数控车床上下工件机械手

1、编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 数控车床上下工件机械手 信机 系 机械工程及自动化 专业学 号： 0923077学生姓名： 刘忠和 指导教师： 冯鲜 （职称：讲 师 ） （职称： ）2013年5月 25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 数控车床上下工件机械手 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械92 学 号： 0923077 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无锡太

2、湖学院 信 机 系 机械工程及自动化 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、 题目及专题：1、题目 数控车床上下工件机械手 、专题 二、课题来源及选题依据数控车床要实现自动化，可设计专门的上下料装置，但是要实现上下料的柔性化，机械手就是其最好的组合。随着机器人学科的发展，机器人在某些方面可以代替人的工作，特别是一些高强度的工作，甚至还具备了一定的学习功能。数控车床与机械手的结合是现代制造业发展的一个选择，它是实现一个人操作多台车床，实现生产效率进一步提高的有效途径。 3、 本设计（论文或其他）应达到的要求：原始参数： 1）抓重:600g (夹持式手部) 2）自由度数:4个自由度 3）坐标型式

3、:直角坐标型 4）横臂手臂长度:2180mm5）手臂最大高度:2769.5mm 6）手腕运动参数 回转范围: 0-180 7）手臂运动参数 升降行程：920mm 设计要求： 1、总体方案的确定。主要确定机械结构部分和控制部分。 2、机械结构的设计，包括手部模块、腕部模块、直臂模块的设计。 并绘制整体装配图。 3、重要部件的设计，包括直臂导杆气缸的设计，多工位动态精度的实现，防倾覆装置的设计等。并绘制导杆气缸的装配图。 4、控制部分的初步设计。 5、设计说明书一份。 6、所有非标零件需画出零件图。 注：所有图纸需计算机打印 四、接受任务学生： 机械 92 班 姓名 刘忠和 五、开始及完成日期：

4、自2012年11月12日 至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长签名 系主任 签名2012年 11 月 12 日摘 要本设计是数控车床上下工件机械手的设计，包括总体方案的确定，机械结构的设计以及重要部件的设计。随着现代工业的发展和竞争的加剧，对加工效率提出了新的要求，数控车床工件装卸自动化就成为当前制造厂家对机床的重要需求之一。为了满足用户的需求，当前中国的机床制造厂开始在部分数控车床上配置工件自动上下料机械手。但如果采用伺服电机驱动和控制其成本高、结构复杂、速度慢、工作效率较低；如果采用液压驱动，其泄漏对数控要求的清洁环境造成一定的

5、副面影响。随着气动技术的不断发展，气体驱动也能成为机械手的驱动力量，其成本底，结构简单，工作效率高，清洁，再加上plc控制系统实现机电气一体化控制。本设计主要设计用低成本、高速的气缸来组成模块化的气动机械手，实现数控车床工件自动装卸，克服伺服电机应用中存在的高成本和低效率的局限。论文完成的主要设计工作包括以下几个方面:(1)设计了模块化气动装卸机械手的总体结构;(2)研究了大跨度气缸的固定支撑形式;(3)研究了水平运动气缸的防侧翻技术;(4)研究并实现了气缸输出杆高精度柔性调节技术(5)初步设计了气动控制回路和plc控制系统。关键词：机械手；自动化；上下料；气体驱动abstract this

6、design is the numerical control lathe workpiece manipulator design, including the determination of overall scheme, design of mechanical structure design and important parts. along with the development of modern industry and the competition put forward new requirements to processing efficiency, numer

7、ical control lathe workpiece loading and unloading automation becomes the current manufacturers one of the important requirements for machine tools. in order to meet the needs of users, the current chinas machine tool manufacturers began on the part of numerical control lathe automatic up-down mater

8、ial manipulator configuration artifacts.but, if the servo motor drive and control its high cost, complex structure, slow speed, the efficiency is low; if adopts hydraulic drive, the leak on the cnc requirements of clean environment certain side effects.with the continuous development of pneumatic te

9、chnology, gas drive also can become a driving force of the manipulator, end of the cost, simple structure, high efficiency, clean, coupled with the plc control system to realize integration of mechanical and electrical gas control.this design is mainly design with low cost, high speed of the cylinde

10、r to form a modular pneumatic manipulator, and implement numerical control lathe automatic loading and unloading of workpiece, overcome existing in the application of servo motor limitations of high cost and low efficiency. the thesis completed the main design work includes the following several asp

11、ects: (1) the overall structure of the design of modular pneumatic loading and unloading manipulator; (2) study the long-span cylinder fixed support form; (3) studies the technique of side flip horizontal motion cylinder; (4) the research output and implements the cylinder rod (5) high precision fle

12、xible adjustment technology pneumatic control loop and plc control system is designed. key words:manipulator;automation;up-down material ;gas drive目录摘 要ivabstractv目 录. vi1 绪论11.1 前言和意义11.2 工业机械手的简史11.3 国内外研究现象和趋势21.4 设计原则32 数控车床上下工件机械手的总体设计42.1 技术要求42.2 机械手总体设计42.2.1 执行机构的选择42.2.2 驱动机构的选择52.2.3 传动结构

13、的选择52.2.4 机械手的基本形式选择72.2.5 机械手直臂部分的主要部件及运动82.2.6 机械手的技术参数83 各模块的设计103.1 机械手手部模块的设计103.1.1 手部设计基本要求103.1.2 典型的手部结构103.1.3 机械手手爪的设计计算103.2 机械手腕部模块的设计143.2.1 腕部设计的基本要求143.2.2 腕部的结构以及选择143.2.3 腕部的设计计算153.3 机械手手臂模块的设计163.3.1 手臂的结构的选择及其驱动机构163.3.2 滚珠丝杠设计163.3.3 锥齿轮及锥齿轮轴的设计183.3.5 电机选型214 直臂导杆气缸的设计224.1 气缸

14、体的设计224.1.1 预选气缸的缸径224.1.2 预选气缸的行程224.1.3 气缸的类型选择234.1.4 活塞杆直径d的计算234.1.5 气缸筒壁厚的计算234.1.6 气缸输出拉力的校核244.1.7 耗气量的计算244.2导杆机构的设计256 结论与展望27致谢28参考文献291 绪论1.1 前言和意义机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、

15、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。目前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，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提

16、高劳动生产率。通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，

17、节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。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，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。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。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上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

18、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

19、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公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士retab公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%。

20、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1978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

21、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fms(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 国内外研究现象和趋势目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：（1）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

22、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。（2）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。（3）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决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。（5）关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复

23、合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； （6）焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。1.4 设计原则在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺

24、流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（plc）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。2 数控车床上下工件机械手的总体设计2.1 技术要求数控车床要实现自动化，可设计专门的上

25、下料装置，但是要实现上下料的柔性化，机械手就是其最好的组合。随着机器人学科的发展，机器人在某些方面可以代替人的工作，特别是一些高强度的工作，甚至还具备了一定的学习功能。数控车床与机械手的结合是现代制造业发展的一个选择，它是实现一个人操作多台车床，实现生产效率进一步提高的有效途径。随着现代工业的发展和竞争的加剧，对加工效率提出了新的要求，数控车床工件装卸自动化就成为当前制造厂家对机床的重要需求之一。为了满足用户的需求，当前中国的机床制造厂开始在部分数控车床上配置工件自动上下料机械手。但如果采用伺服电机驱动和控制其成本高、结构复杂、速度慢、工作效率较低；如果采用液压驱动，其泄漏对数控要求的清洁环境

26、造成一定的副面影响。随着气动技术的不断发展，气体驱动也能成为机械手的驱动力量，其成本底，结构简单，工作效率高，清洁，再加上plc控制系统实现机电气一体化控制。本设计主要设计用低成本、高速的气缸来组成模块化的气动机械手，实现数控车床工件自动装卸，克服伺服电机应用中存在的高成本和低效率的局限。论文完成的主要设计工作包括以下几个方面:(1)设计了模块化气动装卸机械手的总体结构；(2)研究了大跨度气缸的固定支撑形式；(3)研究了水平运动气缸的防侧翻技术；(4)研究并实现了气缸输出杆高精度柔性调节技术(5)初步设计了气动控制回路和plc控制系统。2.2 机械手总体设计2.2.1 执行机构的选择（1）手部

27、，是直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型。手部是用来抓取工件的部件，根据被抓取物件的形状、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。其中最常用的抓取类型是吸附型和夹持型，吸附型主要是针对于一些正方形表面光滑、轻质的工件或物料，夹持型主要是针对圆柱形状或者是别的一些比较复杂形状的工件或物料。传力机构形式较多，常用的有：连杆杠杆式、滑槽杠杆式、斜槭杠杆式、丝杠螺母式、齿轮齿条式、重力式和弹簧式。（2）腕部，即连接手部和臂部的部件，起支撑和改变手部姿态的作用，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、左右摆动、上下摆

28、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，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,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

29、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。1 2.2.2 驱动机构的选择 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, 可分为以下四类:（1）气压传动机械手气压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。其特点为：输出力大、易于保养、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

30、的稳定性较差、冲击力大、定位精度一般、抓取力小。（2）液压传动机械手 液压传动机械手是以油液压缩的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、抓取力大。但是这种机械手对密封性要求很高、不易于保养与维护、受到液体本身的属性影响，不宜在高温或者低温的环境下工作、油的泄漏会导致对其工作性能产生很大的影响、油液过滤要求非常严格，成本高。（3）机械驱动机械手 机械驱动机械手是由机械传动机构驱动的机械手，是一种附属于工作主机的专用机械手，动力是由工作机械提供的。其主要特点为：运动精确，动作频率大，定位精度高。但是结构较大，保养需求高。（4）电气驱动机械手电气驱动机械手

31、是由电机直接驱动执行机构运动的机械手。其特点为：运动速度快，行程长，定位精度高，易于维护、使用方便、节能环保。但是其技术还不够成熟、结构较复杂、成本也较高。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。按照各驱动特点以及机械手的工作环境采用电气动驱动。22.2.3 传动结构的选择（1）齿轮传动机构在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。（2） 谐波齿轮传动谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百），传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业

32、机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。（3）螺旋传动螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦），前者结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（30%40%）。后者虽然结构复杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传

33、动效率高（92%98%），其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。（4）同步带传动同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、

34、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。（5）钢带传动钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。（6）链传动在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。（7）钢丝绳轮传动钢丝绳轮传动具有结构

35、简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。3 根据实际要求，本设计主要选取了齿轮传动和螺旋传动。 2.2.4 机械手的基本形式选择工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种1。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：(1)直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2.1.a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角

36、坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。(2)圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2.1.b。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。(3) 球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2.1.c。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。(4) 关节型机器人结构关节

37、型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2.1.d。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。 关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。图2.1 机械手基本形式按照机械手的工作环境采用直角坐标型机械手，其特点是结构简单紧凑，定位精度高，比较满足设计要求。 2.2.5 机械手直臂部分的主要部件及运动在直角坐标型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，关于机械手具有4个自由度,即：手爪张合；手腕回转；直臂升降；横臂平移4个主要运动。机械手

38、主要由3个大部件、2个电机和3个气缸组成：（1）手部，采用丝杆螺母结构，通过电机带动实现手抓的张合；（2）腕部，采用摆动气缸带动手部实现手部回转90-180；（3）臂部，采用气缸，实现臂部的平移和升降，同时还采用锥齿轮和锥齿轮轴的连接，实现臂部的旋转。锥齿轮使用丝杆与轴联接，使用电机带动。机械手的运动示意图如图2.2所示。 图2.2 运动示意图2.2.6 机械手的技术参数工业机械手的技术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）

39、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。 本设计的主要参数 （1）用途：数控机床自动上下工件（2）设计技术参数: 1) 抓重:600g (夹持式手部) 2) 自由度数:4个自由度 3) 坐标型式:直角坐标型 4) 横臂手臂长度:2180mm 5) 手臂最大高度:2769.5mm 6) 手臂运动参数 升降行程：920mm 升降速度：167m

40、m/s 7) 手腕运动参数 回转范围: 0-180 3 各模块的设计3.1 机械手手部模块的设计3.1.1 手部设计基本要求（1） 应当具备适当的加紧力和驱动力。应当考虑到在一定的加紧力下，不同的传动机构所需的加紧力不同。（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），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） 要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此，机械手手部设计的主流是电气式，其次是液压式和气压式（在驱

41、动接口中需要增加电-液或电-气变换环节）。（5） 应保证手抓的夹持精度。43.1.2 典型的手部结构 （1）楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。（2）滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。（3）连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。（4）齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。（5）平行杠杆式手爪采用

42、平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。43.1.3 机械手手爪的设计计算 3.1.3.1 选择手爪的类型及夹紧装置本设计是设计抓取圆柱形物块的机械手。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, 适于夹持平板和圆柱类材料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差为零。通过综合考虑，本设计选择移动型

43、手爪，采用丝杠螺母这种传动结构方式。运行方式为电机带动直齿轮使丝杠转动继而带动手爪接触块移动，从而形成手爪的张合，当手爪抓到零件时，电机停止，手爪形成自锁，带动零件移动。图3.1 二维手爪结构图 3.1.3.2 手爪夹持范围计算加工毛坯尺寸：20mm-40mm长度：100mm左右 毛坯质量（以钢材的密度计算）：约250g-565g（按最大600g计算）装夹深度：约25mm纵向定位精度：0.1mm横向定位精度：1mm手爪接触块为橡胶，橡胶具有弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳等特点。 3.1.3.3 滑动丝杆设计设计条件：需自锁丝杠长度 145mm 最大质量

44、共计约1100g。丝杠载荷：丝杠竖直时承受最大轴向力，(g取10n/kg)。设计计算：（1）牙型、材料和许用应力采用梯形单头螺纹，螺杆材料选45钢，调制处理，由机械手册5查表可得许用拉应力 （3.1）手爪部分为轻载，螺母材料选耐磨铸铁。由机械手册5查表可得许用弯曲应力，取；许用剪应力，由机械手册5查表可得许用压强，取。（2）按耐磨性计算螺杆中径由机械手册表5中公式 （3.2）采用整体螺母式，取，由gb/t 5796.3-1986，可选，的梯形螺纹、中等精度。螺杆左右两端分别采用不同的旋向，螺旋副标记分别为：，。螺母高度，取，则螺纹圈数圈。（3）自锁性验算由于单头螺纹，导程，故螺纹升角为 （3.

45、3）由机械手册5查表可得钢和耐磨铸铁的，取，可得 （3.4），故自锁可靠。（4）螺杆强度校核由机械手册5查表可得，螺纹摩擦力矩 （3.5）代入以下公式得（3.6）故强度可靠。（5）螺母螺纹强度校核因螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹强度即可。由机械手册5查表可得牙根宽度，基本牙高，代入以下中的公式得 （3.7） （3.8）故强度可靠。（6）效率由回转运动转化为直线运动时 （3.9）效率取为。 3.1.3.4 步进电机选型 计算条件：空行程最长，夹紧时间不超过1.2s设计计算：螺母移动平均速度 （3.10）丝杠的平均转速摩擦转矩： （3.11） （3.12）故 （3.13） 选用转矩为的直

46、流电机，速度比为。齿轮传动效率、滑动螺旋传动效率电机轴驱动转矩： （3.14）电机轴输出功率： （3.15）故电机选用40zy-02直流电动机。3.2 机械手腕部模块的设计 机械手手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。 3.2.1 腕部设计的基本要求（1） 选择合适的自由度机械手手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机械手的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的

47、前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机械手手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机械手手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机械手的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。（2） 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。（3） 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

48、，解决好腕部与臂部和手部的连接。（4） 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。73.2.2 腕部的结构以及选择 3.2.2.1 典型的腕部结构（1）具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛应用。腕部回转，总力矩m，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270）。 （2）齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于270的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬

49、挂式臂部。（3）具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。（4）机-液结合的腕部结构。7 3.2.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 本设计要求手腕回转90或180，则腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。 手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足

50、工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360，并且要求严格的密封。3.2.3 腕部的设计计算此部分选用摆动气缸。 摆动气缸有齿轮齿条式和叶片式两大类。 根据需要，本设计选用齿轮齿条式摆动气缸。 3.2.3.1 预选气缸的缸径根据负载的运动状态，负载率与气缸工作压力有关，且综合反映活塞的快速作用合气缸的效率，的最佳值为0.30.5，参考气动设备创新设计与生产制造手册8,如表3-1所示, 预选气缸的负载率表3-1 负载运动状态表负责的运动状态静载荷动载荷气缸速50500mm/s气缸速度大于500mm/s负载率小于70%小于50%小于30%根据气源供气条件，压力，已知f,和p，对于双作用气缸，预选，根据关系: （3.16） （3.17）可初选缸径（已经过尺寸标准化） 3.2.3.2 预选气缸的行程根据使用环境，预选气缸行程为。 3.2.3.3 活塞杆直径d的计算与计算气缸内径d相同。一般取，必要时也可取，这里根据d