工业机械手设计

- 1 -兰州工业学院兰州工业学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目题目 工业机械手设计工业机械手设计 系系 别别 机械工程系机械工程系 专专 业业 机械设计与制造机械设计与制造 班班 级级 机设机设 10-2 姓姓 名名 袁小鹏袁小鹏 学学 号号 201001101241 指导教师（职称）指导教师（职称） 安美玲（教授）安美玲（教授） 日日 期期 2013 年年 1 月月 4 日日 - 2 - 摘摘 要要 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，迅速发殿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。本文将设计一台 3 自由度的机械手，用于给自动生产线上运送饮料瓶。首先，本文将设计手臂，夹持器，气缸，驱动方式。通过气压系统，用 PLC 来控制整个操作。主要以机械部分设计为主。关键词：关键词：机械手；夹持器；气缸 ；驱动方式 ；机械部- 3 -ABSTRACTMachinery is in the hands of mechanization, automation production process to develop a new device. In modern production process, robot is widely used in the automatic production line, robot development and production has become a high-tech neighborhood house, rapidly as a rising technology, it has promoted the development of mechanical hand, the manipulator can be better achieved with mechanization and automation of organic in combination with. Mechanical hand although is inferior to manpower as flexible, but it has to be repeated work and labor, not tired, not afraid of danger, snatch heavy forces than human hand is large, therefore, manipulator has been popular in many fields, and more and more widely applied.In this paper, the design of 3 DOF Manipulator, used for automatic production line transporting beverage bottle. First of all, this paper will design arm, holder, cylinder, driving mode. The pneumatic system., using PLC to control the whole operation. Mainly by mechanical part design. Key words: robot; gripper; cylinder; driving; mode of mechanical part; - 4 -目目 录录摘摘 要要 .- - 2 2 - -ABSTRACTABSTRACT .- - 3 3 - -1.1.绪论绪论 .- - 5 5 - -1.1 气压传动的缺点 .- 5 -1.2 国内外研究现状 .- 6 -1.2.1 国外研究现状 .- 6 -1.2.2 国内研究现状 .- 9 -1.2.3 机械手的分类 .- 12 -1.2.4 机械手的组成 .- 13 -1.3 本论文的主要内容 .- 16 -1.3.1 绪论撰写要求 .- 16 -1.3.2 绪论的内容 .- 16 -2.1 机械手的座标型式与自由度 .- 18 -2.2 机械手的手部结构方案设计 .- 18 -2.3 机械手的手腕结构方案设计 .- 18 -2.4 机械手的手臂结构方案设计 .- 18 -2.5 机械手的驱动方案设计 .- 19 -2.6 机械手的控制方案设计 .- 19 -2.7 机械手的主要技术参数 .- 19 -3 3 手部结构设计手部结构设计 .- - 2121 - -3.1 夹持式手部结构 .- 21 -3.1.1 手指的形状和分类 .- 21 -3.1.2 设计时考虑的几个问题 .- 22 -3.1.3 回转气压缸的设计 .- 23 -3.1.4 升降气压缸的设计 .- 26 -3.1.5 伸缩气压缸的设计 .- 29 -3.1.6 加紧气压缸的设计.- 31 -4 4 手臂伸缩，升降，回转气压缸的尺寸设计与校核手臂伸缩，升降，回转气压缸的尺寸设计与校核 .- - 3535 - -4.1 手臂伸缩气压缸的尺寸设计与校核 .- 35 -4.1.1 手臂伸缩气压缸的尺寸设计 .- 35 -4.1.2 尺寸校核 .- 35 -4.1.3 导向装置 .- 36 -4.1.4 平衡装置 .- 36 -4.2 手臂升降气压缸的尺寸设计与校核 .- 36 -4.2.1 尺寸设计 .- 36 -4.2.2 尺寸校核 .- 37 - 5 -4.3 手臂回转气压缸的尺寸设计与校核 .- 37 -5 5 机械手的气压系统设计机械手的气压系统设计 .- - 3939 - -6 6 机械手的机械手的 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 .- - 4141 - -6.1 可编程序控制器的选择及工作过程 .- 41 -6.1.1 可编程序控制器的选择 .- 41 -6.1.2 可编程序控制器的工作过程 .- 41 -6.2 可编程序控制器的使用步骤 .- 42 -6.3 机械手可编程序控制器控制方案 .- 43 -6.3.1 控制系统的工作原理及控制要求 .- 43 -6.3.2 气压机械手的工作流程 .- 44 -7 7 轴承选择及校核轴承选择及校核 .- - 4646 - -8 8 齿轮齿条计算及校核齿轮齿条计算及校核 .- - 4949 - -9 9 结论结论 .- - 5353 - -致谢致谢 .- - 5454 - -参考文献参考文献 .- - 5555 - - 6 -1.绪论绪论随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。1.1 气压传动的缺点气压传动的缺点现在的机械手大多采用气压传动，气压传动存在以下几个缺点:(1)气压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等):气压传动易泄漏，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。(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，气体粘度变化，引起运动特性变化。(3)因气压脉动和气体中混入空气，易产生噪声。(4)为了减少泄漏，气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。鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，气动技术有以下优点:(1)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：介质清洁，管道不易堵塞不存在介质变质及补充的问题。(2)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(一般仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像气压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。(3)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，便于自动控制。(4)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。(5)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，气压传动与控制系统比机械、电器及气压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。- 7 -(6)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。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，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，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，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6。1.2 国内外研究现状国内外研究现状1.2.11.2.1 国外研究现状国外研究现状在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。(1)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、用气压驱动；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。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用气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- 8 -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。(2) 应用简况现代工业中，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。(3) 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- 9 -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。 1.2.2 国内研究现状国内研究现状(1)总量规模在我国，汽车工业仍然是工业机械手主要的使用领域。但我国在工业机械手生产企业中，年产销量在 100 台以上、产值过 5000 万元的规模企业非常少，国外大型公司年产量都达 5000 到 10000 台，销售额为数十亿美元。工业机械手应用前景极为广阔。目前国内机械手的保有量在 4000 台左右，并将以每年 8001000 台左右的速度快速增长。2005 年底，我国工业机械手实际安装量为 11557 台，比 2004年底安装量的 7096 台，增长了 63%。增长慢于 2004 年。2006 年底，我国工业- 10 -机械手实际安装量为 17327 台，增长 47%。2007 年底，实际安装量为 23900 台，增长 31%，平均增长 45%以上。(2)增长速度 2004-2007 年中国机械手行业销售收入增长情况单位：千元22484823389174419891851274101000000200000030000004000000500000060000002004200520062007销售收入数据来源：中国市场调查研究中心(3).机械手区域市场分析虽然目前国内生产工业机械手的企业并不多，很多产品的生产技术还主要依靠进口，高科技的技术主要还掌握在国际龙头厂商手里。我国本土企业生产的机械手产品还主要流通在中低端市场，因此决定了很多本土生产企业在争夺市场时主要还是采取价格战。随着技术的进步，日臻成熟，会有更多的厂商加入此行业。我国目前比较大的生产企业有上海 ABB 工程有限公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司、柯马（上海）汽车设备有限公司、青岛欧地希机电有限公司等。我国目前国内机械手生产企业分布情况如下：各区域市场份额分布情况华北10.0%东北15.8%华东56.0%中南12.0%西南6.2%数据来源：中国市场调查研究中心机械手行业大规模的企业大部分分布在上海、辽宁等地，占市场份额比较大，- 11 -其中上海市的企业数量最大，大约 7 家左右；华东整个地区占全国的 56%，其次是东北地区占 15.8%。(4)产品市场结构 据了解，目前机械手主要分为两大类：用于制造环境下的工业机械手，像焊接、装配、喷涂、搬运等机械手和用于非制造环境下的特种机械手，像水下机械手、农业机械手、微操作机械手、医疗机械手、军用机械手、娱乐机械手等。而中国目前对工业机械手的需求决定了机械手市场的火热。目前在我国应用的机械手主要分日系、欧系和国产三种。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的 ABB、意大利的 COMAU 及奥地利的 IGM 公司。国产机械手主要是沈阳新松机械手公司产品。近几年我国机械手的需求量大幅增加，很多企业最近四年在华的销售量超过了前十几年销售量的几倍。如德国 CLOOS 公司 2000 年以前在华销售焊接机械手 47 台，2000 年以后的在华销售已经突破 121 台，销售量翻了近三倍。以前美国是日本机械手最大的进口国，现在中国已成为日本机械手最大的进口国。首钢莫托曼公司到目前为止已为国内用户提供了约一千台机械手。我国焊接机械手的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机械手的最大用户，也是最早用户。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接机械手的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机械手逐渐崭露头角。铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机械手的需求一直处于稳步增长态势。2001 年，全国共有各类焊接机械手 1040 台，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机械手占全部焊接机械手的 76%。在汽车行业中点焊机械手与弧焊机械手的比例为 3：2，其他行业大都是以弧焊机械手为主，主要分布在工程机械（10%） 、摩托车（6%） 、铁路车辆（4%） 、锅炉（1%）等行业。焊接机械手也主要分布在全国几大汽车制造厂，我国焊接机械手的行业分布不均衡，也不够广泛。进入 21 世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业的机械手安装台数迅速增加，2002、2003、2004 年每年都有近千台的数量增长。估计我国目前焊接机械手的安装台数在 4000 台左右。汽车行业焊接机械手所占的比例会进一步提高。(5)产品供给 我国国家“863”机械手技术主题自成立以来一直重视机械手技术在产业中的推广和应用，长期以来推进机械手技术以提升传统产业，利用机械手技术发展高新产业。- 12 -目前，政府正在使用各种办法加大中国装备制造业在市场中占据的份额，并提供优惠措施鼓励更多企业使用机械手及技术以提升技术水平。国内越来越多的企业在生产中采用了工业机械手，各种机械手生产厂家的销售量都有大幅度的提高。工业机械手 2008 年、2009 年及 2010 年预计安装量单位：台6,8907,3507,9006,2006,4006,6006,8007,0007,2007,4007,6007,8008,000200820092010年安装量数据来源：中国市场调查研究中心工业机械手 2008 年、2009 年及 2010 年预计累计拥有量单位：台30,90038,50047,00005,00010,00015,00020,00025,00030,00035,00040,00045,00050,000200820092010累计安装量数据来源：中国市场调查研究中心1.2.3 机械手的分类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- 13 -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，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。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。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和各性能范围内，其动作程序是可变的，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:伺服型具有伺服系统定位控制系统， 可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，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、气压传动机械手是以气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。若机械手采用电气伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电气伺服阀的制造精度高，油气过滤要求严格，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:介质来源极为方便，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气压机械手的结构大，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。它主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。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- 14 -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4。1.2.4 机械手的组成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。其组成及相互关系如下图：1、执行机构( 如图 1.2-1 所示 )（1） 手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有伸缩轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。这里的机械手需开闭手指。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。这里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- 15 -这里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。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。这里的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右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。躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。2、 驱动机构驱动机构主要有四种：气压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以气压气动用的最多，占 90%以上，电动、机械驱动用的较少。汽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。气压驱动的优点是压力高、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。但是，此次设计的机械手是配合脚踏压盖机，设计具有 3 个自由度运送饮料瓶的机械手，涉及到了饮品行业，考虑到安全问题。因此，这里的机械手采用气压缸，齿轮齿条实现手臂的上升、下降方面。采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松方面。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。4、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- 16 -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，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。1.3 本论文的主要内容本论文的主要内容1.3.1 绪论撰写要求绪论撰写要求目的是向读者交代本研究的来龙去脉，作用在于使读者对论文先有一个总体的了解。绪论要概括地写出作者意图，说明选题的目的和意义, 并指出论文撰写的主要内容。绪论的引言要短小精悍、紧扣主题。国内外研究现状介绍要与论文研究方向一致或相近，其中的介绍的研究成果要为本论文的研究或设计提供依据或参考。1.3.2 绪论的内容绪论的内容（1）设计的目的、范围和背景。随着经济社会的快速发展，为了进一步增加生产力，减轻工人的负担，人们开始研究机械手，以此来进一步提高生产力，减轻劳动力。为了提高工作效率，提高饮料瓶的装夹效率，本设计以装夹转运饮料为目的，设计转运饮料瓶的机械手以代替人工劳动。（2）理论依据、实验基础和研究方法。（3）预期的结果及其地位、作用和意义。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。- 17 -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，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。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。- 18 -2 机械手的整体设计方案机械手的整体设计方案对气压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。设计气压机械手的原则是: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，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用气压抓取机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。2.1 机械手的座标型式与自由度机械手的座标型式与自由度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、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。- 19 -2.2 机械手的手部结构方案设计机械手的手部结构方案设计为了使机械手夹持时不能对饮料瓶有损害，则把机械手的手部处安装塑料或是软垫，这样一来，就不会对抓取的东西造成破损。2.3 机械手的手腕结构方案设计机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须与伸缩缸应该做成一体，防止当伸缩杆动作时，对其瓶子的抓取精度造成误差，从而不能造成准确抓取。2.4 机械手的手臂结构方案设计机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，手臂的各种运动由气压缸来实现。2.5 机械手的驱动方案设计机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失，并且是抓取饮品，考虑到食品安全，因此本机械手采用气压传动方式。2.6 机械手的控制方案设计机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.7 机械手的主要技术参数机械手的主要技术参数(一)机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气压方式驱动，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公斤。(二)基本参数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，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因- 20 -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。最大回转sm/0 . 1速度设计为。平均移动速度为。平均回转速度为。机械手s/90sm/8 . 0s/60动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。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。过大的伸缩行程和工作半径，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动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为。手臂升降行程定为。定位精度也是mm1400mm120基本参数之一。该机械手的定位精度为。mm1(三) 用途:用于自动输送线的抓取饮料瓶。(四)设计技术参数:1、抓重 kg5 2、自由度数 3个自由度3、座标型式 圆柱座标4、最大工作半径 800mm 5、手臂最大中心高 529mm 6、手臂运动参数 伸缩行程300mm 伸缩速度smm/400 升降行程350mm 升降速度smm/250 回转范围0128mm 回转速度 s/90手指夹持范围6575mm9、定位方式 行程开关或可调机械挡块等10.定位精度 - 21 - mm1 11、驱动方式 气压传动12、控制方式 点位程序控制(采用PLC)- 22 -3 手部结构设计手部结构设计3.1 夹持式手部结构夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。3.1.1 手指的形状和分类手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式: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。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，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。3.1.2 设计时考虑的几个问题设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)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。(三)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。(四)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，当应尽量使结构简单紧凑，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为佳。- 23 -(五)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，由于所夹持的是饮料瓶，饮料瓶外部为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。机械手手部示意图手部夹持器夹持饮料瓶的部分有连接垫块，垫块用橡胶制成，与手部处通过硫化交联剂 SQS633，该性状：白色粉状，有微酸性。类似 SR633。用途：本品是橡胶助硫化剂,橡胶和金属的粘合剂，胶水，鞋材、传送带、人造大理石交联剂和耐热填加剂。具有耐酸、碱、耐油、耐腐蚀、耐高温的性能，与橡胶体结合可获得盐性交联键，提高硫化胶的强度，改善高低温性能。试验证明 SQS633 对于提高硫化胶硬度、提高拉伸性能和金属表面的粘结性最为有效。在增加橡胶硬度和拉伸性能的同时，仍能保持很好的伸长率。此外，还能提高弹性，增加硬度，提高抗撕拉性能，降低白碳黑，补强胶料的压缩永变性。3.1.3 回转气压缸的设计回转气压缸的设计1.其工件重量G=5公斤，V形手指的角度，,摩擦系数为802mmRmmb357010. 0f(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: Rbp2N- 24 -(2)根据手指夹持工件的方位 ，可得握力计算公式:)(5 . 0tgN)(75. 1)42540(55 . 0Ntg所以Rbp2N)(7 N(3)实际驱动力:实际驱动力公式如下： 21KKpp实际1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓94. 05 . 11K取工件的最大加速度取时，则:ga3412gaK所以 )(68.4494. 045 . 17Np实际所以夹持工件时所需夹紧气压缸的驱动力为。N68.442、活塞杆输出力和缸径计算本气压缸属于单向作用气压缸。根据力平衡原理，单向作用气压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，其理论公式为:ztFFPDF421式中: - 活塞杆上的推力，N1F - 弹簧反作用力，NtF- 气压缸工作时的总阻力，NzF- 气压缸工作压力，PaP弹簧反作用按下式计算:)(SLCFtC = nDGd31418- 25 -式中:C- 弹簧刚度，N/m L- 弹簧预压缩量，m- 26 - 活塞行程，ms- 弹簧钢丝直径，m1d- 弹簧平均直径，.1D- 弹簧有效圈数.n- 弹簧材料剪切模量，一般取GPaG9104 .79在设计中，必须考虑负载率的影响，则:tFpDF421由以上分析得单向作用气压缸的直径:pFtFD)(41代入有关数据，可得CnDGd314184333920)1032(8)105 . 3(104 .79 )/(60.2272mN)(SLCFt)(95.132105 .5860.22723N所以:DpnFtF)1(420105 . 0)95.132490(46-查有关手册圆整，得mmD62活塞杆的长径比不同，需考虑的问题不同，在长径比较小时（Ld)1.4 其中，MPa120NF7501则:5 . 0)120/4904(d取d=30mm（2）按纵向弯曲极限力计算气缸承受纵向推力负载达到极限力f以后，活塞杆轴线会产生弯曲，出现不稳定现象。该极限力与气缸的安装方式，活塞杆直径及行程有关。式中：L活塞杆计算长度K活塞杆横截面回转半径J活塞杆截面转动惯量D空心活塞杆内孔直径A活塞杆横截面积N因数E材料弹性模量F材料强度实验值S- 安全因素若纵向推力负载超过极限力，就应该采取相应措施。在行程及安装方式不变的前提下，只有加大活塞杆直径d缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气压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: 2/pDP式中:6- 缸筒壁厚，mm- 气压缸内径，mmD- 实验压力，取, PapPPPp5 . 1材料为:铸铁 =3MPa代入己知数据，则壁厚为: 2/pDP- 28 -)(5 . 6)1032/(1066565mm查表取mm83.1.4 升降气压缸的设计升降气压缸的设计1、活塞杆输出力和缸径计算本气压缸属于单向作用气压缸。根据力平衡原理，单向作用气压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，其理论公式为:ztFFPDF421式中: - 活塞杆上的推力，N1F - 弹簧反作用力，NtF- 气压缸工作时的总阻力，NzF- 气压缸工作压力，PaP弹簧反作用按下式计算:)(SLCFtC = nDGd31418式中:C- 弹簧刚度，N/m L- 弹簧预压缩量，m- 活塞行程，ms- 弹簧钢丝直径，m1d- 弹簧平均直径，m1D- 弹簧有效圈数.n- 弹簧材料剪切模量，一般取GPaG9104 .79在设计中，必须考虑负载率的影响，则:tFpDF421- 29 -由以上分析得单向作用气压缸的直径:pFtFD)(41代入有关数据，可得CnDGd3141843339100)1034(8)105 . 3(104 .79 )/(94.378mN)(SLCFt)(52.1701045094.3783N所以:DpnFtF)1(420105 . 0)95.132490(46-查有关手册圆整，得mmD82活塞杆的长径比不同，需考虑的问题不同，在长径比较小时（Ld)1.4其中，MPa120NF7501则:5 . 0)120/4904(d取d=28mm（2）按纵向弯曲极限力计算气缸承受纵向推力负载达到极限力f以后，活塞杆轴线会产生弯曲，出现不稳定现象。该极限力与气缸的安装方式，活塞杆直径及行程有关。- 30 -式中L活塞杆计算长度K活塞杆横截面回转半径J活塞杆截面转动惯量D空心活塞杆内孔直径A活塞杆横截面积N因数E材料弹性模量F材料强度实验值A因数若纵向推力负载超过极限力，就应该采取相应措施。在行程及安装方式不变的前提下，只有加大活塞杆直径d2、缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气压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: 2/pDP式中:6- 缸筒壁厚，mm- 气压缸内径，mmD- 实验压力，取, PapPPPp5 . 1材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为: 2/pDP)(5 . 6)1032/(1066565mm取mm83.1.5 伸缩气压缸的设计伸缩气压缸的设计1、活塞杆输出力和缸径计算本气压缸属于单向作用气压缸。根据力平衡原理，单向作用气压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，其理论公式为:ztFFPDF421- 31 -式中: - 活塞杆上的推力，N1F - 弹簧反作用力，NtF- 气压缸工作时的总阻力，NzF- 气压缸工作压力，PaP弹簧反作用按下式计算:)(SLCFtC = nDGd31418式中:C- 弹簧刚度，N/m - 弹簧预压缩量，m1- 活塞行程，ms- 弹簧钢丝直径，m1d- 弹簧平均直径，.1D- 弹簧有效圈数.n- 弹簧材料剪切模量，一般取GPaG9104 .79在设计中，必须考虑负载率的影响，则:tFpDF421由以上分析得单向作用气压缸的直径:pFtFD)(41代入有关数据，可得CnDGd314184333980)1032(8)105 . 3(104 .79 )/(15.568mN)(SLCFt)(89.2151038015.5683N- 32 -所以:DpnFtF)1(420105 . 0)95.132490(46-查有关手册圆整，得mmD52活塞杆的长径比不同，需考虑的问题不同，在长径比较小时（Ld)1.4其中，MPa120NF7501则:5 . 0)120/4904(d取d=28mm（2）按纵向弯曲极限力计算气缸承受纵向推力负载达到极限力f以后，活塞杆轴线会产生弯曲，出现不稳定现象。该极限力与气缸的安装方式，活塞杆直径及行程有关。式中L活塞杆计算长度K活塞杆横截面回转半径J活塞杆截面转动惯量D空心活塞杆内孔直径A活塞杆横截面积N因数E材料弹性模量F材料强度实验值A因数若纵向推力负载超过极限力，就应该采取相应措施。在行程及安装方式不变的前提下，只有加大活塞杆直径d2、缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气压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:- 33 - 2/pDP式中:6- 缸筒壁厚，mm- 气压缸内径，mmD- 实验压力，取, PapPPPp5 . 1材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为: 2/pDP)(5 . 6)1032/(1066565mm取mm83.1.6 加紧气压缸的设计加紧气压缸的设计 1.其工件重量G=5公斤，V形手指的角度，,摩擦系数为802mmRmmb357010. 0f(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: Rbp2N(2)根据手指夹持工件的方位 ，可得握力计算公式:)(5 . 0tgN)(75. 1)42540(55 . 0Ntg所以Rbp2N)(7 N(3)实际驱动力: 21KKpp实际2、活塞杆输出力和缸径计算本气压缸属于单向作用气压缸。根据力平衡原理，单向作用气压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，其理论公式为:- 34 -ztFFPDF421式中: - 活塞杆上的推力，N1F - 弹簧反作用力，NtF- 气压缸工作时的总阻力，NzF- 气压缸工作压力，PaP弹簧反作用按下式计算:)(SLCFtC = nDGd31418式中:C- 弹簧刚度，N/m - 弹簧预压缩量，m1- 活塞行程，ms- 弹簧钢丝直径，m1d- 弹簧平均直径，.1D- 弹簧有效圈数.n- 弹簧材料剪切模量，一般取GPaG9104 .79在设计中，必须考虑负载率的影响，则:tFpDF421由以上分析得单向作用气压缸的直径:pFtFD)(41代入有关数据，可得CnDGd314184333920)1025(8)105 . 3(104 .79 )/(4788mN)(SLCFt)(16.335107047883N- 35 -所以:DpnFtF)1(420105 . 0)95.132490(46-查有关手册圆整，得mmD46活塞杆的长径比不同，需考虑的问题不同，在长径比较小时（Ld)1.4其中，MPa120NF7501则:5 . 0)120/4904(d取d=20mm（2）按纵向弯曲极限力计算气缸承受纵向推力负载达到极限力f以后，活塞杆轴线会产生弯曲，出现不稳定现象。该极限力与气缸的安装方式，活塞杆直径及行程有关。式中L活塞杆计算长度K活塞杆横截面回转半径J活塞杆截面转动惯量D空心活塞杆内孔直径A活塞杆横截面积N因数E材料弹性模量F材料强度实验值A因数若纵向推力负载超过极限力，就应该采取相应措施。在行程及安装方式不变的前提下，只有加大活塞杆直径d3、缸筒壁厚的设计- 36 -缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气压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: 2/pDP式中:6- 缸筒壁厚，mm- 气压缸内径，mmD- 实验压力，取, PapPPPp5 . 1材料为:铸铁,=3MPa代入己知数据，则壁厚为: 2/pDP)(5 . 6)1032/(1066565mm取mm7- 37 -4 手臂伸缩，升降，回转气压缸的尺寸设计与校核手臂伸缩，升降，回转气压缸的尺寸设计与校核4.1 手臂伸缩气压缸的尺寸设计与校核手臂伸缩气压缸的尺寸设计与校核4.1.1 手臂伸缩气压缸的尺寸设计手臂伸缩气压缸的尺寸设计手臂伸缩气压缸采用烟台气压元件厂生产的标准气压缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气压缸用普通型气压缸，关于此气压缸的资料详情请参看气压气动设计手册4.1.2 尺寸校核尺寸校核1. 在校核尺寸时，只需校核气压缸内径=52mm,半径R=26mm的气压缸的尺1D寸满足使用要求即可,设计使用压强,MPaP4 . 0 则驱动力： 2RPF )(056.849026. 014. 3104 . 026N2测定手腕质量为50kg,设计加速度，则惯性力：)/(10sma maF 1 )(5001050N3.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数,2 . 0k1.FkFm )(1005002 . 0N 总受力mFFF10 )(600100500N FF 0- 38 - 所以标准普通气压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。4.1.3 导向装置导向装置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，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式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减少对回