机械手设计说明书Word文档下载推荐.docx
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50～60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。
这种机械手也称第二代机械手。
如尤尼曼特（Unimate）机械手即属于这种类型。
60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。
80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。
90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。
90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。
总之，目前机械手的主要经历分为三代：
第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；
改进的方向主要是将低成本和提高精度；
第二代机械手设有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，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；
第三代机械手能独立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系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）和柔性制造单元FMC（FlexibleManufacturingCell）中重要一环。
1.2机械手的用途和分类
机械手也被称为自动手，autohand
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。
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。
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2～3个自由度。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；
按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；
按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。
机械手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械手。
机械手采用手动比例阀控制下的液压控制方式。
机械手可以完成的操作对象参数为：
①钻柱高30m；
②钻杆重量为：
40Kg/m，总重1200Kg；
③钻铤（七英寸直径）重量为：
180Kg/m，总重5400Kg。
1.3机械手的组成
机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。
1.执行机构
（1）手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。
手部多为两指（也有多指）；
根据需要分为外抓式和内抓式两种；
也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。
传力机构形式教多，常用的有：
滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
（2）腕部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。
目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。
因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
（3）臂部
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。
手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。
因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。
（4）行走机构有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。
2.驱动机构
驱动机构是工业机械手的重要组成部分。
根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。
采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。
3.控制系统分类
在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。
大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。
主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。
1.4机械手的发展趋势
1重复高精度
精度是指机械手达到指定点的精确程度，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次数多，机械手到达同样位置的精确程度。
重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，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械手来测定。
随着微电子技术和现代控制技术的发展，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。
2模块化
有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。
模块化拼装的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油管的导向系统装置，使机械手动作自如。
模块化机械手使同一机械手可能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，是机械手的一个重要的发展方向。
3节能化
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。
4机电一体化
由“可编程控制器—传感器—液压元件”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液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；
节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。
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。
如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。
目前已经取得一定成绩。
视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。
工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。
触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。
工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。
手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。
总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。
更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。
目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。
第二章抓取机构设计
2.1手部设计计算
一、对手部设计的要求
1、有适当的夹紧力
手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。
对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。
2、有足够的开闭范围
夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。
工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。
对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。
手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图2.1所示。
图2.1机械手开闭示例简图
3、力求结构简单，重量轻，体积小
手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。
因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。
4、手指应有一定的强度和刚度
5、其它要求
因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。
此种结构较为简单，制造方便。
二、拉紧装置原理
如图2.2所示【4】：
油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。
图2.2油缸示意图
1、右腔推力为
FP=（π／4）D²
P（2.1）
=（π／4）
0.5²
25
10³
=4908.7N
2、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：
F1=（2b／a）
（cosα′）²
N′（2.2）
其中N′=4
98N=392N，带入公式2.2得：
N′
=（2
150/50）
（cos30º
）²
392
=1764N
则实际加紧力为F1实际=PK1K2/η（2.3）
=1764
1.5
1.1/0.85=3424N
经圆整F1=3500N
3、计算手部活塞杆行程长L,即
L=（D/2）tgψ（2.4）
=25×
tg30º
=23.1mm
经圆整取l=25mm
4、确定“V”型钳爪的L、β。
取L/Rcp=3（2.5）
式中：
Rcp=P/4=200/4=50（2.6）
由公式（2.5）（2.6）得：
L=3×
Rcp=150
取“V”型钳口的夹角2α=120º
，则偏转角β按最佳偏转角来确定，
查表得：
β=22º
39′
5、机械运动范围（速度）
【1】
（1）伸缩运动Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
（2）上升运动Vmax=500mm/s
Vmin=40mm/s
（3）下降Vmax=800mm/s
Vmin=80mm/s
（4）回转Wmax=90º
/s
Wmin=30º
所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s
6、手部右腔流量
Q=sv（2.7）
=60πr²
=60×
3.14×
25²
=1177.5mm³
7、手部工作压强
P=F1/S（2.8）
=3500/1962.5=1.78Mpa
腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。
本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。
要求：
回转±
90º
角速度W=45º
以最大负荷计算：
当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，长度l=650mm。
如图2.3所示。
1、计算扭矩M1〖4〗
设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩M1为：
M1=F×
S（2.9）
=10×
9.8×
0.2=19.6（N·
M）
F
S
图2.3腕部受力简图
2、油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩M2〖4〗
F=5kgS=10cm
带入公式2.9得
M2=F×
S=5×
0.1=4.9（N·
M）
3、摆动缸的摩擦力矩M摩〖4〗
F摩=300（N）（估算值）
S=20mm（估算值）
M摩=F摩×
S=6（N·
4、摆动缸的总摩擦力矩M〖4〗
M=M1+M2+M摩（2.10）
=30.5（N·
5.由公式
T=P×
b（ΦA1²
-Φmm²
）×
106/8（2.11）
其中：
b—叶片密度，这里取b=3cm；
ΦA1—摆动缸内径,这里取ΦA1=10cm；
Φmm—转轴直径,这里取Φmm=3cm。
所以代入（2.11）公式
P=8T/b（ΦA1²
106
=8×
30.5/0.03×
（0.1²
-0.03²
=0.89Mpa
又因为
W=8Q/（ΦA1²
）b
所以
Q=W（ΦA1²
）b/8
=（π/4）（0.1²
0.03/8
=0.27×
10-4m³
=27ml/s
手臂是机械手的主要执行部件。
它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。
臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。
机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。
所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。
手臂的伸缩速度为200m/s
行程L=500mm
1、手臂右腔流量，公式（2.7）得：
【4】
Q=sv
=200×
π×
40²
=1004800mm³
=0.1/10²
m³
=1000ml/s
2、手臂右腔工作压力，公式（2.8）得：
〖4〗
P=F/S（2.12）
F——取工件重和手臂活动部件总重，估算F=10+20=30kg，F摩=1000N。
所以代入公式（2.12）得：
P=（F+F摩）/S
=（30×
9.8+1000）/π×
=0.26Mpa
3、绘制机构工作参数表如图2.4所示：
图2.4机构工作参数表
4、由初步计算选液压泵〖4〗
所需液压最高压力
P=1.78Mpa
所需液压最大流量
Q=1000ml/s
选取CB-D型液压泵（齿轮泵）
此泵工作压力为10Mpa，转速为1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之间，可以满足需要。
5、验算腕部摆动缸：
T=PD（ΦA1²
）ηm×
106/8（2.13）
W=8θηv/（ΦA1²
）b（2.14）
Ηm—机械效率取：
0.85～0.9
Ηv—容积效率取：
0.7～0.95
所以代入公式（2.13）得：
T=0.89×
0.03×
0.85×
106/8
=25.8（N·
T<
M=30.5（N·
代入公式（2.14）得：
W=（8×
27×
10-6）×
0.85/（0.1²
0.03
=0.673rad/s
W<
π/4≈0.785rad/s
因此，取腕部回转油缸工作压力P=1Mpa
流量Q=35ml/s
圆整其他缸的数值：
手部抓取缸工作压力PⅠ=2Mpa
流量QⅠ=120ml/s
小臂伸缩缸工作压力PⅠ=0.25Mpa
流量QⅠ=1000ml/s
第三章液压系统原理设计及草图
图3.1手部抓取缸液压原理图〖7〗
1、手部抓取缸液压原理图如图3.1所示
2、泵的供油压力P取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300ml/s。
因此，需装图3.1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。
采用：
YF-B10B溢流阀
2FRM5-20/102调速阀
23E1-10B二位三通阀
图3.2腕部摆动液压回路〖7〗
1、腕部摆动缸液压原理图如图3.2所示
2、工作压力P=1Mpa
流量Q=35ml/s
2FRM5-20/102调速阀
34E1-10B换向阀
YF-B10B溢流阀
图3.3小臂伸缩缸液压回路〖7〗
1、小臂伸缩缸液压原理图如图3.3所示
2、工作压力P=0.25Mpa
流量Q=1000ml/s
YF-B10B溢流阀
2FRM5-20/102调速阀
23E1-10B二位三通阀
图3.4总体系统图〖7〗
1、总体系统图如图3.4所示
2、工作过程
小臂伸长→手部抓紧→腕部回转→小臂回转→小臂收缩→手部放松
3、电磁铁动作顺序表
元件
动作
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
小臂伸长
－
+
-
手部抓紧
腕部回转
小臂收缩
手部放松
卸荷
＋
±
图3.5总体系统图
4、确电机规格：
液压泵选取CB-D型液压泵，额定压力P=10Mpa，工作流量在32～70ml/r之间。
选取80L/min为额定流量的泵，
因此：
传动功率N=P×
Q/η（3.1）
η=0.8（经验值）
所以代入公式（3.1）得：
N=10×
80×
103×
106/60×
0.8
=16.7KN
选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率17KW，
转速为2940r/min。
第四章机身机座的结构设计
机身的直接支承和传动手臂的部件。
一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。
因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂，机身既可以是固定式的，也可以是行走式的,如图4.1所示。
图4.1机身机座结构图
臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手的总体布局。
本课题机械手的机身设计成机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。
臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手。
臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。
升降过程由电动机带动螺柱旋转。
由螺柱配合导致了手臂的上下运动。
手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。
机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；
其二是带动机身的回转运动。
带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。
1、带动臂部升降的电机：
〖10〗
初选上升速度V=100mm/s
P=6KW
所以n=（100/6）×
60=1000转/分
选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。
采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。
如图4.1Y90S-4电动机技术数据所示：
型号
额定功率KW
满载时
堵转电流
堵转转矩
最大转矩
电流A
转速r/min
效率%
功率因素
额定电流
额定转矩
Y90S-4
1.1
2.7
1400
79
0.78
6.5
2.2
图4.1Y90S-4电动机技术数据
2、带动机身回转的电机：
初选转速W=60º
n=1/6转/秒
=10转/分
由于齿轮i=3
减速器i=30
所以n=10×
3×
30=900转/分
选择Y90L-6型笼型异步电动机
电动机采用B级绝缘。
外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。
如图4.2Y90S-6电动机技术数据所示：
图4.2Y90L-6电动机技术
减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。
用来降低转速和增
转矩，以满足工作需要。
〖6〗
初选WD80型圆柱蜗杆减速器。
WD为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。
蜗
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