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, . 6201, 620112, (2006)02776/$15 6201 6201126201 6201126201 6201126201 620112 3200 320000025006201 6201126201 6201126201 6201126201 620112 6201 6201126201 62011235 36 37 38 39 40 35 36 37 38 39 40 35 36 37 38 39 4035 36 37 38 39 40 - 5 36 37 38 39 40 - 35 36 37 38 39 4036 37 38 39 40 35 36 37 38 39 40 35 36 37 38 39 406201 620112it is to be be of to at to a to a be WM to be an WM is a to an up to on 0 is an of , to a a be to a on 00 is in it is a a a be of of a be of a as it is WM be in of be 7. 8. on of WM 1 G. A. . M. 1995 3991995. 2 J. E. . T. of 5422, 1, 1352004. 3 D. W. 2000. 4 R. M. in 9, 2, 531990. 5 M. 1986. 6 K. J. N. . 2005 34532005. 7 H. 2005 34592005. 8 1989. 6201 620112-12附件 1：外文资料翻译译文 独立 动力 单臂机器人 摘要： 本文介绍了独立动力的平面单臂机器人的构思和初步结果。机器人二个自由度由液压油驱动，一个臂控制。它运用的是液压反推装置，一种能精确的提供高压，工作台面宽度一般并且阻抗力很小的控力装置。这些装置安装在机器人的身体部位，用电缆将能量传送到臀部和腿的关节处。液压发动机驱动着一个排量恒定的给蓄电池增压的泵。因为用的是线性译码器，每个反推装置的绝对位置和弹簧的压缩都可测量的。弹簧压缩量转化为输出力，利用软件使用循环算法把控制力与需要的力相比。输出信号的每个力控 制器驱动着高性能的伺服阀门，控制着液体流向执行机构的活塞。 在设计机器人过程中，我们用了以模拟为基础的重复多次的设计方法。初步概算的机器人的物理参数是基于以往的经验并且形体上更逼真的机器人的仿真模型。其次，控制算法模拟出它在平面上的跳跃。从模拟中的关节的能源要求和移动范围，我们再反推出需要的滑轮的直径，活塞的直径，行程，液压，伺服阀门的流量和带宽，齿轮泵的额定流量和发动机功率。符合或超过技术要求的零件被选出来集成到机器人里去，运用 件，我们计算出设计的机器人的物理参数，将它们代替先开始用 算出来 的数据，然后生产出新的能源要求的连接器。我们不断重复这些工作，最终得到了设计中的提到的已校正过的原型。 一般来说，除去体外的泵产生的力，在惯性作用下，机器人以大约 在试验台上，最终试验的电力系统数据加载到机器人实体上去。当除去电力系统所产生的惯性力以后，机器人普遍以大约 s 的速度运转。目前进行的工作是把电力系统集中到机器人本身，总结出控制的方法，研究出提高工作效率的方法。 1. 介绍 实用机械手因为动力平衡要求，复杂的设计和动力系统等原因正在接受挑战。为了研究动力自主机械手，我们 开发了一个高压液压系统驱动的双缸发动机提供动力的动力自主机器人。这种机器人是一个平面机器人，由一个半径 12 英尺的构架限制表面范围。它有 2个自由度，一个导杆和曲柄。液压执行装置固定在机身上，通过链条传递到导杆和曲柄。 单臂机器人被设计为一个适合多样性技术的测试平台，它包括： 液压弹性串联执行装置 液压执行装置要考虑到高准确性 , 适度带宽压力控制，一些机器人利用弹性串联执行装置 ,而单臂机器人是第一台应用液压型执行装置的机器人 。 虚拟转动弹簧 转动的支架定位经常仿造在弹簧上 , 它表示转动效率取决于肌肉组织和筋（见参考文献 4）。为了加快效率和简化控制，大多数机器人利用的是一个物理支管弹簧（见参考文献 5。单臂机器人是一个决定在转动机器人中是否能用虚拟弹簧替代实体弹簧的测试平台。 当单臂机器人完成试用，我们将模拟一个使用可控制的虚拟支撑弹簧。 弹性串联执行装置的特性 如果在实体弹簧中没有得到效率补偿，机器人灵活的保持控制 , 弹簧弹回完全支配合成力。 高密度，移动性，液压动力系统 为了使机器手臂更实用，必须要研制高动力和高能量系统。燃油驱动液压系统是一个使人感兴趣的选择。然而，现在缺少轻便的解决方 法，而且专家这方面的知识比腿部机器人的知识更加集中。单臂机器人是可以成为一个能给与其他机器人提供液压发动机动力系统的发展项目和测试平台 。 在机器人的设计中 , 我们反复利用了个仿真设计程序。 我们以各种不同的速度 和 不同的总数块运行了机械手 ， 现实模拟而且 得到 了 物理参数和 联合转力矩 、速度、和运动范围要求。 使用这些 功率的联合器 ,我们能够计算 出 系统的压力和流程需求 ，而且可以 选 出一些符合那些规格部件来 。然后 在 把 这些 部件 连同机械手结构一起 做成模型，得到的 新 的机械性能 被 加载到模型里进行 模拟。 重复 这一个 程序，直到原型设计成份选择 出来 。 为了确定单臂机器人的电力需求，我们用 模拟实验中，我们假设弹力腿部的回弹力为 0。这是一个非常保守的设定，因为记载数据显示奔跑的动物和几乎所有移动机器人的弹力腿部的回弹力都很大。我们打算最后修改弹力腿部构造的设计。现在，先假设回弹力为 0，其一确保电力系统超过最终机器人所需的要求，其二因为弹力腿部是比较难模拟的，我们要准确的确定它提供哪种电力储备系统。 我们总结了模拟 机器人以 1），算法类似于 见参考文献 5）的三工位计算，但是稍做了修改。工步通过控制垂直方向的上下速度进行控制，而不是通过底部的弹簧片组的压缩得到。因为单臂机器人的腿部弹簧是假设的，并且臀部和膝盖的力是任意假设给定的，所以这完全有可能。相对来说，大多数可移动机器人的腿部弹簧是真的并且规定了相应的跳跃。 如果真实的速度比需要 达到 的速度更少，除了经过脚安置控制向前的速度之外， 需要 增加一个速度控制机 延迟推进 。 我们在各种不同的身体块 中做 模拟 以完善 机械手的设计 。 到目 前为止 ，当 轻量级 (94 磅 ) 模拟 速度为 重量级的 模拟 速度只有 s。 图 1表示 的是 94 磅 重的机器人 在 速度是 3.5 m/s 时 模拟赛跑的一个 截图 。 在运动中，联合关节处的转力矩、速度和力量在一个完全的周期期间改变。 表 1显示了 模拟奔跑 时 运动的转力矩、速度、力量和范围的最大 值 。 液压 系统 的组成部分按照 联合关节处 的力量数 据来选择 。 表 1 模拟联合 关节处以 最大速 度运动时的 力量 要求 最大臀部转力矩 360 66 大膝转力矩 360 63 大臀部速度 24 24 大膝速度 28 64 大臀部力 4450 W P 最大膝力 4205 W P 最大 总 力 6025 W P 平均力 1550 W P 最大臀部旋转 7.3 大膝旋转 3.7 在设计液压系统前，我们对于单臂机器人的总体结构做一些设想。 图 1 43公斤 (94磅 )单臂机器人 以 3.5 m/像 动画 图像间隔 从 右向 左 运动 。 1) 假设动力元件牢牢的装在机器人的身体部位并且用电缆 和滑轮机构和关节处连接好。通过放置在机器人身体上的动力元件（正如直接安置在机器人腿上的反推装置），可以将机器人腿的质量减到最小，并可以使它达到很快的运动速度。 2) 假设动力元件是线性的，而不是螺旋的。液压直活塞相比螺旋液压活塞更容易运用，更便宜更轻。此外，用螺旋液压活塞很难执行连续的弹性冲击。这是因为相对于压缩弹簧，扭弹簧性能很差，并且生产扭弹簧的过程很复杂。 图 2表示的是单臂机器人的液压循环图。红线表示的高压供应路线，蓝线表示的低压返回路线。恒量泵由发动机驱动，给油箱外的低压油增压并使它们冲过各种障 碍。如果流进去，液体正常的通过一个节流阀，在这对蓄电池加压。电脑控制着的电磁阀可以间隔的通过一个油液冷却器阻止液体回流到油箱。 当积聚 的力 已经达成被需要的最大值如一个压力感应器所测量的压力 的 时候， 运用并联电路 。高压力液体被储存在 油箱 中，直到二个伺服 阀门 之 中任意一个启动 。如果压力在积聚者中变成太高 ,一个压力减轻 阀门 将会交替地把图 2 单臂机器人的液压系统设计图 液压油 转移回到 油 库。伺服 阀门 控制每个活塞的压力和流 量 。 如活塞被循环 ,回返 液体 经过油冷却器被送回到 油 库 ,如此完成周期。 压成分选择 液压 的系统 配置 相当标准 。 困难 在于在没有设计说明 书的情况下挑选出符合单臂机器人力量要求的组成部件，还要留下余量。 图 3 是成份选择程序的 示意图 。 和活塞直径 我们从模拟 中 为单脚架 估算 了运动的联合转力矩、速度和范围 。 力量经过 绕过 滑 轮 的钢电缆被传送到关节，而且这些钢的电缆 由液压 活塞 驱动 。在选择活塞和滑 轮 直径方面，假定操作压力 为 3000是一个广泛承认的 超高压 标准。 当 压力 超过 3000 ， 设备变成非常重 而且 贵。 考虑滑轮直径的同时，还必须考虑电缆寿命。非常小的皮带轮对钢索会产生显著的弯曲应力，从而使电缆寿命退化。按照 电缆制造业 情况 ，滑 轮 直径应该是大约包 围 在它周围的 电缆的直径 的 25 倍。 我们初步选择了一个直径 为 寸 的 电缆，因为它的断裂强度（ 2000 磅） 差不多达到设计 要求。 根据 制造业者的 25X 因素 ,我们 得到了 一个直径 为图 3 成分选择过程示意图 的滑 轮。取整 数 ,使用一个直径 为 的 滑 轮 。 用这 个 带轮直径和 3000算出扭矩 为 266 英尺 件下的活塞直径 是 寸 。 保守起见 ，选择了活塞直径为 寸。注意驱动力（ 指电缆 力）为 寸直径的活塞是 1324 磅，少于额定强度电缆 2000 磅。汽缸直径为 寸，模拟产生的最大压力和流速如表 2所示。 表 2 活塞 直径 为 带轮直径为 大压力 值 和流量 最大臀部主动器压力 000 大膝主动器压力 000 大值髋舵机流速 m3/s 24.5 s) 最大值膝动器流速 m3/s 23.8 s) 最大总动器流速 m3/s 39.0 s) 平均流速 m3/s 12.1 s) 在 圆筒和滑 轮 直径选择 方面， 我们用了模拟模型为 单臂机器人 结束产生压力和流程需求而且延长时间的时期。 从这个压力和流量 的 数据 中 抽取了平均流量 、 洪峰流 量和 压降。这方面的资料，用来选择主要系统组件 ， 包括伺服阀 、 散热器 、 蓄能器 、 齿轮泵 等 。 二一一年六月 1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 1）、设计内容： 机械手结构设计， 制系统设计，装配图 1 2 张（ 零件图 8 张，电气原理图，设计说明书 1 份（ 40 页以上）。 2）、设计要求： （ 1）、规格参数： 抓重 :3 公斤；自由度数 :3 个；座标型式 :直角座标；手臂运动参数：前后移动， 1800毫米；上下升降， 350 毫米；横移，最大 50 毫米；驱动方式 :液压 （ 2）、全部设计图纸用 制； 2指定查阅的主要参考文献及说明 （ 1）机械零件设计手册 （ 2）工业机械手图册 （ 3）机械设计手册 （ 4）液压与气压传动 （ 5） 制相关书籍（西门子或松下） （ 6）其他相关参考资料 3进度安排 设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期 1 查阅相关参考资料，完成开题报告 机械手结构设计， 制系统设计 完成 件图、装配图 编写设计说明书 毕业设计（论文）的修改、 答辩的准备 ：本表在学生接受任务时下达 致 谢 本科毕业论文（设计）开题报告 姓 名： 学 号： 学 院： 专 业： 班 级： 指导教师： 开题日期： 毕业论文（设计）题目 油泵凸轮加工自动线机械手设计 课题来源 科研 应用 教学 其它 成果类别 论文 设计 一、课题的研究意义 现代工业机械收起源于 20 世纪 50 年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品 。 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、通用性前，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。此类称为通用机械手。 它是一种具有人体上肢的部分功能，工作横须固定的自动化装置。与机器人相比，机械手具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上诉特点的机械手成为专用机械手。总而言之，机械手就是用机器代替人手，把弓箭有某个地方一向指定的工作位置，或按照工作要求操纵工件进行加 工。 工业机械手设计是机械制造、机械设计和机电一体化等专业的一个比较全面的综合设计。通过此次课题，让我在设计中把有关课程中所获得的理论知识在实际中综合的加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并且培养出独立的机械整体设计的能力，树立争取的设计思想，掌握几点产品设计的基本方法和步骤，为今后工作打下良好的基础。 二、课题研究的主要内容： （课题研究的重点和在研究过程中要解决的关键问题，所要实现预期成果） 1 课题研究的重点 (1) 对所需车床功率、扭矩、 切 削力进行计算。 (2) 进给系统零部件 件设计； (3) 数控电气设计， 包括 机床电路图，实现所要求的控制。 (4) 校核各部分的强度 。 2主要设计内容 (1)机械手手部、腕部和腰部的结构设计 (2)工业机械手工作装备图的设计与绘制 (3) 液压系统图的设计与绘制 (4)电气控制图的绘制 （ 5）完成英文翻译 3拟解决的关键技术 (1)机械手手部、腕部、臂部、和腰部的结构设计及校核 。 (2)电气控制体统的设计与选用 (3)二 维 模型的建立与仿真 （） 具有足够的握力 （） 手指间具有一定的开闭角 （ ） 保证工件准确定位 （） 具有足够的硬度和刚度 （） 要求结构紧凑、重量轻、效率高 三、 课题的研究思路 (1)查阅有关资料， 分析机械手的体系结构，机械和传动系统构造，研究伺服控制原理和控制过程，给出集中可行性方案，对各部分进行详细的分析设计。 (2)查找相关资料，确定机械手各部件工作原理及设计方法 (3)根据所查资料和自身所学内容的结合，完成机械手的设计并完成控制系统 四、课题计划进度 进度安排 完成内容 2011 年 10 月 16 日 2011 年 11 月 30 日 撰写开题报告并 准备 答辩 2011 年 12 月 01 日 2012 年 01 月 20 日 充实和完善课题设计资料并完成初步设计要求 2012 年 01 月 20 日 2012 年 03 月 20 日 完成总体结构设计 2012 年 03 月 20 日 2012 年 04 月 01 日 改造分析与计算 2012 年 04 月 01 日 2012 年 04 月 10 日 各系统的设计与校核 2012 年 04 月 10 日 2012 年 04 月 30 日 绘制总装图及零件图 2012 年 04 月 30 日 2012 年 05 月 20 日 撰写设计说明书 2012 年 05 月 20 日 2012 年 05 月 26 日 毕业设计（论文）审查定稿 五、指导教师评语 和意见： 开题报告符合设计题目要求。同意开题。 指导教师（签字）： 2011 年 12 月 19 日 六、所在系审查意见： 同意开题 系主任（签字）： 年 月 日 注： 1本 表一式四份，指导教师一份，二级学院存档一份，学生本人二份一份留用、一份装订于毕业论文（设计）资料中。 2开题报告后需附关于本课题的文献综述。 3各项若不够请加附页或扩展表格。 4指导教师、系主任的签字及日期必须手写，不得 打印。 附、文献综述 一、国内外研究现状及发展动态： 机械手 首先从美国开始研制， 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。再次基础上美国通过不断改进完善，研制出一系列新的机械手。美国的研制十分注意提高机械手的可靠性、改进结构，降低成本 德国从 1970 年开始再制造行业应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。 今后随着机器人技术的发展，机器人应用领域会不断扩大，并不断向着高智能化和生产系统机器人化方向发展。机械手的专配作业的能力将进一步提高。更主要的是机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。总之，机械手的发展趋势是： (1)随着计算机技术的发展，机器人的性能向着高精度、高速度高可靠度和可维修性发展，而单机价格将不断下降 (2)提高欲动速度和动作精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块组合化，将机器人的回转、伸缩、俯仰和摆动等各种功能的机械模块 和控制模块、检测木块组合成机构和用途不同的机器人 （ 3）开发新型结构，如开发模块化、可重构化 的机械结构，实现关节模块中的伺服电机、减速机和检测系统的一体化，保证动作精度，开发多关节，多自由度的手臂和手指，研制新型的行走机构，以适应各种作业需求 （ 4）研制各种传感检测装置，如视觉、触觉、听觉和测距传感器等 （ 5）控制系统向基于 的开放型控制器方向发展，便于标准化和网络化，器件集成度高，且采用模块化的结构。 二、文献的查阅范围及手段： 、主要参考文献： 1 张曙 数控机床发展 的新趋势 . 2004 年 08 期 . 2 刘丽云，王元娥 J2007， (4). 3 赵忠敏 J煤矿机电 5). 4荣西林 电工与电子技术 北京：冶金工业出版社， 2001. 5 刘杰等编著 机电一体化设计 北京：冶金工业出版社， 6 孙志礼，冷聚兴，魏延刚，曾海泉 机械设计东北大学出版社 7 孙志礼等主编 机械设计 沈阳：东北大学出 版社， 8 靳龙 数控加工中心进给系统设计分析 机械研究与应用 5 期 . 9 常兴，刘国锋，田勇 现代制造工程 2005(8). 10 C en 2005（ 01） . 11 C 2005（ 05） . 12 周延佑 J13 雷学东 M京大学出版社， 14 卢胜利，王睿鹏，祝玲现代数控系统 M北京：机械工业出版社， 2006 15 王计文 J1999(3):8216 晏初宏 M械工业出版社， 2005. 17 杨叔子 J2006， 42(1):118 刘光复，刘志峰，李刚 M械工业出版社， 1999. 19 吴孜越 普 通车床的数控化改造 J机床与液压， 2005， (8)： 21 1 213 20 罗永顺普通机床数控化改造设计中关键问题的研究 J机床与液压， 2005， (6)： 193 21 张亚力简述数控技术的发展趋势 J国土资源高等职业教育研究， 2006， (2) 22 董笑鹏，张立娟，王兵然浅谈我国数控技术的发展与前景 J机电产品开发与创新，2009， (1) 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 摘 要 随着工业自动化的发展，工业机械手的应用越来越普遍，已被广泛地应用于各行各业中。本文主要针对用于油泵凸轮轴自动线上，在相邻工位间搬运工件的机械手即油泵凸轮轴加工自动线送料机械手进行设计。 首先，简要介绍了机械手的基本概念、机械手的组成和分类，以及工业机械手的简史和发展趋势。其次，本文通过油泵凸轮轴加工自动线送料机械手的动作分析，确定了机械手的坐标形式、自由度和驱动机构，确定了机械手的主要技术参数；完成了油泵凸轮轴自动线送料机械手的总体方案设计。再次，完成了机械手的手部、臂部和机身的结构设计。 最后，通过对机械手的动作行程分析，完成了机械手的液压缸设计和液压元件的选择；设计了可满足机械手循环动作要求的液压系统原理图和电气控制图。本设计采用西门子公司的可编程控制器 关键字： 机械手，凸轮轴，液压系统 ，可编程控制器（ 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I of in of of is of to is of it of of of of to of of of of of of of of I of to of s 7to of 录 摘要 . . 第 1章 绪论 . 1 言 . 1 业机械手的简史 . 1 械手的组成和分类 . 2 械手的组成 . 2 机械手的分类 . 2 工业机械手的发展趋势 . 4 第 2章 机械手总体设计方案 . 6 机械手基本形式的选择 . 6 机械手的主要部件及运动 . 6 驱动装置的选择 . 6 机械手的技术参数 . 6 第 3章 手部、臂部的结构设计 . 7 手部结构设计 . 7 部设计的基本要求 . 7 手抓类型及夹紧装置的选择 . 8 手部夹紧力的计算 . 9 臂部结构设计 . 10 臂部设计原则 . 10 部具体设计方案及计算 . 11 第 4章 驱动控制系统设计 . 17 种驱动类型的特点 . 17 械手驱动系统的选择原则 . 17 压系统简介 . 18 液压系统的工作原理 . 18 液压传动的工作特性 . 18 液压系统的组成 . 18 液压系统的优、缺点 . 19 拟定液压系统原理图 . 19 压缸主要参数的确定 . 22 压元件的选择 . 24 购买后包含有 咨询 V 动力元件 液压泵 . 24 控制元件 方向阀 、压力阀 . 24 辅助元件 . 25 液压元件的密封 . 26 密封件的作用及其意义 . 26 密封件和密封装置的设计选用 . 26 第 5章 制系统 . 28 . 28 . 28 . 29 . 30 . 30 对 . 30 系统的整体设计分析 . 31 . 34 程序的总体结构 . 34 公用程序 . 34 手动程序 . 35 自动程序 . 36 系统调试 . 41 总结 . 42 参考文献 . 43 致谢 . 44 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 第 1 章 绪 论 前言 用于再现人手功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿人手的部分动作，按照给定程序、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。 工业机械手的简史 现代工业机械手起源于 20世纪 50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。 机械手首先从美国开始研制， 1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。在此基础上美国通过不断改进完善，研制出一系列新的机械手，美国的研制十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。 德国从 1970 年开始再制造行业应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 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的机械手后，便开始大力进行机械手的研究。据报道， 1979年从事机械手研究工作的大专院校、研究单位多达 50多个； 1979年日本机械手的产值达到 443亿日元，产量为 14535台。使用机械手最多的行业是汽车工业，其次是电机、电器和电子行业。到目前在日本工作的工业机械手已有 100万台左右。 目前随着电子计算机和电信设备的不断发展，工业机械手应用也不断扩大，正逐步发展成为柔性制造系统 柔性制造单元第 1 章 绪论 2 的重要一环。 机械手的组成和分类 械手的组成 工业机械手由执行机构、驱动机构和控制系统三部分组成。 （一） 执行机构 机械手的执行机构主要包括：手部、腕部、臂部和机身。 1、手部 直接与工件接触的部分，一般为回转式或平动式。手部多为两指（也有多指），更具需要可分为外抓式和内抓式两种。 传力机构主要包括：杠杆式、齿轮齿条式、四缸落幕式、弹簧式和重力式。 2、腕部 是连接手部和臂部的部件，可以用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围。对于 一些动作较为简单的专用机械手，为简化结构，可以不设腕部，直接用臂部运动驱动手部搬运工件。 3、臂部 它的作用是支撑腕部和手部（包括工具或卡具），并带动它们做空间运动。 臂部的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或气缸）和各种传动机构来实现。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。 （二） 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以分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动的机械手，结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方 便。 （三） 控制系统 机械手的控制分为点动控制和连续控制两种方式。大多采用插销板进行点位控制，也有采用微机进行程序控制的。控制系统主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 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 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 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、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、液压传动机械手是以压缩液压油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，液压动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于液压油具有可压缩的特性，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第 1 章 绪论 4 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。 工业机械手的发展趋势 近年来，国内外的研究主要集中于工业机械手（第三工业机械手）的研究，并具有如下几个趋势 : (1)工业机械手性能不断提高 (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 7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械手整机 ;国外已有模块化装配机械手产品问市。 (3)工业机械手控制系统向基于 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)机械手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、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、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)虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。 (6)当代遥控机械手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械手的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机械手走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机械手就是这种系统成功应用的最著名实例。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 (7)机械手化机械开始兴起。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。我国的工业机械手从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械手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，生产了部分机械手关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机械手 ;其中有 130多台套喷漆机械手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，弧焊机械手己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机械手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 :机械手应 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械手约 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械手产业，当前我国的机械手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。我国的智能机械手和特种机械手在“ 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械手， 6000m 水下无缆机械手的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机械手、双臂协调控制机械手、爬壁机械手、管道机械手等机种 :在机械手视觉、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械手、智能装配机械手、机械手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。 第 2 章 机械手总体 设计方案 6 第 2 章 机械手总体设计方案 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）球坐标型机械手；（ 4）多关节型机械手。本设计机械手的动作主要包括：手抓张合和三个相互垂直的平移运动（升降、左右和前后），选用直角坐标型机械手。 机械手的主要部件及运动 本设计机械手主要包含如下 4个动作：手抓张合、手臂上下伸缩、手臂左右移动和手臂前后移动。 本设计机械手主要由 3大部件和 3个液压缸组成：（ 1）手部 通过弹簧实现手抓的张 合。（ 2）臂部 采用两个相互垂直的直线缸来实现手臂的左右移动和上下伸缩。（ 3）机身 采用直线缸来实现手臂的前后移动。 驱动装置的选择 根据动力源的不同，机械手的驱动机构大致可以分为液压、气动、电动和机械驱动四类。由于液压驱动的机械手具有结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便和驱动力大等优点，所以本设计机械手的驱动机构选用液压驱动。 机械手的技术参数 1、抓重： 3持式手部 ) 2、自由度数： 4个（手抓张合、手臂上下、左右和前后移动） 3、坐标形式：直角坐标 4、手臂运动参数 手臂左右 行程： 50臂上下行程： 350臂前后行程： 1800买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3 章 手部、臂部和机身结构设计 手部结构设计 本文设计的机械手属于专用机械手，根究其所搬运的工件（油泵凸轮轴）属于棒性材料，故采用弹簧夹紧的夹持式手部结构。 部设计的基本要求 (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 9。 （五）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，以利于减轻手部的负荷。 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。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，当移动型手指夹第 3 章 手部、臂部和机身结构设计 8 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。 手抓类型及夹紧装置的选择 常用的机械手的手部，按照握持工件的原理，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，不适合本方案。考虑本设计机械手夹取工件的重量为 3为圆棒型材料，机械手采取夹持式手指。 夹持式机械手按运动方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，且工件经向尺寸变化不影响其中心的位置，其理论夹持误差为零。但采用此种结构，驱动力需要加在手指移动方向上，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。 因为工件较长，故夹紧用手部采用双手双指式手指夹持工件的两端。当机械手向下运动时，手指内侧的斜面碰触工件外表面而使手指张开，工件进入手指上的圆弧面处，靠弹簧的张力将工件夹紧。定位手部的夹紧和松开原理与夹紧用手部的动作原理相同，所不同的，它是利用滚轮架、滚轮使两只手指同时闭合或张开，以保证工件上的第三档凸轮凸起部分保持朝下，靠弹簧的张力 使其保持一定位置。本论文所设计的机械手的手部包括： 1个定位手部和 2个夹紧手部。其结构如下图所示。 图 3夹紧手部剖面图 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 图 3位手部剖面图 手部夹紧力的计算 手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），一般来说，手指握力需克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化时所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），使得工件保持良好的夹紧状态。握力的大小与被夹持工件的重量、重心位置、以及夹持工件的范围有关，我们把握力假想为作用在手指与工件接触面的对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，用 可按下式 3 N 1 2 3F K K K G（ 3 其中， 安全系数，通常取 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下式估算 2 =1 /K a g其中， a 运载工件时重力方向运动最大加速度； a v t 响 运载工件时重力方向的最大上升速度； 系统达到最高速度的时间，一般取 G 重力加速度 2g s ； 方位系数 根据手指形状及工件方位按工业机械手设计表 2 G 被抓取工件重力（ N）。 本设计1.8，a v t 响= =1 /K a g=1+，第 3 章 手部、臂部和机身结构设计 10 机械手所抓工件重 3 所以： N 1 2 3F K K K G= 1 . 8 2 . 7 5 1 3 9 . 8 146 N 臂部结构设计 臂部 设计原则 机械手手臂的作用 ，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械手所要求的工作空间内的运动。在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则； 互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。 作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的 空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。 在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机械手手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的 1/4，相当于铝合金的 2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行 机械手手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量。 减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。 对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。 部具体设计方案及计算 （一）具体设计方案 根据机械手实际工作需要，确定机械手的臂部需要实现升降和左右两个相互垂直的直线运动。机械手的臂部由垂直升降手臂（大臂）和左右平移手臂（小臂）组成。 直线运动一般通过液压传动或电机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到本设计机械手所搬运工件的重量适中，仅 3中型重量；同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。本设计选择液压驱动方式，液压缸既是驱 动元件，又是执行运动件，控制简单，易于实现计算机的控制。 具体的设计方案为：机械手的垂直升降手臂（大臂）和左右平移手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动，通过 2 个相互垂直的液压缸来实现。其中 :大臂液压缸活塞杆的伸缩实现了机械手的升降，小臂液压缸活塞的左右往复实现了机械手的左右平移。同时，因为控制和具体工作的要求，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的，所以在设计时另外增设了导向装置。 目前常用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等，在本机械手中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。在 本机械手中采用的是单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向性。本设计机械手的臂部剖面图如图 3 第 3 章 手部、臂部和机身结构设计 12 图 3臂部剖面图 （二）前后伸缩手臂的设计计算 1、前后伸缩手臂驱动力的计算 手臂作水平伸缩直线运动时所需的驱动力计算公式为 : F = F + F + F + 摩 （ 3式中 : 在起动或制动时，活塞杆所受的平均惯性力 ; 摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3 置，则为活塞和缸壁等处得摩擦阻力 ; 密封装置处的摩擦阻力 (N)，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不同； 液压缸回油腔低压油液所造成的阻力； （ 1） F = G v /(g t)惯 总 （ 3 式中 : 参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）； g 重力加速度，取 m/s ； v 由静止加速到常速的变化量（ m/s）； t 启动过程时间（ s） ,一般取 轻载低速运动部件取较小值，对重 载高速运动部件取较大值。 所以 F = G v /(g t)惯 总3 5 9 . 8 1 0 . 3 5 / ( 9 . 8 1 0 . 1 ) = (2) = 总摩（ 3 式中 参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）； 当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。 对于圆柱面： =（ 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时取 =所以 =F 总摩= 1 . 3 0 . 2 3 5 9 . 8 1 90 N （ 3） 采用“ O” 形密封圈，简化计算时，可视作 （ 3 （ 4） 回油腔与油箱相连，可视为与大气相连，故 第 3 章 手部、臂部和机身结构设计 14 所以由式（ 3驱动力 F = F + F + F + 摩=0+ 219 N 2、前后伸缩液压缸的内径计算 手臂伸缩运动的驱动力 F 由双作用单杆活塞油缸提供，活塞杆直径 d，油缸 内经 D,取 d=液压力取 0 ，则油缸内径计算如下： 221 ( d ) 2 = 4 / ( 0 p ) （ 3 4910)D 35 pF 由上式计算得 D=49查表工业机械手设计表 4取液压缸内径 D=50、活塞杆直径 活塞杆直径 d=5查表工 业机械手设计表 4取活塞杆直径d=30 （三）左右伸缩手臂的设计计算 1、左右伸缩手臂驱动力的计算 （ 1） 由式（ 3： F = G v /(g t)惯 总 2 5 9 . 8 1 0 . 3 5 / ( 9 . 8 1 0 . 1 ) = (2) 由式（ 3： = 总摩=总1 . 3 0 . 2 2 5 9 . 8 1 64 N （ 3） 由式（ 3： （ 4） 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 5 回油腔与油箱相连，可视为与大气相连，故 所以由式（ 3驱动力 F = F + F + F + 摩=4+156 N 2、左右伸缩液压缸的内径计算 油缸内经 D,取 d=液压力取 5=2 10 ， 由式（ 3算得： 2 = 4 / ( 0 p ) D=36 经查表工业机械手设计表 4取液压缸内径 D=40、活塞杆直径 活塞杆直径 d=0查表工业机械手设计表 4取 活塞杆直径 d=20 （四）上下伸缩手臂的设计计算 1、上下伸缩手臂驱动力的计算 手臂作上下伸缩直线运动时所需的驱动力计算公式为 F = F + F + F + F + 摩（ 3 式中 摩擦阻力， 1F = 2 F f= 0 f= 零部件及工件所受总重力。 由式（ 3： F = G v /(g t)惯 总 = 1 8 9 . 8 1 0 . 3 5 / （ 9 . 8 1 0 . 1 ） =63 N 易知 ，由式（ 3 所以驱动 力 F = F + F + F + F + 摩 = + F 6 3 0 . 3 3 + 0 . 0 3 F + 0 + 1 8 9 . 8 1 374 N 2、上下伸缩液压缸的内径计算 油缸内经 D,取 d=液压力取 54 10 ， 由式（ 3算得： 第 3 章 手部、臂部和机身结构设计 16 53D = 4 F / ( 0 . 7 5 p ) 4 3 7 4 / 0 . 7 5 4 1 0 3 . 1 4 1 0 3 9 经查表工业机械手设计表 4取液压缸内径 D=40、活塞杆直径 活塞杆直径 d=0查表工业机械手设计表 4取活塞杆直径d=21 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 7 第 4 章 驱动控制系统设计 本机械手的驱动控制系统主要由 3个相互垂直的液压油缸、由液压油缸、电机、油管和其他控制元件所组成的液压系统，以及控制液压系统工作的电气系统所组成。根据实际工作要求，本机械手要具有手臂上下伸缩、手臂左右移动和手臂前后移动三个自由度。执行机构相应由手臂上下伸缩机构、手臂左右移动机构和手臂前后移动机构等组成。每一部分循环动作均由液压缸及对应的驱动和控制系统来实现完成。机械手工作的动作循环为：手臂下降 （抓取工件）手臂上升 手臂右移手臂前进手臂左移手臂下降 （松开工件）手臂上升手臂右移手臂后退手臂左移复位卸荷 。 机械手的驱动系统按动力源分为液压，气压和电动三大类。根据需要也可以是这三种所组成的复合式驱动系统。 种驱动类型的特点 （ 1） 液压驱动系统 液压技术是一种比较成熟的技术，具有动力大，响应快，易于实现直接驱动等特点。适用于承载能力大，惯量大以及在防爆环境中工作的机械手。 （ 2） 气动驱动系统 具有速度快，系统结构简单，维修方便，价格低等特点。适用于中小负载的系统中。但难于实现伺服控 制，多用于程序控制的机械手。 （ 3） 电动驱动系统 由于低惯量、大转矩的交直流伺服电机及配套的伺服驱动器的广泛应用，这种驱动系统在机械手中被大量使用。 械手驱动系统的选择原则 设计机械手时，选择哪一类驱动系统要根据机械手的用途、作业要求、机械手的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗以及性价比等综合因素加以考虑，在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后做出最后的选择。 一般情况下，机械手驱动系统的选择按如下原则：
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