工作条件对于本设计，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 腕部的结构以及选

38、择4.2.1 典型的腕部结构(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于）。(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4) 机-液结合的腕部结构。4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 本设计要求手腕回转，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，

39、采用液压驱动。4.3 腕部的设计计算4.3.1 腕部设计考虑的参数 夹取工件重量60Kg，回转。4.3.2 腕部的驱动力矩计算（1） 腕部的驱动力矩需要的力矩。（2） 腕部回转支撑处的摩擦力矩。夹取棒料直径100mm，长度1000mm，重量60Kg，当手部回转时，计算 力矩：（1） 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直径120mm，其重力估算G=3.14（2）擦力矩。（3）启动过程所转过的角度=0.314rad，等速转动角速度。查取转动惯量公式有：代入： 4.3.3 腕部驱动力的计算表4-1 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm）202532405

40、0556365707580859095100105110125130140160180200250设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体内空半径R=110mm，外径根据表3-2选择121mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为226mm；动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.基本尺寸示如图4.1所示。则回转缸工作压力，选择8Mpa图4.1 腕部液压缸剖截面结构示意液压缸内径40 5063809010011012514015016018020020钢P50607695108121133168146 18019421924545钢50607695108121133168

41、146180194219245表4.2 标准液压缸外径（JB1068-67） （mm）4.3.4 液压缸盖螺钉的计算图4.2 缸盖螺钉间距示意表4.3 螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（Mpa）螺钉的间距t(mm)小于150小于120小于100小于80缸盖螺钉的计算，如图4.2所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4.3，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力 计算：液压缸工作压强为P=8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,试选择8个螺钉，所以选择螺钉数目合适Z=8个 危险截面 所以 =11863.3+10545=19772N螺钉材料选择Q235，（）螺钉的直径 螺钉的直径

42、选择d=16mm.4.3.5动片和输出轴间的连接螺钉(1) 动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。 于是得 D动片的外径；f被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15螺钉的强度条件为 或 带入有关数据，得螺钉材料选择Q235，则（）螺钉的直径 螺钉的直径选择d=12mm.选择M12的开槽盘头螺钉。4.4 本章小结本章通过四种基本的手腕结构，选择了具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。并进行的腕部回转力矩的计算，同时也计算了回转缸连接螺钉的直径5 臂部的设计及有关计算手臂部件是

43、机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能

44、。 5.1 臂部设计的基本要求一、 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻（1） 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。（2） 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。（3） 合理布置作用力的位置和方向。（4） 注意简化结构。（5） 提高配合精度。二、 臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在,最大回转角速度设计在内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径：（1） 减少手臂

45、运动件的重量，采用铝合金材料。（2） 减少臂部运动件的轮廓尺寸。（3） 减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。（4） 驱动系统中设有缓冲装置。三、手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。 总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。5.2 手臂的典型机构以及结构的

46、选择5.2.1 手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：（1） 双导杆手臂伸缩机构。（2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。（3） 双活塞杆液压岗结构。（4） 活塞杆和齿轮齿条机构。5.2.2 手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。5.3 手臂直线运动的驱动力计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。做

47、水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。 5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算分析：摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。图 5.1 机械手臂部受力示意计算如下：由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。得 得 式中 参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）； L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算; a导向支

48、撑的长度（m）; 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面：摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取钢对铸铁：取计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁 ，L=1.69-0.028=1.41m,导向支撑a设计为0.016m将有关数据代入进行计算5.3.2 手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是V=,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度V=V=, 5.3.3 密封装置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：。经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：5.4 液压缸工作压力和结构的确定

49、经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=6210N，根据表3.1选择液压缸的工作压力P=2MPa（1） 确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图5.2所示图5.2 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔，当油进入有杆腔中， 液压缸的有效面积：故有 （无杆腔） （有杆腔） F=6210N，=，选择机械效率将有关数据代入： 根据表4-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=65mm.（2） 液压缸外径的设计根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm，所以该液压缸的外径为79mm.（3） 活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15

50、倍以上，按拉、压强度计算： 设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径d=20mm,L=1360mm,现在进行校核。结论： 活塞杆的强度足够。5.5 本章小结本章设计了机械手的手臂结构，手臂采用双导杆手臂伸缩机构，对驱动的液压缸的驱动力进行了详细的计算，并对液压缸的基本尺寸进行了设计。6 结论通过此次毕业设计，使我了解了机械手的很多相关知识。使我也了解了当前国内外在此方面的一些先进生产和制造技术，了解了机械手设计的一般过程，通过对机械手的结构设计作了系统的设计，掌握了一定的机械设计方面的基础，也学会了使用Pro/E软件创建模型，并使用Pro/E软件对机械手进行简单的运动仿真。为以后的工作学习创造了

51、一定基础。(1) 本次毕业设计只是对搬运机械手的结构和驱动做了系统的计算设计，设计中没有涉及到机械手的控制问题，对这方面有点模糊，需要在以后的工作学习中了解和掌握。(2) 本次设计的是轻型平动搬运机械手设计，相对于通用机械手，因此，动作固定，结构简单，同时成本低廉，专用性比较高，可实现车间内的一些搬运工作。(3) 采用液压传动，液压出力大，臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构，实现连续控制，使机械手用途更广，定位精度一般非常高，在1mm内。(4) 该机械手选择配置二指夹持手指，抓取一般棒料。必要时可以更换手抓，抓取箱体等。(5) 本次设计只对机械手的手部进行了运动模拟仿真，对其还只是处于

52、了解阶段，做的运动仿真难免有错误之处。(6) 由于经验知识水平的局限，设计难免有不到之处，望老师见量，指正。致 谢在本论文的工作中，自始自终得到了安徽科技学院工学院机械教研室的易勇老师的精心指导和亲切关怀。老师严谨的治学态度、严于律己宽以待人的做人风范是我终身学习的榜样。另外老师们的课题组活跃的学术风气、学术观点与为人上的坦诚也深深的感染了作者，使我获得了太多的启发，在此特表深深谢意！在课题研究的整个过程中，易勇老师一直给予了悉心的指导与帮助。在同他的合作中取得了很大的进步，同时他丰富的理论知识及实际工作经验、对待学术问题的科学态度令本人钦佩。在此表示由衷的感谢！ 在进行机械手机械结构设计过程

53、当中，和我一起研究探讨的舍友表示感谢。也对这四年来给予了我各方面极大支持及鼓励的机械教研室的老师表示感谢。最后向其他关心我支持我的老师、朋友、同班同学一并表示感谢。参考文献1 刘明保 ，吕春红等.机械手的组成机构及技术指标的确定.河南高等专科学校学报,2004.1.1-42李超，气动通用上下料机械手的研究与开发.陕西科技大学，20033 陆祥生 ，杨绣莲.机械手.中国铁道出版社,1985.14 张建民.工业机械人.北京：北京理工大学出版社,19925史国生.PLC在机械手步进控制中的应用.中国工控信息网,2005.1-36 李允文.工业机械手设计.机械工业出版社,1996.4-67 蔡自兴.机

54、械人学的发展趋势和发展战略.机械人技术,2001，48 周洪.气动技术的新发展.液压气动与密封,1999，49 金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机械人发展的态势分析.机械人技术与应用,2001，210 王雄耀.近代气动机械人（机械手）的发展及应用.液压气动与密封,1999，511 李明.单臂回转机械手设计.制造技术与机床，2004.60-63 12 张军， 封志辉.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004.4：21-3013 濮良贵，纪名刚.机械设计，第七版.北京：高等教育出版社,2001.377-39514 ClavelR .Delta,a fast robot wth parallel

55、geometry. The 18th Int.Symposium on in dustrial robots( ISIR),Sydney,Australia,1988,91-100.15Durstewitz,M ;Kiefner,B ,Virtual collaboration environment for aircraft design,Information Visualisation,2002. Proceedings.Sixth International Conference on，10-12 July 2002,Page(s):502- 507英文摘要The light stable motion transports manipulators design and the movement simulationAbstract：The applying of the manipulators are more and more important in the industry, with the development of industrial aut