机械手设计说明书汇编.docx

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机械手设计说明书汇编

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摘要…………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract……………………………………………………………………………………Ⅱ

第1章绪论…………………………………………………………………………………1

1.1引言………………………………………………………………………………1

1.2课题背景及意义…………………………………………………………………1

1.3机械手简介………………………………………………………………………2

1.3.1执行系统…………………………………………………………………2

1.3.2驱动系统…………………………………………………………………3

1.3.3控制系统…………………………………………………………………3

1.4机械手简史………………………………………………………………………3

1.5本课题的主要任务………………………………………………………………4

1.6本章小结…………………………………………………………………………5

第2章　机械手总体方案设计………………………………………………………………6

2.1机械手的自由度…………………………………………………………………6

2.2手部设计…………………………………………………………………………7

2.2.1抓取功能分析……………………………………………………………7

2.2.2手部结构与机构设计……………………………………………………7

2.3本章小结…………………………………………………………………………10

第3章机身设计与计算…………………………………………………………………11

3.1机身结构………………………………………………………………………11

3.2机身方案的选择………………………………………………………………12

3.2.1机身强度校核……………………………………………………………12

3.2.2选键并校核强度…………………………………………………………13

3.2.3齿轮轴

YZS—30—8电机壳体搬运上线机械手设计

摘要：

随着工业自动化时代的到来，搬运机械手的应用和普及成为自动化生产的现实需求。

本课题设计的机械手用于在电机生产制造中代替人力完成大、中批量，单调重复的零件搬运工作。

本机械手的机械结构主要由一个小型液压缸控制手指的开合，一个竖直放置的液压缸控制手部的上下移动，一个齿轮齿条机构带动手臂的左右移动，从而实现工件的抓取、上行、平移、下行、放下的运动，以实现电机壳体的搬运上线工作。

本课题从机械手的机构设计、材料选择、系统控制等方面进行研究。

重点对液压缸的选取进行了设计计算，对手部设计方案进行了反复分析，针对机械手动作要求进行了控制系统设计。

关键词：

机械手；控制系统；液压；机构设计

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TheDesignofThemanipulatorforhandlingMotorcaseonline

Abstract：

Withthearrivaloftheeraofindustrialautomation,applicationandhandlingmanipulatorbecometherealisticdemandofautomatedproduction.Thedesignofmanipulatorusedinmotormanufacturinginsteadofhumanbeingtocomplete,inbulk,themonotonousandrepeatedpartshandlingwork.Themechanicalstructureofthemanipulatorismainlycomposedofasmallhydrauliccylindertocontroltheopeningandclosingofthefingers,averticalhydrauliccylindertocontrolthehandmovesupanddown,agearrackmechanismtodrivethearmmovearound,grabbing,uplink,downlink,translation,placedunderthemovementtorealizetheworkpiece,on-lineworktothemotorhousinghandling.Researchonthistopicfromthemanipulatormechanismdesign,materialselection,controlsystem.Focusingonthedesigncalculationofthehydrauliccylinder,opponentsofthedesignschemeoftherepeatedanalysis,themanipulatormovementrequirementsforcontrolsystemdesign.

Keywords:

Manipulator;controlsystem;hydraulic;mechanismdesign

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第1章　绪论（想要完成版的可以联系我QQ815097606）

1.1引言

随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。

在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运、或操作的自动机械装置。

生产中运用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量，实现安全生产。

尤其在恶劣环境中，它代替人进行正常工作，意义更为重大。

为了提高工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动化生产的要求，针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台搬运机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。

本课题主要是研制一种适合YZS—30—8电机装配线的电机壳体搬运上线机械手。

通过设计后的机械手可在空间抓放多种型号电机壳体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产的，可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可以用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。

它将大大提高生产率，并将操作工人从繁重、单调、重复的体力劳动中解放出来。

1.2课题背景及意义

伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。

我国的制造业正在迅速发展，但大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。

可见在机械工业中，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。

另外，随着国内外经济社会环境的变化，人口红利渐渐消失，国内人工成本压力在很大程度上影响着企业的生产。

为了提高工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动化生产的要求，针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台搬运机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。

1.3机械手简介

机械手是一种模拟人手操作的自动机械[1]。

它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。

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。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。

工业机械手也是工业机器人的一个重要分支，他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。

目前，机械手的种类大至可按驱动方式分为液压式、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。

1.3.1执行系统

执行系统是机械手完成握持工件（或工具）实现所需的各种运动的机械部件，包括如下几个部分：

（1）手部是机械手中直接与工件或工具接触用来完成握持工件或工具的部件。

有些机械手直接将工具（如焊枪、喷枪、容器等）装置于机械手的前端，而不设置手部。

（2）腕部是机械手中联接手部与臂部主要用来确定手部工作时位置并扩大臂部动作范围的部件。

一些简易的机械手，也有不设手腕部件，将手部直接装在手臂部件的端部。

（3）臂部是机械手中支承腕部和手部，并且用来实现手部较大范围运动的部件。

（4）机身是机械手中用来支承手臂部件，并安装驱动装置及其他装置的部件。

（5）行走机构是为了扩大机械手的使用空间而设置的。

它本身又包括动力源、传动（减速）机构、滚轮或连杆机构等。

目前大多数机械手还缺乏行走机构。

1.3.2驱动系统

驱动系统是为执行系统各部件提供动力的装置。

采用的动力源不同，驱动系统的组成也是不同的。

液压驱动系统是由油缸、阀、油泵和油箱等组成；气压驱动系统是由气缸、气阀、空压机（或由空气压缩机站直接提供）和储气罐等组成；电机驱动系统是由一些电动机、专用电动机等组成。

1.3.3控制系统

控制系统是通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否的一些装置。

一般包括程序控制部分和行程检测反馈部分。

传感装置中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指与物件是否接触、物件有无下滑或脱落、物件的方位是否正确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应。

行程检测装置是检测和控制机械手各运动行程的装置。

图1-1为机械手各个系统间的相互关系。

图1-1机械手各系统间的关系

1.4机械手简史

现代工业机器人机械手，起源于20世纪50年代初期，是基于示教再现和主从控制方式、且能适应产品种类变更、具有多个自由度动作功能的柔性自动化设备[2]。

随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。

同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。

另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。

在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。

工业机械手最早应用在美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手的研究。

1958年美国联合控制公司研制出第一台示教型机械手。

借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。

现有的机器人差不多都采用这种控制方式。

作为机器人产品最早的实用机型是1962年美国联合控制公司推出的运动系统仿造坦克炮塔。

1978年美国联合控制公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。

联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业[3]。

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。

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。

第2章机械手总体方案设计（想要完成版的可以联系我QQ815097606）

本课题主要是研制一种适合YZS—30—8电机装配线的电机壳体搬运上线机械手。

对机械手的基本要求是能快速、准确地将电机壳体搬运上线，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。

设计机械手的原则是:

充分分析被抓取工件的结构和参数，拟定最合理的运动路线，并满足车间生产的具体功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求，使结构尽量简单紧凑，拆装维修维护方便；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，能尽量适应较多类型相同零件的抓取上线。

最终，本机械手可在车间抓放多种型号电机壳体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产。

2.1机械手的自由度

本机械手工作范围大，提取工件重量较大。

考虑本机械手的课题要求和设计目标，本设计采用三自由度的机械手。

因为本机械手工作范围大，提取工件重量较大。

考虑本机械手的课题要求和设计目标，本设计采用三自由度的机械手。

为了对现有机械手结构进行分析，对传动方案进行分析以确定最佳方案，做出了机械手运动简图（如图2-1所示）。

2-1机械手结构简图

自由度是指机械手各运动部件在三维空间坐标轴上所具有的独立运动数。

本机械手具有横向移动、上下运动、手指松紧三个自由度。

自由度1表示手臂的水平移动，拟定用齿轮齿条机构实现驱动；

自由度2表示手臂伸缩运动，拟定用伸缩液压缸实现驱动；

自由度3表示手指的开合运动，拟定用连杆机构实现驱动。

2.2手部设计

2.2.1抓取功能分析

手工作业大都是用手臂和手腕驱动物体，以实现符合作业目的状态变化。

手臂和手腕对手进行约束，而手部对物体的约束与作业直接相关。

人手的抓取动作就是调动手掌和手指，将物体对象紧紧包络，用包络力和摩擦力对物体施加完全的约束。

因此，人手抓取动作的特点是对物体逐渐进行包络。

抓取动作可分为捏持约束、握持约束和夹持约束。

捏持约束的前提是对物体作立体的包络，对象物体为球之类的立体形状，这种约束是在小于人手的结构尺寸时使用的一种约束动作。

握持约束的前提是对杆状物体作二维空间的包络动作。

在动作之前，要识别杆轴的方向。

夹持约束是在形成对立面的约束手段之间放入物体的一种约束动作，一般用于板材之类的一维物体。

这些约束方式作为机械约束方式已经相当普及了。

2.2.2手部结构与机构设计

手指按其抓取物品的不同具有多种结构形式。

在设计时必须根据具体情况来正确选择。

钩拖式的主要特征是不靠夹紧力来夹持工件，而是利用手指对工件的钩、托、捧的动作来托持工件的。

它适用于机械手在水平或垂直面内作低速移动的搬运工笨重作，尤其对大型的工件更为有利[4]。

本机械手抓取电机壳体，要克服电机壳体的重力，因此选用钩托式。

钩拖方式的应用可降低对驱动力的要求，简化手部结构。

手部机构采用外夹连杆杠杆式（如图2-2），其工作原理是依靠机构的内力平衡工件重力而保持钩托状态的。

当驱动杆1向下使两手指到达钩托工件的位置时，连杆2处的这种结构在手指托持工件后，连杆处于平衡状态，并由支架3限位，阻止其继续向下运动[5]。

当提升工件时，杠杆手指在工件重力的作用下所产生的对连杆的作用力是竖直向下的，由支架3承受，故手指不可能反转而张开，始终保持钩托位置。

由于Y30-8电机壳体轴向宽度为360mm,两手指处于钩托状态时距离为360mm。

因此连杆长度L1=180mm.滑块最大移动距离X1=90。

2-3橡胶指面

（2）材料及连接杆的选择

连杆与滑块滑块连接选用圆柱销GB/T119.1,d=8mm，需使用两个；

杠杆手指与连杆连接选用圆柱销GB/T119.1,d=8mm，需使用两个；

杠杆手指与固定板连接选用圆柱销GB/T119.1,d=10mm，需使用两个。

以上材料均为45钢，无淬火和表面处理。

滑块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径20mm,螺距p=1,旋合长度为20mm。

（3）手部的动力选用小型双作用液压缸，具体设计详见第4章。

（4）手部的自锁功能

由于本机械手抓取的YZS30-8电机壳体的重量达180KG，为了安全将其抓取上线，需设计手部的自锁功能。

手部自锁的种类较多，有用固定挡块锁紧，有用移动凸轮锁紧，也有用物件本身重量锁紧[8]。

本机械手恰当设计支架的长度，使支架3限制滑块4的位置，当手指抓住电机壳体时，连杆2成一条直线，实现了自动锁紧。

从图中可以看出，当两个连杆成一直线（这就是自锁条件），滑块与支架下端（限位）接触时，只要各构件强度、刚度足够，就不会因电机壳体过重而使手指松开（详见图2-4）。

2-4手部自锁结构

2.3本章小结

本章通过反复分析被搬运上线的电机壳体的结构和参数，综合考虑机构方案，选取了杠杆连杆式手部。

由于电机壳体的特殊性，又做了其他特殊设计，如：

橡胶指面、自锁结构等。

最终，手部设计的方案将满足课题要求。

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第3章机身设计与计算

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有两个自由度，即手臂的伸缩运动和横向移动。

手臂的伸缩运动由双作用液压缸提供动力，手臂的横向平移由齿轮齿条带动。

由于本机械手抓取的工件是YZS-30-8电机壳体，重达180KG，因此采用液压驱动。

齿轮的转动由电机带动。

3.1机身结构 

机身是直接支撑和传动手臂的部件。

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，或者直接构成机体的躯干与底座相连。

因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。

机身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空轨道运动。

此次设计机身结构为直移型。

缸驱动，也可用各种马达减速传动。

这种结构比较简单，容易制造，常用于专用机械手，为了减少手臂平移时的摩擦损失，臂架上可安装滚轮，以滚动摩擦代替滑动摩擦。

当载荷较大，横梁上的支点距离较远时，应注意横梁的刚性是否足够，否则，就会使横梁变形，运动时会引起振动，且会影响机械手的位置精度。

必要时应验算其刚度。

实际上，横梁还可用槽钢等其他型钢制造。

（2）圆导轨横梁

悬挂式双臂机械手，在两个机床间传送工件，在垂直于机床中心线的上空架设两

有些双臂机械手采用铸造横梁作为机身来支撑双臂。

横梁上有上导轨和下导轨分别为凸三角形和单燕尾形，磨损后能自动补偿并便于调整间隙。

导向性好，可以承受一定

，机身直接支撑和传动手臂，因此机身横梁承受的力较大，因此采用型钢横梁。

搬运上线机械手不应占用太大的空间，因此横梁固定在立柱上，用四个螺栓固定。

机身横梁一端与立柱连接，另一端由一根斜拉索拉起。

本机身采用普通工字钢作为机械手的机身横梁。

臂架安装在横梁上，并利用横梁下面和两侧平面作为导轨面。

为了能使手臂沿横梁平移，臂架上装有一个齿轮齿条机构作为程序调整和控制电机的运动，实现手臂的水平移动。

3.2.1机身强度校核

轨道采用工字钢，机械手臂运行至横梁末端时，所受弯曲应力最大。

查表得该型号工字钢

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故机身强度足够。

3.2.2选键并校核强度

齿轮轴直径d=23mm，由GB1095-79选键为b=6h=5

键校核如

3.2.3齿轮轴强度校核

齿轮轴

系数2以上，满足强度要求。

3.3本章小结

根据机械手的总体方案，从多种方案中最终选取型钢横梁作为机身，并进行了强度校核。

同时，设计了机架其它部分的研究与计算工作。

第4章液压缸的设计（想要完成版的可以联系我QQ815097606）

液压缸有单作用液压缸和双作用液压缸，单作用液压缸活塞仅作单项运动，上升靠液压力，回程靠自重[10]。

不能实现我们的要求。

故采用双作用液压缸，双作用液压缸的伸出、缩回都是利用液压油的操作来实现的，这里我们采用单活塞双作用液压缸。

单活塞双作用液压缸工作原理（如下图4-1所示）。

4-1原理示意图

4.1手部夹紧液压缸

4.1.1液压系统工况分析

此液压缸竖直放置，活塞杆带动手部运动使手指张合，因而没有外部摩擦力。

在运动过程中负载包括工作负载、惯性阻力、密封阻力、背压阻力等。

（1）工作负载

手指不需要夹紧力，因此工作负载很小。

预估工作负载Fw=G=200N

（2）惯性阻力Fa=m∆V/∆t=20kg×1m/s2=20N

（查《液压与气压传动》，行走机械∆V/∆t一般取0.5~1.5m/s2，这里取为1m/s2）

（3）密封阻力Fμ可以液压缸机械效率ηm代之，取ηm=0.95（查阅《液压缸及其设计》P136）

（4）

00N

减速制动时

95=232N

4.1.2确定液压缸主要参数

本例工作压力确定臂部液压缸主要参数：

（1）初定液压缸工作压力

查

通常在系统所给定的工作压力下，把保障液压缸具有足够的牵引力来驱动工作负载，作为确定缸筒内径的原则。

机械手运动时，最大负载F=232N，由此负载计算液压缸面积A2=F/（2p1-p2）=232/（2×0.9×106-0.5×106）=0.5×10-3m2

A1=2A2=1×10-3m2

D=

=

20mm

有效工作面积A=

（D2-d2）=0.95cm2

（4）液压缸壁厚缸筒内径确定以后，由强度条件来计算缸筒壁厚，然后求出缸筒的计算外径，按照JB2183-77圆整为标准外径。

缸筒的应力分析在正常工作下，缸筒的轴向压应力很小，它只是由活塞、活塞杆的密封圈与缸壁、缸盖之间的摩擦力所引起的，一般予以忽略。

缸筒壁厚的计算

δ≥

，Py为最大工作压力P1的1.5倍，Py=0.6Mpa

【σ】高强度铸铁【σ】=60Mpa，δ≥2.4mm

D1≥D+2δ=44.8mm，查表取缸筒外径D1=46mm

液压缸工作行程S选取130mm

（5）缸底厚度的确定

一般液压缸为平底缸底，可由材料力学中圆盘计算公式导出。

其有效厚度t按强度要求计算，t≥0.433D

t≥5.2mm

（6）缸盖厚度的确定

缸盖上有活塞杆的导向孔，它的强度与厚度计算方法与缸底不同，其受力情况比较复杂，设计不好容易损坏。

（7）活塞杆强度校核

活塞宽度B一般取B=（0.6~1.0）D=（0.5~0.8）×40=20~32取B=20

根据材料力学，一根受压直杆，其轴向负载力超过稳定临界力时，就将失去原有直线状态下的平衡而丧失稳定。

一般活塞杆的长度与直径之比大于10就要进行稳定校核[11]。

活塞杆强度校核λ=

，其中i=d/4=20/4=5

μ=0.7，l=205，

σ=

=4×232/（3.14×202）=0.74Mpa≦[σ]=200Mpa

满足强度条件。

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（8）缓冲装置

活塞缸是实现手臂运动的动力部件，一般是用来带动重量较大的部件运动，有时