毕业论文多工位冲床专用机械手及送料机构设计

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1、辽 东 学 院 本 科 毕 业 论 文（设 计）多工位冲床专用机械手及送料机构设计Design of special Manipulator and Feeding mechanism for multi station punch学 生 姓 名： 学 院： 机电学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 Eastern Liaoning University独创性说明作者郑重声明：本毕业论文（设计）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得辽东学院或其他单位的学位或证书

2、所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：_ 日期：_ _ 多工位冲床专用机械手及送料机构设计摘 要随着我国工业生产的飞速发展，自动化程度迅速提高，工业机械手在近几十年里飞速发展。工业机械手是工业机器人的分支，其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的优点，尤其体现了人的智能和机器的适应性。本文首先介绍了工业机械手的概念以及国内外的发展状况，然后描述了机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标形式，并进行了手部结构的设计与校核，最后阐述了机械手的气动技术与继电器控制。该机械手是用于多工位冲床上加工零件，用机

3、械手向冲床自动上、下料，并实现半成品零件在七个工位之间的转换。机械手主要由气缸驱动，使手臂进行伸缩、横移和升降运动，并分别用液压缓冲器实现缓冲。本文在对机械手进行总体方案设计时，确定了机械手的坐标形式和自由度及其技术参数，同时设计了机械手的夹持式手部结构，机械手的手腕和手臂结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。该机械手采用PLC系统进行控制，在设计中绘制出了气压系统工作原理图和PLC控制器的控制程序。此种方式的机械手可以使不同工位进行同时加工，从而提高了劳动效率，而且也提高了生产精度，还降低了人员需求数量，从而减轻了劳动强度，并保证了劳动安全。关键词：机械手；多工位；气动

4、；电气控制- I -多工位冲床专用机械手及送料机构设计Design of special Manipulator and Feeding mechanism for multi station punchAbstractWiththerapid developmentofChinasindustrial production,thedegree of automation is increasing rapidly, theindustrialrobot, the rapid developmentin recent decades. Industrial robot isabranchoft

5、heindustrialrobotcan be programmed to complete a variety of expected operating tasks, both man and machine on the structure and performance of their respective advantages, especially human intelligence and adaptability.First ,this article of all introduce the industrial mechanical hand of the concep

6、t as well as domestic and international development status, then describe the manipulator constitute and classification of manipulator degrees of freedom and coordinates the form of a hand structure design and checking, the last described the robots pneumatic technology and relay control.The robot i

7、s used for punching processing parts, automatic robot to punch materials, and to achieve semi-finished parts in the conversion between seven working. The robot is driven by the cylinder, arm stretching, shifting, and lifting movement and hydraulic shock absorber buffer. The overall program design of

8、 the robot to determine the robots coordinate forms and degrees of freedom and its technical parameters, at the same time design a manipulator clamp hand structure manipulator wrist and arm structure, computing out of the turn of the wrist, the required driving torque and rotary cylinder drive torqu

9、e.The electrical controller of the robot adopts PLC control, drawing in the design of a pneumatic system schematic and PLC controller control program. This way the robot can make the different stations at the same time processing, there by improving the efficiency of labor, but also improve the accu

10、racy of production, and also reduces the number of personnel requirements, there by reducing the labor intensity, and to ensure labor safety.Key Words：Manipulator；Multi-station；Pneumatic；Electrical Control- 41 -目 录摘 要IAbstractII一、绪论1（一）工业机械手11工业机械手概述12工业机械手的应用与意义1（二）机械手的组成和分类21机械手的组成22机械手的分类3（三）工业机械

11、手的发展51工业机械手的发展历史52工业机械手的发展方向5二、机械手总体设计方案8（一）机械手的坐标形式与自由度81直角坐标机械手结构82圆柱坐标机械手结构83球坐标机械手结构84关节型机械手结构9（二）机械手手部结构总体方案设计91机械手的手爪结构方案设计92机械手的手腕结构方案设计103机械手的手臂结构方案设计114机械手驱动方案的选择125机械手气压驱动系统总体设计146机械手导向装置的选择157机械手平衡装置的选择168机械手的缓冲方案设计169机械手的主要参数18三、手部结构设计20（一）手指结构的设计201手指的形状和分类202设计时需注意的问题20（二）手部夹紧气缸的设计211手

12、部驱动力计算212气缸直径的计算223缸筒壁厚的设计23四、手臂伸缩、升降、横移的尺寸设计与校核25（一）手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核251手臂伸缩气缸的尺寸设计252手臂伸缩气缸的尺寸校核25（二）手臂升降气缸的尺寸设计与校核261手臂升降气缸的尺寸设计262手臂升降气缸的尺寸校核26（三）横移气缸的尺寸设计与校核271横移气缸的尺寸设计272横移气缸的尺寸校核27五、机械手的定位与平稳性29（一）常用的定位方式29（二）影响平稳性和定位精度的因素291定位方式292定位速度293精度294刚度295运动件的重量296驱动源297控制系统30（三）机械手运动的缓冲装置301选择最大加速度30

13、2计算沿运动方向作用在活塞上的外力303计算残余速度30六、机械手的电气控制系统设计31（一）机械手的气压传动系统31（二）机械手的电气控制系统321环形时序步进器332二极管矩阵34结 论37参考文献38致 谢39多工位冲床专用机械手及送料机构设计一、绪论（一）工业机械手1工业机械手概述机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的，模仿人手的部分动作，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，而工业机器人的高速研制更是促进了机械手的发展，使得机械手能更好的实现机械化与自动化的有机结合。在工业生产中应用的机械手被称为“工业

14、机械手”，它可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，也可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产，尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大1。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工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力量大的特点。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。2工业机械手的应用与意义机械工业中，机械手在铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例，尤其是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍，在其他部门如轻工业、建筑业、国防工业

15、等也均有所应用。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手相结合，构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适用于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，使加工系统或制造单元结构紧凑，适应性更强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新换代，适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。综上所述，在机械工业中应用机械手的意义可以概括如下：(1)提高生产过程中的自动化程度。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，使生产线的自动化程度提高，从而降低生产成本，提高劳动生产率。(2)改善劳动条

16、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，而机械手可部分或全部代替人工，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，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。(3)减轻人力，便于有节奏的生产。机械手代替人进行工作，可直接减少人力，同时由于机械手可以连续的工作，这也是减少人力的一种体现。因此，在自动化机床的综合加工线上，更适合机械手的加入，而且机械手可以更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的生产。目前我国的工业机械手技术及其工程应用

17、的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发将直接影响到我国自动化生产水平，从经济与技术方面考虑都十分必要。所以，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。（二）机械手的组成和分类1机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置组成。各系统相互之间的关系如图1.1所示。图1.1 机械手的组成方框图(1)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。手部，即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式，在本次设计中我采用了夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构构成。手指是与物件直接接触的部件，常

18、用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸，手指有外夹式和内撑式，常用的指形有平面、V形面和曲面，指数有双指式、多指式和双手双指式等。传力机构通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务，其型式较多，有滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位。手臂是支撑被抓物件、手部

19、、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。立柱是支撑手臂的部件，它也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。当工业机械手需要完成较远距离的操作或扩大使用范围时，可在机座上安装行走机构以实现工业机械手的整机运动。行走机构大体可分为滚轮式与轨道式两种，而滚轮式亦分有轨和无轨两种。驱动滚轮运动应另外增

20、设机械传动装置。机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(2)驱动系统驱动系统是驱动机械手执行机构运动的动力装置，由调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压驱动、气压驱动、电动机驱动和机械驱动。(3)控制系统控制系统是支配机械手按规定要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间等)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视

21、，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(4)位置检测装置位置检测装置的作用为控制机械手执行机构的运动位置，随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。2机械手的分类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)按用途分，机械手可分为专用机械手和通用机械手两种。专用机械手是附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。它具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量自动化生产，如自动机床的上、下料机

22、械手。通用机械手是一种具有独立控制与驱动系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手，在性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用。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的自动化生产。通用机械手按其控制定位方式的不同可分为简易型和伺服型两种，简易型以“开关”式控制定位，只能是点位控制；伺服型具有伺服定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(2)按驱动方式分，机械手可分为液压传动机械手、气压传动机械手、机械传动机械手和电力传动机械手。液压传动机械手是以液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是抓

23、重可达几百公斤以上，传动平稳、结构紧凑、动作灵敏，缺点是对密封装置要求严格，否则油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，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，则可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。气压传动机械手是以压缩空气来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低，缺点是由于空气具有可压缩的特性，所以机械手工作速率的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30kg以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适合在高速、轻载、高温和粉尘大的环境中工作。

24、机械传动机械手是由机械传动机构(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，缺点是结构较大，动作程序不可变。电力传动机械手是由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机械手。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、行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但很有发展前途。(3)按控制方式分，机械手可分为点位控制机械手和连续控制机械手两种。点位控制机械手的移动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中

25、几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然使电气控制系统变的越加复杂。目前大多数的专用和通用工业机械手均属于此类。连续轨迹控制机械手的运动轨迹为空间的任意连续曲线。其特点是设定点为无限，整个移动过程均处于控制之下，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。（三）工业机械手的发展1工业机械手的发展历史机械手是在早期就有的古机关人基础上发展起来的，我国古代的机关人制造者是最早研究有关机械手、关节活动等问题的。现代机械手的研究始于20世纪中期。随着计算机技术的发展，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，也为机械手的开

26、发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这样的背景下，1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手，它的结构是在机体上安装一个回转长臂，并在长臂顶部装配了工件抓放机构，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，手臂可以回转、俯仰、伸缩、使用液压驱动，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来的。同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran的机械手，该机械手的中央立柱可以回转、升降，采用液压驱动，控

27、制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unima公司与斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，通过小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1mm。联邦德国KnKa公司也研制出一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。近六十年发展起来的机械手，大致经历了三个时代。第一代为简单个体机械手，属于示教再现型 , 第二代为群体劳动机械手，其具备了感觉能力 ,第三代为类似人类的智能机械手，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力。2工业机械手的发展方向目前，国内的机械手发展迅速，归结起来

28、，大都朝着高精度、模块化、节能化和机电一体化这四个方向发展。(1)高精度精度是指机械手达到指定点的精确程度，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次数多，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，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范围，它通过一定次数地重复运行机械手来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，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。(2)模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的

29、机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手与组合导向驱动装置相比，拥有更灵活的安装体系，使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械手可能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，是机械手的一个重要的发展方向。(3)节能化为了适应食品、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，新型材料的出现，用构造特殊、自润滑材料制造的无润滑元件组成的机械手，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。(4)机电一体化由“可编程控制器传感器液压元件”组成的典型控制系统仍然是自动化技术发展的重要方向，发展

30、与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制” 。节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，如今电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在不断增大，由PLC直接控制线圈也变得越来越可能。在国外，一些国家正在研究具有某种智能的机械手，它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作出相应的变更，如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测。此种机械手的研究重点是视觉功能和触觉功能，目前已经取得一定成绩。视觉功能是在机械手上安装电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作时电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传输

31、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件，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的目的。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，从根本上改变目前机械制造系统的人工操作状态。二、机械手总体设计方案（一）机械手的坐标形式与自由度工业机械手的结构形式如图2.1所示，主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结

32、构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：图2.1 机械手的四种坐标形式1直角坐标机械手结构 直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2.1a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手有可能达到很高的位置精度（um级）。但是，这种直角坐标机械手的运动空间相对机械手的结构尺寸来讲，是比较小的，因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型的机械手的结构尺寸大得多。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体。主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2圆柱坐标机械手结构圆柱坐标机械手的空间运动是用一个

33、回转运动及两个直线运动来实现的，如图2.1b。这种机械手构造比较简单，精度尚可，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。3球坐标机械手结构球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2.1c。这种机械手结构简单，成本较低，但精度不是很高。主要应用于搬运作业，其工作空间是一个类球形的空间。4关节型机械手结构关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2.1d。关节型机械手动作灵活，结构紧凑，占地面积小，相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机械手。关节型机械手结构，有水平关节型和

34、垂直关节型两种。由于本机械手在工作时手臂具有伸缩、横移和升降运动，符合直角坐标形式，因此，采用直角座标型机械手结构。机械手的自由度以及运动示意图如图2.2所示。图2.2 机械手的运动示意图（二）机械手手部结构总体方案设计1机械手的手爪结构方案设计目前，国内外机械手的手部结构通常有5种，分别为楔块杠杆式手爪、滑槽式手爪、连杆杠杆式手爪、齿轮齿条式手爪和平行杠杆式手爪。(1)楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。(2)滑槽式手爪当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适合抓取大小不同的物体。(3)

35、连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，手爪有可能产生较大的夹紧力，通常与弹簧联合使用。(4)齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。(5)平行杠杆式手爪这种手爪采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。本机械手采用的是连杆杠杆式手爪。2机械手的手腕结构方案设计机械手的手腕结构在设计时应遵循以下原则：(1)机械手手腕的自由度，应根据作业需要来设计。机械手手腕自由度数目越多，各关节的运动角度越大，则机械手腕部的灵活性越高，机械

36、手对作业的适应能力也越强。但是，自由度的增加，也必然会导致其腕部结构更加复杂，使机械手的控制变得更困难，成本也会增加，因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少，一般机械手手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机械手手腕不需要自由度，仅凭手臂和腰部的运动就能完成作业任务，所以要具体问题具体分析，考虑机械手的多种布局和运动方案，选择满足要求的最简单的方案。(2)机械手腕部安装在机械手手臂的末端，在设计机械手手腕时，应尽量减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机械手腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手

37、臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。(3)机械手手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。(4)机械手的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。(5)要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。(6)手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。机械手的手臂运动，给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机械手手臂末端的手腕，则给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机械手手腕是机械手操作机的最末端，它与机械手手臂配合运动，实现安装在手腕上末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态

38、，完成所需要的作业动作。考虑到机械手的优化，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕不设回转运动仍可满足工作的要求。3机械手的手臂结构方案设计机械手手臂的作用是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械手所要求工作空间内的运动。在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则；(1)应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行，相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。(2)机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手手腕的姿

39、态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。(3)为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构和材料上减轻手臂的重量。机械手在高强度轻质材料的选择上，通常选用高强度铝合金制造机械手手臂。目前在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法仍然是进行机械手手臂结构的优化设计，在保证所需强度与刚度的情况下，减

40、轻机械手手臂的重量。(4)机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有可靠的便于调整的轴承间隙调整机构。(5)机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂上的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。(6)机械手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关，具有一定缓冲能力的机械限位块，驱动装置，传动机构及其它元件的安装。本设计按照工件的直径为50mm来设计，结合具体的工作情况，本设计采用连杆

41、杠杆式的手爪。通过驱动活塞往复移动，活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调节。手爪的结构如图2.3所示：图2.3 机械手手爪结构图4机械手驱动方案的选择工业机械手的驱动系统，按动力源可分为液压、电动和气动三大类，根据需要也可将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下：(1)液压驱动系统由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适合于在承载能力大，惯量大的环境下工作的机械手。相比于液压驱动系统的优点，其缺点同样很多：液压传动在工作过程中常有较多的能量损失

42、(摩擦损失、泄露损失等)，液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。(2)电动驱动系统电动驱动系统由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）而在机械手中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活，但大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆

43、的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机械手中也被广泛的使用。(3)气动驱动系统气动驱动系统适用于中、小负荷的机械手，它有如下优点：介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器且介质清洁，管道不易堵，不存在介质变质及补充的问题。阻力损失和泄漏较小。在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动

44、控制。能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动及其控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动和控制性能。成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。气动驱动系统的缺点在于实现伺服控制较困难，所以多用于程序控制的机械手中，如在上、下料和冲压机械手中应用较多。另外，传统观点认为:气体具有可压缩性。因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下) 2。此外，气源工作压力较低

45、，抓举力较小，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。设计机械手时，驱动系统的选择，要根据机械手的用途、作业要求、性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下：物料搬运（包括上下料）使用有限点位控制的程序控制机械手，重负荷的选择液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机械手多采用气动驱动系统。用于点焊和弧焊及喷涂作业的机械手，要求具有点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系

46、统。只有液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机械手多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机械手一般选用液压驱动系统。由于本次设计的机械手为多工位冲床上下料机械手，抓重为5kg，属于轻负荷，且气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉，故应选择气动驱动系统。5机械手气压驱动系统总体设计气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式点位控制或有限点位控制的中、小机械手作业。这类机械手多是圆柱坐标型、直角坐标型或二者的组合型结构；3-5个自由度；负荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重复定位精度为0.5mm。控制装置目前多数选用可编程控制器（PLC）。在

47、易燃、易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统大体由以下几部分组成。(1)气源由压缩空气站提供。气源部分包括空气压缩机，储气罐，气水分离器，调压器，过滤器等。如果没有压缩空气站，可以按机械手及其配套的其他气动设备的需要，配置相应供气量的气源设备。(2)气动三联件由分水滤气器，调压器，油雾器三大件组成，可以是分离式，也可以是三联组装式的，多数情况下用三联组装式结构。不论是由压缩空气站供气还是用单独的气源供气，气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器，但是一般情况下，建议在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦，增加气缸使用寿命。(3)气动阀气动阀的种类很多，在工业机械手的气动

48、驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。(4)气动执行机构多数情况下使用气缸（直线气缸或摆动气缸）。直线气缸分单动式和双动式两类，除个别用单动式气缸外（如手爪机构上用的），多数采用双动气缸。为实现端部缓冲，要选用双向端点缓冲的气缸。气缸的结构形式以及与机械手机构的连接方式（如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接，气缸杆的螺纹连接或铰接等）由设计机械手时根据结构要求而定。气缸的内径，行程大小可根据对机械手的运动分析和动力分析进行计算。为了确保气缸的密封要求，同时又要尽量降低摩擦力，密封材料要选用橡胶和氟化塑料组合的密封环。无接触感应式气缸目前在气动系统中已获得广泛的应用，这种气缸在

49、活塞上装有永久磁铁的磁环，通过磁感应，使在气缸外面安装的非接触磁性接近开关动作发讯，进行位置检测。除了直线气缸外，机械手中用得比较多还有有限角摆动气缸，这种摆动缸多用于手腕机构上。(5)制动器气动机械手的定位问题很大程度上是如何实现停点的制动。气缸活塞的允许运动速度达1.5m/s，如果以1m/s的速度计算，电磁气阀以较大关闭时间70ms计，那么气缸活塞两个停点的距离约为70mm，两个停点的步长应大于这个数值。对于小流量的电磁气阀，吸合关闭时间较小，停点的步长也要相应缩短。因此对机械手一个单自由度而言，停点数目最多6-9个，为增加定位点数，除采用多位置气缸外，可采用的制动方法还有：反压制动，制动

50、装置制动。(6)限位器气动机械手各运动轴的制动和定位点到位发讯，可由编程器发指令，或由限位开关发讯。根据要求和条件，如果选用无接触感应式气缸，其限位开关是无接触接近开关，这种开关的反映时间小于20ms，在机械手中应用比较理想。当气缸活塞运动到定位点时，为保证定位精度，需要将运动轴锁紧，常用的限位机构是由电磁阀控制的气缸带动锁紧机构（插锁，滑块等）将机械手运动机构锁定，再启动时，先打开锁紧机构。6机械手导向装置的选择气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，保证手指的正确方向，活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，所以在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式

51、应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。7机械手平衡装置的选择通常，机械手所采用的平衡机构主要有以下几种：(1)配重平衡机构这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机械手手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机械手手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。(2)弹簧平衡机构弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。(3)活塞推杆平衡机构活塞式平衡系统有液压和

52、气动两种：液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好，用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手爪一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。8机械手的缓冲方案设计(1)采用气缓冲气缸气缸在行程末端的运动速度较大时，仅靠缓冲垫已不足以吸收活塞对端盖的冲

53、击力，可在缸内设置气缓冲装置7。使用气缓冲气缸的大都是小缸径长行程气缸，没有缓冲阀，在端盖上开有很小的横节流孔。当活塞运动到行程末端，由于排气不畅而形成较大背压，可起到气缓冲作用，这种结构称为不可调气缓冲气缸。但对于运动件质量大、运动速度很高的气缸，仅靠气缓冲不能完全吸收过大的冲击能。(2)采用缓冲回路采用缓冲回路就是当气缸伸出或缩回接近行程末端时，利用机控阀或电磁阀使气缸的排气通道转换到另一个流量更小的排气回路，通过更大的排气阻力降低气缸的速度，达到缓冲的效果。(3)直接利用气缸作为缓冲元件直接利用气缸作为缓冲元件，对气缸和活塞造成很大的损耗，所以不适用运动件质量大、运动速度高的机械手。(4

54、)采用橡胶减振垫橡胶减震垫一般采用天然橡胶和氯丁橡胶，要求耐油的采用丁腈橡胶，要求耐高低温的采用硅橡胶，要求高阻尼的采用丁基橡胶。橡胶减震垫通常做成支承或连接件，大多为橡胶与金属复合制品，有双板式、圆柱式、片式等多种形式，广泛用于各种车辆、船舶、机械、仪器仪表、桥梁、建筑中，用以消除或减缓震动的不良后果。(5)采用液压缓冲器液压缓冲器作用：在自动化机械中减少震动及噪音，将移动中物体所产生之动能转换为热能并释放于大气中，在动作中将物体平衡有效的停止；使机械提高效率增加产能；使机器寿命延长降低维修成本；使机械动作稳定维修产品品质；使机器的操作更安全，避免意外；使工作环境发送提高人员效率，增加企业的

55、竞争优势。 液压缓冲器的主要结构为：本体、轴心、轴承、内管、活塞、液压轴、弹簧等组成。当轴心受外力冲击将带动活塞挤压内管的液压油，液压油受压后将由内管的排油孔一一排出，同时经内管排出的液压油也由内管的回油孔回流到内管；当外力消失时，弹簧将活塞弹回始点等待下次的动作。所以，液压缓冲器能把移动中的物体有效的停止。除此之外，液压缓冲器还有消除非机械运动的震动和碰撞破坏等冲击；大幅减少噪音，提供安静之工作环境；加速机械作动频率，增加产能；高效率生产高品质产品；延长机械寿命，减少售后服务等优点。综上所述，本设计采用液压缓冲器作为机械手的缓冲机构。液压缓冲器的结构如图2.4所示。图2.4 液压缓冲器结构图

56、9机械手的主要参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为5。运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低会限制它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为0.1m/s，平均移动速度为0.08m/s，除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程、横移行程和升降。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的运动行程，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自

57、动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的参数：伸缩行程定为100mm,横移行程为150mm，升降行程定为30mm，伸缩速度为40mm/s，升降速度为60mm/s，最大中心高度为1250mm。 该机械手的自由度为3个，坐标形式为直角坐标，手指夹持范围为棒料：80mm150mm，定位方式为固定挡块或可调机械挡块，定位精度为0.5mm，驱动方式为气压驱动，控制方式为继电器控制。三、手部结构设计（一）手指结构的设计1手指的形状和分类由于本次设计的冲床工件为圆柱形，所以机械手选择夹持式结构。夹持式是机械手最常见的一种形式，手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其中常用的有两指式、多指式和双手双

58、指式，按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种；按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指，同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型10。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，其优点是当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。2设计时需注意的问题(1)具有足够的夹紧力在确定手指的夹紧力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程

59、中所产生惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(2)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(3)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(4)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，所以应尽量使结构简单紧凑，

60、自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小。(5)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如图3.1所示。图3.1 机械手手部结构图（二）手部夹紧气缸的设计1手部驱动力计算设工件重量M=5kg，V形手指的角度，,摩擦系数为， 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:所以 实际驱动力: 因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取若被抓取工件的最大加速度取时，则： 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。2气缸直径的计算本气缸属于单向作用

61、气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为: 式中: - 活塞杆上的推力，N- 弹簧反作用力，N- 气缸工作时的总阻力，N- 气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算:式中:-弹簧刚度，i- 弹簧预压缩量，m- 活塞行程，m- 弹簧钢丝直径，m- 弹簧平均直径，m- 弹簧有效圈数，- 弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则:由以上分析得单向作用气缸的直径:代入有关数据，可得所以:查有关手册整圆，得由,可得活塞杆直径:整圆后，取活塞杆直径校核，按公式有:其中，则:满足实际设计要求。3缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空

62、气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:式中:- 缸筒壁厚，mm- 气缸内径，mm- 实验压力，取材料为:ZL3，=3MPa代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为: 四、手臂伸缩、升降、横移的尺寸设计与校核（一）手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核1手臂伸缩气缸的尺寸设计带动手臂伸缩、升降、横移所采用的气缸均为CTA系列标准气缸，结合本设计的实际要求尺寸系列初选内径为63，外径为100，半径R=31.5mm，设计使用压强为0.4MPa。CTA系列气缸具体结构见图4.1。图4.1 气缸结构图2手臂伸缩气缸的尺寸校核在校核尺寸时，只需校核气缸内径=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强。 则驱动力： 测定手腕质量为50kg,设计加速度，则惯性力考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数, 总受力 所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。（二）手臂升降气缸