车床上下料机械手毕业设计.doc

摘 要摘要 工业机器人一般可理解为：在工业自动化应用领域中的一种自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机（固定式的或是移动式的），用于搬运材料、工件、操持工具或检测装置，完成各种作业。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用于锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。机床上料机械手是典型的机电一体化设备，它可自动地为机床抓取工件，取代操作人员频繁取料，降低劳动强度，提高工作效率。机械手自1999 年投入运行, 工作安全可靠, 效果良好, 可用做数控机床自动上料设备和生产线上的自动抓取设备。几年来, 逐步开发了相关实验、实训教学项目, 以机械手作为实验(训) 载体, 逐步形成了以学生为主体、理论与实践相结合的教学模式, 激发了学生的创造性和动手能力, 为提高学生的工程素质、全面提高学生的综合素质创造了基础条件。关键词：车床上下料机械手 气压系统 结构设计AbstractAbstractIndustrial robot can generally be understood as: in industrial automation applications in the field of a kind of automatic control, can repeat programming, multi-function, many of the freedom of CaoZuoJi (fixed or movable), used for material handling, workpiece, conducted tools or detection device, finish all kinds of assignments.In recent years with the development of industrial automation manipulator gradually become a new discipline, and the rapid development. Manipulator is widely used in forging press, stamping, forging, welding, assembling, and machining, paint, heat treatment, and other industries. Especially in heavy, high temperature, toxic and dangerous, radioactive, many dust etc of bad labor environment, due to its advantages of significant manipulator by special attention.Machine feeding manipulator is typical of electromechanical equipment, it can automatically grab for machine tools, to replace the operators frequently take material, the reduction of labor intensity, improve work efficiency.Manipulator since 1999 are put into operation, safe and reliable work, the effect is good, can be used as nc machine tools automatic feeding equipment and production line acquirement equipment. For several years, and gradually developed related experiment, practice teaching program in experiments (training) as a manipulator carrier, and gradually formed a take the student as the main body, the theory and the practice teaching mode, stimulate the students creativity and practical ability, to improve the students project quality, improve the students comprehensive quality created the basic conditions. KeyWords：Lathe up-down material manipulatorPneumatic systemStructure designIII目 录目录摘要IAbstractII第一章 概述11. 1机械手的发展历史11. 2机械手的发展意义11. 3机械手在机械制造中的应用21. 3.1国外应用21. 3.2国内应用3第二章 工业机械手42.1 工业机械手的分类42.2工业机械手的驱动方式42.2.1气压驱动42.2.2液压驱动52.3 工业机械手的设计方法62.3.1手部的设计62.3.2腕部的设计72.3.3臂部的设计要求82.3.4机械手的行程位置检测装置9第三章 车床上下料机械手方案比较123. 1工业机械手概述123. 2方案设计和对比133. 2.1方案1133. 2.2方案2163. 2.3方案3183. 2.4方案对比19第四章 手部计算与分析204.1 手部计算与分析204.1.1 滑槽杠杆式手部设计的基本要求204.1.2 手部的计算和分析204.2 腕部计算与分析274.2.1 腕部设计的基本要求274.2.2 腕部回转力矩的计算284.2.3 腕部摆动油缸设计314.2.4 选键并校核强度334.3 臂部计算与分析344.3.1 臂部设计的基本要求344.3.2 手臂的设计计算374.4 机身计算与分析454.5本章小结45结 论46参考文献47致 谢48附 录50第一章 概述 第一章 概述 1. 1机械手的发展历史人类在改造自然的历史进程中，随着对材料、能源和信息这三者的认识和用，不断创造各种工具（机器），满足并推动生产力的发展。工业社会向信息社会发展，生产的自动化，应变性要求越来越高，原有机器系统就显得庞杂而不灵活，这时人们就仿造自身的集体和功能，把控制机、动力机、传动机、工作机综合集中成一体，创造了“集成化”的机器系统机器人。从而引起了生产系统的巨大变革，成为“人机器人劳动对象”，或者“人机器人动力机工作机劳动对象”。机器人技术从诞生到现在，虽然只有短短三十几年的历史，但是它却显示了旺盛的生命力。近年来，世界上对于发展机器人的呼声更是有增无减，发达国家竞相争先，发展中国家急起直追。许多先进技术国家已先后把发展机器人技术列入国家计划，进行大力研究。我国的机器人学的研究也已经起步，并把“机器人开发研究”和柔性制造技术系统和设备开发研究等与机器人技术有关的研究课题列入国家“七五”、“八五”科技发展计划以及“八六三”高科技发展计划。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已经成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门新兴的学科机械手工程。1. 2机械手的发展意义机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分地代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用于锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。机床上料机械手是典型的机电一体化设备，它可自动地为机床抓取工件，取代操作人员频繁取料，降低劳动强度，提高工作效率。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段，国内外都很重视它的应用和发展。1. 3机械手在机械制造中的应用1. 3.1国外应用美国制造155毫米的钢弹体洛克福特军械厂，从胚料加工开始到加工完毕直至弹体包装都自动进行，不用人手去接触，达到全自动生产。工业机械手还能用来代替人工进行打磨、抛光、去毛刺和清理切屑等工作。例如，瑞典一家工厂打磨和抛光不锈钢子弯头时，采用ASEA机械手，提高加工效率30%以上，而且产品质量稳定，不伤害工人。又如：瑞典沃尔沃（Valov）公司在机械手上装了三个环形磨轮装置，用来对传动箱外表面去毛刺，比手工方法节省工时50%。 1. 3.2国内应用 国内在金属切削加工中，用机械手来完成刀具的自动更换。如北京第二机床厂，北京第八机床厂，上海第二机床厂，上海第八机床厂，宁夏大河机床厂等单位研制的自动换刀机床，均用机械手自动更换刀具。在生产自动线上，用机械手完成的传递和上下料，如：沈阳水泵厂深井泵体加工自动线，无锡柴油机厂和甘肃汽车齿轮厂的齿胚的加工自动线都采用了机械手。大连工矿车辆厂的800Kg侧架的加工，采用机械手抓取、传递和安放并与一些机床组合成侧架切削加工自动线，提高效率10倍。1. 4机械手的发展趋势国内应加强机械手基础性能的实验以及基础理论研究，克服和解决制造技术及其它存在的问题。提高机械手运动速度。尤其是应用于冲压行业中的机械手，以适应提高生产率和符合生产节拍的需要。要研究解决机械手的运动速度和缓冲、定位技术。引进国外先进技术，培训专门技术人才，普及机械手有关知识。尽快解决机械手的定型设计、定点、定量生产以及配套件的生产和供应问题，推进机械手设计制造中的现代化（CAD/CAM）、标准化、系列化工作，以满足国内外市场的需求。目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能不断提高，其发展趋势是：扩大机械手在工业上的应用、提高工业机械手的工作性能、发展组合式机械手、研制具有“视觉”和“触觉”的“智能机器人”。44第二章 工业机械手第二章 工业机械手2.1 工业机械手的分类目前对机械手尚无明确的分类标准，全国各她区尚未统一，我们按目前应用比较多的两个方面进行分类:（一)按所搬运的工件重量(或称臂力)分类1.小型的臂力在1公斤以下;2.中型的-臂力在130公斤以内、3.大型的臂力在30公斤以上。目前大多数下业机械手其搬运的重量为中型的。 (二)按机能分类1 简易型通用机械手有固定程序和可变程序两种。固定程序由挡块或凸轮转鼓控制；可变程序用插销板来给定程序。这种机械手多为气动或液压驱动，结构简单，成本较低，改变程序较容易。只适用于程序较简单的点位控制，实现重复性操作作为一般单机服务的搬运工作也完全够。目前这种机械手数量最多。 2示教再现通用机械手 这种机械由人工通过示教装置领动一遍，或者予先操作给定一遍，称为示教。它由磁鼓（或磁带、磁芯)把程序记录下来，此后机械手就自动按记忆的程序，重复地进行鹅环动作。这种机械手多为电液伺服控制。与前者比较，这种机械手可有较多的自由度，有可能实现连续轨迹控制，能进行程序较复杂的作业，通用性较大。 3，具有视觉、触觉的通用机械手 这种机械手由电子计算机控制，装备有电视摄像管和传感器等，因而具有视觉、热感.触觉等。这种机械手我网日前还处于研制阶段。再次按使用范围，驱动方式和控制系统等进行分类。按使用范围分为专用机械手和通用机械手专业机械手：一般附属于工作机器设备，动作程序固定，驱动系统和控制系统可以独立，亦可附属于工作机器设备。通用机械手：独立工作的自动化机械设备。在规格性能的范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同的场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。按驱动方式分为液压机械手，气压机械手，电动机械手，机械式机械手。液压机械手：输出力大，传动平稳。如采用电液伺服机构，可实现连续轨迹控制。液压系统的密封要求严格，又问对油的粘度影响大。气压机械手：气源方便，输出力小，气压传动速度快，结构简单，成本低。但工作不太稳定，冲击大，在同样的抓重条件下它比液压机械手的结构大。电动机械手直接用直线电机，功率步进电机和具有特殊结构的感应电动机等来驱动，动力源简单，不需要能量装换机构，维护使用方便。目前这种工业机械手尚在发展之中。机械式机械手：由工作机构带动机械手运动，工作可靠，动作频率高，结构简单，成本低。但动作固定不可变。按控制系统可分为点位控制和连续控制点位控制：只能控制工业机械手运动的几个点的位置，运动轨迹不受控制。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。连续控制：工业机械手按给定的速度沿给定的线路（轨迹）实现平稳准确的运动。特点是设定点时无限的，整个运动过程都要求处在控制之下。这来工业机械手一般采用小型计算机控制。 机械手的手部是用来抓取并握紧工件的，它包括手爪和夹紧装置两部分。夹持工件的迅速、灵活、准确和牢靠程度，直接影响到机械手的性能，是机械手的关键部件之一。2.2工业机械手的驱动方式 工业机械手的驱动方法，按驱动源分为气压驱动、液压驱动、电力驱动和机械驱功四种。2.2.1气压驱动气压驱动是一种简单、可靠.经济的驱动方式，是以压缩空气为动力沉来驱动机械手的执行机构，在机械加工行业中的机械手普遍采用气压驱动，用来完成零件的传送工作。(一)气压驱动的特点气压驱动的优点是;容易获得快速运动，机械手可引用一般工厂都有的压缩空气源，因此结构简单，成本低廉，空气不象油那样怕热和易燃;维修方使，特别是和射流控制很容易结台起来使用。其缺点是:气限低，出力小，执行机构体积人;压缩性大，阻尼缓冲效果差，较难实现中间位置的停止，若要求较高的定位精度，必须增设较复杂的缓冲、定位机构。(二)气动元件简介气动元件种类很多，应用范圈也各不相同。目前所谓气动元件，是指气压传动中应用的各种控制阀和执行元件。一般不包括空气压缩机。 1.气源三大件分水滤气器:功用是清除空气中的水、油及灰尘;调压阀、亦称减压阀，能将管道中的空气压力保持在某一定数值:油雾器:为保证气动装置可靠地工作，用压缩空气将油液喷成雾状，随空气一起流入气动装置，进行润滑。2.空气控制阀这是气动元件中主要的一大类，其功用是控制空气的压力、流量及流动方向，保证气动系统按规定的程序、速度进行工作。主要分为:（1）压力控制阀:包括压力顺序阀、卸荷阀等。（2）流且控制阀:包括节流阀、单向节流阀等。（3）方向控制阀。包括电磁换向阀、气动换向阀,电磁气阀、单向阀、梭阀、延时阀.脉冲阀等。（4）其他阀:包括各种手动阀、脚踏操作阀、气动开关、按钮、行程阀、转阀等。3.气缸作为气动执行元件，是一种重要的元件，一般分为单作用气缸和双作用气缸两种。其结构形式很多，可完成往复直线运动和摆动。4 气动马达 是实现旋转运动的执行元件。5气动逻辑元件这是近年来新发展的一种气动元件，带有可动部件，其作用类似继电器，可实现各种逻辑功能，直接对气动装置进行控制。其结构类似小型阀门。6.管路附件包括各种管接头、消声器、压力继电器、安个阀.压力表等。另外，还有一些气液装置，如气一液泵、气一液缸、气一液增压装置等，一般也属于气动元件的范围。2.2.2液压驱动在机械手中液压驱动是用的最多的方式。利用油缸、油马达和齿条齿轮实现直线运动，利用回转油缸、油马达与齿轮齿条或链轮链条实现回转运动。 (一)液压驱动的特点 1.液压驱动的优点 (1)压力高，油压可达10- I40公斤/厘米的压力。可以获得较大的操作力。（2)液体的压缩比较小，可以认为没有压缩性，因此控制系统的滞后也几乎没有，动作平稳，快速反应性好。 (3)压力、流量容易调节，控制性能好，可以实现中间位置的停止，定位精度高。（4)液压操纵装置形体小而且牢固，可耐振动和冲击。（5）可无级变速（6）液压油有良好的润滑性2 液压驱动的特点（1）需单独配备液压源（2）管线系统比较复杂，成本较高（3）液压系统的泄露会严重影响其使用性能（4）油的粘度对温度的变化敏感3液压系统的组成 1动力元件-油泵 2执行元件-油缸，油马达 3控制元件 各种控制阀等 4辅助元件-如邮箱，滤油器，油管和管接头等2.3 工业机械手的设计方法机械手的手部是用来抓取并握紧工件的，它包括手爪和夹紧装置两部分。夹持工件的迅速、灵活、准确和牢靠程度，直接影响到机械手的性能，是机械手的关键部件之一。2.3.1手部的设计手部的设计要求：1.手部应有足够的夹紧力，除工件的重力外，还要能不使工件在传送过程中松动或脱落;2.夹持范国要与工件相适应。手爪的张开角度（手爪张开或闭合时两个极限位置所摆动的角度 )应能适应夹紧较大的直径范围 ;3.夹持精度要高。既耍求工件在手爪内定位准确，又不夹坏工件表而。一般需根据工件的形状选择相应的手爪结构:如元住形工件应采用带V形槽的手爪来定位，对于工件表面光洁度较高的，应在手爪上镶铜、夹布胶木或其他软质垫片等;4.夹持动作要迅速、灵活;5.手部结构要简单紧凑，刚性好、自重轻、易磨损处应便于更换，在腕部或臂部上安装要方便，更换要迅速。手部结构手爪的类型大致分为下列三种:1.夹持式手爪，根据手爪的动作可分为回转型和平移型；根据手指的数量可分为双指和多指式;根据夹持工件的方法又可分为外卡式和内胀式两种。2.吸附式手爪。分为真空吸盘式和电磁吸盘式两种。真空吸盘式又分为真空泵式和气流负压式。3带触觉或视觉的手爪2.3.2腕部的设计1 腕部自由度的选取在臂部运动的范围内，当可以满足抓取工件和传送工件等要求时，应尽可能不设计腕部的运动。这样，则可使机械乎结构简单、制造方使和成本降低。根据抓取对象和机械手的坐标形式的需要，可增加腕部的自由度。如腕部的回转运动，这是在手爪夹持工件后，需要翻转角度，或者机械手从一个工位转到另一个工位时，需要工件翻转。若是采用臂部回转则使机械手的稳定性降低，因为，臂部长度大，回转时稍有偏心(特别是高速回转时，使机械手的离心力增加，臂部震动加大，影响定位精度。因此，应设计腕部的回转。若机械手是球坐标形式，腕部应设计具有俯仰运动，以保持手爪处于水平位置，不影响手爪的工作。还要根据加工工艺的要求，设计腕部都在Y轴力向的移动运动。如机械手将工件送到某一工位后，需要把工件定位夹紧，为使机床运动简化，而要求腕部沿Y抽方向做少量的移位的运动。如用顶尖支承的轴类零件。在用机械手取下工件时，为脱离主轴顶尖,而需要有腕部的横移运功。总之.腕部白由度的选取应在臂部自由度确定以后，再根据工件的料道位置、工艺要求、应用范围及制造成本等方面综合分析，以确定最佳的方案，确定出腕部合适的自由度数。2 腕部的动作要灵活、自重要轻 在设计腕部结构时，应力求结构简单紧凑，减轻结构的重量。机械手配合机器运转，腕部的动作时间往往在几秒钟以内，甚至不超过一秒，所以腕部一定要灵活，在保证构件的强度和刚度的条件下，回转件尽量采用滚动轴承或滚柱，减少阻力，降低摩擦.3 腕部运动位置要准确手腕的回转、俯仰与左右摆动等运动位置都要求准确，除对零部件配合精度严格要求以外，要采取措施消除传动部件之间的间隙，根据需要可设置位置检测元件，来控制手腕的准确位置。2.3.3臂部的设计要求(一)臂部应承受能力大，刚性好，自重轻根据公式 悬臂梁的挠度公式式中Y-挠度E-弹性模数Q-载荷J-惯性矩L-悬臂长挠度与载荷、悬臂长成正比，而与弹性模数，惯性矩成反比。在Q与L值已确定的情况下，只有增大EJ值，才能减少梁的弯曲变形，而碳钢和合金钢的E值差别不大，在之间。所以、为了提高刚度，从材质上考虑意义不大.主要应选用惯性矩大的梁。在载面积和单位重量基本相同的情祝下，钢管，工字钢和槽钢的惯性矩要比元钢大得多，所以，机械于中常用无缝钢管作导向杆，用工字钢或槽钢作支撑板。这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的白重 为增加刚性，还应采取以下措施:1.在设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，囚此应尽可能使结构简单。要全而分析各尺寸链，在要求高的部位合理确定调整补偿环节，以减少重要部位的间隙，从而提高刚性。2.全而分析手臂的受力情况，合理分配给手臂的各个部件，避免不利的受力情况出现。 3.水平放且的手臂，要增加导向杆的刚度.同时提高其配合精度和相对位置精度，使导向杆承受部分或大部分自重和抓取重量。4.提高活塞和缸体内径配合精度，可以提高手臂在前伸时的刚性。（二）臂部运动速度要高，惯性要小机械手的运动速度一般是根据生产节拍的要求来决定的。确定了生产节拍和行程范围，就确定了手臂的运行速度或角速度）。在一般情况下，手臂的移动和回转均要求匀速运动(v和为常数，但在手臂的起动和终止瞬间，运动是变化的。为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前的减速度不能太大，否则引起冲击和振动。 从上述公式可知，减少惯性力矩，可采取下列措施: 1.减少手臂运动件的重量，如采用铝合金等轻质材料、 2.减少手臂运动件的轮廓尺寸，使手臂结构紧凑小巧， 3减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，一般是先缩回再回转或尽可能在较小前伸位置下进行回转动作。 4，驱动系统中加设缓冲装置。（三）臂部动作要灵活 要使手臂运动轻快灵活，手臂的结构必须紧凑小巧，或在运动臂上加滚动轴承或采用滚珠导轨。对于悬臂式的机械手手臂上零部件的布置要合理，以减少回转升降支承中心的偏重力矩。不然，会引起手臂振动，严重时会使手臂与立柱卡住别坏。对于双臂同时操作的机械手。应使两臂布置尽量对称以达到平衡。 (四)位置精度要高 手臂的刚性好、偏重小、惯性力小，则位置精度就容易控制，所以设计手臂时要周密考虑和计算;还要合理的选择机械手的坐标形式，一般说来，直角和元柱坐标式机械手位置精度较高；关节式机械手的位置最难控制，精度差;在手臂上加设定位装置和自动检测机构，来控制手臂运动的位置精度;还要减少或消除各传动，啮合件的间隙。 除了上述几点外，机械手的通用性要好，以适应多种作业的要求，工艺性要好，便于加工和安装;用于热加工的机械手，还要考虑热辐射的影响，手臂要长些，使驱动部分远离热源，并装上冷却装置;用子作业区粉尘大的机械手，还要设置防尘装置等。上面这些要求，往往是互相影响和互相制约的，设计时应全面分析各方面因素，综合考虑，以设计出性能良好的机械手。2.3.4机械手的行程位置检测装置行程位置检测装置的作用，是控制机械手的运动位置，或者利用检测装置，通过控制系统对机械手的运动位置进行控制。如把运动系统的位置反馈给控制系统，再由控制系统进行调节，使其运动停止在规定位置上，以便保证对机械手运动的定位精度。图2-1检测装置把实际位置信号反馈给控制系统进行比较，差值送入放大器，控制电液比例润的流最或压力，使机械手平稳准确停在一定的位置上。检测装置应用有电位器、编码器和刚性机构等。机械手的定位精度指的是频繁的往复运功中的重复定位精度。影响保持一定的定位精度的因素是很多的。如手臂的刚性、油液的做度变化.位置检测元件的类型及执行环节的误差等，都时重复定位精度有严重影响。 由于机械手应用在不同的环境，而且大多数是应用在周围环境比较恶劣的现场中。因此.对行程位置检测装置育下列几点要求:在机械性能方面。要结构简单、刚性好、体积小，寿命长和维修方便;在使用环境方面，要能在振动、油污等条件下稳定和可靠地工作;在电气性能方面:要有高抗干扰能力，高精度，长期使用时精度不变。行程位置检测装置有机械的、模拟的和数字的三种。（1） 机械式行程位置检测装置主要由机械挡块 可调挡块 限位开关等。（二）模拟式行程位置检测装置 模拟式行程位置检测装置是用电位器、旋转变压器或者感应同步器等装置，将规定值予先发送给控制系统。在运动过程中，执行元件上的检测器不断地将实际值发送给控制系统与规定值进行比较，根据比较结果，调整运动系统，使运动达到规定的位置。包括电位器自整角机，旋转变压器和感应同步器组成。（三） 数字式行程位置检测装置包括光电信号转变器，光栅检测器和光电式双码盘编辑器第三章 车床上下料机械手第三章 车床上下料机械手方案比较3. 1工业机械手概述机械手主要由执行机构、驱动系统以及位置检测装置等所组成。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。驱动系统是驱动执行机构运动的的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。控制系统由电器控制和射流控制两种。它支配着机械手按规定的程序运动。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到达设定位置。设计机械手时应考虑的因素很多，但从机械手的特点来分析有以下几点：1）抓重：是机械手所能抓取或搬运的最大重量。一般抓重1kg 以下的定为微型，1-5kg的定为小型，5-30kg 的定为中型，30kg 以上的定为大型。2）自由度和坐标型式：自由度是机械手的每一个构件相对固定坐标系所具有的独立运动自由度。因手指的夹放动作不能改变工件的位置和方位，故它不不计为自由度数，其它运动均计为自由度数。按机械手的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。机械手的自由度数和坐标形式应根据机械手现场具体的生产情况和工艺的要求而定。3）运动速度：它反应了机械手的生产水平，影响机械手动作快慢的主要运动是手臂的伸缩和回转运动。手臂的运动速度大小与机械手的驱动方式、定位方式、抓重大小和行程距离有关。手臂的运动对机械手的速度影响最大，因此，手臂的运动速度应根据生产节拍时间长短、生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定。4）行程范围：主要受手臂的伸缩行程影响，其行程范围大多在500-1000mm 范围内。除上述主要参数外，还应考虑定位方式和位置检测装置的选用。机械手由机座、机械臂、手爪、PLC 可编程控制器及气源等部分组成。可以完成水平臂的摆动和伸缩、垂直臂的伸缩、手爪的旋转和抓取物料等动作, 准确地把物料送到指定位置。在机床的送料高度、物料的摆放位置、抓取高度、工件的重量等确定后, 机械手各部分的空间几何位置以及工作空间、运动状态等即可确定,各个动作即可按给定顺序和运动学、动力学要求完成。气动系统考虑了使用载荷、机器人机械本体结构、动态及静态性能等因素, 水平臂的摆动和伸缩、垂直臂的伸缩、手爪的摆动的运动速度均可调节。3. 2方案设计和对比3. 2.1方案1目前工厂中的设备是采用压缩空气作为动力源，气缸做动作执行元件。但现有的设备中没有上下料机械手。生产中，是人工将工件从设备的运送槽中搬出再安装到数控机床上。这样生产的节拍受到限制，不能发挥出设备的最佳生产效率。因此，在本设计中采用工业机械手和相关的辅助分析现有设备及工厂的实际生产状况，提出本方案。见图-1 上下料机械手方案1。仍采用压缩空气作为动力源，气缸做动作执行元件。用制动气缸1通过滑块2带动机械手实现机械手的水平运动，升降气缸3控制实现机械手抓取动作的上下运动，夹紧气缸4控制实现手指的张开和闭合。 图1 方案一其动作过程依次为：制动缸前送，推动滑块将机械手送到工件上方，升降缸下放，将机械手放置到工件上，此时机械手是张开状态，夹紧缸夹紧工件，升降缸上升至安全高度，制动缸拉动滑块带动手臂回至车床上方，升降缸下放手爪，使工件处于车床顶尖与卡盘之间，夹紧缸松开工件。 图2 方案一抓取动作 图3 方案一提升动作3. 2.2方案2采用液压缸作为执行元件。采用圆柱坐标式机械手，手爪为钳爪式。 图4 方案二设计思路将机械手设置在车床旁边，以液压缸为执行元件，用升降油缸实现立柱的上升和下降，用回转油缸实现手臂的旋转，用手臂伸缩油缸实现手臂的前伸与收回，用碗部回转油缸实现手爪的旋转。如图5所示： 图5 方案二机械手结构示意图图6为机械手工作原理 图6 方案二机械手功能原理 动作顺序为：升降缸上升，手臂前伸，手爪旋转至合适位置，手爪抓紧工件，手臂收缩，旋转缸转动带动手臂转至车床卡盘前，手臂前伸至卡盘与顶尖之间，手爪松开工件，手臂回缩，旋转缸反转，立柱下降。3. 2.3方案3仍采用压缩空气为动力源，气缸为执行元件，采用与方案二相似的结构，采用圆柱坐标式机械手，结构与方案二大致相同，省去了碗部的回转结构。如图7所示：图7 方案3机械手结构示意图动作顺序为：升降缸上升，手臂前伸，手爪旋转至合适位置，手爪抓紧工件，手臂收缩，旋转缸转动带动手臂转至车床卡盘前，手臂前伸至卡盘与顶尖之间，手爪松开工件，手臂回缩，旋转缸反转，立柱下降，然后重复先前动作顺序。3. 2.4方案对比方案1采用的是悬挂式机械手臂设计，但是考虑到生产环境的因素，悬挂式占据空间比较大且工作范围小，惯性大且灵活性差，且维修不方便，故不采用方案1。方案2采用的是圆柱坐标式机械手，优点是这种形式的机械手臂均具有回转、伸缩与升降三个自由度，其运动范围的图形为一个圆柱体，它与直角坐标型比较，占地面积小而活动范围大，结构简单、紧凑，并能达到较高的定位精度，应用广泛，运动直观性较强。方案3与方案2不同之处是方案3采用的是气动驱动方式。气动驱动特点是气源方便、维修简单、易于获得高速度、低成本、防火防爆、漏气对环境无影响。液压驱动特点是操作力大体积小，动作平稳、耐冲击耐振动，但漏油对系统的工作性能影响较大，且与气动比较起来成本较高。因此，设计中采用气动机械手。综上所述，最后选用方案3。第四章 手部计算与分析 第四章 手部计算与分析4.1 手部计算与分析手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴，盘，套类零件，一般情况下多采用两个手指。4.1.1 滑槽杠杆式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（1）手部受力分析图4.1 手部受力图(1)图4.2手部受力图(2)（2）手指尺寸初步设定此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩现取t=20mm。活塞的宽度B一般取B=()D=0.6D=15mm。夹紧缸弹簧的确定。弹簧工作载荷F=50N最大轴直径最小筒直径弹簧刚度查机械设计手册表30.28圆柱螺旋压缩弹簧的尺寸及参数得材料直径d=2.5mm,弹簧中径D=25mm,节距P=10.4mm .单圈弹簧工作极限载荷下变形量为7.075mm，单圈弹簧刚度。 (4.7)曲度系数1.14，G弹簧材料的剪切弹性模量，钢材G=Z=110mm,则活塞缸总长L=120mm。4.2 腕部计算与分析4.2.1 腕部设计的基本要求手腕部件置于手部和臂部之间，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，适应性更强。手腕具有独立的自由度，此设计手腕有绕X轴转动和沿X轴左右摆动两个自由度。手腕回转运动机构为回转油缸，摆动也采用回转油缸。他的结构紧凑，灵活，自由度符合设计要求，它要求严格密封才能保证稳定的输出转矩。1.腕部处于臂部的前端，它连同手部的动静载荷均由臂部承受。腕部的结构、重量和动力载荷直接影响着臂部的结构、重量和运动性能。因此在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。2.腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支承作用，除了保证力和运动的要求以及具有足够的强度和刚度外还应综合考虑合理布局腕部和手部的连接、腕部自由度的检测和位置检测、管线布置以及润滑、维修调整等问题。3.腕部设计应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀，压力油的粘度和燃点，有关材料及电控电测元件的耐热性等问题）。4.2.2 腕部回转力矩的计算腕部回转时，需要克服以下几种阻力：1.腕部回转支承处的摩擦力矩 从图3.4可知：-轴承直径（m）式中：轴承处支反力；可静力学平衡方程求得。f-轴承的摩擦系数，对于滚动轴承f=为简化计算取图3.4 腕部回转支承处的受力图-工件重量（kgf），-手部重量（kgf），手腕转动件重量（kgf）2.克服由于重心偏置所引起的力矩（kgf）式中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，所需的力矩启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角加速度及启动所用的角速度： (4.8)式中：工件对手腕回转轴线的转动惯量J手腕回转部分对手腕回转轴线的转动惯量手腕回转过程的角加速 启动过程所转过的角度（度）手腕回转所需要的驱动力矩应当等于上述三项之和。 (4.9)因为手腕回转部分的转动惯量不是很大，手腕起动过程所产生的转动力矩也不大，为了简化计算，可以将计算，适当放大，而省略掉，这时(1)设手指，手指驱动油缸及回转油缸转动件为一个等效圆柱体，L=50cm，直径D=10cm，则m=27.5kg。(2)摩擦阻力矩0.1(3)设起动过程所转过的角度,等速转动角速度计算：求查型钢表有： 代入256（Nm）0;0.1;0.1+265M=确定转轴的最小尺寸，抗扭剖面模量，查得，取转轴直径d=40mm。4.回转油缸所产生的驱动力矩计算回转油缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩，机械手的手腕回转运动所采用的单叶片回转油缸，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目的。M= (4.10)式中：手腕回转总的阻力矩（Nm）P回转油缸的工作压力 r缸体内径半径（cm）R输出轴半径（cm）b动片宽度注：可按外形要求或安装空间大小，先设定b,R,r中两个：=1.52.5,取=2，=3又因为d=40mm，则D=80mm，b=60mm去顶回转油缸工作压力： (4.11)由于系统工作压力远远大于此压力，因此回转油缸的工作压力足以克服摩擦力。4.2.3 腕部摆动油缸设计偏离重心e的计算及图4.5 腕部摆动油缸设计尺寸图估计L=45cm， =30cm克服重心偏置所需的力矩克服摩擦所需力矩=0.1cm克服运动惯性所需的力矩=0.7654(kg-m-)=25=5.1(kg-m-)=5.8654(kg-m-)=JW/t设w=,=0.0175/=12.83(kgfm)则摆动所需的驱动力矩 =32.14(kgfm)确定转轴的最小直径抗拒剖面摸量所需驱动力矩 (4.12)取d=50mm所以机械手的摆动采用单叶片回转油缸，定片与缸体固连，动片与转轴固连，当两油口分别进出油时，动片带动转轴转动达到腕部摆动目的。 (4.13)又因为：=1.52.5,，取=2，=3所以：d=50mm，所以D=100mm，b=75mm确定回转油缸工作压力 (4.14)由于系统工作压力远远大于此压力，因此该缸的工作压力足以克服摩擦力。4.2.4 选键并校核强度转轴直径d=40mm,由GB1095-79选键为bh=128转轴直径d=50mm,由GB1095-79选键为bh=2010键校核如下公式=2T/kld，K接触面的高度取接方式：静连接，轻微冲击，查得=100所以满足要求4.3 臂部计算与分析4.3.1 臂部设计的基本要求手臂部件是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并带动它们作空间转动。臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。因此，臂部具有两个自由度才能满足基本要求：即手臂，左右回转和俯仰运动。手臂的各种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现，从背部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因而，它的结构，工作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。臂部要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求：1.机械手臂式机身的承载机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。显然，伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度逾差，而且其刚度随支臂杆的伸缩不断变化，对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。为可提高刚度，尽量缩短臂杆的悬伸长度，还应注意：(1)根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸臂部和机身既受弯曲（而且不仅是一个方向的弯曲）也受扭转，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。所以机械手常用工字钢或槽钢作为支撑板，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置，传动机构以及管道，有利于结构的紧凑，外形整齐。(2)高支承刚度和选择支承间的距离臂部和机身的变形量不仅与本身刚度有关，而且同支撑的刚度和支撑件间距离有很大关系，要提高刚度，除从支座的结构形状，底板的刚度以及支座与底版的连接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。(3)合理布置作用力的位置和方向在结构设计时，应结合具体受力情况，设法使各作用力的变形相互抵消。(1)设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理，确定调整补偿环节，以及减少重要不见的间隙，从而提高刚度。(2)水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精度，使导向杆承受部分或者大部分自重。(3)提高活塞和刚体内径配合精度，以提高手臂俯仰的刚度。2.臂部运动速度要高，惯性要小机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般时根据生产节拍的要求来决定。在一般情况，手臂回转俯仰均要求均速运动，（V和w为常数），但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前的加速度不能太大，否则引起冲击和振动。对于告诉运动的机械手，其最大移动速度设计在10001500mm/s，最大回转角速度设计在内，在大部分行程距离上平均移动速度为1000mm/s内，平均回转角速度为内。为减少转动惯量的措施：(1)减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料。(2)减少手臂运动件的尺寸轮廓。(3)减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸），尽可能在前伸位置下进行回转动作，并且驱动系统中设有缓冲装置。3.手臂动作应灵活为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，