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绪论

工业机械手设计是机械制造、机械设计等方面的一个重要的教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次综合设计，通过这一环节把有关课程中所获得的理论知识在实际中综合的加以应用，使这此知识能够得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切的结合起来，通过设计培养学生独立思考能力树立正确的设计思想，掌握机械产品设计的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好的基础。

2机械手设计要求

要求本设计能鲜明体现设计构思，并在规定的时间内完成以下工作：

（1）拟定机械手的整体设计方案，特别是机械手各主要组成部分的方案。

（2）根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结构。

（3）各主要部件（手部、腕部、臂部）的设计计算。

（4）工业机械手装配图的绘制。

（5）编写设计计算说明书。

3机械手总体设计方案

3．1机械手的组成

工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

3．1．1执行机构

（1）手部即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型，（多为回转型，因其结构简单），手部多为二指（也由多指），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和电磁吸盘。

传力机构形式也很多，常用的有：

滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式、重力式。

（2）腕部是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位，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。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑、灵巧，但回转角度小，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。

（3）手臂

是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件，并带动它们做空间运动，它

的主要作用是带动手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到给定的位置，一般手臂需要三个给定自由度才能满足要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。

（4）行走机构

3．1．2驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源的不同大致可分为气动、液压、电动和机械式四种。

采用液压机构速度快，结构简单，成本低，臂力大，尺寸紧凑，控制方便。

3．1．3控制机构在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种，大多数用插销板进行点动控制，也有用PLC进行控制，主要控制的是坐标位置。

有的工业机械手带有行走机构，我国正处于仿真阶段。

3．2机械手在生产中的作用

机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下几个方面：

（1）

（2）建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线。

在实现单机自动化方面：

a各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，仍需人工上下料，装上机械手，可实现自动生产，一人看管多台机床。

b注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现自动生产。

c冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。

3．3机械手的主要特点

（1）对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人类有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。

（2）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。

（3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。

（4）机械手通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。

（5）采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。

3．4机械手的技术发展方向

国内外使用的实际上是定位控制机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。

目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确的在机器中定位、定向。

为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工件。

为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法：

一种是检测把握物体手臂的变形，以选择适当的能力，另一种是直接检测指部与物件的滑落位移，来修正握力。

因此这种机械手具有以下几方面的性能：

（1）能准确的抓住方位变化的物体。

（2）能判断对象的重量。

（3）能自动避开障碍物。

（4）抓空或抓力不足时能检测出来。

这种具有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械手，它是有发展前途的。

现在工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，代替人从事繁重、危险的工作，在恶劣环境下尤其明显，至于在汽车业和电子工业之类的费工的工业部门，机械手的应用情况不能说是很好的，原因之一是，工业机械手的性能还不能满足这些工业部门的要求，适合机械手工作的范围很狭小，另外经济性问题也很重要，利用机械手节约人力从经济上看不一定总是合算的。

然而利用机械手实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将飞跃发展。

3．5机械手坐标形式与自由度的选择

3．5．1机械手坐标形式选择

机械手一般包括圆柱坐标式、球坐标式、直角坐标式、多关节式。

直角坐标式机械手，占用空间大，工作范围小，惯性大，一般不多用，只有在自由度较少时才考虑用。

圆柱坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性大，结构简单。

多关节式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，能抓取底面物体，但多关节式结构复杂，所以也不多用。

球坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体。

由以上叙述可以看出圆柱坐标式和球坐标式比较适合，但由于圆柱坐标式比球坐标式在结构方面简单一些，所以最后决定选择圆柱坐标式机械手。

3．5．2机械手自由度选择

3．6机械手的规格参数

抓重：

300N手臂运动参数：

自由度：

4个坐标形式：

圆柱坐标式

伸缩行程（X）：

400mm伸缩速度：

升降速度：

回转范围：

回转速度：

手腕运动参数：

位置检测：

驱动方式：

控制方式：

0°

~180°

<

90（°

）/s用电位器反馈式液压驱动（中、低压系统）可编程控制<

250mm/s<

70mm/s0°

~210°

）/s升降行程（Z）：

400mm

重复定位精度：

3mm

3．7手部设计基本要求

3．7．1手部设计基本要求

（1）应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。

（2）手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。

（3）在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂负载。

（4）应保证手抓的夹持精度。

3．7．2手部力学分析通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置采用常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下手抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而手抓张开。

下面对其结构进行力学分析：

在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2并指向O点，交F1和F2的延长线于A和B。

又因为所以a———手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）α———工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角由分析可知，当驱动力F一定时，α角增大，则握力FN也随之增大，但α角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好α=30o~40o。

3．7．3夹紧力与驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据，必须以其大小，方向与作用点进行分析、计算。

一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生动的载荷，以使工件保持可靠的加紧状态。

手指对工件的夹紧力可按下式计算：

2——销轴3——杠杆式中K1——安全系数，通常1.2~2.0；

K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按K2=1+a/g,其中a是重力方向的最大上升加速度，a=Vmax/t响，g是重力加速度，g=9.8m/s2。

Vmax——运载时工件最大上升速度；

t响——系统达支最高速度的时间，一般选取0.03~0.5；

K3——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择；

G——被抓取工件所受重力；

表1驱动力与液压缸工件压力关系图

作用在活塞上外力F（N）<

50005000~1000010000~200000.8~11.5~2.02.5~3.0作用在活塞上外力F（N）20000~3000030000~50000>

500002.0~4.04.0~5.05.0~8.0

液压缸工件压力MPa

液压缸工作压力MPa

设a=40mm,b=80mm,α=30o,机械手达到最高响应时间0.5s,夹紧力FN,驱动力F和驱动液压缸的尺寸。

（1）设K1=1.6K2=1+a/g设Vmax=70mm/st响=0.5s

根据以上公式得：

（2）根据驱动力公式得：

由于实际所采取的液压缸驱动力要大于计算，考虑手爪的机械效率η，一般取η=0.85~0.9。

（3）取η=0.85

（4）确定液压缸的直径D

选取活塞直径d=0.5D,选择液压缸工作压力P=0.8~1Mpa.所以

根据液压缸内径系列（JB826-66）,选取液压缸的内径为：

D=50mm则活塞杆直径为：

d=0.5D=0.5×

5=25mm.所以手部夹紧液压缸的主要参数为：

液压缸内径D50mm活塞杆直径d25mm工作压力p0.8MPa驱动力F859.06N

3.7.4手抓夹持范围计算

为了保证手抓张开角为120o，设手抓长为100mm，当手抓没有张开角的时候，根据机构设计，它的最小夹持半径Rmin=40mm,当张开角为120o时，根据双支点回转型手抓的误差分析，取最大夹持半径Rmax=60mm。

所以机械手的夹持半径为40~60mm。

3．7．5手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。

机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也与机械手夹持误差大小有关，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的变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。

以棒料来分析机械手的夹持误差精度。

机械手的夹持半径为40~60mm,一般夹持误差不超过1mm,分析如下：

工件的平均半径：

手抓长L=100mm,取Ｖ型夹角2θ=120偏转角β按最佳偏转角确定：

计算得式中因为

Ro——理论平均半径Rmax>

Ro>

Rmin

所以

△=0.939<

1

夹持误差满足设计要求。

3．8机械手腕部设计计算

3．8．1腕部设计的基本要求

（1）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。

（2）结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支撑作用，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联接。

（3）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。

3．8．2腕部的结构选择腕部的结构有四种，分别为：

（1）具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构直接用回转液压缸驱动，实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛使用。

（2）用齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于270o的情况下，可采用齿条活塞驱动腕部结构。

（3）具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构它使腕部具有绕垂直和水平轴转动的两个自由度。

（4）机—液结合的腕部结构此手腕具有传动简单、轻巧等特点，但结构有点复杂。

本设计要求手腕回转180o，综合以上分析考虑，腕部结构选择具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构。

3．8．3腕部回转力的计算腕部在回转时一般需要克服以下三种阻力：

（1）腕部回转支承处的摩擦力矩M摩为简化计算，一般取M摩=0.1M总力矩

（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏式中G1——夹持工件重量（N）。

e——工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）。

（3）克服启动惯性所需的力矩M惯启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度ω及启动所需时间t启，按下式计算：

或者根据腕部角速度ω及启动过程转过的角度φ启计算：

设定腕部的部分尺寸：

根据上表设缸体内孔半径R=55mm,外径选择133mm,考虑到实际装配问题后，其外径为180mm，动片宽度b=66mm,输出轴半径r=22.5mm。

表3标准液压缸外径系列（JB1068-67）液压缸内径20钢P≤160MPa4050638090100110125140150160180200

50607695108121133168146180194219245

45钢P≤200MPa50607695108121133168146180194219245由于实际回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩M总力矩，即：

式中M总力矩——手腕回转时的总的阻力矩（N.m）P——回转液压缸工作压力（Mpa）R——缸体内孔半径（mm）r——输出轴半径（mm）b——动片宽度（mm）所以所以腕部回转液压缸主要参数为：

工作压力P1MPa缸体内径R110mm输出轴半径r22.5mm回转力矩M13.1N.m动片宽度b66mm

3．8．5液压缸盖螺钉计算表4螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（MPa）0.5~1.51.5~2.52.5~5.05.0~10.0螺钉的间距t（mm）<

150<

120<

100<

80t为螺钉的间距，间距跟工作压力有关，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为：

液压缸工作压力为P=1MPa,所以螺钉间距t小于150mm,试选择8个螺钉

以选择螺钉数目合适Z=8个，危截面面积螺钉的强度条件为：

式中R——缸体内孔半径（mm）［σ］——螺钉材料的许用拉应力（MPa）d1——螺钉螺纹内径（mm）螺钉材料选择Q235,取σs=240MPa,则即回转液压缸盖螺钉的直径选择d1=6mm3．8．6动片和输出轴间联接螺钉计算动片和输出轴间联接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位，联接螺钉的作用是使动片和输出轴之间的配合紧密，当油腔通高压油时，动片受油压作用产生一个合成液压力矩，克服输出轴上所受的外载荷力矩。

由得式中f——被联接件配合面间的摩擦系数，钢对铜取f=0.15D——缸体内径（mm）d——动片与输出轴配合处直径（mm）FQs′——动片和输出轴间联接螺钉的预紧力（N）b——动片宽度（mm）P——回转液压缸工作压力（Pa）螺钉的强度条件为：

螺钉材料选择Q235,取σs=240MPa,则即动片和输出轴间联接螺钉的直径选择d1=6mm,选择M6的开槽盘头螺钉。

式中［σ］——螺钉材料的许用拉应力（MPa）d1——螺钉的直径（mm）

3．9机械手臂部设计计算

3．9．1臂部设计的基本要求

（1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻

（2）臂部运动速度要高，惯性要小

（3）手臂动作应该灵活

（4）位置精度要高3．9．2臂部的结构选择常见的手臂伸缩机构由以下五种：

（1）双导向杆手臂伸缩机构手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆均受拉压，故受力简单传动平稳。

（2）双层液压缸空心活塞杆单杆导向机构其特点是工作液压缸容积小、运动速度快、外形整齐、活塞杆直径大、增加手臂刚性。

（3）采用花键套导向的手臂升降机构内部导向，活塞杆直径大、刚度大、传动平稳，花键轴端部的定位装置值得注意，必须保证手臂安装在正确的初始设计位置上。

（4）双活塞杆液压缸结构活塞杆速度先慢后快，是用短液压缸实现大行程的结构。

（5）活塞杆和齿轮齿条机构手臂的回转运动是通过齿轮齿条机构实现的，齿条的往复运动带动与手臂联接的齿轮做往复回转而使手臂左右摆动。

通过以上，综合考虑，本设计选择双向导向杆手臂伸缩机构，使用液压驱动，液压缸选取双作用液压缸。

3．9．3手臂伸缩驱动力计算伸缩液压缸活塞驱动力的计算公式为：

F驱=F摩+F密+F回+F惯式中F摩——手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。

F密——密封装置处的摩擦阻力。

F回——液压缸回油腔低压油液所造成的摩擦阻力。

F惯——启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。

（1）F摩的计算经计算式中G总——参与运动的零部件所受的总重量（N）。

L——手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑前端的距离（mm）a——导向支撑的长度（mm）μ′——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面形状有关。

对于圆柱面：

μ——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：

钢对青铜：

取μ=0.1~0.15钢对铸铁：

取μ=0.18~0.3计算：

导向杆的材料选择钢、导向支撑选择铸铁，L=700mm,导向支撑a=420mm,带入数据得：

（2）F惯的计算经计算

式中Δv——由静止加速到常速的变化量（mm/s）。

Δt——启动过程时间（t），一般取0.01s~0.5s。

手臂启动速度Δv=83mm/s,启动时间Δt=0.02s,g=9.8N/kg,带入数据得：

（3）F密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型密封圈，当液压缸工作压力小于10MPa时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：

F密=0.03F驱

（4）F回的计算一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。

经过以上分析计算，液压缸的驱动力为：

F驱=F摩+F密+F