冲压机械手手臂部分设计全套图纸Word.docx

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冲压机械手—手臂部分设计

摘要

本文所设计的冲压机械手用于搬运工件，为了增加本机械手的通用性，在结构尽可能紧凑的情况下，最大限度地使工业机械手具有较大的抓取范围。

本文主要介绍了冲压机械手的概念、组成和分类，机械手的自由度和坐标形式、运动及国内外的发展状况。

对冲压机械手进行总体方案设计，首先确定了机械手的坐标形式为圆柱坐标型，自由度数为5，接着确定了机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的主要技术参数。

同时，设计了机械手的手部结构形式为滑槽杠杆式钳爪、手腕的结构形式为采用电机带动腕回转、臂部结构形式采用双导向杆导向，机身结构形式为升降缸置于回转缸之上的结构形式，计算出了夹紧工件所需的驱动力、手腕转动时所需的驱动力矩、手臂伸缩所需的驱动力、手臂俯仰所需的驱动力、手臂升降所需的驱动力和手臂回转所需的驱动力矩。

继而设计了冲压机械手的各个部分液压缸的尺寸和结构及各个部分之间连接与支承部件的结构与尺寸。

关键词　液压驱动；冲压机械手；液压缸

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第1章绪论

1.1机械手的含义

“机械手”（mechanicalhand，也被称为“自动手”（autohand）,　多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或者专用机械手）。

它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。

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。

它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业，因此获得日益广泛的应用。

1.2机械手的产生、应用与发展

1.2.1机械手的产生（简史）

早在20世纪初，随着机床、汽车等制造业的发展就出现了机械手。

1913年美国福特汽车工业公司安装了第一条零件加工自动线，为了解决自动线、自动机的上下料与工件的传送，采用了专用机械手代替人工上下料与传送工件。

可见专用机械手就是作为自动机、自动线的附属装置出现的。

前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。

我国虽然开始研究工业机械手仅比日本晚5～6年，但由于种种原因，工业机械手计时的发展比较慢。

目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人（工业机械手）技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机械手技术必将获得迅速发展。

目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机械手正在加紧研制。

它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。

第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。

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（FMS）和柔性制造单元（FMC）中的重要一环。

1.2.2应用简况

机械手的应用意义可以概括如下：

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。

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。

有资料统计：

美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。

随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。

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。

国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。

国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。

并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。

采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。

1.2.3发展趋势

目前机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。

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，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。

将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。

既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。

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，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（即距离传感器）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。

1.3冲压机械手的组成与运动

1.3.1冲压机械手的组成

工业机械手主要由执行系统、驱动系统和控制系统三大部分组成。

其组成关系如图1-1：

图1-1冲压机械手的组成

1.执行系统

执行系统是工业机械手完成握取工件（或者工具）实现所需的各种运动的机械部件，包括以下几个部分：

（1）手部：

是工业机械手直接与工件（或者工具）的部件。

有些工业机械手直接将工具（如焊枪、喷枪、容器）装在手部位置，而不再设置手部。

（2）腕部：

是工业机械手中联接手部与臂部、主要用来确定手部工作位置并扩大臂部动作范围的部件。

有些专用机械手没有手腕部件，而是直接将手部安装在臂部的端部。

（3）臂部：

是工业机械手用来支承腕部和手部实现较大运动范围的部件。

（4）机身：

是工业机械手用来支承手臂部件，并安装驱动装置及其他装置的部件。

专用机械手一般将臂部装在主机上，成为主机的附属装置。

2.驱动系统

驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置。

采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。

驱动系统的传动方式有四种:

液压式、气压式、电气式和机械式。

（1）液压式：

液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。

它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。

液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。

缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。

（2）气压式：

气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。

一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。

它的优点是气源方便，维护简单，成本低。

缺点是出力小，体积大。

由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，速度不易控制、响应慢、动作不平稳、有冲击，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。

为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。

（3）电气式：

其驱动系统一般是由电机驱动。

现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。

优点是电源方便，信号传递运算容易、响应快、驱动力较大，适用于中小型工业机械手。

但是必须要使用减速机构（如齿轮减速器、谐波齿轮减速器等），所需要的电机有步进电机、DC伺服电机和AC伺服电机等。

（4）机械式：

其驱动系统由电机、齿轮、齿轮齿条、连杆等机械装置组成，传动可靠，适用于专一简单的机械手。

这种方式结构比较庞大。

本设计的手部夹紧、手臂伸缩、手臂升降、手臂俯仰、手臂回转均采用液压式，腕部回转考虑到回转精度的原因，采用电气式。

3.控制系统

控制系统是工业机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。

一般常见的为电气与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。

就其控制方式，可分为分散控制与集中控制两种类型。

若以控制的运动轨迹来分，原则上分为两种：

（1）点位控制：

主要控制空间两点或者有限多个点的空间位置，而对其运动路径没有要求。

专用机械手绝大多数均采用这种点位控制方式。

（2）连续轨迹控制：

是用连续的信息对运动轨迹的任意位置进行控制，其运动轨迹是连续的。

对运动轨迹有要求的工业机械手需要连续轨迹控制，如电弧焊、切割等。

1.3.2冲压机械手的运动

冲压机械手的运动，拟分为冲压机械手的自由度、运动范围和各种运动形式来叙述。

1.冲压机械手的自由度

冲压机械手的手部所握持的工件（或工具）在空间的位置，是由臂部、腕部以及整机等各自独立运动的合成来确定。

确定手部中心位置与手部方位的独立变化参数，就是工业机械手的自由度（有时被称为运动轴、运动度等）。

它是冲压机械手的重要参数之一。

冲压机械手的每一个自由度，都要相应地配一个原动件（如伺服马达、油缸、气缸、步进马达等驱动装置），当各原动件按一定的规律运动时，机械手各运动件就随之确定的运动，自由度数与原动件数必须相等，只有这样才能使工业机械手具有确定的运动。

对于机械手来说，如果自由度越多，就能更接近人手的多种机能，通用性就更好，但自由度越多，结构越复杂，从而不容易满足对整体结构在重量轻、体积小和高效率等方面的要求。

这是冲压机械手设计中的矛盾。

目前一般冲压机械手的自由度（除手部夹紧动作外）大多不超过五个。

冲压机械手常见的各种自由度包括：

臂伸缩、臂回转、臂俯仰、臂升降、腕部回转、腕部俯仰、腕部直移、腕部摆动等。

如图1-2所示：

图1-2冲压机械手的运动示意图

2.冲压机械手的运动范围

冲压机械手的运动范围，是指机械手在平面或空间的运动轨迹图形的形状及其大小，是机械手的技术参数之一。

机械手所具有的自由度数目及其组合不同，其运动轨迹图形也不同。

而每个自由度的运动变化量（即直线运动的距离和回转运动的回转角度）的大小都决定着运动轨迹图形的大小。

一般情况下，臂部的自由度主要是用来确定手部以及工件（或工具）在空间的运动范围和位置的。

因此，臂部运动也称为机械手的主运动，而腕部的自由度则主要用来调整手部以及工件（或工具）在空间的方位。

表1-1所列为臂部几种自由度的不同组合及其运动范围的图形。

臂部具有一个自由度时的运动轨迹为宜直线或圆弧；具有两个自由度时，其运动轨迹为一平面或圆柱面；具有三个自由度时，其运动轨迹则从面扩大到空间成为立方体或回转体（包括圆柱体和球体等）

表1-2为臂部运动组合的一般状况。

表1-1臂部自由度的组合及其运动范围

组合运动

自由度数

直线运动

（T）

回转运动

（R）

直线运动与回转运动（T+R）

1

一直线运动构成一个直线轨迹

一回转运动构成