弹性机械手设计

说明书绪 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，弹性机械手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。弹性机械手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。弹性机械手配置示意图1 工业机械手的概述11、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130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 弹性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。操作指令 S S 显 示物 料M M送到机床电 气 能E 功能原理设计是一种综合。综合是不能有任何方法可循的。它能要求解决的问题是有很多 解的问题。它既不是只有唯一解，又不是绝对无解，而且也很难得到绝对理想的解。一般来说，在构思阶段，应尽可能收集各种可能的解法，以便在众多的解法中选出较多满意的解决方法来。总功能分解成若干个功能元素为：夹持 松开 上升 下降 伸 缩 转位 复位根据仿生学的原理，机械手的功能单元可以分为：A：手指夹紧、松开工件；B：手腕回转、平移、俯仰等功能；C：手臂伸缩使工件沿直线运动；D：底座（机身）升降手臂，回转手臂；E：缓冲器于定位回转、升降、伸缩、缓冲、定位；F：电气控制部分控制各部分协调动作；2.2、手部设计机械手的手部是用来抓取并握紧工件的，它包括手爪和夹紧装置两部分。夹持工件的迅速、灵活、准确和牢靠程度，直接影响到机械手的性能，是机械手的关键部件之一。2.2.1手部设计要求：1手部应有足够的夹紧力。除工件的重力外，还要能不使工件在传递过程中松动或脱落；2夹持范围要与工件相适应。手爪的开闭角度（手爪张开或闭合时的极限位置所摆动的角度）应能适应夹紧较大的直径范围；3夹持精度要高。既要求工件在手爪内定位准确，又不夹坏工件的表面。一般需根据工件的形状选择相应的手爪结构：如圆柱形工件应采用带V形槽的手爪来定位；对于工件表面光洁度要求较高的，应在手爪上镶铜、夹布胶木或其它软质垫片等；4夹持动作要迅速、灵活；5手部结构要简单紧凑、刚性好、自重轻、易磨损处应该便于更换，在腕部或臂部上安装要方便，更换要迅速。2.2.2手部的结构手爪的类型大致分为下列三种：1夹持式手爪：根据手爪的动作可分为回转型和平移型；根据手指的数量可分为双指式和多指式；根据夹持工件的方法又可分为外卡式和内胀式两种。2吸附式手爪：分为真空吸盘式和电磁吸盘式两种。真空吸盘式又可分为真空泵式和气流负压式。3带视觉或触觉的手爪。根据所设计课题的要求，该机械手是用于生产线上下料的，其抓取的工件是外圆件，所以可以不考虑吸附式手爪和带视觉或触觉的手爪。所以重点在于夹持式手 图2-1杠杆滑槽式手爪结构爪。 下面介绍一些常用的夹持式手爪结构。1 杠杆滑槽式手抓结构图2-1是其一种杠杆滑槽式手爪结构，它通过活塞杆1的销2推动手爪使之张开，活塞向右移动使手爪闭合。图2-2也是一种杠杆滑槽式手爪结构，其原理同图2-1一样，只是工件形状不同 手爪夹持部分改变相应形状。 图2-3是适用于夹持模锻或铸造的毛坯的杠杆滑槽式手爪结构。毛坯上的拔模斜度往往造成夹紧后在移动过程中从手爪中甩掉，所以增加了一块背板，并用平头螺钉压住，调整合理的间隙，使其手爪只能按夹紧的方向运动而不致扭动。在背板上安装三个弹性定位销，以保证工件的稳定图2-2 夹持菱形工件 定位，在手爪上安装的V形活动钳口，可根据夹持不同直径的工件进行更换。杠杆滑槽式手爪结构应用的比较多，其特点是结构简单、动作灵活、手爪开闭角度大、夹持工件范围较大。 2 连杆式手爪结构图2-4是其一种连杆手爪结构，它有两副手爪，分别抓在已加工的两个轴颈上，手爪的夹紧与松开，由油缸和杠杆机构带动，杠杆连接于活塞杆末端，当活塞上下运动时通过杠杆的作用驱使手爪夹紧与松开，以便完成抓取动作，工件在手爪内可以自由摆动，借其本身重心位置，使弯头总是向下方。 图2-3 杠杆滑槽式手爪结构 图2-4连杆式手爪结构图2-5是抓取两个工件的连杆式手爪结构，设计应用单向活塞以简化油路。图示位置为夹紧状态，靠弹簧松开工件。图2-6是为抓取短台阶式圆形零件而设计的连杆式手爪结构，为了减少由于偏重力矩而引起夹紧不稳的情况，在手爪上设计了一个支持小圆柱形台阶的托板。图2-5 抓取两个工件的连杆式手爪结构 图2-6连杆式手爪结构图2-7是为既可抓取大直径的工件，又可以抓取小直径的圆柱形工件而设计的双活塞连杆式手爪结构。从图2-7中看出，活塞的运动在抓取不同直径的工件时是不一样的。当抓取小直径工件时，活塞是向下夹紧，向上是松开，如图2-7b，当抓取大直径工件时，如图2-7a所示，则活塞向上是夹紧，向下是松开。上面介绍的几种结构所夹持的工件，都是圆形或者是对称物体，对于非对称或者异形的工件， 需要对手爪做相应的设计。图2-8是夹持非对称工件的手爪结构图，为了简化管路设计，采用单向活塞，用弹簧推动活塞使手爪松开。 图2-7 双活塞连杆式手爪结构连杆式手爪结构的特点是夹紧力大，各机件间的连接用圆柱销，磨损较小，若设计得当可自锁。但结构比较复杂，手爪开闭角度较小，适用于抓取重量较大的工图2-8连杆式手爪结构 件。3齿轮齿条式手爪结构图2-9是齿轮齿条式手爪结构图，可用液压或气压驱动，夹紧油缸图2-9 齿轮齿条式手爪结构活塞杆上加工出齿条，当活塞向左移动推动中间齿轮旋转，中间齿轮又带动扇形轮夹紧工件。图示位置为夹紧状态，若前腔进油则使手爪松开。图2-10是夹持板块用齿轮齿条式手爪结构，为了保持较大的夹紧力和手爪运动时保持平行移动，采用了双支承板结构。图2-11是用弹簧复位的齿轮齿条式手爪结构图。它是由活塞杆上的齿条，直接推动扇形轮爪，而使轮爪松开。在弹簧的拉力下使手爪常处于夹紧状态。图2-12是另外一种常弹簧复位的齿轮齿条式手爪结构。它 图2-10 夹持方形工件齿轮齿条式手爪结构 是在活塞杆上安装圆形齿条，当活塞向右移动，齿条推动轴上的小齿轮旋转，而在轴上的小齿轮上镶个扇形轮，扇形轮旋转带动小齿轮旋转，小齿轮带动爪体往中心平行移动，使手爪卡紧工件。当需要松开时，驱动源压力消失，由于爪体内两个弹簧力推动向外移动，推动相应齿轮系反响旋转，与活塞内弹簧力一起使手爪松开。 图2-11 齿轮齿条式手爪结构齿轮齿条式手爪结构特点是动作灵活，手爪开闭角度大，夹持范围大，但 是齿轮齿条结构，两个齿轮对称性的调整比较困难，这种结构夹紧力小，因此多适用于中小型重量的工件。 除了以上几种手爪结构外，还有锥体图2-12 齿轮齿条式手爪结构 杠杆式手爪，长轴多爪式手爪结构，平移式手爪结构，锥体杠杆式内孔夹持手爪等。 2.2.3 夹持式手爪的计算1夹紧力的计算夹紧力 式中： 安全系数一般取1.22；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可以近似的按下式估算，其中为被抓取工件的最大加速度，为重力加速度； 方位系数； 被抓取工件的重量 kg。根据本次所设计的手爪结构 设 =1.5， 所以 =2.56 KN 取 2确定油缸直径D 因为 选取活塞杆直径d=0.47D，压力油工作压力， 所以 mm 根据油缸内径系列（GB2348-80）取油缸内径为 则活塞杆直径为： 2.3、腕部设计 腕部是连接手部和臂部的构件，它有独立的自由度，使机械手适应复杂动作的要求。腕部的动作有绕X轴运动称为回转；绕Y轴运动称为俯仰；绕Z轴运动称为左右摆动；还可有沿Y轴方向移动的自由度。2.3.1腕部的设计要求：1腕部自由度的选取 在臂部运动的范围内，当可以满足抓取工件和传送工件等要求时，应尽可能不设计腕部的运动。这样，则可使机械手结构简单、制造方便和成本降低。根据抓取对象和机械手的坐标形式的需要，可增加腕部的自由度。如腕部的回转运动，这是在手爪夹持工件后，需要翻转角度，或者机械手从一个工位转到另一个工位时，需要工件翻转。若是采用臂部回转则使机械手的稳定性降低，因为，臂部长度大，回转时少有偏心（特别是高速回转时），使机械手的离心力增加，臂部振动加大，影响定位精度。因此，应设计腕部的回转。若机械手是球坐标形式，腕部应设计具有俯仰运动，以保证手爪处于水平位置，不影响手爪的工作。还要根据加工工艺的要求，设计腕部在Y轴方向的移动运动。如机械手将工件送到某一工位后，需要把工件定位夹紧，为使机床运动简化，而要求腕部沿Y轴方向做少量的移位的运动。如用顶尖支承的轴类零件，在用机械手取下工件时，为脱离主轴顶尖而需要有腕部的横移运动。总之，腕部自由度的选取应在臂部自由度确定以后，再根据工件的料道位置、工艺要求、应用范围及制造成本等方面的综合分析，以确定最佳的方案，确定出腕部合适的自由度数。2腕部的动作要灵活、自重要轻在设计腕部结构时，应力求结构简单紧凑，减轻结构的重量。机械手配合机器运转，腕部的动作时间往往在几秒钟以内，甚至不超过一秒，所以腕部一定要灵活，在保证构件的强度和刚度的条件下，回转件尽量采用滚动轴承或滚柱，减少阻力，降低摩擦。3 腕部运动位置要准确手腕的回转、俯仰与左右摆动等运动位置都要求准确，除对零部件配合精度严格要求以外，要采取措施消除传动部件之间的间隙。根据需要可设置位置检测元件，来控制手腕的准确位置。2.3.2腕部的结构：1腕部回转运动结构（1）用回转缸实现小于的回转运动用回转缸的结构实现腕部的回转，图2-13是其 图2-13手腕回转结构图应用的一例。图中件号9为回转油缸的动片，它的回转带动两手爪6驱使工件翻转或。应用回转缸使腕部回转的机械手较多，因其结构简单。（2）用齿轮齿条实现腕部的回转结构图2-11是其中一种结构图，它的动作过程是：两个手爪与齿轮轴7连在一起，当发出回转信息后，液压油推动活塞杆8移动，活塞杆的齿条推动齿轮轴7使手爪回转。2腕部左右摆动结构根据工件的工艺要求，需要手腕做左右摆动。对于抓取非中心对称的工件，当手臂回转时，工件方位变化，往往需要用手腕左右摆动予以补偿。本次设计的机械手，它的腕部只需实现小于的回转运动，因此可以采用回转油缸。图2-14是实现该腕部运动的回转油缸的截面图。回转油缸的两个油孔分别进压力油时，推动动片连同转套一起回转，转套的端部通过牙嵌式联轴器把旋转运动传递到回转轴，转轴端部的法兰盘与手部用螺钉联结，故手部和转套即实现手部的回转运动。手腕回转油缸其摆角可达，实际使用为，其位置检测由行程开关实现，并由挡块定位。图2-14 手腕回转油缸截面图为了使手部夹持热工件的手指远离油缸，此处采用了隔离套，减少热锻件的热量对油液的影响，以保证油缸的正常工作和密封。2.4、臂部设计 臂部是机械手完成各项动作的执行机构，也是其运动部分的主体。 在上面分析了机械手的四种坐标形式，综合这四种坐标形式运动的目的，是想达到人的手臂的功能，但是目前技术还是做不到的，因而把运动方式转化为直线移动和旋转运动，这样臂部的结构也就比较简单了。臂部和机座相连，可固定在地面上、机器上或悬挂在横梁滑道上以及可行走的机架上。臂部前端连接腕部或直接连接手部。臂部的作用在于将手爪移动到所需的位置和承受工件、手部和腕部的重量。所以，臂部的结构性能、工作范围、承载能力和动作位置精度直接影响机械手的工作性能。臂部一般有以下几部分组成：（1）动作元件：如直线缸、回转缸、齿轮齿条、连杆凸轮等，它是驱动手臂运动的元件。动作元件与驱动源相配合，就能实现手臂的各种运动。（2）导向装置：手臂在静止状态，要承受由夹持工件重量所产生的弯曲力，以及由于载荷不平衡而产生的扭转力矩M。在运动时又有一个惯性力，为保证手爪的正确位置和动作元件不受较大的弯曲力，手臂必须设置导向装置。（2）臂：手臂上的动作元件、导向装置和其他装置都要安装在臂上，起支承、连接和承受外力的作用。所以需要臂具有足够的刚性，以免承重后发生形变产生颤动。（4）其他装置：如管路、冷却装置、位置检测机构等。2.4.1 臂部设计要求臂部设计首先要求实现所要求的运动，为了实现这些运动，需要满足下列几项要求。1臂部应承载能力大、刚性好、自重轻根据上述要求，在设计手臂时，要对其进行挠度计算，其变形量应小于许可变形量。我们知道悬臂梁（应当指出机械手的手臂结构不是悬臂梁）的挠度计算公式为： 式中：挠度； 弹性模数； 载荷； 惯性矩； 悬臂长。从上式可知，挠度与载荷、悬臂长成正比，而与弹性模数、惯性矩成反比。在与值已确定的情况下，只有增大值，才能减少梁的弯曲变形，而碳钢和合金钢的值差别不大，在之间。所以，为了提高刚度，从材质上考虑意义不大，主要应选用惯性矩大的梁。现把几种常用梁的惯性矩列表比较如下（见表2-1）。从表2-1可知，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多，所以，机械手中常用无缝钢管作导向杆，用工字钢或槽钢作支撑板。这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重。名称截 面 形 状截 面 积（）每米重量惯性矩为圆钢的几倍圆钢钢管工字钢（16号断面）槽钢（20号断面）表2-1 几种常用梁的惯性矩比较（以一种截面为例） 为了加大刚性，还应该采取以下措施：（1）在设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低因此应尽可能使结构简单。要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理确定补偿环，以减少重要部位的间隙，从而提高刚性。（2）全面分析手臂的受力情况，合理分配给手臂的各个部件，避免不利的受力情况出现；（3）水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合和相对位置精度，使导向杆承受部分或大部分自重和抓取重量；（4）提高活塞和刚体内部配合精度，可以提高手臂在前伸缩时的刚性。2臂部运动速度要高，惯性要小机械手的运动速度一般是根据生产节拍的要求来决定的。确定了生图2-15手臂运动过程曲线产节拍和行程范围，就确定了手臂的运动速度（或角速度）。在一般情况下，手臂的移动和回转均要求匀速运动（V和为常数），但在手臂的起动和终止的瞬间，运动是变化的。为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前的减速度不能太大，否则引起冲击和振动。手臂的运动过程曲线如图2-15所示。图中所示的A点为起动位置；B点为开始缓冲位置；C点为行程终点；和为起动时间；和为制动（缓冲）时间；和为运动周期。图2-15a所示，为机械手的运动部分到达行程终点的瞬间，加速度的值依然很大（图示的或），因此，惯性力必然很大，这势必引起强烈的冲击，这样的运动曲线应该设法消除的。若将该机械手的运动过程按图b所示，并设=，行程相等（即两条速度曲线，所包含的面积相等），则（或）必然大于（或）。按图b所示的过程运动时（或）小于（或），并且在行程终点的加速度值为零，因此停止的瞬间是无冲击的，这是较理想的运动方式，但是，因加速度是变化的，设计时也比较复杂。对于高速运动的机械手，为了满足动作节拍的要求，其最大移动速度设计在10001500毫米/秒，最大回转角速度设计在180度/秒内，在大部分行程距离上平均移动速度为1000毫米/秒左右，平均回转角速度为90度/秒左右。如果在图2-15中减少起动时间和制动（缓冲）时间，则可缩短整个运动时间，提高生产率。但是缩短和就会增加冲击力，影响机械手的定位精度。所以，必须采取减少惯性冲击力的有效措施。手臂伸缩时产生的惯性力为： 式中： m 质量； a 加速度； G 手臂运动件重量； g 重力加速度（9.81米/秒2）； 起动或制动前后的速度差；起动或制动所需的时间；手臂回转时产生的惯性力矩为： 式中： 角加速度； 起动或制动前后的角速度差； J 臂部回转对回转中心的转动惯量； 臂部零件对其重心的转动惯量；臂部零件作为其重心位置的质点对臂部回转中心的转动惯量。回转半径。计算时，可以把形状复杂的零件划分为几个简单的几何形状来计算。在有关书中可分别查出其的计算公式。从上述公式可知，减少惯性力矩，可采用下列措施：（1） 减少手臂运动部件的重量，如采用铝合金等轻质材料；（2） 减少手臂运动件的轮廓的尺寸，使手臂结构紧凑小巧；（3） 减少回转半径，在按排动作顺序时，一般是先缩会再回转或尽可能在较小前伸位置下进行回转动作。（4） 驱动系统中加缓冲装置。3臂部动作要灵活要使手臂运动轻快灵活，手臂的结构必须紧凑小巧，或在运动臂上加滚动轴承或采用滚珠导轨。对于悬臂式机械手手臂上零件的布置要合理，以减少回转升降支撑中心的偏重力矩。不然，会引起手臂振动，严重时会使手臂与立柱卡住别坏。对于双臂同时操作的机械手，应使两臂布置尽量对称以达到平衡。4位置精度要高手臂的刚性好，偏重小，惯性力小，则位置精度就容易控制，所以设计手臂时要周密考虑和计算，还要合理的选择机械手的坐标形式。一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高；关节式机械手的位置最难控制，精度差；在手臂上加设定位装置和自动检测机构，来控制手臂运动的位置精度；还要减少或消除各传动、啮合件的间隙。2.4.2臂部结构手臂的运动是整个机械手运动的关键。本次设计的机械手，手臂需要完成三个运动，即手臂的伸缩、回转和升降运动。2.4.2.1 臂部伸缩运动结构手臂的伸缩运动是一种往复的直线运动，实现这种运动可以采用往复直线液压缸结构、多级油缸结构、滚珠丝杠结构、直线缸和齿轮齿条传动机构等。（1） 往复直线缸结构图2-16 往复式直线油缸结构在机械手中，实现往复运动采用直线缸结构的最多。图2-16所示为该机械手所采用的一种手臂，它也是往复直线油缸结构。活塞杆的一端固定在中间架体上，油缸固定在滑枕上。当压力油经油孔a、b分别进入油缸的两腔时，油缸体带动滑枕在燕尾形导轨内实现手臂的往复运动，其行程大小靠挡块和组合行程开关来调整，伸出端装有可调式定位螺钉，确保定位精度。手臂伸缩的导向装置采用燕尾形滑枕，导向性好，手臂刚度大，工作是运动平稳。油缸的输油管路采用伸缩油管型式，保护了油管，但是工艺性较差。（2）多级油缸结构这种油缸用在传送机构上较好，用在机械手上，其活塞杆的刚性不好，挠度大，影响位置精度。（3）滚珠丝杠结构有的机械手用电机带动滚珠丝杠，实现手臂的直线传动。滚珠丝杠与油缸驱动相比有下述优点：滚珠丝杠的摩擦损失小，一般其传动效率在90%以上；滚珠丝杠灵敏性高，不易产生爬行现象，定位精度高；由于电机直接（或经减速齿轮组）连接丝杠，丝杠直接传动，故油缸刚性好；用于同样的距离，滚珠丝杠占用空间更小。滚珠丝杠的缺点是成本高，由于滚珠丝杠的传动效率高，所以基本上没有自锁作用。2.4.2.2臂部伸缩油缸的计算（1）液压缸主要参数的确定液压缸的工作压力为p=2.94Mpa，推力F=12000N 液压缸的机械效率，一般取=0.95 ， 则 按标准取 d=40mm ；D=80mm则液压缸的有效面积 无杆腔 有杆腔 （2）缸筒壁厚计算一般按薄壁缸筒计算，壁厚按下式确定 式中 D液压缸内径（m）； p液压缸最高工作压力（MPa）； 缸筒材料的许用应力（MPa），=； 材料的抗拉强度极限（MPa）； n 安全系数，一般可取5。 设计壁厚为，足以满足要求。（3）活塞杆直径计算 取d=40mm按强度条件校核现d=40mm9.28所以强度满足要求。（4）液压缸的流量计算流量有杆腔 则 2.4.2.3臂部回转运动臂部的运动，除了手臂的前后伸缩运动外还有回转运动。本次设计的机械手，它的臂部的回转运动是一种单回转运动。有的机械手不是单回转运动而是复合式的运动，在此不考虑复合运动。实现单回转运动可以有以下几种方案。（1）回转缸回转缸又称摆动缸。应用回转油缸要比齿轮齿条带动机械手回转结构简单，轻巧美观。但是，由于回转缸的动片与缸体之间配合精度要求较高，加工比较困难，如果精度达不到要求，就会造成严重泄漏，影响正常运转，必须严加密封。（2）齿轮齿条直线缸回转结构齿轮齿条结构是通过齿条的往复运动，带动齿轮回转，其驱动源可以是液压或气压驱动。（3）回转油缸行星齿轮结构它是由回转油缸（摆角），动片与转轴固接在一起，转轴用键与行星齿轮联结，中心轮套在基座上，中心轮是固定不动的。回转油缸与手臂固结在一起。驱动回转油缸回转又带动手臂绕O-O轴回转，形成转臂，故行星轮，中心轮和手臂组成一个行星轮系。这个传动是降速的，如行星轮回转为角度，则手臂转角为： 式中： 行星轮的齿数； 中心轮的齿数。 这种结构的优点是：由于它的回转传动是降速的，因此扭矩大，同时定位精度也较高；它装在外部调整使用方便，维修容易。 （4）链条链轮结构图2-19是单缸驱动的链条链轮回转运动示意图。若压力油从缸的左侧进入，推动活塞向右运动，这样，驱使输出回转顺时针回转。反之，压力油从油缸右侧进入，推动活塞左移，链条经链轮使输出轴沿逆时针回转。通过对以上几种方案的了解和论证，回转油缸行星齿轮结构的方案最优。该机械手的臂部回转结构采用行星齿轮结构。2.4.2.4臂部升降运动一般圆柱坐标式，直角坐标式有升降运动，球坐标式有时为了增加提高高度，也有升降运动。由于本次设计的机械手采用的圆柱坐标式，所以，手臂的升降运动是必不可少的。（1）升降运动机构配置形式 a升降机构设在机座内 对于中小型规格机械手，多采用这种结构，手臂靠自重下降。 b升降机构设在机座上方 一些机械手的升降行程比较大，需设计立柱式结构，支撑升降运动机构，其轮廓尺寸相对比较大。但是在升降行程较大的情况下，手臂悬伸在最大位置时，使手臂对驱动点的偏重力矩很大，不利于升降运动。图2-20为其机构示意图。 c升降机构放在可缩放的 机构的平台上 这种结构的优点是整个机形高度可以较低，手臂的高度大致就是机械手的高度，手臂回转的转动惯量可以较小，不需升降导向支撑，结构比较紧凑，提升行程大。图2-21 升降机构设在机座上方d升降机构采用直线缸本次设计的机械手手臂升降机构也采用直线缸，它的结构如图2-21，它设有导向套，其导向性能好，刚性大，工作平稳，活塞杆顶部为球铰 图2-21机械手的升降液压缸结构图链连接，当导套因负载偏斜时，不致于活塞杆歪斜。2.4.2.5臂部升降油缸的计算（1）液压缸主要参数的确定液压缸的工作压力为p=2.94Mpa，推力F=24000N 液压缸的机械效率，一般取=0.95 ， 则 按标准取 d=115mm ；D=60mm则液压缸的有效面积 无杆腔 有杆腔 （2）缸筒壁厚计算一般按薄壁缸筒计算，壁厚按下式确定 式中 D液压缸内径（m）； p液压缸最高工作压力（MPa）； 缸筒材料的许用应力（MPa），=； 材料的抗拉强度极限（MPa）； n 安全系数，一般可取5。 设计壁厚为，足以满足要求。（3）活塞杆直径计算 取d=60mm按强度条件校核现d=40mm13.1mm所以强度满足要求。（4）液压缸的流量计算流量有杆腔 则 3 机械手的其它部分装置3.1、行程位置检测装置 行程位置检测装置的作用，是控制机械手的运动位置，或是利用检测装置，通过控制系统对机械手的运动位置进行控制。如把运动系统的位置反馈个控制系统，再由控制系统进行调节，使其运动停止在规定的位置上，以保证对机械手运动的定位精度。现举一个应用电液比例阀（或电液伺服阀）的反馈控制为例，用方框图表示： 检测装置把实际位置信号反馈给控制系统进行比较，差值送入放大器，控制电液比例阀的流量或压力，使机械手平稳准确停在预定位置上。检测装置应用有电位器、编码器和刚性机构等。机械手的定位精度指的是频繁的往复运动中的重复定位精度。影响保持一定的定位精度的误差是很多的：如手臂的刚性、油液的温度变化、位置检测元件的类型及执行环节的误差等，都对重复定位的精度有严重影响。由于机械手应用在不同的环境，而且大多数是应用在周围环境比较恶劣的现场中，因此，对行程位置检测装置有以下几点要求：在机械性能方面：要结构简单、刚性好、体积小、寿命长和维修方便；在使用环境方面：要能在振动、油污等条件下稳定和可靠地工作；在电气性能方面：要有高的抗干扰能力，高精度，长期使用是精度不变。行程位置检测装置有机械的、模拟的和数字的三种。在本次设计的机械手中采用了机械式的位置行程检测装置。 3.2、缓冲定位装置 专用机械手以及简易的通用机械手常用的缓冲方法，可大致分为内缓冲和外缓冲两种。内缓冲是在驱动系统内设置缓冲环节，例如在油路中设置缓冲回路、缓冲元件，在油缸设置缓冲机构。大多数液压驱动的机械手采用内缓冲的方法。外缓冲是在驱动系统之外设置缓冲机构，如液压缓冲器等。气压驱动的机械手由于空气的可压缩性大，速度平稳性差的特点，大多数采用外缓冲的方法。在该机械手中，采用了图3-1所示的缓冲机构。该机构有缓冲室，可调节流阀（缓冲调节阀）、单向阀组成。当活塞杆前进到图示位置时，油被封闭在缓冲室内，因而产生背压力，在此压力作用下活塞减速，图3-1可调式油缸端部缓冲机构即运动部分的动能逐渐被缓冲腔内的油所吸收。调节针状螺钉就可以改变缓冲腔内油的溢出情况，从而使活塞的速度能按所要求的方式衰减。当反向运动时，高压油推动缓冲柱塞，并顶开钢珠进入油缸，因此，起动力大而缩短了起动时间。4 机械手总体方案总结4.1、传动方案的确定考虑到圆柱坐标式的占地面积小而动作范围大的特点，决定采用圆柱坐标式。该机械手的抓取工件为外圆形棒料，由于棒料有定长和掉头的要求，姑机械手应设计一个手腕180度的回转运动，这样此机械手就需由手臂升降，伸缩，回转和手腕回转四个自由度，才能满足上料的动作要求。4.2、规格参数臂力 60千克定位精度 3毫米自由度范围速度停止位置数手臂伸缩手臂回转手臂升降手腕回转500毫米200度600毫米180度200毫米/秒30度/秒150毫米/秒120度/秒2222坐标形式 圆柱坐标驱动源 液压驱动控制方式 程序控制4.3、结构特点1.机械手伸缩运动结构此机械手手臂伸缩采用双作用式单杠活塞油缸，伸缩动作是由缸体运动实现的，活塞杆固定不动，其伸缩行程为500毫米，伸缩缸体安装在带燕尾型的滑枕上，他们一起由手臂坐支承，燕尾型滑枕还有导向作用，手臂的刚度大，工作时运动平稳。油缸的输油管路采用伸缩油管形式，避免外露且安装方便。在手臂伸出端安装可调的定位螺钉，确保送料精度。2手臂的回转运动结构手臂的回转采用回转油缸，油缸摆角为230度，使用在220度以内，回转油缸的动片与输出轴固联，输出轴通过键与行星齿轮联结，回转油缸的壳体与手臂坐固联，当回转油缸的动片回转时，带动输出轴和行星齿轮自转。由于行星 齿轮与相对固定的中心轮捏合，迫使行星齿轮又产生一个公转，从而带动手臂坐也绕OO轴线回转，即为手臂的水平回转运动。回转油缸露出机体外部，安装维修方便，并增加了支撑手臂回转部分的刚性。当手爪夹持工件回转时，该回转油缸还能起到部分的平衡作用。3手臂的升降运动机构手臂的升降采用了双作用式单杆活塞油缸。其升降行程为600毫米，为了增加升降部分结构的刚性，导向性能好，采用了直径为450毫米的导套，工作时能平稳升降。活塞杆的顶端为球形铰链连接，可自动弥补因夹持工作而手臂又悬伸时造成导套的倾斜所引起的偏差。此外，由于导套的存在使活塞杆免受因偏重力矩所造成的弯曲，在此处活塞杆只受到压力作用。4手腕的回转结构 手腕的回转用回转油缸，油缸的摆角为230度，使用范围为180度，靠死挡块定位，定位精度较高。当回转油缸输入压力油液后，压力油推动动片回转，与动片固定连接的回转轴也一同转动，再通过牙嵌式离合器带动主轴回转，抓取机构与主轴端部法兰固定联结，至使抓取机构和手腕一同回转180度。在前坐上装有死定位块，在主轴端部法兰上装有两块动块，以实现死挡块定位。5抓取机构因夹持工件范围大，故选用滑槽杠杆式抓取机构，其驱动手爪夹紧松开的拉紧装置，采用双作用式单杆活塞油缸。手爪设计为自动调整式，手爪可绕自身的回转轴线有一个小摆动，用以减少因工件直径变化所引起的定位误差，其调整范围在10毫米以内。为了能夹持不同规格的锻件，有一套V型块，它分为、等几种规格，在产品尺寸改变时，更换手爪的V型块即可。此拉紧油缸的活塞在手腕回转时也一起转动，使活塞上的O形密封圈双向受力容易损坏，同时活塞杆的尾部与油缸端盖里面接触时又造成研磨，易造成零件损坏，为防止上述情况的出现，现在将活塞的结构改进。6其它装置为使机械手的臂部作回转运动时能够精确定位，在臂部坐上装有定位油缸，它是单作用式活塞油缸，在活塞杆的端部作成斜楔式。当臂部在起始位置和转过95度后的终止位置，通过电信号控制二位三通电磁阀接通工作油路，使起定位销作用的活塞杆动作，插入到装在中心齿轮上的带有斜楔槽的定位挡块中，使手臂精确定位。此结构简单，动作灵活。为了使油缸尽可能远离手爪（因夹持温度高达1100度的工件），以防油液受热使油的黏度下降，影响正常工作或损坏密封。设计此手臂前端的回转油缸距手爪为770毫米。4.4、机械手的液压传动系统 1机械手的动作顺序 机械手的动作顺序：待料（起始位置；手爪闭合；待夹料立放）插定位销手臂前伸手爪张开手爪夹料手臂上升手臂缩回手腕回转180度拔定位销手臂回转95度插定位销手臂前伸手臂中停卡头夹料大泵卸荷手爪松料手爪闭合手臂下降手腕反转（复位）拔定位销手臂复位待料卸荷。上述动作均由电磁换向阀实现，用行程开关和时间继电器、步进选线器等电器控制电磁铁线圈通断电，使电磁铁按程序动作，实现液压系统的自动控制。2液压控制原理此系统选用功率N=7.5千瓦的电动机，带动双联叶片泵YB-35/18，公称压力为63公斤/厘米，流量为35升/分+18升/分=53升/分，系统压力调节为30公斤力/厘米，油箱容积选为250升。手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时，两个油泵同时供油；手臂及手腕的回转油缸和手爪松紧夹用的拉紧油缸及手臂回转定位油缸工作时，只有小泵供油，大泵自动卸荷。手臂前伸、升降、回转和手腕回转油路采用单向调速阀（QI-10B，QI-25B，QI-63B）回程节流，因而速度可调，工作平稳。升降缸支路设置有单向顺序阀（XI-63B），可以调整顺序阀的弹簧力，使之在活塞、活塞杆及其所支承的手臂等自重所引起的油液压力作用下仍保持断路。工作时，油泵输出的压力油进入升降油缸上腔，作用在顺序阀的压力增加，使之接通，活塞便向下运动。当活塞要上升时，压力油液经单向阀进入升降油缸下腔，这样采用单向顺序阀克服机身（全部参与升降运动的部件）自重，防止了下滑，性能稳定可靠。手爪夹紧油缸支路装有液控单向阀（1Y-25B），使手爪夹紧工件时不受系统压力波动的影响（尤其是系统压力下降时，