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机械手设计说明书

机械综合课程设计说明书

设计题目：

机器人液压手爪设计

专班姓学成

业:

级:

名:

号:

机械设计制造及其自动化

2017年12月23日

课程设计指导书1

目录2

摘要3

第一章概述4

1.1工业机器人和机械手概述4

1.2机器人的历史、现状5

1.3机器人发展趋势6

第二章机械手结构设计6

2.1设计时应考虑的几个问题6

2.2机械手指形状设计7

2.3机械手爪整体结构设计7

第三章手爪受力计算及分析8

3.1手爪受力分析8

3.2动作原理说明8

3.3夹紧力与N与驱动力A的关系（传力比）8

3.4运动的动作范围9

第四章手爪的夹持误差分析10

4.1误差产生原因10

4.2误差计算11

第五章其他零件的设计13

5.1楔块13

5.2材料及连接件选择15

5.3液压设备的选择15

5.4手爪零件的设计和尺寸16

5.5零件的连接固定17

设计心得与体会19

参考文献20

摘要

在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。

工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目

前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运、取件以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。

本次课程设计旨在设计一个简易的机械手结构，使其能够在气缸作为动力的情况下实现对目标的夹持，运送以及放下等工作，并绘制出机械手各部件的详细零件图和装配图，在此基础上能进行三维仿真。

在金工实习期间将该机械手进行制造加工，使实物能够顺利运作，

关键词：

机械手；气缸；结构设计

第一章概述

1.1工业机器人和机械手概述

在现代工业中，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。

专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。

但除切削加工本身外，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。

机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。

“工业机器人”多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。

机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。

机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。

目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。

简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。

要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构一一执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动-传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。

这些系统的性能就决定了机器人的性能。

一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动-传动系统和控制系统这三部分组成，如图1所示。

图1.1机器人的一般组成

1.2机器人的历史、现状

机器人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器人。

它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进两种典型机

器人后，大力从事机器人的研究。

目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机器人正在加紧研制。

它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。

第三代机器人（机器人）则能独立地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FMSffi柔性制造单元FME的重要一环,随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。

国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一

次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。

目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。

使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。

在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。

目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。

如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。

随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。

制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。

计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。

研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。

然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROMs这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。

修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。

解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。

我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。

目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、

仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。

1.3机器人发展趋势

随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状

态，提高了生产效率。

就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：

1.提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；

2.开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；

3.研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等,用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。

并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。

第二章机械手结构设计

2.1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。

若夹持不同的工件，应按最大宽度的工件考虑。

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；而长方形工件长多采用板式手爪。

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机械手指形状设计

设计中夹持的工件为长方体，所以手爪的形状设计成与工件相似的形状，运用夹板式的手指可以增加与工件的接触面积，同时受力过程中不易变形。

为了增大摩擦力在手指的位置加上易拆装的硬橡胶，这样不仅可以增加摩擦力，更可以在夹持零件形状有所误差时，根据橡胶的弹性挤压力可以很好的解决因工件尺寸不一导致手指夹持时出现一定偏角的情况。

图2.1机械手爪部示意图

2.3机械手爪整体结构设计

进过设计，决定将机械手爪设计为液压缸推动活动块前后运动，从而驱动其他零件进行相关运动，最终驱动手爪手指部分夹紧，其三维效果图如图所示：

图2.2机械手爪的结构示意图

第三章手爪受力计算及分析

3.1手爪受力分析

根据设计的机械手的原理对其进行相应的受力分析，不仅可以提高系统的可靠性,还可以得出薄弱的环节从而进行进一步的优化。

图3.1机械手爪的受力示意图

3.2动作原理说明

图3.2机械手爪的结合部位示意

如图所示，当驱动杆连同圆柱销一起往复运动时，圆柱销在滑槽内推拉手指杠杆从而可拨动两个手指各自绕其支点（手指上的矫销）作相对运动。

3.3夹紧力与N与驱动力A的关系（传力比）

当手指处于夹紧工件的状态时，图2-2中滑槽杠杆的倾斜角？

况滑槽曲线与回转支点连线的夹角，此时称为夹紧状态的倾斜角。

由于左右两手指的对称性，在液压缸的驱动力A的作用下，每个滑槽杠杆受力相等。

在不计摩擦力的情况下有

（3-1）

A

pi=P2=

2cosa

根据各力对回转支点。

的力矩平衡条件，同样在不计摩擦力的情况下可得到:

a

Nb=P1—

COSoc

a

其中COSa为杠杆动力臂，即驱动力对滑槽的作用力至支点O的垂直距离，b为杠杆阻力臂，即夹紧力至支点O的垂直距离。

于是传力比为：

a增大则N/A值增大,

由此可知当a/b为定值时，a将决定这一机构的增力大小,但a的增大会将使驱动行程增大，同时手部结构也将增大

本机构中a为工件的宽度的一半为100mm,b为杠杆阻力臂，设计的长度为200mm因此得到：

（3-4）

3.4运动的动作范围

滑槽杠杆可对称于两支点的连线上下摆动。

假设处于极限行程时有：

a

COSamax=--（3-5）

lmax

其中lmax为滑槽杆的最大长度。

为了避免滑槽杠杆与两回转支点发生干扰，一般应使

lmax-2a（3-6）

即cosmmax-0.5amax三60

一般取a=30°-40°0这里取角a=30度。

根据手部结构的传动示意图，其驱动力为：

2b，

A=——（cosa）N（3-7）

a

根据手指夹持工件的方位，计算握力：

机械手实现夹持实心长方体外形工件，尺寸范围：

300X200X200mm,

材料密度为7800千克每立方米

贝（jm=pV=78000.30.20.2=93.6kg故重力为G=mg=93.69.8=917N由受力分析可知

-G…，—，

N父u=万（其中u为摩擦系数）（3-8）

手指部位为了增加摩擦系数，且方便跟换，这里在夹持接触的地方用橡胶制作夹头，

查《机械设计手册》可知橡胶的摩擦系数为：

钢-硬橡胶摩擦因数0.36,则产生的挤压力N=1274N

因为a/b=0.5

则驱动力为

2bA=-b（cosa）N=2750N（3-9）a

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A实际应按以下公式计算，即：

八AK1K2

A实际=（3-10）

刀

:

手部的机械效率，一般取0.85-0.95,这里取0.90

:

安全系数，一般取1.2-2,这里取1.5:

工作情况系数，主要考虑惯性力的影响,

计，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。

K2=1+1000/981g1.1故得到：

A实际=5040N

由此可知机械手爪对工件夹紧时液压缸所需的推力为5040N,由此为设计依据可以

进一步确定出液压缸的型号规格的参数，并进一步对液压系统进行设计。

第四章手爪的夹持误差分析

4.1误差产生原因

机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。

特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图9,从而使夹持误差控制在较小的范围内。

在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过±1mm,手部的最终误差取决与手部

装置加工精度和控制系统补偿能力

4.2误差计算

设工件直径为80mm尺寸偏差±5mm，则Rm=2mm,Rmin=37.5mm,%=40mm。

本设计属于手爪夹持若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表

示，根据几何关系有:

X=，lAB（R）2一21ABRcos--a2

（4-1）

\sin」sim

简化为后得到

—1^（R—1absin0cosP）2+（lAB2sin2P-a2）

sin「（4-2）

该方程为双曲线方程，如图所示

R（mn）

图4.2工件半径与夹持误差△关系曲线

由上图得，当工件半径为R0时，X取最小值Xmin,又从上式可以求出:

Ro=IabS^icos（4-3）

通常取2日=120Xmin—lABsin口

若工件的半径Rma孩化到Rmin时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用△表示。

在设计中，希望按给定的Rma/口Rmin来确定手爪各部分尺寸，为了减少火持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角B,

使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。

只有当工件的平均半径

Rep取为R0

时，夹持误差最小。

此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当a值较大时），偏转角B的大小不易按火持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的BE和B'E'边平行，抓不着工件。

为避免上述情况，通常按手爪抓取

工件的平均半径Rep,以/BCD=90-为条件确定两支点回转型手爪的偏转角

其中2a=90mmlab=86mm,V型钳的夹角

代入得：

]

（4-4）

」801

■=cos[（-45）]=56.57

sin6086（4-5）

得R0=41.02mm

则Rmin

1Ab+（-Rmir）2-2lABjRmarcosP-a2->Absin2Bsin?

sin?

（4-6）

分别代入得:

L2=,lAB'

2-21AB-min;cos口-a2-11ABsin2B-a2sinf

（4-7）

4=0.0256mmA2=0.1482mm

所以，A=0.1482mm<1mm,夹持误差满足设计要求。

由以上各值可得：

—12—（R-lABsin-cos:

）2（lAB2sin2:

一a2）=55.9254mm

sin[（4-8）

取值为X=56mm

第五章其他零件的设计

5.1楔块

5.1.1楔块相关参数

日一斜楔角，日<30,时有增力作用；''

包一滚子与斜楔面间当量摩擦角，tan®2=（d/D）tan42,必为滚子与转轴间的摩擦

角，d为转轴直径，D为滚子外径，tan*2=f2,f2为滚子与转轴间摩擦系数；

.'一支点O至斜面垂线与杠杆的夹角；

1—杠杆驱动端杆长；'

1一杠杆夹紧端杆长；

"一杠杆传动机械效率

5.1.2斜楔的传动效率

斜楔的传动效率“可由下式表示：

_sin'd.

=~~~^7tan2=一tan2

sin（口一、2）2D2

杠杆传动机械效率"取0.834,tan*2取0.1,d/DM0.5,则可得6=14.0361

力2父子<90；取整得0=14；

5.1.3动作范围

分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即包<9<90'0

图5.1动作范围分析图

如果一2,则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所以.‘必须大于’2。

止匕外，当"二90一时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。

5.1.4斜楔驱动行程与手指开闭范围

当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为

.1cos1-1cos2

L二

sin二

L,此时对应的杠杆手指由ri位置转到r2位置，其驱动行程为：

—1—（cos1-cos2）S"（5-1）

杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为：

'

△s=1[cos（；i+8）-cos（4+8）]（5-2）

通常状态下，，2在90：

-8左右范围内，工则由手指需要的开闭范围来确定。

由给定

条件可知最大加为55-60mm最小设定为30mm即30

已知日=14:

可得2=90-1-76

可知：

楔块下边为60mm支点。

距中心线30mm且有

30，=tg^（11）

5.1.5参数确定

1与1的确定：

斜楔传动比i可由下式表示:

动比减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由1+1=120分配距离为：

1=50,1=70。

'确定：

由前式得：

：

s=（60-30）=30

△s=30=70[cos（Z+14）-cos（76二+141[=50.6233取Z=50：

。

L确定：

L为沿斜面对称中心线方向的驱动行程

.50,__、

L=（cos50-cos76）=82.850

sin14

WL=83,则楔块上边长为18.686,取19mm.

5.2材料及连接件选择

V型指与夹持器连接选用圆柱销gb/T119」，d=6mm,需使用2个。

杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销gb/T119」,d=6mm,需使用2个,手指连接选用圆柱销gb/T119」，d=4mm,需使用2个。

以上材料均为钢，无淬火和表面处理销两端均打直径1.2mm的圆孔，用

GB/T911.2X8的开口销连接。

楔块与活塞杆钱链联结。

5.3液压设备的选择

QCGI型气缸QGD16-4恻好满足条件，所以选取这个气缸表1:

QCGI型气缸安装尺寸图

缸径

仃程

①16

5mm

①16

10mm

①16

15mm

①16

20mm

①16

30mm

①16

40mm

但在金工实习中为了简单重现，我们制作的只是一个模型，因此在制造中使用注射器代替；

图5.3充当液压气缸的注射器

5.4手爪零件的设计和尺寸

为了在金工实习中制造出该机械手爪，对手爪各零件进行相应的简化，考虑到充当液压气缸的是形状较小的注射器，所以初步设计各个零件采用木质材料，加工方法使用线切割或是手工锯条切割，其零件的CAD图片和尺寸如下所示。

5.4.1活动块

图5.4活动块的尺寸

5.4.2支持片

图5.5支持块1的尺寸

支持块2:

图5.6支持块2的尺寸

图5.7中心板的尺寸

5.5零件的连接固定

5.5.1机械手零件

机械手零件的固定采用圆柱销固定，在固定的时候应该注意松紧得当，既能够使得零件稳固，不产生相对位移，同时也要保证零件能够在注射器提供的有限的液压力下完

成设计过程中规划的相关运动。

考虑到受力原因，可以采用定制的塑料螺钉或是圆柱销进行连接和固定，这里就不再赘述。

5.5.1机械手和液压系统的连接固定

又于液压系统用注射器代替，故采用如图所示的塑料扎带固定

图5.8塑料扎带

设计心得与体会

本次机械手的设计主要对于夹持器，横行，气压系统进行的设计思想和设计过程。

内容主要包括：

夹持器与横行总体方案的确定，采用了气压驱动系统，相应的涉及到气压缸的选择计算，总体结构设计、主要部件的受力分析和强度校核。

由于时间有限，本设计中的PLC控制未设计。

题目的综合训练比较强，涉及知识面广，重点在于培养工程思想及意识，理论联系实际，提高初步设计能力。

设计要求在保证其原有性能的前提下，尽可能地提高其特色即性能价格比。

并且要求该机械手具有较小的体积，简单的结构和低廉的价格，和造型美观的外形，各调整环节的设计要方便人体接近方便工具的使用。

其难点在于结合实际,

进行结构设计.在设计过程中，我综合运用了四年来所学到的专业知识，感觉到自己专业知识中某方面的欠缺，通过再次的复习，明显感觉到了知识的增长，我们从中学到了很多的知识，也体会到了毕业设计的综合性，结合辅导老师的指导与自己的专业知识和生产实践，才能较为完整地完成此次设计任务。

在本设计的整个过程中，得到了老师的亲切关怀和精心指导，使得得以顺利完成。

老师敏锐的学术思想、严谨踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。

在此我向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。

再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们！

参考文献

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[2]朱世强,王宣银主编.机器人技术及其应用[M].浙江大学出版社

[3]李允文主编.工业机械手设计[M].北京:

机械工业出版社

[4]王承义.机械手及其应用[M].北京:

机械工业出版社

[5]成大先主编.机械设计手册.单行本.气压传动[M].北京:

化学工业出版社

[6]许炳辉主编.气动手册[M].上海：

上海科学技术出版社

[7]刘杰等编著.机电一体化技术基础与产品设计[M].北京：

冶金工业出版社