棒料抓装机械手的设计设计

毕业设计设计题目 棒料抓装机械手的设计 目 录中文摘要3英文摘要4第一章 绪 论51.1 工业机械手5 1.1.1 工业机械手概述5 1.1.2 选题背景6 1.1.3 设计目的61.2 机械手的组成和分类7 1.2.1机械手的组成7 1.2.2机械手的分类101.3 国内外发展状况121.4 课题的主要要求13第二章 手部结构142.1 手部结构设计14 2.1.1概述142.2手部计算16 2.2.1 驱动力的计算16 2.2.2夹紧缸驱动力计算182.3 两支点回转式钳爪的定位误差的分析18第三章 腕部结构193.1腕部的结构设计19 3.1.1概述19 3.1.2 腕部的结构形式203.2手腕驱动力矩的计算20第四章 臂部的结构224.1 臂部设计的基本要求224.2 手臂的典型机构以及结构的选择23 4.2.1 手臂的典型运动机构23 4.2.2 手臂运动机构的选择234.3 手臂直线运动的驱动力计算23 4.3.1 手臂摩擦力的分析与计算23 4.3.2 手臂惯性力的计算25 4.3.3 密封装置的摩擦阻力254.4 液压缸工作压力和结构的确定26第五章 机身的设计计算295.1 机身的整体设计295.2 机身回转机构的设计计算305.3 机身升降机构的计算33 5.3.1 手臂偏重力矩的计算33 5.3.2 升降不自锁条件分析计算34 5.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算34 5.3.4 油缸结构尺寸的确定35第六章 液压系统376.1液压系统的设计37 6.1.1液压系统简介37 6.1.2液压系统的组成376.2机械手液压系统的控制回路37 6.2.1 压力控制回路37 6.2.2 速度控制回路38 6.2.3方向控制回路386.3 机械手的液压传动系统39 6.3.1上料机械手的动作顺序39 6.3.2自动上料机械手液压系统原理介绍396.4机械手液压系统的简单计算41 6.4.1 双作用单杆活塞油缸42 6.4.2油泵的选择45 6.4.3 确定油泵电动机功率N46第七章 PLC控制回路的设计477.1电磁铁动作顺序477.2 根据机械手的动作顺序表487.3 PLC与现场器件的实际连接图497.4 梯形图507.5指令程序52结 论56致 谢57参考文献：58棒料抓装机械手的设计摘 要：当今社会信息化、科技化时代到来，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，可以通过编程控制及检测反馈技术的成熟实现无人化操作，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抓取、搬运或操作的自动机械装置。机械手的发展可以减轻劳动强度、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。关键词：减轻劳动强度、提高生产率、适应恶劣环境、自动化、产品质量高。THE DESIGN OF MANIPULATOR FOR THE CLAVATE MATERAL GRABBED THE DEVICEAbstract: With the development of information and science & technology, robot technology has been a comprehensive subject which includes computing, control theory, sensor technology, AIT (artificial intelligence technology) and bionics. Robot can be controlled by PLC with feedbacks which can achieve unmanned operation. The research of robot technology is active with wide applications. The applied ratio of robot technology is the most important symbol of the level of industrial automation stately. Robot is not just a replacement of human labor, but great mechanical & electronic device and a compound of human and machine. Robot has the fast reaction and judge to environment and can work long with high accuracy. To some extent, it is the evolution product of traditional machine and has been the indispensable automatic machine of advanced manufacturing field. Mechanical arm imitates some of human actions with a set program and track to achieve automatic grab, operation or transportation of goods. The mechanical arm could relieve human labor and improve product quality with safety, especially in mal-condition of high-temperature, high-pressure, low temperature, low-pressure, dusty or explosive, the application of robot is more significant.Key Words: relieve human labor, improve product efficiency,adapt to mal-conditions, automation, high quality第一章 绪论1.1 工业机械手 1.1.1 工业机械手概述工业机器人由操作机(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生产设备。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。1.1.2 选题背景机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。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共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。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。而目前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，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。1.1.3 设计目的本设计通过对机械设计制造及其自动化专业夜大2.5年的所学知识进行整合，完成一个通用形式的普通圆棒料搬运的机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。目前，在国内很多工厂的生产中圆棒料的搬运摆放仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，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理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：一、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。二、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。三、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。本机械手主要与多工位冲床组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。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执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。 图2-1机械手组成方框图(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，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。图1-1 机械手手抓结构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)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。4、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I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、 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。(二)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。1.2.2机械手的分类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，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，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。1.3 国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:(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65万美元。(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应用方面则刚刚起步，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中。1.4 课题的主要要求设计通用圆柱坐标系机械手及控制系统。设计中的机械手各动作由液压缸驱动，并有电磁阀控制，技术指标如下：（1、）原始数据：a、 抓重：200Nb、 自由度（四个自由度）c、 动作 符号 行程范围 速度伸缩 X 500mm 小于300mm/s升降 Z 330mm 小于70mm/s回转 0180 小于90/sd、 手腕运动参数 回转 行程范围 0180 速度 小于90/se、 手指夹持范围：棒料，直径6585mm，长度4501200mm f、 定位方式：电位器（或接近开关等）设定，点位控制g、 驱动方式：液压（中、低压系统）h、 定位精度：3mm。 i、 控制方式：PLC 1.5设计内容及安排a、 熟悉任务，查阅资料b、 画出机械手装配图c、 画出液压控制原理图d、 根据控制要求，选择PLC型号及输入输出元件e、 画出PLC控制的输出输入接线图f、 完成梯形图和语句表的程序设计g、 整理设计说明书，答辩 要求：a、上述工作要求扎扎实实完成，绝不能打过场b、培养独立思考的，独立动手，独立查阅资料，严谨治学、一丝不苟的精神c、培养独立分析问题、解决问题的能力d、有关问题按照课程设计大纲要求进行第二章 手部结构2.1 手部结构设计 2.1.1概述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，这里采用连杆杠杆式。 2.1.2 设计时应考虑的几个问题应具有足够的握力（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。手指间应有一定的开闭角 两个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。应保证工件的准确定位 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。应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，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。 应考虑被抓取对象的要求 应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。2.2手部计算2.2.1 驱动力的计算 1.手指 2.连杆 3.拉杆 4.指座图1 连杆杠杆式手部受力分析如图所示为连杆式手部结构。作用在拉杆上的驱动力3为P，两连杆2对拉杆反作用力为P1、P2，其力的方向沿连杆两铰链中心的连线，指向O点并与水平方向成角，由拉杆的力平衡条件可知，即 Fx=0,P1=P2;Fy=0P=2P1cosP1=P/2cos 连杆对手指的作用力为p1，因连杆2为2力杆。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即m01(F)=0得 P1h=Nb 因 h=c cos 所以 P=2 b tg N/c式中 b手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。 c手指的回转支点到连杆铰链连接点的距离（毫米） 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。 由上式可知，当驱动力P一定时，握力N与角成正切反比。角小时可获得较大的握力，=0的时候使手指闭合到最小位置即为自锁位置，这时去掉驱动力，工件也不会自行脱落。若拉杆再往下移动，则手指反而会松开，为避免这种情况的发生，需保持大于零，一般取=3040。这里取角=30度。 这种手部结构简单，具有动作灵活等特点。查工业机械手设计基础中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即： P实际=PK1K2/式中 手部的机械效率，一般取0.850.95； K1安全系数，一般取1.22 K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。 本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒，工件重量G为300牛顿，V型钳口的夹角为120,=30时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下： 根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式 N=0.5G=150（N）选取b=50 c=30 由连杆杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2btg N/c 得 P=P计算=250tg（30）15030288.68（N） P实际=P计算K1K2/ 取=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1 则 P实际=288.681.51.1/0.85560.38(N)2.2.2夹紧缸驱动力计算 夹紧装置是使手指夹紧工件的动力装置，此外，选用液压驱动，为单向作用缸，回程用弹簧驱动，手指夹紧工件时，缸的驱动力为 P推=D2P4 其中D活塞直径，选取直径28mm的液压缸 P驱动流体压力，选取P=1MPa计算可得： P推=28214=615.44（N） P推P实际 故夹紧缸的选择满足题目要求2.3 两支点回转式钳爪的定位误差的分析 图2 带浮动钳口的钳爪 钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O的距离为x,则 x=当工件直径变化时,x的变化量即为定位误差,设工件半径R由Rmax变化到Rmin时,其最大定位误差为=- 其中l=50mm ,b=10mm ,a=45mm ,2=120 ,Rmin=25mm ,Rmax=35mm代入公式计算得 最大定位误差=49.7149.62=0.090.8 故符合要求.第三章 腕部结构3.1腕部的结构设计3.1.1概述腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点： 结构紧凑，重量尽量轻。 转动灵活，密封性要好。 注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题 要适应工作环境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。 3.1.2 腕部的结构形式 本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为180.如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。3.2手腕驱动力矩的计算 驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算： M驱=M惯+M偏+M摩 +M封 （Nm） 式中 M驱驱动手腕转动的驱动力矩 M惯惯性力矩 （Nm） M偏参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩 （Nm） M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 （Nm） M封腕部回转缸的东片与定片、缸内壁、端盖、等处密封装置的摩擦阻力距（Nm） 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏 M偏 =G1 e （N.m） 式中 G1工件重量（N） e偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M偏为零 当e=0.020，G1=300N时 M偏 =6（Nm） 腕部启动时的惯性阻力矩M惯 当知道手腕回转角速度时，可用下式计算M惯 M惯 =（J+J工件） （Nm） 式中 手腕回转角速度 （1/s） T手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运动） J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kgm） J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量 （kgm） 按已知计算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2 故 M惯 = 1.3（Nm） 当知道启动过程所转过的角度时，也可以用下面的公式计算M惯： M惯=（J+J工件） （Nm） 式中 启动过程所转过的角度（rad）; 手腕回转角速度 （1/s）。 考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些，可取 M =1.11.2 （M惯+M偏+M摩 ） （N.m） M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m） 第四章 臂部的结构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。 4.1 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。234.2 手臂的典型机构以及结构的选择4.2.1 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。4.2.2 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。4.3 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、密封等几个方面的阻力，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。 -摩擦阻力(N)。臂部运动时，运动件表面间的摩擦力，如导向装置、活塞和缸壁等处的阻力。-密封装置处的摩擦阻力(N)。-油缸回油腔低压油造成的阻力(N)，一般背压阻力较小，可取=0.05P。-臂部起动或制动时活塞杆上受到的平均惯性力(N)。4.3.1 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。下图是机械手的手臂示意图。图 4.1 机械手臂部受力示意计算如下：不同的配置和不同的导向截面形状，是不同的，要根据具体情况进行估算，本案为圆柱面双导向杆导向，导向杆对称配置在油缸两侧的水平伸缩缸，起动时，导向装置处的摩擦阻力较大，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 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） 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：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 估算：，L=0.5m,导向支撑a设计为0.08m将有关数据代入进行计算4.3.2 手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是V=0.3m/s,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度V=V=0.3m/s, 4.3.3 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，活塞杆直径为油缸直径的一半，活塞与活塞杆处都采用O形圈密封时，液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：(因手部轴线与臂部伸缩轴线垂直，手部油管不会经过臂部，故油管密封不考虑)。经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：4.4 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P=1117.2N，根据表3.2选择液压缸的工作压力P=1MPa（1） 确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图5.2所示图4.2 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） （有杆腔） 式中 P-活塞的驱动力(N) P1-油缸的工作压力(MPa) d-活塞杆直径(mm),本案初设d=D/3 D-油缸内径(mm) -油缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取=0.96据上述计算，P=1076.4N P1=1MPa，按有杆腔进行计算，其结果必然满足无杆腔的力学要求。将有关数据代入： 根据表3-2油缸内径系列（GB/T2348-93），选择标准液压缸内径， D=50mm.活塞杆直径d=50/3=16.67mm，圆整为d=18mm。（2） 液压缸外径的设计本案液压缸考虑铸造结构，考虑到铸造的最小壁厚要求，故最小不小于3mm，而驱动压力又较低，故厚度不超过10mm。按中等壁厚进行计算(16D/3.2)：式中 -强度系数(当为无缝钢管时取值为1，本案为铸造式，取值0.7) C-计入管壁公差及侵蚀的附加厚度 -油缸材料的许用应力(MPa)；，其中为油缸材料的抗拉强度，n为安全系数，一般n=35 一般常用缸体材料的许用应力 为： 锻钢 =110120MPa铸钢 =60MPa无缝管 =100110MPa代入数据： 圆整为3mm，即缸体外径56mm。（3） 活塞杆的计算校核强度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： 设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径d=18mm,L=1000mm,现在进行校核。结论： 活塞杆的强度足够。稳定性校核 本案L15d，应进行稳定性校核。稳定性条件可表示为; 式中 -临界力(N) -安全系数，一般取24本案中，故按大柔度杆计算 式中 -活塞杆计算柔度 -活塞杆长度(mm)，本案取值1000mm -活塞杆横截面的惯性半径，取值为d/4 F-活塞杆截面积 E-弹性模量(MPa) E=210000 -长度折算系数，本案取值0.5 -特定柔度值，本案取105将值代入：故稳定性符合要求。第五章 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。5.1 机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂2100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。如图6.1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2100。31图5.1 回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图5.2 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。 惯性力矩的计算 式中 回转缸动片角速度变化量（），在起动过程中=；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（）。由于参与回转的零件形状、尺寸和重量各不相同，所以计算比较复杂，为了简化计算，可将形状复杂的形体简化成几个简单形体，分别计算，然后将各值相加，即是复杂零件对回转轴的转动惯量。本案中手臂回转零件的重心与回转轴不重合，其零件对转动轴的转动惯量为 式中 回转零件对过重心轴线的转动惯量，由于回转零件的不同，计算公式不同，针对本案，回转部件可以等效为一个长l=0.8m，半径R=0.04m的圆柱体，重量为40kg的圆柱体。 -回转件的重心到回转轴线的距离。针对本案，估计=0.7m -回转件的重量，针对本案，估计G=80kg。