液动机械手设计说明书.doc

第1章 绪 论1.1 工业机械手概况工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的.我国的工业机械手是从80年代七五科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过七五,八五科技攻关,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有130多台喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。如：可靠性低于国外产品，机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件，硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业，其中汽车工业占第一位（占28.9%），电器制造业第二位（占16.4%），化工第三位（占11.7%）。发达国家汽车行业机械手应用占总保有量百分比为23.4%53%，年产每万辆汽车所拥有的机械手数为（包括整车和零部件）：日本88.0台，德国64.0台，法国32.2台，英国26.9台，美国33.8台，意大利48.0台。世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。上料机械手与卸料机械手相比，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达180mm，最大抓握重量可达30公斤，最大行走距离为1200mm。根据作业要求及载荷情况，机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用OMRON可编程控制器，各种作业的实现可以通过编程实现。国内外实际使用的多是定位控制的机械手，没有“视觉”和“触觉”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手，使它能够对所抓取的工件进行分辨，能选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确地在机器上定位、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部件，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：一是检测把握物体手臂的变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物件的滑动位移，来修正握力。因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能：(1）能准确地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对感知的信息做出反映的工业机械手称之为“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，其效用是代替从事繁重的工作，危险的工作，单调重复的工作，恶劣环境下的工作方面尤其明显。至于像汽车工业和电子工业之类的费工的工业部分，机械手的应用情况决不能说是好的。虽然这些工业部门工时不足的问题尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序，其原因是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小，这是主要原因。经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看，不一定总是合算的。然而，利用机械手或类似机械设备节省人力和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得到解决，机械手的应用必将会飞跃发展。上料机械手和卸料机械手相对，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型机铝棒料的搬运及高温棒料的自动上料作业，最大抓取棒料直径可达180mm，最大抓握重量可达30公斤，最大行走距离为1200mm。根据作用要求和载荷情况，机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用OMRON可编程控制器，各种作业的实现可以通过编程实现。随着机电一体化技术和计算机技术的应用，其研究和开发水平获得了迅猛的发展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域，特别是工业机械手在生产加工中的广泛应用。轿车半轴加工上料机械手设计在综合多种机械手的设计原理和设计思想，根据轿车半轴加工的特点提出的，有一定的理论基础，设计水平和应用价值。 1.2机械手的组成和分类1.2.1机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。图1-1机械手的组成方框图(一)执行机构包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式.2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下:手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。(三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。1.2.2机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以 “开一关”式控制定位，只能是点位控制: 伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、 液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.3 工业机械手在工业生产中的应用工业机械手在生产中的应用非常广泛，还可以归纳为以下的一些方面：1. 建造旋转零件体自动线方面建造旋转零件体（轴类、盘类、环类零件）自动线，一般都采用机械手在机床之间传送工件。2. 在实现单机自动化方面(1)各类半自动车床，有自行夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料，装上机械手，可实现全自动化生产。(2)注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动取料，可实现全自动生产。(3)冲床有自动上下冲压循环，机械手上下料可实现冲压上产自动化。3. 铸、锻、焊、热处理等方面总的来说，由于工业机械手的特点满足了社会生产的需要，进而带来了经济效益。其特点：(1)对环境的适应性强，能代替人从事危险，有害的操作，在长时间对人体有害的场所，机械手不受影响。(2)机械手能持久、耐劳、可以把人从单调的繁重的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。(3)动作准确，可保证稳定和提高产品的质量，同时可避免人为操作的错误。(4)通用性灵活性好，特别是通用机械手，能适应产品品种迅速变化的要求，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。1.4国内外发展状况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、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、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机的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:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、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、触觉等多传感器的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的作用已从仿真、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的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，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的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，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，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“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的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.5本章小结本章介绍了工业机械手的概括，工业机械手的组成、分类、应用。工业机械手在国民生产中有广泛的应用，许多机械设备都用到工业机械手，它是近代自动控制领域内出现的一种新型的技术装备。我设计的工业机械手设备简单，动作灵活，经济实用，稳定性好，适于使用。第2章 工业机械手的设计方案2.1 工业机械手的组成工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框图： 图2.1 工业机械手各部分关系图执行机构：执行机构包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。1.手部：直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。传动机构形式多样，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。2.腕部：是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。3.臂部：手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定位置。该设计的手臂有三个自由度，采用关节式坐标（绕横轴旋转，上下摆动和左右摆动）关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性，机械臂的结构性容易进行优化，便于提高机械手的动态操作性能。4.行走机构：有的工业机械手带有行走机构。驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。控制系统：有点位控制和连续控制两种方式。机身：它是整个工业机械手的基础。2.2 规格参数工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：1.抓重（又称臂力）：额定抓取重量或称额定负荷，单位为公斤；2.自由度数目和坐标形式：整机，手臂和手腕等运动共有几个自由度，并说明坐标形式；3.定位方式：固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其他各种位置设定和检测装置；4.驱动方式：气动，液动，电动和机械式四种形式；5.手臂运动参数；6.手腕运动参数；7.手指夹持范围和握力；8.定位精度：位置设定精度和重复定位精度；9.轮廓尺寸：长宽高（毫米）；10.重量：整机重量。2.3 设计路线与方案2.3.1 设计步骤1.查阅相关资料；2.确定研究技术路线与方案构思；3.结构和运动学分析；4.根据所给技术参数进行计算；5.按所给规格，范围，性能进行分析，强度和运动学校核；6.绘制工作装配图草图；7.绘制总图及零件图等；8.总结问题进行分析和解决。2.3.2 研究方法和措施使用现在机械设计方法和液压传动技术进行设计，采用关节式坐标（四个自由度，可以绕横，纵轴转动和上下左右摆动）。2.4 本章小结 本章介绍了工业机械手的组成、规格参数、设计路线等内容，这种设计的机械手组成全面，配置合理，能达到一定的使用要求。第3章 本次设计的基本参数及要求3.1 设计的基本参数抓重：10Kg夹持棒料直径：55-75mm定位精度：3.2 设计的要求根据给定的部分设计参数，确定机械手设计的其他有关规格参数，拟定机械手设计的总体方案。机械手手部结构设计；机械手总体图的绘制；液压系统图的设计与绘制；系统图的设计与绘制。第4章 机械手各部分的计算与分析4.1 手部计算与分析4.1.1手部设计的基本要求(1)应具有适当的夹紧力和驱动力。(2)手指应具有一定的开闭范围。(3)应保证工件在手指内的夹持精度。(4)要求结构紧凑，重量轻，效率高。(5)应考虑通用性和特殊要求。4.1.2 手部的计算和分析4.1.2.1夹紧力计算手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）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列公式计算： 式中：安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.22.0，取1.5；工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况系数, ，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）；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，手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指与工件形状：型指端夹持圆柱型工件，为摩擦系数，为型手指半角，此处粗略计算,如图2.1图4.1被抓取工件的重量求得夹紧力 ，取整得590N。4.1.2.2驱动力力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式：式中：c滚子至销轴之间的距离，c取42mm；b爪至销轴之间的距离，b取120mm；楔块的倾斜角，暂取可得，得出为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.80.9，此处取0.85，则： 4.1.2.3液压缸驱动力计算设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力：式中 活塞直径 活塞杆直径 驱动压力，,已知液压缸驱动力由于，故选工作压力P=1.6MPa 据公式计算可得液压缸内径：圆整后取D=40mmd=0.5D=20mm活塞厚B=（0.61.0）D所以B=0.7D=28mm（1） 活塞活塞与活塞杆采用螺纹连接；活塞与缸体采用O型密封；活塞材料选用铝合金（2） 活塞杆 活塞杆采用实心，材料为45号钢，粗加工调质到硬度HB229-285，然后高频淬火，硬度到HRC45-55（3） 缸盖缸盖和缸体采用法兰连接，螺栓和螺母选用M6的螺纹处拉应力 MPa所以螺纹处剪应力为 其中：k-螺纹预紧力系数，取k=1.4；-螺纹连接的摩擦系数，=0.12；F-缸筒端部所受最大推力；-螺纹外径；-螺纹内径；z-螺栓个数；所以： （4）液压缸外径p-液压缸内工作液压油压力；-强度系数，取1；-液压缸壁厚；c-计入管壁公差及侵蚀的附加壁厚；D-液压缸内径；求得，所以液压缸外径4.1.2.4弹簧的计算与选取由b=120mm；c=42mm；夹持棒料的范围为55-75mm；手指的移动范围要s75-25=20mm所以活塞行程夹紧驱动液压缸最小工作行程为安装初载荷为F=50N最大工作载荷为约为200N所以弹簧内径 最大变形量 弹簧有效工作圈数为取两端支撑圈数为2，则n=13；中径；外径内径节距圆整取p=10mm；轴向间隙最小变形量4.1.2.5手爪的夹持误差及分析机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。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变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图4-2，从而使夹持误差控制在较小的范围内。通常情况手爪的夹持误差不超过，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。图4-2本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图4-3。图4-3若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有：简化为： 该方程为双曲线方程，如图4-4：图4-4由上图得，当工件半径为时，X取最小值，又从上式可以求出：，通常取若工件的半径变化到时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用表示。在设计中，希望按给定的和来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径取为时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当a值较大时），偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的和边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径，以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式：其中 ,型钳的夹角代入得出： 则 则，此时定位误差为和中的最大值。分别代入得：，所以，夹持误差满足设计要求。4.2本章小结本章介绍了机械手手部的计算与分析，并进行了计算与校核，在使用中能满足要求。第5章 腕部5.1腕部设计的基本要求手腕部件设置在手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度，此设计中要求有绕中轴的回转运动。（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，又承担连接和支撑作用，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连接。（3）必须考虑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。5.2具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构如图5.1所示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从AA剖视图上可以看到，回转叶片（简称动片）用螺钉，销钉和转轴10连接在一起，定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔5.7进出油腔，实现手部12的旋转。旋转角的极限值由动，静片之间允许回转的角度来决定（一般小于），图中缸可回转。腕部旋转位置控制问题，可采用机械挡块定位。当要求任意点定位时，可采用位置检测元件（如本例为电位器，其轴安装在件1左端面的小孔）对所需位置进行检测并加以反馈控制。图示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个油管。通向手部驱动液压缸的油管是从回转中心通过，腕部回转时，油路认可保证畅通，这种布置可使油管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管（一根供手部油管，两根供腕部回转液压缸）由手臂内通过并经腕架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动，参考上图典型结构。5.3腕部结构计算5.3.1腕部回转力矩的计算腕部回转时，需要克服的阻力为：其中：腕部回转支撑处的摩擦力矩；启动克服惯性所需的力矩；克服工件重心偏置所需的力矩；（1）腕部回转支承处的摩擦力矩式中 ，轴承处支反力（N），可由静力平衡方程求得; ,轴承的直径（m）； 轴承的摩擦系数，对于滚动轴承=0.01-0.02；对于滑动轴承=0.1。为简化计算，取。（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩式中 e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离，此处为简化计算，忽略它，即取。（3）克服启动惯性所需的力矩启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度及启动过程转过的角度按下式计算：式中 工件对手腕回转轴线的转动惯量； 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量； 手腕回转过程的角速度； 启动过程所需的时间，一般取0.05-0.3s,此处取0.1s.。手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为350mm，直径100mm，其重力为98N。等效圆柱体的转动惯量：工件的转动惯量，已知圆柱体工件R=30mm；l=100mm，要求工件在0.5s内旋转90度, 取平均角速度，即=，代入得：解得，5.3.2回转液压缸所需驱动力矩计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩，如图5.2，定片1与缸体2固连，动片3与转轴5固连，当a, b口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。图5.2图5.3为回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩。图5.3 或 式中 手腕回转时的总的阻力矩 回转液压缸的工作压力（Pa） 缸体内孔半径（m） 输出轴半径（m），设计时按选取 动片宽度（m）上述动力距与压力的关系是设定为低压腔背压力等于零。5.3.3回转缸内径D计算查机械设计手册得回转液压缸直径计算公式：（1）按许用剪切应力，驱动轴计算公式为， 式中：为许用扭转剪应力，轴选用合金钢，因而按扭转刚度计算有， 所以驱动轴径选为30mm。（2）计算选取液压缸驱动片的宽度b，其中：p回转液压缸的工作压力，选取为1.6MPa R暂取为60mm则： 综合考虑，b取30mm。5.3.4液压缸盖螺钉的计算图5.4缸盖螺钉间距示意表3.3 螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（Mpa）螺钉的间距t(mm)0.51.5小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.010.0小于80上图中表示的连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为：，即工作拉力与残余预紧力之和。液压缸的工作压力P=1.6MPa；选择螺钉数目为Z=8；，此处连接要求有密封性，故k取（1.5-1.8），取K=1.6所以，螺钉材料选择Q235，安全系数n取1.5（1.5-2.2）螺钉的直径由下式得出 ，F为总拉力即取d=8mm。5.3.5静片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接螺钉一般为偶数。螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： 为预紧力,为接合面摩擦系数，取（0.10-0.16）范围的0.15，即钢和铸铁零件，为接合面数，取=2，Z为螺钉数目，取Z=2，D为静片的外径，d为输出轴直径，则可得： 螺钉的强度条件为： 带入有关数据，得：螺钉材料选择Q235，则（安全系数n=1.52.5）螺钉的直径，d值极小，取d=4mm。螺钉选择M4的开槽盘头螺钉GB/T65-20005.3.6腕部轴承选择腕部材料选择HT25-47，估计轴承所受径向载荷为50N,轴向载荷较小，忽略。两处均选用深沟球轴承。选用轴承为深沟球轴承分别为61806，61810；GB/T297-945.4本章小结本章介绍了机械手腕部的计算与分析，并进行了计算与校核，在使用中能满足要求。第6章 伸缩臂设计6.1伸缩臂设计基本要求设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装机械手，完成直线伸缩动作。（1）功能性的要求机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（2）适应性的要求为便于调整，适应工件大小不同的要求，起止位置要方便调整，要求设置可调式定位机构。为了控制惯性力，减少运动冲击，动力的大小要能与负载大小相适应，如步进电机通过程序设计改变运动速度，力矩电机通过调整工作电压，改变堵力矩的大小，达到工作平稳、动作快捷、定位准确的要求。（3）可靠性的要求可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。（4）寿命的要求产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施，如：选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损的零件要便于更换。（5）经济的要求机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中。（6）人机工程学的要求人机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。本设计中要充分考虑外形设计，各调整环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。（7）安全保护和自动报警的要求按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须考虑的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警装置。设计参数（1）伸缩长度：300mm；（2）单方向伸缩时间：1.52.5S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm；（4）前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击；6.2方案设计液压驱动方案（1）伸缩原理采用单出杆双作用液压油缸，手臂伸出时采用单向调速阀进行回油节流调速，接近终点时，发出信号，进行调速缓冲（也可采用缓冲油缸），靠油缸行程极限定位，采用导向杆导向防止转动，采用电液换向阀，控制伸缩方向。（图6.1）图6.1（2）液压系统的设计计算液压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求，具体设计计算参考液压传动与控制等相关教材。由于伸缩臂做间歇式往复运动，有较大的冲击，设计时要考虑缓冲措施，可从液压回路设计上考虑，也可从液压件结构上考虑。设计计算参数及要求： 电磁阀流量：要满足伸缩速度的要求。 油缸直径：推力大小要能克服机构起动惯性并有一定的起动加速度，要满足运动时间要求。 导向杆刚度：按最长伸出时机械手端部的挠度不超过规定要求。 定位方式和元件：自选。（3）结构方案设计及强度和刚度计算伸缩臂运动简图见图6.1 结构方案说明a：支座1安装在机器人床身上，用于安装伸缩臂油缸和导向杆等零部件。b：法兰4用于安装机械手，其形式和尺寸要与机械手相协调。c：液压缸伸出杆带动导向杆同时伸出300mm，伸出长度较大，设计、制造和安装时要考虑液压缸与导向杆的平行度要求。 d：导向杆可采用直线导轨或直线导轴。直线导轨可选用外购件，直接从生产厂家的有关资料中获得所需参数（网上查询直线导轨、直线导轴）。采用直线导轴时可自行设计，并且要考虑导向杆的润滑，润滑方式参考有关手册设计。 强度及刚度计算本机械手夹持工件重量约10Kg左右，夹持器重量约15Kg，夹持器长度最大约250mm。从受力角度分析，载荷不大，可参考其它机器作类比设计即可。伸缩臂的机构力学模型如图6.2所示。夹持器夹着工件，伸缩臂全部伸出，是导杆受力最大的状态,也是变形最大的位置。在此情况下，用材料力学的知识计算它的强度和刚度。图6.26.3伸缩臂机构结构设计6.3.1伸缩臂液压缸参数计算6.3.1.1工作负载R液压缸的工作负载R是指工作机构在满负荷情况下，以一定加速度启动时对液压缸产生的总阻力，即： 式中：-工作机构的荷重及自重对液压缸产生的作用力；-工作机构在满载启动时的静摩擦力；-工作机构满载启动时的惯性力。(1)的确定 工件的质量m=2kg夹持器的质量 18kg(估计)伸缩臂的质量 50kg(估计)其他部件的质量 20kg(估计)工作机构荷重： Ri=(2+18+50+20)10=900N ； (2) 的确定；(3) 的确定式中：为启动时间，其加速时间约为0.10.5s=0.1s , =0.2s总负载 R=Ri+Rg+Rm=900+180+180=1260(N).6.3.1.2液压缸缸筒内径D的确定由公式：式中：P为液压缸压力，取1.6MPa；所以取液压缸内径为40mm。6.3.1.3活塞杆设计参数及校核(1)活塞杆材料：选择45号调质钢，其抗拉强度=570(2)活塞杆的直径：查液压传动设计手册得，当压力小于10Mpa时，速比=1.33。则可选取活塞杆直径为20mm系列，且缸筒的厚度为5mm。 最小导向长度：mm (3)活塞杆强度及压杆稳定性的计算 采用非等截面计算法 油缸稳定性的计算因为油缸的工作行程较大，则在油缸活塞杆全部伸出时，计算油缸受最大作用力压缩时油缸的稳定性。假设油缸的活塞杆的推理为P，油缸稳定的极限应力为Pk，则油缸稳定性的条件为PPk。Pk按下式得到： 式中：可按液压传动设计手册得到； 式中：为活塞杆直径 为缸体外径。 D为缸体内径。所以， 所以 、为长度、上的断面惯性矩。 查时极限力的计算图，可由且查得（其中，：活塞杆头部至油缸A点处的距离（cm）:缸体尾部至油缸A点处的距离（cm）。所以：。所油缸的稳定性是满足条件的。 活塞杆强度的计算（E：材料的弹性模量）刚的弹性模量为E200Mpa。液压传动与控制查得： 所以活塞杆强度是满足条件的。 6.3.1.4缸筒设计参数及校核(1)缸筒材料：选择ZG310-570铸钢,其抗拉强度=570(2)缸筒壁厚及校核：取壁厚=5mm 因此属于普通壁厚缸筒壁厚的校核 式中：-缸筒内最高工作压力；=7-材料的许用应力 -材料的安全系数=5校核符合要求(3)缸筒外径： 6.3.1.5缸底设计参数及校核(1)缸底材料：选择Q235碳素结构钢，其抗拉强度375460(2)缸底厚度 mm 取缸底厚度为5mm6.3.1.6油缸零件的连接计算首先确定油缸缸