注塑机取件机械手的设计

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1、编号 本科生毕业论文注塑机取件机械手设计Design Of Manipulator For Injection学 生 姓 名徐天专 业机械电子工程学 号090321218指 导 教 师褚剑峰学 院机电工程学院二一三年六月 长春理工大学本科毕业论文 毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）注塑机取件机械手设计，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要

2、贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 年 月 日长春理工大学本科毕业论文 摘 要在当今大规模制造业中，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，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐

3、被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运、取件以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。本文将设计一台三自由度的工业机器人，用于给注塑机取出成品。 关 键 词：机器人 气缸 注塑机 结构设计IIAbstract In order to enhance the efficiency of production and guarantee the quality of products,more attention has been paid to the automati

4、on in the process of production in the modern manufacturing industry with large scale.Therefore,industrial robots are gradually appproved and adopted by enterprises as an important part in the automation production line.To some extent,the technical level and application of industrial robots have ref

5、lected on the automation level in national industries.At present,they mainly undertake such jobs mostly in playback way as welding,spraying,transporting taking and stowing,which are usually done repeatedlywith high work strength.In the thesis,an industrial robot with three DOFS will be designed to r

6、emove the finished molding machine.Key words: android;cylinder;injection machine;structural design目 录摘 要IAbstractII第1章 前言11.1 机器人概述11.2 机器人的历史、现状11.3 机械手的组成和分类31.3.1机械手的组成31.3.2机械手的分类41.4 机器人发展趋势6第2章 机械手设计方案82.1 机械手基本形式的选择82.1.1 直角坐标型机器人82.1.2 圆柱坐标型机器人82.1.3 极坐标型机器人82.1.4 多关节机器人82.2 驱动装置的选择92.2.1 液压

7、驱动102.2.2 气压驱动102.2.3 电动机驱动102.2.4 气动机械手概述112.2.4 气动机械手概述12第3章 引拔设计133.1 设计参数133.2 方案设计133.3 引拔机构结构设计133.3.1 引拔气缸参数计算133.3.2 附加导向杆机构设计14第4章 机械臂的设计164.1 设计参数164.2 方案设计164.3 机械臂气缸的选用164.3.1 预选气缸的缸径164.3.2 预选气缸行程164.3.3 验算缓冲能力174.3.4 活塞杆长度的验算174.3.5 计算气缸的空气消费量174.3.6 选择活塞杆端部接头174.3.7 选择气缸的品种和安装形式17第5章

8、横行的设计185.1 设计参数185.2 方案设计185.3 横进气缸的选用185.4 导轨设计19第6章 机械手结构设计206.1 夹持器设计的基本要求206.2 夹紧装置设计206.2.1 夹紧力计算206.2.2 驱动力计算216.2.3 气缸驱动力计算216.2.4 选用夹持器气缸216.2.5 手爪的夹持误差及分析226.2.6 楔块等尺寸的确定246.2.7 材料及连接件选择27第7章 气动顺序动作的确定28结 论29参考文献30致 谢31II编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第- 30 -页 共37页第1章 前言1.1 机器人概述在现代工业中，生产

9、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。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置

10、。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图1-1所示。图1-1 机器人的一般组成1.2 机器人的

11、历史、现状 机器人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器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。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，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。 第三代机器人（机器人）则能独立

12、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FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，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。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危

13、险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。 在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它

14、自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划

15、地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。1.3 机械手的组成和分类1.3.1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等所组成。(一)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。1、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手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常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，

16、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。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有: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。为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。2、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(即姿势)为

17、了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、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。按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有四个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。4、立柱

18、立柱是支承手臂的部件，立柱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。5、行走机构 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，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座 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。(二)驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、

19、气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。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)，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，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(三)控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。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

20、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)，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，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并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.1.3.2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。(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

21、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。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，也可以实现连续轨控制；同时还可分

22、为伺服型和一般型的机械手，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，

23、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

24、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。1.4 机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单

25、元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作

26、规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。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。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之一。新世纪，生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用

27、很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故。在机械工业中，机械手的应用具有以下意义：可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。可以改善劳动条件、避免人身事故在高 温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，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地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。同时，在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人

28、手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3.可以减少人力，便于有节奏的生产应用机械手代替人手进行工作，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地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。 第2章 机械手设计方案 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，如图2-1所示：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）极坐标型机械手；(4)多关节型机械手。2.1.1 直角坐标型机器人 直角坐标型机器

29、人，它在x,y,z轴上的运动是独立的，3个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是： (1)在三个直线方向上移动，运动容易想象。 (2)计算比较方便。 (3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。 (4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。 (5)要求有较大的平面安装区域。 (6)滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。2.1.2 圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人，R、和x为坐标系的三个坐标，其中R是手臂的径向长度，是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。这种形式的主要特点是：(1)容易想象和计算。(2

30、)能够伸入形腔式机器内部。(3)空间定位比较直观。(4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。(5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。2.1.3 极坐标型机器人 极坐标型机器人又称为球坐标机器人，R，和为坐标系的坐标。其中是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，是手臂在铅垂面内的的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是： (1)在中心支架附近的工作范围较大。 (2)两个转动驱动装置容易密封。 (3)覆盖工作空间较大。 (4)坐标系较复杂，较难想象和控制。 (5)直线驱动装置仍存在密封问题。 (6)存在工作死区。2.1.4 多关节机器人 多关节机器人，它是

31、以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。、和为坐标系的坐标，其中是绕底座铅垂轴的转角，是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是：(1)动作较灵活，工作空间大。(2关节驱动处容易密封防尘。(3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。(4) 适合于电动机驱动。(5)运动难以想象和控制，计算量较大。(6)不适于液压驱动。 直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型 多关节型 图2-1 工业机械手基本结构形式本课题要求机械手为直角坐标型.2.2 驱动装置的选择机器人关节的驱动方式有液压

32、式、气动式、和电动式。下面将三种驱动方式进行分析比较。2.2.1 液压驱动机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点：(1)液压容易达到较高的压力（常用液压为2.56.3MPa），体积较小，可以获得较大的推力或转矩；(2)液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度；(3)液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；(4)液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。液压传动系统的不足之处是：(1)油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃爆炸等危险；(2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高；(3

33、)需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则引起故障。液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。2.2.2 气压驱动与液压驱动相比，气压驱动的特点是：(1)压缩空气粘度小，容易达到高速；(2)利用工厂集中的空气压缩站供气，不必添加动力设备；(3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；(4)气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。它的不足之处是：(1)压缩空气常用压力为0.40.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大；(2)空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难；(3)压缩空气的除水

34、问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。气动式驱动多用于点位控制、抓取、开关控制和顺序控制的机器人。2.2.3 电动机驱动电动机驱动可分为普通交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。 普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交、直伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。2.2.4 气动机械手概述气动机械手由操作机

35、(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。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

36、器可长时间持续工作、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各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.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”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率: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。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交

37、通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。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。对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工

38、序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.由于气压驱动气源容易获得，无污染，,故本设计确定选用气压驱动。2.2.4 气动机械手概述气动机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的

39、快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。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各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.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

40、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”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率: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。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。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

41、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。对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并

42、能实现柔性转换和编程控制.第3章 引拔设计3.1 设计参数（1）伸缩长度：160mm；（2）单方向伸缩时间：12S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm；（4）前端安装机械臂连接块，伸缩终点无刚性冲击；3.2 方案设计气动驱动方案伸缩原理采用单出杆双作用气动油缸，手臂纵向移动时采用单向调速阀进行节流调速，接近终点时，发出信号，进行调速缓冲，靠气缸行程极限定位，采用附加导向杆防止转动，采用电液换向阀，控制伸缩方向。1、引拔 2、小型导向气缸 3、机械臂连接块 4、附加导向杆图3-1 引拔示意图3.3 引拔机构结构设计3.3.1 引拔气缸参数计算预选气缸的缸径及缸桶壁厚:根据气缸的负载

43、状态，确定气缸的轴向负载力F。取=0.2 F=W=0.2*300=60（N） （3-1）【6】根据负载的运动状态，预选气缸的负载率。取=50%根据气源供气条件，确定气缸的使用压力p。p应小于减压阀进口压力的85%。已知F,和p，对双作用气缸，预选杆径与缸径之比d/D=0.30.4，由式（3-2）至式（3-4），便可选定缸径D，缸径D的尺寸应标准化. （3-2）【6】 （3-3）【6】 (3-4) 【6】解得D17.66 考虑到气缸的行程比较长缸径D取。缸桶壁厚可根据薄壁筒的计算公式计算： (3-4) 【6】式中D为缸筒内径(cm)，p为缸筒承受的最大气压力(MPa)，为缸筒材料的需用应力（MP

44、a）。缸筒壁厚的实际取值，对于一般用途气缸约取计算值的7倍，再圆整到标准管材尺寸，这里b取10mm。预选气缸行程：根据气缸的操作距离及传动机构的行程比预选气缸行程为160mm。验算缓冲能力：根据气缸的运动状态是输出拉力、负载率=50%、气缸的行程L=160mm和气缸的动作时间t=1.5s,由气动手册P293图9-7可查得气缸的理论基准速度=700.由表9-20，可查得气缸的最大速度与理论基准速度之比a值为0.9，从而求的气缸的最大速度=630。查得气缸的负载质量M和最大速度的交点在预选气缸缸径的缓冲曲线之下，表示负载运动的动能小于气缸允许吸收的最大能量，所以该预选缸径的缓冲能力满足要求。活塞杆

45、长度的验算：查气动手册CG1系列气缸活塞杆受轴向压力而不失去稳定性的最大行程为290mm大于要求行程160mm，故满足要求。计算气缸的空气消费量：该气缸的空气消费量为选择气缸的品种和安装形式：长沙华德液压气动有限公司生产的QGCXDH（Q）系列小型导向杆式气缸QGCXDH20-200能满足要求。选择磁性开关：根据表10-15可查的磁性开关的品种及安装方式为采用钢带固定的有触点舌簧型D-C73L，采用直接出线式的接线方式，导线长为3m。选择活塞杆端部联结形式：采用螺钉连接。3.3.2 附加导向杆机构设计附加导向机构的作用：附加导向机构的作用是保证气缸缸活塞杆伸出时机械臂连接块的方向性，提供机构刚

46、度，保证伸缩量的准确性。导向机构的外形尺寸及材料：导向选择钢管导向，钢管为引拔上的一部分，经配合连接而成；机械臂连接块则在其上滑动且其的引拔端部靠近部分。材料选择为45号钢.，如图3-2所示：1、导向钢管 2、端部顶板 3、螺母图3-2 附加导向杆引拔范围控制与调整：引拔伸缩范围控制靠行程开关，保证把工件精确地取出。行程开关使用LXW4-11型微型开关。图3-3 LXW4-11型微型开关第4章 机械臂的设计4.1 设计参数（1）伸缩长度：550mm；（2）单方向伸缩时间：2.53.5S；（3）前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击；4.2 方案设计气动驱动方案伸缩原理：采用单出杆双作用液压油缸，手

47、臂伸出时采用单向调速阀进行调速，接近终点时，发出信号，进行调速缓冲，靠气缸行程极限定位，采用电磁换向阀，控制伸缩方向。4.3 机械臂气缸的选用4.3.1 预选气缸的缸径根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载力F。 取=0.8 F=W=0.8*100=80（N） （4-1）【6】根据负载的运动状态，预选气缸的负载率。 取=50%根据气源供气条件，确定气缸的使用压力p。p应小于减压阀进口压力的85%。已知F,和p，对双作用气缸，预选杆径与缸径之比d/D=0.30.4，由式（4-2）至式（4-4），便可选定缸径D，缸径D的尺寸应标准化. (4-2) 【6】 （4-3）【6】 (4-4) 【6】解得D

48、17.75 考虑到气缸的行程比较长缸径D取。缸桶壁厚可根据薄壁筒的计算公式计算： (4-5) 【6】式中D为缸筒内径(cm)，p为缸筒承受的最大气压力(MPa)，为缸筒材料的需用应力（MPa）。缸筒壁厚的实际取值，对于一般用途气缸约取计算值的7倍，再圆整到标准管材尺寸，这里b取10mm。4.3.2 预选气缸行程根据气缸的操作距离及传动机构的行程比预选气缸行程为550mm。4.3.3 验算缓冲能力根据气缸的运动状态是输出拉力、负载率=50%、气缸的行程L=550mm和气缸的动作时间t=2s, 由气动手册P293图9-7，可查得气缸的理论基准速度=500.由表9-20，可查得气缸的最大速度与理论基

49、准速度之比a值为0.95，从而求的气缸的最大速度=475。查的气缸的负载质量M和最大速度的交点在预选气缸缸径的缓冲曲线之下，表示负载运动的动能小于气缸允许吸收的最大能量，所以该预选缸径的缓冲能力满足要求。4.3.4 活塞杆长度的验算查气动手册关于CG1-气缸活塞杆受轴向压力而不是去稳定性的最大行程为600mm大于要求行程550mm，故满足要求。4.3.5 计算气缸的空气消费量该气缸的空气消费量为4.3.6 选择活塞杆端部接头选择活塞杆的端部接头，因需要避免工件与活塞杆的轴向偏心而得出采用法兰型。4.3.7 选择气缸的品种和安装形式CM系列小型可缓冲气缸CM40-600F1-SK2 .安装形式为

50、前端法兰式图4-1 CM40-600F1-SK2气缸第5章 横行的设计5.1 设计参数（1）横行长度：1000mm；（2）单方向伸缩时间：3.54.5S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm；（4）缸体与引拔连接推动引拔左右移动，伸缩终点无刚性冲击；5.2 方案设计气动驱动方案伸缩原理：因为横行长度达到了1000mm，故考虑采用采用无杆气缸驱动。无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆，它利用活塞直接实现往复运动。这种气缸最大优点是节省安装空间，特别适用于小缸径长行程的场合。结构设计：基体部分做成肋板形式与基座相连，减少横行部分的总体质量，横行面上采用导轨形式，进行横向定位并承受机械手重量

51、，采用三位五通电磁换向阀，控制横进方向。如图5-11、无杆气缸 2、导轨 3、基座图5-1 横行基座5.3 横进气缸的选用本次横进气缸预选AMR系列的磁耦式无杆气缸根据导向精度、最大允许负载和最大允许力矩选用无杆气缸的系列和缸径。最大允许负载和最大允许力矩与导向型式、受力姿势、活塞运动和缸径有关。由于考虑气缸不能承受大的集中载荷，故在气缸两侧设立2个导轨代替气缸承受机械臂的质量，故气缸的承受载荷不予虑。因为横进系统的额定最大行程为1000mm，根据AMR系列的行程如表1由于气缸的推力F等于导轨与重物的摩擦力，已知重物的质量约为1600N，导轨的摩擦系数0.002-0.003,所以预选气缸缸径为

52、，因为气缸的工作压力为0.49MPa由图5-2查的本气缸的理论输出力为220N，满足系统要求。表1 ANR系列行程图AMRBAMRG101050500mm50500mm161650500mm50700mm20201001500mm1001500mm25251001500mm1001500mm32321002000mm1001500mm40401002000mm1001500mm图5-2 理论输出力图确定该行程的气缸为AMR25-1000。5.4 导轨设计钢:一般用寻轨：45钢、40Cr、T8A、T10A、GCr15、GCr15SiMn等表面淬火或全淬；要求高的导轨，常采用20Ce、20CrMn

53、Ti、15钢等，渗碳淬硬到5662HRC，磨削加工后淬硬深度不低于1.5mm;两条导轨一条采用矩形截面一条采用三角形截面，在横向定位的同时也降低安装精度。第6章 机械手结构设计6.1 夹持器设计的基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；（2）手指应具有一定的开闭范围；（3）应保证工件在手指内的夹持精度；（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；（5）应考虑通用性和特殊要求。设计参数及要求（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松；（2）所要抓紧的工件直径为80mm 放松时的两抓的最大距离为110-120mm/s ， 1s抓紧,夹持速度20mm/s；（3）工件的材质为2kg；（4）夹持器有足够的夹持

54、力；（5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由气缸提供动力。6.2 夹紧装置设计6.2.1 夹紧力计算手指夹在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，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夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： （6-1）【4】式中：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1.5；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, ，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）；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，

55、手指与工件位置：手指垂直放置 工件水平放置；手指与工件形状： 型指端夹持圆柱型工件，为摩擦系数，为型手指半角，此处粗略计算, G被抓取工件的重量求得夹紧力，取整为120N。6.2.2 驱动力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式： （6-2）【4】 式中：c滚子至销轴之间的距离；b爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角可得，得出F为理论计算值，实际采取的气缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.80.9，此处取0.88，则： ，取6.2.3 气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，气缸为单作用缸，提供推力： （6-3）【4】式中 活塞直径 活塞杆直径 驱动压力，,

56、工作压力P=0.49MPa 据公式计算可得气缸内径：根据气动设计手册，圆整后取D=16mm。活塞行程，当抓取80mm工件时，即手爪从张开120mm减小到80mm，楔快向前移动大约40mm。取气缸行程S=40mm。6.2.4 选用夹持器气缸长沙华德液压气动有限公司所生产的QCG薄型气缸QGD16-40刚好满足条件，所以选取这个气缸。表2 QCG薄型气缸安装尺寸图缸径行程165mm1610mm1615mm1620mm1630mm1640mm6.2.5 手爪的夹持误差及分析机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度（由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

57、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，需要注意选用合理的手部结构参数，见图6-1，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。R1,R2-工件半径 C1C2=图6-1 夹持误差图工件直径为80mm，尺寸偏差，则，。本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图6-2图6-2 楔块杠杆式夹持器若把工件轴心位置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：简化为： 该方程为双曲线方程，如图6-3：图6-3 工件半径与夹

58、持误差关系曲线由上图得，当工件半径为时，X取最小值，又从上式可以求出：，通常取,若工件的半径变化到时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用表示。在设计中，希望按给定的和来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，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，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径取为时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（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，两手爪的和边平行，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，以为条件确定两

59、支点回转型手爪的偏转角，即下式：其中,型钳的夹角代入得出： 则 则，此时定位误差为和中的最大值。分别代入得：，所以，夹持误差满足设计要求。由以上各值可得：取值为。6.2.6 楔块等尺寸的确定楔块进入杠杆手指时的力分析如下：图6-4 楔块进入手爪受力图上图6-4中斜楔角，时有增力作用；滚子与斜楔面间当量摩擦角，为滚子与转轴间的摩擦角，为转轴直径，为滚子外径，为滚子与转轴间摩擦系数; 支点至斜面垂线与杠杆的夹角；杠杆驱动端杆长；杠杆夹紧端杆长；杠杆传动机械效率斜楔的传动效率:斜楔的传动效率可由下式表示： 杠杆传动机械效率取0.834，取0.1，取0.5，则可得=, ，取整得=。动作范围分析：阴影部分杠杆手指的动作范围，即，见图 6-5图6-5 动作范围分析图如果，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。斜楔驱动行