自动上下料机械手

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。

本论文介绍了用于夹持外圆件的上下料机械手的设计。它采用液压驱动，点位程序控制，动作平稳，控制方便。

本论文主要阐述该机械手的升降和回转的设计和计算。首先从机械手的基础知识介绍有关机械手的组成、分类、腕部及臂部设计、液压控制的多种方案，再从本次设计所要求的功能原理设计开始，对于不同的方案加以比较和论证，从中可确定出最优方案，并采用其方案，在对其的结构设计的基础上，对其驱动力和驱动力力矩进行计算。着重阐述了机身的设计，具体阐述了机械手的设计原则和步骤，分析了设计时应注意的问题，并对机械手的平稳性及定位精度给予详细的论述。设计并分析了该机械手所用的液压控制的方法和过程。由于经验不足，知识有限，难免有误，有待改进。

关键词 机械手；液压；驱动力；定位精度

ABSTRACT

With the development of technology, the human society entered a modern ear for with automation with electronics technique for marking. Automation machine large quantity is applied in industry engineering inside, among them the application of the industry machine hand is the most extensive. The industry machine of a kind of mimicry hand action, can replace a lot of artificials operate, combining can obtain the higher efficiency.

This thesis introduces to used for clipping to hold the outside circle a design for and down anticipating machine hand. It adopts the liquid presses to drive, ordering a procedure control, acting steady, control convenience.

This thesis expatiates the rise and fall of the machine’s hand primarily with the design of the turn-over with compute. Constitute, divide into section form the relevant machine in introduction in knowledge in foundation of the machine hand first, wrist a various projects for and arm department designing, liquid pressing control, start from this design a function for requesting principle, take into the comparison to the different project with the argument, can make sure the superior project from the inside, combine to adopt its project, in as to it’s of the foundation of the construction design, as to it’s driver force and moment proceed the calculation. Emphasize the design that expatiated the fuselage, expatiated the design principle of the machine hand in a specific way with the step, analyzed the problem of design should notice, and give to the steady and fixed position accuracy of the machine hand detailed treatise. Because of experience shortage, the knowledge is limited, difficult do not need the mistake, treat to improve.

Key phrase   manipulator； liquid presses； driving force； fixed position accuracy

目  录

摘要  …………………………………………………………………………  I

绪论  …………………………………………………………………………  1

1  工业机械手的概述  …………………………………………………  3

1.1 工业机械手的分类  ………………………………………………   3

1.2 工业机械手的组成  ………………………………………………   4

1.3 机械手的自由度和坐标形式 ………………………………………  5

2  自动上下料机械手的总功能原理及各部分设计   ……………………  7

2.1 功能原理设计  ………………………………………………………    7

2.2 手部设计  ……………………………………………………………    7

2.2.1手部设计要求  …………………………………………………    8

2.2.2手部结构  ………………………………………………………    8

2.2.3 夹持式手爪的计算  ……………………………………………   11

2.3、腕部设计   …………………………………………………………    13

2.3.1 腕部设计要求  …………………………………………………    13

2.3.2 腕部结构  ………………………………………………………    14

2.4 臂部设计   …………………………………………………………     15

2.4.1臂部的设计要求  ………………………………………………     15

2.4.2臂部的结构  ……………………………………………………     20

2.4.2.1 臂部的伸缩运动结构   …………………………………    20

2.4.2.2 臂部的伸缩油缸的计算   ………………………………    21

2.4.2.3 臂部的回转运动   ………………………………………    23

2.4.2.4 臂部的升降运动   ………………………………………    24

2.4.2.5 臂部升降油缸的计算    ……………………………   25

3  机械手的其它部分装置………………………………………………   28

3.1 行程限位装置   ………………………………………………   28

3.2 缓冲定位装置   ………………………………………………   28

4  机械手的总体方案总结  …………………………………………………   30

4.1 传动方案的确定   …………………………………………………   30

4.2 规格参数   ……………………………………………………   30

4.3 结构特点   ……………………………………………………   30

4.4 机械手的液压传动系统   ……………………………………   32

4.5 机械手的缓冲与定位   ………………………………………   34

参考文献   …………………………………………………………   35

致谢    ………………………………………………………………  36

附录    

绪 论

在现代工业自动化生产领域里，材料的搬运、机床的上下料、整机的装配等是十分重要的工作环节，而实现这些环节的自动化将大大提高生产效率，减少成本。用自动化机械代替人的工作可以减少事故的发生。工业机械手就是为了实现这些环节的自动化而设计的。

自动化上下料装置是散乱的中小型工件毛坯经过定向机构实现定向排列，然后顺次地由上、下料机构把它送到机床或工作位置去，并把工件取走。如工件教大，形状复杂，很难实现自动定向，则往往通过人工定位后，再有上下料机构送到工作地点去。

在成批大量生产中，尤其要求在生产率很高，机动工时很短的情况下，单纯的上下料装置很难满足要求，机械手就是在上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置。开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化。随着应用范围不断扩大，现已用来操作工具和完成一定工作，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高生产效率。

目前我国研制使用的工业机械手大多数是属于专用机械手，仅有少量的通用机械手。由于通用机械手改变工作程序比较方便，特别适用于多品种、小批量的生产。

通用机械手在工业生产中的应用只有二十来年的历史。这些装置在国外得到相当重视，到七十年代，其品种和数量都有很大的发展，并且研制出了各种具有感觉器官的工业机器人。

我所设计的是生产线用上料机械手。是为精锻机设计的配套自动送取锻料设备。属于圆柱坐标式，全液压驱动机械手，具有手臂升降，收缩，回转和手腕回转4个自由度，执行机构由手部,手腕，手臂伸缩机构，手臂升降机构，手臂回转机构组成。它开始工作是被加热的坯料由运输车送2到上料位置后，自动上料机械手3将热坯料搬运到立式精锻机1上锻打，其成品锻件由下料机械手4从立式精锻机上取下并送到转换机械手5上，转换机械手先把锻件翻转 成水平位置，由炳烷切割装置6将两端切齐，切割完毕，转换机械手的手臂再水平回转 ，将锻件水平放置到下料运输装置7上，运送到车间外面的料仓库进行冷却。自动上料机械手3在此精锻生产线上可以完成取料、喂料和变换工位等动作。其配置如图。

自动上料机械手配置示意图

1  工业机械手的概述

1．1、工业机械手的分类

工业机械手目前在国内是专用机械手和通用机械手的统称。

专用机械手是指附属于主机、动作程序固定，一般没有独立控制系统，只做专门用途的自动抓取或操作装置。

通用机械手（国外泛称工业机器人）是指程序可变的、独立的、自动化的抓取或操作装置。

目前多机械手尚无明确的分类标准，全国各地区尚未统一，我们按目前应用比较多的两方面进行分类：

（一）按搬运的工件重量（或称臂力）分类

1．小型的——臂力在1公斤以下；

2．中型的——臂力在1~30公斤以内：

3．大型的——臂力在30公斤以上。  

目前大多数的工业机械手其搬运重量为中型的。

（二）按机能分类  

1．简易型通用机械手  

有固定程序和可变程序两种。固定程序由挡块或凸轮转鼓控制；可变程序用插销板来给定程序。

这种机械手多为气动或液压驱动，结构简单，成本较低，改变程序较容易。只适用于程序较简单的点位控制，实现重复性操作作为一般单机服务的搬运工作也完全够。目前这种机械手的数量最多。

2．示教再现型通用机械手

这种机械手由人工通过示教装置领动一遍，或者预先操作给定一遍，称为示教。它由磁鼓（或磁带、磁芯）把程序记录下来，以后机械手就自动按记忆的程序，重复地进行循环动作。

这种机械手多为电液伺服控制。与前者比较，这种机械手可有较多的自由度，有可能实现连续轨迹控制，能进行程序较复杂的作业，通用性较大。

3．具有视觉、触觉的通用机械手

这种机械手由电子计算机控制，装有电视摄像管和传感器等，因而具有视觉、热感、触觉等。

1.2、工业机械手的组成

工业机械手的结构有简单的也有复杂的。但从结构形式分析，主要有执行机构、驱动机构、位置检测装置和控制系统等组成。

（一）执行机构

它包括手部、腕部、臂部、立柱和基体等构件组成：

1．手部——是夹持工件的构件。它由手爪和夹紧装置两部分组成。手爪有夹紧和松开动作。夹持式手爪的形式和人的手指相仿。另外还有真空和电磁吸盘（相当于手爪），用来吸取表面光滑的零件或薄板。有的手爪还可以夹持一些专用工具，如喷枪、扳手、焊接工具等。

2．腕部——是联接手部和臂部的构件，起支撑手部的作用。它可以有俯仰、左右摆动和回转三个运动。特殊情况下可以增加一个横向移动。有的机械手没有手腕动作。  

3．臂部——是支撑手部、腕部的构件。机械手的臂部是为了取代人的手臂而研究设计的，但是它却达不到象人手臂的灵巧和适应功能。因此，只有把结构简化，把运动轨迹分为沿三坐标轴线方向往复移动和绕三坐标轴线进行回转。一般手臂具有前后伸缩、左右回转、上下升降或上下摆动等几个运动。根据需要可选其中一个、二个或三个运动。  

4．立柱——是支撑手臂等构件的。一般机械手的立柱为固定不动的，也有的因工作需要立柱作横向移动，此种称可移动式立柱。

5．行走机构——机械手要求完成较远距离的操作时，可增加滚轮、轨道等行走机构。

（二）驱动系统

驱动系统是驱动臂部、腕部、手部的动力源。它有气动、液压、电力和机械式等四中形式，由直线缸、回转缸、各种阀、管及管接头等组成。

（三）控制系统      

控制系统是机械手的重要组成部分，它是支配机械手按规定程序、行程和速度进行运动的装置。它必须保存或记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序，到达位置和时间信息）。机械手工作时根据这些信息对机械手的执行机构按程序发出控制指令，必要时还可以多机械手的动作进行监测，当动作错误或发生故障时可发出警告信号。

（四）行程位置检测装置

行程位置检测装置的作用是控制机械手每个运动的运动位置，或将运动系统的位置反馈给控制系统，再由控制系统进行调节，使机械手实现位置精度的要求。

（五）辅助装置

1．基体——是机械手的基础部分。机械手的执行机构各部件，驱动系统都安装在基体上，它起支撑作用。

2．油箱——用来储存油和供油的装置，并使油散热和杂质沉淀。

3．气缸——贮存压缩空气。

1.3、机械手的自由度与坐标形式

机械手的运动可分为整机运动、本体运动、臂部运动、腕部运动、每个运动坐标称为自由度。

一个机械手有几个运动就叫有几个自由度。手爪的抓取动作（指的是手爪的夹紧和松开）不计在自由度数目内。

1．整机运动

是指整个机械手作为一个整体运动，如整机行走。

2．本体运动

是指机械手的本体部分运动，如本体横向运动（整个手臂沿Y坐标轴的移动），可参看图1-1。

3．臂部运动

臂部一般有三个自由度，即臂部直线运动、回转运动和上下摆动运动。它分四种坐标形式，即：

图1-2 四种坐标形式示意图

直角坐标式用（X、Y、Z）表示，机械手的臂部可做前后、左右、升降三个移动，如图1-2a所示。这种坐标形式直观性好，结构简单，但惯性较大，占用的空间也较大，一般多安装在架空的梁上。

圆柱坐标式用（X、Z、C）表示，见图1-2b，它有二个移动（伸缩和升降）和一个转动。这种坐标直观性较好，结构简单，所占空间较小，动作范围较大，是应用最多的一种。

球坐标式用（X、B、C）表示，见图1-2c，它有一个移动（手臂伸缩）和两个转动（左右回转和上下摆动）。这种坐标形式结构较复杂，但惯性不大，本体所占的空间较小，动作范围比圆柱坐标式更大，在通用机械手中应用较多。

多关节式用（ 、 、 ）表示，见图1-2d，它有三个转动（左右旋转、两个关节旋转）。这种坐标形式运动件的惯性较小，本体占空间不大，而动作范围大，并且可以绕过障碍物抓区工件，但是其结构复杂，位置精度难于控制，故应用比较少。

4．腕部运动

基本上有三个自由度，如图1-3所示。绕X轴的运动叫回转运动；绕Y轴转动叫俯仰运动；绕Z轴运动叫左右摆动。

要确定抓区工件的空间点位及方位坐标，有臂部三个自由度和腕部三个自由度就足够了。

                               图1-3 手腕运动示意图

2   上下料机械手的总功能原及各部分的设计

2.1、功能原理设计

功能原理设计是针对某一确定的功能要求，寻求一些物理效应并且借助某些作用原理来求得一些实现该原理的解法原理。其特点是对于某一产品的特定的工作能力进行抽象化描述，是指某一机器所有的转化能量特性和其他物理特性。其描述方法较像工程学中常用的“黑箱”法来描述。

任何一个技术系统中都有输入和输出，把技术系统抽象成黑箱。起输入用物料流M、信息流S、和能量流E、来描述其输出用相应的M`、S`和E`来描述。