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中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 1 页 摘 要 本文简要介绍了工业机械手的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标形式，及国内外的发展状况。 本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，并且对机械手的手腕结构、手臂伸缩机构、手臂回转机构、手臂升降机构，分别进行了计算和设计，对一些部件的强度进行了校核。 同时，本文设计出了机械手的液动系统，选择了适用的液压元件，绘制了机械手液压系统工作原理图。 关键词： 工业机器人 ；机械手 ；液压传动 of 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 2 页 of an of of of At of of of of At a of 录 第 1 章 绪 论 1 1 械手的组成和分类 2 械手的组成 2 械手的分类 5 业机械手在工业生产中的应用 7 内外发展状况 7 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 3 页 章小结 9 第 2 章 工 业 机 械 手 的 设 计 方 案 10 业机械手的组成 10 格参数 10 计路线与方案 11 章小结 11 第 3章 本次设计的基本参数及要求 12 第 4 章 机械手各部分的计算与分析 12 部 计算与分析 12 12 部的计算和分析 12 章小结 18 第 5 章 腕部 19 部设计的基本要求 19 有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构 19 部结构计算 20 部回转力矩的计算 20 转液压缸所需驱动力矩计算 22 转缸内径 D 计算 23 压缸盖螺钉的计算 24 片和输出轴间的连接螺钉 25 部轴承选择 26 章小结 26 第 6 章 伸缩臂设计 27 缩臂设计基本要求 27 案设计 27 缩臂机构结构设计 29 缩臂液压缸参数计算 29 向杆机构设计 35 章小结 37 第 7章 手臂回转和升降机构的设计 38 臂 回转机构设计 38 臂回转力矩的计算 38 转缸内径 D 计算 38 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 4 页 压缸盖螺钉的计算 39 臂升降机构设计 40 压缸活塞驱动力的计算 40 压缸内径的计算 40 压缸盖螺钉的计算 41 章小结 42 第 8 章 驱动系统 43 动系统设计要求 43 动系统设计方案 43 动系统设计 44 功能设计分析 44 压泵的确定与所需功率计算 44 定泵的电机功率 N 45 压元件的选择 45 择液压辅助元件 46 压系统的验算 46 压系统图 46 章小结 47 第 9 章 液压缸的保养与维修 48 压元件的安装 48 压系统的一般使用与维护 48 般技术安全事项 48 结 论 49 参考文献 49 附录 50 英文原文 50 中文译文 56 致 谢 60 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 5 页 第 1 章 绪 论 业机械手概况 工业机械手是人类创造的一种机器 ,更是人类创造的一项伟大奇迹 ,其研究 、 开发和设计是从二十世纪中叶开始的 0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 ,目前已经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 ,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，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（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，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。影响我 国机械手发展的关键平台因素就是其软件，硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业，其中汽车工业占第一位（占 ，电器制造业第二位（占 ，化工第三位（占 。发达国家汽车行业机械手应用占总保有量百分比为 53%，年产每万辆汽车所拥有的机械手数为（包括整车和零部件）：日本 国 国 国 国 大利 世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶 劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。 上料机械手与卸料机械手相比，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达 180大抓握重量可达 30公斤，最大行走距离为 1200据作业要求及载荷情况 ，机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用 种作业的实现可以通过编程实现。 国内外实际使用的多是定位控制的机械手，没有“视觉”和“触觉”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手，使它能够对所抓取的工件进行分辨，能选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进 而精确地在机器上定位、定向。 为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零部件，它由视觉传感 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 6 页 器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工件。 为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法：一是检测把握物体手臂的变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物件的滑动位移，来修正握力。 因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能： (1）能准确地抓住方位变化的物体； (2）能判断对象的重量； (3)能自动避开障碍物； (4)抓空或抓 力不足时能检测出来。 这种具有感知能力并对感知的信息做出反映的工业机械手称之为“智能机械手”，它是有发展前途的。 现在，工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效用是代替从事繁重的工作，危险的工作，单调重复的工作，恶劣环境下的工作方面尤其明显。至于像汽车工业和电子工业之类的费工的工业部分，机械手的应用情况决不能说是好的。虽然这些工业部门工时不足的问题尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序，其原因是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小，这是主要原因。经济性问题 当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看，不一定总是合算的。然而，利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题得到解决，机械手的应用必将会飞跃发展。 上料机械手和卸料机械手相对，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型机铝棒料的搬运及高温棒料的自动上料作业，最大抓取棒料直径可达 180大抓握重量可达 30公斤，最大行走距离为1200据作用要求和载荷情况，机械手各关节运 动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用 种作业的实现可以通过编程实现。 随着机电一体化技术和计算机技术的应用，其研究和开发水平获得了迅猛的发展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域，特别是工业机械手在生产加工中的广泛应用。轿车半轴加工上料机械手设计在综合多种机械手的设计原理和设计思想，根 据轿车半轴加工的特点提出的，有一定的理论基础，设计水平和应用价值。 械手的组成和分类 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 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 7 页 之间的关系如方框图 2示。 图 1(一 )执行机构 包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。 夹持式手部由手指 (或手爪 )和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有 回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。 手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、 V 形面的和曲面的 :手指有外夹式和内撑式 ;指数有双指式、多指式和双手双指式等。 而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有 :滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹 簧式和重力式等。 吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力 (如吸盘内形成负压或产生电磁力 )吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。 对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。 对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。 用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 8 页 此外，根据特殊需要，手部还有勺式 (如浇铸机械手的浇包 部分 )、托式 (如冷齿轮机床上下料机械手的手部 )等型式 . 2、手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位 (即姿势 )。 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置 . 工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 (如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等 )与驱动源 (如液压、气压或电机等 )相配合，以实现手臂的各种运动。 手臂可能实现的运动如下 : 手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向 装 置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件 受力状态简单。 导向装置结构形式，常用的有 :单圆柱、双圆柱、四圆柱和 尾槽等导向型式。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 5、行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在 机座上安 装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 6、机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 9 页 座上，故起支撑和连接的作用。 (二 )驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。 (三 )控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统 一般由程序控制系统和电气定位 (或机械挡块定位 )系统组成。 控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 )，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 (四 )位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制 系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构 以一定的精度达到设定位置。 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 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 批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。 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 。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和 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” 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 10 页 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，可以是点位的，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、 气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，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。它的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 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 11 页 械手一般采用小型计算机进行控制。 业 机械手在工业生产中的应用 工业机械手在生产中的应用非常广泛，还可以归纳为以下的一些方面： 1. 建造旋转零件体自动线方面 建造旋转零件体（轴类、盘类、环类零件）自动线，一般都采用机械手在机床之间传送工件。 2. 在实现单机自动化方面 (1)各类半自动车床，有自行夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料，装上机械手，可实现全自动化生产。 (2)注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动取料，可实现全自动生产。 (3)冲床有自动上下冲压循环，机械手上下料可实现冲压上产自动化 。 3. 铸、锻、焊、热处理等方面 总的来说，由于工业机械手的特点满足了社会生产的需要，进而带来了经济效益。其特点： (1)对环境的适应性强，能代替人从事危险，有害的操作，在长时间对人体有害的场所，机械手不受影响。 (2)机械手能持久、耐劳、可以把人从单调的繁重的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。 (3)动作准确，可保证稳定和提高产品的质量，同时可避免人为操作的错误。 (4)通用性灵活性好，特别是通用机械手，能适应产品品种迅速变化的要求，满足柔性生产的需要。 (5)采用机械手能明显的提高劳动 生产率和降低成本。 内外发展状况 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势 : (1)工业机器人性能不断提高 (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器人整机 ;国外已有模块化装配机器人产品问市。 (3)工业机器人控制系统向基于 的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化 ; 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 12 页 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)机器人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。 (5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6)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。 (7)机器人化机械开始兴起。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。 我国的工业机器人从 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多台套喷漆机器人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，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人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 ;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约 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器人产业，当前我 国的机器人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 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器人， 6000开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种 :在机器人视觉、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器人、智能装配机器人、机器人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。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 13 页 本章介绍了工业机械手的概括，工业机械手的 组成、 分类、应用。工业机械手在国民生产中有广泛的应用，许多机械设备都用到工业机械手，它是近代自动控制领域内出现的一种新型的技术装备。我设 计的工业机械手设备简单，动作灵活，经济实用，稳定性好，适于使用。 第 2章 工业机械手的设计方案 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 14 页 业机械手的组成 工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框图： 图 业机械手各部分关系图 执行机构： 执行机构包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。 接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。传动 机构形式多样，常用的有：滑槽杠杆式、连 杆杠杆式、弹簧式等。 联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。 手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定位置。 该设计的手臂有三个自由度，采用关节式坐标（绕横轴旋转，上下摆动和左右摆动）关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性，机械臂的结构性容易进行优化，便于提高机械手的动态操作性能。 的工业机械手带有行走机构。 驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。 控制系统：有点位控制和 连续控制两种方式。 机身 ： 它是整个工业机械手的基础。 格参数 工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面： 称臂力）：额定抓取重量或称额定负荷，单位为公斤； 机，手臂和手腕等运动共有几个自由度，并说明坐标形式； 定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其他各种位置设定和检测装置； 动，液动，电动和机械式四种形式； 夹持范围和握力； 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 15 页 置设定精度和重复定位精度； 宽高（毫米）； 机重量。 计路线与方案 计步骤 围，性能进行分析，强度和运动学校核； 究方法和措施 使用现在机械设计方 法和液压传动技术进行设计，采用关节式坐标（四个自由度，可以绕横，纵轴转动和上下左右摆动）。 章小结 本章介绍了工业机械手的组成、规格参数、设计路线等内容，这种设计的机械手组成全面，配置合理，能达到一定的使用要求。 第 3章 本次设计的基本参数及要求 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 16 页 计的基本参数 抓重： 10持棒料直径： 55位精度 ： 计的 要求 根据给定的部分设计参数，确定机械手设计 的其他有关规格参数，拟定机械手设计的总体方案。机械手手部结构设计；机械手总体图的绘制；液压系统图的设计与绘制；系统图的设计与绘制。 第 4章 机械手各部分的计算与分析 部 计算与分析 (1)应具有适当的夹紧力和驱动力。 (2)手指应具有一定的开闭范围。 (3)应保证工件在手指内的夹持精度。 (4)要求结构紧凑，重量轻，效率高。 (5)应考虑通用性和特殊要求。 部的计算和分析 紧力计算 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、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： 1 2 3 K K G 式中： 1K 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 ， 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：手指水平放置 工件垂直放置； 手指与工件形状： V 型指端夹持圆柱型工件， 30 .5 f ， f 为摩擦系数， 为 V 型手指半角，此处粗略计算 3 4K ,如图 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 17 页 图 被抓取工件的重量 求得夹紧力 ， 7 ，取整得 590N。 动 力力计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式： b 式中： c 滚子至销轴之间的距离 ， 2 b 爪至销轴之间的距离 ， 20 楔块的倾斜角 ， 暂取 16 可得 9 2 642 60s i 05 9 02s i ，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 ： 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 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 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 18 页 由于 10F ，故选工作压力 P=据公式计算可得液压缸内径： 圆整后取 D=40mm d=0塞厚 B=（ D 所以 B=8 1） 活塞 活塞与活塞杆采用螺纹连接 ； 活塞与缸体采用 活塞材料选用铝合金 （ 2） 活塞杆 活塞杆采用实心，材料为 45号钢，粗加工调质到硬度 后高频淬火，硬度到 3） 缸盖 缸盖和缸体采用法兰连接，螺栓和螺母选用 螺纹处拉应力 621104以 M P 01 0 9 6 螺纹处剪应力为 M P 2621 01 其中： k= 1k 1k = 0 1d 所以 ： P a 2（ 4）液压缸外径 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 19 页 ) 1； 求得， 所以液压缸外径 01 簧的计算与选取 由 b=120c=4216 ；夹持棒料的范围为 55 手指的移动范围要 s750以活塞行程 a 22016t a n 夹紧驱动液压缸最小工作行程为 安装初载荷为 F=50N 最大工作载荷为00N 所以弹簧内径 a x 最大变形量 4m a xm a xm a x 弹簧有效工作圈数为 1182008 0 0 08 33m a xm a x 取两端支撑圈数为 2，则 n=13； 中径 ； 外径 262 内径 2621 节距 m a x 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 20 页 圆整取 p=10 轴向间隙 最小变形量 m a xm a x 爪的夹持误差及分析 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。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，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图 4而使夹持误差控制在较小的 范围内。 通常情况 手爪的夹持误差不超过 1，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。 图 4设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图 4 图 4把工件轴心位置 C 到手爪两支点连线的垂直距离 表示，根据几何关系有： 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 21 页 22( ) 2 c o ss i n s i A l l a 简化为： 2 2 2 221 ( s i n c o s ) ( s i n )s i n A B A l l a 该方程为双曲线方程，如图 4 图 4上图得，当工件半径为 0R 时， 又从上式可以求出： 0 s i n c o ，通常取 2 120 m in s 若工件的半径 化到 ， 为夹持误差，用 表示。 在设计中，希望按给定的 确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角 ，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径 为 0R 时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当 偏转角 的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的 平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径 以90为条件确定两支点回转型手爪的偏转角 ，即下式： 1 1c o s ( ) s i 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 22 页 其中 2 90a , B 120 V 型钳的夹角 2 120 代入得出： 1 8 0 1c o s ( 4 5 ) 5 6 . 5 7s i n 6 0 8 6 则 0 s i n c o s 8 6 s i n 6 0 c o s 5 6 . 5 7 4 1 . 0 2l m m 则 m m a R ，此时定位误差为 1 和 2 中的最大值。 2 2 2 2 2 2m a xm i ) 2
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