组合机床自动上料液压机械手的设计（全套含CAD图纸）
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附件 1：外文资料翻译译文 具有动态特性约束的高速灵活的机械手优化设计 摘要：本文提出了一种强调时间独立和位移约束的机器手优化设计理论，该理论用数学编程的方法给予了实现。将各元件用灵活的连杆连接起来。设计变量即为零件横截面尺寸。另用最关键的约束等量替换时间约束。结果表明，此方法产生的设计结果比运用 数，且利用等量约束所产生的设计方案更好。建立了序列二次方程基础上的优化设计方案，且设计灵敏度通过总体有限偏差来评定。动态非线性方程组包含了有效运动和实际运动的自由 度。为了举例说明程序，设计了一款平面机器人，其中利用某一特定的方案并且运用了不同的等量约束进行了设计。 版权属于 1997 年埃尔塞维尔科技有限公司 1 导论 目前对高速机器人的设计要求越来越高，元件质量的最小化是必不可少的要求。传统机器手的设计取决于静态体系中运动方式的多样化，但这并不适合于高速系统即应力和绕度均受动力效应控制的系统。为了防止失败，在设计的时候必须考虑到有效轨迹和实际运动轨迹之间的相互影响。 在暂态负载下对结构系统进行设计已经开始展开研究，该研究是基于下面几个不同的等量约束条件下进行的，分别为对 临界点的选择上 1 ， 反约束的时间限制2 ，和 数 3,4的基础上进行研究。在选择临界点时，假定临界点的位置的时间是固定的，然而这种假设不适合高速系统。第二个办法的缺点是等量约束在可行域内几乎为 0，因此现在还没有迹象表明这些约束是否重要。使用 数在可行域中产生了非零的等量约束，但它定义了一个保守的约束，从而产生了一个过于安全的设计方法。 在设计机器手的时候，常规方法是考虑多静态姿态 5而不是考虑时间上的约束。这种方法并不适合高速系统，原因是一些姿态不能代表整个系统的运动，此外，位移和应力的计算也是不准确的，这是因为在计算的时候省略了刚性和弹性运动之间的联系。事实上，这种联系是灵活多体分析中最基本的 8。 在这项研究中，开发了一种设计高速机械手的方法，这种方法考虑了系统刚性弹性运动之间的联系及时间独立等约束。把最关键的约束作为等量约束。 最关键的约束的时间点可能随着设计变量值的变化而变化。反应灵敏度由整体偏移所决定，设计的最优化取决于序列二次方程式。为了说明 程序， 对双杆平面机器手的强度和刚度进行了优化。设计结果与那些采用了 数的机器手进行对比。 2、设计理念 在这一节中，机器手的优化设计方法使用用于计算强度和刚性的非线性数学编程方法。机器手由 N 个活动连杆组成，每一个连杆由 有限零件柱组成。其目的是尽可能的减小机械手的质量。与强度关联的约束主要是应力元素和刚性约束。这些约束将使得有效运动的位移产生偏移。设计变量就是连杆和零件的截面特性。 从数学上来说，目标函数11k i k 应满足这样的约束 : ( , ) 0jg x t 1 , . . . , （ 1）其中 和 别是第 k 个机构的第 i 个零件的密度和体积， x 是设计变量总数。在验证位移和应力的时候，参考文献 10中的递推公式可用来计算机器手有效轨迹与实际轨迹。 将连杆k 联系起来，其中样通过缩小模型就可以减少每个连杆的实际自由度数了。 系统的广义坐标系是由连杆变量i和模块变量i组成的。微粒 P 的运动速度 可表式为 k i k i k (2) 其中 和 是相互制约的系数。 凯恩（ 等人的方程式 12 曾被用来测定一些运动方程式如 F F (3) 其中 , T T 是整体速度向量， F 是合成外力向量， M、 Q 还有 别为总质量、柯氏力、地心引力和弹力，计算公式如下： 11k i k i k i k ir r r f k i k d Vs y m M s y m （ 4） 11()r k i k i k d （ 5） 0 (6) 其中上标 r 和 f 分别代表有效自由度和实际自由度。 K 为对角矩阵，其对角线上的子矩阵是减少了的有效矩阵了验证子矩阵在方程（ 4， 5）中是否正确， 和 可表示如下： i k k i k ip q p q r s r s p, r=1,2,3; q=1, ,s=1, ,12 (7a) pq k k ik i k ip q p q r s p, r=1,2,3; q=1, ,m; s=1, 12 (7b) 其中 是元件形状函数，m 是模块变量数。方程式中的标注即多次出现的下标指数是以概括的形式出现的，这些下标只不过是公式的一部分，并不表示某一含义除非特定指明。这些子矩阵可 表示成： p q p q p t z s p t p q z s p q z s p t u ( ) k k k k i k k i k i k if f k i k i k t z s z u s m P R p q p q p t z s p t p q z s p q z s p t u ( ) k k k k i k k i k i k ir f k i k i k t z s z u s m P R 其中i k i k iu v u d V 和i k i k i k iz u s v z s u d V ； z,u=1,2,3； s,v=1, ,12 是时间变量， 第 k 个机构的第 i 个元件的质量。在定义.q m p 和.k i k q r u m p r u pm r 时，柯氏力和地心引力可由下列算式计算出来： p q p q p q z s p q z sp z s p p u ( ) k k k i k ir k i k k i k k i k i k iq p z s z u s m a b a P b R p q p q p q z s p q z sp z s p p u ( ) k k k i k if k i k k i k k i k i k iq p z s z u s m a b a P b R 这个运动方程式综合了变量步长和变量预测校正的算法，以获取坐标系i和i中的时间记录。于是，有关物体参考系的节点位移可由模块转换公式i获得。由应力与位移关系式计算出零件受到的压应力。整个 参考系中各点的位移可用i和机架的各节点位移算出。点的偏移可由那个点在实际运动和有效运动的位移差精确的求出。 应当指出的是，在运动方程式中，设计变量函数的形式有矩阵，零件的质量和初始矢量中的 列。因此在对灵敏度进行分析的时候，这些都应与设计变量区分开来。然而，分析并且验证灵敏度在这次研究中是个非常困难的项目。不全面的分析或是允许极小误差的方式来研究这 一问题也未尝不是个好方法。 对机器手进行动态分析的方法就是计算此，约束数目最好满足cN且这么多的约束在优化设计时也是不切实际的。不过有一个很有效的办法可以使约束数控制在t 的所有值，这就是用 数 3 等量替换单个时间约束，此函数表示如下： 11( ) l n e x p ( )j x c 其中 ( ) ( , )j n j g x t和 C 是正数并由这可以说 明 数限定了一个保守的值域 4比如重要，而且 c 的值越大 间 的 差 就 越 小 。 这 就 是 所 谓 用 最 关 键 的 约 束 等 量 替 换 了 诸 如( ) m i n ( ) j x g X （ 11） 之类的约束。在这一方法中，用等量约束这一值域里尽管左右突出的构件在过渡点有差异，但他们具有相同的标识和梯度，因此可在过渡点自然结合。随着时间逐步的趋近零点，等量约束也变得逐渐光滑。 上述所提到的非线性约束优化问题可以由 1来解决，即运用序列二次方程的方法。这 种优化需要初始信息/ g m=1, , 双杆平面机器人如图 1 所示。运动原理是被动块 E 沿直线从初始位置（1=120， 2=运动到终点位置（ 1=60， 2=。 E 的运动轨迹表示如下： 0 . 5 2( s i n )2 整个运动过程的时间 T= 每一个连杆的长度为 并由两个等长的零件连接着。其零件的外径为本设计的变量， k=1,2； i=1,2。零件的厚度为 体的压强和密度分别是 E=72 =2700Kg/块变量缩小了形状尺寸。最先结合的两个模块和最先有着固定自由的约束条件的轴也都被考虑到了。位于连接点 B 处的杆 2 质量为 2动物块和有效载荷的总质量为 1计的约束条件如下： i 75i=1, , 0,001m 其中应力约束由节点顶部或底部的 点来验证。是 E 的实际运动轨迹与有效运动轨迹的偏离量（即 x 和 y 方向的最大偏移值）。初始设计变量 0 图 1 平面机器手操作器 在这个例子里，等量约束是由最关键的约束组成的并且其结果与数 的结果进行了比较。后者函数中适用了 c 的不同值，可以发现 c 的值越小其产生的设计就越死板。 c=50 时的设计是最理想的。应当指出的是编译器的限制可能会超过 c 的最大值，这完全取决于指数函数也就是只要设计变量的低限足够的小。另一方面，最关键的约束会产生极小质量的设计并且精确的迎合偏移位移量。最小的质量，恰当的直径和反复运动的次数在表 1 中列出。设计轨迹见表 2。表 明了由 数产生的结果，然而 见应力远远小于允许值，因此应力约束受到了限制。连杆 2 中间的应力最大（见）图 3。被动物块的偏移量的最佳解决方案见图 4 图 2 设计参数 表 1 平面机器人控制器最佳方法 图 3 顶部连接两个的平均压力的最佳设计 图 4 最终效应器偏差的最佳设计 在研究中，高速遥控操纵器的最佳设计方案取决于动态特性。操纵器的固定轨迹与实际轨迹运动也必须考虑到。把最关键的约束用作等量约束。 最关键的约束的时间点可能随着设计变量的改变而变化。这表明分段的等量约束并不会使设计过程产生缺陷。序列二次方程用于解决设计问题，其是运用整体偏差进行灵敏度计算。 高速 平面遥控操纵器已被优化设计成在应力和偏差限制下的最小质量。基于 数产生的保守设计下使用等量约束，最好的设计理念就是用最关键的约束。 附件 2：外文原文 （复印件） 65. 2, 2551997 0 1997 6)002697 F . . 6531, 1 995) is of by in of of of is of on It is a by An on is by To a is a by 0 1997 1. he it to be of on in is by To be in of by on 11, of 2, 3,4. In it is of to be in is he is in is no is in an is in it a In of is to 5of is a to In is of a 8 In a of is of of as of as of is by is by 111. To a is by 2. n of a is as a of of k of is to of to of of of 255 2% S. . is as in of 5 2 To in 4, 5), 7” I” in 1=I ,=I to g,(x, t) 0 P, r = 1, 2, 3 j = 1, . , Y:; = $, + $;,& (1) q=l,., n, s=l,., 12 (7a) of of x is 8&+&,4!: p,r= 1,2,3 V of , is of In q= l,., m s= l,., 12, (7b) is ” is n, is to of m is of of in a of a be in a to a ” of k in a do of be as of is by f 2 mk of k=,=, i q, of a , be (7 7i,j$ j$,j$, 84 M; = f 2 m&, k=,i=l ?“I et s 12 to of +F”+F, (3) + &a + !;,Y;X: + &L.8) y = d is of is of , Q as UI s p”& d V :L$,. = s pkc#&$:; v!- F”=- O I Q!, = ,$, 4 6) + (/?&b;:, + u;&) &,b;:,. (9b) r f to he of by K is a a _ to of z,u= 1,2,3; s,v= l,., 12 is of of By = $?A& + & = $!&,& + $&,&, be 51 i to by of by of of in by , in of a is as of in It be in of of k k in in be to of is a in of A or is 3. he of is , of in of to be C x N, a of is in an An to of C to of of t is to by 3 as g,(x) = - i (10) .=I x) = gj(x, t”) c is a g, g,“). It be a 4 gj is g,n), of c, g,). as j(X) = x)l. (11) In gj a as it to In at of at by In as is by l I is on df/, M = 1, . . . , by in 4. is 1. A is in is to an 0, = 120”, 19 = - 150) to a 0, = 60”, - 30”) a is x =g T 2 E T t - x of T, is to .5 s. is of .6 m is by &, k = 1, 2; i = 1,2 of as of is to = 72 p = 2700 kg is by 1. A 2.0 t t 18.0 f 5 10 15 20 25 30 35 of 2. 258 S. . . 12 22 N) (4 9 9 8 of is at a kg of is 5i=l,.,n, 6 m, at n, of at 6 is of of in x y of 0 mm In by by In of c It of c in as A of c = 50 a It be be of c to if on On in of . 2. by CC of It is .5 t w 3. at of at in 0.6 s P $ 4. in 59 at of at 3. is 4. 5. n a of to of of by on as It of a in is in of by A of in . W. H. . T. . 3. 4. 5. 6. I. a. 9. 11. 12. of in 32, 4331989). E. J. . S. of 5, 3562 (1978). G. . by a 1137 (1979). R. T. 2. . P. 1990). D. A. . S. of 36, 1191990). M. H. . of 2, 2531994). J. H. . of . 16, 3441994). A. A. 1989). S. S. . J. A : I, 2931988). S. K. . M. L. of to . 56, 444451 (1989). K. 5, 485500 (1985): - _ T. R. P. W. . A. 1983): 512-E 组合机床自动上料液压机械手的设计 引言 机械手定义 ： 用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。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。 工业机械手在生产中的应用： 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 实现单机自动化方面 铸、锻、焊热处理等热加工方面 执行机构 :手部 ,腕部 ,臂部 ,行走机构 驱动机构 :根据动力源的不同 , 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类 控制系统 :点动控制和连续控制两种方式 机械手设计要求 为组合机床生产线设计一套自动上料的机械手，它采用圆柱坐标型的运动形式，液压系统驱动，能原理先进，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求。 主要技术参数：臂力 5N；自由度数为 4；运动形式为圆柱坐标；手臂伸缩行程范围 0臂升降行程范围 0臂回转行程范围 0腕回转角度范围 90；定位方式为定位块；驱动方式为液压系统；控制方式为点位式、 设计论文框架 绪论 总体方案设计 机械手手部的设计计算 腕部的设计计算 臂部的设计计算 液压系统的设计 电气控制系统设计 总结 致谢 机械手的运动分析 机械手的动作循环（工件平放）：夹紧工件 手腕上翻90 大臂上升 300大臂回转 90 手臂延伸500放松工件 手腕下翻 90 手臂收缩 500臂回转 90 大臂下降300 机械手运动示意图 机械手运动流程图 从 t=0时开始，机械手夹紧工件，t=1时，大臂开始做上升运动，运动速度 v=150mm/s, 共 2s；与此同时开始的还有手腕回转 90，用时 1s；在t=臂开始回转，转 90，用时 t=2臂开始延伸，行程 500度 v=250mm/s, 用时 2s；至此工件传输到位，手部放松用时 述运动完成共用时 为工件质量很小，机械手返回与其输送运动用时基本相当，且返回时大臂运动是下降运动，机械手有自重，用时将小于 机械手手部的设计计算 1选择手爪的类型及夹紧装置 ：机器人夹持器的典型结构 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体 这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。 这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。 我选择的是滑槽杠杆式 2夹紧力及驱动力的计算。 3手抓夹持范围计算 4机械手手抓夹持精度的分析计算 5弹簧的设计计算： 腕部的设计计算 腕部的结构：腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。 腕部的设计计算： (1) 腕部设计考虑的参数 (2) 腕部的驱动力矩计算 . 手腕驱动力的计算：根据 液压缸的内径系列（ 标准液压缸外径 进行计算。 液压缸盖螺钉的计算 动片和输出轴的连接螺钉的计算：连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。 腕部轴承选择：腕部材料选择铝合金 处均选用深沟球轴承。 臂部的设计计算 (一 )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、翻转和升降。 (二） 手臂的典型机构以及结构的选择：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。 （三）伸缩臂机构结构设计： 1手臂直线运动的驱动力计算：计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，要把臂部所受的全部负荷考虑进去。机械手工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力等。 2伸缩运动液压缸工作压力和结构的确定 （四）臂部回转缸的结构设计： 1臂部回转运动的分析计算 2回转缸尺寸的初步确定 3液压缸盖螺钉的计算 4动片和输出轴间的连接螺钉的分析计算 （五）臂部升降缸的结构设计： 1臂部升降运动的分析计算 2升降不自锁条件分析计算 3手臂升降运动的液压缸驱动力的计算 （六）底座与手臂连接处的螺栓直径的确定 ：1、计算倾覆力矩 2、计算受力最大的螺栓承受的工作载荷 3、确定每个螺栓所需的预紧 4、确定螺栓直径 液压系统的设计 （ 1）夹紧工件 按下启动按钮。 在整机启动的情况下，泵 4供油流经单向阀，然后 时此二位四通电磁阀处于右位，液压油直接流进机械手手指夹紧液压缸的右腔，从而拉动滑槽杠杆式手部结构夹紧工件。此时电磁换向阀通电不变，直到接到放松工件指令才断电，此时因液压缸保持不动，回路压力升高，到达先导型溢流阀的设定压力时，溢流阀开启，然回路压力保持不变，仍然能够保持夹紧需要。 （ 2）手腕上翻 3供油经单向阀 5，流经图所示从左到右第四个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向手腕翻转液压缸，从而推动机械手手腕做翻转运动。 （ 3）大臂上升 3供油经单向阀 5，流经图所示从左到右第二个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，接着流向减压阀和单向阀构成的复合阀，然后直接流向大臂升降液压缸的下腔，从而推动机械手做上升运动。 （ 4）大臂回转 3供油经单向阀 5，流经图 后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向大臂回转液压缸，从而推动机械手大臂做左右回转运动。 （ 5）手臂延伸 3供油经单向阀 5，流经图所示从左到右第三个三位四通电磁阀右位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向手臂伸缩液压缸，从而推动机械手手臂做伸缩运动。 （ 6）放松工件 在整机启动的情况下，泵 4供油流经单向阀，然后 时此二位四通电磁阀处于左位，液压油直接流进机械手手指夹紧液压缸的左腔，从而拉动滑槽杠杆式手部结构放松工件。此时 到接到夹紧工件指令时 3工件放到 液压缸保持不动，回路压力升高，到达先导型溢流阀的设定压力时，溢流阀开启，然回路压力保持不变，仍然保持手指张开。 （ 7）手腕下翻 3供油经单向阀 5，流经图所示从左到右第四个三位四通电磁阀右位，接着液压油流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向手腕翻转液压缸，从而推动机械手手腕做下翻动运动。 （ 8）手臂收缩 3供油经单向阀 5，流经图所示从左到右第三个三位四通电磁阀左位，然后直接流向手臂伸缩液压缸，从而推动机械手手臂做收缩运动。 （ 9）大臂回转 3供油经单向阀 5，流经图所示从左到右第一个三位四通电磁阀左位，接着液压油流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向大臂回转液压缸，从而推动机械手大臂做回转运动。 （ 10）械手大臂下降 3供油经单向阀 5，流经图所示从左到右第二个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向大臂升降液压缸的上腔，从而推动机械手做下降运动。 机械手液压原理图 1 2 3、 4 56、 9 7 8 9 10 11阻尼孔） 电气控制系统设计 机械手手动控制系统图 机械手自动方式状态图 致谢 购买后包含有 纸和说明书 ,咨 询 Q 197216396 本科毕业设计（论文）资料 第一部分 设计说明书 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 摘 要 随着科学技术的发展，人类社会进入了一个以自动化和电子技术为标志的新时代。自动化机械大量应用于工业工程中，其中工业机械手的应用最为广泛。工业机械手是一种模仿人手动作的机器，可以取代很多的人工操作，并可以取得更高的效率。 本文介绍了用于夹持外圆件的上料机械手的设计。它采用液压驱动， 动作平稳，控制方便。 本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体座标的形式。同时，本文给出 了这台机械手的主要性能规格参量。 介绍了自动上料液压机械手的设计理论与方法。简略的讨论了自动上料机械手的自动控制系统、液压系统、手部、腕部、手臂等主要部件的结构设计。 关键词： 机械手，液压传动， 自由度 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 of a is in of is of a of a of to to a It to a of of of of of of of 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 目录 一 绪论 . 错误 !未定义书签。 （一）研究背景及发展动向 . 错误 !未定义书签。 1 机器人与机械手的背景 . 错误 !未定义书签。 2 机械手的发展前景 . 1 3 机械手的组成 . 错误 !未定义书签。 （二）液压传动技术的发展动态向及应用情况 . 错误 !未定义书签。 1液压传动技术的发展动态 . 错误 !未定义书签。 2液压传动技术的应用 . 3 （三）液压传动的特点 . 3 1液压传动的优点 . 3 2液压传动的缺点 . 4 二 总体方案设计 . 5 （一）方案设计 . 5 1 黑箱结构 . 5 2机械手动作及工作范围的确定 . 5 3驱动与控制方式的选择 . 5 （二）机械手的运动分析 . 6 三 机械手手部的设计计算 . 8 （一）机械手手爪的设计计算 . 8 1选择手爪的类型及夹紧装置 . 8 2夹紧力及驱动力的计算 . 错误 !未定义书签。 3手抓夹持范围计算 . 错误 !未定义书签。 4机械手手抓夹持精度的分析计算 . 错误 !未定义书签。 5弹簧的设计计算 . 错误 !未定义书签。 四 腕部的设计计算 . 15 (一 ) 腕部的结构 . 15 1概述 . 15 （二）腕部的设计计算 . 15 （三） 手腕驱动力的计算 . 16 （四） 液压缸盖螺钉的计算 . 16 （五）动片和输出轴的连接螺钉的计算 . 18 （六）腕部轴承选择 . 19 五 臂部的设计计算 . 20 (一） 臂部的结构 . 20 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 1概述 . 错误 !未定义书签。 （二） 手臂的典型运动机构 . 错误 !未定义书签。 2 手臂运动机构的选择 . 错误 !未定义书签。 （三）伸缩臂机构结构设计 . 错误 !未定义书签。 1手臂直线运动的驱动力计算 . 错误 !未定义书签。 2伸缩运动液压缸工作压力和结构的确定 . 22 （四）臂部回转缸的结构设计 . 24 1臂部回转运动的分析计算 . 24 2回转缸尺寸的初步确定 . 25 3液压缸盖螺钉的计算 . 25 4动片和输出轴间的连接螺钉的分析计算 . 26 （五）臂部升降缸的结构设计 . 27 1臂部升降运动的分析计算 . 27 2轴承的选择分析 . 29 （六）底座与手臂连接处的螺栓直径的确定 . 30 1计算倾覆力矩 . 30 2计算受力最大的螺栓承受的工作载荷 . 30 3确定每个螺栓所需的预紧力 . 30 4确定螺栓直径 . 30 六 液压系统的设计 . 32 （一）液压系统简介 . 32 1液压系统的组成 . 32 2机械手液压系统的控制回路 . 32 （二）机械手的工作原理分析 . 34 1各缸运动过程分析 . 35 七 机械手的电气控制系统设计 . 37 （一） 手动控制系统图 . 37 （二） 机械手自动方式状态图 . 37 （三）机械手独立控制面板设计图 . 38 结论 40 参考文献 41 致 谢 42 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 1 一 绪论 （一）研究背景及发展动向 1 机器人与机械手的背景 机器人的研制， 20世纪 50年代中期始于美国， 50年代末出现机器人的工业产品。随后，日本、苏联和欧洲各国相继发展该项技术。中国于 1972 年开始研制机器人。机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，机械手是机器人的一个非常重要的分支，它的优点是可以通过编程来完成各种预期的任务，在构 造和性能上有了人和机器人的各自优点，尤其体现在人的智能和适应性，机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在服务中国现代化荆棘有着不可代替的作用。 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。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其 二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展 ,并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。 2 机械手的发展前景 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 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。 2 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。 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。 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。 3 机械手的组成 工业的机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成 。 （ 1）执行机构 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）。手部多为两指（也有多指）；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）和电磁吸盘。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、楔块杠杆式、齿轮齿条平行连杆式、内撑连杆式、右丝杠螺母式、弹簧式和重力式。 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（一般小于 2700） ,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 3 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。 （二）液压传动技术的发展动态向及应用情况 1 液压传动技术的发展动态 近年来，液压传动由于应用了电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术、磨差磨损技术及新工艺、新材料等后取得了新的发展，使液压系统和元件在水平上有了很大提高，它已经成为工业机械、工程建设机械及国防尖端产品不可缺少的重要手段。液压传动向自动化、高精度、高速化、高功率密度（小型化、轻量化）方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争力关键。液压技术作为现代传动与控制的重要组成部分，将不断扩大应用领域，保持强大的竞争力，不断向前发展。 2 液压传动技术的应用 液压传动技术发展到今天已经拥有较 为完善的理论和实践基础。虽然液压传动还存在一些缺陷，但总体上优点还是盖过了缺点。正因为液压传动具有很多机械传动所不具备的优点，液压传动技术在机械工业的各个领域得到了广泛的应用，如：矿山机械、工程机械、冶金机械、建筑机械、起重机械等。液压技术的应用实现了从手动到半自动化、自动化的逐步发展，从而也推动了机械工业的向前发展。在整个机械传动工程中，液压传动技术扮演了举足轻重的角色。 （三）液压传动的特点 1 液压传动的优点 液压传动技术与传统的机械传动相比，液压传动操作方便简单，调速范围广，很容易实现直线运动，具有 自动过载保护功能。液压传动容易实现自动化操作，采用电液联合控制后，可以实现更高程度的自动控制以及远程遥控。液压传动系 4 统可以灵活布置各个元件，由于工作介质为矿物油，良好的润滑条件延长了元件的使用寿命。 2 液压传动的缺点 由于液压传动的工作介质是流体矿物油，因而沿程、局部阻力损失和泄漏较大，泄漏的矿物油将直接对环境造成污染，有时候还容易引发各种安全事故。液压油受温度的影响很大，因而不能在很高或很低的温度条件下工作。因为液压油存在一定的压缩性，所以液压传动的传动比不恒定，不能保证很高的传动精度。密封状况的好坏对液 压传动影响很大，因而液压元件必须具有较高的制造精度。液压传动的故障排除不如机械传动、电气传动那样容易，因此对维护人员有较高的技术水平要求。 5 二 总体方案设计 （一）方案设计 1 黑箱结构 如下图所示 图 计方案 2 机械手动作及 工作范围的确定 工件首先被机械手夹持，然后再随之一起运动。其周期运动可以表现为（按动作顺序）： 夹紧工件 大臂上升 手臂延伸 手腕反转 大臂反转 机械 手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下： 手臂伸缩行程范围 0 手臂升降行程范围 0 手臂回转行程范围 0 手腕回转角度范围 90； 3 驱动与控制方式的选择 传动系统如果机械手采用机械传动，则自由度少，难于实现特别复杂的运动。而对于组合机床自动上料的机械手，其工件的运动需要多个自由度才能完成，故不宜采用机械传动方 案。如果机械手采取气压传动，由于气控信号比光、电信号慢得多 , 且由于空气的可压缩性，工作时容易产生抖动和爬行，造成执行机构运动速度和定位精度不可靠，效率也较低。电气传动必须有减速装置和将电机回转运动变成直线运动的装置，结构庞大，速度不易控制。气液联合控制和电液联合控制则使系统和结构上很复杂。综上所述，我们选择液压传动方式。 控制系统也有不同的类型。除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行 6 专门的控制系统的设计。 根据设计要求， 选择智能控制方式中的 样可以使机械手的结构更加紧凑和完美。 手部 机构形式多样，但综合其总体构型，可分为：气吸式、电磁式和钳爪式3种。根据本组合机床加工工件的特征（导卫轮、精密铸钢件），选择钳爪式手部结构。 驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。 常见的工业机械手根据手臂的动作形态 ,按坐标形式大致可以分为以下 4 种 : (1)直角坐标型机械手 ;(2)圆柱坐标型机械手 ; ( 3)球坐标 (极坐标 )型机械手 ; (4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑 ,定位精度较高 ,占地面积小，且根据本机械手坐标形式分析分析本机械手臂的运动形式及其组合情况，采用 圆柱坐标形式。 参考工业机器人表 9表 9照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的 制 ，圆柱坐标 形式。 （二）机械手的运动分析 机械手的动作循环（工件平放）：夹紧工件 手腕上翻 90 大臂上升 300大臂回转 90 手臂延伸 500放松工件 手腕下翻 90 手臂收缩 500大臂回转 90 大臂下降 300 本机械手的工作频率是 6次 / 10s/ 次，也就是说，要在 10采用分步运动的话，那么上 述平均每一个动作必须在 完成，这样必定增加动作的难度和结构的复杂性。因此，我们在整个运动过程中都将采用协调运动，这样可缓减每个动作的紧迫性。 图 械手运动流程图 从 t=0时开始，机械手夹紧工件，用时 t=1时，大臂开始做上升运动，运动速度 v=150mm/s, 共 2s；与此同时开始的还有手腕回转 90，用时 1s； 在 t=臂开始回转，转 90，用时 t=2手臂开始延伸，行程 500度 v=250mm/s, 用时 2s；至此工件传输到位，手部放松用时 述运动完成 7 共用时 为工件质量很小，机械手返回与其输送运动用时基本相当，且返回时大臂运动是下降运动，机械手有自重，用时将小于 此，这样安排时间足够。运动简图见图 图 械手运动简图 8 三 机械手手部的设计计算 （一）机械手手爪的设计计算 1 选择手爪的类型及夹紧装置 （ 1）机器人夹持器的典型结构 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。 这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹 紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。 这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。 根据综合情况选择 滑槽杠杆式 手爪。 9 图 槽杠杆式手部受力分析 在杠杆 3 的作用下，销轴 882 向上的拉力为 F，并通过销轴中心 O 点，两手指 1 的滑槽对销轴的反作用力为 2， 其力的方向垂直于滑槽的中心线 1 2指向 o 点，交 1F 和 2F 的延长线于 。 由 =0 得 12FF=0 得 1 2 11由1o F =0 得 1 2c 式中 a 手指的回转支点到对称中心的距离（ . 工件被夹紧 时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。 由分析可知，当驱动力 F 一定时， 角增大，则握力 随之增大，但 角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好 = 030 040 。 10 2 夹紧力及驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算： 1 2 3 K K G (而 实 际式中 1K 安全系数，通 常在 间。 2K 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算 m aK g（ 工件上升时的最大加速度， g 为重力加速度） 3K 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G 被抓取工件所受重力（ ） 手部的机械效率，一般取 计算：设 25a ， 170b ， =30 ， 2m a x 0 m s ，求夹紧力 驱动力 F ，确定驱动液压缸的尺寸。 表 3 1 液压缸的工作压力 作用在活塞 上外力 ()F 液压缸工作 压力 作用在活塞 上外力 ()F 液压缸工作 压力 小于 5000 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 5000 10000 3 0 0 0 0 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 50000以上 （ 1）求 设 1 ， m a 61 1 1 . 0 69 . 8aK g ， 3 根据公式，将已知条件带入： 1 . 5 1 . 0 6 0 . 5 4 . 9 3 . 9 11 （ 2）求 F 。 根据驱动力公式，得： 21702 c o s 3 0 3 . 9 3 9 . 7 825F （ 3）求 。 取 ，则 3 9 . 7 8 4 6 . 80 . 8 5 实 际（ 4）确定液压缸的直径 D 22()4F D d P 实 际 ( 选取 ，压力油工作压力 0 1P M ，则 254 4 4 6 . 8 0 . 0 3 1 5 3 1 . 5( 1 0 . 5 ) 0 . 8 1 0 0 . 7 5FD m m 实 际查机械设计手册 0 1 3，据 / 2 3 4 8 1 9 9 3 32D 则活塞杆径为： 0 6d D m m，符合 / 2 3 4 8 1 9 9 3 。 3 手抓夹持范围计算 为了保证手抓张开角为 60 ，活塞杆运动长度为 34 手指长 170l ，当手抓没有张开角时，如图 3 1( )a 所示，根据机构设计，它的最小夹持半径 m 5R ，当张开 60 时，如图 3 1( )b 所示，最大夹持半径计算如下： m a x 251 7 0 t a n 3 0 1 2 7c o s 3 0R m m 则机械手的夹持半径为 2 5 1 2 7m m m m。 4 机械手手抓夹持精度的分析计算 机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定的位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也与机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定 12 要进行机械手的夹持误差分析。 本设计工件是棒料，以此来分析机械手的夹持精度。 机 械手的夹持范围（半径）为 2 5 1 2 7m m m m，所要夹取工件的半径范围为3 5 4 0mm 般夹持误差不超过 1分析如下： 钳爪对称中心 到工件中心 的距离为 x ，则 22()s i l b a (手指长 170l ，取 120 。 当工件直径变化时， x 的变化量即为定位误差 ，工件半径 R 由 化到，其最大定位误差为 2 2 2 2m a x m i n( ) ( )s i n s i l b a l b a (其中 m i n m a 0 , 1 0 , 2 5 , 2 1 2 0 , 3 5 , 4 0l m m b m m a m m R m m R m m ， 代入计算得： 1 6 7 . 1 1 1 6 8 . 0 9 0 . 9 8 1m m m m m m m m 故夹持误差满足设计要求。 5 弹簧的设计计算 选择弹簧的是压缩条件，根据压缩条件，选择圆柱压缩弹簧，计算过程如下： （ 1）选择材料 选硅锰弹簧钢，查取其许用切应力 800 ，切变模量 80000G M 。 （ 2）选择旋绕比 选择 8C ，则 曲度系数 4 1 0 . 6 1 5 4 8 1 0 . 6 1 5 1 . 1 8 44 4 4 8 4 8C （ 3）根据安装空间选择弹簧中径 取 22D ，估算弹簧丝直径 22 2 . 7 58Dd m m m 13 （ 4）试算弹簧丝直径 m a x 4 6 . 8 1 . 1 8 4 81 . 6 1 . 6 1 . 1 9 8 0 0F K Cd m m m m 取 （ 5）根据变形情况确定弹簧的有效圈数 当 实 时，变形量 5 ，则 114 6 . 8 9 . 3 65F Fk m m m m 实 弹簧圈数 n 为 44338 0 0 0 0 2 . 8 6 . 1 68 8 2 2 9 . 3 6 取 7n 圈，此时弹簧的刚度为 119 . 3 66 . 1 6 8 . 2 47Fk m m m m （ 6）确定弹簧参数 最后确定 122 2 , 2 . 8 , 1 9 . 2 , 2 4 . 8D m m d m m D D d m m D D d m m （ 7）验 算弹簧稳定性 对于压缩弹簧，如其长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象，压缩弹簧的长细比 b 应该按下列条件选取：当两端固定时， ；当一端固定，一端自由时， ；当两端自由转动时， 。 对于本设计，节距 0 m m 自由高度 2 6 . 6 7 2 2 . 8 5 1 . 8H p n d m m m m m m ， 于是 2 。 本设计中弹簧是两端自由转动的， ，故弹簧稳定性适合。 （ 8）疲劳强度和静应力强度的验算 对于循环次数较多、在变应力下工作的重要弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数 310N ，或载荷变化的幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。 由于本设计中载荷的变化幅度不大，因此只 进行静应力强度验算。静应力强度安全系数计算值 计算公式及强度条件为 14 m a (式中， s 为弹簧材料的剪切屈服极限， 为最大循环切应力，m a x m a D 弹簧的设计计算和材料的力学性能数据精确性高时，取 1 1 ；当精确性低时，取 1 2 。 m a x m a 1 . 1 8 4 0 . 0 2 2 4 6 . 8 1 4 1 4 8 3 7 2 3 . 63 . 1 4 0 . 0 0 2 8d 6m a 0 1 0 5 . 6 5141483723. 6sS c 远大于 。 结论，经过校核，弹簧适应。 15 四 腕部的设计计算 (一 ) 腕部的结构 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： （ 1） 结构紧凑，重量尽量轻。 （ 2） 转动灵活，密封性要好。 （ 3） 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 （ 4） 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。 （二） 腕部的设计计算 (1) 腕部设计考虑的参数 夹取工件重量 回转 90 。 (2) 腕部的驱动力矩计算 腕部的驱动力矩需要的力矩 （ 1）手爪、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为100直径 60则 2 3 10 . 0 3 0 . 1 7 8 0 0 9 . 8 2 1 . 6G k g m k g （ 2 ） 启 动 过 程 所 转 过 的 角 度 1 8 0 . 3 1 4 r a d 启 ， 等 速 转 动 角 速 度11 s 。 2(2 惯 工 件 启）(式中 手腕回转角速度（ 1s ） J 手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（ 2kg m ） 16 工件对手腕回转轴线的转动惯量（ 2kg m ） 查取转动惯量公式有： 2 2 2 21 1 2 1 . 6 0 . 0 3 0 . 0 0 0 9 92 2 9 . 8J m R k g m k g m 2 2 2 2 2 211( 3 ) 0 . 5 ( 0 . 2 3 0 . 0 4 ) 0 . 0 0 1 8 71 2 1 2J m l R k g m k g m 工 件 代入得 21 . 5 7( 0 . 0 0 0 9 9 0 . 0 0 1 8 7 ) 0 . 0 0 7 1 52 0 . 3 1 4 惯。 摩擦阻力矩 摩 摩 可近似取为 驱摩 = 根据上述计算： 驱 驱惯 惯摩 = + 0 . 1，得出 0 . 0 0 7 9 4 m 驱 （三） 手腕驱动力的计算 表 4压缸的内径系列（ 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 表 4准液压缸外径（ 液压缸内径 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20钢 P 160 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45钢 P 200 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 设定腕部的部分尺寸：根据表 4缸体内径 110D ，外径根据表 47 选择 121这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为226动片宽度 66b ，输出轴 。回转缸工作压力2 2 2 22 2 0 . 0 0 7 9 4 106( ) 0 . 0 6 6 ( 0 . 0 5 5 0 . 0 2 2 5 ) 0 . 9 a P r 驱（ m 为液压缸机械效率， 0 0 m ），选择 。 （四） 液压缸盖螺钉的计算 图 盖螺钉间距示意
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