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附件6中期报告（学生用表）系（部）： 专业： 班级： 学生姓名学号指导教师课题名称上下料机械手设计（结构设计）简述开题以来所做的具体工作和取得的进展或成果：1.在学校图书馆找关于机械手的相关书籍，研究机械手的结构与组成，分析机械手的自由度，空间运动的范围。2.并分别确定了该机械手的手臂的回转机构和升降机构，双支点回转型手部结构，并利用AutoCAD软件绘制了车床上下料机械手装配图，手部结构图以及一些主要的零件图。3.同时也简要的介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标型式等基本知识。存在的具体问题与解决方法：1在手臂伸缩运动和驱动力计算过程中，对总重量的估算不太清楚，对公式没有深刻理解，计算手部结构尺寸时存在较大误差。 2对伸缩机构的结构运行情况，导向管和油缸是如何布置。 解决措施： 1把设计过程中遇到的细节问题通过查阅资料或问老师进行彻底解决，重点是把手部的内部结构联接以及其它连接件的连接形式和所要使用零件尺寸选好。 2把剩下的不明白的工作原理弄清楚。通过画图对画图软件的掌握及熟练运用，对零件图装配图的细节进行整理。下一步工作的主要研究任务、具体设想与安排： 1. 完成上下料机械手的装配图及零件图的绘制，完成手臂的伸缩与手部机构的设计。2.并完成毕业设计说明书。指导教师对前期工作的评价：指导教师签名：年 月 日注：1、本表可根据内容续页；2、指导教师评价及签名手写，其他内容电子版填写。附件7工作中期检查记录系（部）： 专业： 班级： 姓名 学号指导教师 检查主要内容已完成:开题报告、系统初步设计方案、系统的主要零部件设计、计算， 绘制系统的主要零部件图、 CAD绘图设计并进行相关修改。下步计划:完善自己的局部零件图、控制图和装配图。 完成自己气动机械手的初稿。对整体检查,对说明书及图纸进行修改 ，完善自己的课题设计，准备答辩。老师指导到位，认真负责，对开题报告，中期报告，机械设计等方面多次给予帮助。并写有指导记录。（1）在手臂伸缩运动和驱动力计算过程中，对总重量的估算不太清楚，对公式没有深刻理解，计算手部结构尺寸时存在较大误差。（2）对伸缩机构的结构运行情况，导向管和油缸是如何布置？ 解决措施：（1）把设计过程中遇到的细节问题通过查阅资料或问老师进行彻底解决，重点是把手部的内部结构联接以及其它连接件的连接形式和所要使用零件尺寸选好。（2）继续把剩下的不明白的工作原理弄清楚。通过画图对画图软件的掌握及熟练运用，对零件图装配图的细节进行整理毕业论文（设计）工作领导小组意见组长签名：年 月 日注：1、本表可根据内容续页；2、领导小组意见手写，其他内容电子版填写。附件3任务书（指导教师用表）系（部）： 专业： 班级： 学生姓名指导教师姓名论文（设计）题目上下料机械手设计（结构设计）下达任务日期任务起止日期主要研究内容及方法1、 是为普通车床而设计的一种自动上下料装置的机械手；2、对机械手进行了总体方案的设计，确定坐标型式、自由度和机械手的技术参数,确定该机械手的手臂的回转机构和升降机构，及手部结构。3、该机械手能抓取重物,机械手的双臂可同时升降并在水平面内一起作90回转，升降动作；装在手臂前端的手，可作夹紧或松开工件的开闭动作；主要任务及目标1、完成上下料机械手的整体设计，包括:手部、手腕、手臂和机身等结构部件的设计。2、用CAD完成机械手的总装配图,零件图。3、提供设计图4张，两张0号，两张3号。主要参考文献1 孙志礼,冷兴聚,魏延刚等.机械设计M.沈阳：东北大学出版社,2016：19-25.2 刘朝儒,彭福荫,高政一.机械制图M.北京：高等教育出版社,2016：25-30.3李允文.工业机械手设计.机械工业出版社M,2017. 88-974孙桓 陈作模.机械原理M.高等教育出版社,2016.145-151.进度安排各阶段工作任务起止日期查阅资料，完成总体方案的设计，撰写开题报告。3.5-3.18完成液压控制系统和气动机械手装配图。3.19-4.15完成机械手的结构设计，主要参数确定。4.16-5.10完成机械手传动方式的论证和选择，机械手各结构的设计计算。5.11-5.18设计修改完善,完成论文终稿。5.19-5.26任务下达人签名任务接收人签名教研室指导小组组长签名系部领导小组组长签名注：1、本表可根据内容续页； 2、本表一式两份，学生、系部存档各一份；3、签名需手写，其他内容电子版填写。附件5开题报告（学生用表）系（部）： 专业： 班级： 课题名称上下料机械手设计（结构设计）指导教师 学生 学号 一、课题的来源及意义实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，从而提高经济效益。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是非常有效的。在繁重的条件下进行的操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本课题是为普通车床配套而设计的一种自动上下料装置的双手臂的机械手。本文对机械手进行了总体方案的设计，确定了机械手的坐标型式、三个自由度和机械手的技术参数,并分别确定了该机械手的手臂的回转机构和升降机构，双支点回转型手部结构，并利用AutoCAD软件绘制了车床上下料机械手装配图，手部结构图以及一些主要的零件图，同时也简要的介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标型式等基本知识。本次题目的设计要求是抓取重物30kg,机械手的双臂可同时升降并在水平面内一起作90回转动作，升降220mm,装在手臂前端的手，可作夹紧或松开工件的开闭动作。机械手工作时，通过手臂的升降、回转和手的开闭，可完成工件上、下料的自动循环。手臂的回转装置采用了齿条齿轮机构，同时依靠液压缸的驱动实现了手臂的升降运动。由于工作对象为孔径结构的工件，所以设计的手部是双手臂，并且为双支点回转型V型手指。液压系统具有结构简单，便于维护和维修，自身具有润滑功能等优点。数控车床上下料机械手，特点是结构精巧，占地面积小，动作简捷，功能全，可靠性高。二、国内外发展状况及研究背景 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的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。可以善劳动条件，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。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、国内外研究现状和发展趋势（1）国内的研究现状工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DCPWM等等。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。目前国内机械手主要用于机床加工、锻造。热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，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，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。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。（2）国外研究现状国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。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。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 发生少许偏差时候，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。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。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成为万能制动公司，专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制：该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这2种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的基础。从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种UnimationVic.arm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。联邦德国机器制造业是从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Kuka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。三、研究目标及内容本课题将要完成的主要内容如下:(1) 为普通车床设计合理的自动上下料装置的机械手。(2) 选取机械手的坐标型式和自由度。(3) 设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂和机身等结构部件的设计。(4) 相关资料, 拟定多种设计方案, 并比较其优劣, 选择合理的设计方案。四、本课题研究方法及进度安排 第1-2周 查阅和收集设计资料,完成系统初步设计方案;第3-4周 完成系统的主要零部件设计、计算;第4-5周 绘制系统的主要零部件图;第6周 绘制系统的结构图;第7周 进行CAD草图设计；第8周 正式CAD绘图设计；第9周 CAD绘图设计并进行相关修改；第18周 写说明书、出图；第11-12周 整理说明书及图纸；第13-14周 对整体检查,对说明书及图纸进行修改；第15周 为答辩做准备；第16周 答辩；六、参考文献1 刘鸿文.材料力学M.北京：高等教育出版社,2015: 11-15.2 孙志礼,冷兴聚,魏延刚等.机械设计M.沈阳：东北大学出版社,2016：19-25.3 刘朝儒,彭福荫,高政一.机械制图M.北京：高等教育出版社,2016：25-30.4 董林福 ,赵艳春.液压与气压传动M.沈阳：化学工业出版社,2015：15-36.5徐元昌.工业机器人M.北京:中国轻工业出版社,2014. 22-30.6张建民.工业机器人M.北京:北京理工大学出版社,2016. 111-130.7 周洪.气动技术的新发展J. 液压气动与密封,2017.220-231.8 蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略J. 机器人技术,2017.34-40.9田绿竹.画法几何及机械制图M. 北京：冶金工业出版社,2004.70-78.10李允文.工业机械手设计.机械工业出版社M,2017. 88-9711杨文生.液压与气动传动M.电子工业出版社,2017.201-210.12孙桓 陈作模.机械原理M.高等教育出版社,2016.145-151.13李建功.机械设计M.机械工业出版社,2015. 30-3814陆玉.机械设计手册M.机械工业出版社,2016. 67-9315王承义. 机械手及其应用M. 机械工业出版社,2016. 66-90指导教师意见：指导教师签名： 年 月 日注：1、本表可根据内容续页；2、指导教师意见及签名手写，其他内容电子版填写。附件4指导记录（指导教师用表）系（部）： 专业： 班级： 姓名学号指导教师职称/学位毕业设计题目机械手日 期指导内容存在问题指导学时数20180305进行开题，检查学生的题目是否符合答辩要求。部分题目有些简单2学时20180309指导老师检查每个同学的开题报告，指出各个同学的不足，提出修改意见。思路不是很清晰，没有找到足够的参考资料。2学时20180316主要对设计的结构进行指导，并对设计的格式进行说明。设计结构的一些细节问题不是很清楚2学时20180320指导学生完成设计的初稿，并说明接下来设计完成方向。设计初稿方向不明确，各章节内容过乱2学时20180323对各个同学目前主要设计的东西进行分析，让同学们有了清晰的思路。计算出来的数据存在问题。2学时20180330检查已经计算的部分，督促同学尽快完成计算，指导老师对每个同学遇到的问题进行耐心的回答，并对结构设计计算提出了一些建议。设计中逻辑有混乱的地方2学时20180406本次指导过程主要针对的是各个设计中的计算，强调要严格按照国家标准进行计算，对计算结果严格检查，不能出现差错，否则无法进行下一步的工作。对液压传动系统的工作原理不够了解。2学时20180413本次主要检查结构设计部分，对有问题的地方进行指导纠正，然后对同学们的疑惑进行答疑。对一些标准零件的型号和规格不清楚。2学时20180420对已经绘制的零件图进行了查阅，并指出错误。设计中的格式有些和要求不符，需要进一步修改2学时20180425对已绘制的零件图进行了进一步的查阅，并催促同学们进行总装图的绘制。对大体结构不清楚。2学时20180428对绘制装配图的进度进行了检查，并催促同学们完成装配图。基本完成所有零件图和装配图的绘制，但是还有一些细节问题需要优化。2学时20180504本次指导老师检查了装配体，给出了一定的指导意见，对图中出现的问题进行仔细的讲解。零件图中的一些细节问题还需要进一步的优化。2学时20180511提到了说明书的重要性，催促我们尽快完成说明书。说明书内摘要部分需要修改，同时还有格式部分也需要修改。2学时20180518本次检查指导时，基本已经完成了老师对其中的格式字体部分进行检查，进一步加强了格式的重要性。对说明书内一些细节性的格式还需要修改比如：行间距。2学时20180522打印初稿，并交给老师查阅，老师指出问题，进行指导。参考文献的选择2学时20180525整理资料，进行最后的检查，准备答辩。有关答辩的一些问题不明白2学时注：本表可续页，由指导教师根据毕业设计指导工作方案和实际指导情况填写（可电子版填写）。摘 要实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，从而提高经济效益。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是非常有效的。在繁重的条件下进行的操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本课题是为普通车床配套而设计的一种自动上下料装置的双手臂的机械手。本文对机械手进行了总体方案的设计，确定了机械手的坐标型式、三个自由度和机械手的技术参数,并分别确定了该机械手的手臂的回转机构和升降机构，双支点回转型手部结构，并利用 AutoCAD 软件绘制了车床上下料机械手装配图，手部结构图以及一些主要的零件图，同时也简要的介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标型式等基本知识。本次题目的设计要求是抓取重物 30kg,机械手的双臂可同时升降并在水平面内一起作 90回转动作，升降 220mm,装在手臂前端的手，可作夹紧或松开工件的开闭动作。机械手工作时，通过手臂的升降、回转和手的开闭，可完成工件上、下料的自动循环。手臂的回转装置采用了齿条齿轮机构，同时依靠液压缸的驱动实现了手臂的升降运动。由于工作对象为孔径结构的工件，所以设计的手部是双手臂，并且为双支点回转型 V 型手指。液压系统具有结构简单，便于维护和维修，自身具有润滑功能等优点。数控车床上下料机械手，特点是结构精巧，占地面积小，动作简捷，功能全，可靠性高。关键词：工业机器人；机械手；液压系统；关键词：工业机器人；机械手；液压系统；lAbstractPractice a certificate, the industrial machine hand can replace the heavy labor of hand, show the labor strength that the Zhao eases a worker and raise an economic performance thus. The industry produce medium usually appear of the porterage of bulky work piece and multifarious over a long period of time, monotonous of operation, adopt a machine hand is very valid. The operation carried on under the heavy condition, show more it superiority, have vast development prospect.This topic is the machine hand of hands arm which is common lather kit but a kind of auto of design to up and down anticipate device. This text carried on the design of the total project to the machine hand and made sure a machine hand of sit mark pattern, three freedom degree and machine hand of technique parameter, and respectively made sure the turn-over organization of the arm of the machines hand and ascend and descend organization, double fulcrum turn-over type hand structure, and made use of the software of AutoCAD to draw the lather up and down anticipates the machine hand assemble diagram, the hand structure is diagram and some main spare parts diagrams, also in the meantime synopsis of introduced the concept of the industrial robot, machine hand of constitute with classification, the freedom degree of the machine hand with sit mark pattern to wait basic knowledge.The design request of grab the weight 30kg this topic is the double arm of machine hand and can ascend and descend in the meantime and make 90 s to turn round action together in the horizontal plane, The lifting 300mm,Pack the hand of in hand arm head, can make to clip tightly or the open of loose opening piece shut action. Pass the rise and fall of arm, turn round when the machine handicraft make and the open of hand shut, can complete a work piece up, descend to anticipate of auto circulation. The turn-over device of arm adopted Chi wheel gear organization and lifting 300mm,Pack the hand of in hand arm head, can make to clip tightly or the open of loose opening piece shut action. The turn-over device of arm adopted Chi wheel.lDpended on a liquid to press a drive of urn to carry out ascend and descend of arm sport in the meantime. Because the work object is a bore path the work piece of the structure, so design of the hand is a hands arm, and is a pair of fulcrums turn-over type V type finger. Because the liquid presses system to have structure simple, easy to maintenance with maintain, the oneself has lubrication function etc. advantage, therefore, the rise and fall organization of arm adopted a liquid to press system.Design of loading and unloading manipulator for NC lathe is characterized by compact structure,small occupation area,simple motion,complete function,high reliability.KeyWords :Industrial robot; Machine hand;The liquid presses system;The liquid presses l目目 录录第一章 绪论.11.1 机械手概述.11.1 机械手的定义与分类.21.2 机械手的组成和分类.21.2.1 机械手的组成 .21.2.2 机械手的分类 .51.3 国内外发展状况.71.4 课题的提出及主要任务.81.4.1 课题的提出 .81.4.2 课题的主要任务 .9第二章 机械手的设计方案.102.1 工况分析.102.2 机械手的坐标型式与自由度.112.3 机械手的手部结构方案设计.122.4 机械手的手腕结构方案设计.122.5 机械手的手臂结构方案设计.132.6 机械手的驱动方案设计.152.7 机械手的主要参数.162.8 机械手的技术参数列表.16第三章 手部结构设计.183.1 夹持式手部结构.183.2 手指的形状和分类.183.3 设计时考虑的几个问题.183.4 手部夹紧液压缸的设计.19第四章 手臂结构设计.234.1 对臂部设计的基本要求.23l4.2 手臂升降部分.234.2.1 手臂升降部分结构设计 .234.2.2 升降液压缸的设计 .244.3 手臂回转部分.264.3.1 手臂的运动要求 .264.3.2 手臂设计计算 .274.3.3 齿轮的设计计算 .274.3.4 齿条的设计计算 .284.3.5 手臂横梁的选取和计算 .28结论.30致 谢.31参考文献.321第一章 绪 论1.1 机械手概述随着现代工业技术的发展,工业自动化技术越来越高,生产工况也有趋于恶劣的态势,这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求,同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化,对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害,如冶金、化工、医药、航空航天等。在机械制造业中,机械手应用较多,发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业,它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作,有些还具备有传感反馈能力,能应付外界的变 化。如果机械手发生某些偏离时,会引起零部件甚至机械本身的损坏,但若有 了传感反馈自动,机械手就可以根据反馈自行调整。应用机械手,有利于提高材料的传送、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,降低生产成本,加快实现工业生产机 械化和自动化的步伐。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。近些年,随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用,机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。借助强大的工业处理能力,很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手,在实现各种要求的工序前提下,大大提高了工业过程的质量,而且大大解放了生产力,改善了工作环境,减轻了劳动强度节约了成本,提高了生产效率,具有十分重要的意义。同时,借助组态软件的辅助作用,大大提高了系统的工作效率。因此,在自动化机床和综合加工自动生产线上,目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。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。21.1 机械手的定义与分类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。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。其一,它能部分代替人工操作;其二,它能按照生产工艺要求,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。因此,它能大大地改善工人的劳动条件,显著地提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到各先进工业国家的重视,并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用得更为广泛。机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手,它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外,还具备 通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的,称为操作机。1.2 机械手的组成和分类1.2.1 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如图 1.1 所示。 控制系统驱动系统被抓取工件执行机构位置检测装置图 1.1 机械手的组成方框图(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1. 手部即与物件接触的部件。因为与物件接触的方式有很大差异，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪) 和传力机构所组成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动方式有回转型和平移型。回转型手指构造简单，制造容易构件，3故运用较普遍平移型应用较少，其原因是结构相比来说复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变动不影响其轴心的位置，因此适合夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。 传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母多，式弹簧式和重力式等。附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。回转型手指结构简单。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式。2. 手腕是连接手部和臂部的部件,并可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变的更灵巧,适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工 作要求,有些动作较为简单的专用机械手,为了简化结构,可以不设腕部,而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。3. 手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如4液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下:手臂运动基本运动复合运动直线运动与回转运动的组合(即螺旋运动)两直线运动的组合(即平面运动)回转运动:如水平回转、左右摆动运动直线运动:如伸缩、升降、横移运动两回转运动的组合(即空间曲面运动)。手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹具) ,并带动他们做空间运动。 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,一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求,即手臂的伸缩、 左右旋转、升降(或俯仰)运动。4. 立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5. 行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6. 机座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。是固定不动并承受各种应力、力的的元件。 (二)驱动系统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中形式。(三）控制系统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5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出报警信号。(四)位置检测装置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，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。1.2.2 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的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)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，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。2. 通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统在其性能范围内，其动作程序是可变的，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“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型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。(二)按驱动方式分1. 液压传动机械手6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。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动速度快和行程长，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. 点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。71.3 国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代科技的一个重要组成部分。汽车业的快速发展,车外型愈求美观流线,并由于汽车外板件要求完美无尘的冲压生产线也向高速化、高品质、自动化、柔性化方向发展。传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要。 机械手的积极作用正日益为人们所认识,它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此,它能大大地改善工。人的劳动条件,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此,受到各先进单位的重。视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合,应用得更为广泛。在我国,近代几年来也有较快的发展,并取得一定的成果,受到各工业部门的重视。 传统观点认为,气体具有压缩性,因此,在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下,似乎更难想象)。此外,气源工作压力较低,抓举力较小。气动技术作为机器人中的驱动功能已经被工业界广泛接受,对于气动机器人伺服控制体系的研究起步较晚,但已取得了重要成果,它在工业自动化领域应用正在受到越来越多的广泛关注。 90 年代初,有布鲁塞尔皇家军事学院 Y.Bando 教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人“阿基里斯”六脚勘测员,也被称为 FESTO 的“六足动物”。Y.Bando 教授采用了世界上著名的德国 FESTO 生产的气动元件、可编程控制器和传感器等, 创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇敢的希腊英雄阿基里斯。它能在人不易进入的危险 区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察。六脚电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视障碍物,能安全的绕过它,并在行走过程中记录和收集数据。 由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人,它能在两个相互垂直的表面上行走(包括从地面到墙面或者从墙面到天花板上)。该机器人轴心的圆周边上装备着等距离(根据步距设置)的吸盘和气缸,一组吸盘吸力与另一组吸盘吸力的交替交换,类似脚踏似的运动方式,使机器人产生旋转步进运动。这种攀墙式机器人可被用于工具搬运或执行多种操作,如在核能发电站、高层建筑物气动机械手位置伺服控制系统8的研究或船舶上进行清扫、检验和安装工作。机器人用遥控方式进行半自动操作,操作者只需输入运行的目标距离,然后计算机便能自动计算出必要的单步运行。操作者可对机器人进行监控。 现代汽车制造工厂的生产线,尤其是主要工艺是焊接的生产线,大多采用了机械手。车身在每个工序的移动;车身外壳被真空吸盘吸起和放下,在指定工位的夹紧和定位;点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊,都采用了各种特殊功能的机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化,堪称是最有代表 性的机械手应用之一。 此外机械手还应用于酒、油漆灌装气动机械手;自动加盖、安装和拧紧机械手,牛奶盒装箱机械手,特别是机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如:DaVinci 外科手术机器手等。 机械手发展方向，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。 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。1.4 课题的提出及主要任务1.4.1 课题的提出在当今现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。而工业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构型式9亦各不相同，技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能，一般都能按照预定程序，自动地、重复循环地进行工作。但在机械工业中，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。根据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产;金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。 从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，而工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。如果工件的装卸、搬运等辅助作业，继续由人工操作，不仅会增加工人劳动强度，同时亦不能充分发挥专用设备的效能，必然会影响劳动生产率的提高。若采用工业机械手代替人工上、下料，则可改变上述不相适应的情况。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。1.4.2 课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下：(1) 为普通车床设计合理的自动上下料装置的机械手。(2) 选取机械手的坐标型式和自由度。(3) 设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂和机身等结构部件的设计。10第二章 机械手的设计方案对于工业机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，所以这就要求我们设计车床上下料机械手的原则是:充分了解作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械手是普通车床上下料的机械手，此机械手为双手臂结构，双臂成90分布在同一平面。其用途功能：机械手的双臂可同时升降并在水平面内一起作 90回转动作，其中一个手臂用于上料，另一个手臂用于下料；装在手臂前端的手，可作夹紧或松开工件的开闭动作。机械手工作时，通过手臂的升降、回转和手的开闭，可完成工件上、下料的自动循环。此机械手是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。2.1 工况分析数控车床上下料机械手需抓取棒类零件，负载 30kg，手臂回转角度为 90，抓取零件示意图如图 2.1：图 2.1 机械手抓取零件示意图该机械手完成工作的步骤，手臂完成回转和升降运动手部完成夹持工件运工件手臂转回手臂下降到初始位置。112.2 机械手的坐标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式(如图 2.2) 5。机械手的坐标形式可分为以下几种:(1) 直角坐标式机械手适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X，Y，Z 三个方向的直线进行运动，其工作范围可以是一个直线运动，二个直线运动或三个直线运动。如在X，Y，Z 三个直线运动方向上各具有A，B，C 三个回转运动，即构成六个自由度。但在实际上是很少有的。它的优点是产量大，节拍短，能满足高速的要求，容易与生产线上的传动带和加工装配机械相配合，适于装箱类，多工序复杂的工作，定位容易变更，定位精度高，可达到0.5 毫米以下，载重发生变化时不会影响精度，易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。缺点是这种机械手作业范围较小。(2) 圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型失，适用于搬运和测量工件，具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手有X，Y，三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动；二个直线运动加一个旋转运动。(3) 球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手，是由X，三个方面的运动组成。球坐标式机械手的工作范围包括：一个旋转运动，二个旋转运动和二个旋转运动加一个直线运动。球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内作圆弧上下俯仰运动。(4)关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。可作几个方向转动，工作范围大，动作灵活，通用性强，但定位精度差，控制装置复杂。由于本次设计的机械手在上下料时手臂具有升降，回转运动和夹持，所以相应的机械手具有三个自由度。而支撑整体机械手装置的机身由燕尾槽导轨带动，实现整体机械手装置的左右移动或行走，不在本设计考虑之内。因此，机械手的坐标型式采用圆柱坐标，相应的机械手共有三个自由度。12图2.2 四种机器人坐标形式2.3 机械手的手部结构方案设计本次设计的机械手是车床上下料的机械手。因为夹紧的工件是棒料，所以采用夹紧机械手爪，常用的外卡式两指钳爪，如图 2.3 所示，其夹紧方式用弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸6。此种结构较为简单，制造方便。图 2.3 夹紧机械手爪2.4 机械手的手腕结构方案设计机械手臂的运动（包括要做的回转运动） ，给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机械手臂末端的手腕，则给了机械手末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机械手腕是机械手操作机的最末端，他与机械手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需的作业动作7。在机械手腕部的设计过程中主要考虑到如下几点要求：(1) 机械手腕的自由度数，应根据作业需求来设计。机械手腕自由度数目，多，13各关节的运动角度越大，则机械手的腕部的灵活性越高，机械手对作业的适应能力也越强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更加复杂，机械手的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数目尽可能的少。一般的机械手腕部的自由度数目为 2 至 3个，有的需要更多的自由度，而有的机械手腕部不需要自由度，仅凭手臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，具体问题具体分析，考虑机械手的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。(2) 机械手腕部安装在机械手臂的末端，在设计机械手腕时，应尽力减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机械手腕部的重量，腕部的机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动力，并选用高强度的铝合金制造。(3) 机械手腕部要与末端执行器相连，因此，有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。(4) 机械手腕部机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。(5) 要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。(6) 手腕各关节轴传动要有限位开关，并设置硬限位，防止超限造成机械损坏。考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。2.5 机械手的手臂结构方案设计机械手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下。实现在机械手所要求的工作空间内的运动8。在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则：(1) 应尽可能是机械手手臂各关节相互平行：相互垂直的轴应该尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。(2) 机械手的手臂的结构尺寸应该满足机械手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。14(3) 为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够的强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料。通常选用高强度铝合金制造机械手手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。碳纤维复合材料刚拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的 1/4，相当于铝合金的 2/3） ，但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机械手手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量。(4) 机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。(5) 机械手的手臂相对于其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。(6) 机械手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装9。按照抓取工件的要求，本次设计的机械手的手臂有两个自由度，即手臂的左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。手臂的各种运动则是由液压缸来实现的。本设计回转部分采用齿条活塞双作用油缸如图 2.4:图 2.4 齿条活塞双作用油缸2.6 机械手的驱动方案设计机械手驱动方式主要有三种10。：151气动驱动的特点有 :(1) 通过调节气流,就可实现无级变速 ;(2) 由于压缩空气粘性小,流速大,因此气压驱动的机械手动作速度快 ;(3) 压缩空气可从大气中吸取,故动力源获得方便、价格低廉,而且废气处理方便 :(4) 由于压缩空气粘度小, 因此在管路中的压力损失也很小,一般其阻力损失不到油液在油路中损失的千分之一 ; 故压缩空气可以集中供应,远距离输送 ; (5) 压缩空气的压缩性较大, 因此使机械手的运动平稳性较差, 定位精度较低, 而且压缩空气排到大气中时噪声较大,另外还须考虑润滑和防锈等 ;(6) 压缩空气的工作压力较低,致使机械手结构较大2. 电动驱动方式 电机驱动机械手可避免电能变为压力能的中间环节,效率比液压和气压驱动要高 ;但是电驱动不能用于有防爆要求的条件下 ，因为电机有可能产生火花和发热。3. 液压驱动方式 液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。在整个设计中，各自由度均采用液压驱动，之所以用液压驱动，是因为液压驱动具有以下优点：(1) 调速范围较大，而且还可以无级调速，易于适应不同工作要求；(2) 传动平稳,能吸收冲击力,可以实现较频繁而平稳的换向 ;(3) 在产生相同驱动力的条件下,液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、 惯性小 ;(4) 驱动力和驱动力矩较大,臂力大;(5) 速度反应性较好。因为被驱动件的速度快慢取决于油液的容积变化,所以当不考虑油液的温度变化时,被驱动系统的滞后也几乎没有, 而且液压机构的适量轻、惯性小,因此它的速度反应性较好 ;(6) 液压驱动机械手多用于要求臂力较大而运动速度较低的工作场合。(7) 液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。但液压系统也有一些不利因素：(1) 定位精度比气动高,但比电机低 ;(2) 液压系统的泄漏对机构的工作稳定性有一定的影响 ;(3) 油液中如果混入气体,将降低传动机构的刚性,影响定位精度(产生爬行);16(4) 油液的温度和粘度变化影响传动性能。正因为液压传动有以上优点，故本次设计的机械手采用液压驱动。 2.7 机械手的主要参数机械手的主要参数，是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括两部分11：(1) 主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，而此次设计的该机械手的抓重 30 kg,升降行程 220mm，最大回转角度 90。(2) 基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂升降及回转的速度。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有回转行程、升降行程和定位精度。而大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的回转行程，必然带来偏转距增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的回转行程范围定为 600 mm。2.8 机械手的技术参数列表（一）用途:该机械手适用于普通车床的上下料。（二）设计技术参数:1.抓重30 公斤(夹持式手部)2. 自由度数3 个自由度3. 坐标型式圆柱坐标型式4. 手臂运动参数升降行程 220mm回转角度 900 5. 手指夹持对象17棒料6. 传动方式液压传动18第三章 手部结构设计本次设计的机械手是车床上下料的机械手。因为夹紧的工件是棒料，所以采用夹持式手部结构，常用的外卡式两指钳爪，其夹紧方式用弹簧夹紧，松开时，采用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。3.1 夹持式手部结构 夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。3.2 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件12。3.3 设计时考虑的几个问题(一) 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。(二) 手指间应具有一定的开闭角两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。手指的开闭角应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。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三) 保证工件准确定位为使手指和被夹持工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“V”形面的手指，以便自动定心。(四) 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，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简19单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五) 考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是双支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V 型。3.4 手部夹紧液压缸的设计(一) 运动实现形式的分析手臂通过液压缸的升降运动带动活塞的上下运动从而实现手指的夹紧与松开，从而实现对被抓取工件的抓取和放下。(二) 手部驱动力计算手指加在工件上的内撑力，是设计手部的主要依据，必须对其大小，方向和作用点进行分析，计算，一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静栽荷以及工件运动状态变化所产生的载荷，以使工件保持可靠的状态13。 （3-GKKKFN3211）式中 -安全系数。通常取 1.2-2.01K -工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下式进行计算2K2K （3-gaK122）其中 a-运载工件时重力方向的最大上升加速度 g-重力加速度， 28 . 9SMG （3-maxVa=t3）-运载工件时重力方向的最大上升速度maxV-系统达到最高速度的时间，根据设计参数选择。一般取 0.030.6s响t-方位系数，根据手指与工件形状以及工件位置不同进行选择1KG-被抓取。工件受重力(N)(三) 计算步骤（1）本次设计的车床上下料机械手要求抓取工件的重量为 30 千克，所设计的机械手手指采用了内撑式机械手。所以本次设计的车床上下料机械手按设计要求可抓重30 千克。 根据公式 (3-4)mgF 20 N2948 . 930（2）首先根据对机械手的工艺设计要求确定安全系数;然后计算出最大加速1K度，确定工作情况系数,最后根据手抓夹持方位从表中查出方位系数求出夹紧力2K3K。F（3）根据手抓的结构方案，由表中查出驱动力的计算公式，求出液压缸应具有的驱动力。jF（4）实际所采取的液压缸驱动要大于。考虑手抓的机械效率，一般取jF。9 . 08 . 0设取安全系数2 . 11k取工作情况系数041. 18 . 94 . 0112gak式中： 为最大缓冲加速度，,为重力加速度a24 . 0sma g28 . 9smg 取方位系数0 . 13k所以NFN265.3678 . 9300 . 1041. 12 . 1所以驱动力753.31212085265.36722RbFFN考虑到手在工作过程中有惯性力、震动以及传动效率的影响，其实驱动力按下式计算： FF)(实际式中： 为手部机械效率，一般取，在这里取95. 085. 085. 0所以NF65.367285. 0753.3121)(实际所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为。N65.3672（5）确定液压缸的直径 D (3-5)pdDFs)(422选取活杆直径,压力油工作压力PaDd5 . 05102 .39p mpFD040. 0)5 . 01 (42/实际根据液压缸内径系列（JB826-66）选取液压缸内径为：mmD40则活塞杆直径为： mmd205.040(四) 壁厚的设计缸筒直接承受液压油压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径比小或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:21 (3-6) 2DP式中:缸筒壁厚 液压缸内径D实验压力，取 材料为:ZL3, PPPaP5 . 1 MPa120代入己知数据，则壁厚为: mmDP5 . 6)101202(102 .3940265取，则液压缸外径为: mm5 . 6mmD5325.640(五) 活塞杆材料活塞杆的加工要求：活塞杆表面需渡硬铬，防腐要求特别高的则要求先渡一层软铬，渡后在渡硬铬抛光。在恶劣的，腐蚀性较强的工作环境中，活塞杆应喷涂一种陶瓷涂层。活塞杆外径公差直线度、表面粗糙度为活塞杆外径的圆柱度公差值，应该按8 级精度选取。(六) 安装导向环的作用安装在活塞外圆的导向环，具有精确的导向作用，并可以吸收活塞杆运动时随时产生的侧向力。带导向环的活塞，在缸筒内运动时非金属接触，因此，摩擦系数小，启动时无爬行。安装导向环后可以改善活塞与缸筒的同轴度，使间隙均匀，减少泄露。导向环采用耐磨材料，适用寿命长，磨损后便于更换。本次设计中依靠螺钉导向。(七) 缓冲装置液压缸的行程终端缓冲装置可以使带着负载的活塞在到达行程终端时减速到零。目的使消除因活塞的惯性力和液压力所造成的活塞与端盖机械撞击，同时也是为了将低在改变运动方向时液体发出的噪声。 缓冲装置的工作原理是当活塞杆到达行程终端之前的一段距离内，设法把排油腔内的一部分或全部封闭起来，使其通过节流小孔排出，从而使封闭的油液产生适当的缓冲压力作用，与活塞的惯性力相对抗。以达到减速制动的目的。缓冲装置的结构形式，可以根据节流小孔的流通面积，在缓冲过程中能否自动改变来分类，通常可以分为恒节流型和变节流型。由于本次设计的电动机座卸料机械手采用的是液压系统，还可以依靠单向阀来实现缓冲的目的。安装了缓冲装置可以预防产生严重的冲击，这样可以起到保护工件的目的14。(八) 手部设计应注意的问题22手部设计过程中应注意到更换压盘的问题，为了扩大电动机座加工自动线卸料手的通用性，来满足电动机座生产线更换加工对象的要求，当更换了加工对象时可以更换压盘来实现。手指部的弹簧应处于自然状态，这样才能保证在手指松开工件时手指能够完全缩回。这样可以保证下次抓取工件时，手部结构深入工件时手指不碰撞工件，起到保护工件的作用。手部结构采用的是液压驱动，依靠液压驱动和弹簧来实现手部的夹紧与放松。23第四章 手臂结构设计手臂是机械手的主要执行部件，它的主要作用是支承手部和腕部，也包括工件，并带动它们做空间运动。小臂的驱动机构设计为单作用油缸，并采用无缝钢管导向，用钢板作支撑板，这样的结构大大地提高了臂部的支撑刚度，也减轻了臂部的自重，而且空心的导向管还可以布置油路，这种结构使臂部的整体结构变得更简单紧凑。按照抓取工件的要求，本此设计的机械手的手臂有两个自由度，即手臂的左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现15。4.1 对臂部设计的基本要求(1) 臂部应支撑能力大，刚度好，重量轻(2) 臂部运动速度要稳定，惯性要小(3) 手臂动作应灵活(4) 位置精度要求高4.2 手臂升降部分4.2.1 手臂升降部分结构设计手臂的升降是直线运动，实现直线往复运动采用的是液压驱动的活塞液压缸。由于活塞液压缸的体积小、重量轻，驱动力大，同样的工作面积，液压缸的驱动力比其他驱动的驱动力大的多，并且液压具有自润滑的作用。因而在机械手的手臂结构中应用比较多。同时 ， 液压驱动的机械手手臂在进行升降运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。在本机械手中，采用的是单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向性。该机械手将其工作过程描述如下:为了实现手臂的升降动作，手臂通过升降液压缸的上下运动带动活塞杆上下运动。手臂带动手爪上下运动，从而实现工件的上升和下降。244.2.2 升降液压缸的设计(一) 驱动力计算根据手臂升降运动的驱动力公式 ，其中，由于手臂运动从静止开始，所以, 摩擦系数:设计液压缸材料为 45 钢，活塞材料为 45 钢，查有关手册可知vv .质量计算:手臂升降部分主要由升降液压缸、元件组成，可估其质量，同时17. 0f测量设计的有关尺寸，得知升降部分夹紧物体时其质量为，放松物件后其质量kg70为接触面积: kg40205. 0mS 则夹料时： （4-tmFF1）)(123205. 010600703923N考虑安全因素，应乘以安全系数2 . 1K则夹持工件时：)(14872 . 112321NF卸下工件时： )(11202 . 19352NF(二) 液压缸的直径根据液压缸的计算公式: （4-41DpF 2）4222pdDF其中: 活塞杆伸出时的推力，1FN活塞杆缩入时的拉力，FN活塞直径，dmm液压缸工作压力，Pa代入有关数据得:当推力做功时: （4-pFD143）25 =2/1395. 01066012324 mm50当拉力做功时: （4-)4)(09. 101. 1 (2/12pFD 4） 2/1395. 010660/11224)09. 101. 1 ( mm48 圆整后，取液压缸的内径 mmD50(三) 活塞杆直径的计算根据设计要求,此活塞杆为空心活塞杆，活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求。有关临界力公式为:kF 211kLnafAFK式中： 活塞杆计算长度。L活塞杆横截面回转半径。K活塞杆横截面面积。1A材料强度实验值，对钢取fPaf7101 . 2 系数，对钢a50001a代入有关数据得： 211kLnafAFK 22237155445000/1141030101 . 2 KN8 .294226推力负载为： （4-PDFFzf245）代入有关数据得： =zfFF 23610301092. 34 N48.2769所以设计符合要求。zfFF kF根据：pdDFk)(422取得活塞杆直径：mmd30(四) 活塞杆材料 活塞杆常用材料有 35，45 号钢等，本次设计得活塞杆材料为 45 号钢。(五) 安装导向环的作用安装在活塞外圆的导向环，具有精确的导向作用，并可以吸收活塞杆运动时随时产生的侧向力。带导向环的活塞，在缸筒内运动时非金属接触，因此，摩擦系数小，启动时无爬行。安装导向环后可以改善活塞与缸筒的同轴度，使间隙均匀，减少泄露。导向环采用耐磨材料，适用寿命长，磨损后便于更换。(六) 缓冲装置、液压缸的行程终端缓冲装置可以使带着负载的活塞在到达行程终端时减速到零。目的使消除因活塞的惯性力和液压力所造成的活塞与端盖机械撞击，同时也是为了将低在改变运动方向时液体发出的噪声。缓冲装置的工作原理是当活塞杆到达行程终端之前的一段距离内，设法把排油腔内的一部分或全部封闭起来，使其通过节流小孔排出，从而使封闭的油液产生适当的缓冲压力作用，与活塞的惯性力相对抗。以达到减速制动的目的。缓冲装置的结构形式，可以根据节流小孔的流通面积，在缓冲过程中能否自动改变来分类，通常可以分为恒节流型和变节。缓冲装置的工作原理是当活塞杆到达行程终端之前的一段距离内，设法把排油腔内的一部分或全部封闭起来，使其通过节流小孔排出，从而使封闭的油液产生适当的缓冲压力作用，与活塞的惯性力相对抗。4.3 手臂回转部分4.3.1 手臂的运动要求手臂在整个机械手的运动过程中起回转作用。当手臂下降到一定的高度时，内撑27式手指伸出，将工具抓住，抓住工件后手臂上升，当到设定高度时，手臂即将做回转动作，回转角度为 90 度。在到达预定位置后停止，手臂松开工件后反方向回转 90 度，从而完成一个运动周期。手臂回转装置要实现手臂的回转，设计要求手臂回转 90 度，本次设计的车床自动上下料机械手的手臂在夹持工件时应回转 90 度，然后反方向回转 90 度，本次设计的手臂回转装置采用齿轮齿条机构。采用两级齿轮。齿条采用齿条活塞结构，依靠双作用油缸驱动。手臂在整个机械手的运动过程中起回转作用。当手臂下降到一定的高度时，内撑式手指伸出，将工具抓住，抓住工件后手臂上升，当到设定高度时，手臂即将做回转动作，回转角度为 90 度。4.3.2 手臂设计计算本次设计采用的是齿条活塞双作用油缸，通过齿轮齿条机构实现手臂的回转。液压驱动系统具有以下特点16。手臂回转装置要实现手臂的回转，设计要求手臂回转90 度，本次设计的车床自动上下料机械手的手臂在夹持工件时应回转 90 度，然后反方向回转 90 度，本次设计的手臂回转装置采用齿轮齿条机构。采用两级齿轮。齿条采用齿条活塞结构，依靠双作用油缸驱动。安装使用方便，便于维护和维修，具有自润滑功能，液压系统结构简单，相同工作面积液压的驱动力大。介质提取和处理方便。工作介质提取容易，处理方便，液压油可以重复使用。可以降低成本。动作迅速，反应灵敏。液压系统一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所需的压力和速度。液压系统也能实现过载保护，便于自动控制。 能源可储存。液压油可以储存。因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。 工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，液压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。成本低廉。由于液压系统工作压力较低