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铸石生产线的技术改造设计方案1 机械手的系统概论 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。1.1 机械手的组成和分类1.1.1 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图：图1.1（一） 执行机构1.立柱机械手的立柱式用以支承手臂并带动它升降、摆动和移动的机构，手臂的俯仰也是由联结在立柱上的油缸驱动，立柱与基座相联，可固定在地面上、机床设备上、或者悬挂在横梁滑道上，也可以固定在能行走的机座上。立柱没有固定的型式，其结构系根据动作的要求来设计。2.机座机座式支承机械手全部重量的构件，对其结构的要求式刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。机座结构从形式上可以分为落地式和悬挂式，或分为固定式、可移动式和行走式。无论是那一种形式，机械手工作时应予以固定。可移动式的机座在停置式 能够刹车定位，以保证机械手的位置精度。机座的机构与机械手的总体布置有关，对专用的机械手而言，传动和控制部分通常式单独布置，故机座比较简单或不设机座。对通用机械手来讲，传动部分通常布置在机架内部或后下方，控制部分则布置在机座的后上方或单独布置一个控制箱。集中布置的优点是结构紧凑，管路短，占地面积少，移动、操作都比较方便。分散布置则可将传动和控制部分分开，以避免受振动的影响，并尽可能远离高温、粉尘和腐蚀性的环境，延长机械手的使用寿命。3.手腕手腕是连接手指可手臂的机构，它使手指从不同的角度夹紧和松开工件，增加机械手的灵活性。手腕的运动和特点是手腕可作回转、上下弯曲和左右摆动三个动作，即具有三个自由度。一台机械手要同时具备上述三个动作，在结构上讲是有困难的。专用机械手一般不需要这么多动作，设计时可根据实际工作的需要，将手腕做成一至二个动作，用的比较多的是手腕的旋转动作，而上下左右摆动用的就较少。因为它可以通过手臂来实现，这就简化了手腕的结构。手腕和手臂的动作的关系是：手臂的三个自由度是用来使工件（或工具）作上下、左右或前后往复移动和定位用的，而手腕的三个自由度是用来调整该工件(或工具)的方向用的。由于手腕的是装在手臂前端，所以手腕动作精度是综合的定位精度，它直接受手臂的定位精度和刚度的影响。手腕的动作虽不多，但它的要求结构及其紧凑。在具有足够力量的情况下，重量尽可能要轻，手指的夹紧机构往往要与手腕同时考虑。手腕回转90，可采用摆动油缸，该油缸的转轴又可兼作手指夹紧油缸之用，这种复合结构布置紧凑、重量轻。在设计手腕部件时，要求结构简单、紧凑、小巧。手腕动作的动力源要从手臂内部通过，使手腕在摆动时，油管不至于扭转。并要求随时根据工作需要更换手爪，以扩大机械手的应用范围。4.手臂手臂有无关节和有关节手臂之分本课所做的机械手的手臂采用无关节臂手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、左转、右转两个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。（二） 驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松方面。（三）控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。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生报警信号。1.1.2 机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。（）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-关式控制定位，只能是电位控制；伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是电位的，也可以是实现连续轨迹控制，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：介质来源极为方便，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行速度快和行程长，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、电位控制 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。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.1.3 机械手简史机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。1.1.4 应用简况现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，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。有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。1.2 发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、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，相应的发展通用机械手，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、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，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、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。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）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，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装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和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。1.3 应用机械手的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：（一）以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（二）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的场合中，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，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（三）可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，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，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。2 机械手的总体设计方案本课题是铸石生产线的技术改造。本设计主要任务是完成机械夹持机构的结构方面设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。2.1 机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; (3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。2.2 机械手的主要部件及运动在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有5个自由度既：手抓张合；手部回转；手臂回转；手臂伸缩，5个主要运动。本设计机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2） 腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动。（4）机身，采用一个回转缸来实现手臂回转。2.3 驱动机构的选择机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表2.1：表2.1三种驱动方式的特点对照内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa，最大可达Pa较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度很高较高很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：（1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；（2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；（3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；（4）安全可靠；（5）操作和维护方便；（6）对环境无污染，噪声要小；（7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本次设计驱动方案选择液压驱动。2.4 机械手的技术参数列表一、用途：铸石脱模、模具复位二、设计技术参数:1、抓重:20Kg (夹持式手部)2、自由度数:4个自由度3、坐标型式:圆柱坐标4、最大工作半径:1500mm5、手臂最大中心高:950mm6、手腕运动参数 回转范围: 2.5 本章小结本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用液压驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计计算将依次进行。3 机械手手部的设计计算3.1 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） 应保证手抓的夹持精度。3.2 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。3.3 机械手手抓的设计计算3.3.1 选择手抓的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计，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。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。3.3.2 手抓的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。(a) (b)图3.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析1手指 2销轴 3杠杆在杠杆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1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和并指向点，交和的延长线于A及B。由 得 得 由 得 h （3.1）式中 a手指的回转支点到对称中心的距离（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，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，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=。3.3.3 夹紧力及驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计 ： （3.2）式中 安全系数，通常1.22.0； 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a，重力方向的最大上升加速度； 运载时工件最大上升速度 系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s 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（N）。表3-1 液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于5000 50000以上计算：设a=100mm,b=200mm,;机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力和驱动力和 驱动液压缸的尺寸。(1) 设 =1+1=2 根据公式，将已知条件带入：=1.520.5200=300N （2）根据驱动力公式得：N （3）取 （4）确定液压缸的直径D 选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa, 根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=50mm则活塞杆内径为:D=500.5=25mm，选取d=25mm3.3.4 手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长300mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持范围是，当张开时，如图3.2（b）所示，最大夹持范围是。（a） (b)图3.2 手抓张开示意图3.4 弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图3.4所示，计算过程如下。图3.3 圆柱螺旋弹簧的几何参数(1).选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力(2).选择旋绕比C=8，则 （3.3） (3).根据安装空间选择弹簧中径D=43mm，估算弹簧丝直径 (4).试算弹簧丝直径 （3.4） (5). 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数： （3.5）选择标准为，弹簧的总圈数圈(6).最后确定， (7).对于压缩弹簧稳定性的验算 对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比，本设计弹簧是2端自由，根据下列选取： 当两端固定时，,当一端固定；一端自由时，；当两端自由转动时，。 结论本设计弹簧，因此弹簧稳定性合适。(8).疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式： （3.6）选取1.31.7（力学性精确能高） （3.7） 结论：经过校核，弹簧适应。3.5 本章小结通过本章的设计计算，先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析，然后分别对滑槽杠杆式手部结构的夹紧力、夹紧用的弹簧、驱动力进行计算，在满足基本要求后，对手部的夹持精度进行分析计算。4 腕部的设计计算4.1 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。4.2 腕部的结构以及选择4.2.1 典型的腕部结构(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于）。(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4) 机-液结合的腕部结构。4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 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，采用液压驱动。4.3 腕部的设计计算4.3.1 腕部设计考虑的参数 夹取工件重量20Kg，回转。4.3.2 腕部的驱动力矩计算 夹取模具最大400300mm，重量20Kg，当手部回转时，计算力矩：（1）腕部的驱动力矩需要的力矩。（2）腕部回转支撑处的摩擦力矩。（3）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220mm，直径140mm，其重力估算（4）擦力矩。（5）启动过程所转过的角度，等速转动角速度。 （4.1）查取转动惯量公式有：代入： 4.3.3 腕部驱动力的计算表4-1 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体内空半径R=110mm，外径根据表3-2选择121mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为160mm；输出轴为36mm.基本尺寸示如图4.1所示。则回转缸工作压力，选择8Mpa。图4.1 腕部液压缸剖截面结构示意表4.2 标准液压缸外径（JB1068-67） （mm）液压缸内径40 5063809010011012514015016018020020()5060769510812113316814618019421924545()506076951081211331681461801942192454.3.4 液压缸盖螺钉的计算图4.2 缸盖螺钉间距示意表4.3 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) 小于150小于120小于100 小于80缸盖螺钉的计算，如图4.2所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4.3，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力 （4.2）计算：液压缸工作压强为P=8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,试选择12个螺钉，所以选择螺钉数目合适Z=12个 危险截面所以， (4.3) 所以，=11863.3+10545=19772N螺钉材料选择Q235，（）螺钉的直径 （4.4） 螺钉的直径选择d=12mm.选取M12的螺钉。4.3.5 动片和输出轴间的连接螺钉（1）动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。于是得 D动片的外径；f被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15螺钉的强度条件为 (4.6)或 (4.7)带入有关数据，得螺钉材料选择Q235，则（）螺钉的直径 螺钉的直径选择d=12mm.选择M12的开槽盘头螺钉。4.4 本章小结本章通过四种基本的手腕结构，选择了具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。并进行的腕部回转力矩的计算，同时也计算了回转缸连接螺钉的直径。5 臂部的设计及有关计算手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。 5.1 臂部设计的基本要求一、 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻（1） 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。（2） 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。（3） 合理布置作用力的位置和方向。（4） 注意简化结构。（5） 提高配合精度。二、 臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在,最大回转角速度设计在内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径：（1） 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。（2） 减少臂部运动件的轮廓尺寸。（3） 减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。（4） 驱动系统中设有缓冲装置。三、手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。5.2 手臂的典型机构以及结构的选择5.2.1 手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：（1）双导杆手臂伸缩机构。（2）手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。（3）双活塞杆液压岗结构。（4）活塞杆和齿轮齿条机构。5.2.2 手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。5.3 手臂直线运动的驱动力计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。 (5.1)5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 分析：摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。图 5.1 机械手臂部受力示意计算如下：由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。得 得 (5.2)式中 参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）； L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算; a导向支撑的长度（m）; 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面：摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取钢对铸铁：取计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁，L=1.69-0.028=1.41m,导向支撑a设计为0.016m将有关数据代入进行计算5.3.2 手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度, (5.3)5.3.3 密封装置的摩擦阻力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，当液压缸工作压力小于10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：。经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：5.4 液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=6210N，根据表3.1选择液压缸的工作压力P=2MPa（1） 确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图5.2所示图5.2 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔，当油进入有杆腔中， 液压缸的有效面积：故有 （无杆腔） (5.4) （有杆腔） (5.5)F=6210N，选择机械效率将有关数据代入： 根据表4-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=45mm.（2） 液压缸外径的设计根据装配等因素，考虑到液压缸的壁厚在2.5mm，所以该液压缸的外径为50mm.（3）活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算： (5.6)设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径d=30mm,L=500mm,现在进行校核。结论： 活塞杆的强度足够。5.5 本章小结本章设计了机械手的手臂结构，手臂采用双导杆手臂伸缩机构，对驱动的液压缸的驱动力进行了详细的计算，并对液压缸的基本尺寸进行了设计。6 机身的设计计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。实现手臂的回转运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。6.1 机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。机身承载着手臂，做回转运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：（1）回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。（2）回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。（3）活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析：本设计机身包括一个运动，机身的回转。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是