毕业设计（论文）-气动搬运机械手设计

搬运机械手的设计摘要：随着科学技术的发展和自动化生产线在企业产品生产中的广泛应用，机械手作为自动化生产线的重要组成部分也得到了长足的发展和进步，机械手的发展在企业的发展和创收上起到了举足轻重的作用。本文简单介绍了本课题的意义和内容，回顾了国内外机械手的发展概况，并对工件搬运机械手的研究。作者根据本课题的研究依据，对机械手的机械系统方案进行了设计，确整体结构和机、气一体化的实现方法，画出了各主要部件的机械结构图。关键字：机械手；气动；设计研究

DesignofManipulatorforTransportationAbstract：Withthedevelopmentofthescienceandtechnologyandtheapplicationoftheautomobileproductlineintheproduction,themanipulator,whoservesastheimportantpartoftheautomobileproductline,hasalsoexperienceddramaticprogressanddevelopment,manipulatorastoplayanextremelyimportantpartinthedevelopmentandincomeofthecorporations.Thispaperintroducesthecontentandpracticalapplicationvalueofthethesis,andreviewsthedevelopmentofmanipulatorsinsideandabroad,andmanipulatorwhichusedtransportworkpiecehasbeenstudied.Thewriterintroducesthegistofresearch,designsthemachinesystemprojectofthemanipulator,confirmsthegantryconfigurationandtherealizationwaywiththemachinery,gas-motivatedanddrawsthemachineconfigurationpictureofmasterparts.Keywords：manipulator,pneumatics,designandstudy目录1绪论 11.1 前言 11.2 机械手国内外研究现状 11.3 当今机械手具有的特点 22 机械手总体设计方案 32.1 机械手基本形式的选择 32.2 机械手的主要运动方式和部件 32.3 驱动方式的选择 42.4 机械手的主要设计参数 43 机械手手部设计 53.1 手部的种类及设计基本要求 53.1.1 手部的种类 53.1.2 手部设计基本要求 53.2 手部的结构设计及尺寸的计算 63.2.1 手部的设计 63.2.2 手指指端设计 73.2.3 手部各主要尺寸的确定 73.3 手部夹紧气缸的设计 83.3.1 手部加紧力FN的计算 83.3.2 手部夹紧气缸主要尺寸的确定 94 机械手手腕设计 114.1 手腕设计基本要求 114.2 手腕的结构设计 114.3 手腕回转气缸的设计 124.3.1 手腕转动时所需驱动力矩M驱的计算 124.3.2 手腕回转气缸主要尺寸的确定 145 机械手手臂设计 155.1 手臂设计的基本要求 155.2 手臂的结构设计 165.3 手臂伸缩气缸的设计 165.3.1 手臂伸缩运动驱动力F的计算 165.3.2 手臂伸缩气缸主要尺寸的确定 186 机械手机身设计 196.1 机身整体的结构设计 206.1.1 常见机身的结构 206.1.2 机身整体结构的选择 206.2 机身回转气缸的设计 216.2.1 回转气缸驱动力矩M驱的计算 216.2.2 机身回转气缸主要尺寸的确定 226.3 机身升降机构的设计 236.3.1 手臂偏重力矩M偏的计算 236.3.2 升降不自锁条件分析计算 236.3.3 机身升降运动的液压缸驱动力F的计算 246.3.4 轴承的选择分析 257 全文总结与展望 257.1 全文总结 257.1.1 机械系统方面 257.1.2 驱动传动方面 257.2 展望 25参考文献27致谢28附录29绪论前言用于再现人手的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、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。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的程序控制通用机械手，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。机械手国内外研究现状我国的机器人的研究开始于上世纪70年代，起步较晚，手爪研究也相对落后。从上世纪80年代至今，在国家863计划和国家自然基金的大力支持下，机器人的研究被列入重点发展的主题。经过20多年的发展，我国的工业机械手大致分为三个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代适用化期。“七五”期间，国家投入大量资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，在这种条件下，机械手也得到了相当大的发展。1986年国家开始实施“国家高技术研究发展计划（863计划）”，在此发展下，我国开始系统研究工业机器人，开展了机器人基础科学，关键技术与机器人元部件，目标产品，先进机器人系统集成技术以及机器人在自动化工程中应用的研究，取得了一定的成果，一些方面已经达到了世界先进水平。虽然目前我国机器人产业已有一定的基础，但是由于起步较晚，我国的机器人水平与西方发达国家的先进机器人技术相比仍有较大差距，机器人技术的应用普及程度也不高。一方面，在产业化上与国际上有着一定的差距;另一方面，我国机器人研究多是借鉴外国先进技术，进行二次开发的多，自身技术创新较少。尤其是我国的多传感信息融合技术，智能装配机器人，机器人化机械等方面的开发，应用才起步，与国外先进技术还有很大差距。因此从世界范围来看，我国的机器人仍是一个弱势行业，需要大力发展。当今机械手具有的特点重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。机电气一体化由“可编程序控制器—传感器—气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。气动技术经历了一个漫长的发展过程，随着气动伺服技术走出实验室，气动技术及气动机械手迎来了崭新的春天。目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，目前在我国应用的机械手主要分日系、欧系和国产三种：日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、川崎等公司的产品；欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司；国产机械手主要是沈阳新松机械手公司产品，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点，可以预见，在不久的将来，气动机械手将越来越广泛地进人工业、军事、航空、医疗、生活等领域。机械手总体设计方案机械手的设计任务如图2-1所示，机械手应将图中传送带上立放的工件（45钢，Φ90×120）搬运至工件架横放。机械手基本形式的选择图2-1机械手的任务Fig.2-1Thetaskofthemanipulator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）图2-1机械手的任务Fig.2-1Thetaskofthemanipulator考虑机械手手臂的不同运动形式及组合情况，本机械手在上下料时具有手臂的升降、回转运动，手腕的回转运动及手指在夹持物件时的开闭运动，加之圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小等优点，因此本设计采用圆柱坐标型。机械手的主要运动方式和部件选定圆柱坐标型机械手的基本方案后，根据设计任务，为满足设计的要求，本次设计的机械手拥有5个自由度。将完成：手部抓取、手腕回转、手臂伸缩、手臂回转、手臂升降这5个主要运动。本次设计的机械手采用4大部件和5个气动装置组成：（1）手部：为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成V型槽式可更换结构，使用的是夹持式手部。采用一个直线气压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2）腕部：考虑到手腕需要回转调整，因此采用一个回转气缸来实现手腕回转180°。（3）臂部：采用一个直线气压缸实现手臂平移。（4）机身：采用一个直线气压缸和一个回转气缸来实现手臂在机身上的升降和回转。驱动方式的选择根据驱动方式的分类，机械手可分为：（1）液压传动机械手；（2）气压传动机械手；（3）机械传动机械手；（4）电力传动机械手。根据表2-1，综合考虑各种方面的因素，在这四种驱动方式中选择气压传动。表2-1几种驱动方式的比较Tab.2-1Comparisonofseveraldrivingmodes项目气压传动液压传动电气传动机械传动系统结构简单简单复杂较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大小微大定位精度一般一般很高高动作速度大稍大大小相应速度慢快快中清洁度清洁有污染清洁较清洁维护简单较复杂很复杂简单价格一般稍高高一般技术要求较低较高高较低控制自由度大大中小危险度小中小中机械手的主要设计参数图2-2工件的几何尺寸Fig.2-2TheGeometricDimensionofworkpiece机械手用途：用于车间搬运圆柱钢块。圆柱铁块的几何参数（三视图表示）如图2-1。由于钢的密度为𝜌=7.85g/cm3，此工件的质量m=7.85×𝜋×452×1200×10-6kg=5.9928kg≈6kg。机械手主要设计参数如表2-2。表2-2机械手设计主要参数Tab.2-2Mainparametersofmanipulatordesign抓重6kg自由度数5坐标形式圆柱坐标最大工作半径750mm手臂伸缩行程250mm手臂伸缩速度500mm/s手臂升降行程300mm手臂升降速度500mm/s手臂回转范围0~180°手臂最大回转速度120°/s手腕回转范围0~180°手腕最大回转速度120°/s机械手手部设计机械手的手部是用来直接抓取物件的机构，是机械手的重要组成部件之一。由手指、传力（或增力）机构和驱动装置组成。根据被抓取物件的材质、形状、尺寸、重量以及其它一些特性（如易碎性、导磁性、表面光洁度等）的不同，手部的种类也不一样。手部的种类及设计基本要求手部的种类根据手指的种类不同分类：（1）夹持式手部；（2）吸附式手部。根据手指的种类不同具体细分如图3-1。根据手指的数目分类：（1）单指手部，是由各种单个吸盘所组成的手部；（2）多指手部，是由多个机械手指或多个吸盘组成的手部，其中两个机械式手指组成的手部用的较多。 图3-1手部的种类Fig.3-1Kindsofthehand手部设计基本要求应具有适当的夹紧力和驱动力。应设计合适的夹紧力和驱动力。夹紧力过大，可能损坏物件，还需要较大的动力源和较大结构，不经济；夹紧力过小，由于物件的自重以及传送过程中的惯性力和振动等因素的影响而抓不住物件。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）Δγ，以便于抓取工件。但采用过大的开闭范围会增大驱动装置的行程和结构尺寸，而且会增加手指开闭时间，所以手指开闭范围不宜设计的过大。要求结构紧凑、重量轻。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。机械手动作应准确、灵活、迅速。手部的结构设计及尺寸的计算手部的设计驱动杆铰销圆柱销驱动杆铰销圆柱销手指V型指工件图3-2单支点回转型滑槽式手部结构Fig.3-2Singlefulcrumslipperytroughtypeinthestructureoftherevolvingfinger因此，综合考虑，本系统单支点回转型滑槽式手部结构，机构设计如图3-2。手指指端设计本系统采用的是带V型槽的回转型手指，它是一种常用的夹持结构，适应夹持不同尺寸和形状物件的需要。其特点是夹持平稳可靠，夹持误差小，并能快速地夹持物件，适用于夹持圆柱形或类球状物体。V型体是单独制造，用螺钉固定在手指上，这样在指面磨损后便于迅速更换手指。指端与工件接触面采用柔性指面（指面镶衬橡胶、泡沫塑料、石棉等物）。这样可以增加摩擦力，并起到保护工件圆柱表面的作用。图3-3单支点回转型手指简图Fig.3-3Sketchofsinglefulcrumrevolvingfinger手部各主要尺寸的确定图3-3单支点回转型手指简图Fig.3-3Sketchofsinglefulcrumrevolvingfinger最佳偏转角β的确定图3-3为单支点回转型手部简图。其中：l－手指长度，即手指的回转支点A到V型槽顶点B的距离，取l=90mm2θ－V型槽的夹角，2θ=120°；β－偏转角，即V型槽的角平分线BC与手指AB间的夹角；R－物件半径，R=45mm。设x为物件的轴心位置C与手指回转支点A间的距离，通过三角形ΔABC利用余弦定理可得（3-1）而由直角三角形△BC1D得lBC=R/sin𝜃所以有（3-2）继续化简有（3-3）这是一个双曲线方程，分析该方程可得R=lsinθcosβθ（3-4）此时，有最小x值为xmin=lsinβ（3-5）所以根据（3-3）式，可得最佳偏转角为（3-6）即滑槽尺寸的确定E为圆柱销所在处，此时，要计算出当手部从夹持R=45mm的工件到极限位置手抓张合角Δγ=20°，圆柱销沿OA方向移动的长度。规定手部夹持R=45mm的圆柱形工件时，圆柱销在距A点OA/4长度处，并取|AB|=60mm。两个情况下手部结构尺寸简图如图3-4所示。图3-4夹持式手部结构简图Fig.3-4Sketchofgraspingtypehand图3-5气压双向作用单活塞缸Fig.图3-5气压双向作用单活塞缸Fig.3-5Two-waysinglepolepistonjaroftheatmosphericpressure图3-6结构受力图Fig.3-6Sketchoftheforcestructure根据图3-2，当驱动杆上下运动时，圆柱销上的E点距中心轴线的距离是不变的。所以，在图3-4中即有|EF|=|E1F1|，由图中标注得|AE|=13.42mm，|A1E1|=14.59mm。故圆柱销沿OA移动的长度𝛥图3-6结构受力图Fig.3-6Sketchoftheforcestructure手部夹紧气缸的设计夹持式手部的驱动装置较多采用的是作往复直线运动的气缸。在结构上，单杆活塞缸应用最多。所以，本课题中夹紧气缸采用双向作用的单杆活塞缸。双向作用单杆活塞缸活塞两侧的有效面积不等，在气压相等时，活塞上所受推力P1＞拉力P2，如图3-5所示。设计时，将夹紧气缸的缸体作为手腕回转气缸的转轴，从而达到结构紧凑、减小重量的目的。手部加紧力FN的计算本次设计的气动机械手的手部结构采用的是双向作用的单杆活塞缸，V形手指的角度2θ=120°，如图3-2所示。圆柱形工件依靠的是两个V型手指斜面加紧，工件的质量为3kg。求机械手所需夹紧力FN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算：FN≥K1K2K3G（3-7）式中：K1—安全系数，通常1.22.0，这里取1.5；K2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下式估K2=1+a/g；a—重力方向的最大上升加速度，a=vmax/t响；vmax—运载时工件最大上升速度，取vmax=0.1m/s；t响—系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s，这里取0.05s；K3—方位系数，由手指与工件位置不同进行选择，通常0.9~1.1，这里取1.1。G—被抓取工件所受重力（N），这里G=9.8×6N=58.8N。由公式得求滑槽对圆柱销的支撑力FP对O点手指由静力矩平衡条件𝛴MO=0得FN×|OD|-FP×|OE|=0（3-8）根据图3-4的标注，则有求实际驱动力F对O点结构的受力如图3-6所示，根据受力平衡条件：ΣF=0得2FPcosφ-F=0（3-9）则有F=2FPcosφ=2×186.02×cos14.55°N=360.46N手部夹紧气缸主要尺寸的确定手部夹紧气缸的主要尺寸是指气缸的内径（活塞直径）、外径、活塞杆的直径和气缸的长度等。这些尺寸可以根据手部所需的输出力等来确定。气缸内径D的计算该手部结构为“推夹紧”外夹式手部，采用“推夹紧”的结构有利于缩小气缸的直径。对于活塞，由平衡条件得F-SPη=0（3-10）式中：F—气缸驱动输出力（N），F=360.46N；S—气缸有效工作面积，S=πD2/4（mm2）；P—气缸工作压力（MPa），此次设计为0.6MPa；𝜂—总阻力损失效率，取0.8；所以有查《液压气动手册》，选取缸筒内径为32mm。气缸长度L的确定气缸长度L应根据所需要的行程长度来确定。一般情况下，只要不大于其内径的20～30倍即可。在这里根据工作机构的行程要求，并查《液压气动手册》，选取气缸长度L=50mm。缸筒壁厚δ的设计及校核选夹紧气缸的缸筒壁材料为45钢，壁厚为3mm。缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算（3-11）式中：δmin—气缸最小壁厚（mm）；D—气缸内径（mm），此处D=32mm；Py—试验压力（MPa），取Py=1.3P=1.3×0.6Mpa=0.78Mpa；[σ]—缸体材料的许用应力（MPa），此处，45钢的[σ]=100Mpa。因为所以，原设计的气缸壁厚符合要求。则气缸的外径为D外=D+2𝛿=32+2×3mm=38mm活塞杆直径d的计算及校核活塞杆的直径d可根据气缸负载预先估算，也可按d/D=0.2～0.3估算。此处，取d=0.2D=0.3×32=6.4mm。查有关手册，可选d=8mm。活塞杆的常用材料为钢或铸铁，本设计中选用40Cr。按强度条件对活塞杆的直径进行计算，因采用“推夹紧”的结构，故按受压杆考虑得（3-12）式中：F—气缸驱动输出力（N），F=360.46N；d—活塞杆的直径（mm），d=8mm；[σ]—活塞杆材料的许用应力（MPa），此处40Cr的[σ]=120MPa。则有所以原设计的活塞杆满足强度要求。当活塞杆的长度L大于其直径d的15倍时，需进行稳定性验算。根据行程需要，取活塞杆的长度L=40mm<15d，所以无须进行稳定性验算。所以原设计的活塞杆满足要求。选择密封装置缸筒和端盖之间是静密封，根据《液压气动手册》，可选用以橡胶为材料的O形密封圈。机械手手腕设计手腕部件设置于手部和臂部之间，作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围。本次机械手设计腕部回转调整，使机械手变得更灵活，适应性更强。手腕设计基本要求力求结构紧凑、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。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。手腕的结构设计考虑到机械手抓取工件时方便调整，以及手腕的运动大多都是转动。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构是回转气缸。直接用回转气缸驱动实现手腕的回转运动具有结构紧凑、灵巧以及严格密封等优点，而被广泛采用。在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它是在圆筒形的缸体内装入带叶片的回转轴构成的（转轴为手部夹紧气缸的缸体）。工作原理如图4-1所示。定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片3及密封圈4把气腔分隔成两个，当压缩气体从a孔进入时，推动输出轴作逆时针方向回转，则低压腔的气体从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。手部旋转角度的极限值由动片、定片之间允许的回转角度来决定（小于360°）。单叶片回转气缸在输出力相同的回转式执行元件中体积最小、重量最轻。手腕手部工件手腕手部工件图4-1回转气缸简图Fig.4-1Sketchofrotatingatmosphericjar手腕回转气缸的设计手腕转动时所需驱动力矩M驱的计算手腕回转时的驱动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以及回转气缸的动片与缸内壁间的摩擦阻力矩。图4-2所示为手腕受力的示意图。图4-2手腕回转时受力状态Fig.4-2Forceformofthewristwhenrotating手腕转动所需驱动力矩可按下式计算M驱=M惯+M摩（4-1）式中：M驱—驱动手腕转动的驱动力矩（N·mm）；M惯—参加手腕转动的部件与被夹持物件苹果在起动过程中所产生的惯性力矩（N·mm）；M摩—摩擦阻力矩（包括转轴与支承孔处的摩擦阻力矩以及回转气缸的动片与缸内壁间的摩擦阻力矩）（N·mm）。手腕转动惯性力矩M惯的计算手腕转动惯性力矩M惯根据公式（4-2）式中：J工件—工件对手腕转动轴线的转动惯量（kg·mm2）；J手指—手部手指对手腕转动轴线的转动惯量（kg·mm2）；J气缸—手部加紧气缸对手腕转动轴线的转动惯量（kg·mm2）；Δω—手腕转动时角速度的最大变化量（rad/s），此处，取最大回转速度设计为120°/s，即2.09rad/s；Δt—手腕起动过程所用的时间（s），此处取Δt=0.2s。计算J工件由根据工件形状和回转轴线推算出的惯量公式（4-3）式中：R—工件端面的半径（mm），此时R=45mm；m—被夹持工件芯轴的质量（kg），此时m=6kg；h—工件的高度（mm），此时h=120mm。代入数据得图4-3匀质正方框体Fig.4-3Homogenizethebodyof图4-3匀质正方框体Fig.4-3Homogenizethebodyofsquareframe将手部手指绕手腕转动轴线转动的截面近似为匀质正方框体如图4-3所示。手部手指对手腕转动轴线的转动惯量J手指公式（4-4）式中：m—手指为手部手指质量（kg），手指选用铝合金材料，根据估算定为0.5kg；a—外边框长（mm），取a=100mm；b—内边框长（mm），取b=90mm。所以有由于加紧气缸设计得形状和质量不大，关于回转轴线对称，所以J气缸和J工件、J手指相比可以忽略不计。所以有计算摩擦阻力矩M摩和驱动力矩M驱摩擦阻力矩包括手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩以及动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩等。因为考虑因素较多，计算较繁杂，所以在这里做近似处理。由于采用叶片式回转气缸，泄漏较少，但摩擦损失很大，使输出效率很难超过80%。在此处，我们只考虑动片与气缸内壁间的摩擦损失。因此，输出效率可取较高值，取输出效率η=0.8。所以有M摩=(1-η)M驱（4-5）所以由（4-1）、（4-5）可得M驱=M惯/η=114.87/0.8N·mm=143.58N·mm。手腕回转气缸主要尺寸的确定手腕回转气缸的主要尺寸是指气缸的内径和气缸的壁厚。这些尺寸可以根据手腕所需的驱动力矩与试验压力等条件来确定。气缸内径D的计算单叶片回转气缸的压力P和驱动力矩M驱的关系为（4-6）式中：M驱—回转气缸的驱动力矩（N·mm），此处M驱=143.58N·mm；P—回转气缸的工作压力（MPa），取P=0.6MPa；R内—回转气缸缸体内壁半径（mm）；R—转轴半径（mm），此处为手部加紧气缸缸体的外径，R=19mm；b—动片宽度（mm），此处取b=20mm。代入得回转气缸的转轴同时作为手部夹紧气缸的缸体而承受扭转应力，如图4-1所示，转轴5与缸体2之间存在定片1与动片3。转轴的外径为38mm，到缸体内壁之间的距离在10mm左右。按标准尺寸，取其内径设计值为D=58mm。回转气缸壁厚δ的设计及校核选回转气缸缸体材料为铝合金ZL106，设计壁厚为3mm，以下校核其设计。规定气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚计算可按薄壁筒公式（4-7）式中：δmin—气缸最小壁厚（mm）；D—气缸内径（mm），此处D=58mm；Py—试验压力（MPa），取Py=1.3P=1.3×0.6Mpa=0.78Mpa；[σ]—缸体材料的许用应力（MPa），此处，ZL106的[σ]=30Mpa。因为所以，原设计的气缸壁厚符合要求。由于要在气缸筒上打上螺纹孔用于与气缸盖连接，所以，取壁厚为10mm，使得有足够的尺寸打螺纹孔D外=D+2δ=58+2×10mm=78mm选择密封装置缸筒和端盖之间是静密封，根据《液压气动手册》，可选用以橡胶为材料的O形密封圈。机械手手臂设计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。手臂的设计主要伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将机身的设计中考虑。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。手臂设计的基本要求臂部应承载能力大、刚度好、自重轻。具体要求：（1）根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸；（2）提高支撑刚度以及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。2．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1.0~1.5m/s，最大回转角速度设计在180°/s内，大部分平均移动速度为1m/s，平均回转角速度在90°/s。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ρ，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。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。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。手臂的结构设计本次设计，综合考虑，选择双导杆伸缩机构，使用一个直线气缸驱动，气缸选择双作用气压缸，如图3-5。手臂伸缩气缸的设计手臂伸缩运动驱动力F的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）式中：F摩—手臂伸缩运动的摩擦力（N）；F密—密封装置的摩擦阻力（N）；F惯—手臂惯性力（N）。手臂摩擦力F摩的计算摩擦力的计算，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。图5-1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杆两侧。受力分析：由A点处手臂伸缩杆的力矩平衡得G总·L=Fb·a（5-2）得（5-3）由手臂伸缩杆的力平衡得G总+Fb=Fa（5-4）由（5-3）、（5-4）得Fa=G总(1+L/a)（5-5）手臂摩擦力F摩由公式F摩=μ（Fa+Fb）（5-6）将（5-3）、（5-5）代入得（5-7）上述各式：G总—参与运动零部件所受的总重力（含工件）（N），这里估计M总=9kg，则G总=88.2N；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），这里估算L=600mm；a—导向支撑的长度（m），这里取a=120mm；𝜇—当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关，这里取𝜇=0.3。图5-1机械手臂受力示意图Fig5-1Sketchoftheforceonthemechanicalarm代入得手臂惯性力F惯的计算本设计要求手臂伸缩运动启动速度为𝛥v=300mm/s，设置启动时间Δt=0.2s，由惯性力公式（5-8）式中：估算M总=9kg。得密封装置的阻力F密的确定及手臂伸缩驱动力F的计算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，当气缸工作压力小于10Mpa。气缸处密封的总摩擦阻力可以近似为F密=0.03F（5-9）由（5-1）、（5-9）得手臂伸缩气缸主要尺寸的确定气缸内径D的计算由于手臂无论是做伸出运动还是做缩回运动，都需要气缸的驱动力F。根据图3-5双作用气缸的示意图，气缸在做伸出运动时，由无杆腔的气体做功，而在做缩回运动时，是由有杆腔的气体做功。显然，有杆腔气体与活塞接触面积更小，所以需要设计气缸内径更大。因此，我们以缩回运动所需驱动力F来设计气缸内径D。当气体进入有杆腔时（5-10）式中：F—气缸的驱动力（N），此时F=313.98N；P—气缸工作压力（MPa），此时取P=0.6MPa；D—气缸内径（mm）；d—活塞杆外径（mm），一般为(0.2~0.3)d，此时计算时取最大，d=0.3D；η—机械效率，这里取η=0.85。则查《液压气动手册》，选取缸筒内径为32mm。气缸长度L的确定气缸长度L应根据所需要的行程长度来确定。一般情况下，只要不大于其内径的20～30倍即可。在这里根据工作机构的行程要求，由标注尺寸，选取气缸长度L=500mm。缸筒壁厚δ的设计及校核选手臂伸缩气缸的缸筒壁材料为ZL106，壁厚为3mm。缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算（5-11）式中：δmin—气缸最小壁厚（mm）；D—气缸内径（mm），此处D=32mm；Py—试验压力（MPa），取Py=1.3P=1.3×0.6Mpa=0.78Mpa；[σ]—缸体材料的许用应力（MPa），此处，ZL106的[σ]=100Mpa。因为所以，原设计的气缸壁厚符合要求。则气缸的外径为D外=D+2𝛿=32+2×7mm=46mm按照要求可以选择日本SMC公司的CM2系列气缸，内径与壁厚均符合要求。活塞杆直径d的计算及校核活塞杆的直径d可根据气缸负载预先估算，也可按d/D=0.2～0.3估算。此处，取d=0.3D=0.3×32=9.6mm。查有关手册，可选d=12mm。活塞杆的常用材料为钢或铸铁，本设计中选用40Cr。按强度条件对活塞杆的直径进行计算（5-12）式中：F—气缸驱动输出力（N），F=360.46N；d—活塞杆的直径（mm），d=12mm；[σ]—活塞杆材料的许用应力（MPa），此处40Cr的[σ]=120MPa。则有所以原设计的活塞杆满足强度要求，由于手臂伸缩另有导杆导轨支撑，按照经验，可以不需进行稳定性校核。选择密封装置缸筒和端盖之间是静密封，根据《液压气动手册》，可选用以橡胶为材料的O形密封圈。机械手机身设计机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，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。机身整体的结构设计按照设计要求，机械手要实现手臂180°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。常见机身的结构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。机身整体结构的选择图6-1机身整体结构Fig.6-1Entirestructureofthemachinebody经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。设计手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构如图6-1。驱动机构是气压驱动，回转缸通过两个气孔，一个进气孔，一个排气孔，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，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转180°。机身回转气缸的设计回转气缸驱动力矩M驱的计算手臂回转缸的回转驱动力矩M驱，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩M惯及各密封装置处的摩擦阻力矩M摩相平衡，即M驱=M惯+M摩（6-1）机身回转惯性力矩M惯的计算手腕转动惯性力矩M惯根据公式（6-2）式中：J0—手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（kg·mm2）；Δω—手腕转动时角速度的最大变化量（rad/s），此处，最大回转速度设计ω=120°/s，设计器启动角速度Δω=(1/3)𝜔，Δω=即0.69rad/s；Δt—手腕起动过程所用的时间（s），此处取Δt=0.2s。计算J0由公式J0=Jc+m𝜌2（6-3）式中：Jc—手臂回转部件（包括工件）对重心轴线的转动惯量（kg·mm2）；𝜌—手臂回转部件（包括工件）的重心对回转轴的距离（mm），这里估计为𝜌=600mm；m—手臂回转部件（包括工件）的质量（kg），这里大致估计为m=12kg。计算Jc可将回转部件等效为一个长l=850mm，直径2R=50mm的圆柱体，质量为12Kg，计算Jc则可由公式（6-4）J0=Jc+m𝜌2=72435+12×6002kg·mm2=5044375kg·mm2计算摩擦阻力矩M摩和驱动力矩M驱摩擦阻力矩包括手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩以及动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩等。因为考虑因素较多，计算较繁杂，所以在这里做近似处理。由于采用叶片式回转气缸，泄漏较少，但摩擦损失很大，使输出效率很难超过80%。在此处，我们只考虑动片与气缸内壁间的摩擦损失。因此，输出效率可取较高值，取输出效率𝜂=0.8。所以有M摩=(1-η)M驱（6-5）所以由（4-1）、（4-5）可得M驱=M惯/η=17403.1/0.8N·mm=21753.88N·mm机身回转气缸主要尺寸的确定机身回转气缸的主要尺寸是指气缸的内径和气缸的壁厚。这些尺寸可以根据机身所需的驱动力矩与试验压力等条件来确定。气缸内径D的计算单叶片回转气缸的压力P和驱动力矩M驱的关系为（6-6）式中：M驱—回转气缸的驱动力矩（N·mm），此处M驱=21753.88N·mm；P—回转气缸的工作压力（MPa），取P=0.6Mpa；R内—回转气缸缸体内壁半径（mm）；R—转轴半径（mm），此处设计为R=25mm；b—动片宽度（mm），此处取b=60mm。代入得按标准尺寸，取其内径设计值为D=100mm。回转气缸壁厚𝛿的设计及校核选回转气缸缸体材料为铝合金ZL106，设计壁厚为8mm，以下校核其设计。规定气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚计算可按薄壁筒公式（6-7）式中：δmin—气缸最小壁厚（mm）；D—气缸内径（mm），此处D=100mm；Py—试验压力（Mpa），取Py=1.3P=1.3×0.6Mpa=0.78Mpa；[σ]—缸体材料的许用应力（Mpa），此处，铝合金ZL106的[σ]=30Mpa。因为所以，原设计的气缸壁厚符合要求。若考虑在气缸筒上打上螺纹孔的因素，则取壁厚为20mm，则气缸的外径为D外=D+2𝛿=100+2×20mm=140mm选择密封装置缸筒和端盖之间是静密封，根据《液压气动手册》，可选用以橡胶为材料的O形密封圈。机身升降机构的设计手臂偏重力矩M偏的计算如图6-2，G总为工件、手指、手腕、手臂等重力总和，粗略估计G总=15kg。ρ为工件、手指、手腕、手臂总重心距离手臂回转轴心的距离，粗略估计ρ=500mm。立柱导套高为h。计算偏重力矩可由公式M偏=G总ρ（6-8）代入数据得M偏=G总·ρ=15×9.8×500×10-3=73.5N·m图6-2手臂与立柱简图Fig.6-2Sketchofarmanduprightpost升降不自锁条件分析计算手臂在G总的作用下有向下的趋势，而立柱导套有防止这种趋势。由力的平衡条件有Fr1=Fr2（6-9）Fr1h=G总𝜌（6-10）由（6-9）、（6-10）得（6-11）不自锁条件为G总＞𝜇(Fr1+Fr2)=2𝜇Fr1（6-12）即（6-13）式中：μ—立柱与导套之间的摩擦系数，这里取𝜇=0.1。代入数据得h＞2ρμ=2×500×0.3mm=100mm取立柱导套高为h=100mm，也就是说要让升降气缸筒长度在原有的行程所确定的长度下在加上100mm，此时立柱升降不自锁。机身升降运动的液压缸驱动力F的计算做升降运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时的摩擦、惯性以及G总等几个方面的合力，来确定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。（6-14）式中：F摩—机身升降运动的摩擦力（N）；F密—密封装置的摩擦阻力（N）；F惯—升降运动的惯性力（N）。手臂摩擦力F摩的计算根据公式（6-15）由（6-11）、（6-15）得升降惯性力F惯的计算本设计要求机身升降运动启动速度为𝛥v=300mm/s，设置启动时间𝛥t=0.2s，由惯性力公式（6-16）得密封装置的阻力F密的确定及升降驱动力F的计算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，当气缸工作压力小于10Mpa。气缸处密封的总摩擦阻力可以近似为F密=0.03F（6-17）由（6-14）、（6-17）得轴承的选择分析对于升降缸的运动，对于机身回转用的轴承有影响，因此，这里要充分考虑这个问题。对于本设计，采用一支点，双固定，另一支点游动的支撑结构。作为固定支撑的轴承，应能承受双向轴向载荷，故内外圈在轴向全要固定。本设计采用两个角接触球轴承，面对面或者背对背的组合结构。这种结构可以承受双向轴向载荷。全文总结与展望全文总结本文主要从机械系统、驱动传动系统等几个方面对搬运机械手进行了深入、详细、系统地研究。通过研究，实现了对生产线上有无工件的检测，实现了机械手的自动、半自动和手动操作功能，实现了人机交互式管理，满足了降低劳动强度和提高生产效率的要求。在提高整个生产线的自动化水平以及柔性制造方面起到了不可替代的作用。机械系统方面一是给出了课题研究的依据，确定了机械手工作的基本原理；二是提出了龙门式的机械系统整体结构设想，把机器人系统与数控机床系统融为一体；三是根据两生产线上工件移动位置的特殊性提出了相应的安装方式，简化了机械结构；四是设计出了齿轮约束、同一气缸驱动的手部结构，解决了手指动作难同步的问题；五是对主要的部件进行了详细的设计。驱动传动方面一是对机械手进行了简单的运动分析；二是对驱动系统进行了方案研究，完成了主要驱动部件的造型与校核；三是对传动系统进行方案研究，完成了主要传动部件的造型与校核。展望作为搬运机械手来讲，本文所研究的机械手有它自身的局限性、运动简单、自由度少、自适应能力差，只能适用于少数对搬运工作要求不高的场合。从机械结构到传动方式、从控制器的选择到运动控制的实现都有很大的发展和改进空间，为了更好地完成搬运工作，拓展本产品的适用范围，不断把该类型机械手系统化、实用化，笔者认为还应在以下几个方面作进一步的研究和探索：（1）机器各部位的灵活性要进一步提高，在允许的情况下，提高运动速度，确保能够适应工件生产速度提高的要求。（2）机器的稳定性和可靠性要进一步提高，在减小冲击、降低噪音上下功夫，确保操作、运行的安全可靠，以便适用于更多的搬运对象和搬运场合。（3）从优化设计的角度，进一步研究探索设计中存在的冗余问题，做到设计最优化。（4）在故障自诊断上做深入的研究，提高机器的自动化水平。（5）在机器的外形设计上下功夫，设计出既美观又实用的机械结构。（6）继续在人机交互上做研究，提高人性化管理水平，使人与机器的结合达到最佳效果。（7）按照实用性的要求，成系列地设计专用产品和通用产品，拓展系列产品的适用范围。

参考文献[1]芮延年.机器人技术及其应用[M].北京:化学工业出版社.2008.5.