机械手结构优化设计.doc

专业：机电一体化学 生 姓 名： 学 号：指 导 教 师： 完 成 日 期： 2011.3.15机械手结构优化设计摘 要在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大的改善了工人的劳动条件，显 著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，本设计通过对机械 手各主要组成部分（手部、手腕、手臂和机身等）分析，从而确定各主要组成部分的 结构， 在此基础上对机械手进行设计计算， 从而确定装配总图。 通过此次机械手设计， 掌握相关机械手设计的主要步骤，对于 CAD/CAM 软件应用方面有了进一步的提高。 关键词：机械手，设计，手部，手腕，手臂，机身，结构目录摘要 1 2 3 绪论1 机械手设计要求1 机械手总体设计方案1 3.1 机械手的组成1 3.1.1 执行机构1 3.1.2 驱动机构2 3.1.3 控制机构2 3.2机械手在生产中的应用23.3 机械手的主要特点2 3.4机械手的技术发展方向3 3.5机械手坐标形式与自由度选择3 3.5.1 机械手坐标形式选择3 3.5.2 机械手自由度选择4 3.6 3.7 机械手的规格参数4 机械手手部设计计算5 3.7.1 手部设计基本要求5 3.7.2 手部力学分析5 3.7.3 夹紧力与驱动力的计算7 3.7.4 手抓夹持范围计算9 3.7.5 手抓夹持精度的分析计算10 3.8 机械手腕部设计计算11 3.8.1 腕部设计基本要求11 3.8.2 腕部的结构选择12 3.8.3 腕部回转力矩计算12 3.8.4 腕部工作压力计算14 3.8.5 液压缸盖螺钉计算15 3.8.6 动片和输出轴联接螺钉计算16 3.9 机械手臂部设计计算17- III -机械手结构优化设计3.9.1 臂部设计的基本要求17 3.9.2 臂部的结构选择17 3.9.3 手臂伸缩驱动力计算18 3.9.4 手臂伸缩液压缸参数计算19 3.10 机身升降机构计算21 3.10.1 手臂偏重力矩计算21 3.10.2 升降导向立柱不自锁条件22 3.10.3 手臂升降驱动力计算23 3.10.4 手臂升降液压缸参数计算24 3.11 机身回转机构计算25 3.11.1 手臂回转液压缸驱动力矩计算25 3.11.2 手臂回转液压缸参数计算26 3.11.3 液压缸盖螺钉计算27 3.11.4 动片和输出轴联接螺钉计算28 结论29 致谢30 参考文献31绪论工业机械手设计是机械制造、机械设计等方面的一个重要的教学环节，是学完技 术基础课及有关专业课以后的一次综合设计， 通过这一环节把有关课程中所获得的理 论知识在实际中综合的加以应用，使这此知识能够得到巩固和发展，并使理论知识和 生产密切的结合起来，通过设计培养学生独立思考能力树立正确的设计思想，掌握机 械产品设计的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好的基础。2 机械手设计要求要求本设计能鲜明体现设计构思，并在规定的时间内完成以下工作： （1） 拟定机械手的整体设计方案，特别是机械手各主要组成部分的方案。 （2） 根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结构。 （3） 各主要部件（手部、腕部、臂部）的设计计算。 （4） 工业机械手装配图的绘制。 （5） 编写设计计算说明书。3 机械手总体设计方案31 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 311 执行机构（1）手部 即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型，（多为回转型，因其结构简单），手部多为二指（也由多指），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和电磁吸盘。 传力机构形式也很多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠 螺母式、弹簧式、重力式。 （2）腕部 是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位，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。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑、灵巧， 但回转角度小，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。（3）手臂是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件，并带动它们做空间运动，它的主要作用是带动手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到给定的位置，一般手臂 需要三个给定自由度才能满足要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。 （4）行走机构 312 驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源的不同大致可分为气动、液 压、电动和机械式四种。采用液压机构速度快，结构简单，成本低，臂力大，尺寸紧 凑，控制方便。 313 控制机构 在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种，大多数用插销板进行点动控制， 也有用 PLC 进行控制，主要控制的是坐标位置。 有的工业机械手带有行走机构，我国正处于仿真阶段。32 机械手在生产中的作用机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下几个方面： （1） （2） 建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线。 在实现单机自动化方面：a 各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，仍需人工 上下料，装上机械手，可实现自动生产，一人看管多台机床。 b 注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工 件，可实现自动生产。 c 冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。33 机械手的主要特点（1）对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人类 有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和 结构， 机械手就可以在异常高温或低温、 异常压力和有害气体、 粉尘、 放射线作用下， 以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。 （2）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和 延伸人的功能。 （3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人 为的操作错误。（4）机械手通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性 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。34 机械手的技术发展方向国内外使用的实际上是定位控制机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。目前， 世界各国正积极研制带有“视觉”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓取的工件 进行分辨， 选取所需要的工件， 并正确的夹持工件， 进而精确的在机器中定位、 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件，它由视觉 传感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： 一种是检测把握物体手臂的变形，以选择适当的能力，另一种是直接检测指部与物件 的滑落位移，来修正握力。 因此这种机械手具有以下几方面的性能： （1）能准确的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能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械手，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，代替人从事 繁重、危险的工作，在恶劣环境下尤其明显，至于在汽车业和电子工业之类的费工的 工业部门，机械手的应用情况不能说是很好的，原因之一是，工业机械手的性能还不 能满足这些工业部门的要求，适合机械手工作的范围很狭小，另外经济性问题也很重 要，利用机械手节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而利用机械手实现生产合 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获得解决，机 械手的应用必将飞跃发展。35 机械手坐标形式与自由度的选择351 机械手坐标形式选择机械手一般包括圆柱坐标式、球坐标式、直角坐标式、多关节式。直角坐标式机 械手，占用空间大，工作范围小，惯性大，一般不多用，只有在自由度较少时才考虑 用。圆柱坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性大，结构简单。多关节式机 械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，能抓取底面物体，但多关节式结构复杂， 所以也不多用。球坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小， 能抓取底面物体。 由以上叙述可以看出圆柱坐标式和球坐标式比较适合，但由于圆柱坐标式比球坐 标式在结构方面简单一些，所以最后决定选择圆柱坐标式机械手。352 机械手自由度选择36 机械手的规格参数抓重：300N 手臂运动参数： 自由度：4 个 坐标形式：圆柱坐标式伸缩行程（X）：400mm 伸缩速度： 升降速度： 回转范围： 回转速度： 手腕运动参数： 回转范围： 回转速度： 位置检测： 驱动方式： 控制方式： 0180 90()/s 用电位器反馈式 液压驱动（中、低压系统） 可编程控制 250mm/s 70mm/s 0210 90()/s 升降行程（Z）：400mm重复定位精度：3mm37 手部设计基本要求371 手部设计基本要求 （1）应具有适当的夹紧力和驱动力，应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，以便于抓取工件。 （3）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 轻手臂负载。 （4）应保证手抓的夹持精度。372 手部力学分析 通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置 采用常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下手抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩， 从而手抓张开。 下面对其结构进行力学分析：在杠杆 3 的作用下，销轴 2 向上的拉力为 F，并通过销轴中心 O 点，两手指的滑 槽对销轴的反作用力为 F1 和 F2 其力的方向垂直于滑槽的中心线 OO1 和 OO2 并指向 O 点，交 F1 和 F2 的延长线于 A 和 B 。又因为 所以a 手指的回转支点到对称中心线的距离（mm） 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 FN 也随之增大，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=30o40o。 373 夹紧力与驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据，必须以其大小，方向与作用 点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运 动状态变化所产生动的载荷，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式计算： 2 销轴 3 杠杆式中K1安全系数，通常 1.22.0； K2工作情况系数， 主要考虑惯性力的影响， 可按 K2=1+a/g,其中 a 是重力方向的最大上升加速度，a=Vmax /t 响，g 是重力加速度，g=9.8m/s2 。 Vmax运载时工件最大上升速度； t 响系统达支最高速度的时间，一般选取 0.030.5； K3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； 表 1 驱动力与液压缸工件压力关系图作用在活塞上外力 F(N) 50000 2.04.0 4.05.0 5.08.0液压缸工件压力 MPa液压缸工作压力 MPa设 a=40mm,b=80mm,=30o,机械手达到最高响应时间 0.5s,夹紧力 FN,驱动力 F 和驱动 液压缸的尺寸。 （1） 设 K1=1.6 K2=1+a/g 设 Vmax=70mm/s t 响=0.5s根据以上公式得：（2） 根据驱动力公式得：由于实际所采取的液压缸驱动力要大于计算，考虑手爪的机械效率，一般取 =0.850.9。 （3）取 =0.85（4）确定液压缸的直径 D选取活塞直径 d=0.5D,选择液压缸工作压力 P=0.81Mpa. 所以根据液压缸内径系列（JB826-66）,选取液压缸的内径为：D=50mm 则活塞杆直径为：d=0.5D=0.55=25mm. 所以手部夹紧液压缸的主要参数为：液压缸内径 D 50mm 活塞杆直径 d 25mm 工作压力 p 0.8MPa 驱动力 F 859.06N3.7.4 手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为 120o，设手抓长为 100mm，当手抓没有张开角的时候，根 据机构设计，它的最小夹持半径 Rmin=40mm,当张开角为 120o 时，根据双支点回转型 手抓的误差分析，取最大夹持半径 Rmax=60mm。 所以机械手的夹持半径为 4060mm。 375 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 的变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。以棒料来分析机械手的夹持误差精度。 机械手的夹持半径为 4060mm,一般夹持误差不超过 1mm,分析如下： 工件的平均半径： 手抓长 L=100mm,取型夹角 2=120 偏转角按最佳偏转角确定：计算得 式中 因为Ro理论平均半径 RmaxRoRmin所以=0.9391夹持误差满足设计要求。38 机械手腕部设计计算381 腕部设计的基本要求 （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， 又承担联接和支撑作用， 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联接。（3）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。 382 腕部的结构选择 腕部的结构有四种，分别为： （1） 具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构 直接用回转液压缸驱动，实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优点而 被广泛使用。 （2） 用齿条活塞驱动的腕部结构 在要求回转角大于 270o 的情况下，可采用齿条活塞驱动腕部结构。 （3） 具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构 它使腕部具有绕垂直和水平轴转动的两个自由度。 （4） 机液结合的腕部结构 此手腕具有传动简单、轻巧等特点，但结构有点复杂。 本设计要求手腕回转 180o， 综合以上分析考虑， 腕部结构选择具有一个自由度的回转 缸驱动腕部结构。 383 腕部回转力的计算 腕部在回转时一般需要克服以下三种阻力： （1） 腕部回转支承处的摩擦力矩 M 摩 为简化计算，一般取 M 摩=0.1M 总力矩 （2） 克服由于工件重心偏置所需的力矩 M 偏式中G1夹持工件重量（N）。 e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）。（3）克服启动惯性所需的力矩 M 惯 启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度及启动所需时间 t 启，按下式计 算：或者根据腕部角速度及启动过程转过的角度启计算：式中 J 工件工件对手腕回转轴线的转动惯量（N.m.s2）。 J 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量（N.m.s2）。 手腕回转过程的角速度（rad/s）。 t 启启动过程中所需时间，一般取 0.050.3s 。 启启动过程所转过的角度（rad）。 手腕回转所需的总的阻力矩相当于上述三项之和，即：设抓取一根轴，其直径 D=100mm,长度 l=500mm,m1=50kg,当手抓夹持在工件中间位 置回转 180o，将手抓、手抓驱动液压缸和回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，长 h=150mm,半径为 50mm，其所受重力为 G，启动过程所转过的角度启=0.314rad,等速 转动角速度=2.616rad/s 。 圆柱体重力 因为手抓夹持在工件中间位置，所以工件重心到手腕回转轴线的垂直距离为 0， 即 e 等于 0，所以 M 偏=G1e=0 。 由于又因为 所以即 384 腕部工作压力计算 表 2 标准液压缸内径系列（JB826-66） 20 70 110 25 75 125 32 80 130 40 85 140 50 90 160 55 95 180 63 100 200 65 105 250设定腕部的部分尺寸： 根据上表设缸体内孔半径 R=55 mm,外径选择 133mm,考虑到实 际装配问题后，其外径为 180mm，动片宽度 b=66mm,输出轴半径 r=22.5mm 。 表 3 标准液压缸外径系列（JB1068-67） 液压缸内径 20 钢 P160MPa 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 20050 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 24545 钢 P200 MPa 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 由于实际回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩 M 总力矩，即：式中 M 总力矩手腕回转时的总的阻力矩（N.m） P回转液压缸工作压力（Mpa） R缸体内孔半径（mm） r输出轴半径（mm） b动片宽度（mm） 所以 所以腕部回转液压缸主要参数为： 工作压力 P 1MPa 缸体内径 R 110mm 输出轴半径 r 22.5mm 回转力矩 M 13.1N.m 动片宽度 b 66mm385 液压缸盖螺钉计算 表 4 螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系 工作压力 P（MPa） 0.51.5 1.52.5 2.55.0 5.010.0 螺钉的间距 t (mm) 150 120 100 15d）的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。 按强度条件决定活塞杆直径 d 按拉压强度计算：设活塞杆材料为碳钢，碳钢=100120 MPa,取=100 MPa 即 表 5 活塞杆直径系列（JB826-66）4 18 40 75 5 20 45 80 5 22 50 85 8 25 55 90 10 28 60 95 12 30 63 14 32 65 16 35 70根据活塞杆直径系列（JB826-66）选取活塞杆直径 d=8mm 。 所以手臂伸缩液压缸主要参数为：液压缸内径 D 80mm 工作压力 P 1MPa 活塞杆直径 d 8mm 驱动力 F 4720N310 机身升降机构计算3101 手臂偏重力矩的计算图 5 手臂各部件重心位置图 设 所以 设所以偏转力矩 式中重心到回转轴线的距离(mm) 3102 升降导向立柱不自锁条件 手臂在 G 总的作用下有向下的趋势，而立柱导套则防止这种趋势。 由力平衡条件得：所谓不自锁条件为：即因此在设计中必须考虑到立柱导套长度大于 391mm 。 式中 f摩擦系数 h立柱导套的长度 3103 手臂升降驱动力的计算 由手臂升降驱动力的公式得： F 驱=F 摩+F 密+F 回+F 惯G 总 （1） F 摩的计算所以 （2） F 惯的计算 经计算 式中v由静止加速到常速的变化量(mm/s) 。 t启动过程时间(t),一般取 0.01s0.5s 。手臂启动速度v=83mm/s,启动时间t=0.02s,g=9.8N/kg,带入数据得： （3） F 密的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用 O 型密封圈，当液压缸工 作压力小于 10MPa 时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：F 密=0.03F 驱 （4） F 回的计算 一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。 经过以上分析计算，液压缸的驱动力为：所以当液压缸向上驱动时 当液压缸向下驱动时3104 手臂升降液压缸参数计算 经过上面计算，确定了液压缸的驱动力 F 驱，因此选择液压缸的工作压力 P=1MPa,为 了满足要求，此时取 F 驱=1999.2N 进行计算。（1） 液压缸内径计算：当油进入无杆腔：当油进入有杆腔：液压缸的有效面积：所以式中 F 驱手臂升降液压缸驱动力(N) D液压缸内径(mm) d活塞杆直径(mm) 液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取=0.95 P1液压缸的工作压力(MPa)带入数据得： 根据液压缸内径系列（JB826-66），选取液压缸的内径为：D=55mm （2） 活塞杆直径计算 活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求，对于杆长 l 大于直 径 15 倍（l15d）的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。 按强度条件决定活塞杆直径 d 按拉压强度计算：设活塞杆材料为碳钢，碳钢=100MPa 即根据活塞杆直径系列（JB826-66）选取活塞杆直径 d=6mm 所以手臂升降液压缸主要参数为：工作压力 P 1MPa 液压缸内径 D 55mm 活塞杆直径 d 6mm 驱动力 F 1999.2N311 机身回转机构的计算3111 手臂回转液压缸驱动力矩计算 手臂回转液压缸驱动力矩 （1） M 惯的计算 回转部件可以等效一个高 1500mm,半径为 60mm 的圆柱体， 圆柱体重量为 G 总=800N， M 驱=M 惯+M 密+M 回设启动角速度=0.314rad/s,启动时间t=0.1s 。 所以（2） M 密与 M 回的计算 为了计算方便，密封处的摩擦阻力矩 M 密=0.03M 驱，由于回油背差一般非常的小，故 在这里忽略不计，即 M 回=0 。 因此 3112 手臂回转液压缸参数计算 设 b=60mm,液压缸工作压力 P=4MPa,d=50mm,则由得 所以取液压缸内径为 140mm 式中 D液压缸内径(mm) P回转液压缸工作压力(MPa) b动片宽度(mm) d输出轴与动片联接处的直径(mm) 所以手臂回转液压缸主要参数为：工作压力 P 4MPa液压缸内径 D 140mm动片宽度 b 60mm输出轴直径 d 50mm驱动力矩 M 476N.m3113 液压缸盖螺钉计算 由表 4 可以看出螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系： T 为螺钉的间距，间距跟工作压力有关，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为： FQs=FQ+ FQs FQ 为工作载荷， FQs为预紧力 液压缸工作压力为 P=4MPa,所以螺钉间距 t 小于 100mm,试选择 8 个螺钉所以选择螺钉数目合适 Z=8 个，危险截面面积所以 螺钉的强度条件为：式中 D动片外径(mm)螺钉材料的许用应力(MPa) d 1螺钉螺纹内径(mm) 螺钉材料选择 Q235，取s=240MPa,则即螺钉的直径选择 d1=14mm 经过以上的计算，需要螺钉来联接，最终