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连杆式装箱机械手的设计【四自由度】【3张图纸】

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关键词：: 连杆式装箱机械手设计四自由度图纸

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连杆式装箱机械手的设计

29页 12000字数+说明书+开题报告+任务书+答辩PPT+3张CAD图纸

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　　　　　　　　　　　　　　连杆装箱机械手的机械设计

摘要：

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。主要叙述了机械手的设计计算过程。本文比较全面地讨论了工业机械手的手部和腕部、手臂伸缩机构以及上升和回转机构等主要部件的结构设计。并在最后做了一些液压控制方面的设计，绘制了液压系统图等。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术

关键字：机械手;气动;自由度；

第一章绪论1

1.1机械手的基本概念1

1.2 国内外的发展状况1

1.3机械手特点、研究意义2

1.3.1 机械手的特点2

1.3.2机械手的研究意义2

1.4机械手的组成3

1.4.1机械手的组成3

1.5设计任务介绍及意义3

第二章机械手总体结构的确定4

2.1 机械手的运动自由度4

2.2 工作空间的确定4

2.3额定负载的确定4

2.4机械手结构形式的确定4

2.5运动速度5

2.6 定位精度6

2.7 机械手的技术参数列表6

2.8机械传动系统设计6

第三章手部结构设计8

3.1夹持式手部结构8

3.1.1手指的形状和分类8

3.1.2设计时考虑的几个问题8

3.1.3手部夹紧气缸设计9

第四章手腕结构设计14

4.1 手腕的自由度14

4.2 手腕的驱动力矩的计算14

4.2.2回转气缸的驱动力矩计算16

4.2.3 手腕回转缸的尺寸16

第五章手臂伸缩，升降，尺寸设计与校核17

5.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核17

5.2纵向气缸的设计18

5.3导向装置21

5.4 平衡装置21

第六章总结22

第七章致谢23

参考文献24

第一章绪论

2.7 机械手的技术参数列表

　　　1、抓重：10公斤

　　　2、自由度数：4个自由度

　　　3、座标型式：圆柱座标

　　　4、最大工作半径：1500mm

　　　5、手臂最大中心高：1380mm

　　　6、手臂运动参数：缩行程600mm，伸缩速度500mm/s，升降行程200mm，

　　　升降速度300mm/s，回转范围00 -2400，转速度900/s

　　　7、手腕运动参数：回转范围 00--1800，转速度1800/s

　　　8、手指夹持范围：片料:面积不大于0. 5㎡

　　　9、定位精度：士0. 5mm

　　　10、缓冲方式：液压缓冲器

　　　11、传动方式：气压传动

1.5设计任务介绍及意义

　　　通过课程设计培养学生综合运用所学知识的能力，提高分析和解决问题能的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的意义在于：

　　　(1)培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。

　　　(2)培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。

　　　(3)培养学生掌握机电产品设计的一般程序方法，进行工程师基本素质的训练。

　　　(4)树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。2.1 机械手的运动自由度

　　　物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关。物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度（DOF degree of freedom）。自由度是指描述物体运动所需的独立坐标数，三维空间需要6个自由度。物体所能进行的运动有沿着坐标轴的三个平移自由度和绕坐标轴的三个旋转自由度。

　　　一般固定程序的机械手，动作比较简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多，动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的3个自由度是用来实现手臂末端的空间位置的，再用几个自由度来定出末端执行器的方位；7个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。

　　　自由度的选择也与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周围设备构成比较复杂，工件质量轻时，机械手的自由度数可少；如果要便于产品更换，增加柔性，则机械手的自由度要多一些。

　　　计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的结构和控制，应使自由度数最少。

　　　本设计的通用机械手的结构相对比较简单，自由度选择为四个。分别为大臂回转、大臂升降、小臂回转和小臂伸缩。分别由大臂回转油缸、大臂升降油缸、小臂回转油缸和小臂伸缩油缸控制。

2.2 工作空间的确定

　　　工作空间是指机械手正常工作时，手腕参考点在空间活动的最大范围，依据机械手工作范围和运动轨迹确定。工作空间大小不仅与机器人各杆件尺寸有关，而且也与它的总体构形有关。在工作空间内要考虑杆件自身的干涉，防止与作业环境发生碰撞。此外在工作空间内某些位置，机械手不可能达到预定的速度，甚至不能在某些方向上运动，即所谓工作空间的奇异性。

　　　本机械手的工作空间要求为：手臂伸缩行程范围0~500mm，手臂升降行程范围最大0～300mm，手臂回转行程范围0o~240o。

2.3额定负载的确定

　　　承载能力说明机械手搬运重物的能力，负载大小主要考虑机械手各运动轴上的受力和力矩，末端执行器的重量，抓取工件的重量，以及由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。

　　　本设计要求能夹持重量为100N的物体，考虑末端执行器的重量及各运动轴上的受力和力矩，以及考虑足够的安全系数，初步确定设计负载为1500N。

2.4机械手结构形式的确定

　　　本毕业设计是通用机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一般有以下几种:

连杆式装箱机械手的设计.gif

内容简介：: 西安文理学院本科毕业设计（论文）中期检查表题目连杆式装箱机械手的设计学生姓名陈凡学号08102080215专业名称机械设计制造及其自动化指导教师姚慧检查时间2011-4-8班级08机电2班毕业设计（论文）进展情况通过对机械手的设计的相关资料的学习，以及对整个设计的了解，现基本完成以下设计工作：1. 对机械手的基本结构，工作原理，应用场所有一定了解。2. 对工业机械手的基本结构（执行机构、驱动机构、控制装置）有所了解及掌握。3. 被加持对象的基本结构和机械手的工作行程有一定的认识。4. 完成手腕、手抓基本结构的设计、计算。下一步设计工作内容连杆式装箱机械手手臂基本结构的设计计算和手腕、手臂、手抓基本结构的校核以及机械手装配图的绘制。指导教师意见1.能够按自身进度要求完成相关设计.2能够与老师保持正常指导关系.综上所述,同意按照设计进度进行后续工作.签字：年月日教研室意见签字：年月日西安文理学院本科毕业设计（论文）任务书题目连杆式装箱机械手的设计学生姓名陈凡学号08102080215专业班级机械设计制造及其自动化08机电(2)班指导教师姚慧职称讲师教研室机械设计系毕业设计（论文）任务与要求任务与要求机械手是近几十年来自动化生产过程中发展起来的一种新型，高科技自动生产设备。在生产过程中，机械手被广泛用于自动化生产线中，它是一种类似人体上肢的部分动能，能按照要求传送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对工业生产的自动化，推动工业生产的进步发展有重要作用。在生产线上装卸工件一般有工人完成，劳动强度大，生产率低。为了提高生产线的工作效率，降低成本，使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产的需要，利用机器人技术，对生产线上装卸机械手进行设计研究，以提高自动化作业程度。具体要求如下：了解工业机器人和机械手的发展及工业生产中的应用；完成机械手结构设计；建立该机械手模型；应用软件绘制所设计机械手的装配图；撰写论文；毕业设计（论文）工作进程起止时间工作内容第12周2012.1.102012.3.14第34周2012.3.152012.3.28第56周2012.3.292012.4.11第7周2012.4.122012.4.18第89周2012.4.192012.5.2第10周2012.5.32012.5.9第11周2012.5.102012.5.16第12周2012.5.172012.5.23查（借）阅资料，学习连杆式装箱机械手结构基础理论和知识，了解所设计的机械手的结构，撰写开题报告。对机械手各部分零件进行结构设计。用AutoCAD及相关绘图软件绘制机械手结构图以及重要零件图。撰写毕业论文。论文定稿整理资料准备答辩。答辩。开始日期 2012-1-10 完成日期 2012-5-12 教研室主任（签字）系主任（签字）西安文理学院机械电子工程系本科毕业设计（论文）题目连杆式装箱机械手的设计专业班级 08级机电（2）班学号 08102080215 学生姓名陈凡指导教师姚慧设计所在单位西安工业大学 2012年 3月西安文理学院本科毕业设计（论文）开题报告题目连杆式装箱机械手的设计学生姓名陈凡学号08102080215专业名称机械设计制造及其自动化指导教师姚慧开题时间2012-03-1班级08机械2班一、选题目的和意义装箱机械手控制系统的研究是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并巳成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认同，当下我国许多行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用却已经越来越普及。我国在机械手方面的研究工作却刚刚起步，进行这个装箱机械手的结构设计，不仅可以巩固我们已学的专业知识，扩展我们的知识面和专业面，可以加强对自己的思维训练和能力培养，还可以填补空白，提高生产效率，很大的现实意义。二、主要研究内容1. 了解机械手的基本结构，工作原理，应用场所。机械手主要有手部、运动机构、和控制机构三大部分组成。手部是用来抓吃工件的部件，根据被抓吃工件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式。运动机构，使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓物件的位置和姿势。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。能模仿人手和臂的一些动作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，能再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、轻功和原子能等部门。2. 了解及掌握，工业机械手的基本结构（执行机构、驱动机构、控制装置）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），夹持对象是10kg的小型家电整箱。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）和电磁吸本课题选用内抓式手部；传力机构为连杆杠杆式工作任务：机械手抓取对象，提高200 mm，顺时针转90，前进600mm放下工件，回到原位置。抓取对象外形：工件为立方体，工件体积为0.5m3 抓取对象重量：10kg传力机构较多，常用的是；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、重力式。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。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。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。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，本课题的机械手不具有行走功驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。按照动力源分为液压、气压、电动驱动三大类，根据需要，也可以将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。液压驱动油压高，可获得较大的输出功率，直接驱动使用于重型、低速驱动。压力、流量以控制，反应灵敏，可无级调速，能实现速度、位置的精绝控制，传动平稳。但管路结构较复杂，成本高。气压驱动气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将增大，只适用中小型、低速驱动。气源方便，结构简单，成本低。但是，效率低。电动驱动交直流普通电动机适用于抓起重量较大而速度低的中重型驱动。输出力大，成本低。步进、伺服电动机，步进电动机输出力较小，伺服电动机的可大一些，适用于运动控制，要求严格的中小型驱动。但成本高。3. 制定机械手的设计方案（1）了解被加持对象的基本结构和机械手的工作行程。定位、抓起、提升、旋转、伸长、下降、放松、升高、缩短、旋转、下降（2）设计手抓，手腕，手臂等的基本结构4. 方案实施设计、计算、校核等等5 绘制机械手的装配图6. 撰写论文指导教师意见及建议：签字：年月日教研室审核意见：签字：年月日注：此表前三项由学生填写后，交指导教师签署意见，经教研室审批后，才能开题。西安文理学院机械电子工程系本科毕业设计（论文）题目连杆装箱机械手设计专业班级机电08级二班学号 08102080223 学生姓名陈凡指导教师姚慧设计所在单位西安文理学院 2012年5月连杆装箱机械手的机械设计摘要：工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。主要叙述了机械手的设计计算过程。本文比较全面地讨论了工业机械手的手部和腕部、手臂伸缩机构以及上升和回转机构等主要部件的结构设计。并在最后做了一些液压控制方面的设计，绘制了液压系统图等。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术关键字：机械手;气动;自由度；Connecting rod loading manipulator designAbstract: Industrial robot is developed in recent decades as a high-tech automated production equipment. Industrial robot manipulator is an important branch of industry. Mainly describes the design of the mechanical hand calculation. This more comprehensive discussion of the industrial robot hand and wrist, arm stretching up and rotating bodies and agencies and other major components of the structural design. . Modern automatic control of industrial robots is a new emerging field of technology, and has become a modern mechanism in the production system is an important part, this new technology has developed rapidly, and gradually become a new subject - Mechanical hand . Manipulator involves mechanics, mechanics, electric and hydraulic technology, automatic control technology, sensor technology and computer technology fields of science, is a cross-disciplinary technology. Keywords: manipulator，pneumatic，freedom西安文理学院毕业设计（论文）目录第一章绪论11.1机械手的基本概念11.2 国内外的发展状况11.3机械手特点、研究意义21.3.1 机械手的特点21.3.2机械手的研究意义21.4机械手的组成31.4.1机械手的组成31.5设计任务介绍及意义3第二章机械手总体结构的确定42.1 机械手的运动自由度42.2 工作空间的确定42.3额定负载的确定42.4机械手结构形式的确定42.5运动速度52.6 定位精度62.7 机械手的技术参数列表62.8机械传动系统设计6第三章手部结构设计83.1夹持式手部结构83.1.1手指的形状和分类83.1.2设计时考虑的几个问题83.1.3手部夹紧气缸设计9第四章手腕结构设计144.1 手腕的自由度144.2 手腕的驱动力矩的计算144.2.2回转气缸的驱动力矩计算164.2.3 手腕回转缸的尺寸16第五章手臂伸缩，升降，尺寸设计与校核175.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核175.2纵向气缸的设计18 5.3导向装置21 5.4 平衡装置21第六章总结22第七章致谢23参考文献24第25页第一章绪论1.1机械手的基本概念机械手，属工业机器人的范畴，机器人学是近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机科学、自动控制以及人工智能等多种学科的最新研究成果，体现了光机电一体化技术的最新成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。“机械手”（manipulator）：多数指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。一个完整的气压系统是由以下几部分组成的： (1)能源部分。包括泵装置和蓄能器，它们能够输出气体，把原动机的机械能转变为气体压力能，并储存起来。 (2)执行机构部分。是气缸、气动机等，它们用来带动运动部件，将气体压力能转变成使部件运动的机械能。 (3)控制部分。是各种液压阀，用于控制流体的压力、流量和流动方向，从而控制执行部件的作用力、运动速度和运动方向，也可以用来卸载，实现过载保护等。 (4)辅助部分。是系统中除了上述三部分以外的所有其他元件，如油箱、压力表、管路等。液压系统中机械手主要实现的辅助功能： (1)机械手的伸、缩、回转和工件的松开和拉紧动作等。 (2)工件的自动松开、夹紧。 (3)工作台的松开夹紧、交换工作台的自动交换动作。 (4)机械手的运动部件平衡。如机械手轴箱的重力平衡、机械手的平衡装置等。 (5)机械手运动部件的制动和离合器的控制、齿轮拨又换挡等。 (6)机械手的自动开关。液压系统在机械手中所起的作用是通过电一气转换元件把控制信号进行功率放大，对气压动力机构进行方向、位置和速度的控制，进而控制机械手的手臂按给定运动规律动作。气压动力机构多数情况下采用直线气压缸或摆动气压缸，用于实现手臂的伸缩、升降以及手腕的回转。1.2 国内外的发展状况专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。通用机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于通用机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。通用机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国内外对发展这一技术都很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与合作。目前国内外的发展趋势是：(1)研制有更多自由度的液压机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。(2)研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。(3)研制维修维护方便的通用机械手。(4)研制能自动编制和自动改变程序的通用机械手。(5)研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。(6)机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。(7)研制具有柔性系统的通用机械手目前，在国外广泛应用的再现式通用机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。现在研究的机械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度。现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位。1.3机械手特点、研究意义1.3.1 机械手的特点 (1)通用性机器人的通用性指具有执行不同功能和完成多样简单任务的实际能力；通用性也意味着，机器人是可变的几何结构。或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。 (2)适应性机器人的适应性是指具有对环境的自适应能力，及机器人能够自主执行实现经规划的中间任务，而不管执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。1.3.2机械手的研究意义随着现代科学技术的发展，机械手的应用也越来越广泛。在机械工业中，大量应用于铸、锻、焊、冲、热处理、机械加工以及装配等工种。在其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：(1)可以提高生产过程的自动化程度。(2)应用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换、以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。(3)可以改善劳动条件，避免人身事故。应用机械手在高温、高压、低温、低压、噪声、臭味、有放射性物质的环境场合可部分或者全部代替人完成作业，使劳动条件得以改善。(4)可以减少人力，并便于有节奏的生产。应用机械手代替人手进行作业，这是直接减少人力的一个重要方面。(5)运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间，从而能大幅提高劳动的生产率。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.4机械手的组成1.4.1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1-1所示。控制系统驱动系统执行机构位置检测装置图1-1 机械手的组成示意图1.5设计任务介绍及意义通过课程设计培养学生综合运用所学知识的能力，提高分析和解决问题能的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的意义在于：(1)培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。(2)培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。(3)培养学生掌握机电产品设计的一般程序方法，进行工程师基本素质的训练。(4)树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。第二章机械手总体结构的确定2.1 机械手的运动自由度物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关。物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度（DOF degree of freedom）。自由度是指描述物体运动所需的独立坐标数，三维空间需要6个自由度。物体所能进行的运动有沿着坐标轴的三个平移自由度和绕坐标轴的三个旋转自由度。一般固定程序的机械手，动作比较简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多，动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的3个自由度是用来实现手臂末端的空间位置的，再用几个自由度来定出末端执行器的方位；7个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。自由度的选择也与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周围设备构成比较复杂，工件质量轻时，机械手的自由度数可少；如果要便于产品更换，增加柔性，则机械手的自由度要多一些。计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的结构和控制，应使自由度数最少。本设计的通用机械手的结构相对比较简单，自由度选择为四个。分别为大臂回转、大臂升降、小臂回转和小臂伸缩。分别由大臂回转油缸、大臂升降油缸、小臂回转油缸和小臂伸缩油缸控制。2.2 工作空间的确定工作空间是指机械手正常工作时，手腕参考点在空间活动的最大范围，依据机械手工作范围和运动轨迹确定。工作空间大小不仅与机器人各杆件尺寸有关，而且也与它的总体构形有关。在工作空间内要考虑杆件自身的干涉，防止与作业环境发生碰撞。此外在工作空间内某些位置，机械手不可能达到预定的速度，甚至不能在某些方向上运动，即所谓工作空间的奇异性。本机械手的工作空间要求为：手臂伸缩行程范围0500mm，手臂升降行程范围最大0300mm，手臂回转行程范围0240。 2.3额定负载的确定承载能力说明机械手搬运重物的能力，负载大小主要考虑机械手各运动轴上的受力和力矩，末端执行器的重量，抓取工件的重量，以及由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。本设计要求能夹持重量为100N的物体，考虑末端执行器的重量及各运动轴上的受力和力矩，以及考虑足够的安全系数，初步确定设计负载为1500N。2.4机械手结构形式的确定本毕业设计是通用机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一般有以下几种:表2-1 机械手结构选型表【7】结构形式方案特点优缺点结构简图1直角坐标型作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低2圆柱坐标型操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高3球坐标型操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂4关节型操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差2.5运动速度机器人手臂的运动速度是其主要运动参数之一。它反映了机器人手臂的作业水平，运动速度的快慢与它的驱动方式、定位方式、抓去质量大小和行程距离有关，作业机器人手臂的运动速度应根据生产节拍、生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定。目前，工业机器人的最大直线运行速度大部分为1000mm/s左右；最大回转速度110/s左右。在本次设计中选定手臂伸缩速度500 mm /s，手臂升降速度300mm/s，手臂回转速度90s，手腕回转速度180/s，驱动方式为电-液伺服系统。作为机器人规格参数的运动速度是指全程的平均速度，实际使用速度可以在一定的范围内调节。2.6 定位精度定位精度是衡量机器人工作质量的又一项重要指标，一般所说的定位精度是指重复精度，与抓取质量、运动速度、定-位方式等也有密切关系。目前，专用机械手采用固定挡块定定位精度取决于位置控制方式及机器人本体部件的结构刚度与精度位方式可达到较高的定位精度（大约为mm），采用行程开关、电位计等电器元件控制的位置精度相对较低，大约为mm。伺服控制系统的机器人是一种位置跟踪系统，即使在高速重载的情况下，也可不发生剧烈的冲击和振动，因此可获得较高的定位精度，重复定位精度最高可达到0.01mm。2.7 机械手的技术参数列表1、抓重：10公斤2、自由度数：4个自由度3、座标型式：圆柱座标 4、最大工作半径：1500mm5、手臂最大中心高：1380mm6、手臂运动参数：缩行程600mm，伸缩速度500mm/s，升降行程200mm，升降速度300mm/s，回转范围00 -2400，转速度900/s7、手腕运动参数：回转范围 00-1800，转速度1800/s8、手指夹持范围：片料:面积不大于0. 59、定位精度：士0. 5mm10、缓冲方式：液压缓冲器11、传动方式：气压传动2.8机械传动系统设计对气缸结构的要求一是重量尽量轻，以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力，同时减少运动的冲击，二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度图2-1气缸设计流程图单活塞杆气缸是各类气缸中应用最广的一种气缸。由于它只在活塞的一端有活塞杆，活塞两侧承受气压作用的面积不等，因而活塞杆伸出时的推力大于退回时的拉力。双活塞杆气缸活塞两侧都有活塞杆，两侧受气压作用的面积相等，活塞杆伸出时的推力和退回时的拉力相等。单作用气缸是由一侧气口供给气压驱动活塞运动，依靠弹簧力、外力或自重等作用返回；而双作用气缸是由两侧供气口交替供给气压使活塞作往复运动。第三章手部结构设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构或电磁式吸盘结构。手爪是机械手直接用下抓取和握紧(或吸附)工件夹持专用工具(如喷枪。扳子、焊接工具)进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机械手手臂的前端，所示为齿轮齿条式手部结构。其手指夹紧工件是由夹紧气缸中的齿条活塞杆在压缩空气作用下右移，经齿条推动齿轮并带动扇形齿轮回转，因手指与扇形齿轮固结为一体，所以两个手指同时回转而夹紧工件。由于采用单向作用油缸，故靠弹簧复位，使手指张开。手部结构中的齿轮齿条属于传力机构。3.1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 (1)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。 (2)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。 (3)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。 (4)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，但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。 (5)应考虑被抓取对象的要求抓取形状手指形状应根据工件形状而设计。如工件为圆柱形则采用“V”形手指；圆球状工件用圆弧形三指手指，方料用平面形手指，细丝工件用尖指勾形或细齿钳爪手指。总之应根据工件形状来选定手指形状。抓取部位抓取部位的尺寸尽可能是不变的若加工后尺寸有变化，手指应能适应尺寸变化的要求，否则不允许定为抓取部位。对于工件表面质量要求高的，抓取时尽量避开高质量表面或在手指上加软质垫片(如橡皮抱沫塑料石棉衬垫等)，以防夹持时损坏工件。抓取数量若用一对手指抓取多个工件，为了不发生个别工件的松动或脱落现象，在手指上可增加弹性衬垫，如橡皮、泡沫、塑料等，对于较长工件可采用双指或多指抓取。 (6)应考虑手指的多用性手指是专用性较强的部件，为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求，可制成组合式的手指，对于这种手指要求结构简单，安装维修方便，更换迅速和准确，以便扩大机械手的使用范围。3.1.3手部夹紧气缸设计 (1)手部驱动力计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷(惯性力或惯性力矩)，以使工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算：FNK1K2K3G (公式3.1)式中 K1安全系数，通常取1.2-2.0； K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可用下式估算K2=1+ag (公式3.2)其中 a运载工件时重力方向的最大升加速度 g重力加速度 g9.8ms2 K3方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。K3=0.5tan1+ftan (公式3.3) f摩擦系数 G选取工件所受的重力（N）K2=1+ag=1+=1.04 K3=0.74将已知条件代入得：FN=1.51.040.74490=566 N图3.1机械手夹持器（1）气缸的内径根据手指的几何关系得：F=2ba（cos）2FN=4018（cos30）2566=943 N由设计任务可以知道，要驱动的负载大小位100Kg，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响。在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率：由液压与气压传动技术表11-1：取=0.45运动状态与负表3-1气缸的载率阻性负载（静负载）惯性负载的运动速度100mms100500mms500mms=0.80.650.50.3根据气缸的结构得：D活塞直径，md-活塞杆直径,mp-使用压力, PaF-弹簧反作用力，NF=4D2-d2P-Ft (公式3.4)估算时取d=0.3D, Ft=40N, P=0.5MPa。代入上式得：按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=36 mm表3-2气缸内径尺寸系列（摘自GB/T2348-1993）/mm840125(280)1050(140)3201263160(360)1680(180)40020(90)200(450)25100(220)50032(110)250注：括号内的公称压力值为非优先采用值（2）活塞杆直径由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=25 mm表3-3气缸筒壁厚材料气缸缸筒内径5080100125160200250壁厚铸铁781010121416无缝钢管56778810铝合金81212141417表3-4气缸活塞杆外径尺寸系列（摘自GB/T2348-1993）/mm418451102805205012532062256140360825631604001028701801232802001436902201640100250(4) 缸筒长度的确定：缸筒长度S=L+B+20L为活塞行程；B为活塞厚度活塞厚度B=(0.200.25)D= 0.2080=16mm由于气缸的行程L=200mm ,所以S=L+B+20=236 mm（5）气缸筒的壁厚的确定:由液压气动技术速查手册知：一般气缸缸筒与内径之比，其壁厚通常按薄壁筒公式计算.通常计算出的壁厚往往很薄，考虑机械加工工艺性，往往将缸筒壁厚适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚的钢管与铝合金管。下图所列缸筒壁厚可供参考。假设所选材料为无缝钢管，则由表知=3.5mm(6)气缸的进、排气口计算通常气缸的进、排气口的直径大小与气缸速度有关，根据ISO-15552、ISO-7180。气缸的进、排气口的直径见下表（ISO标准规定）气缸直径3240506380气口尺寸M101(G18)M141.5(G14)M141.5(G14)M181.5(G38)M181.5(G38)汽缸直径100125150200250气口尺寸M221.5(G12)M221.5(G12)M272(G34)M272(G34)M332(G1)汽缸直径320气口尺寸M332(G1)查此表可知，气缸的进、排气口的规格为M181.5(G38) 第四章手腕结构设计4.1 手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。如图41所示的手腕运动有绕X轴转动称回转运动，绕y轴转动称为上下摆动(或俯仰)，绕Z轴转动称为左右摆动，沿y轴方向的横向移动(或沿Z轴方向纵向移动)。因此手腕最多具有四个独立运动即四个自由度。手腕自由度的选用与机械手的通用性，加工工艺要求，工件放置方位和定位精度等许多因素有关，一般手腕没有回转运动或再增一个上下摆动即可满足工作的要求，也有的专用机械手没有手腕的运动，若有特殊要求的可增加手腕左右摆动或沿y轴方向的横向移动。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，我们选用的是回转油缸。它的结构紧凑，回转角度为0180，手腕回转速度180/s，并且要求严格的密封。4.2 手腕的驱动力矩的计算4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，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，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件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩. 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: （公式4.1）式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩();- 惯性力矩();- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩().,- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(); 下面以图4-2所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算: (1)手腕加速运动时所产生的惯性力矩若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则: （公式4.2）式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为: （公式4.3）式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量；- 工件的重量(N)；- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s)；- 起动过程所需的时间(s)；起动过程所转过的角度(弧度)。 (2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 + () (公式4.4) 式中: - 手腕转动件的重量(N)；- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm) 当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则。(3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 () (公式4.5) 式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm)；- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承；,- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据,得: (公式4.6) 同理，根据(F),得: 式中:- 手部的重量(N),长度尺寸(cm). (4)回转气缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。4.2.2回转气缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图4-3所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩油从孔a进入时，推动输出轴作逆时针方向回转，则低压腔的油从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶片回转气缸的压力P和驱动力矩M的关系为:, 或 (公式4.7)4.2.3 手腕回转缸的尺寸尺寸设计设计油缸内径为,半径R,轴径D,半径R,油缸运行角速度，加速度时间，回转油缸的工作压力为。则力矩： (公式4.8)第五章手臂伸缩，升降，尺寸设计与校核5.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核由设计方案可以知道，横向气缸1不仅要承受负载10kg的重量，还要承受气缸3及手指部分的重量，假设此重量为负载的十分之一，即5kg。则纵向气缸实际的负载F=150N。进一步求的理论负载（1）气缸的内径F=4D2-d2P-Ft (公式5.1)查表后得：D=40mm。（2）活塞杆直径由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=18 mm查表后得：d=20mm(3) 缸筒长度的确定：缸筒长度S=L+B+20L为活塞行程；B为活塞厚度活塞厚度B=(0.200.25)D= 0.2040=8mm由于气缸的行程L=500mm ,所以S=L+B+20=628 mm（4）气缸筒的壁厚的确定选用无缝钢管为材料，查表得：=3mm(5)气缸的进、排气口计算查表可知，气缸的进、排气口的规格为M181.5(G38)3.2.4活塞杆的强度校核机械手爪的重量约为：5Kg。工件重量为：10Kg。图3-5 活塞杆的受力分析如图3-5所示，由静力平衡方程8 MB=0 R1LAB QLBC=0 (公式5.2) MA=0 R2LAB QLAC=0 (公式5.3) 求得支反力为： R1=703NR2=278N 以A点为坐标原点，得剪力图3-6和弯矩图3-7如下：图3-6 剪力图图3-7 弯矩图由表得活塞杆=140MPa, =240MPa. 则在B处横截面上的剪应力为： B= R2/A= 安全在B处的弯应力为： B= MB/A= 安全。5.2纵向气缸的设计(1)气缸的内径根据机械手结构关系得：F0=F=1300.45=288.8290N (公式5.4) 根据气缸的结构得：估算时取d=0.3D, P=0.7MPa。代入上式得：按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=63mm(2)活塞杆直径由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=18 mm(3)缸筒长度的确定：缸筒长度S=L+B+20 L为活塞行程；B为活塞厚度活塞厚度B=(0.200.25)D= 0.20563=10mm 由于气缸的行程L=200mm ,所以S=L+B+20=232mm (4)气缸筒的壁厚的确定: 假设所选材料为无缝钢管，则由表知=3mm (5)气缸的进、排气口计算查表可知，气缸的进、排气口的规格为M181.5(G38) (2)计算作用在活塞上的总机械载荷机械手手臂移动油缸的受力简图如图5-1所示。作用在活塞上的总机械载荷P为： (公式5.5)工作阻力：工作阻力的数值要根据油缸工作的具体情况确定有无，并进行计算或估算。在此为完成搬运工件的伸缩油缸，故不受工作阻力，即为0。导向装置处的摩擦阻力：不同配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。图5-1 手臂伸缩气缸受力简图本设计如图5-1所示的是双向杆导向，其导向杆截面形状是圆柱面。导向杆对称配置在气缸的两侧，并布置在过气缸活塞杆的平面内。密封装置处的摩擦阻力在压力油驱动活塞运动时，各密封装置处摩擦阻力之和为，即 (公式5.6)分别为活塞杆和缸盖处、活塞与缸壁处、伸缩气管处等密封装置处的摩擦阻力，其值随密封圈结构的不同而异。惯性力机械手的手臂在起动时，活塞杆上所受到的平均惯性力，可近似计算如下： (公式5.7)式中：参与运动的零部件的总重量（包括被抓物件重量） g重力加速度速度变化量启动过程的时间背压阻力背压阻力为气缸低压气体所造成的阻力。一般背压阻力较小，可按计算。由于，故。所以： (3)气缸的校核a)计算气缸可以产生的输出力已知气缸的直径D=63mm，气缸的工作压力p=0.7Mpa。则有机械设计手册表12-9：可以算出气缸所产生的推力P0.65p=0.6563mm63mm0.7Mpa =1805.895N气缸可以产生的拉力0.6p=1666.98Nb）计算机械手臂所产生的重力机械手爪的重量约为：5Kg；工件重量为：10Kg；驱动手爪开合气缸的重量为1.45 Kg；伸缩气缸的重量为6.6 Kg；机械手臂的安装底座和以及导向杆支架等其他零件的总重量约为150 Kg。机械手臂总体产生的重力G=mg=1723.08N气缸所产生的推力P机械手臂总体产生的重力G，所以气缸能够推动手臂而完成手臂的升降运动。5.3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转中心的惯量。目前导向杆常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中采用双向导向杆来增加手臂的刚性和导向性。5.4 平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。第六章总结本次毕业设计是在学完大学的基础知识和专业知识，进行了一系列的生产实习和以前各次课程设计的基础上进行的一次综合性的大总结。旨在培养我们综合运用所学的基础知识、专业知识去分析和解决生产实际问题的能力及培养正确的设计思想，并通过运用设计标准、规范、手册、图册、和查阅有关技术资料去进行理论计算、结构思考、绘制图样、写相关说明性材料，培养我们机械设计的基本技能和工程设计工作者的基本素质，为我们走上工作岗位打下坚实的基础。本次毕业设计课题为液压通用机械手。随着生产率水平的提高，人们对产品精度和质量要求越来越来严格，企业生产线的自动化程度要求越来越高，工业机械手已成为多数企业生产线上必不可少的设备。此次设计的机械手各组成部分有：手爪、手腕、手臂、机身、机座等。并对其进行了严谨、详细的设计、计算、校核和绘图。由于自身缺乏实践经验，而且本次

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