搬运机械手的设计和仿真设计

1、主要符号表 Fn 手指夹紧力 N D 弹簧中径 mm Di 弹簧内径 mm D2 弹簧外径 mm C 弹簧旋绕比 n 弹簧有效圈数 M 转动缸的回转力矩 N m 偏重力臂 mm M偏 偏重力矩 N m t 螺钉间距 mm Fqo 螺钉承受的拉力 N Fq 工作载何 N Fq. 预紧力 N 启 转动缸起动角 度 转动缸转动角速度叫 1 绪论 1.1 前言 用于再现人手的的功能的技术装置称为 机械手 1 。机械手是模仿着人手的部分动作， 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。在工业生产中应用 的机械手被称为工业机械手 2 。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，

2、并已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，逐渐成为一门新兴的学科机械手工 程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技 术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 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。机械手作业的准确性和环境中 完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工 操作；其二、它

3、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，从而大大的改善了工人的劳动条件， 显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国 家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带 有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定 的效果，受到机械工业的 重视 3 。 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以 搬运物体以完成在不同环境中的工作。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展

4、，制成了能够 独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用 机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品 种的中小批量生产中获得广泛的引用。 1.2 工业机械手的简史 现代工业机械手起源于 20世纪 50 年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应 产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化 产品 4 。 机械手首先是从美国开始研制的。 1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他 的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型 的。 1962 年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上

5、又试制成一台数控示教再现型 机械手。商名为 Unimate（ 即万能自动 ） 。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用 液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上 发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）, 专门生 产工业机械手。 1962 年美国机械铸造公司也试验成功一种叫 Versatran 机械手，原意是灵活搬 运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制 系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手 发展的基础。 1978 年美 国 Unimate 公司 和斯坦

6、福 大学、麻 省理 工学 院联合研制一 种 Unimate-Vic-arm 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 位误差可小于 1 毫米。 美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如 Unimate 公司建 立了 8 年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前 平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。 它给出在第一次故障前的平均运行时间） ， 由 400 小时提高到 1500 小时，精度可提高到 0.1 毫米。 德国机器制造业是从 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。德国 KnKa 公司还生产一种

7、点焊机械手，采用关节式结构和程序控 制。 瑞士 RETAB司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。 瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进二种典型 机械手后， 大力研究机械手的研究。 据报道， 1979 年从事机械手的研究工作的大专院 校、研究单位多达 50 多个。 1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。 1979年日本机械手的产值达 443 亿日元，产量为 14535台。其中固定程序和可变程序 约占一半，达 222亿日元，是 1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为 67 亿 日元，比1

8、978年增长 50%。智能机械手约为 17亿日元， 为1978年的 6倍。截止 1979 年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%并以每年50%- 60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年 将有 55万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，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，使机械手 具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。 第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。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F

9、MS（Flexible Manufacturing system） 和柔性制造单元 （Flexible Manufacturing Cell）中重要一环。 随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活 跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。 1.3 工业机械手在生产中的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多 工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛 广泛 5 。 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平 越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的 或者危险的

10、工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资 料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有 四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这 里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的 自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速 抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸 行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。 下面具体说明机械手在工业方面的应用。 1.3.1 建造旋转零件（转轴、

11、盘类、环类）自动线 一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的 深井泵轴承体加工自动线（环类） ，大连电机厂的 4 号和 5 号电动机加工自动线（轴 类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。 加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械 手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。 1.3.2 在实现单机自动化方面 各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上 下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方 面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床

12、 厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的丫38滚齿机械手，青海第二机 床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂 已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车 配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加 料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动 化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是 160t 以上的冲床用机械手的较 多。如沈阳低压开关厂 200t 环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂 400t 冲床的下料机械手等； 其一是用于多工位冲床，

13、 用作冲压件工位间步进轻局技术 研究所制作的 120t 和 40t 多工位冲床机械手等。 1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 模锻方面，国内大批量生产的 3t、5t 、10t 模锻锤，其所配的转底炉，用两只机 械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛 阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。 1.4 机械手的组成 工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成 组成 6 。 1.4.1 执行机构 （ 1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因 其结构简单）。手部多为两指（也有多指） ；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可 以用负压式

14、或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和 电磁吸盘。 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿 条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。 （ 2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大 机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有 回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满 足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直 接用臂部运动驱动手部搬运工件。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑， 灵巧但

15、回转角度小（一般小于 270 0）, 并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出 扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。 （ 3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。 它的作用是支撑腕部和手部 （包 括工作或夹具），并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。 如果改变手部的姿态 （方 位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基 本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现， 从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工

16、件的静、动载荷，而且自身 运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精 度直接影响机械手的工作性能。 （ 4） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。 1.4.2 驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。 根据动力源的不同 , 工业机械手的驱动 机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手 , 结 构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 1.4.3 控制系统分类 在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位 控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔 卡等

17、记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 1.5 工业机械手的发展趋势 (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6.5万美元。 (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。 工业机器人控制系统向基于PO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、

18、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

19、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，

20、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

21、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

22、7:10 。 1.6 本文主要研究内容 本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运 机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手 的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部 分、执行部分、驱动部分）的设计工作。进而运用 ADAM软件对机械手的手部及升降 机构作了运动仿真分析。掌握了机械仿真的一般过程。 1.7 本章小结 本章简要的介绍了机械手的基本概念。在机械手的组成上，系统的从执行机构、 驱动机构以及控制部分三个方面说明。比较细致的介绍了机械手的发展趋势，简要的 叙述了本文研究的内容。 2机械手的总体设

23、计方案 本课题是轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真。本设计主要任务是完成机械手 的结构方面设计，以及ADAM软件进行简单的运动仿真。在本章中对机械手的座标形 式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次 设计的主要任务，然后通过ADAM软件对机械手的手部进行简单的运动仿真。 2.1机械手基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下4种：（1） 直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）球坐标（极坐标）型机械手；（4）多关 节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因 此本设计采用圆柱坐标 型1

24、1。图1.1是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是 将传送带A上的物品搬运到传送带B。 图1.1机械手基本形式示意 2.2机械手的主要部件及运动 在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计 要求，本设计关于机械手具有5个自由度既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂 回转；手臂升降5个主要运动。 本设计机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压 缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2）腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转1800 （3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动 1.2m 。（4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸 来实现手臂升降和回转。

25、 2.3 驱动机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分 , 工业机械手的性能价格比在很大程度上取 决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同 , 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气 动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手, 结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控 制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。 2.4 机械手的技术参数列表 一、用途：搬运:用于车间搬运 二、设计技术参数: 1抓重:60Kg （夹持式手部） 2、自由度数:5个自由度 3、座标型式:圆柱座标 4、最大工作半径: 1600mm 5、手臂最大中心高: 1248mm 6、手臂运动参数 伸缩行程： 1

26、200mm 伸缩速度： 83mm/s 升降行程：300mm 升降速度： 67mm/s 回转范围: 0: 1800 7、手腕运动参数 回转范围: 0: 1800 2.5 本章小结 本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确 定了本设计采用液压驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计计算将以次 进行。 3 机械手手部的设计计算 3.1 手部设计基本要求 （1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所 需的驱动力大小是不同的。 （2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕 支点所转过的角度）

27、，以便于抓取工件。 （3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构 紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 （4）应保证手抓的夹持精度。 3.2 典型的手部结构 （1）回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 （2）移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。 （3）平面平移型。 3.3 机械手手抓的设计计算 3.3.1 选择手抓的类型及夹紧装置 本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角 =60，夹取重量为60Kg常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附 两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体, 不适合用

28、于本方案。本设 计机械手采用夹持式手指 , 夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移 型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方 料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置 , 其理论夹持误差零。若采用典型的平移 型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适 的，因此不选择这种类型。 通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置 选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩， 从而机械手手指张开。 332手抓的力学分析 F面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3.1 (a)为常见的滑槽杠杆式手部结 (a)(b) 图3.1滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1手指2销轴3杠杆 在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F,并通过销轴中心0点，两手指1的滑槽 对销轴的反作用力为F1和其力的方向垂直于滑槽的中心线。1和。2并指向o点，交F1和 f2的延长线于A及B。 由Fx=o 得 F1 F2 Fy =0 F1 F 2cos F1F1 由 My F =0得打FNh cos b 2 F=cos2 F