机械手手部课程设计.docx

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机械手手部课程设计

1前言

1、1工业机器人简介

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统与检测传感装置构成,就是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业得机电一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种、变批量得柔性生产。

它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件与产品得快速更新换代起着十分重要得作用。

机器人并不就是在简单意义上代替人工得劳动，而就是综合了人得特长与机器特长得一种拟人得电子机械装置,既有人对环境状态得快速反应与分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境得能力,从某种意义上说它也就是机器得进化过程产物,它就是工业以及非产业界得重要生产与服务性设备,也就是先进制造技术领域不可缺少得自动化设备。

1、2世界机器人得发展

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：

（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作与维修）

（2）机械结构向模块化、可重构化发展。

例如关节模块中得伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。

（３）工业机器人控制系统向基于PC机得开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统得可靠性、易操作性与可维修性。

（4）机器人中得传感器作用日益重要,除采用传统得位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器得融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

（５）虚拟现实技术在机器人中得作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中得感觉来操纵机器人。

（6）当代遥控机器人系统得发展特点不就是追求全自治系统，而就是致力于操作者与机器人得人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整得监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

美国发射到火星上得“索杰纳”机器人就就是这种系统成功应用得最著名实例。

１、３我国工业机器人得发展

我国得工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家得支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机得设计制造技术、控制系统硬件与软件设计技术、运动学与轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有1３0多台套喷漆机器人在二十余家企业得近3０条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用,弧焊机器人已应用在汽车制造厂得焊装线上。

但总得来瞧,我国得工业机器人技术及其工程应用得水平与国外比还有一定得距离，如:

可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国已安装得国产工业机器人约２０0台，约占全球已安装台数得万分之四。

以上原因主要就是没有形成机器人产业,当前我国得机器人生产都就是应用户得要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。

因此迫切需要解决产业化前期得关键技术,对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计,积极推进产业化进程。

1、4我要设计得机械手

1.臂力得确定

　目前使用得机械手得臂力范围较大,国内现有得机械手得臂力最小为０、15N，最大为８000N。

本液压机械手得臂力为N臂　=165０（N）,安全系数Ｋ一般可在１、5~3,本机械手取安全系数K=2。

定位精度为±1mm。

2.工作范围得确定

　机械手得工作范围根据工艺要求与操作运动得轨迹来确定。

一个操作运动得轨迹就是几个动作得合成,在确定得工作范围时,可将轨迹分解成单个得动作,由单个动作得行程确定机械手得最大行程。

本机械手得动作范围确定如下：

　　　手腕回转角度±110°

手臂伸长量500ｍm

手臂回转角度±110°

手臂升降行程100mｍ

3.确定运动速度

　机械手各动作得最大行程确定之后,可根据生产需要得工作拍节分配每个动作得时间,进而确定各动作得运动速度。

液压上料机械手要完成整个上料过程,需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转,平移等一系列得动作,这些动作都应该在工作拍节规定得时间内完成,具体时间得分配取决于很多因素,根据各种因素反复考虑，对分配得方案进行比较,才能确定。

机械手得总动作时间应小于或等于工作拍节,如果两个动作同时进行,要按时间长得计算,分配各动作时间应考虑以下要求:

　①　给定得运动时间应大于电气、液压元件得执行时间;

　②　伸缩运动得速度要大于回转运动得速度,因为回转运动得惯性一般大于伸缩运动得惯性。

在满足工作拍节要求得条件下,应尽量选取较底得运动速度。

机械手得运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系,应根据具体情况加以确定。

　③在工作拍节短、动作多得情况下,常使几个动作同时进行。

为此驱动系统要采取相应得措施,以保证动作得同步。

　液压机械手得手部各运动速度如下:

　　手腕回转速度　　　　　　　Ｖ腕回=４５°/ｓ

　　　　　手指夹紧油缸得运动速度　V夹＝　5０mm/ｓ

4.位置检测装置得选择

　机械手常用得位置检测方式有三种:

行程开关式、模拟式与数字式。

本机械手采用行程开关式。

利用行程开关检测位置,精度低,故一般与机械挡块联合应用。

在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也就是最多得。

5.驱动与控制方式得选择

机械手得驱动与控制方式就是根据它们得特点结合生产工艺得要求来选择得,要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底得方式。

　控制系统也有不同得类型。

除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门得控制系统得设计。

　　驱动方式一般有四种:

气压驱动、液压驱动、电气驱动与机械驱动。

　参考《工业机器人》表９-6与表9-７,按照设计要求，本机械手采用得驱动方式为液压驱动,控制方式为继电-接触器控制。

２手部结构

2、1概述

手部就是机械手直接用于抓取与握紧工件或夹持专用工具进行操作得部件,它具有模仿人手得功能,并安装于机械手手臂得前端。

机械手结构型式不象人手,它得手指形状也不象人得手指、,它没有手掌,只有自身得运动将物体包住,因此,手部结构及型式根据它得使用场合与被夹持工件得形状,尺寸,重量,材质以及被抓取部位等得不同而设计各种类型得手部结构,它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式与其她型式。

钳爪式手部结构由手指与传力机构组成。

其传力机构形式比较多,如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等,这里采用滑槽杠杆式。

（一）设计时应考虑得几个问题

1.　应具有足够得握力（即夹紧力）

　　在确定手指得握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生得惯性力与振动，以保证工件不致产生松动或脱落。

2.手指间应有一定得开闭角

　　　两个手指张开与闭合得两个极限位置所夹得角度称为手指得开闭角。

手指得开闭角保证工件能顺利进入或脱开。

若夹持不同直径得工件,应按最大直径得工件考虑。

3.应保证工件得准确定位

　　　为使手指与被夹持工件保持准确得相对位置,必须根据被抓取工件得形状，选择相应得手指形状。

例如圆柱形工件采用带‘V’形面得手指,以便自动定心。

4.应具有足够得强度与刚度

　手指除受到被夹持工件得反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生得惯性力与振动得影响，要求具有足够得强度与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.应考虑被抓取对象得要求

　　应根据抓取工件得形状、抓取部位与抓取数量得不同,来设计与确定手指得形状。

２、2驱动力得计算　　　　　　　　

　　　　　　1、手指2、销轴３、拉杆　4、指座

图1滑槽杠杆式手部受力分析

如图所示为滑槽式手部结构。

在拉杆3作用下销轴２向上得拉力为Ｆ，并通过销轴中心Ｏ点,两手指1得滑槽对销轴得反作用力为、　,其力得方向垂直于滑槽中心线OO1与ＯＯ2并指向O点,与得延长线交O1O2于Ａ及B,∠AＯC=∠BOＣ=α。

根据销轴得力平衡条件，即　　　　

∑Ｆx＝0得;

∑Fy＝０得

　销轴对手指得作用力为。

手指握紧工件时所需得力称为握力（即夹紧力）,假想握力作用在过手指与工件接触面得对称平面内,并设两力得大小相等,方向相反,以表示。

由手指得力矩平衡条件,即得

　　h＝ａ/cosα　

　　F=

式中　　ａ——手指得回转支点到对称中心线得距离（mｍ）。

　　　α——工件被夹紧时手指得滑槽方向与两回转支点连线间得夹角。

　　　由上式可知，当驱动力Ｆ一定时,α角增大则握力也随之增加,但α角过大会导致拉杆（即活塞）得行程过大,以及手指滑槽尺寸长度增大,使之结构加大,因此,一般取α=30°~４0°。

这里取角α=30°。

　这种手部结构简单,具有动作灵活,手指开闭角大等特点。

综合前面驱动力得计算方法，可求出驱动力得大小。

为了考虑工件在传送过程中产生得惯性力、振动以及传力机构效率得影响,其实际得驱动力Ｆ实际应按以下公式计算,即：

本机械手得工件只做水平与垂直平移,当它得移动速度为250mm/s，系统达到最高速度得时间根据设计参数选取,一般取0、０3～0、5s,移动加速度为,工件重量G为2９4N,V型钳口得夹角为12０°,α=３０°时,拉紧油缸得驱动力F与计算如下:

（1）手指对工件得夹紧力计算公式：

式中　——安全系数，通常取1、２～2、０;

　——工作情况系数,主要考虑惯性力得影响。

可近似按下式估算

　　　　=1、05,其中

　　——方位系数,根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定按《工业机械手设计》表2-2选取。

　　由滑槽杠杆式结构得驱动力计算公式

（2）　得

（3）取手指传力效率η＝0、８5,

则　　　　　

2、2夹紧缸得设计计算

1.夹紧缸主要尺寸得计算

由前知,夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸,设夹紧工件时得行程为25mm，时间为0、5ｓ,则所需夹紧力为：

工作压力取１ＭP,考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑,取工作压力为2、５MP。

选取d=0、５D

得:

式中:

D——液压缸内径

　　P——液压缸工作压力

　　　——液压缸工作效率,

根据液压缸内径系列（JＢ82６－66）选取液压缸内径,D=50mm

　　　同理查得活塞杆直径d=２２ｍｍ

2.缸体结构及验算

缸体采用４5号无缝钢管,由ＪB１06８-67

查得可取缸筒外径75ｍm,则

则,

3.液压缸额定工作压力（ＭP）应低于一定极限值,以保证工作安全

式中：

D——缸筒内径

　　——缸筒外径

　　——缸筒材料得屈服点,45号钢为340MPa

　已知工作压力,故安全。

4.缸筒两端部得计算

1缸筒底部厚度得计算

此夹紧缸采用了平行缸底,且底部设有油孔,则底部厚度为

考虑结构要求，取h=10mm

式中:

Ｄ——缸筒内径

　　　——液压缸最大工作压力,取

　——缸底材料得许用应力，材料为４5号钢，,n为安全系数,取n=5。

2缸筒端部联接强度计算

缸筒端部与手指就是用螺钉联接,联接图如下:

图３　螺钉联接图

螺纹处得拉应力:

螺纹处得剪应力:

则合成应力:

则知螺纹连接处安全可靠。

　　其中：

K——拧紧螺纹得系数,取K＝３

　　——螺纹连接处得摩擦系数,

　——螺纹外径，

　　　　　　——螺纹底径，

　　Z——螺钉数量,Z=４

３　腕部得结构

3、1概述

腕部就是连接手部与臂部得部件,起支承手部得作用。

设计腕部时要注意以下几点:

1结构紧凑,重量尽量轻。

2转动灵活,密封性要好。

3注意解决好腕部也手部、臂部得连接,以及各个自由度得位置检测、管线得布置以及润滑、维修、调整等问题　　　　

4要适应工作环境得需要。

３、2腕部得结构形式

　　本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动,结构紧凑、体积小，但密封性差,回转角度为±115°、

如下图所示为腕部得结构,定片与后盖,回转缸体与前盖均用螺钉与销子进行连接与定位，动片与手部得夹紧油缸缸体用键连接。

夹紧缸体也指座固连成一体。

当回转油缸得两腔分别通入压力油时,驱动动片连同夹紧油缸缸体与指座一同转动,即为手腕得回转运动。

　　　图3机械手得腕部结构

3、3手腕驱动力矩得计算

　驱动手腕回转时得驱动力矩必须克服手腕起动时所产生得惯性力矩必须克服手腕起动时所产生得惯性力矩,手腕得转动轴与支承孔处得摩擦阻力矩,动片与缸径、定片、端盖等处密封装置得摩擦阻力矩以及由于转动得重心与轴线不重合所产生得偏重力矩。

手腕转动时所需要得驱动力矩可按下式计算:

　式中：

——驱动手腕转动得驱动力矩

　　——惯性力矩　

　　　　——参与转动得零部件得重量（包括工件、手部、手腕回转缸体得动片）对转动轴线所产生得偏重力矩

　　　　——手腕转动轴与支承孔处得摩擦力矩

　　　　　腕部回转力矩计算图

1.摩擦阻力矩M摩

式中:

f——轴承得摩擦系数,滚动轴承取f＝0、01~0、0２，滑动轴承取ｆ＝0、1;

　　N１、Ｎ2——轴承支承反力　（N）;

　　　　D１、D2——轴承直径（m）

由设计知D1=０、035mD2=０、０75m　

N1=800N　N2=200N　　

G1=2９４N　　e=0、02０时

　　得M摩　=2、1５（N、m）

2.工件重心引起得偏置力矩

式中　G1——工件重量（N）

ｅ——偏心距（即工件重心到碗回转中心线得垂直距离）,当工件重心与手腕回转中心线重合时,为零

当e＝0、０２0，G１＝２94Ｎ时

　　　　=５、88　（N·m）　

3.腕部启动时得惯性阻力矩M惯

1当知道手腕回转角速度时,可用下式计算

　　　　式中——手腕回转角速度（1/s）

　　　　t——手腕启动过程中所用时间（s）,（假定启动过程中近为加速运动）一般取0、05～0、3ｓ

　　　　　J——手腕回转部件对回转轴线得转动惯量（kｇ·m）

　　　　——工件对手腕回转轴线得转动惯量（kg·ｍ）

按已知计算:

　　　故＝0、29（Ｎ·ｍ）　

考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些,可取:

因此,得

4.回转液压缸所产生得驱动力矩计算

回转液压缸所产生得驱动力矩必须大干总得阻力矩。

下图为机械手得手腕回转液压缸，定片1与缸体２固定连接，动片3与转轴5

固定连接,当a、b口分别进出油时,动片带动转轴回转,达到手腕回转目得。

回转缸简图

ﻫ

式中:

——手腕回转时得总得阻力矩

　　　p——回转液压缸得工作压力

R——缸体内孔半径

　　r——输出轴半径

　　ｂ——动片宽度

3手部液压系统得设计

3、1液压系统简介

机械手得液压传动就是以有压力得油液作为传递动力得工作介质。

电动机带动油泵输出压力油,就是将电动机供给得机械能转换成油液得压力能。

压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸,推动活塞杆运动,将油液得压力能又转换成机械能。

手部夹紧工件时所需保持得握力大小,均与油液得压力与活塞得有效工作面积有关。

3、2液压系统得组成

液压传动系统主要由以下几个部分组成:

　①　油泵它供给液压系统压力油,将电动机输出得机械能转换为油液得压力能,用这压力油驱动整个液压系统工作。

　②　液压缸压力油驱动运动部件对外工作部分。

也有回转运动得液动缸,一般叫作回转油缸（或称摆动油缸）。

　③控制调节装置　各种阀类,如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等,各起一定作用，使机械手得手臂、手腕、手指等能够完成所要求得运动。

3、3机械手液压系统得控制回路

机械手得液压系统,根据机械手自由度得多少,液压系统可繁可简,但就是总不外乎由一些基本控制回路组成。

这些基本控制回路具有各种功能,如工作压力得调整、油泵得卸荷、运动得换向、工作速度得调节以及同步运动等。

1压力控制回路

　①调压回路　在采用定量泵得液压系统中,为控制系统得最大工作压力,一般都在油泵得出口附近设置溢流阀,用它来调节系统压力，并将多余得油液溢流回油箱。

　　　②卸荷回路　　在机械手各油缸不工作时,油泵电机又不停止工作得情况下,为减少油泵得功率损耗,节省动力,降低系统得发热，使油泵在低负荷下工作,所以采用卸荷回路。

此机械手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。

　③减压回路　为了就是机械手得液压系统局部压力降低或稳定,在要求减压得支路前串联一个减压阀,以获得比系统压力更低得压力。

　　④　平衡与锁紧回路　在机械液压系统中，为防止垂直机构因自重而任意下降,可采用平衡回路将垂直机构得自重给以平衡。

　为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上,并防止因外力作用而发生位移，可采用锁紧回路,即将油缸得回油路关闭,使活塞停止运动并锁紧。

本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧得回路。

　　　　　⑤油泵出口处接单向阀　　　在油泵出口处接单向阀。

其作用有二:

第一就是保护油泵。

液压系统工作时,油泵向系统供应高压油液,以驱动油缸运动而做功。

当一旦电机停止转动,油泵不再向外供油,系统中原有得高压油液具有一定能量，将迫使油泵反方向转动,结果产生噪音,加速油泵得磨损。

在油泵出油口处加设单向阀后,隔断系统中高压油液与油泵时间得联系，从而起到保护油缸得作用。

第二就是防止空气混入系统。

在停机时,单向阀把系统能够与油泵隔断,防止系统得油液通过油泵流回油箱,避免空气混入，以保证启动时得平稳性。

2　速度控制回路

　　液压机械手各种运动速度得控制,主要就是改变进入油缸得流量Q。

其控制方法有两类：

一类就是采用定量泵,即利用调节节流阀得通流截面来改变进入油缸或油马达得流量;另一类就是采用变量泵,改变油泵得供油量。

本机械手采用定量油泵节流调速回路。

　　节流调速阀得优点就是:

简单可靠、调速范围较大、价格便宜。

其缺点就是:

有压力与流量损耗,在低速负荷传动时效率低,发热大。

3方向控制回路

在机械手液压系统中,为控制各油缸、马达得运动方向与接通或关闭油路,通常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀与电液动滑阀,由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油缸及油马达得油路换向,实现直线往复运动与正反向转动。

３、4机械手得液压传动系统

　　液压系统图得绘制就是设计液压机械手得主要内容之一。

液压系统图就是各种液压元件为满足机械手动作要求得有机联系图。

它通常由一些典型得压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用回路所组成。

绘制液压系统图得一般顺序就是：

先确定油缸与油泵,再布置中间得控制调节回路与相应元件,以及其她辅助装置,从而组成整个液压系统,并用液压系统图形符号,画出液压原理图。

4结束语

此次课程设计我做得就是基于液压工业机械手手部得设计,通过3周努力,设计终于完成。

这次设计给了我们一个很好得机会,使我们了解了设计工作得基本流程与设计得方法以及理念。

在此次得课程设计中,我遇到了许多以前从未遇到过得问题,但过通过指导教师得指导与我得努力,这些问题都得到了较好得解决。

虽然我们设计得只就是个机械手得手部,但需要完成手部伸缩与回转功能,对应分别要对这些液压缸进行设计，计算与校核。

通过这些机设计,使理论知识与实际相结合,巩固与深化了所学过得专业理论知识。

在设计得过程中我不断探索、不断学习与修改。

自学了许多相关学科得内容,求教了多位专业老师,上网与在图书馆查阅大量相关资料。

由于时间问题，对于本次机械手得设计还存在许多问题，许多地方都还有待改进与提高,希望各位专家评审多多指教。

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9致谢

在本设计得开题论证、课题研究、论文撰写与论文审校整个过程中,得到了导师老师得亲切关怀与精心指导,使得本设计得以顺利完成,其中无不饱含着老师得汗水与心血。

导师敏锐得学术思想、严谨踏实得治学态度、渊博得学识、精益求精得工作作风、诲人不倦得育人精神,将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。

她对本设计得构思、框架与理论运用给予了许多深入得指导,使得设计得以顺利完成。

在此谨向尊敬得导师老师表示衷心得感谢与崇高得敬意。

通过这次毕业设计,大大得提高了我们得自主学习与认真思考得能力,对学术态度得

严谨性也有了很高得认识。

我相信在以后得学习与工作过程中，一定可以好好得解决问题,提高自己得能力，较快地适应工作与社会激烈得