毕业设计（论文）-搬用机械手的设计及运动仿真.doc

IV兰州工业学院毕业设计（论文）题目 搬用机械手的设计及运动仿真 系 别 机械工程系 专 业 机电一体化技术 班 级 机电102班 姓 名 学 号 指导教师（职称） 日 期 2013.03.02 摘 要随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。搬运机械手的应用也逐渐普及，在很多领域的生产流水线或货物装卸调运，可以更好的节约能源和提高运输效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。 本课题设计的搬运机械手，主要包括机械手的总体方案设计、机械手的机械结构设计以及驱动系统设计等，全面详尽地讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。实现了机械手的五自由度运动。最后运用Pro/E对机械手进行了三维建模、装配及运动仿真。关键词：搬运机械手；液压传动；三维建模；运动仿真ABSTRACTWith the popularity and development of industrial automation, the controller has been increasing year by year, the demand of carrying manipulator application also gradually popularization, mainly in the automotive, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of production line or cargo transportation, can better to save energy and improve the efficiency of transportation equipment or products, in order to reduce other handling way limit and the insufficiency, meet the requirements of the development of modern economy.This topic design carrying manipulator, mainly including the overall scheme of the robot manipulator design, mechanical structure design and design of driving system, realize the manipulator five degrees of freedom movement: arm lifting, rotating, expansion and wrist rotary and finger joint zhang. The double action hydraulic cylinder to achieve the arm expansion, the rotary hydraulic cylinder to achieve wrist rotation. At last, the Pro/E to manipulator, the three-dimensional modeling, assembly and motion simulation.Key words: mechanical design; Carrying manipulator; 3 d modeling; Motion simulation;II目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题背景11.2国内外发展状况11.2.1 国外发展状况11.2.2 国内发展状况21.3机械手的发展趋势31.4 机械手的应用意义41.5 本论文的主要内容51.6 本章小结52 机械手的总体设计方案62.1 机械结构设计方案72.2 机械手的驱动方案设计82.3 机械手的技术参数列表82.4 本章小结83 机械部分的设计计算93.1 手部设计基本要求和典型的手部结构93.2 机械手手抓的设计计算93.2.1 选择手抓的类型及夹紧装置93.2.2 手抓夹紧力计算103.2.3 手抓驱动力计算103.2.4 液压缸驱动力计算113.2.5 手爪的夹持误差及分析123.2.6 楔块等尺寸的确定143.2.7 材料及连接件选择173.3 腕部的设计计算173.3.1 腕部设计的基本要求173.3.2 具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构183.3.3 腕部结构计算193.3.4 腕部轴承选择243.3.5 材料及连接件，密封件选择253.4 臂部的结构253.4.1 臂部概述253.4.2 臂部运动驱动力计算283.5 本章小结314 驱动系统的设计324.1 液压系统设计324.2 拟定液压系统原理图324.2.1 基本回路的选择324.2.2 液压阀的选择334.2.3 液压辅助元件的选择334.2.4 系统的安全可靠性334.3 机械手液压系统的特点及系统原理图344.3.1 液压系统的特点344.3.2 机械手液压系统图344.3.3 液压系统电磁铁动作表364.4 本章小结365 机械手的三维建模及装配385.1 设计任务385.2 设计前的准备385.3 三维造型395.3.1 新建模板395.3.2 草绘模型405.3.3 拉伸实体415.4 装配455.5 本章总结50结 论51致 谢52参考文献53IV兰州工业学院毕业设计（论文）1 绪论1兰州工业学院毕业设计（论文）1.1 课题背景在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。而目前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距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研制和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑是十分必要的。因此，进行机械手的研究和设计是非常有意义的。1.2国内外发展状况1.2.1 国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10.3万美元降至97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PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、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。1.2.2 国内发展状况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.我国的智能机器人和特种机器人在“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器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还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。1.3机械手的发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及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。 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。1.4 机械手的应用意义在机械工业中，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应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器人的装配等自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。（2）可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减少人力，便于有节奏的生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在很多地方都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行生产。1.5 本论文的主要内容本次设计将要完成的主要内容如下:(1)本次设计的机械手为搬用机械手，相对于专用机械手来说，它的适用面必须更广。(2)选取机械手的座标型式和自由度。(3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。(4)本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括液压回路的设计、液压原理图的设计和绘制。(5)对机械手进行了三维实体建模和运动仿真。1.6 本章小结指出了设计机械手的课题背景，对机械手在国内外的发展现状和趋势进行了说明，确定了此次设计包含的所有内容。2 机械手的总体设计方案对液动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计液动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械手是搬用机械手（如图2-1所示），是一种适合于成批或中、小批生产的，可以改变动作程序的自动搬运或操作设备。它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。图2-1 机械手的整体机械结构2.1 机械结构设计方案1.机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在搬用时手臂具有升降、伸缩及回转，手腕的回转和手指的张合等运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有五个自由度。如图2-2所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图。 图 2-2 机械手的运动示意图2.机械手的手部结构方案设计本次设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形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，且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置，其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指，驱动力需加在手指移动方向上，这样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。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用斜楔杠杆外夹式的结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指闭合，它在弹簧的作用下机械手手抓张开。3.机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求，实现手腕回转运动的机构为回转油缸。4.机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有五个自由度，即手臂的伸缩、回转、升降、手腕回转及手指张合运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由油缸来实现，手腕的回转和手指的张合由一个油缸供油来实现动作。2.2 机械手的驱动方案设计 由于液压传动装置在同等功率下体积小、质量小、工作平稳、换向冲击小、便于实现快速起动、制动和频繁的换向；易于实现过载保护，安全性好；采用矿物油为介质，自润滑性好；操纵控制方便和便于实现自动化等优点，因此机械手采用液压传动方式进行驱动。2.3 机械手的技术参数列表 机械手的主要技术参数见表2-1。表2-1 机械手的主要技术参数项目数据项目数据抓重30公斤手臂回转范围0210自由度数5个手臂回转速度70/秒座标形式圆柱座标手腕回转范围0180最大工作半径1600mm手腕回转速度90/秒手臂最大中心高900mm手指夹持范围6585mm手臂伸缩行程800mm定位方式行程开关或可调机械挡块手臂伸缩速度250mm/s重复定位精度手臂升降行程800mm驱动方式液压驱动手臂升降速度60mm/s控制方式点位程序控制（采用PLC）2.4 本章小结 确定了机械手的总体设计方案，本设计选择二指回转型手抓，采用斜楔杠杆外夹式的结构方式。手腕回转运动的机构采用了回转油缸。手臂的各种运动由油缸来实现，手腕的回转和手指的张合由一个油缸供油来实现动作。用液压系统作为机械手的驱动。3 机械部分的设计计算3.1 手部设计基本要求和典型的手部结构1.手部设计基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该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），以便于抓取工件。（3）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。（4）应保证工件在手指内的夹持精度。（5）应考虑通用性和特殊要求。2.典型的手部结构（1）回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。（2）移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。（3）平面平移型。3.2 机械手手抓的设计计算3.2.1 选择手抓的类型及夹紧装置本次设计的是平动搬用机械手，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角，夹取重量为60Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理，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，不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形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，且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置，其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指，驱动力需加在手指移动方向上，这样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。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。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用斜楔杠杆外夹式的结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指闭合，它在弹簧的作用下机械手手抓张开。3.2.2 手抓夹紧力计算 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： （3-1）式中，安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定，通常取1.22.0,取1.5； 工作情况系数，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，a为机械手搬用工件过程中的加速度或减速度的绝对值（）； 方位系数，根据手指和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形指端夹持圆柱形工件，f为摩擦系数，为V形手指半角，此处略去计算； G被抓去工件的重量。 求得夹紧力： 取整为1770N。3.2.3 手抓驱动力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式： （3-2）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。 由公式（3-2）求得： 得出为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.80.9，此处取0.88，则： 取F=3244N。3.2.4 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： （3-3）式中，D活塞直径； d活塞杆直径； p驱动压力。 ，已知液压缸驱动力，且 由于，故选工作压力P=1MPa。 由公式（3-3）计算可得液压缸内径： 表3-1 液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250根据液压设计手册，液压缸的内径系列见表3-1，圆整后取D=65mm。活塞杆直径：d=0.5D=0.565mm=32.5mm，取32mm。活塞厚：B=(0.61.0)D，取B=0.7d=0.732mm=22.4mm，取23mm。缸筒长度 L(2030)D，取L为132mm。活塞行程，当抓取75mm工件时，即手爪从张开120mm减小到75mm，楔快向前移动大约45mm。取液压缸行程S=45mm。3.2.5 手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，如图3-1所示，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过，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3-1 合理的手部结构参数工件半径，若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有： （3-3） 将公式（3-3）简化为： （3-4） 该方程为双曲线方程，如图3-2所示。图3-2 工件半径与夹持误差关系曲线由图3-2得，当工件半径为时，X取最小值，又从式（3-4）可以求出：通常取若工件的半径变化到时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用表示。在设计中，希望按给定的和来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取为时，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a值较大时）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BE和边平行，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，以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式： （3-5） 其中,型钳的夹角。代入式（3-5）得出： 则 则，此时定位误差为和中的最大值。 （3-6） （3-7） 分别代入式（3-6）、（3-7）中得： ， 所以，夹持误差满足设计要求。 由以上各值代入式（3-4）中可得： 取值为3.2.6 楔块等尺寸的确定1.楔块进入杠杆手指时的力分析楔块进入杠杆手指时的力分析如图3-3所示。图3-3 楔块进入杠杆时的受力分析2.斜楔的传动效率斜楔的传动效率为： (3-8) (3-9) 式中，斜楔角，时有增力作用； 滚子与斜楔面间当量摩擦角， 为滚子与转轴间的摩擦角，为滚子与转轴间摩擦系数; d为转轴直径； D为滚子外径； 支点至斜面垂线与杠杆的夹角； l杠杆驱动端杆长； 杠杆夹紧端杆长； 杠杆传动机械效率。 杠杆传动机械效率取0.834，取0.17，d/D取0.5，则可得。3.动作范围分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即，如图3-4所示。如果，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所以必须大于。此外，当时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。图3-4 阴影部分杠杆手指的动作范围4.斜楔驱动行程与手指开闭范围当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为L，此时对应的杠杆手指由位置转到位置，其驱动行程可用下式表示： （3-10） 杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为： （3-11）通常状态下，在左右范围内，则由手指需要的开闭范围来确定。由给定条件可知最大为55-60mm，最小设定为30mm，即。已知，可得，和关系如图3-5所示。图3-5 和关系 可知：楔块下边为72mm，支点O距中心线36mm，且有，解得：。 5、l与的确定 斜楔传动比i可由下式表示： (3-12) 可知一定时，愈大，i愈大，且杠杆手指的转角在范围内增大时，传动比减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由分配距离为：，。6、确定由式3-11得： 取7、确定为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，如图3-6所示。图3-6 L的驱动行程 取，则楔块上边长为42mm。3.2.7 材料及连接件选择V型指与夹持器连接选用销轴，d=13mm, 需使用2个。杠杆手指中间与外壳连接选用销轴，d=16mm, 需使用2个。以上材料均为45钢，无淬火和表面处理。楔块与活塞杆选用圆柱销GB/T119.1，d=13mm, 需使用1个。3.3 腕部的设计计算3.3.1 腕部设计的基本要求手腕部件设置在手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度，此设计中要求有绕中轴的回转运动。1.力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。2.结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。3.必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。3.3.2 具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构如图3-7所示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从AA剖视图上可以看到，回转叶片（简称动片）用螺钉，销钉和转轴10连接在一起，定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔5.7进出油腔，实现手部12的旋转。旋转角的极限值由动，静片之间允许回转的角度来决定（一般小于），图中缸可回转。腕部旋转位置控制问题，可采用机械挡块定位。当要求任意 点定位时，可采用位置检测元件（如本例为电位器，其轴安装在件1左端面的小孔）对所需位置进行检测并加以反馈控制。图3-7所示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个油管。通向手部驱动液压缸的油管是从回转中心通过，腕部回转时，油路认可保证畅通，这种布置可使油管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管（一根供手部油管，两根供腕部回转液压缸）由手臂内通过并经腕架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压传动，可以传递较大的力和转矩，能方便实现无级调速，且调速范围大，控制调节比较方便、省力，易于实现自动化，还可实现远程控制，液压元件易于实现标准化、通用化、系列化，液压传动实现直线运动一般比机械传动简单。图3-7 回转缸驱动的典型腕部结构1-手部驱动液压缸；2-回转液压缸；3-通向手部的油管；4-腕架；5-左进油孔；6-通向手腕油管；7-右进油孔；8-定片；9-缸体；10-回转轴；11-动片；12-手部3.3.3 腕部结构计算1.腕部回转力矩的计算腕部回转时，需要克服的阻力有：（1）腕部回转支承处的摩擦力矩 （3-13）式中，、轴承处支反力（N），可由静力平衡方程求得; ,轴承的直径（m）； f轴承的摩擦系数，对于滚动轴承；对于滑动轴承。为简化计算，取。 （2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 （3-14）式中，e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m），已知e=10mm。则 （3）克服启动惯性所需的力矩启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度及启动过程转过的角度按下式计算： （3-15）式中，工件对手腕回转轴线的转动惯量； 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量； 手腕回转过程的角速度； 启动过程所需的时间（s），一般取0.05-0.3s,此处取0.1s。手抓、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200mm，直径90mm，其重力估算： ,取98N。等效圆柱体的转动惯量： （3-16）代入数据得：工件的转动惯量，已知圆柱体工件，工件重量。代入式（3-17）和（3-18）中： （3-17） （3-18）求得：。 要求工件在0.5s内旋转180度, 取平均角速度，即， 代入式（3-15）得： 总阻力矩的计算公式为： （3-19） 由式（3-19）得： 可解得：2.回转液压缸所驱动力矩计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩。如图3-8所示，定片1与缸体2固连，动片3与转轴5固连，当a, b口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。图3-9 回转缸筒图1-定片；2-缸体；3-动片；4-密封面；5-转轴 作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M。 （3-20） （3-21）或 （3-22）式中，手腕回转时的总的阻力矩； p回转液压缸的工作压力（Pa）； R缸体内孔半径（m）； 输出轴半径（m），设计时按； b动片宽度（m）。 上述动力距与压力的关系是设定为低压腔背压力等于零。3、回转缸内径D计算由 得：，为减少动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度时，选用：综合考虑，取值计算如下：r=17.5mm，R=55mm，b=50mm，P取值为1Mpa，即如图3-10所示。图3-10 回转缸尺寸4.液压缸盖螺钉的计算螺钉间距与压力之间的关系见表3-2。表3-2 螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（MPa）螺钉的间距t（mm）0.51.5小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.010.0小于80 每个螺钉在危险截面上承受的拉力为： （3-23） 即工作拉力与残余预紧力之和。液压缸工作压强为P=1MPa，所以螺钉间距t小于150mm，试选用2个螺钉， 所以选择螺钉数目合适Z=2个。 受力截面： （3-24） 由公式（3-24）得：。所以 ，此处连接要求有密封性，故K取（1.5-1.8），取K=1.6。 所以 由公式（3-22）得： 螺钉材料选择Q235。 则，安全系数n取1.5（1.5-2.2）。 螺钉的直径计算公式为： （3-25）式中，F总拉力，。 由公式（3-25）得： 所以螺钉的直径选择d=8mm。5.静片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间连接螺钉一般为偶数。螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： （3-26） 式中，预紧力， F接合面摩擦系数，取（0.10-0.16）范围的0.15，即钢和铸铁零件； i接合面数，取i=2； Z螺钉数目，取Z=2； D静片的外径； d输出轴直径。 则可得： （3-27） 螺钉的强度条件为： （3-28） 带入有关数据，得： 螺钉材料选择Q235，则（安全系数）。 螺钉的直径 ,d值极小，取。3.3.4 腕部轴承选择腕部材料选择HT200，估计轴承所受径向载荷为50N,轴向载荷较小，可忽略。两处均选用深沟球轴承。现校核较小轴径处轴承。6007轴承基本数据如下：，当量动载荷，载荷系数取1，则，由公式： （3-29） N为转速，由0.5s完成回转，计算得：，球轴承。代入得： ，远大于轴承额定寿命。 选用轴承为深沟球轴承6007，6015。3.3.5 材料及连接件，密封件选择右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用螺母紧固，全螺纹，M1181.5,需用1个。右缸盖与缸体及左缸盖连接选用内六角圆柱头螺钉，GB/T70.12000，M1080，螺纹长度b=32mm,需用8个。动片与输出轴连接选用内六角圆柱头螺钉 ，GB/T70.12000 ，M630 ，螺纹长度b=24mm，需用2个。密封件选择：全部选用毡圈油环密封，材料为半粗羊毛毡。毡圈35 JB/ZQ46061997，d=35mm。3.4 臂部的结构3.4.1 臂部概述臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的；立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。1.设计臂部时的注意事项（1）刚度要大为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。（2）导向性要好为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。（3）偏重力矩要小所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。（4）运动要平稳、定位精度要高由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。2.手臂运动时的机构类型（1）手臂直线运动机构机械手手臂的伸缩、升降及横向移动均属于直线运动，而实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。（2）手臂伸缩运动手臂的伸缩结构如图3-11所示。这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。由于活塞油缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多。如下图所示为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端，当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆2（即手臂）作往复直线运动。导向杆3在导向套4内移动，以防止手臂伸缩时的转动（并兼做手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道）。由于手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。可用于抓重大、行程较长的场合。图3-11 手臂的伸缩结构1-双作用油缸；2-活塞杆；3-导向杆4-导向套；5-支承座；6-手腕油缸；7-手部（3）导向装置液压驱动的机械手手臂在进行伸缩（或升降）运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向装置。它根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆和其他的导向装置，本机械手采用的是双