机械手手部课程设计

1、1 前言1.1 工业机器人简介工业机器人由操作机(机械本体) 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操 作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于 多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速 更新换代起着十分重要的作用。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动， 而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子 机械装置， 既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力， 又有机器可长时间持续 工作、精确度高、 抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工 业以及非产业界的重要 生

2、产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。1.2 世界机器人的发展国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：( 1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修) (2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位 一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于 PC机的开放型控制器方向发展， 便于标准化、网络化；器件集 成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。( 4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统

3、的位置、速度、加速度等传感器外，装配、 焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器 的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。( 5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操 作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。( 6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制， 即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统， 使智能机器人走出实验室进入实用 化阶段。美国发射到火星上的 “索杰纳 ”机器人就是这种系统成功应用的最

4、著名实例。1.3 我国工业机器人的发展我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过 “七五 ”、“八五 科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学 和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人； 其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧 焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。 但总的来看， 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，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产

5、线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安 装台数的万分之四。 以上原因主要是没有形成机器人产业， 当前我国的机器人生产都是应用户的要求， “一客户，一次重新设计 ”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低， 而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系 列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。1.4 我要设计的机械手1. 臂力的确定目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。本液压机械手的臂力为 N臂=1650（ N），安全

6、系数K 一般可在1.53,本机械手取安全系数 K=2。定 位精度为 1mm 。2. 工作范围的确定机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。 本机械手的动作范围确定如下：手腕回转角度 110手臂伸长量 500mm手臂回转角度 110手臂升降行程 100mm3. 确定运动速度机械手各动作的最大行程确定之后， 可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间， 进而确定 各动作的运动速度。 液压上料机械手要完成整个上料过程， 需完成夹紧工件、 手臂升降、 伸缩、 回转， 平移

7、等一系列的动作， 这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成， 具体时间的分配取决于很多因 素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配 各动作时间应考虑以下要求： 给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间； 伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。 在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动 方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。 在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。为此

8、驱动系统要采取相应的措 施，以保证动作的同步。液压机械手的手部各运动速度如下：手腕回转速度 V 腕回 = 45 /s 手指夹紧油缸的运动速度 V 夹 = 50 mm/s4. 位置检测装置的选择 机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。本机械手采用行程开关式。 利用行程开关检测位置，精度低，故一般与机械挡块联合应用。在机械手中，用行程开关与机械挡块 检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也是最多的。5. 驱动与控制方式的选择 机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的， 要尽量选择控制性能 好、体积小、维修方便、成本底的方式。控制系统也有不同的类型。 除

9、一些专用机械手外， 大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。 驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。参考工业机器人表 9-6 和表 9-7 ，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控 制方式为继电 -接触器控制。2 手部结构2.1 概述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功 能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、 ，它没 有手掌， 只有自身的运动将物体包住， 因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状， 尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部

10、结构，它一般可分为钳爪式，气吸 式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠 杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，这里采用滑槽杠杆式。（ 一） 设计时应考虑的几个问题1. 应具有足够的握力（即夹紧力） 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振 动，以保证工件不致产生松动或脱落。2. 手指间应有一定的开闭角两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。3. 应保证工件的准确定位为使手指和被夹持工

11、件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带啰面的手指，以便自动定心。4. 应具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。5. 应考虑被抓取对象的要求应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。2.2驱动力的计算1.手指2.销轴3.拉杆4.指座图1滑槽杠杆式手部受力分析如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆 3作用下销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心 0点， 两手指1的滑槽对销轴的反作用力

12、为 Fi、F2，其力的方向垂直于滑槽中心线 001和002并指向 0点，F1和F2的延长线交0102于A及B，/ A0C二/ B0Ca。根据销轴的力平衡条件，刀 Fx=0 得 F1 F2；刀Fy=O得 Fi2cosFiFi销轴对手指的作用力为 F1。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力） ，假想握力作用在 过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以Fn表示。由手指的力矩平衡条件，即 MJF） 0得Fi h F“bQ h=a/cos aF=2bcos2 Fn a式中 a 手指的回转支点到对称中心线的距离（mm ）。a 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。

13、由上式可知，当驱动力 F 定时，a角增大则握力Fn也随之增加，但 a角过大会导致拉杆（即 活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取a =30。40。这里取角 a =30。这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。综合前面驱动力的计算方法，可 求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实 际的驱动力F实际应按以下公式计算，即：F实际=F计算/本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为 250mm/s,系统达到最高速度的时间根据设计参数选取，一般取 0.030.5s，移动加速度为150mm/s2，工件重量

14、G为294N , V型钳口的 夹角为120 a =30时，拉紧油缸的驱动力F和F实际计算如下：（1）手指对工件的夹紧力计算公式：Fn K1 K2 K3 G式中 K1 安全系数，通常取 1.22.0;K2 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算K2 1 討.05，其中a lv 025 0.5m/s2K3 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定按工业机械手设计表2-2选取K34。Fn 1.2 1.05 4 294N1481.76N由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式2F计算=F=2bcos Fn a得2F十算=2 80 cos 30o 1492/50=3556N(3)

15、取手指传力效率 n =0.85,则F 实际=F计算 / =3556/0.85=4183.5N5000N2.2夹紧缸的设计计算1. 夹紧缸主要尺寸的计算25mm，时间为0.5s，则所需由前知，夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸，设夹紧工件时的行程为 夹紧力为：LfT /J/MPi4 05 C - 7. Dio 7,0j/na 555h 0 700. 7衰23.J-5按工作压力透取选取d=0.5D得:4 4183.52.5 106 0.9547.5mm* 13-4 2 擁載荷选择工作压力51。 1 1(12020-303030W】1.5 -22.5-33 -44匚,工作压力取1MP，考虑到为使液压缸结构

16、尺寸简单紧凑，取工作压力为2.5MP。式中：D 液压缸内径P液压缸工作压力液压缸工作效率,0.95同理查得活塞杆直径d=22mm2. 缸体结构及验算缸体采用45号无缝钢管，由JB1068-67瀬压缸师轻孫列林内暫丨32 1 060 : KO IICKIW 朗 j 2D0hr冲订丸6A7,酣 I I&5 1201R0 213 j 240J 卷用就! fl-H- Tj PCI6MF.工iftq七知林时料旳赢儒的上蟻锚骨2.5 106 50(2.3 110 106 2.5 106) 15.48mm查得可取缸筒外径 75mm，贝U 12.5mmQ16 D 3.2 贝叽理PD (2.3 p)12.5mm

17、 理3.液压缸额定工作压力Pn ( MP)应低于一定极限值，以保证工作安全PN 0.35s(D12 D)236.36MPa式中：D缸筒内径D21D1 缸筒外径S 缸筒材料的屈服点，45号钢为340MPa已知工作压力Pn 2.5MPa 36.36MPa，故安全。4.缸筒两端部的计算 缸筒底部厚度的计算此夹紧缸采用了平行缸底，且底部设有油孔，则底部厚度为0.433DPmax D(D d。)6.8mm考虑结构要求，取 h=10mm式中：D缸筒内径Pmax液压缸最大工作压力，取Pmax2 Pn5MP缸底材料的许用应力，材料为45号钢，120MP , n为安全系数，取n=5。 缸筒端部联接强度计算缸筒端

18、部与手指是用螺钉联接，联接图如下:图3螺钉联接图螺纹处的拉应力:KF103 47010626.26MP4。00413424螺纹处的剪应力:K1KFd 030.2d1 Z100.12 3 470 0.00530.2 0.004134410 615.38MP则合成应力:.2 3 237.4MPa 120MPa则知螺纹连接处安全可靠。其中：K拧紧螺纹的系数，取K=3K1 螺纹连接处的摩擦系数，K1 0.12d螺纹外径，d0 0.006md1螺纹底径,d10.004134mZ螺钉数量，Z=43 腕部的结构3.1 概述腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点： 结构紧凑，重

19、量尽量轻。 转动灵活，密封性要好。 注意解决好腕部也手部、 臂部的连接， 以及各个自由度的位置检测、 管线的布置以及润滑、 维修、调整等问题 要适应工作环境的需要。3.2 腕部的结构形式本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为 115.如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片 与手部的夹紧油缸缸体用键连接。 夹紧缸体也指座固连成一体。 当回转油缸的两腔分别通入压力油时， 驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。图3机械手的腕部结构3.3手腕驱动力矩的计算驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕

20、起动时所产生的惯性力矩必须克服手腕起动时所产生 的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦 阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算：M驱=M惯+M偏+M摩式中：M驱驱动手腕转动的驱动力矩M惯一一惯性力矩M偏一一参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩M摩一一手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩rlJ11J1腕部回转力矩计算图1.摩擦阻力矩M摩M 摩=(N 1D1+ n2d2)式中：f轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.010.02，滑动轴承取f=0.1 ;N

21、l、N2轴承支承反力(N )；Di、D2轴承直径(m)由设计知 Di=0.035m D2=0.075mNi=800NN2=200NG1=294Ne=0.020 时0 1M 摩二 (800 0.035200 0.075)2M 摩=2.15 (N.m)2.工件重心引起的偏置力矩 M偏式中Gi工件重量（N）e 偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M偏为零当 e=0.020, Gi=294n 时M 偏=5.88 （ N-m）3.腕部启动时的惯性阻力矩M惯 当知道手腕回转角速度时，可用下式计算 M惯M惯（J J工件）t式中手腕回转角速度（1/s）t手腕启动过程

22、中所用时间（s）,（假定启动过程中近为加速运动）一般取0.050.3sJ手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kg m2 ）J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量（kg m2）1 2 1 2 2J mR 60 0.050.075kg m1 2 2 1 2 2 2按已知计算：J工件=m（l +3R ）=30（0.1 +3 0.04 ）=0.037 kg m12 12=0.78（1/s）, t= 0.3s故 M惯=0.29 （N-m）考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些，可取：M 驱=1.1 1.2（ M 惯 +M 偏 +M 摩）因此，得 M 驱=1.2 (2.15+5.88+0.29)=10

23、 N m4.回转液压缸所产生的驱动力矩计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大干总的阻力矩M总。总、下图为机械手的手腕回转液压缸，定片1与缸体2固定连接，动片3与转轴5固定连接，当a、b 口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到手腕回转目的。回转缸简图M=pb(R2 r2)2M总总、式中：M总一一手腕回转时的总的阻力矩总、p回转液压缸的工作压力R缸体内孔半径r输出轴半径b动片宽度3 手部液压系统的设计3.1 液压系统简介机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。 电动机带动油泵输出压力油， 是 将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。 压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸， 推动

24、 活塞杆运动，将油液的压力能又转换成机械能。手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压 力和活塞的有效工作面积有关。3.2 液压系统的组成液压传动系统主要由以下几个部分组成： 油泵 它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油 驱动整个液压系统工作。 液压缸 压力油驱动运动部件对外工作部分。 也有回转运动的液动缸， 一般叫作回转油缸 （或 称摆动油缸） 。 控制调节装置 各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起 一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。3.3 机械手液压系统的控制回路机械手的液压系统，根据机械手自由度

25、的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基本控 制回路组成。这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作 速度的调节以及同步运动等。1 压力控制回路 调压回路在采用定量泵的液压系统中， 为控制系统的最大工作压力， 一般都在油泵的出口附近设置溢流阀，用它来调节系统压力，并将多余的油液溢流回油箱。 卸荷回路在机械手各油缸不工作时， 油泵电机又不停止工作的情况下， 为减少油泵的功率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在低负荷下工作，所以采用卸荷回路。此机械手采 用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。 减压回路 为了是机械手的液压系统局部压力降低或稳定， 在要

26、求减压的支路前串联 一个减压阀，以获得比系统压力更低的压力。 平衡与锁紧回路 在机械液压系统中， 为防止垂直机构因自重而任意下降， 可采用平 衡回路将垂直机构的自重给以平衡。为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上， 并防止因外力作用而发生位移， 可采用锁紧 回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意 位置锁紧的回路。 油泵出口处接单向阀 在油泵出口处接单向阀。其作用有二：第一是保护油泵。液压 系统工作时，油泵向系统供应高压油液，以驱动油缸运动而做功。当一旦电机停止转动，油泵不再向 外供油，系统中原有的高压油液具有一定能量，将迫使油泵反方向转动

27、，结果产生噪音，加速油泵的 磨损。在油泵出油口处加设单向阀后，隔断系统中高压油液和油泵时间的联系，从而起到保护油缸的 作用。第二是防止空气混入系统。在停机时，单向阀把系统能够和油泵隔断，防止系统的油液通过油 泵流回油箱，避免空气混入，以保证启动时的平稳性。2 速度控制回路液压机械手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量Q。其控制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改 变油泵的供油量。本机械手采用定量油泵节流调速回路。节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是：有压力和流量损耗，在 低速负荷传动时效率

28、低，发热大。3 方向控制回路 在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二通、 二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油 缸及油马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。3.4 机械手的液压传动系统液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要内容之一。液压系统图是各种液压元件为满足机械手 动作要求的有机联系图。它通常由一些典型的压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用回路 所组成。绘制液压系统图的一般顺序是：先确定油缸和油泵，再布置中间的控制调节回路和相应元件，以 及其他辅助装置，从而组成整个液压系统，并用液

29、压系统图形符号，画出液压原理图。4 结束语此次课程设计我做的是基于液压工业机械手手部的设计，通过 3 周努力，设计终于完成。这次设 计给了我们一个很好的机会，使我们了解了设计工作的基本流程和设计的方法以及理念。在此次的课程设计中， 我遇到了许多以前从未遇到过的问题， 但过通过指导教师的指导和我的努 力，这些问题都得到了较好的解决。虽然我们设计的只是个机械手的手部， 但需要完成手部伸缩和回转功能， 对应分别要对这些液压 缸进行设计，计算和校核。通过这些机设计，使理论知识与实际相结合，巩固和深化了所学过的专业 理论知识。在设计的过程中我不断探索、不断学习和修改。自学了许多相关学科的内容，求教了多位

30、 专业老师，上网和在图书馆查阅大量相关资料。由于时间问题，对于本次机械手的设计还存在许多问题，许多地方都还有待改进和提高，希望各 位专家评审多多指教。5参考文献1 邓星钟机电传动控制M.华中科技大学出版社，20022 孙志礼、冷兴聚、魏延刚等机械设计M.东北大学出版社，20033 徐灏.机械设计手册M第5卷机械工业出版社， 19924 吴宗泽机械设计师手册M.机械工业出版社，2002 成大先机械设计图册M.化学工业出版社，2002年罗洪量机械原理课程设计指导书M（第二版）高等教育出版社，19867 JJ. 杰克（美）机械与机构的设计原理M（第一版）机械工业出版社，19858 王玉新机构创新设计