上下料機械手設計（結構設計）
上下料機械手設計（結構設計）,上下,機械手,設計,結構設計
畢業(yè)設計（論文）中期報告
題目：上下料機械手設計（結構設計）
一．設計（論文）進展狀況
1．手部夾緊液壓缸的設計
(1) 運動實現(xiàn)形式的分析
手臂通過液壓缸的升降運動帶動活塞的上下運動從而實現(xiàn)手指的夾緊與松開，從而實現(xiàn)對被抓取工件的抓取和放下。
(2) 手部驅動力計算
手指加在工件上的內(nèi)撐力，是設計手部的主要依據(jù)，必須對其大小，方向和作用點進行分析，計算，一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜栽荷以及工件運動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷，以使工件保持可靠的狀態(tài)。
確定液壓缸的直徑
選取活桿直徑
(3) 壁厚的設計
缸筒直接承受液壓油壓力，必須有一定厚度。一般液壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑比小或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
式中:—缸筒壁厚
—液壓缸內(nèi)徑
2.升降液壓缸的設計
(1) 驅動力計算
根據(jù)手臂升降運動的驅動力公式 ，其中，由于手臂運動從靜止開始，所以, 摩擦系數(shù):設計液壓缸材料為45鋼，活塞材料為45鋼，查有關手冊可知.質(zhì)量計算:手臂升降部分主要由升降液壓缸、元件組成。，可估其質(zhì)量，同時測量設計的有關尺寸，得知升降部分夾緊物體時其質(zhì)量為，放松物件后其質(zhì)量為.接觸面積:
(2) 液壓缸的直徑
根據(jù)液壓缸的計算公式:
其中: ——活塞桿伸出時的推力，
——活塞桿縮入時的拉力，
——活塞直徑，
——液壓缸工作壓力，
(3) 活塞桿直徑的計算
根據(jù)設計要求,此活塞桿為空心活塞桿，活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度的要求。
有關臨界力公式為:
式中：——活塞桿計算長度。
——活塞桿橫截面回轉半徑。
——活塞桿橫截面面積。
——材料強度實驗值，對鋼取
——系數(shù)，對鋼
根據(jù)：
(4) 活塞桿材料
活塞桿常用材料有35，45號鋼等，本次設計得活塞桿材料為45號鋼。
3.回轉手臂設計計算
本次設計采用的是齒條活塞雙作用油缸，通過齒輪齒條機構實現(xiàn)手臂的回轉。液壓驅動系統(tǒng)具有以下特點。
安裝使用方便，便于維護和維修，具有自潤滑功能，液壓系統(tǒng)結構簡單，相同工作面積液壓的驅動力大。介質(zhì)提取和處理方便。，工作介質(zhì)提取容易，處理方便，液壓油可以重復使用?？梢越档统杀?。動作迅速，反應靈敏。液壓系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。液壓系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 能源可儲存。液壓油可以儲存。因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。 工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，液壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。成本低廉。由于液壓系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了液壓元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。手臂回轉液壓缸采用O型密封圈來密封，密封性能較好，對液壓缸孔的機械加工精度也易于保證。
(1) 選擇齒輪材料
小齒輪： 40Cr， 硬度
大齒輪： 45鋼, 硬度
(2) 確定主要參數(shù)
按接觸強度初步確定中心距
從表中選取，按齒輪對稱布置，速度中等，沖擊載荷較大，取載荷系數(shù).按表查的，選，則，按表查的圓整取齒寬系數(shù)=0.35.齒數(shù)比為需用接觸應力；
初步確定模數(shù)、齒數(shù)、齒寬等幾何參數(shù)
因此 實際傳動比
齒輪分度圓直徑
國標對齒條和齒條副規(guī)定了12個精度等級，第1級精度等級最高，第12級精度等低其中第1級和第2級的公差和偏差還沒有列出，為將來的發(fā)展方向。
本次設計的車床上下料機械手的手臂回轉采用齒條帶動齒輪的形式，通過液壓缸驅動來實現(xiàn)。
初步確定模數(shù)、齒數(shù)、齒寬等幾何參數(shù)
由公式得
二．存在問題及解決措施
（1）在手臂伸縮運動和驅動力計算過程中，對總重量的估算不太清楚，對公式?jīng)]有深刻理解，計算手部結構尺寸時存在較大誤差。
（2）對伸縮機構的結構運行情況，導向管和油缸是如何布置？
解決措施：
（1）把設計過程中遇到的細節(jié)問題通過查閱資料或問老師進行徹底解決，重點是把手部的內(nèi)部結構聯(lián)接以及其它連接件的連接形式和所要使用零件尺寸選好。
（2）繼續(xù)把剩下的不明白的工作原理弄清楚。通過畫圖對畫圖軟件的掌握及熟練運用，對零件圖裝配圖的細節(jié)進行整理。
三．后期工作安排
第11-12周完成手臂的伸縮與手部機構的設計。
第13-15繪制裝配圖與零件圖。
第16-17撰寫畢業(yè)論文。
第18周 準備答辯。
指導教師簽字：
年 月 日
畢業(yè)設計(論文)開題報告
題目：上下料機械手設計（結構設計）
1. 畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關研究情況）
1.1題目背景、研究意義
機械手是近三十年發(fā)展起來的典型的、機電一體化的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應用工業(yè)機器人技術是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術革命的一個重要內(nèi)容。機械手是能自動化定位控制并可編程序實現(xiàn)變動的多功能機器，有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境和各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。其作業(yè)的準確性和各種環(huán)境下完成作業(yè)的能力在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。
工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。
工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。
機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視[1]。
機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。
機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
1.2 國內(nèi)外相關研究情況
在我國，機械手技術起步較晚，進入20世紀90年代后，我國機械手的研究步入正軌，在彩電，冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導體芯片，印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上得到廣泛應用。
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。
1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。
美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。
德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。
瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。
瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。
日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。
第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。
第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多[2]。
2. 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
2.1主要內(nèi)容：
1）運動功能設計：即自由度設計，應盡可能的靈活運動和大的工作空間，分析各關節(jié)運動的性質(zhì)以及排列順序等。
2）傳動功能設計：機械手操作機是由若干個構件和關節(jié)組成的多自由度空間機構，傳動功能中驅動器安排和機構要合理。
3）機械結構設計：滿足強度和剛度情況下，要充分考慮機器人的結構緊湊、重量輕、體積小等特點。同時滿足裝卸方便，便于維修、調(diào)整。
4)基本參數(shù)：
抓重：30公斤 升降行程：300mm 最大回轉角度：90o
2.2研究方案、研究方法:
（1）坐標型式論證：坐標型式分為直角座標式a、圓柱座標式b、球座標式c和關節(jié)式d。如圖
1）直角座標式手臂的運動系由三個直線運動組成。它的特點是結構簡單，定位精度高，適用于主機位置成行排列的場合。但是由于占地面積大而工作范圍小及靈活性差，限制了它的適用范圍。
2）圓柱座標式運動系由兩個直線運動和一個回轉組成。與直角坐標式相比較，占地面積小而活動范圍大，結構簡單，并能達到較高的定位精度，因此應用較廣泛。但由于機械手結構的關系，不能轉到地面位置的物件。
3）球座標式運動系由一個直線運動和兩個轉運所組成。優(yōu)點是動作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)傳動形式。但結構較復雜，此外，手臂擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。
4）關節(jié)式手臂的運動類似人的手臂可做幾個方向的轉動。它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩臂之間的聯(lián)接為肘關節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關節(jié)各關節(jié)均由鉸連構成實現(xiàn)轉動。它的特點是工作范圍大，通用性強，能抓取靠近機座的物件并能繞過機體和工作主機之間的障礙物去抓取物件。但精度較差，其結構復雜。
本設計采用圓柱座標型式。
（2）本設計選擇三個自由度的圓柱座標型式機械手，擺角度90度，擬定方案為擺角度為90度的3自由度機械手其結構簡圖如圖
圖1
圓柱座標型式機械手結構件圖
該機械手由支座，支柱，手臂和手部組成。其中支座完成擺動回轉運動，支柱完成升降直線運動，小臂完成伸縮直線運動，收不完成夾持工件運動。
整個機械手動作順序依次為：啟動蜘蛛下降，手部夾持，支柱上升，手臂右轉，手臂伸出，支柱下降，手部松開，支柱上升，手臂縮回，手臂左轉，原位卸荷
（3）驅動系統(tǒng)：液壓驅動，氣壓驅動，電氣驅動和機械驅動。其中液壓和氣壓用的最多，占90%以上，電動、機械驅動用的較少。
1）液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動，它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉運動，液壓驅動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止，缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。
2）氣壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或
鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉運動。氣動驅動成本低，動作可靠，不發(fā)熱，無污染。但推力偏小，不能實現(xiàn)精確的中間位置調(diào)節(jié)，通常是兩個極限位置使用。
3）電氣驅動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便，驅動機構和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應速度比較慢。
4）機械驅動只用于固定的場合，一般用凸輪連桿機構實現(xiàn)規(guī)定的動作，它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。
通過所學的知識，綜合考慮應該采用液壓驅動。
3. 本課題研究的重點及難點
1.機械手的結構設計，主要參數(shù)確定
2.機械手傳動方式的論證和選擇
3.機械手各結構的計算設計
4. 完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫)
第1～2周：調(diào)研、查閱資料；
第3～4周：總體方案分析論證、開題報告；
第5～6周：結構和運動學分析，參數(shù)確定；
第7～8周：按所給規(guī)格范圍，性能進行分析，強度和運動學校核，中期報告；
第9 ～10周：各模塊設計；
第11～12周：裝配圖草圖；
第13～14周：整體結構設計；
第15～16周：繪制總圖及零件圖等；
第17～18周：撰寫論文、答辯
指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導教師： 年 月 日
所在系審查意見：
系主管領導： 年 月 日
參考文獻
[1]徐元昌. 工業(yè)機器人. 北京:中國輕工業(yè)出版社，1996.
[2]張建民. 工業(yè)機器人. 北京:北京理工大學出版社，1988.
[3]蔡自興. 機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略. 機器人技術，2001.
[4]周洪. 氣動技術的新發(fā)展. 液壓氣動與密封，1999.
[5]田綠竹. 畫法幾何及機械制圖. 北京：冶金工業(yè)出版社，2004.
[6]李允文. 工業(yè)機械手設計. 機械工業(yè)出版社，1996.
[7]哈爾濱工業(yè)大學 主編. 機械工程手冊（第56篇 自動上下料裝置與工械手）.
機械工業(yè)出版社，1979.
[8]《工業(yè)機械手》編寫組. 工業(yè)機械手—機械結構. 上?？茖W技術出版1978.
[9] 工業(yè)機械手圖冊編寫組編. 工業(yè)機械手圖冊. 北京:機械工業(yè)出版社， 1978.
[l0]楊文生. 液壓與氣動傳動. 電子工業(yè)出版社，2007.
[1l]孫桓 陳作模. 機械原理. 高等教育出版社，2005.
[12]李建功. 機械設計. 機械工業(yè)出版社，1998.
[13]陸玉. 機械設計手冊. 機械工業(yè)出版社，1992.
[14]陸祥生 楊秀蓮. 機械手—理論及應用. 中國鐵道出版社，1983.
[15]王承義. 機械手及其應用. 機械工業(yè)出版社，1981.
[16](舊)高井宏幸等.工業(yè)機器人的結構與應用.北京:機械工業(yè)出版社，1977.
[17]G.Prischow、C.Danirl、G.Jngghans、W.speling????Open System Controllers-Challenge for the Future of the Machine Tool Industry????Annals of the CIRP,1993,vol.42.No.1.
[18]Yongguo Mei, Yung-Hsiang Lu, Y. Charlie Hu, and C.S. George Lee Energy-Efficient Motion Planning?for Mobile Robots.
[19]S chneider Ditmar. Otto voo Guericke.Pneumatic TIPS No. 87/1994. FESTO Pneumatic. Esslingen.
- 8 -
本科畢業(yè)設計(論文)
題目：上下料機械手設計（結構設計）
上下料機械手設計（結構設計）
摘 要
實踐證明，工業(yè)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，從而提高經(jīng)濟效益。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調(diào)的操作，采用機械手是非常有效的。在繁重的條件下進行的操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本課題是為普通車床配套而設計的一種自動上下料裝置的雙手臂的機械手。本文對機械手進行了總體方案的設計，確定了機械手的坐標型式、三個自由度和機械手的技術參數(shù),并分別確定了該機械手的手臂的回轉機構和升降機構，雙支點回轉型手部結構，并利用AutoCAD軟件繪制了車床上下料機械手裝配圖，手部結構圖以及一些主要的零件圖，同時也簡要的介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類，機械手的自由度和坐標型式等基本知識。
本次題目的設計要求是抓取重物30kg,機械手的雙臂可同時升降并在水平面內(nèi)一起作90°回轉動作，升降300mm,裝在手臂前端的手，可作夾緊或松開工件的開閉動作。機械手工作時，通過手臂的升降、回轉和手的開閉，可完成工件上、下料的自動循環(huán)。手臂的回轉裝置采用了齒條齒輪機構，同時依靠液壓缸的驅動實現(xiàn)了手臂的升降運動。由于工作對象為孔徑結構的工件，所以設計的手部是雙手臂，并且為雙支點回轉型V型手指。液壓系統(tǒng)具有結構簡單，便于維護和維修，自身具有潤滑功能等優(yōu)點。
數(shù)控車床上下料機械手，特點是結構精巧，占地面積小，動作簡捷，功能全，可靠性高。
關鍵詞：工業(yè)機器人；機械手；液壓系統(tǒng)；液壓
I
I
Design of Loading and Unloading Manipulator for NC Lathe
Abstract
Practice a certificate, the industrial machine hand can replace the heavy labor of hand, show the labor strength that the Zhao eases a worker and raise an economic performance thus. The industry produce medium usually appear of the porterage of bulky work piece and multifarious over a long period of time, monotonous of operation, adopt a machine hand is very valid. The operation carried on under the heavy condition, show more it superiority, have vast development prospect.
This topic is the machine hand of hands arm which is common lather kit but a kind of auto of design to up and down anticipate device. This text carried on the design of the total project to the machine hand and made sure a machine hand of sit mark pattern, three freedom degree and machine hand of technique parameter, and respectively made sure the turn-over organization of the arm of the machine's hand and ascend and descend organization, double fulcrum turn-over type hand structure, and made use of the software of AutoCAD to draw the lather up and down anticipates the machine hand assemble diagram, the hand structure is diagram and some main spare parts diagrams, also in the meantime synopsis of introduced the concept of the industrial robot, machine hand of constitute with classification, the freedom degree of the machine hand with sit mark pattern to wait basic knowledge.
The design request of grab the weight 30kg this topic is the double arm of machine hand and can ascend and descend in the meantime and make 90 °s to turn round action together in the horizontal plane, The lifting?300mm,Pack the hand of in hand arm head, can make to clip tightly or the open of loose opening piece shut action. Pass the rise and fall of arm, turn round when the machine handicraft make and the open of hand shut, can complete a work piece up, descend to anticipate of auto circulation. The turn-over device of arm adopted Chi wheel gear organization and lifting?300mm,Pack the hand of in hand arm head, can make to clip tightly or the open of loose opening piece shut action. The turn-over device of arm adopted Chi wheel.
III
Dpended on a liquid to press a drive of urn to carry out ascend and descend of arm sport in the meantime. Because the work object is a bore path the work piece of the structure, so design of the hand is a hands arm, and is a pair of fulcrums turn-over type V type finger. Because the liquid presses system to have structure simple, easy to maintenance with maintain, the oneself has lubrication function etc. advantage, therefore, the rise and fall organization of arm adopted a liquid to press system.
Design of loading and unloading manipulator for NC lathe is characterized by compact structure,small occupation area,simple motion,complete function,high reliability.
KeyWords :Industrial robot; Machine hand;The liquid presses system;The liquid presses
目 錄
1 緒論 1
1.1機械手概述 1
1.2機械手的組成和分類 2
1.2.1機械手的組成 2
1.2.2機械手的分類 4
1.3國內(nèi)外發(fā)展狀況 6
1.4課題的提出及主要任務 7
1.4.1課題的提出 7
1.4.2課題的主要任務 7
2 機械手的總體設計方案 9
2.1工況分析 9
2.2機械手的坐標型式與自由度 9
2.3機械手的手部結構方案設計 11
2.4機械手的手腕結構方案設計 11
2.5機械手的手臂結構方案設計 12
2.6機械手的驅動方案設計 13
2.7機械手的主要參數(shù) 14
2.8機械手的技術參數(shù)列表 15
3 手部結構設計 17
3.1夾持式手部結構 16
3.2手指的形狀和分類 16
3.3設計時考慮的幾個問題 16
3.4手部夾緊液壓缸的設計 17
4 手臂結構設計 21
4.1對臂部設計的基本要求 21
4.2手臂升降部分 21
4.2.1手臂升降部分結構設計 21
4.2.2升降液壓缸的設計 22
4.3手臂回轉部分 24
4.3.1手臂的運動要求 24
4.3.2手臂設計計算 24
4.3.3齒輪的設計計算 25
4.3.4齒條的設計計算 26
4.3.5手臂橫梁的選取和計算 28
5 結論 29
致謝 30
參考文獻 31
畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權聲明 32
畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 33
V
1 緒論
1.1機械手概述
工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用[1]。
機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。
機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。
機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用[2]。
機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。
機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
28
1.2機械手的組成和分類
1.2.1機械手的組成
機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖1.1所示。
控制系統(tǒng)
驅動系統(tǒng)
被抓取工件
執(zhí)行機構
位置檢測裝置
圖1.1 機械手的組成方框圖
(一)執(zhí)行機構
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
a. 手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易構件，故應用較廣泛平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)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:
手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較常用的有:
滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母多，式彈簧式和重力式等。
附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類?；剞D型手指結構簡單。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。
對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁
1緒論
吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式。
b. 手腕
是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。
c. 手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。
手臂可能實現(xiàn)的運動如下:
手臂運動
基本運動
復合運動
直線運動與回轉運動的組合(即螺旋運動)
兩直線運動的組合(即平面運動)
回轉運動:如水平回轉、左右擺動運動
直線運動:如伸縮、升降、橫移運動
兩回轉運動的組合(即空間曲面運動)。
手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導向型式。
d. 立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
e. 行走機構
當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構可分
為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。
f. 機座
機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。
(二)驅動系統(tǒng)
驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四中形式。
(三）控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
(四)位置檢測裝置
控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。
1.2.2機械手的分類
工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。
(一)按用途分
機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:
a. 專用機械手
它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大附屬，如自動機床、自動線的上、下料機械手和“加工中心”批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手。
b. 通用機械手
它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。通過調(diào)整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)在其性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷
變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。
通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以
“開一關”式控制定位，只能是點位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)， 可以點位控制，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。
(二)按驅動方式分
a. 液壓傳動機械手
是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。
b. 氣壓傳動機械手
是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作[3]。
c. 機械傳動機械手
即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。
d. 電力傳動機械手
即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。
(三)按控制方式分
a. 點位控制
它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。
b. 連續(xù)軌跡控制
它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動
過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。
1.3國內(nèi)外發(fā)展狀況
國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:
(1) 工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。
(2) 機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。
(3) 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
(4) 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。
(5) 虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
(6) 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。
(7) 機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應用工
用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主
要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能夠形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中[4]。
1.4課題的提出及主要任務
1.4.1課題的提出
在當今現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。而工業(yè)生產(chǎn)上應用的機械手，由于使用場合和工作要求的不同，其結構型式亦各不相同，技術復雜程度也有很大差別。但它們都有類似人的手臂、手腕和手的部分動作及功能，一般都能按照預定程序，自動地、重復循環(huán)地進行工作。但在機械工業(yè)中，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。根據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn);金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。 從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，而工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。如果工件的裝卸、搬運等輔助作業(yè)，繼續(xù)由人工操作，不僅會增加工人勞動強度，同時亦不能充分發(fā)揮專用設備的效能，必然會影響勞動生產(chǎn)率的提高。若采用工業(yè)機械手代替人工上、下
料，則可改變上述不相適應的情況。為此，我們把上下料機械手作為我們研究的課題。
1.4.2課題的主要任務
本課題將要完成的主要任務如下：
(1) 為普通車床設計合理的自動上下料裝置的機械手。
(2) 選取機械手的坐標型式和自由度。
(3) 設計出機械手的各執(zhí)行機構，包括:手部、手腕、手臂和機身等結構部件的設計。
2 機械手的設計方案
對于工業(yè)機械手的基本要求是能快速、準確地拾放和搬運物件，所以這就要求我們設計車床上下料機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求；盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉換和編程控制。
本次設計的機械手是普通車床上下料的機械手，此機械手為雙手臂結構，雙臂成90°分布在同一平面。其用途功能：機械手的雙臂可同時升降并在水平面內(nèi)一起作90°回轉動作，其中一個手臂用于上料，另一個手臂用于下料；裝在手臂前端的手，可作夾緊或松開工件的開閉動作。機械手工作時，通過手臂的升降、回轉和手的開閉，可完成工件上、下料的自動循環(huán)。此機械手是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。
2.1工況分析
數(shù)控車床上下料機械手需抓取棒類零件，負載30kg，手臂回轉角度為90°，抓取零件示意圖如圖2.1所示：
圖2.1機械手抓取零件示意圖
該機械手完成工作的步驟，手臂完成回轉和升降運動手部完成夾持工件運
動。整個機械手動作順序依次為：初始位姿→抓取工件→手臂上升→手臂旋轉→松開工件→手臂轉回→手臂下降到初始位置。
2.2機械手的坐標型式與自由度
按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式(如圖2.2) [5]。。
機械手的坐標形式可分為以下幾種:
(1) 直角坐標式機械手適合于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標形式X，Y，Z 三個方向的直線進行運動，其工作范圍可以是一個直線運動，二個直線運動或三個直線運動。如在X，Y，Z 三個直線運動方向上各具有A，B，C 三個回轉運動，即構成六個自由度。但在實際上是很少有的。它的優(yōu)點是產(chǎn)量大，節(jié)拍短，能滿足高速的要求，容易與生產(chǎn)線上的傳動帶和加工裝配機械相配合，適于裝箱類，多工序復雜的工作，定位容易變更，定位精度高，可達到±0.5 毫米以下，載重發(fā)生變化時不會影響精度，易于實行數(shù)控，可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機械配合使用。缺點是這種機械手作業(yè)范圍較小。
(2) 圓柱坐標式機械手是應用最多的一種型失，適用于搬運和測量工件，具有直觀性好，結構簡單，本體占用的空間較小，而動作范圍較大等優(yōu)點。圓柱坐標式機械手有X，Y，Ф，三個運動組成。它的工作范圍可分為：一個旋轉運動，一個直線運動；二個直線運動加一個旋轉運動。
(3) 球坐標式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手，是由X，θ，Ф三個方面的運動組成。球坐標式機械手的工作范圍包括：一個旋轉運動，二個旋轉運動和二個旋轉運動加一個直線運動。球坐標式機械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)作圓弧上下俯仰運動。
(4)關節(jié)式機械手是一種適用于靠近機體操作的傳動型式。關節(jié)式機械手有大臂和小臂的擺動，以及肘關節(jié)和肩關節(jié)的運動?？勺鲙讉€方向轉動，工作范圍大，動作靈活，通用性強，但定位精度差，控制裝置復雜。
由于本次設計的機械手在上下料時手臂具有升降，回轉運動和夾持，所以相應的機械手具有三個自由度。而支撐整體機械手裝置的機身由燕尾槽導軌帶動，實現(xiàn)整體機械手裝置的左右移動或行走，不在本設計考慮之內(nèi)。因此，機械手的坐標型式采用圓柱坐標，相應的機械手共有三個自由度。
圖2.2 四種機器人坐標形式
2.3機械手的手部結構方案設計
本次設計的機械手是車床上下料的機械手。因為夾緊的工件是棒料，所以采用夾緊機械手爪，常用的外卡式兩指鉗爪，如下圖2.3所示，其夾緊方式用彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸[6]。此種結構較為簡單，制造方便。
圖2.3 夾緊機械手爪
2.4機械手的手腕結構方案設計
機械手臂的運動（包括要做的回轉運動），給出了機械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機械手臂末端的手腕，則給了機械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機械手腕是機械手操作機的最末端，他與機械手臂
配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需的作業(yè)動作[7]。
在機械手腕部的設計過程中主要考慮到如下幾點要求：
(1) 機械手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)作業(yè)需求來設計。機械手腕自由度數(shù)目，多，各關節(jié)的運動角度越大，則機械手的腕部的靈活性越高，機械手對作業(yè)的適應能力也越強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結構更加復雜，機械手的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應使自由度數(shù)目盡可能的少。一般的機械手腕部的自由度數(shù)目為2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機械手腕部不需要自由度，僅憑手臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務。因此，具體問題具體分析，考慮機械手的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。
(2) 機械手腕部安裝在機械手臂的末端，在設計機械手腕時，應盡力減少其重量和體積，結構力求緊湊。為了減輕機械手腕部的重量，腕部的機構的驅動器采用分離傳動。腕部驅動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅動力，并選用高強度的鋁合金制造。
(3) 機械手腕部要與末端執(zhí)行器相連，因此，有標準的聯(lián)接法蘭，結構上要便于裝卸末端執(zhí)行器。
(4) 機械手腕部機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。
(5) 要設有可靠的傳動間隙調(diào)整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。
(6) 手腕各關節(jié)軸傳動要有限位開關，并設置硬限位，防止超限造成機械損壞。
考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為回轉液壓缸。
2.5機械手的手臂結構方案設計
機械手手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下。實現(xiàn)在機械手所要求的工作空間內(nèi)的運動[8]。
在進行機械手手臂設計時，要遵循下述原則：
(1) 應盡可能是機械手手臂各關節(jié)相互平行：相互垂直的軸應該盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學正逆運算簡化，有利于機械手的控制。
(2) 機械手的手臂的結構尺寸應該滿足機械手工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系。但機械手手臂末端工作空間并沒有考慮機械手手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機械手手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。
(3) 為了提高機械手的運動速度與控制精度，應在保證機械手手臂有足夠的
強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質(zhì)材料。通常選用高強度鋁合金制造機械手手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復合材料制造機械手手臂。碳纖維復合材料剛拉強度高，抗振性好，比重小（其比重相當于鋼的1/4，相當于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機械手手臂結構的優(yōu)化設計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機械手手臂的重量。
(4) 機械手各關節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關節(jié)都應有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構。
(5) 機械手的手臂相對于其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負載和提高機械手手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機械手的手臂時，應盡可能利用在機械手上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機械手手臂的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。
(6) 機械手手臂在結構上要考慮各關節(jié)的限位開關和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝[9]。
按照抓取工件的要求，本次設計的機械手的手臂有兩個自由度，即手臂的左右回轉和升降運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的。手臂的各種運動則是由液壓缸來實現(xiàn)的。
本設計回轉部分采用齒條活塞雙作用油缸如圖2.4。
圖2.4齒條活塞雙作用油缸
2.6機械手的驅動方案設計
機械手驅動方式主要有三種[10]。：
a．氣動驅動方式 這種驅動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手抓的運動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運動速度。由于氣動驅動系統(tǒng)價格較低，多以氣動夾持器在工業(yè)應用中較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手抓的抓取具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。
b. 電動驅動方式 電動驅動方式應用也較為廣泛。一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。但是電驅動不能用于有防爆要求的條件下 ，因為電機有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。
c. 液壓驅動方式 液壓驅動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。
在整個設計中，各自由度均采用液壓驅動，之所以用液壓驅動，是因為液壓驅動具有以下優(yōu)點：
(1) 調(diào)速范圍較大，而且還可以無級調(diào)速，易于適應不同工作要求；
(2) 液壓技術容易達到較高的單位面積壓力，即驅動力或驅動力矩大；
(3) 由于液壓機構一般重量比較輕，因而具有慣性小的特點，故而它的速度反應性比較好；
(4) 傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力可以較平穩(wěn)地實現(xiàn)頻繁轉向；
(5) 定位精度高；
(6) 液壓裝置采用油液做介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑作用，可以提高機械效率，增加所有壽命；
但液壓系統(tǒng)也有一些不利因素：
(1) 液壓泄露難以克服要求液壓元件有較高的精度要求，這樣將提高生產(chǎn)成本；
(2) 油液中如果混有氣體，將降低傳動機構剛度，影響定位精度，產(chǎn)生爬行；
(3) 油液的黏度會因溫度的變化而變化，影響工作性能和傳動性能，高溫時會引起燃燒和爆炸；
正因為液壓傳動有以上優(yōu)點，故本次設計的機械手采用液壓驅動。
2.7機械手的主要參數(shù)
機械手的主要參數(shù)，是說明機械手規(guī)格和性能的具體指標，一般包括兩部分[11]：
(1) 主參數(shù)
機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，而此次設計的該機械手的抓重30 kg,升降行程300mm，最大回轉角度90o。
(2) 基本參數(shù)
運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂升降及回轉的速度。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有回轉行程、升降行程和定位精度。而大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的回轉行程，必然帶來偏轉距增大而剛性降低。在這種情況下宜采用
自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的回轉行程范圍定為600 mm。
2.8機械手的技術參數(shù)列表
（一）用途:
該機械手適用于普通車床的上下料。
（二）設計技術參數(shù):
a.抓重
30公斤(夾持式手部)
b. 自由度數(shù)
3個自由度
c. 坐標型式
圓柱坐標型式
d. 手臂運動參數(shù)
升降行程300mm
回轉角度900
e. 手指夾持對象
棒料
f. 傳動方式
液壓傳動
3 手部結構設計
本次設計的機械手是車床上下料的機械手。因為夾緊的工件是棒料，所以采用夾持式手部結構，常用的外卡式兩指鉗爪，其夾緊方式用彈簧夾緊，松開時，采用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。
3.1夾持式手部結構
夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。
3.2手指的形狀和分類
夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件[12]。
3.3設計時考慮的幾個問題
(一) 具有足夠的握力(即夾緊力)
在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
(二) 手指間應具有一定的開閉角
兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。
(三) 保證工件準確定位
為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。
(四) 具有足夠的強度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。
(五) 考慮被抓取對象的要求
根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是雙支點兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型。
3.4手部夾緊液壓缸的設計
(一) 運動實現(xiàn)形式的分析
手臂通過液壓缸的升降運動帶動活塞的上下運動從而實現(xiàn)手指的夾緊與松開，從而實現(xiàn)對被抓取工件的抓取和放下。
(二) 手部驅動力計算
手指加在工件上的內(nèi)撐力，是設計手部的主要依據(jù)，必須對其大小，方向和作用點進行分析，計算，一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜栽荷以及工件運動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷，以使工件保持可靠的狀態(tài)[13]。
（3.1）
式中 ---安全系數(shù)。通常取1.2-2.0
---工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似按下式進行計算
（3.2）
其中 a---運載工件時重力方向的最大上升加速度
g---重力加速度，
（3.3）
---運載工件時重力方向的最大上升速度
---系統(tǒng)達到最高速度的時間，根據(jù)設計參數(shù)選擇。一般取0.03～0.6s
---方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及工件位置不同進行選擇
G---被抓取。工件受重力(N)
(三) 計算步驟
（1）本次設計的車床上下料機械手要求抓取工件的重量為30千克，所設計
的機械手手指采用了內(nèi)撐式機械手。所以本次設計的車床上下料機械手按設計要求可抓重30千克。
根據(jù)公式 (3.4)
（2）首先根據(jù)對機械手的工藝設計要求確定安全系數(shù);然后計算出最大加速度，確定工作情況系數(shù),最后根據(jù)手抓夾持方位從表中查出方位系數(shù)求出夾緊力
（3）根據(jù)手抓的結構方案，由表中查出驅動力的計算公式，求出液壓缸應具有的驅動力。
（4）實際所采取的液壓缸驅動要大于?？紤]手抓的機械效率，一般取。
設取安全系數(shù)
取工作情況系數(shù)
式中： 為最大緩沖加速度，,為重力加速度
取方位系數(shù)
所以
所以驅動力
考慮到手在工作過程中有慣性力、震動以及傳動效率的影響，其實驅動力按下式計算：
式中： 為手部機械效率，一般取，在這里取
所以
所以夾持工件時所需夾緊液壓缸的驅動力為。
（5）確定液壓缸的直徑
(3.5)
選取活桿直徑,壓力油工作壓力Pa
根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列（JB826-66）選取液壓缸內(nèi)徑為：
則活塞桿直徑為：
(四) 壁厚的設計
缸筒直接承受液壓油壓力，必須有一定厚度。一般液壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑比小或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
(3.6)
式中:—缸筒壁厚
—液壓缸內(nèi)徑
—實驗壓力，取 材料為:ZL3,
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則液壓缸外徑為:
(五) 活塞桿材料
活塞桿的加工要求：活塞桿表面需渡硬鉻，防腐要求特別高的則要求先渡一層軟鉻，渡后在渡硬鉻拋光。在惡劣的，腐蝕性較強的工作環(huán)境中，活塞桿應噴涂一種陶瓷涂層。活塞桿外徑公差直線度、表面粗糙度為活塞桿外徑的圓柱度公差值，應該按8級精度選取。
(六) 安裝導向環(huán)的作用
安裝在活塞外圓的導向環(huán)，具有精確的導向作用，并可以吸收活塞桿運動時隨時產(chǎn)生的側向力。帶導向環(huán)的活塞，在缸筒內(nèi)運動時非金屬接觸，因此，摩擦系數(shù)小，啟動時無爬行。安裝導向環(huán)后可以改善活塞與缸筒的同軸度，使間隙均勻，減少泄露。導向環(huán)采用耐磨材料，適用壽命長，磨損后便于更換。本次設計中依靠螺釘導向。
(七) 緩沖裝置
液壓缸的行程終端緩沖裝置可以使帶著負載的活塞在到達行程終端時減速到零。目的使消除因活塞的慣性力和液壓力所造成的活塞與端蓋機械撞擊，同時也是為了將低在改變運動方向時液體發(fā)出的噪聲。 緩沖裝置的工作原理是當活塞桿到達行程終端之前的一段距離內(nèi)，設法把排油腔內(nèi)的一部分或全部封閉起來，使其通過節(jié)流小孔排出，從而使封閉的油液產(chǎn)生適當?shù)木彌_壓力作用，與活塞的慣性力相對抗。以達到減速制動的目的。緩沖裝置的結構形式，可以根據(jù)節(jié)流小孔的流通面積，在緩沖過程中能否自動改變來分類，通?？梢苑譃楹愎?jié)流型和變節(jié)流型。由于本次設計的電動機座卸料機械手采用的是液壓系統(tǒng)，還可以依
靠單向閥來實現(xiàn)緩沖的目的。安裝了緩沖裝置可以預防產(chǎn)生嚴重的沖擊，這樣可以起到保護工件的目的[14]。
(八) 手部設計應注意的問題
手部設計過程中應注意到更換壓盤的問題，為了擴大電動機座加工自動線卸料手的通用性，來滿足電動機座生產(chǎn)線更換加工對象的要求，當更換了加工對象時可以更換壓盤來實現(xiàn)。
手指部的彈簧應處于自然狀態(tài)，這樣才能保證在手指松開工件時手指能夠完全縮回。這樣可以保證下次抓取工件時，手部結構深入工件時手指不碰撞工件，起到保護工件的作用。
手部結構采用的是液壓驅動，依靠液壓驅動和彈簧來實現(xiàn)手部的夾緊與放松。
4 手臂結構設計
手臂是機械手的主要執(zhí)行部件，它的主要作用是支承手部和腕部，也包括工件，并帶動它們做空間運動。小臂的驅動機構設計為單作用油缸，并采用無縫鋼管導向，用鋼板作支撐板，這樣的結構大大地提高了臂部的支撐剛度，也減輕了臂部的自重，而且空心的導向管還可以布置油路，這種結構使臂部的整體結構變得更簡單緊湊。
按照抓取工件的要求，本此設計的機械手的手臂有兩個自由度，即手臂的左右回轉和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)[15]。
4.1對臂部設計的基本要求
(1) 臂部應支撐能力大，剛度好，重量輕
(2) 臂部運動速度要穩(wěn)定，慣性要小
(3) 手臂動作應靈活
(4) 位置精度要求高
4.2手臂升降部分
4.2.1手臂升降部分結構設計
手臂的升降是直線運動，實現(xiàn)直線往復運動采用的是液壓驅動的活塞液壓缸。由于活塞液壓缸的體積小、重量輕，驅動力大，同樣的工作面積，液壓缸的驅動力比其他驅動的驅動力大的多，并且液壓具有自潤滑的作用。因而在機械手的手臂結構中應用比較多。同時 ， 液壓驅動的機械手手臂在進行升降運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它應根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉中心的轉動慣
量。在本機械手中，采用的是單導向桿作為導向裝置，它可以增加手臂的剛性和導向性。
該機械手將其工作過程描述如下:為了實現(xiàn)手臂的升降動作，手臂通過升降液壓缸的上下運動帶動活塞桿上下運動。手臂帶動手爪上下運動，從而實現(xiàn)工件
的上升和下降。
4.2.2升降液壓缸的設計
(一) 驅動力計算
根據(jù)手臂升降運動的驅動力公式 ，其中，由于手臂運動從靜止開始，所以, 摩擦系數(shù):設計液壓缸材料為45鋼，活塞材料為45鋼，查有關手冊可知.質(zhì)量計算:手臂升降部分主要由升降液壓缸、元件組成。，可估其質(zhì)量，同時測量設計的有關尺寸，得知升降部分夾緊物體時其質(zhì)量為，放松物件后其質(zhì)量為.接觸面積:
則夾料時： （4.1）
考慮安全因素，應乘以安全系數(shù)
則夾持工件時：
卸下工件時：
(二) 液壓缸的直徑
根據(jù)液壓缸的計算公式: （4.2）
其中: ——活塞桿伸出時的推力，
——活塞桿縮入時的拉力，
——活塞直徑，
——液壓缸工作壓力，
代入有關數(shù)據(jù)得:
當推力做功時: （4.3）
=
當拉力做功時: （4.4）
圓整后，取液壓缸的內(nèi)徑
(三) 活塞桿直徑的計算
根據(jù)設計要求,此活塞桿為空心活塞桿，活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度的要求。
有關臨界力公式為:
式中： ——活塞桿計算長度。
——活塞桿橫截面回轉半徑。
——活塞桿橫截面面積。
——材料強度實驗值，對鋼取
——系數(shù)，對鋼
代入有關數(shù)據(jù)得：
推力負載為： （4.5）
代入有關數(shù)據(jù)得： =
收藏