轻型平动搬运机械手的毕业设计 41页

'轻型平动搬运机械手的毕业设计一、引言随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。现代工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。机械手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。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。本次设计的机械手由手爪、手臂、机身、机座等组成。采用关节式坐标，电机驱动，实现三自由度的运动。Withthecontinuousprogressofsocialproductionandpeople"sacceleratingpaceoflife,peoplealsohavemadenewproductivityrequirements.Becauseofmicroelectronicsandcomputingsoftwareandhardwaretechnologyandtherapiddevelopmentofmoderncontroltheoryofcontinuousimprovement,sothattherapiddevelopmentofrobottechnologyhaspenetratedintoallsectorsofindustry,playsanimportantroleinindustrialdevelopment.Modernindustrialautomationdegreeofimprovementrobotapplicationsmorewidely.Robotcansimulatepartoftheactionofthehumanarm,accordingtoapredeterminedprogram,track,andotherrequirementstoachievecapture,porterpiecesormanipulationtools.Robotcanreplacealotofrepetitivemanuallabor,thusreducinglaborintensityandimproveproductionefficiency.Thedesignoftherobotbythegripperarm,body,frameandothercomponents.Usingarticulatedcoordinates,motordrive,toachievethreedegreesoffreedommovement.1.1机械手概述 机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。1.1.1三自由度机械手的基本形式三自由度机械手又称3D机械人,能够实现三个自由度方向（水平、垂直和旋转）的抓取或放置物品,具有操作范围大,灵活性好,应用广泛等特点。机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本文的三自由度机械手属于混合式机械手,它综合了电动式和气动式机械手的优点,达到了简便操作和精确定位的目的。它有这两种基本的形式摇臂式自动取料机械手和横行式自动取料机械手（1）摇臂式自动取料机械手　　典型的摇臂式自动取料机械手,其运动由X,Y两个相互垂直方向的直线运动与一个摆动运动组合而成摇臂式自动取料机械手一般为小型机械手。　这种机械手的运动过程如下:　(1)动作1当执行下降取料命令后,机械手抓取装置沿Z轴方向垂直下降,如图1中轨迹1所示,抓取动作可以通过吸盘、气动手指和杠杆机构等完成;　(2)动作2抓取镀件的机械手沿Z轴反方向运行到原点,如图中轨迹2所示;　(3)动作3机械手绕Z轴旋转一定角度为下一次运动做准备,如图中轨迹3所示;　(4)动作4机械手沿X轴方向将镀件运行到释放点上方,再通过Z轴的下降运动将镀件释放到指定地点;　(5)动作5机械手沿上述轨迹反方向运动到原点,开始下一个循环。　根据控制要求,旋转运动和X轴方向的直线运动可以同时进行。（2）横行式自动取料机械手典型的横行式自动取料机械手,其运动由X,Y,Z3个相互垂直方向的直线运动组合而成,也称为三自由度平移机械手。　(1)运动形式　横行式自动取料机械手的手臂结构与摇臂式机械手的手臂结构是类似的,所不同的是横行式自动取料机械手的运动全部为直线运动,在结构上更具有代表性,如图3所示。横行式自动取料机械手的结构分为X轴、Y轴、Z轴3部分,主要在空间运动距离较大的场合使用;而摇臂式机械手则将其中一个直线运动用更简单的摆动运动所代替。　(2)运动过程分析　这种机械手在结构上主要是将X轴、Y轴、轴(主手、副手)、底座等4部分采用模块化的方式通过直线导轨机构搭接而成,其中X轴、Y轴、Z轴在相互垂直的方向上进行搭接连接。直线导轨机构不仅是运动导向部件,各部分结构的连接也是通过直线导轨机构来实现的。　这种机械手的运动过程如下:　动作1当执行下降取料命令后,机械手抓取装置沿Z轴方向垂直下降,, 抓取装置包括吸盘、气动手指和杠杆机构等;　动作2机械手抓取镀件后沿Z轴反向回到原点,;　动作3机械手抓取镀件沿Y轴方向移动,;　动作4根据运动需要,机械手抓取镀件沿X轴方向移动,实现跨距转移,;　动作5当镀件运行到释放点上方时,机械手执行下降命令沿轨迹5下降至释放点释放镀件,完成一次镀件的转移;　动作6、动作7、动作8这几个动作沿上述运动轨迹反向运行,回到原点位置,进人待料状态,等待下一次取料循环。　这种横向移动,根据控制和运行的要求,X轴、Y轴、Z轴的运动可以同时进行。机械手实例1.2机械手的组成和分类1.2.1机械手的组成 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。1.2.2机械手的分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人1.3国内外发展状况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（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，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(FlexibleManufacturingsystem)和柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell)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 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；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%。从这里可以看出，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。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1.3.1建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。1.3.3铸、锻、焊热处理等热加工方面模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。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、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)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之。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ADAMS软件对机械手的手部及升降机构作了运动仿真分析。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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2机械手的总体设计方案本课题是轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及ADAMS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ADAMS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。图1.1是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。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在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有5个自由度既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降5个主要运动。本设计机械手主要由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 （3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动1.2m。（4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。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(夹持式手部)2、自由度数:5个自由度3、座标型式:圆柱座标4、最大工作半径:1600mm5、手臂最大中心高:1248mm6、手臂运动参数伸缩行程：1200mm伸缩速度：83mm/s升降行程：300mm升降速度：67mm/s回转范围:7、手腕运动参数回转范围:2.5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，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=（3.1）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：（3.2）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==1.02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（3.3）(3).根据安装空间选择弹簧中径D=42mm，估算弹簧丝直径(4).试算弹簧丝直径（3.4）(5).根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数：（3.5）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，；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：（3.6）选取1.31.7（力学性精确能高）（3.7）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腕部的设计计算4.1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，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。（4.1）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）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250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表4.2标准液压缸外径（JB1068-67）（mm）液压缸内径405063809010011012514015016018020020钢P5060769510812113316814618019421924545钢50607695108121133168146180194219245 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（4.2）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(4.3) 所以=11863.3+10545=19772N螺钉材料选择Q235，（）螺钉的直径（4.4）螺钉的直径选择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(4.5)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(4.6)或(4.7)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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　5臂部的设计及有关计算手臂部件是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。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。23 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。(5.1)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。28 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(5.2)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：28 ——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)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28 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）(5.4)（有杆腔）(5.5)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.（1）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.（2）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倍以上，按拉、压强度计算：28 (5.6)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。28 　　　　　　　　　　　　　　　　　　6　机身的设计计算　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　6机身的设计计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。6.1机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：（1）回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。（2）回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。（3）活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析：经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转1800。38 图6.1回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图6.2机身回转机构的设计计算（1）回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡。(6.1)惯性力矩的计算(6.2)式中——回转缸动片角速度变化量（），在起动过程中=；38 t——起动过程的时间(s);——手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（）。若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则(6.3)式中——回转零件的重心的转动惯量。(6.4)回转部件可以等效为一个长1800mm，直径为60mm的圆柱体，质量为159.2Kg.设置起动角度=180，则起动角速度=0.314，起动时间设计为0.1s。4694.3密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。经过以上的计算=4839.5（1）回转缸尺寸的初步确定设计回转缸的静片和动片宽b=60mm，选择液压缸的工作压强为8Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算：(6.5)D=151mm既设计液压缸的内径为150mm,根据表4.2选择液压缸的基本外径尺寸180mm(不是最终尺寸)，再经过配合等条件的考虑。（2）液压缸盖螺钉的计算根据表4.3所示，因为回转缸的工作压力为8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,根据初步估算，，38 ,所以缸盖螺钉的数目为（一个面6个，两个面是12个）。危险截面所以，所以螺钉材料选择Q235，则（）螺钉的直径螺钉的直径选择d=20mm.选择M20的开槽盘头螺钉。经过以上的计算，需要螺钉来连接，最终确定的液压缸的截面尺寸如图5.2所示，内径为150mm，外径为230mm，输出轴径为50mm图6.2回转缸的截面图（1）动片和输出轴间的连接螺钉38 动片和输出轴之间的连接结构如图6.2。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。于是得式中——每个螺钉预紧力；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=14mm.选择M14的开槽盘头螺钉。38 6.3机身升降机构的计算6.3.1手臂偏重力矩的计算图6.3手臂各部件重心位置图（1）零件重量、、、等。现在对机械手手臂做粗略估算：总共=33Kg+++=109.2Kg(2)计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离。=1920mm=1.69mm38 =0.88mm(6.6)所以，回转半径(3)计算偏重力矩(6.7)6.3.2升降不自锁条件分析计算手臂在的作用下有向下的趋势，而里柱导套有防止这种趋势。由力的平衡条件有=h=即==所谓的不自锁条件为：即取(6.8)当=1650mm时，0.32=528mm因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于528mm38 6.3.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算(6.9)式中摩擦阻力，参考图5.3取f=0.16G——零件及工件所受的总重。（1）的计算设定速度为V=4;起动或制动的时间差t=0.02s;近似估算为286.1Kg;将数据带入上面公式有：=（2）的计算28725.6=2792.2N（3）液压缸在这里选择O型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算最后通过以上计算当液压缸向上驱动时，F=6756N当液压缸向下驱动时，F=6756-=6184N6.4轴承的选择分析38 对于升降缸的运动，对于机身回转用的轴承有影响，因此，这里要充分考虑这个问题。对于本设计，采用一支点，双固定，另一支点游动的支撑结构。作为固定支撑的轴承，应能承受双向轴向载荷，故内外圈在轴向全要固定。其结构参看本章开始的——机身结构示意图5.3。本设计采用两个角接触球轴承，面对面或者背对背的组合结构。这种结构可以承受双向轴向载荷。6.5本章小结本章对机械手的机身进行了设计，分别对机身的回转机构和升降机构进行设计计算。同时也计算了升降立柱不自锁的条件，这是机身设计中不可缺少的部分。38 38'