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铸造搬运机械手夹持结构设计,铸造,锻造,搬运,机械手,夹持,结构设计
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毕业设计（论文）中期报告 题目： 铸造生产线搬运机械手的 夹持结构设计 一、 目前已完成的研究工作及结果 目前以完成的工作量有 ： 1. 夹持器的总体方案分析 ； 2. 夹持器机构的机构方案的确定 ； 3. 夹持器机构方案的总体详细设计 ； 4. 夹持器相关结构参数的计算 ； 5. 夹持器总体装配草图的完成 ； 1. 夹持器各模块的分析计算 抓取重量 300 2 3 K K G 夹紧力1 2 3 g 1 . 5 1 . 0 0 2 4 3 0 0 9 . 8 1 7 6 7 5 . 2 8 K K M N ，取整为 17675N。 1）驱动力力计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式： 2 s i 得 2 s i n 1 7 6 7 5 2 5 0 0 s i n 1 6 5 14329134NF b ，得出 F 为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力 F 要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率 ，一般取 处取 ： 143291 1628310 . 8 8 ，取 162831 2）液压缸驱动力计算 设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力： 2= 4F D p推 推 ,已知液压缸驱动力F ，且 1 6 2 8 3 1 1 0F N K N 由于 10F ，故选工作压力 P=16据公式计算可得液压缸内径： 4 4 1 1 0 9 4 1 1 3 . 81 3 . 1 4 根据液压设计手册 ,见表 1，圆整后取 D=125 表 1 液压缸的内径系列（ 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 活塞杆直径 d 0 . 5 0 . 5 1 2 5 6 2 . 5D M M M M ， 取整 70）选用夹持器液压缸 江苏金飞鸿液压成套设备有限公司 型号为 构简图，外形尺寸及技术参数如下： 表 2 夹持器液压缸技术参数 缸径/径/度比 工作压力 16大行程 / 注 推力 /N 拉力 /N 2 4 6 125 70 96350 134770 1850 520 830 340 570 90 2 94560 2980 920 1390 540 970 图 2 结构简图 2. 夹持器二维装配草图 驱动杆末端的齿条与齿轮想 相啮合，在杆作直线往复运动的情况下从而带动齿轮轴转动，而齿轮轴通过键再带动手指构成回转运动，使得手指松开或闭合，这就达到了物件的抓取动作，这也就是整个夹持器的运动过程。 二、 存在的困难与问题 ， 以及解决的措施 存在的问题： 1) 在计算手指夹紧力确定液压缸尺寸时 ， 运用公式有误 ， 因此在液压缸的选型上造成了一定的干扰 ； 2) 抓手实现手指回转 需要一个机构，在这个机构的选择上遇到了比较大的困难； 3) 因为设计本身要达到一个自重抓式效果 ， 所以在手指的结构设计时 遇到了困难； 解决措施： 1) 把几种计算的结果结合并作比较，参考相关的设计，再进行查表确定其型号； 2) 通过工业机械手找到了齿轮齿条机构，这个就能实现回转； 3) 这个是在老师的提醒下作了一个 “ u”型扣手，就达到了自重抓式效果； 在整个设计中其实遇到了相当多的困难 ， 不仅仅是这些 ， 那么在遇到困难的同时 ，注： 1） 正文：宋体小四号字，行距 20 磅 ，单面打印；其他格式要求与毕业论文相同。 2） 中期报告由各系集中归档保存，不装订入册。 及时的跟老师同学交流 ， 利用网络平台寻找更好的解决方案 。 三、 后期完成的研究工作及进度安排 中期答辩后的任务主要集中与夹持器零件图以及论文的撰写 。 1. 第 1213 周 完善零件图； 2. 第 14 周 检查修改有错误的地方； 3. 第 1516 周 完成论文的撰写，准备最后的答辩； 指导教师签字： 年 月 日 毕业设计 (论文 )开题报告 题目： 注射机专用辅助夹取机构的设计 文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况） 目背景、研究意义 日常生活中许多塑料制品都是经过模具用注塑机注射成型，随着塑料制品的应用范围不断扩大，为配合注射成型产品自动化生产需要和提高产品质量和生产效率，注塑机专用辅助夹取机构逐渐成为许多厂家提升产品的竞争力的一种重要手段和必然选择，本课题针对于此研究并设计一种注塑机专用辅助夹取机构 该机械手 是能够模仿人体上肢的 部分功能 1，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。注塑机械手是为注塑生产自动化专门配备的机械，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高注塑成型机的生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用 。 2 注塑机专用机械手 的组成一般由执行系统、驱动系统、控制系统等组成。 执行系统机械手抓取或者释放制品，实现各种操作运动的系统，由臀部，腕部和手部 等部件组成 ，驱动系统为执行系统各部件提供动力系统，有气 动，液压，电动及机械等形式 ，目前比较常用的是气动和液压两种形式，气动式速度快，结构简单，成本低，有较高的重复定位精度；液压式臂力大，可实现连续控制，定位精度高，但容易漏油而污染制品。控制系统，通过对驱动系统进行控制，使执行系统按照预定的工作要求进行操作，并对执行系统的动作造行修正的系统，一般包括位置检测装置和程序控制部分，通常采用点位控制和连续轨迹控制两种方式。 械手在国内外的发展及现状 机械手首先是从美国开始研制的， 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂 ，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。（机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。） 1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫 械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六 十年代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国 司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于 1 毫米。联邦德国 司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。应用案例如下： 1) 德国 器人公司安装的 180 台机械手，其中约 60%装在铸造厂 2) 0m、高 台机械手在第二汽车制造厂铸造三厂使用。 3) 英国铸铁研究协 会的液压关节式机械手 ， 起重力为 3000液压抓勾回路中装有液压蓄能器 ， 在主回路压力波动时能维持抓力 。 4) 机械手第二汽车制造厂铸造一厂 该机械手是德国 K L E 司制造的 ,， 安装在一车间二次落砂鳞板处 , 从鳞板上将缸机械盖、刹车毅等铸件抓起放于斗子里 , 将缸休抓起挂在悬链上。 我国机械手起步于 20 世纪 70 年代初期，经过 30 多年发展，大致经历了 3 个阶段：70 年代萌芽期， 80 年代的开发期和 90 年代的应用化期。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会 使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。目前国内已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 多台喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人以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差距 ，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。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，品种规模多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量可靠性也不稳定。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。 6.7 械手的发展趋势及前景 机械手发展近几年有如下几个趋势： 5 复高精度 精度是指机器人、机械手到达指定点的 精确程度 , 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次 , 机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要 , 如果一个机器人定位不够精确 , 通常会显示一个固定的误差 , 这个误差是可以预测的 , 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围 , 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展 ,机械手的重复精度将越来越高 , 它的应用领域也将更广阔 , 如核工业和军事工业等 块化 有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术 , 而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置 , 使机械手运动自如。模块化机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能 , 扩大了机械手的应用范围 , 是机械手的一个重要的发展方向。 给油化 为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求 , 不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步 , 新型材料 (如烧结金属石墨材料 ) 的出现 , 构造特殊、用自润滑材料制造 的无润滑元件 , 不仅节省润滑油、不污染环境 , 而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。 电一体化 由“可编程序控制器 - 传感器 - 液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面 ;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件 , 使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制” ; 省配线的复合集成系统 , 不仅减少配线、配管和元件 , 而且拆装简单 , 大大提高了系统的可靠性。而今 , 电磁阀的线圈功率越来越小 , 而输出功率在增大 , 由 接控制线圈变得越来越可能。 随着科学 与技术的发展 , 机械手的应用领域也不断扩大 机械手不仅应用于传统制造业如采矿 ,冶金 ,石油 ,化学 ,船舶等领域 ,同时也已开始扩大到核能 ,航空 ,航天 ,医药 ,生化等高科技领域以及家庭清洁 ,医疗康复等服务业领域中 水下机器人 ,抛光机器人 ,打毛刺机器人 ,擦玻璃机器人 ,高压线作业机器人 ,服装裁剪机器人 ,制衣机器人 ,管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人 ,作战机器人 ,侦察机器人 ,哨兵机器人 ,排雷机器人 ,布雷机器人等军用机器人都是机械手应用的典型。机械手广泛应用于各行各业 随着人类生活水平的提高及文化生活的日 益丰富多彩 ,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活 ,其市场将繁荣兴旺 7 10 采用的研究方案、研究方法或措施 要设计内容： 1）运动功能设计：即自由度设计， 应 尽可能的灵活运动和大的工作空间 ，分析 各运动的性质以及排列顺序等。 2）传动功能设计：机械手操作机是由若干个构件组成的多自由度空间机构，传动功能中驱动器安排和机构要合理。 3）机械结构设计：满足强度和刚度情况下，要充分考虑机器人的结构紧凑、重量轻、体积小等特点。同时满足 装卸方便，便于维修、调整。 基本参数： 抓重：机械手抓取制品的额定重量或载荷 究方案 注塑用机械手在抓取制品及喷洒脱模剂时一般采用如下的工作步骤： 机械手手臂下降并引发注塑机开模 机械手发出 顶出信号 机械手伸入模腔中抓取制品 机械手 上升离开模腔 机械手向注塑机发出闭模信号并引发注塑机闭模 机 械 手 移 动 到 指 定位置处放下制品 机械手回复到原位准备进行下一次动 。 标形式的确定 8 表 坐标系比较表 坐标形式 工作原理 优点 缺点 直角坐标 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。 由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（ m 级）。 这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人 的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 圆柱坐标 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。 这种机器人构造比较简单，承载能力高，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。 精度较低 球坐标 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。 这种机器人结构简单、成本较低，主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。 精度相比之下较低 承载能力低 关节型 关节 型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的 关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等 关节型最大工作半径3m， 不适合大距离空间工作，或放置到直线运动单元上。 承载能力低，有几种规格 520简图如图 9 图 种坐标形式的运动简图 a. 直角坐标式 由于本机械手在工作时手臂具有升降、收缩及回转运动， 而圆柱坐标具有占地面积小、动作范围大，承载力高等特点，这就刚好满足工件的整个搬运要求下，综合各种因素，因此采用圆柱坐标形式。 机械手示意图如图 示 ： 方案一 1. 大臂 方案二 图 械手传动示意图 按照抓取工件的要求，本机械手有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。以上俩方案都可以完成本设计要求的动作 ， 但作比较 ， 方案 二的设计更为灵活 ， 更为优势 。 械手的驱动方式的选择 10 机 械 手 的 驱 动 系 统 一 般 可 分 为 液 压 驱 动 ， 气 压 驱 动 和 电力驱动等三 类，也可以根据工作要求采用上述三种类型的但合系统来完成驱动。 表二 驱动比较表 驱动形式 优点 缺点 液压驱动系统 液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。 液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。 【 11】 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、小负荷的机器人中采用。 因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中。抓重力低。 【 12】 电动驱动系统 低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。 由于大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直 接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高 气压驱动的优点： （ 1） 根据机械手的负载量来确定驱动系统的类型，一般来说，重负载的可选 择电力驱动系统，轻负载的可选择气压驱动系统。 （ 2）对于作点位控制的注塑机械手多采用气压驱动系统。 （ 3）对于需要采用伺服控制的机械手多采用液压驱动系统或电力驱动系统。 综合考虑采用气压驱动。 行机构 注塑机专用机械手的手部是用来直接抓取注塑制品的部件。由于注塑制品的形状，大小，重量及表面特征等方面存在着差异， 因此注塑机械手的手部 有多种 形式，一般可分为夹持式和吸附式两种。夹持式手部的主要形式为夹钳式，常用于抓取不易破碎或变形的制品，它对所抓取的制品的形状有较大的适应性。夹持式手部由手指，传动机构和驱动装置组成。对于夹持式手部，进行设计选用时主要考虑以下几点： （ 1） 手部应具有适应的夹紧力和驱动； （ 2）手指应具有足够的开关范围； （ 3）手指对制品应具有一定的夹持精度； （ 4） 手部对制品应具有一定的适应能 力，且要求手部能耐受注塑制品刚从模腔中取出时的高温及腐蚀性。 期已开展工作 重点：保证各个结构之间的相互合理配 合，使之能连续工作，有节奏，安全地成产。 难点：机械手大臂的设计与计算，机械手抓手的设计与计算，机械手传动和驱动的设计计算，以及各个过程参数的确定，绘制图形。 已经展开的工作：读书馆借书，网上查询有关书籍和资料，了解设计的大致方向，了解上料机械手的大体结构和工作原理。 1 2 周： 调研，查阅相关资料，着手开题报告； 3 4 周：总体设计以及方案论证，深化方案具体实施步骤，完成开题报告； 5 6 周：分析机械手工况，确定机械手的载荷，并根据工况确定计算准则； 7 8 周：机械手的具体方案设计； 9 10 周：机械手的参数总体计算以及校核，准备中期检查； 11 12 周：机械手的结构设计以及分析； 13 14 周： 完成装配图设计，验证校核； 15 16 周：撰写毕业论文以及外文资料的翻译； 17 18 周：修改毕业论文及准备毕业答辩； 5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 6 所在系审查意见： 系主管领 导： 年 月 日 参考文献 1 李允文 . 工业机械手设计 M. 北京：机械工业出版社 2 蔡自兴机械人学的发展趋势和发展战略 J械人技术 3 王承义机械手及其应用 M北京：机械工业出版社 . 1981 4 金茂青国外工业机械人发展的态势分析 J国铁道出版社 5 张建民 M京工业大学出版社 6 唐保宁 械设计与制造简明手册 M上海：同济大学 出版社 7 费仁元 机器人机械设计和分析 M京工业出版社 8 周宏 M防工业出版社 9 周洪 自动化系统的优化设计 D海科学技术文献出版社 10 柳洪义 机械人技术基础 M金工业出版社 . 2002 11 李允文 . 工业机械手（上册） M海科学技术出版社 . 1978 12 王承义 M 机械工业出版社 . 1981 13 万胜狄 ,王运 赣等 . 锻造机械化与自动化 M械工业出版社 14 宋伟刚 三版） M金工业出版社 . 1994 15 （苏）别洛夫（ ）著；闻清译 北京市：原子能出版社 16 沈阳市机床工业公司七、二一大学编著 沈阳市：辽宁人民出版社 17 天津大学工业机械手设计基础编写组编 天津市：天津科学技术出版社 18 陆祥生，杨秀莲编 理论及应用 国铁道出版社 19 加藤一郎编著；何学文译 正言出版社 20 as a 982 21 .a on in 1988:9122 I 本科毕业设计 (论文 ) 题目：铸造生产线搬运机械手夹持结构设计 铸造生产线搬运机械手夹持结构设计 要 机械手夹持器，它具有夹持物件和剪切缆索的双重功能，适用于有这两种功能需要的机械手。此类型机械手也特别适用于铸造工厂生产线的作业，能减少人工作业，提高生产效率。本实用新型夹持器是在一种普通的机械手伸缩臂上连接自重式夹持器，当手掌闭合运动时，手指作收缩运动，达到抓取工件的动作。 本文采用手指式夹持器，执行动作为抓紧 要抓紧工件的范围为：1100（长） *1500（宽） *700（高） 重为 300质为 45#钢。主要研究内容是分析机械手夹持器的原理；确定夹持器总体方案；完成驱动结构的设计方案；对总体结构设计、主要部件的受力分析和强度校核；对驱动结构设计方案，原理图，整体结构装配图的设计。 关键词： 机械手；夹持器；装配图 he it a to is is in a on a of is in in a to 100（ a） *1500（ b） *700（ h） mm 005# is of to of to of of 录 1 绪论 . 1 题研究的目的和意义 . 1 械手发展前景 . 3 课题的研究内容 . 3 2 机械手夹持器的总体方案设计 . 5 况分析 . 5 持器结构方案比较 . 5 械手驱动方案的比较 . 6 械传动系统的分析比较 . 8 持器设计要求 . 9 响平稳性和定位精度的因素 . 10 3 机构及参数计算 . 12 压缸的选择 . 12 紧力计算 . 12 动力计算 . 12 压缸的设计与计算 . 13 用夹持器液压缸 . 13 轮齿条传动设计 . 14 轮参数的选择 . 14 轮几何尺寸确定 . 15 根弯曲疲劳强度计算 . 15 轮的齿根弯曲强度设计 . 15 面接触疲劳强度校核 . 16 条的设计 . 17 轮轴的设计 . 17 4 夹持器机械结构设计 . 19 手的设计 . 19 动机构的设计 . 19 体结构设计 . 20 5 液压系统原理 . 22 成部分 . 22 统结构 . 22 压技术的特点 . 23 6 结论 . 24 致 谢 . 25 参考文献 . 26 毕业设计 （论文）知识产权声明 . 27 毕业设计 （论文）独创性声明 . 28 1 1 绪论 题研究的目的和意义 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展 , 出现了数控加工中心 ,它在减轻工人的劳动强度的同时 , 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的装卸工序 , 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率 低 ; 后者因设计复杂 , 需较多继电器 ,接线繁杂 , 易受车体振动干扰 ,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器 制的装卸机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力 , 保证了系统运行的可靠性 ,降低了维修率 , 提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、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。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平 较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及为工人交工伤费带来的挑战。 随着我国工业生产的飞跃发展，特别是改革开发以后，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操作钎焊、喷枪、扳手等工具进行加工、成型等作业自化，已愈来愈引起我们重视。机械手是模仿着人 手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在现实生活中，你是否会发现这样一个问题。在机械工厂里，加工零件装料的时候是不是很烦的，劳动生产率不高，生产成本大，有时候还会发生一些人为事故，导致加工者受伤。想想看用什么可以来代替呢，加工的时候只要有几个人巡视一下，且可以二十四个小时饱和运作，人行吗？回答是肯定的，但是机械手可以来代替它。 1 2 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；尤其是在高温、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能够代替人进行正常的工作。想到这里我就很想设计一个机械手，来用于生 产实际中。 课题来源于某五金装卸车间。基本前提条件是某企业的 55 吨焊线装卸过程中自动送料的基本过程。技术要求是：设计一台焊线随动装卸机械手，改进原本手动送料的工艺流程，使其生产纲领大批大量，该机械手能随动抓夹焊线上的工件并装成装卸操作。 其理论意义在于，提供了一种理论联系实际的设计过程，和一种分析比较的设计方法。该设计的实际价值是，建立成型机械手模型，研究成型环节，提高生产效率。 现代工业机 器人起源于数控机床和远程控制器。 1954 年，美国的先把远程控制器的杆结构与数控铣床的伺服轴结合起来，研制出了第一台通用机械手。这种机械手可以通过让其沿一系列点运动，将运动位置以数字形式存贮起来，动作执行时，使伺服系统驱动机械手各关节轴来再现这些位置，从而让机械手完成一些简单的工作。正是由于这个机械手具有了编程示教再现功能，因此许多人把它作为现代工业机器人产生的标志。在随后的生产应用中，为了适应各种不同用途需要，相继出现了直角坐标、关节坐标、极坐标等许多种不同结构的机器人。与第一代示 教再现型机器人不同，第二代机器人是具有感觉功能的适应控制机器人。这种机器人带有传感器，能感知环境和对象的情况，以控制自身动作的变化。在机器人视觉、触觉研究的同时，机器人其他感觉功能的开发也已经开始，对机器人的接近觉、听觉以及会话等功能都进行了研究，并取得了一定的成果。而且这种有感知功能的机器人开始被应用于工业生产中的焊接、成型及机械加工等作业。智能机器人被人们称为第三代机器人，它是能利用感觉和识别功能做决策行动的机器人。从七十年代后期开始，人们对智能机器人的规划生成系统 (问题解决系统，路径搜索等 )，环境的理 解系统 (感觉智能，包括视觉，触觉等 )，知识获得与利用系统 (知识工程和专家系统等 )，人机接口系统，运动系统等问题展开了更加广泛、深入地研究。智能机器人的研究是一个艰巨而又广泛的问题，随着研究的不断深入，相关科学的飞速发展 (如第五代智能计算机 )，具有智能的机器人在不久的将来一定会出现。纵观机器人的发展过程，可以看出， 自从机器人在五十年代诞生以来，在短短的四十多年里由于各种有关技术的发展，特别是自动控制技术、集成电路技术及微型计算机技术的应用，在国际形式的推动下，各国在经济上和科技上展开激烈的竞争，机器人的生产 和应用随之得到了迅速的发展。它经历 3 了第一代工业机器人的研究、实用化、普及，第二代感知功能机器人的研究、实用化，以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。 我国的机器人研究始于 70年代。经过近 20年努力，特别是经过 “711”攻关、“863”计划，取得了一批重要成果，掌握了机器人控制系统硬件设计、软件设计、机器人语言等技术。 1986年国家把智能机器人列为高技术发展计划，研究目标是跟踪世界先进水平，工作内容主要是围绕特种机器人进行攻关。进入 90年代，在国内市场经济发展的推动下，确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程 并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，实现了高技术发展与国民经济主战场的密切衔接，研制出有自主知识产权的工业机器人系列产品，并小批试产，完成了一批机器人应用工程，建立了 9个机器人产业化基地和 7个科研基地。我国的高等院校，如长沙国防科技大学、上海交通大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等在步行机器人、精密成型机器人及 7自由度机器人研制等前沿领域内做出了可喜的成绩，正在逐步缩短在机器人技术方面与世界先进水平的差距。 械手发展前景 我国机器人发展已跨过了起步阶段，走上了进步和发展的道路。今后的任务是把机器人技术推广到更多的工业自动化生产领域和其他更广泛的应用领域，大力开展跨区域交流合作，与国际接轨，早日跻身于世界先进行列。 虽然，目前工业机器人的技术已经很发达了，但其制造成本和对使用者的素质要求很高，在高端产业集成化制造业中广泛应用，而在中小制造业中，零散化的制造过程中，却很少应用。所以，将来机械手的发展在普及化方面作为重中之重。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新 兴的技术，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。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 课题的研究内容 本课题的设计思路是，首先就是夹持器的工况分析，其次是分析总结国内外工业机器人发展状况，最后提出设计总体方案，进行进一步的设计。在设计的过程中，主要解决了以下几个问题： 4 （ 1） 选择什么样的夹持器； （ 2） 夹持器的整体结构如何设 计； （ 3） 选择什么样的传动方案 ; （ 4） 怎样减小夹持器的体积，提高机械手的灵活性； （ 5） 怎样大量的使用标准件和通用件，降低制造成本； 在夹持器的设计过程中，必须要符合实际。本夹持器结构简单、紧凑、合理，刚度以及强度都达到了要求，在灵活性以及使用寿命方面都有考虑到，并且对此作出了相应的对策。 2 机械手夹持器的总体方案设计 5 2 机械手夹持器的总体方案设计 况分析 本机械手主要与铸造生产线砂箱装卸线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。本设计能够应用到铸造工厂车间，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。其主要工作流程就是机械手夹持器从物料平台抓取物料，再把物料搬运到流水线。 该夹持器为砂箱搬运机械手装卸专用设备，其额定负载为装卸件的重量。以下是夹持器的基本参数： 抓重： 300 公斤左右； 夹持范围： 1100（长） *1500（宽） *700（高）毫米； 持器结构方案比较 为了实现砂箱装卸自动装卸的需要，可以有不同的运动组合，可有以下三种型式： （ 1） 夹钳式手部型 夹钳式手部由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件 具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件。一般情况下，多采用俩个手指，少数采用三指或多指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或松开。 图 重式夹钳手部 6 （ 2） 平移型夹持器 它的工作原理是是靠手指的平行移动实现张开闭合，适用于夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。但这种手部机构比较复杂、体积大，要求加工精度高。 图 移型夹持器 （ 3） 回转型夹持器 回转型手指的张开闭合 靠手指根部（以枢轴支点为中心）的回转运动来完成。枢轴支点为一个的，称为单支点回转型；俩个的为双支点回转型。这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位偏差。 a)单支点回转型 b）双支点回转型 c） 平移型 图 转型和平移型手指 综上所述，夹钳式手部中自重式夹持器的自重抓持特点以及整个的结构更适合本设计要求，所以我选择了夹钳型中典型的一种自重式夹持器。 2 械手驱动方案的比较 7 通常工业机器人的驱动方式有以下三种： 电动机驱动方式 电动机驱动是利用各种类型的电动机经过机械传 动（或直接）驱动机器人操作机以获得各种运动。其应用类型大致可分为普通交、直流电机驱动、直流伺服电机驱动、交流伺服电机驱动、步进电机驱动等。电力驱动因有不需能量转换、控制灵活、使用方便、噪声较低、启动力矩大等优点而在机器人中广泛选用。由于大多数电机需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，而且成本上也较高。 液压驱动方式 液压驱动中所采用的压力在 14高可达到 20 30器人中多采用 7压是一种比较成熟的技术。与其他两种方式相比，有如下特点 ： （ 1） 驱动力或驱动力矩大，即功率重量比大。 （ 2） 可把工作液压缸直接做成操作关节的一部分，实现直接驱动。结构较简单、紧凑。 （ 3） 实现速度调节比较简单，易于控制。 （ 4） 在液压管路中使用安全阀，可简单而有效地防过载。 （ 5） 其缺点是需配备压力源和复杂的管路系统。容易发生泄露，影响工作的稳定性和运动精度，污染环境等。 气压驱动方式 使用的空气压力通常为 高可达 10压驱动有如下特点： （ 1） 驱动系统管路结构简单，维修方便，造价低。气源供应方便，不会造成泄露污染 （ 2） 压缩空气在管路中的流速可达 180m/s，因而动作速 度快。 （ 3） 与液压驱动比较工作压力低，功率重量比小、装置体积大。仅适用于中小负荷的机器人。 （ 4） 由于气体的可压缩性，难以实现较高的位置精度和伺服控制。运动的稳定性差，工作时有噪声。 随着控制技术的发展，对机器人操作机各部分动作要求的不断提高，液压驱动在机器人中应用日益广泛。本机械手夹持器的负荷较大，灵活度较高，所以选择液压驱动。 8 图 计原理简图 机械手的驱动系统是为执行系统各部分提供动力的装置，随驱动源不同其组成也不同，本机械手的驱动系统需满足较长的作用时间和稳定性， 因此采用液压缸作为机械手抓持工件的动力元件。 械传动系统的分析比较 工业机器人中常用的机械传动系统的特点如下： （ 1） 齿轮传动 主要特点：瞬时传动比恒定，工作平稳，传动准确可靠，可传递空间任意两轴之间的运动和动力。适用的功率和速度范围很广，功率从接近于零的微小值到数万千瓦，圆周速度从很低到 300m/s。传动效率高， =作可靠，使用寿命长。外轮廓尺寸小，结构紧凑。制造和安装精度要求较高，成本较高，不宜用于较远距离两轴之间的传动 。 （ 2） 蜗杆传动 该传动主要特点：传动比大，结构紧凑。传动平稳、振动小、噪声低。当蜗杆的导程角小于当量摩擦角时，可实现反向自锁。传动磨擦损失大，效率低，一般为 有自锁性时，其效率 以不宜用于大功率传动。蜗轮一般使用贵重的减摩材料制造，成本高。对制造和安装误差很敏感，安装时对中心距的尺寸精度要求较高。 （ 3） 同步齿形带传动 特点是：靠齿啮合传动，传动比准确，传动效率高，初张紧力小，轴承承受压力小，瞬时速度均匀，单位质量传递的功率大。与链 9 和齿轮传动相比，噪声小，不需润滑，传动比、线性速度范围 广，传递功率大。耐装卸振动较好，维修简单、经济。 （ 4） 链传动 其特点是：没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比。传动尺寸比较紧凑。不需要很大的张紧力，作用在轴上的载荷较小。承载能力大。传动效率高。能吸振和冲击，结构简单，加工成本低廉，安装精度要求低，适合较大中心距的传动。高速运转时不平稳；传动中有冲击和噪声；不宜在载荷变化很大和急促反向的传动中使用；只能用于平行轴间的传动；安装精度和制造费用比带传动高。 （ 5） 行星齿轮传动 该传动的特点有：结构紧凑、体积和质量小、传动比范围大、效率高、运转平稳、噪声底等。结构 负载，空间体积较大，成本较高。 （ 6） 谐波齿轮传动 该传动系统的特点有：传动比大。一级谐波齿轮减速比可以在 50 500 之间，在只传递运动的装置中可达 1000。这种传动同时啮合欧德齿数多，可达总齿对数的 30% 40%。故承载能力大。运动误差小，无冲击，齿的磨损小，传动精度高，传动平稳。通过调整，齿侧间隙小，故空程小，适用于正反向传动。效率高，结构简单，零件少，体积小，重量轻。缺点是起动力矩大，柔轮易疲劳损坏，故柔轮的材料和热处理条件要求高。价格昂贵。 （ 7） 钢带传动 钢带的拉伸变形小，传动结构简单，传动效率高，是无间歇传动，传动精度高。 通过以上的分析比较，我发现以上的任何一种机械传动系统，都有各自的优缺点，结合所有的方案，齿轮齿条更为适合本设计，因为它具备本设计所要求的工作平稳以及恒定两个特点，所以我选用齿轮齿条作为本设计的传动方案。3 持器设计要求 （ 1） 应具有适当的夹紧力和驱动力 手指握力大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和自重，以保证工件夹持可靠。 （ 2） 手部的驱动装置应 具有足够的驱动力。应当指出，由于机构传力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力打的大小是不同的。 （ 3） 手指应具有一定的开闭范围 手指应具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）或开闭距离，以便于抓取或退出工件。 （ 4） 应保证工件在手指内的夹持精度 每个被家吃的工件，在手指内部有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如凸轮轴、曲轴一类 10 复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在加持工件后应保持相对的位置精度。 （ 5） 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、以利于减轻手臂的负载。 （ 6） 考虑通用性和特殊要求 一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的适用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法。 综合以上 2、 3 部分的选择，本设计的机械手的总体结构如下： 图 重式夹持器的总体结构 响平稳性和定位精度的因素 机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和交量定位的组合。在许多比较简单的情况下，单个 量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下： （ 1） 定位方式 不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。 （ 2） 定位速度 定位速度队定位精度影响很大。这是因为定位速度大的不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲转化怒估值的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。 （ 3） 精度 机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。 11 （ 4） 刚度 机械手本身的集购物刚度和接触刚度低时，因容易产生振动，定位精度一般比 较低。 （ 5） 运动件的重量 运动件的重量包括机械手夹持器本身的重量和被抓工件的重量。运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。 （ 6） 驱动源 液压、气压的压力波动及电压、气温的波动都会影响机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节油温措施。如用蓄能器稳定油压，用加热器或冷却器控制油温，低速时，用温度、压力补偿流量控制阀控制。 （ 7） 控制系统 开关控制、电液比例控制盒伺服控制的位置控制精度是不相同的。这不仅是因为各种 控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关。 如下图所示，此装置为抓手的扣手部件，具有自重抓式及定位作用。 图 手 12 3 机构及参数计算 压缸的选择 紧力计算 抓取重量 300 2 3 K K G（ K安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定 ,通常取 2K工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况系数2K, 20 . 0 2 / 11 1 1 . 0 0 29 . 8aK g ， a 为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（ m/s）； 3K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， 手指与工件位置：手指垂直抓取工件； 手指与工件形状： u 型指端夹持方型柱型工件，30 .5 f ， f 为摩擦系数， 为 u 型手指半角，此处粗略计算 3 4K G 被抓取工件的重量 求得夹紧力 1 2 3 g 1 . 5 1 . 0 0 2 4 3 0 0 9 . 8 1 7 6 7 5 . 2 8 K K M N ，取整为 17675N。 动力计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式： F （ 式中： c滚子至销轴之间的距离； b爪至销轴之间的距离； a 楔块的倾斜角 13 可得 2 b s i n a 1 7 6 7 5 2 5 0 0 s i n 1 6 5 143291c 3 4 ，得出 F 为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力 F 要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率 ，一般取 处取 ： 143291 1628310 . 8 8 ，取 162831 压缸的设计与计算 2= 4F D p推 （ 式中 D 活塞直径 d 活塞杆直径 p 驱动压力， 推 ,已知液压缸驱动力F ，且 1 6 2 8 3 1 1 0F N K N 由于 10F ，故选工作压力 P=16据公式计算可得液压缸内径： 4 4 1 1 0 9 4 1 1 3 . 8 m . 1 4 根据液压设计手册 ,见表 整后取 D=125 表 压缸的内径系列（ 液压缸内径系列 2 25 32 40 50 55 63 65 7 75 80 85 90 95 100 105 1 125 130 140 160 180 200 250 活塞杆直径 d 0 . 5 0 . 5 1 2 5 6 2 . 5 m M 用夹持器液压缸 江苏金飞鸿液压成套设备有限公司 型号为 构简图，外形尺寸及技术参数如下： 14 表 持器液压缸技术参数 缸/径/度比 最大行程 /作压力 16 注 125 70 90 1850 2980 520 920 830 1390 拉力 13477 推力 94560 轮齿条传动设计 齿轮齿条结构，就是完成直线运动和转动相互转化的机构。其各部分功能及相互关系如下： （ 1） 齿 条 :也称作直线齿轮，它与齿轮箱啮合。 （ 2） 齿轮：与齿条相互啮合，依靠齿条的直线驱动，齿轮的输出轴做回转运动。 （ 3） 直进与回转的关系：齿条的移动量与齿条的转角，无论在任何位置都保持一定，所以这是等值直进回转交换机构。当齿条的移动量与齿轮圆周相等时，齿条驱动一次，齿轮转动一周。在本机构中，齿条是用液压缸的液压杆做为驱动力，形成往复回转运动。 4 轮参数的选择 齿轮模数值取值为 m=4，压力角 o=20 ，齿轮螺旋角 o=12 ，齿条齿数应根据转向轮达到的值来确定。齿轮的转速为 n=10r/齿轮传动力矩计算 = 0 . 5 = 4 9 0 8 7 . 5 N . 扭 推 齿（ R ） . （ 小齿轮选用 20料制造并经慎碳淬火，而齿条常采用 45 号钢制造并经高频淬火，表面硬度应在 56上，为减轻质量，抗体用铝合金压铸。 轮几何尺寸确定 齿顶高 *a n a n m h = 2 . 5 1 + 0 . 7 = 4 . 2 5 m m h a = 1 7（ ） （ ） ，齿根高 m ( h c ) 2 . 5 ( 1 0 . 2 5 0 . 7 ) 1 . 3 7 5 m 5 . 5n a n n n 齿高 7 5 . 5 2 2 . 5h h h 15 分度圆直径 d = m z / c o s = 2 . 5 6 / c o s 1 2 1 5 . 3 3 7 d = 6 1 . 3 4 8o ， 齿顶圆直径 d + 2 h = 6 1 . 3 4 8 + 2 1 7 = 9 5 . 3 4 8齿根圆直径 1 . 3 4 8 2 1 1 3 9 . 3 4 8d d h 基圆直径 c o s 1 5 . 3 3 7 c o s 2 0 1 4 . 4 1 2 , 5 7 . 6 4 8o 法向齿厚为 s ( 2 t a n ) m ( 2 0 . 7 0 . 3 6 4 ) 2 . 5 2 1 . 122n n n n 分度圆直径与齿条移动速度的关系 6 0 0 0 0 / 1 0 . 0 0 1 /d v n v m s 齿距 3 . 1 4 1 0 3 1 . 4 根弯曲疲劳强度计算 齿轮精度等级、材料及参数局的选择 （ 1） 由于夹持器齿轮转速低，是一般的机械，故选 8 级精度。 （ 2） 齿轮模数值取值为 m=4，齿轮齿数为 z=18，压力角 o=20 。 （ 3） 齿轮螺旋角初选为 o=12 ， ，变为系数 x= 轮的齿根弯曲强度设计 13211 2 . 4 （ （ 1） 试取 k= （ 2） 斜齿轮的转矩 = （ 3） 取齿宽系数 = （ 4） 齿轮齿数 =72 （ 5） 复合齿形系数 （ 6） 许用弯曲应力 2 0 . 7 0 . 7 9 2 0 6 4 4 / M M （ 7）齿轮材料的弯曲疲劳强度的基本值。 试取10nm （ 8） 圆周速度 6 1 . 3 4 8 , 0 . 8 6 1 . 3 4 8 4 9 . 0 7 8 4md b d 取 b 49 1 5 . 3 3 7 1 00 . 0 0 8 / , 0 . 0 3 2 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s v m s （ 9） 计算载荷系数 查表 （ 1） 查表得 使用系数a=4K（ 2） 根据 v=s ，和 8 级精度，查表得 （ 3） 查表得 齿向载荷分布系数 16 （ 4） 查表得 齿间载荷分布系数 1 1 0 . 4 1 . 1 1 . 1 5 0 . 7 5 9A V K K K 面接触疲劳强度校核 校核公 式为 221H E Z Zb d u （ （ 1） 用接触应力H查表得m 1 6 5 0 P 图 71 1（ 2） 查表得 弹性系数 1 / 21 8 0 P（ 3） 查表得 区域系数 （ 4） 重合度系数 11 0 . 9 11 . 2 0 5 5Z （ 5） 螺旋角系数 c o s c o s 1 2 0 . 9 8 9 由以上计算可知齿轮满足齿面接触疲劳强度，即以上设计满足设计要求。 条的设计 根据齿轮齿条的啮合特点： （ 1） 齿轮的分度圆永远与其节圆相重合，而齿条的中线只有当标准齿轮正确安装时才与其节圆相重合。 （ 2） 齿轮与齿条的啮合角永远等于压力角。因此，齿条模数 m=4，压力角o
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