工業(yè)機械手畢業(yè)論文

1、工業(yè)機械手畢業(yè)論文摘要關(guān)鍵詞：工業(yè)機械手，液壓驅(qū)動，液壓缸。IAbstractThe design of the industrial robot used for carrying workpieces, workpiece, gross weight, wide 30Kg 30cm long centimeters high, chief of1.8 20cm m. In order to increase the generality of the manipulator, as far as possible in the structure is compact, under the

2、 situation of utmost ground to industrial robots have larger grab range.This design of introduces the concept of industrial robots, composition and classification of the manipulator, freedom and coordinates, sports and the development at home and abroad. For industrial robots are overall design of m

3、anipulator, the first identified for cylindrical coordinates coordinates type, free degree, then determined for five of the manipulator device drivers for the hydraulic cylinder, then determines the main technical parameters of the robot. At the same time, the design of manipulator hand structure sl

4、iding channel for leveraged plier, wrist motor driven by structure form for turning wrist, arm adopts double guide bar structure form, the structure and form to turn over in the cylinder cylinder structure form, calculated the clamping workpiece, the driving force for the wrist curls driving torque

5、arm, the driving force for expansion, the force required arms pitch, arm movements of the arms and driving force for driving torque required rotation. Then the design of industrial robots each part of hydraulic cylinder size and structure and connection between the parts and components of supporting

6、 structure and size.Keywords: industrial robots, hydraulic drive, hydraulic cylinder.II目錄摘要 . I ABSTRACT . II1 緒論 . 11.1 工業(yè)機械手的含義 . 11.2工業(yè)機械手的產(chǎn)生、應(yīng)用與發(fā)展 . 11.3工業(yè)機械手的組成與運動 . 52工業(yè)機械手的手部設(shè)計 . 132.1概述 . 132.2手部機構(gòu)形式 . 132.3鉗爪式手部機構(gòu)的選用要點 . 142.4 滑槽杠桿式鉗爪的夾緊力分析與計算 . 152.5 滑槽杠桿式鉗爪手部機構(gòu)的驅(qū)動力計算 . 172.6 手部夾緊液壓缸的設(shè)計與計算

7、. 183 工業(yè)機械手的腕部設(shè)計 . 213.1 概述 . 213.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 . 224 工業(yè)機械手臂部的設(shè)計 . 244.1概述 . 244.2工業(yè)機械手臂部的結(jié)構(gòu)形式 . 254.3工業(yè)機械手臂部運動驅(qū)動液壓缸的設(shè)計與計算 . 284.4工業(yè)機械手的液壓緩沖裝置 . 345 結(jié)論 . 355.1工業(yè)機械手主要規(guī)格參數(shù) . 355.2 設(shè)計總結(jié) . 356 致謝 . 377參考文獻 . 38第3頁1 緒論1.1 工業(yè)機械手的含義“機械手”（mechanical hand，也被稱為“自動手”(auto hand), 多數(shù)是指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置（國第1頁196

8、2年，美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手，該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降，采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)，也是示教再現(xiàn)型的。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在60年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年，美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出了一種Unimate-Vicarm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)定位誤差小于±1mm。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要應(yīng)用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料作業(yè)。聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機械手，至1977年

9、底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。我國雖然開始研究工業(yè)機械手僅比日本晚56年，但由于種種原因，工業(yè)機械手計時的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人（工業(yè)機械手）技術(shù)，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機械手技術(shù)必將獲得迅速發(fā)展。機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操做的，稱為操作機。它起源于

10、原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 第2頁目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(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，是機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計

11、算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）和柔性制造單元（FMC）中的重要一環(huán)。1.2.2應(yīng)用簡況機械手的應(yīng)用意義可以概括如下：一、以提高生產(chǎn)過程中的自動應(yīng)用化程度應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工

12、作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都是機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)?，F(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。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、 第3頁裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，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。有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機械加

13、工。隨著機械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還會有所改變。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。國內(nèi)機械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。采用機械手進行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝像機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。1.2.3發(fā)展趨勢目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱

14、處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構(gòu)，即可組成不同用途的機械手。既便于設(shè)計制造，有便于更換工件，擴大應(yīng)用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。在國外機械制造業(yè)中工

15、業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用 第4頁于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置

16、。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 1.3工業(yè)機械手的組成與運動.3.1工業(yè)機械手的組成工業(yè)機械手主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成關(guān)系如圖1.1：第5頁 圖1.1 執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機械手完成握取工件（或者工具）實現(xiàn)所需的各種運動的機械部件，包括以下幾個部分：1)手部：是工業(yè)機

17、械手直接與工件（或者工具）的部件。有些工業(yè)機械手直接將工具（如焊槍、噴槍、容器）裝在手部位置，而不再設(shè)置手部。2)腕部：是工業(yè)機械手中聯(lián)接手部與臂部、主要用來確定手部工作位置并擴大臂部動作范圍的部件。有些專用機械手沒有手腕部件，而是直接將手部安裝在臂部的端部。3)臂部：是工業(yè)機械手用來支承腕部和手部實現(xiàn)較大運動范圍的部件。4)機身：是工業(yè)機械手用來支承手臂部件，并安裝驅(qū)動裝置及其他裝置的部件。專用機械手一般將臂部裝在主機上，成為主機的附屬裝置。 驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力的裝置。采用的動力源不同，驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式也不同。驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式有四種:液壓式、氣壓式、電氣式和機械式

18、。第6頁 1）液壓式：液壓驅(qū)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(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)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(fù)雜成本較高。2）氣壓式：氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，速度不易控制、響應(yīng)慢、動作不平穩(wěn)、有沖擊，只能用于點位控制，而

19、且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構(gòu)或緩沖機構(gòu)。3）電氣式：其驅(qū)動系統(tǒng)一般是由電機驅(qū)動?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)；有的采用直線電動機。優(yōu)點是電源方便，信號傳遞運算容易、響應(yīng)快、驅(qū)動力較大，適用于中小型工業(yè)機械手。但是必須要使用減速機構(gòu)（如齒輪減速器、諧波齒輪減速器等），所需要的電機有步進電機、DC伺服電機和AC伺服電機等。4）機械式：其驅(qū)動系統(tǒng)由電機、齒輪、齒輪齒條、連桿等機械裝置組成，傳動可靠，適用于專一簡單的機械手。這種方式結(jié)構(gòu)比較龐大。本設(shè)計的手部夾緊、手臂伸縮、手臂升

20、降、手臂俯仰、手臂回轉(zhuǎn)均采用液壓式，腕部回轉(zhuǎn)考慮到回轉(zhuǎn)精度的原因，采用電氣式。 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是工業(yè)機械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，并檢測其正確與否。一般常見的為電氣與電子回路控制，計算機控制系統(tǒng)也不斷增多。就其控制方式，可分為分散控制與集中控制兩種類型。若以控制的運動軌跡來分，原則上分為兩種：1）點位控制：主要控制空間兩點或者有限多個點的空間位置，而對其運動路徑?jīng)]有要求。專用機械手絕大多數(shù)均采用這種點位控制方式。 第7頁2）連續(xù)軌跡控制：是用連續(xù)的信息對運動軌跡的任意位置進行控制，其運動軌跡是連續(xù)的。對運動軌跡有要求的工業(yè)機械手需要連續(xù)軌跡控制，如電弧焊

21、、切割等。.3.2工業(yè)機械手的運動工業(yè)機械手的運動，擬分為工業(yè)機械手的自由度、運動范圍和各種運動形式來敘述。 工業(yè)機械手的自由度工業(yè)機械手的手部所握持的工件（或工具）在空間的位置，是由臂部、腕部以及整機等各自獨立運動的合成來確定。確定手部中心位置與手部方位的獨立變化參數(shù)，就是工業(yè)機械手的自由度（有時被稱為運動軸、運動度等）。它是工業(yè)機械手的重要參數(shù)之一。工業(yè)機械手的每一個自由度，都要相應(yīng)地配一個原動件（如伺服馬達、油缸、氣缸、步進馬達等驅(qū)動裝置），當各原動件按一定的規(guī)律運動時，機械手各運動件就隨之確定的運動，自由度數(shù)與原動件數(shù)必須相等，只有這樣才能使工業(yè)機械手具有確定的運動。對于機械手來說，如

22、果自由度越多，就能更接近人手的多種機能，通用性就更好，但自由度越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，從而不容易滿足對整體結(jié)構(gòu)在重量輕、體積小和高效率等方面的要求。這是工業(yè)機械手設(shè)計中的矛盾。目前一般工業(yè)機械手的自由度（除手部夾緊動作外）大多不超過五個。工業(yè)機械手常見的各種自由度包括：臂伸縮、臂回轉(zhuǎn)、臂俯仰、臂升降、腕部回轉(zhuǎn)、腕部俯仰、腕部直移、腕部擺動等。如圖1.2所示：第8頁 圖1.2 工業(yè)機械手的運動示意圖工業(yè)機械手的運動范圍工業(yè)機械手的運動范圍，是指機械手在平面或空間的運動軌跡圖形的形狀及其大小，是機械手的技術(shù)參數(shù)之一。機械手所具有的自由度數(shù)目及其組合不同，其運動軌跡圖形也不同。而每個自由度的運動變化量（即

23、直線運動的距離和回轉(zhuǎn)運動的回轉(zhuǎn)角度）的大小都決定著運動軌跡圖形的大小。一般情況下，臂部的自由度主要是用來確定手部以及工件（或工具）在空間的運動范圍和位置的。因此，臂部運動也稱為機械手的主運動，而腕部的自由度則主要用來調(diào)整手部以及工件（或工具）在空間的方位。第9頁 表1.1所列為臂部幾種自由度的不同組合及其運動范圍的圖形。臂部具有一個自由度時的運動軌跡為宜直線或圓?。痪哂袃蓚€自由度時，其運動軌跡為一平面或圓柱面；具有三個自由度時，其運動軌跡則從面擴大到空間成為立方體或回轉(zhuǎn)體（包括圓柱體和球體等）表1.2為臂部運動組合的一般狀況。表1.1 臂部自由度的組合及其運動范圍表1.2 臂部運動組合的一般狀

24、況第10頁工業(yè)機械手的各種運動形式如前所示，由于臂部自由度的不同組合，其運動范圍的圖形也不同，可以將其歸納為以下五種形式：1）圓柱坐標型。這種運動形式的機械手的臂部都具有回轉(zhuǎn)、伸縮與升降三個自由度，其與電腦范圍的圖形為一個圓柱體。它具有占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，緊湊，并能達到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，運動直觀性強。2）極坐標型。該運動形式工業(yè)機械手的臂部有一個直線運動與兩個回轉(zhuǎn)運動組成，即有一個伸縮，一個俯仰與一個回轉(zhuǎn)運動組成。其運動范圍的圖形為一個球體。它具有動作靈活、占地面積小而工作時的運動范圍大燈特點。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、定位精度較低、運動直觀性差。3）直角坐標型。直角坐標型的工業(yè)機

25、械手的臂部由三個直線運動組成，即由沿x,y,z軸三個方向的運動組成。運動范圍的圖形為立方體。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高、運動直觀性強，但占地面積打而工作范圍小，慣性大靈活性差。4）多關(guān)節(jié)型。這種運動形式的工業(yè)機械手的臂部類似人的手臂可作幾個方向的轉(zhuǎn)動，它由立柱和大、小兩臂組成，大小兩臂之間的聯(lián)接為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關(guān)節(jié)，客使大臂作回轉(zhuǎn)運動、小臂俯仰和大臂活動。其特點是工作范圍大、動作靈活、通用性強、能抓取靠近機座的物體，但是，其運動直觀性差，手部中心位置是由多個回轉(zhuǎn)角確定的， 要達到較高的定位精度很困難。5）SCARA型。這種形式的機械手實為水平多關(guān)節(jié)型機械手，多用于裝配，故也

26、被稱為裝配機械手。動作靈活、速度快、定位精度高。表1.3列出了各種運動形式的特點對比。表1.3 各種運動形式特點對比 第11頁綜上所述，最后基本確定本設(shè)計工業(yè)機械手的運動形式為圓柱坐標型，自由度數(shù)為5，包括腕部回轉(zhuǎn)、臂伸縮、臂升降、臂回轉(zhuǎn)、臂俯仰。其中，臂俯仰機構(gòu)采用在伸縮臂的后方加裝一直線油缸，起平衡作用，減少工件帶來的偏移，而且使臂部可以俯仰，從而增大整個工業(yè)機械手的運動范圍。第12頁2工業(yè)機械手的手部設(shè)計2.1概述手部機構(gòu)是工業(yè)機械手最重要的執(zhí)行機構(gòu)，它是工業(yè)機械手直接與工件、工具等接觸的部件，能執(zhí)行人手的部分功能。由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同，其手部機構(gòu)是多種

27、多樣的。大部分的手部機構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計的。 2.2手部機構(gòu)形式各種手部的工作原理不同，故其結(jié)構(gòu)形態(tài)各異。鉗爪式手部機構(gòu)是最常見的形式之一，按其抓取工件的方式有兩種：外卡式和內(nèi)撐式。從其機械結(jié)構(gòu)特征、外觀與功用來看，有多種形式，且叫法不一，常用的手部機構(gòu)有如下幾種：（1）拔桿連桿式鉗爪（2）平行連桿式鉗爪（3）齒輪齒條移動式鉗爪（4）重力式鉗爪（5）自鎖式鉗爪（6）自動定心鉗爪（7）抓取不同直徑工件的鉗爪（8）具有壓力接觸銷的鉗爪（9）抓勾與定位銷式鉗爪（10）復(fù)雜形狀工件用的自動調(diào)整是鉗爪（11）同時抓取一對工件的鉗爪一般鉗爪式手部機構(gòu)由以下幾部分組成：2.2.1手指第13頁

28、它是直接與工件接觸的構(gòu)件。手部松開和夾緊工件，就是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。一般情況下，機械手的手部只有兩個手指，少數(shù)是三個或多指2.2.2傳動機構(gòu)它是向手指傳遞運動和動力、以實現(xiàn)夾緊和張開的機構(gòu)。2.2.3驅(qū)動裝置它是向傳遞機構(gòu)提供動力的裝置。安驅(qū)動方式不同，可有液壓、氣壓、電動和機械驅(qū)動。此外，還有連接和支承元件，將上述有關(guān)部分連成一個整體。 2.3鉗爪式手部機構(gòu)的選用要點2.3.1應(yīng)具有足夠的夾緊力工業(yè)機械手的手部機構(gòu)靠鉗爪夾緊工件后便把工件從一個位置移動到另一個位置，由于工件本身的重量以及移動過程中產(chǎn)生的慣性力和振動等，鉗爪必須具有足夠大的夾緊力，以保證工件在移動過程中不致產(chǎn)生松動

29、或脫落。2.3.2應(yīng)具有足夠的張開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張開角。手指的張開角應(yīng)保證工件能順利進入或脫開，而且夾持工件的中心位置變化要小（即定位誤差?。?，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)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，對于移動式鉗爪要有足夠大的移動范圍。2.3.3 應(yīng)能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(yīng)的鉗爪形狀來定位。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。第14頁2.3.4 應(yīng)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

30、，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形。2.3.5 應(yīng)適應(yīng)被抓取對象的要求適應(yīng)工件的形狀：工件的形狀為圓柱形，則采用帶“V”型鉗口的手爪，工件形狀為圓球形則選用二指或三指鉗爪，對于特殊形狀的工件應(yīng)設(shè)計與工件向適應(yīng)的鉗爪。適應(yīng)工件被抓取部位的尺寸：工件被抓取部位的尺寸盡可能是不變的，若加工尺寸略有變化，那么鉗爪應(yīng)能適應(yīng)尺寸變化的要求，工件表面要求高的，對鉗爪應(yīng)采取相應(yīng)的措施，如加軟墊等。適應(yīng)工作位置的狀況：如工作位置窄小時可用薄片型鉗爪2.3.6 應(yīng)盡可能具有一定的通用性鉗爪一般專用性較強，在可能的情況下，應(yīng)考慮到產(chǎn)品零件的更換。為適應(yīng)不同形狀和尺寸的要求，可將鉗爪制成組合式結(jié)構(gòu)，也可在設(shè)計

31、時適當選取其結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)以擴大其適應(yīng)范圍。綜上所述，選用滑槽杠桿式鉗爪。 2.4 滑槽杠桿式鉗爪的夾緊力分析與計算如圖2.1所示，拉桿2端部安裝著圓柱銷3，當拉桿2向上拉時，圓柱銷就在兩個鉗爪4的滑槽中移動，帶動鉗爪4繞O1與O2兩回轉(zhuǎn)指點回轉(zhuǎn)夾緊工件。當拉桿2向下推時，使鉗爪4松開工件。設(shè)P為作用在拉桿2上的驅(qū)動力，P1為兩鉗爪的滑槽對圓柱銷的作用力， N為鉗爪的夾緊力，鉗爪的尺寸關(guān)系如圖2.1所示。第15頁 圖2.1 滑槽杠桿式鉗爪1手架；2拉桿；3圓柱銷；4鉗爪 根據(jù)圓柱銷的平衡條件åF=0可知P=2P×1cosa，則P1=P2cosa按照鉗爪的平衡條件å

32、M=0 得P1h=NbN=hbP1 因為 h=acosa， 所以 N=a2b(12cosa)P式中 a鉗爪回轉(zhuǎn)支點O1（或O2）到對稱中心線的距離； 第16頁 2.1）（式b鉗爪回轉(zhuǎn)支點到鉗口中心線的距離從式（2.1）可知，在驅(qū)動力P一定的情況下，a增大，則夾緊力N也隨之增大，但a過大會導(dǎo)致拉桿（即活塞桿）的行程過大，以及鉗爪滑槽部分尺寸長度增大，使手部結(jié)構(gòu)加大，所以一般取a=30°40°為宜。本設(shè)計選取30°。 因為鉗爪會在各個方向都抓取工件，所以，在計算當量夾緊力時，以最大夾緊力來計算：N=0.5G f查表得，鋼與鋼的靜摩擦力系數(shù)f=0.1所以，N=5G=5*

33、30*10=1500（N） 2.5 滑槽杠桿式鉗爪手部機構(gòu)的驅(qū)動力計算如圖2.1所示，a=225mm，b=150mm，a=30° 又求得N=1500(N)N=2251()2P 2*150cos30°P=1500(N)即P計算=1500(N)P實際=P計算K1K2h（2.2）式中 h手部機構(gòu)的機械效率（0.850.9）K1安全系數(shù)（1.52.0）K2工作情況系數(shù)，主要應(yīng)考慮慣性力的影響。K2=1+ag，a為被抓取工件的最大加速度，本設(shè)計取1m/s2。最后求得，P實際=2911（N）第17頁 2.6 手部夾緊液壓缸的設(shè)計與計算由式（2.2）得，P實際=2911（N）根據(jù)表2.1

34、和表2.2選取液壓缸的工作壓力，小于5000N，所以液壓缸的工作壓力P=1MPa表2.1 按載荷選擇工作壓力第18頁表2.2 液壓缸的主要參數(shù)缸筒內(nèi)徑：D=3.57*10-2根據(jù)表2.2取D=63mm缸筒壁厚：一般液壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: F=61mm Pd=DPp/2s式中: h- 缸筒壁厚，mmD- 氣缸內(nèi)徑，mmPp- 實驗壓力，取Pp=1.5P, Pa選取材料為:45鋼,s=120MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:d=DPp/2s=0.3mm考慮到缸筒外徑上要安裝深溝球滾子軸承，且缸蓋與缸筒采用外螺紋連接，初步選取d=6mm。則缸筒外徑為D1=

35、63+6´2=75(mm)第19頁缸筒外徑上攻標準螺紋，d1=（1-0.85）*75/2=5.625mm<6mm，符合要求.所以，壁厚取6mm?；钊麠U直徑：d=Dj-1（j為速比，根據(jù)標準取1.46） j.46-1mm=11mm 1.46 = 0.063根據(jù)表2.2標準取16mm活塞桿強度校核：d³4Fps=4*2911mm，滿足實際設(shè)計要求。 3.14*120導(dǎo)向長度：HL/20+D/2=36.5mm（L為液壓缸行程，根據(jù)表2.2選標準值100mm）導(dǎo)向套長度：A=(0.61.6)D50mm活塞長度：B=(0.61.0)D50mm考慮到此液壓缸行程較短，所以

36、不用外加導(dǎo)向裝置。第20頁3 工業(yè)機械手的腕部設(shè)計3.1 概述工業(yè)機械手的腕部是連接手部和手臂的部件，起支承手部的作用，并調(diào)整或改變工件的空間方位。腕部實際所具有的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機械手的工作性能要求來確定。在大多數(shù)情況下，腕部具有兩個自由度：回轉(zhuǎn)和俯仰或擺動。設(shè)計腕部時要注意下列幾點：（1）結(jié)構(gòu)盡量緊湊、重量盡量輕。對于自由度數(shù)較多以及驅(qū)動力要求較大的腕部，結(jié)構(gòu)設(shè)計矛盾較為突出，因為對于腕部每一個自由度就要相應(yīng)的配一個驅(qū)動件和執(zhí)行件，要使腕部在較小的空間同時容納幾套元件，困難較大。（2）轉(zhuǎn)動靈活，密封性要好。（3）要適應(yīng)工作環(huán)境的需要，對于高溫作業(yè)和腐蝕性介質(zhì)中工作的工業(yè)機械手，其腕部與手部

37、經(jīng)常在高溫區(qū)域或者腐蝕介質(zhì)中停留與操作，直接受到影響，故一定要采取相應(yīng)的措施。但本設(shè)計因為臂部增加了俯仰功能，所以本設(shè)計的腕部只有一個自由度回轉(zhuǎn)。同時因為考慮到控制精度的原因，腕部的回轉(zhuǎn)采用步進電機直接帶動手部夾緊液壓缸缸體回轉(zhuǎn)的方式。同時，考慮到步進電機的扭矩可能部夠，因此，通過一對減速齒輪增大扭矩，如圖3.1所示。 第21頁 圖3.1 腕部3.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算手腕回轉(zhuǎn)時，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性阻力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承處的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏置力矩。計算方法如下：3.2.1 摩擦阻力矩M摩M摩=f(N1D1+N2D2

38、)(N.m) 2式中 f摩擦系數(shù)，對于滾動軸承f=0.02，對于滑動軸承f=0.1; N1,N2,軸承的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解， D1,D2 軸承直徑 （m）M摩=0.02/2（2730*0.075*2380*0.02）=2.52（N.m）3.2.2工件重心偏置引起的偏置力矩M偏第22頁M偏=Ge（N.m）式中，G工件重量（N）e偏心距（即工件重心到回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時，M偏為0。本設(shè)計中工件外形比較規(guī)則，且工件尺寸不大，所以，可以考慮為工件中心一直與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合，即M偏為0。3.2.3腕部啟動時的慣性阻力矩M慣3.2.3.1 當

39、知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時，可用下式計算：M慣=（J+J工件）w（N.m） t啟式中 J參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量；J工件工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量；w-手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s)；t啟起動過程所需的時間(s);3.2.3.2當知道手腕回轉(zhuǎn)啟動過程中轉(zhuǎn)過的角度j啟時，可用下式計算：w2（N.M） M慣=（J+J工件）2j啟式中 w-手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s)；j啟啟動過程中轉(zhuǎn)過的角度j啟（rad）；手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算：M=M慣+M摩+M偏（N.M）本設(shè)計中腕部啟動時間設(shè)計為0.1s考慮到摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取M=1.1（M慣+M摩+M偏）（N.

40、M）=1.1*（91.58+2.52+0）=103.5（N.M）考慮到步進電機的扭矩可能不夠，而且為了減小軸向尺寸，因此使步進電機與液壓缸平行安裝，中間通過一對減速齒輪來增大扭矩。 第23頁4 工業(yè)機械手臂部的設(shè)計4.1概述臂部是工業(yè)機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并改變手部在空間的位置。工業(yè)機械手的臂部一般具有2、3個自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰和升降。臂部總重量較大，受力一般較為復(fù)雜，在運動時，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的動、靜載荷，尤其高速運動時，將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性矩），引起沖擊，影響定位的準確性。臂部運動部分零部件的重量直接影響著臂部結(jié)構(gòu)的剛度和強度。專用機

41、械手的臂部一般直接安裝在主機上，工業(yè)機械手的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)一起安裝在機身上，機身可以是固定式的，也可以帶有行走機構(gòu)，可沿地面或?qū)к夁\動。臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機械手的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況、油氣缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計臂部機構(gòu)時一般要注意下述要求：（1）剛度要大：為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理。工字形截面的彎曲強度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比是新軸大。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。（2）導(dǎo)向性要好：為防止手臂在

42、直移運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。(3) 偏重力矩要?。核^偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機械手的運動速度，要盡量減小臂部運動部分的重量，以減小偏重力矩和整個臂部對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。（4）運動要平穩(wěn)，定位精度要高：由于臂部運動速度越高，重量越大，慣性力引起的定位錢的沖擊也就越大，運動既不平穩(wěn)，定位精度也 第24頁不會高。故應(yīng)盡量減小臂部運動部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時要采取一定形式的緩沖措施。 4.2工業(yè)機械手臂部的結(jié)構(gòu)形式工業(yè)機械手的臂部結(jié)構(gòu)一般包括臂部伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰、升降等運動的結(jié)構(gòu)以及與其有關(guān)的構(gòu)件，

43、如傳動機構(gòu)、驅(qū)動裝置、導(dǎo)向定位裝置、支承連接件和位置檢測元件等。此外還有與腕部連接的有關(guān)構(gòu)件及配管、線等。4.2.1工業(yè)機械手臂部伸縮運動的結(jié)構(gòu)伸縮運動的結(jié)構(gòu)主要有以下幾種形式： 采用倍增機構(gòu)的臂伸縮結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)的特點是傳遞效率高，易于實現(xiàn)較大的行程和速度。 采用單導(dǎo)向桿的臂伸縮結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)由于活塞桿、導(dǎo)向桿和檢測棒全部藏在缸體第25頁 圖4.14.2.2工業(yè)機械手臂部俯仰運動的結(jié)構(gòu)工業(yè)機械手的臂部俯仰運動，一般采用鉸接油氣缸來實現(xiàn)。鉸接油氣缸位于油缸下方，活塞桿與手臂之間用鉸鏈連接，缸體與立柱之間用耳插銷軸等方式連接。如圖4.2所示，臂部的俯仰由鉸接臂部的活塞桿的運動來實現(xiàn)。 圖4.24

44、.2.3臂部回轉(zhuǎn)及升降的結(jié)構(gòu)第26頁本設(shè)計采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，如圖4.3所示。這種齒條缸比一般回轉(zhuǎn)缸有較大的輸出扭矩和較大的回轉(zhuǎn)角（可大于360°），但結(jié)構(gòu)尺寸一般比較大，所以安裝在升降缸的下部固定在底座上。回轉(zhuǎn)運動由齒條活塞桿驅(qū)動齒輪帶動輸出軸轉(zhuǎn)動，輸出軸和升降缸缸體連接，帶動缸體轉(zhuǎn)動，再帶動手臂回轉(zhuǎn)。升降運動由升降缸活塞桿帶動手臂升降。 圖4.34.2.4導(dǎo)向裝置工業(yè)機械手的手臂伸縮及升降運動機構(gòu)上設(shè)有導(dǎo)向裝置，其目的是： 防止移動件在伸縮及升降時產(chǎn)生不必要的轉(zhuǎn)動，以保證手臂運動方位的準確性。 增大移動 部件的剛性，減少移動部件由于自重與抓取重量變化所引起的變形與位移。 承受

45、移動部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。第27頁4.3工業(yè)機械手臂部運動驅(qū)動液壓缸的設(shè)計與計算計算臂部運動驅(qū)動力（包括力矩）時，把臂部所受的全部負荷考慮進去。機械手工作時，臂部所受的負荷主要是慣性力、摩擦力和重力等。4.3.1手臂水平伸縮運動驅(qū)動液壓缸的計算手臂水平伸縮運動驅(qū)動力的計算：手臂作水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦力等，還要克服啟動過程中的慣性力。其驅(qū)動力Pq可按下式計算：（N） （式Pq=Fm+Fg4.1）式中 Fm各支承處的摩擦阻力Fg啟動過程中慣性力，其大小按下式估算： Fg=Wa（N） g（式4.2）式中 W

46、手臂伸縮部件的總重量（N）g重力加速度（10 s2） a啟動過程中平均加速度（s2） 而 a=Dv（2） sDtDv速度變化量。如果手臂從靜止狀態(tài)加速到工作速度，則這個過程中速度變化量就等于手臂的工作速度。Dt啟動過程所用時間。一般為0.010.5（s）。本設(shè)計中，設(shè)計啟動時間為0.1s，工作速度為500mm/s，導(dǎo)向套摩擦系數(shù)為0.1。第28頁粗略計算運動部件重量為80Kg。最后計算得：Pq=0.1*80+800/10*（0.5/0.1）（N）=480（N）手臂水平伸縮運動驅(qū)動液壓缸的設(shè)計與計算：本設(shè)計中，此液壓缸安全系數(shù)取1.2。由式（4.1）得，Pq=480 （N）P=480*1.2=576 (N)根據(jù)表2.1和表2.2選取液壓缸的工作壓力，小于5000N，所以液壓缸的工作壓力P=1MPa缸筒內(nèi)徑：D=3.57*10-2根據(jù)表2.2取D=40mm缸筒壁厚：一般液壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: F=24.63mm Pd=DPp/2s式中: h- 缸筒壁厚，mmD- 氣缸內(nèi)徑，mmPp- 實驗壓力，取Pp=1.5P, (Pa)選取材料為:45鋼,s=120MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:d=DPp/2s=0.25mm考慮缸蓋與缸筒采用外螺紋連接，初步選取d=5mm。則缸筒外徑為D1=40+5*2=50(mm)