毕业设计（论文）立式精锻机自动上料机械手设计

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1、四川理工学院毕业设计（论文）立式精锻机自动上料机械手设计学 生：学 号：专 业：机械设计制造及其自动化班 级：指导教师：四川理工学院机械工程学院二一一年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：立式精锻机自动上料机械手设计系：机械工程学院 专业：机械设计制造及自动化 班级：学号： 学生：指导教师： 接受任务时间：2011-3-1教研室主任 （签名）系主任 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求1）、设计内容：机械手结构设计，装配图12张（A0），零件图8张，设计说明书1份（40页以上）。2）、设计要求：（1）、规格参数：抓重:60公斤；自由度数:4个；座标型式:

2、圆柱座标；最大工作半径:1700毫米；手臂最大中心高:2300毫米；手臂运动参数:手臂伸缩范围，0500毫米；手臂伸缩速度，伸出176毫米/秒，缩回233毫米/秒；手臂升降范围，0600毫米；手劈升降速度，上升102豪米/秒，下降152毫米/秒；手臂回转范围，0200(实际使用为95)；手臂回转速度，63/秒；手腕运动参数：手腕回转范围，0180；手腕回转速度，201/秒；手指夹持范围：30120毫米；驱动方式: 液压（2）、全部设计图纸用AutoCAD绘制2指定查阅的主要参考文献及说明（1）机械零件设计手册（2）工业机械手图册（3）机械设计手册（4）液压传动（5）其他相关参考资料3进度安排设

3、计（论文）各阶段名称起 止 日 期1查阅相关参考资料，完成开题报告2010.3.12010.3.152机械手结构设计 2010.3.162010.4.153完成AutoCAD零件图、装配图 2010.4.162010.5.154编写设计说明书 2010.5.162010.5.255毕业设计（论文）的修改、答辩的准备2010.5.262010.6.1 摘 要机械手的出现是随着工业技术的发展，人们发现人工的操作越来越不能满足工业生产的要求，因而设计出了机械手去替代人工做一些危险的工作。这篇论文详细介绍了立式精锻机自动上料机械手的组成、结构特点和工作过程。机械手主要是执行部份、驱动部分和控制部分组成

4、。执行部分包括机械手的手部、机械手的手臂、机械手的升降和回转结构。本文对以上各机构的结构设计、计算以及校核方法作了具体的描述和分析，实现了机械手四个自由度、行程以及强度各方面的要求。对于驱动部分，选择了液压驱动的驱动方式，对液压系统进行设计和对液压系统的传动方式进行设计，最后选择合适的液压元件并确定液压系统，通过上述部分设计，设计出了立式精锻机自动上料机械手，达到本次设计的要求。关键词：立式精锻机；自动上料机械手；结构设计；液压驱动 AbstractThe appearance of manipulator is developed the industry technology. When

5、people find that the manufacture by manual labor can not satisfy the demands of the industry produce, so the manipulator was designed to do something dangerous in stead of human. This paper introduces the main function, the structure feature and the composition of automatic feeding manipulator of ve

6、rtical forging machine in detail. The composition of the mechanical industry machinery includes three parts: the mechanical part, the drive part and the the control part. The mechanical part mainly includes the hand of the manipulator, the arm of the manipulator and the fluctuation and rotation stru

7、cture of the manipulator. The paper has made the concreted description and analysis on the general design process and the calculated method of the manipulator. Achieves the four-freedoms,route and some other aspects of the manipulator. Regarding the drive part, the author selects the hydraulic drive

8、 style,and then carries on the design calculation to the hydraulic system and carries on the design to the hydraulic transmission way, finally choose appropriate hydraulic pressure part, and then define hydraulic system. Through the above parts of designs, the author designs a hydraulic automatic fe

9、eding manipulator of vertical forging machine to achieve the design goal. Key words：Vertical forging machine； Automatic feeding manipulator；Structure design；Hydraulic drive.目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1机械手的基本概念11.2机械手的分类及简史11.2.1机械手的分类11.2.2机械手的简史31.3 机械手的应用简况41.4 机械手的发展趋势41.5机械手的组成51.5.1执行机构51.5.2驱动机

10、构61.5.3控制系统61.6应用机械手的意义6第二章 机械手总体方案设计82.1机械手的设计参数82.2 机械手的座标型式与自由度选择82.3 机械手的总体结构92.4 机械手的动作顺序102.5 机械手的工作过程10第三章 机械手结构设计123.1机械手手部设计123.1.1手部设计要求123.1.2手部结构设计123.1.3 手部设计计算133.2手腕和夹紧机构设计143.2.1手腕设计要求143.2.2 手腕和夹紧油缸结构设计153.2.3 手腕和夹紧油缸的设计计算153.3 手臂伸缩机构设计193.3.1 手臂伸缩结构设计193.3.2 手臂伸缩油缸设计计算203.4 手臂回转油缸设

11、计233.4.1 手臂回转油缸结构233.4.2 手臂回转油缸的设计计算233.5 中间座部件结构设计243.6 手臂回转定位油缸253.7 手臂升降机构263.7.1 手臂升降机构结构设计263.7.2 手臂升降机构的设计计算27第四章 机械手的驱动系统设计304.1 各种驱动类型的特点304.2 机械手驱动系统的选择原则304.3 液压系统简介304.3.1 液压系统的工作原理304.3.2 液压传动的工作特性304.3.3 液压系统的组成314.3.4 液压系统的优、缺点314.3.5 液压传动的主要缺点314.4自动上料机械手液压系统324.5液压元件的密封354.5.1 密封件的作用

12、及其意义364.5.2 密封件和密封装置的设计选用36第五章 机械手的缓冲和定位385.1机械手缓冲和定位的主要方法385.2 立式精锻机自动上料机械手的缓冲和定位38总 结40参考文献41致 谢42 43四川理工学院毕业设计（论文）第一章 绪论机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活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装备，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标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点

13、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。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可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，在国民经济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。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，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

14、工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。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，是一门跨学科综合技术。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机械手的基本概念机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。我国国家标准(GB/T 12643-90)对机械手的

15、定义:“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。1.2机械手的分类及简史工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。1.2.1机械手的分类（一）按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种：1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机

16、械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的

17、影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主

18、机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空

19、间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.2.2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。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础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）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起

20、来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降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-Vicarm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，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从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。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程

21、序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，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，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。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和柔性制造单元FMC中的重要一环。1.3 机械手的应用简

22、况现代工业中，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。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，应用的对象还会有所改变。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。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用机械手进行装

23、配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象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。1.4 机械手的发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组

24、成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功

25、能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状

26、态。1.5机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。1.5.1执行机构（1）手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。本课所指的机械手仅需开闭手指。机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。本课所做的机械手采用二指形状。（2）手臂手臂有无关节和有关节手臂之分本课所做的机械手的手臂采用无关节臂手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够

27、正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。本课题所做的机械手在手臂的升降、伸缩、回转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。1.5.2驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优

28、点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步

29、进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。1.5.3控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。1.6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。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工

30、、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，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：1.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。2.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

31、，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3.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工自动线上，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。第二章 机械手总体方案设计2.1机械手的设计参数抓重：60kg；自由度数：4个；坐标形式：圆柱坐标；最大工作半径：1700毫米；手臂最大中心高：2300毫米；手臂运动参数；手臂伸缩范围：0500毫米手臂伸缩速度：伸出176毫米每

32、秒；缩回233毫米每秒；手臂升降范围：0600毫米；手臂升降速度：上升102毫米每秒；下降152毫米每秒；手臂回转范围：00 2000 (实际使用为950)；手臂回转速度：630每秒；手腕运动参数：手腕回转范围:001800；手腕回转速度：2010每秒；手指夹持范围： 30-120毫米；缓冲方式及定位方式：手臂伸缩：伸出时由行程开关适时切断油路，手臂缓冲，缩回时由行程开关控制返回终了位置。手臂升降：上升时是靠可调碰铁触动行程开关而发信，使电液换向阀变为“o”型滑阀机能，切断油路而实现缓冲定位，下降时靠油缸端部节流缓冲，由行程开关控制终了位置。手臂回转：采用行程节流阀（双向使用）减速缓冲，用定位

33、油缸驱动定位销而定位。手腕回转：采用行程开关发信，切断油路滑行缓冲，死挡块定位。驱动方式：液压控制方式：点位程序控制2.2 机械手的座标型式与自由度选择按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、伸缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了满足送料需要，增加手腕回转运动。所以本机械手有手臂升降、伸缩、回转和手腕回转四个自由度。2.3 机械手的总体结构本机械手系统由执行系统、驱动系统和控制系统组成。执行系统包括手部、手臂、手腕。驱动系统包括动力源、控制调节装置和辅助装置组成。控制

34、系统由程序控制系统和电气系统组成。机械手的结构见图如图2-1： 图 2-1 机械手结构见图1、机座 2、手臂升降机构 3、手臂回转机构 4、手臂伸缩机构 5、手腕回转机构 6、手部运动简图如图2-2所示： 图2-2 机械手运动简图该结构采用圆柱式坐标，其运动系包含了两个直线运动和两个回转运动，这种坐标形式的机械手占地面积小而且活动范围大，结构比较简单，并且能够达到较高的定位精度。2.4 机械手的动作顺序待料（即起始位置。手指闭合，待夹料立放）插定位销手臂前伸手指张开手指夹料手臂上伸手臂缩回手腕回转180拔定位销手臂回转95插定位销手臂前伸手臂中停（此时，立式精锻机卡头下降卡头夹料大泵卸荷）手指

35、松开（此时，立式精锻机卡头夹着料上升）手指闭合手臂缩回手臂下降手腕反转（手腕复位）拔定位销手臂反转（上料机械手复位）待料卸荷（一个循环结束）2.5 机械手的工作过程立式精锻机和自动上料机械手等的配置如图2-3所示。被加热的坯料由运输车2送到上料位置后，自动上料机械手3将热坯料搬运到立式精锻机1上锻打，其成品锻件由下料机械手4送立式精锻机上取下并送到转换机械手5上，转换机械手先把锻件翻转90成水平位置，由丙烷切割装置6将两端切齐，切割完毕，转换机械手5的手臂再水平回转87，将锻件水平放置到下料运输装置7上，运送到车间外面的料仓处进行冷却。自动上料机械手3在此精锻生产线上可以完成取料、喂料和变换工

36、位等动作。图 2-3 机械手的工作流程图第三章 机械手结构设计3.1机械手手部设计3.1.1手部设计要求1、有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。2、有足够的开闭范围夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。3、力求结构简单，重

37、量轻，体积小手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。4、手指应有一定的强度和刚度5、其它要求因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用双作用档案活塞油缸。此种结构较为简单，制造方便。3.1.2手部结构设计本次设计采用的是滑槽杠杆夹持式手部，其手部是由手指、传动机构、驱动装置组成。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。采用两个手指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源采用液压的，通过滑槽实现手指的张开与闭合。

38、手部结构如图3-1所示： 图3-1 手部结构手部结构如图3-1所示，它主要由手架1，轴环2，拉紧轴3，左指座4，手指5，右指座6等组成。它属于滑槽杠杆夹持式手部。手指的开闭是靠轴环2带动拉紧轴3做往复运动而实现的。轴环与夹紧油缸活塞拉杆铰链连接，由活塞拉杆输入驱动力，通过手部去夹持锻坯。图中“张开”表示手指处于最大张开位置，此时夹紧油缸活塞拉杆处于最前端位置。在手指座端部装有手指，它能绕手指轴转动，以便锻坯直径变小后，手指夹持锻坯时使其中心位置的变化尽量最小。3.1.3 手部设计计算1、确定“V”型钳爪的L、。取L/Rop=2.5 式中： Rop= （3-1） =37.5mm 由公式（3.1）

39、（3.2）得：L=2.5Rop=93.75mm取“V”型钳口的夹角2=120，则偏转角按工业机械手设计表2-3来确定，查表得：=2、握力的计算依据手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），一般来说，手指握力需克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化时所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），使得工件保持良好的夹紧状态。握力的大小与被夹持工件的重量、重心位置、以及夹持工件的范围有关，我们把握力假想为作用在手指与工件接触面的对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，用FN表示,可按下式计算： （3-2） 其中、K1：安全系数，通常取1.2-2.0 K2：工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下

40、式估算 （3-3）其中、：重力方向运动最大加速度 ：重力方向的最大速度：系统达到最高速度的时间，一般取0.03s-0.5sg：重力加速度 g=9.8m/sK3：方位系数 根据手指形状及工件方位按工业机械手设计表2-2选取K3=4G：被抓取工件重力3、握力的计算 3.2手腕和夹紧机构设计3.2.1手腕设计要求1、力求结构简单，重量轻腕部处于臂部的最前端，连接手部的静动载荷均有臂部承受。显然，腕部的结构、重量、静动载荷直接影响臂部的结构、重量和运转性能。因此，设计腕部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，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求以及具有足够的

41、强度和刚度以外，还应综合考虑，合理布局。如何让解决好腕部与手部、臂部的连接，腕部自由度的位置检测，管线布置以及润滑、维修、调整等问题。3、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，在设计应考虑其工作环境对腕部的不良影响。3.2.2 手腕和夹紧油缸结构设计考虑到机械手的工作过程中手部要有回转运动，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。夹紧油缸为手指的张开、闭合提供动力。其结构如下图3-2图3-2 手腕和夹紧油缸手腕夹紧油缸由支承座1、夹紧油缸2、手腕回转油缸3、转套4、活塞拉杆5、隔离套6和转轴7组成。夹紧油缸装在支承

42、座上，支承座与手臂伸缩机构的中间架体用螺钉连接，当压力油分别进入夹紧油缸的有杆腔和无杆腔时，就推动活塞拉杆作往复运动输出动力，作为夹持式手部的动力源。手腕回转油缸3的两油孔分别进压力油时，推动回转油缸动片连同转套4一起回转，转套的端部通过牙嵌式联轴器把回转运动传递到轴7，转轴端部的法兰盘与手部用螺钉连接，故回转油缸3的动片和转套4的回转运动传递到轴7，实现手腕的回转。手腕回转油缸摆角可达230度，实际使用为180度，其位置检测由行程开关实现，并由挡块定位。为了使手部夹持热工件的手指远离油缸，采用隔离套6，减少了热锻件的热量对油液的影响，以保证油缸的正常工作和密封。3.2.3 手腕和夹紧油缸的设

43、计计算1、夹紧油缸的设计计算夹紧油缸作为作为机械手手指的动力源，为手指的张开、闭合提供动力。因此要具有一定的推动能力，这里选用的是双作用单杆活塞油缸，当压力油分别进入油缸的有杆腔和无杆腔时，推动活塞往复运动，从而带动机械手手指的开闭。当油液进入油缸有杆腔时，活塞杆带动手指张开，当油液从无杆腔进油时，活塞杆带动手指闭合。(1)理论驱动力计算的计算计算 （3-4）(2)实际驱动力实际的计算 取传递效率=0.85 实际=计算/ （3-5）=7805.1(3)油缸内径D的计算根据上面的计算可知，手指的开闭实际所需驱动力实际=7805.1，此驱动力由油液推动活塞带动活塞杆提供，所以有：Dp （3-6）根

44、据工业机械手设计表4-2选取油液压力p=2.2MPaD= 4实际/p （3-7）得油缸内径D根据工业机械手设计 表4-3选择油缸内径D=70mm。 （4）液压缸外径计算对于低压缸，,应按薄壁公式计算： （3-8）液压缸采用无缝钢管，查表可得=100Mpa查阅机械设计手册液压传动，选取液压缸外径。对缸壁厚度校核： （3-9）=8.6Mpa15d=525mm活塞杆材料为碳钢，碳钢的，活塞杆的受力：=8.1Mpa,即95.68 （3-24）得R=55mm,即是油缸内径D=110mm。（6）回转油缸外径计算对于手腕回转油缸，根据油缸的工作要求，查阅机械设计手册液压传动，选取外径=232mm。3.3 手

45、臂伸缩机构设计3.3.1 手臂伸缩结构设计手臂伸缩机构主要实现手臂的伸缩运动，这里采用的是双作用单杆活塞油缸的形式，具体结构情况如图3-3所示：图3-3 手臂伸缩机构该机构主要由活塞杆1、油缸体2、滑枕3、中间架体4、和油路5等组成。中间架体4的底部止口与中间座部件连接，滑枕3的右端与夹紧缸部分连接，油缸体2固定在滑枕3上，活塞杆1固定在中间架体4上，当压力油分别进入油缸的左右两腔时，油缸体2带动滑枕3在燕尾形导轨内实现手臂的往复运动，其行程大小由挡块和组合行程开关来确定，伸出端装有可调式定位螺钉，确保定位精度。手臂伸缩的导向装置采用燕尾形滑枕，导向性能好，手臂刚度大，工作时运动平稳。油缸的输

46、油管采用伸缩油管形式，可以保护油管，但工艺性较差。3.3.2 手臂伸缩油缸设计计算手臂伸缩油缸采用的是双作用单杆活塞油缸，以下就油缸和活塞杆的尺寸计算如下： 1、 伸缩液压缸的驱动力根据液压缸工作时需要克服运动件表面的阻力、密封处的摩擦阻力、回油腔油液的阻力和起动或制动时的惯性力，所以驱动力有： （3-25）（1）运动表面的摩擦阻力对于燕尾形导轨做导向至承，取摩擦系数=0.2当量摩擦系数=1.4=1.40.2=0.28 （3-26）假设参与运动的所有零部件总的质量为60kg，工件重60kgN （3-27）（2）密封处的摩擦阻力采用“O”形密封圈，简化计算时，可视作=0.03F （3）回油腔的油

47、液压力 回油腔与油箱相连，可视为与大气相连，故=0 （4）起动或制动时的惯性力 参与运动的零部件总重60kg，工件重60kg，伸缩速度0.233，启动时间取0.25sN （3-28）由以上计算可得：=329.28+0.03F+0+111.84由此可得驱动力F=454.76N2、 伸缩液压缸的内径计算手臂伸缩运动的驱动力由双作用单杆活塞油缸提供，活塞杆直径d，油缸内经D,取d=0.5D,油液压力取则油缸内径计算如下： （3-29）计算得D=77，经查表工业机械手设计表4-3，选取液压缸内径D=80mm3、 油缸外径的选择对于低压缸，,应按薄壁公式计算： （3-30）液压缸采用无缝钢管，查表可得=

48、100Mpa查阅机械设计手册液压传动，选取液压缸外径对油缸的壁厚校核：=0.56Mpa （3-31）由此可见工作压力远小于油缸的，故满足工作要求。4、 活塞杆尺寸的计算活塞杆直径d=0.5D=40mm活塞杆的强度校核:活塞杆的材料为45钢，杆长L约大于杆直径的15倍，所以：杆长L15d=600mm活塞杆材料为碳钢，碳钢的，活塞杆的受力： （3-41）取回转油缸内径D=130mm，轴与动片连接处的直径d=65mm，动片宽度b=110mm，由此可得： 3、 回转油缸内径计算根据 = （3-42）取d=0.5D, ，b=110mm，带入上式:=130mm （3-43）所以D=130mm，d=0.5D

49、=65mm3.5 中间座部件结构设计中间座部件作用是连接手臂升降机构和手臂伸缩机构的中间架体的中间部件，其结构如图3-5：图 3-5 中间座部件中间座部件结构如图3-5，齿圈1固定在支架4上，并与齿轮2啮合，齿轮2与手臂回转油缸的转轴固定连接，而回转油缸的壳体又固定在手臂伸缩机构的中间架体上，当回转油缸的转轴带动齿轮2自转时，因齿圈1固定，齿轮2除自转外，还绕着齿圈1做公转，致使手臂伸缩机构为一整体而回转，即手臂回转运动。回转油缸的壳体上装有行程减速阀，齿轮2断面上装有挡块3，当手臂回转时，行程减速阀与挡块相接触压断阀芯徐徐关断油路，实现手臂回转终点位置的缓冲。在支架4上装有连接架7，在开关座6上装有组合式行程开关，在手臂回转过程中靠碰块5触动组合式行程开关发出信号，控制手臂回转运动的位置，为使其精确定位，控制系统发出信号，使安装在手臂中间架体上的定位油缸动作，实现插销定位。3.6 手臂回转定位油缸如图3-6所示，手臂回转定位油缸是单作用缸，依靠弹簧复位，用螺钉和圆柱销固定在手臂伸缩机构的中间架体上，使手臂在水平面内回转得到精确定位。其结构简单，动作灵活可靠。 图3-6 手臂回转定位油缸3.7 手臂升降机构3.7.1 手臂升降机构结构设计根据设计要求需要机械手手臂能够实现升降运动，升降机构具体结构和工作原理如图3-7所示： 图 3-7 手臂升降机构如图，该机构