自动浇铸机械手设计

摘 要摘要本文简要介绍了工业机械人的概念，浇铸机械手的组成，机械手的各个部件的整体尺寸设计。本文着重对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算了手腕转动时所需的驱动力矩和回转液压缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。设计出了机械手的液压系统，绘制了机械手液压系统工作原理图，大大提高了绘图效率和图纸质量。关键词：工业机械人 机械手 浇铸机械手IIAbstractAbstractAt first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development brief. What is more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator. The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator. This paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump. The paper designs the structure of the arm.KeyWords：industrial robot manipulator pump air pressure driveV目 录目录摘要IAbstractII1绪论11.1机械手的分类21.2机械手的组成41.3应用机械手的意义61.4用机械手的历史72 总体技术方案及系统组成82.1 原始数据82.2 工作需要92.3 工作结构102.4 动作分析102.5总体技术方案113 手部机构设计123.1 手部机构设计要求123.2手部结构分类123.3自动浇铸机械手结构设计143.4升降液压缸的支撑架设计184 手腕的结构设计204.1 腕部总体设计204.2腕部的设计要求204.3腕部的结构尺寸214.4手臂倾倒液压缸的设计245 手臂和机身的尺寸设计及校核295.1 臂部和机身的简介295.2臂部设计的基本要求305.3手臂的尺寸设计305.4 手臂的尺寸校核325.5 手臂升降液压缸的设计335.6 液压缸内径D和活塞杆直径d的确定355.7液压缸壁厚和外径的计算365.8手臂升降液压缸的校核376 腰部与底座及回转液压缸的设计386.1 底座的设计386.2 回转液压缸的设计386.3 回转液压缸的尺寸设计396.4 回转液压缸的尺寸校核416.5 回转轴的设计426.6 上轴的设计436.7上轴座的设计44结 论46参考文献47致 谢48绪论1绪论选题背景浇铸，在不加压或稍加压的情况下，将液态单体、树脂或其混合物注入模内并使其成为固态制品的方法。塑料的铸塑成型类似于金属的浇铸，它是将配制好的液态原料浇入模具，固化后得到与模腔形状和尺寸相近的塑料制件，这种方法称为塑料的铸塑成型。浇铸法分为静态浇铸、嵌铸、离心浇铸、搪塑、旋转铸塑、滚塑和流延铸塑等。 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手。在冲床上采用送料机械手取代人工送料已成为最有效防止工伤事件的安全生产措施。机械手不但可以实现安全操作，也提高了产品品质和生产效率，降低了废品率。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。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的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。1.1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的标准，在此暂按目前应用比较多的两个方面进行分类。1.1.1按所搬运的工件重量分类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。目前大多数工业机械手其搬运的数量为中型的。1.1.2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来给定程序。 这种机械子多为气动或液压驱动，结构简久成本较低，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。目前这种机械子数量最多。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，适用于大附属，如自动机床，自动线上的下料机械手和加工中心批量自动化生产的自动换刀机械手。 2)示教再现型通用机械手 这种机械下出人工通过示教装置领动一路或者子先操作给定一温，称为示教。它由磁鼓(或磁形、磁芯)把程序记录下来此后机械手就自动按记忆的程序重复地进行循环动作。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行两种：简易型以开关式控制定位，只能是点位控制：伺服行具有伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 3)具有视觉、触觉的通用机械于 这种机械手由电子计算机控制，装备有电视摄像管和传感器各因而具有视觉、热感触觉等。这种机械手我国目前还处于研制阶段。硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程“漂浮”功能，区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手，而必须选用硬臂式助力机械手。比如在工件重心远离臂悬挂点，或是工件需要翻转或倾斜情况下，必须选用硬臂式助力机械手，还有在厂房高度有限情况下，可以选用硬臂式助力机械手。 硬臂式助力机械手可以实现提升最大500Kg的工件，半径最大可以达到3000mm，提升高度最大2500mm。根据起吊工件重量不同，应选择符合最大工件重量的最小型号的机器，如果我们用最大负载200Kg的机械手来搬运30Kg的工件，那么操作性能肯定不好，感觉很笨重。 区别于硬臂式助力机械手的是T型助力机械手没有双关节机械臂，它的前后左右位移靠导轨来实现。由于T型助力机械手没有机械臂，因而它比硬臂式显得小巧，更适合于操作空间狭小的场合。 T型助力机械手的最大负载要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度可以根据客户要求设计，而且搬运范围要比硬臂式大的多。 配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。 配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式为导轨移动。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。 上海永乾制造的助力机械手（含硬臂式、软索式）还可以在用户现场气压不足的情况下，增加增压泵，可以使设备运行更加平稳。 配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。1.1.3 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送过程中松动或脱落； 2夹持范围要与工件相适应。手爪的开闭角度(手爪张开或闭合时两个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，又不夹坏工件表面。一般需根据工件的形状选扦相应的手爪结构：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较高的，应在手爪上镶铜、夹布胶木或其他软质垫片等 4夹持动作要迅速、灵活； 5手部结构耍简单紧凑、刚性好、自重轻、易磨损处应便于更换在腕部或臂部上安装要方便，更换要迅速。1.2机械手的组成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。工业机械于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系统、位置检测装置和控制系统等组成。图l一1是其示意图。 图1-1 机械手结构示意图1执行机构它包括手部、腕部、臂部、立柱等基本结构组成：1手部是夹持工件的构件。它由于爪和夹紧装置两部分组成。手爪有夹紧和松开动作。夹持式手爪的形式与人凶手指相仿。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零41：或薄板。有的手爪还可夹持一些专用工具，如喷枪、扳手、焊接工具等。 2腕部是联接于部和臂部的构件，起文撑手部的作用。它可以有俯仰、左右摆劝和回转三个运动。特殊情况可以增加一个横向移动。有的机械于没有手腕动作。 3臂部是文撑手部、腕部的构件。机械于的臀部是为取代人的手臂而研究设计的，但它却达不到象人密的灵巧和适应功能。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。一般手何又有前后伸缩、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。一般机械于的立往为固定不动的，也有的因工作需要立往作横向移孔此种称可移动式立柱。 5行走机构在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。6. 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。2 驱动系统 驱动系统是驱动臂部、腕部、手部的动力沉。它有气动、种形式由直线缸、回转缸、各种阀、管及管接头等组成。驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。 气压驱动的优点是：容易获得快速运动，机械手可引用一般工厂都有的压缩空气元，因此结构简单，成本低廉；空气不象油那样怕热和易燃；维修方便；特别是和射流控制很容易结合起来使用。其缺点是：气压低，出力小，执行机构体积大；压缩性大，阻尼缓冲效果差，较难实现中间位置的停止，若要求较高的定位精度，必须增设较复杂的缓冲、定位机构。在机械手个液压驱动是用的最多的方式。利用油缸、油马达和齿条齿轮实现直线运动，利用回转油缸、油马达与齿轮齿条或链轮链条实现回转运动。3 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，必要时还可对机械手的动作进行监机当动作错误或发生故障时可发出管报信号。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电器定位（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程序运动。4 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动作的运动位置，或将运动系统的位置反馈约控制系统，再由控制系统进行调节，使机械手实现位置精度的要求。控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使机构以一定的精度达到设定位置。5 辅助装置1基体是机械手的基础部分基体上，它起支承作用。2油箱用来存独和供油的装置，并使油散热和杂质沉淀3气瞒贮存压缩空气。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被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、校验等工种都有应用的实例。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：（1）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程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（2）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、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，而应用机械手就可以部分或全部代替人安全完成作业，是劳动条件得以改善。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。（3）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，便于有节奏的进行生产工作。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1.4用机械手的历史它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。 机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 192 总体技术方案及系统组成2 总体技术方案及系统组成2.1 原始数据用途：用于冷室压铸机浇铸铝合金溶液。规格参数： 浇包最大容量： 8公斤 自由度数： 3个 坐标形式： 类似球坐标 手臂运动参数： 回转（&）： 110 俯仰（）： 54 浇包最大倾斜角（1）： 70 驱动方式： 液压 控制方式： 继电器固定程序控制 图 2-1 浇铸机装配图2.2 工作需要浇铸机械手（即浇包1）的初始位置，停在保温炉坩埚2的金属液面的上方，在此进行保温，等待浇铸。当630吨压铸机慢速合模时，压铸机的电控装置发信，使机械手升降油缸6动作，浇包开始下降并浸入液态金属内，直到电极B接触金属液面，电压继电器2XJ发信，浇包停止下降，并用时间继电器控制浇包，已装满液态金属，而后浇包上升，在提升过程中将多余的金属溶液从浇包的后挡板溢出，直到浇包底面超过保温炉坩埚的最高点，碰到限位开关1XW，提升结束。同时，机械浇铸手手臂3慢速回转（由回转油缸5驱动），当碰限位开关5XWK后，手臂变为快速回转。当碰限位开关6XWK后，又转变为慢速回转，直到碰限位开关3XWK后停止回转。此时，630吨压铸机模具合严，机械手的倾倒油缸4动作，经过绳索拉动倾倒机构，带动浇包翻转倒料，经延时后，控制倾倒油缸复位，并使手臂反向回转，当碰限位开关4XWK后手臂反转结束，同时升降油缸活塞上升，浇包下降，直至电极A接触金属液面，电压继电器1XJ发信，使升降油缸动作停止，浇包就停在熔融金属液面上一定距离处保温，准备第二次动作循环。 图 2-2 浇铸机工作原理 图2-3 浇铸机工作原理图2.3 工作结构本机械手主要有手臂、手臂回转支架、倾倒机构、浇包、倾倒油缸、回转油缸、底座、升降油缸等部分组成。2.4 动作分析手臂1为一平行四边形机构，它具有俯仰和回转运动。手臂俯仰运动是通过铰链支撑的升降油缸10来达到，使得平行四边形的机构连杆E（它带动浇包）作平面平行运动，即浇包有升降和横移运动。手臂的回转运动是由回转油缸8来实现的。手臂1上有安装有弹簧6，通过绳索和滑轮与倾倒机构3联接，用来使倾倒机构复位，同时也起缓冲作用。为适应压铸机压铸不同零件或控制零件最佳加工余量的需要，浇铸机械手的浇包容量可以调节。对于大容量调节采用调换浇包的办法，松开螺钉5（共四只），便能更换浇包。对于小容量调节，可调节电极B与金属液面的间距。另外，也可调节螺钉5，使浇包呈不同的倾斜角度达到微量调节。630吨压铸机浇注机械手设备有4,6,8公斤三种容量的浇包，他们的结构相同，只是尺寸有异。2.5总体技术方案毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的只是综合起来，并进行灵活运用。现在的发展趋势是机电一体化，因此，我们毕业设计就是要将“机”、“电”、“液”三者结合起来。“机”是指机械，机械手的动作过程可以分五部分，即机械手的上升下降、机械手的上升、倾倒、回转都要靠机械方面来完成。3 手部结构设计3 手部机构设计3.1 手部机构设计要求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送过程中松动或脱落； 2夹持范围要与工件相适应。手爪的开闭角度(于爪张开或闭合时两个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。既要求工件在于爪内定位准确，又不夹坏工件表面。一般斋根据工件的形状选扦相应的手爪结构：如元住形工件应采用带v形格的手爪来定位；对于工件炭面光洁度较高的，应在手爪上镶铜、央布胶木或其他软质垫片等；4夹持动作要迅速、灵活；5手部结构耍简单紧凑、刚性好、自重轻、易磨损处应便于更换，在腕部或臀部上安装要方便，更换要迅速。手腕是连接手部和手臂的部件它的作用是调整工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等诸多因素有关。由于本机械手水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设以绕X轴的回转运动才可以满足工作的要求，目前实现回转运动的机构，使用最多的是回转液压缸，因此我们选用回转液压缸。它结构紧凑，但回转角度小于360，并且要求严格的密封。3.2手部结构分类手爪的类型大致分为下列三种： 1夹持式手爪：根据手爪的功作可分为回转型和平移型；根据手指的数量可分为双指和多指式；根据夹持工件的方法又可分为外卡式和内胀式两种。2吸附式于瓜；分为真空吸盘式和电磁吸盘式两种。真空吸盘式义分为真空泵式和气流焚压式。真空吸盘是用橡胶或塑料制成杯状，在吸盘内部边缘处，加上23个同心元皱折，以保证吸附的可靠性。真空吸盘与夹持式相比，有一些优点：结构简单，缺点是要求所吸工件表面平整、无孔和无油。真空吸盘适用于薄板或树脂等制成的物件。表面吸附力分布均匀，由于吸力由吸盘大小和气压强弱来决定，当吸力大时，应专设真空泵系统。一般常用喷射(负压)原理来使用。它在国内冲压行业中自动上料装置上，应用很普遍。 对于轻小工件，可以不装真空泵系统。比较简单的办法是利用压缩空气排气产生负压吸住工件；或将软质吸盘按压在工件平面上挤出吸盘内的空气，造成真空吸住工件。电磁式手爪用予夹持式手爪与真空泵式手爪难以抓取的工件或细小的工件。它可采用电磁铁，其结构形式类同于真空吸盘式；也有如同夹持式的结构，手爪内装磁铁。 采用永久磁铁吸附工件，需要用外力释放工件，因此，一般不用它为好。 电磁式吸盘吸过的工件往往会产生剩磁问题，对于剩磁有一定要求的工件，使用电磁式手爪时必须加以考虑。手部(亦称抓取机构)是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小重量材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的于部结构是多种多样的，大部外的手部结构是根据铃定的工件要求而设计的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。 夹持类常见的主要有夹钳式，此外还有钓托式和弹簧式。夹持式手部按其手指夹持工件时的运动方式，可分为手指回转型和手指平移型两种3带触觉或视觉的手爪。除了几种带传感器的手爪外，还有根据工件所在位置，控制手臂移动，逐步使两手爪同时夹紧工件的带传感器机械手。图31是其控制过程示意图。图31a为正在夹紧过程中的示意图，图31b是于爪的右指接触工件，而左指没有触到工件，此时发出信号后位手臂右移；若是如图31c位置所示，则发出信号使手臂左移。这样一直控制两个手指同时夹持工件为止。 图3-1 控制示意图3.3自动浇铸机械手结构设计根据设计的工作需要，要浇铸液体，所以采取勺式结构，以便盛取液体，由于要倾倒、复位，所以需设计拉杆倾倒机构。1 本课题液压机械手的手部结构如图3-2所示： 图3-2 浇包图3-2根据经验设计浇包各部位尺寸如下： 浇包半径： 55 浇包横长： 265 浇包高度： 245 进液体挡板高度： 200 进液体口： 边长为40的正方形 隔板高度： 215 壁厚： 7 支撑耳朵直径： 160 其它具体尺寸见所画的三维图形。2 设计如图3-3所示的倾倒机构 图3-3 倾倒机构基本尺寸： 短杆长： 120杆长垂直间距： 281吊钩位置距离上杆： 240其他尺寸见图形。 3.4升降液压缸的支撑架设计根据经验设计如下3-4图的结构： 图3-4 支架基本尺寸：支架高度： 700挡板宽度： 200园板直径： 420其它具体尺寸见三维图。4 手腕的结构设计4 手腕的结构设计4.1 腕部总体设计手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整其在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强腕部是连接手部和臂部的构件，它具有独立的自由度，使机械手适应复杂动作的要求。腕部的动作有绕x轴转动称为回转；绕丫抽转动称为俯仰；绕Z轴转动称为左右摆动；还可有沿Y轴方向移动的自由度，图41为其运动示意图。图4-1 腕部运动示意图4.2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，可增加腕部的自出度。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。若是采用臀部购则使机械于的稳定性降低，因为，臂部长度大，回转时稍有偏心(特别是高速回转时)，使机械手的离心力增加，臂部振动加大，影响定垃精度。因此，应设计腕部的回转*若机械手是球坐标形式，腕部应设计具有梢仰运动，以保持手爪处于水平位置，不影响手爪的工作。 还要根据加工工艺的要求，设计肮部在丫轴方向的移动运动。如机械手将工件送到某工位后，需要把工件定位夹紧，为使机床运动简化，而要求腕部沿丫袖方向做少量的移位的运动。如用项尖支承的轴类零件，在用机械手取下土件时，为脱离主轴顶尖而需要有肮部的横移运动。 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校，减少阻力，降低摩擦。3腕部运动位要淮确 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。4.3腕部的结构尺寸1 腕部回转运动结构用回转证实现小于360。的回转运动 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运动。对于抓取非中心对称的工件，当手臂回转时，工件方位变化，往往需要用于腕左右摆动予以补偿。3 腕部俯仰运动结构它是通过安装在手臂上的气缸，推动于腕上的齿轮，使之向下佣仰一定角度，放置工件，然后活塞秆向左移动，使手爪恢复平直状态，再去抓取工件。4 腕部的回转与俯仰复合运动结构 为了扩大机械手的应用范围，同时要减少结构中的零件数量，使结构简单、自重轻，设计腕部具有两个自由度的结构。根据浇包的尺寸大小，与腕部的工作需要，暂定腕部支撑结构尺寸为如下： 图4-2支架 支撑件宽： 285 支撑件高： 375 支撑件厚： 180 吊环高度： 375其他尺寸见图形具体尺寸。4.4手臂倾倒液压缸的设计1 手臂倾倒机构受力情况分析倾倒机构如下图4-3所示： 图4-3倾倒机构2 基本数据：弯杆角度: 120水平杆长度： 120提升加速度： 1.22rds 3 倾倒机构受力简化图如下： 图4-4 倾倒机构受力简化图1 计算F弹簧0 N 根据机构所受的力矩平衡得: 23L1GmaF液压缸(0.02820.2212.4-1 a1.22rds 230.2101.2288F液压缸0.2019 F液压缸626.9 NF液压缸L2F1L3.4-2626.9323.4F1243.5 F1832.6 F2F1sin30832.6121665 N2 计算F弹簧 图4-5计算弹簧受力图 设此时加速的a4 ms F弹簧cos60L1F2L24-3 F20.06F弹簧0.323 F弹簧804273.620.323 0.06 50 NF总 F1F弹簧1715 N4-44 倾倒液压缸的设计液压系统自60年代初到现在，已在机械手中获得广泛应用。目前，虽在中等负载以下的机械手中有采用电机驱动系统，但在简易经济型、重型的工业机械手和喷涂机械手中采用液压系统的仍然占有较大比例。液压系统在机械手中所起的作用是通过电一液转换元件把控制信号进行功率放大，对液压动力机构进行方向、位置和速度的控制，进而控制机械手和手臂按约定的远动规律动作。这类机械手属于伺服控制机械手，在只有简单搬运作业功能的机械手中，常常采用简易的逻辑控制或编程控制，对机械手现有限位的控制。这类机械手的液压系统设计与其它液压机械设计所考虑虑的问题大致相同，只有在以下方面须加以互视。 1液压缸没计：在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氧化塑料组合曲密封件，以减小摩换阻力，提高液压缸的寿命。 2定位点的缓冲与制动：因机械于手臂的运动惯量较大，在定位点前要加缓冲与制动机构或锁紧装置。 3对惯性较大的运动轴和接近机械手末端的腕部远动轴的液压缸两侧，最好加设安全保护装置，防止因碰撞过载损坏机械结构。 图4-6倾倒液压缸基本尺寸： 根据负载选择执行元件的工作压力PL0.8MPa ApFLPL 17160.81064-5 = Ap0.002145 现根据液压缸内径D和活塞杆直径d的关系确定 dD0.2 Ap4D2d2 D0.0534m53按液压缸内径尺寸系列选取内径得 D63，按活塞杆直径系列选取活塞杆直径d14。5 倾倒液压缸的尺寸校核 PLFLAp17160.0039690.00019644-6 17160.00296180.581060.8106设计尺寸符合使用要求，安全 6 倾倒机构的壁厚设计 液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径 D 与其壁厚的比值D 10 的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算。 由 P yD2 式中 液压缸壁厚 （ m）D 液压缸内径 （ m）；Py 试验压力，一般取最大工作压力的 （ 125 15） 倍（ M Pa）； 缸筒材料的许用应力。其值为：铸钢： 100MPa 1.250.581060.06321001064-7 0.228在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。 所以按有关标准圆整为壁厚6，液压缸外径为D175。285 手臂和机身的尺寸设计及校核5 手臂和机身的尺寸设计及校核5.1 臂部和机身的简介手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具)并带动它们作空间运动。臂部运动的目的；把手部送到空间运动范围内的任意一点。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，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或气缸：)和各种传动机构来实现，从钨部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因而，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。 机身是直接支承和驱动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。团此，臀部的洋动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以足固定的，也可以是行定的，既可以沿地而或架空轨道远动。 臀部般有下列几部分组成： (1）动作元件：如直线缸、回转缸、齿条齿轮、连杆凸轮等，它是驱动手部运动的元件。动作元件与驱动元相配合，就能实现手臂的各种运动。(2)导向装置手臂在静止状态，要承受由央持工件重量所产生的弯曲力F 弯，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，手贸必须设置导向装置。(3)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。所以要求臂具有足够的刚性，以免承重后发生变形产生颤动。(4)其他装置：如管路、冷却装置、位置检测机构等。5.2臂部设计的基本要求1能力大、刚度好、自重轻 对于机械手臂部或机身的承载能力，通常取决于其刚度。以臀部为例，般结构上较多采用悬伸梁形式(水平或垂直悬伸)。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力等影响很大。为提高刚度，除尽可能缩短臂扦的悬伸长度外，尚应注意以下几方面。（1）根据受力情况，合理选持截面形状和轮廓尺寸（2）提高支承刚度和合理选择支承间的距离（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2臂部运动应该速度要高，惯性要小 机栈手手臂的远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，一般根据生产节拍的要求来决定。明定了生产节拍和行程范围，就确定了手密的运行速度(或角速度)。在一般情况下，手臂的移功和回转、俯仰均要求匀速运动(V和W为常数)，但在手臂的起动和终止瞬间，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减速度不能太大，否则引起冲击和振动。3手臂动作应灵活 为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，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、导向件和记位件布置应合理(见图44)，使手臂运动过程尽可能平衡，以减少对升降支承轴线的偏心力矩，特别要防止发生“卡死“的现象(自锁现象)。4位置精度更高一般来说，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，故精度差：在手臂土加设定位装置和检测机构，能较好地控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件的间隙。5.3手臂的尺寸设计依此次设计的需要，根据经验，先设定手臂的基本尺寸如图5-1下：1.长杆的示意图： 图5-1长臂杆2.