自动搬运机械手总体机构设计毕业设计

1、自动搬运机械手总体机构设计 毕业设计摘要本文对自动搬运机械手进行了总体机构设计，能够完成机械手整体 的旋转，机械手手臂的升降和伸缩，根据机械手的技术参数分别设计了 机械手的夹持式手部结构计算出了夹持 物料时手抓气缸缩需要的驱动 力，设计了手臂伸缩、升降用的气缸的所需驱动力和机械手回转时电机 的功率选择。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作 原理图。利用 PLC对机械手进行控制，选取了合适的 PLC的型号，根据 机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的 工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。关键词： 机身回转机构，机身升降机构，手臂伸缩机构，气

2、动，可编程 序控制器 (PLC)ABSTRACTThis article conducted the overall institution design of mandrel handling robot, the robot is able to complete the robot overall rotation, the robotic arm can move and stretch, according to the manipulator specifications, I designed the manipulator gripping type hand structur

3、e ,and calculated out of the driving force when the clutch cylinder shrink clamping mandrel material, also designed a telescopic arm, the required driving force of the lift cylinder and the manipulator rotation when the motor power options. I designed the robots pneumatic system, draw the working sc

4、hematic of the pressure system of the robot.Using PLC to control the robot, select the PLC model, developed a control program of the programmable logic controller according to the workflow of the robot, to draw the robot work timing diagram and ladder, and prepared a program to control device contro

5、l program.KEY WORDS : body rotation institutions, body lifting mechanism, featuresair, pressure drive, the Telescopic mechanism of the arm, Programmable Logic Controller目录56的运动，称作为机械手的自由度。为了抓取空间任意位置和方向的对象，机械手需要拥有 6 个自由度。自由度机械手设计的程度是关键参数。自由操纵，灵活性 大，通用性更广，它的结构也比较复杂。一般的机械手有 34 个自由度。如图 1-1 所示，这个机械手就拥有三个

6、自由度， 其中机械手的手臂可以完成伸缩 运动，机械手的机身则能完成手臂的升降运动，同时机身的回转运动能使机械臂完 成任意角度的位置要求。图 1-1 工业机械手简图机械手的类型，按照驱动方式，可以分为液压驱动式，气压驱动式，电机驱动 式；机械手按适用范围可划分成特殊机械手和普通机械手两种类型；按照运动轨迹 控制方式可以划分为点位控制式和连续轨迹控制式等。机械手一般不会单独的作为工业生产中主要装置，它一般都是附加在机床或者 别的机器边的辅助装置，如在数控机床中自动换刀，如在自动生产线中搬运物料等， 一般不具有独立控制装置。有部分的机械手还不能独立操作，也需要有人直接或间 接的操作，如原子能部，管理

7、危险品的主从式机械手通常也被称为机械手。机械手是近几十年发展起来的一种高端科技自动化生产设备，它对稳定、提高 产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着始终重要的作 用。目前主要用于机床，模锻压机的上下料，以及电焊，喷漆等作业中，它可以按 照事先制定的作业程序完成规定的操作，它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳， 不怕危险，抓举重物的力量所以受到了许多部门的重视，并且在现在和将来都得到 极大的重视。但是由于机械手并不真正像人类的手那样灵活并且不能具备传感反应 任何反馈的能力，不能对外界特殊情况进行应变。目前，大部分的机械手还只属于第一代的机械手，主要依赖于手动控制，改进 的方

8、向基本上是为了降低成本和提高精度。第二代的机械手正在加紧发展。它提供7了一个微型电子计算机控制系统，视觉，触觉，甚至听一样的能力， 。学习上的各种 传感器的安装，检测到的信息反馈，使得机器人具有感觉功能。第三代的机械手可 以独立完成许多繁琐和高难度的工作。随着电子计算机和电视设备的发展，它将和 这些设备保持联系，并逐步发展成柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 的一个 重要环节。机械手的应用意义在于：（ 1） 可以提高生产过程的自动化程度 ,应用机械手有利于实现材料的传送、弓 箭的装卸、道具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产 率和降低生产成本。（ 2） 可以改善

9、劳动条件、避免人身事故。在高温、高压、低温、低压、有灰 尘、早生、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用忍受 直接操作是有危险或者根本不可能的，而应用机械手即可部分或者全部代替人安全 的王城作业、是劳动条件得以改善。（ 3） 可以减少人力，便于节奏的生产。应用机械手代替人进行工作，这是直 接减少人力的一个侧面，同事由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另 一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都是机械手，以减 少人力和更近准的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。本课题中两工位芯模搬运机械手的控制系统主要是 PLC 控制系统，驱动方式为 气压传动

10、。1.2 国内外现状及发展历史工业机器人是最为典型的机电一体化设备 , 高附加值的技术，应用范围广，作 为先进制造技术的新产业和信息社会的支持，将会在未来生产和社会发展中发挥出 越来越重要的作用。据外国专家预测，工业机器人是在辆车，计算机后出现的一个 新的高度 - 高新技术产业。根据联合国欧洲经济委员会（欧洲经委会）和国际机器 人联合会（ IFR ）的统计，世界机器人市场前景，从二十世纪下半年，世界机器人产 业一直保持稳步增长势头。在 19 世纪末，随着工业发展的速度崛起，工业机器人的 产品开发速度加快，年增长率平均保持在10。在 2004 年的增长率达到了创纪录的 20 。其中，最突出的是亚

11、洲机器人，增长幅度高达43。随着这现年各个国家以及企业的重视，工业机器人已经不单单是在工业中起到 作用，同时也在别的产业中扮演着重要的角色。在制造业，尤其是在汽车行业，工 业机器人已被广泛使用。如在毛坯制造（冲压，铸造，锻造，机械加工，焊接） ，热 处理，表面涂层，装卸，组装，测试等操作，机器人已逐渐取代人的体力劳动，可 见，机器人正在往越来越多的领域更深层次的工作进军。在 1954 年，美国戴沃尔是最早的提出了工业机器人的概念，并且在当时申请了 专利。他的专利的主要是借助伺服控制技术控制机器人的各个关节，利用人手对机 器人进行动作的示教，在当时的机器人能实现动作的记录和再现。这就是当时比较

12、著名的示教再现机器人了，现在很多制造出的机器人还有保留着这种控制方式。而 在 1958 年，被称作为“工业机器人之父”的 Joseph F.Engel Berger创造了世界上第 一个机器人公司，并参与设计了一台用于压铸作业的五轴液压驱动机器人，手臂的 控制由一台专用计算机来完成。随着计算机技术和人工智能技术的发展，使得机器 人在功能和技术层次上有了很大的高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就 是比较典型的代表了。我国工业机器人，在 70 年代初开始，经过 20 多年的发展，经历了 3 个阶段： 萌芽期的 70 年代，80 年代和 90 年代的工业机器人开始逐步走向实用。七十年代是 世界科

13、学和技术发展的一个新的里程碑 ; 在月球上开始有人类的足迹，金星，火星也 逐步开始实现软着陆。中国也在同一时刻发射了人造卫星。全球工业机器人的热潮， 尤其是日本，发展非常迅速，但经济增长是日益增加同时也造成了劳动力缺乏。在 这种情况下，于 1972 年，中国也开始发展自己的工业机器人。进入 20 世纪 80 年代后，随着改革开放的不断深入，在高科技浪潮的推动下， 我国对于机器人的人研究和开发逐步开始引起重视。在“七五”期间，国家开始投 入资金，对于工业机器人以及机器人身上的零部件进行了研制，终于开发出了一个 完整的示教再现式工业机器人的技术，同时开发出了电焊、喷涂和搬运机器人。在 1986 年

14、，国家高技术研究发展计划开始实施，记过各学者和专家的辛勤研究，成功 制出了一批特种机器人。虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明 显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，目前我们尚 未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。目前我国机器人研究的主要内容如下：（1）示教再现型工业机器人产业化技术研究： 这些研究包括：联合式，侧喷流，喷顶式，龙门喷涂机器人产品标准化、通用 化、模块化、系列化设计，具有灵活分析的喷涂机器人的研发 ; 焊接机器人产品标准 化、通用化、模块化、系列化设计 ; 弧焊机器人激光视觉焊缝跟踪装置的研制 ; 弧焊 机器

15、人离线编程示范和工作站系统动态仿真，电子行业用装配机器人产品标准化、推广、模块化、系列化设计。（2）智能机器人开发研究： 这些研究主要包括：远程和本地自治系统配置和控制策略的研究 ; 智能移动机器 人导航和定位技术，遥控机器人，虚拟现实系统，人机环境模拟系统，在电脑屏幕 上的多机器人远程控制技术。（ 3）机器人化机械研究开发： 这些研究主要包括：并联机器人，机器人化加工中心的研究和开发 ; 无人驾驶机 器人和自适应多机的大型物料输送设备的远程控制操作。（4）以机器人为基础的重组装配系统： 这些研究主要包括开放式的模块化机器人；面向机器人装配设计技术，机器人 柔性装配系统设计，可重构机器人柔性装

16、配系统的设计，装配力，可视化技术; 只装配策略及其控制技术。（5）多传感器信息融合与配置技术： 这些研究主要包括：机器人传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水 处理自动控制系统中的应用 ; 机电一体化传感器设计中的应用。1.3 研究内容 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的设 计工作。可以代替人的重复取工件的工作， 不仅降低了劳动强度工人， 提高了生产自动化 水平和劳动生产率，确保产品质量和生产安全。自动搬运机械手装置

17、是一种模拟人的手臂动作来完成的，按照事先设定的程序， 轨迹，代替人完成枯燥，劳累的抓取，搬运工作的机电一体化装置。102 工业机械手的总体设计方案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 4 种：(1) 直角坐标型机械手： 这种机器人由三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器的位置，通 常还带有附加的旋转关节，用来确定末端操作器的姿态。这种机器人在x、y、z 轴上的运动是独立的，运动方程可独立处理，且方程是线性的，因此，很容易通过计 算机控制来实现；他可以两端支承，对于给定的结构长度，刚性最大；他的精度和 位置分别率不随工作场合而变化，容易

18、达到高精度。但是，它的操作范围小，手臂 收缩的同时又向相反的方向伸出，即妨碍工作，且战地面积大，运动速度低，密封 性不好。(2) 圆柱坐标型机械手： 圆柱坐标机器人确定组件的位置是由两个滑动关节和旋转接头，然后连接到一11 个旋转的联合的态度，以确定组件。这种机器人可以围绕中心轴的一个角落里，工 作范围可以扩大，计算简单 ; 直线运动部分采用气压驱动，可以输出更大的功率，可 以延伸到腔型机。然而，它的手臂可以达到的空间是有限的，不能达到近立柱或地 面空间；直线驱动部分难以密封、防尘；后臂工作时，手臂后端会碰到工作范围内 的其他物体。圆柱坐标机器人的工作范围呈圆柱形状。(3) 球坐标 ( 极坐标

19、 )型机械手： 球坐标机器人采用球坐标系，它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的 位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转， 中心支架附近的工作范围大，两个转动驱动装置容易密封，覆盖工作空间较大。但 该坐标复杂，难于控制，且直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。球坐标机 器人工作范围呈球缺状。(4)关节坐标型 /拟人型机械手： 关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。它象人手一样有肘关节， 可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄空间工作。关节式机械手，早在四 十年代就在原子能工业中得到应用。随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。 关节式机械手有

20、大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。可作几个方向转 动，工作范围大，动作灵活，通用性强，但定位精度差，控制装置复杂。关节式机 械手具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。为具有近似人手操作的机能， 需要研制最合适的结构。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，根据机械手的运动自由度数不少于 3 个，摆角度不小于 90 度，所以拟定方案为最大摆动角度为 90度的 3 自由度机械手，因此本设计采用圆柱坐标型图。12图 2-1 圆柱坐标式机械手结构图如图 2-1 所示，为圆柱坐标型机械手，机械手的组成为 4-支座， 3-支柱， 2-手 臂和 1- 手。底部支座完成整个机

21、械手的回转运动，支柱完成机械手的升降运动，小 手臂负责完成伸缩运动，手抓完成夹紧工件的运动。2.2 驱动机构的选择工业机械手的驱动系统，按照动力源分为液压驱动、气压驱动和电动三大类。（ 1） 液压驱动系统：由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、 惯量大以及在恶劣的环境中工作的机械手。（2）气动驱动系统：反应快速快，系统结构简单，维护便捷，价钱低廉，适合 小，中负载系统。但它可能难实现伺服控制，大部分都用程序来控制机械手。在冲 裁和冲压机械手多采用。（ 3） 电动驱动系统：由于惯量低，扭矩大，交直流电机及其配套驱动被广泛 应用于机械手的驱动中，它是驱动中很广泛的一种选择。气压系统具有一

22、些独特的优点：（ 1）可从空气中获得能源，在同一时间，所用的空气可以直接排入到的空气 中，使用方便，在空气管道泄漏的情况下，除了造成部分的损失，不会造成十分严 重的影响，不污染环境。（ 2）空气的粘度非常小，在管道压力损失，严重影响较小，从而有利于集中 供气和运输。（ 3）压缩空气压力低（一般为 0.3? 0.8），因此，执行元件材料的要求低。（ 4）可简单的进行维护，管不容易堵塞，无介质变质，补充，更换和其他问 题。（ 5）使用安全，无爆炸的问题，可完成自动保护过载问题。（ 6）材料的选择也是根据气动特有性质来选择，可在恶劣环境下（强烈振动， 冲击，强辐射和强腐蚀）下正常工作。因为本机械手抓

23、取的物料重量基本在 10KG 以内，因此抓取力并不大，所以选 用气压驱动来完成，但在底部的回转决定使用电机来完成。132.3 机械手的主要部件及运动在选定圆柱坐标式机械手的基本方案后，为了达到设计任务所需要的要求， 在 我的机械手设计中具有 3 个自由度既：手臂伸缩；手臂升降：手臂回转 3 个主要运 动。本设计机械手主要由 4 个大部件 3 个气压缸和一个电机组成： （1）手部，采用一个直线气压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（ 2）臂部，采用直线缸来实现手臂平动 80mm。（3）机身，采用一个直线缸来实现升降。（4）底部采用回转电机来实现手臂回转。2.4 机械手的技术参数列表1）芯模尺寸是

24、40mm，长度是 800mm，材料为模具钢； 2）升降行程 250mm，伸缩行程 80mm；3）实现两个方向的 90旋转运动，并可自锁。4）手臂运动参数：伸缩速度： 250mm/s；升降速度： 60mm/s；回转范围： 0180 度； 回转速度： 70/s。5）定位方式：行程开关或可调机械挡块6）驱动方式：气动， PLC 控制 7）定位精度： + 0.5mm3 机械手结构设计3.1 手部设计基本要求，用1）应该有合适的夹紧力的原动力，手指握力（夹紧力的大小，应适应）14力过大，功耗会太浪费，巨大的结构，费用较大，甚至会损坏工件;力量太小，然后钳不居住或松动，脱落。除了考虑工件的重量，在设定的握

25、力，应该考虑也可以传 送或过程中产生的惯性力和振动的操作，以确保工件夹紧的安全。对于手，应该有 足够的动力驱动装置。应当指出，由于传动比是不同的，在不同条件下一定的夹紧 力，传输机制的驱动力是不同的。（2）手指应该有一定程度的开放和收紧距离，手指有足够的张开角度（开放的 手指封闭约转角支点） ，以方便握持或退出工件。（ 3）应保证内部的手指夹紧精度， 应确保每个夹紧工件， 手指精确的相对位置。 在一定范围内的要求，这是更重要的，如曲轴，一类复杂的工件在机轴，凸轮，严 格，所以在夹紧工件的机械手的安装位置应保持相对定位精度。（4）要求具有结构紧凑，重量轻，效率高的优点。在保证本身的刚度，强度的

26、前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，为了减少负载臂。（5）应考虑为一般和特殊要求。在一般情况下，一方面是比较特殊，为了扩大 其使用范围，提高其通用化程度，以适应不同尺寸的工件夹紧，通常使用的手指可 以调整方法。作为替代，甚至更换整只手的手指等。此外，也考虑能适应工作环境 的特殊要求，如：耐高温，耐腐蚀，能承受锤冲击力。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）平移型即两手指相对支座作往复运动。（3）平面平移型。3.3 机械手手爪的设计计算3.3.1 选择手爪的类型及夹紧装置 本设计做的是芯模搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：夹取重量约为 10Kg。常用的工业

27、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。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。153.3.2 手抓的力学分析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构O1O2Fn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，并通过销轴的中心点 O，两手指 1 的销轴收到滑槽的反作用力为 F1 和 F2，同时它力

28、的方向垂直于滑槽的中心线 OO1 和 OO2 并指向 O点，交 F1 和 F 2 的延长线于 A 及 B。由 Fx 0得 F1 F2由 Fy 0得 F1 F 116得 F1 Fn h由 M 01(F) 0(3-1)hacos(3-2)Fnb2 cosa(3-3)式中： a 从对称中心到手指的回转支点的长度( mm)， 工件被夹紧时 两回转支点与手指的滑槽方向产生的夹角。根据计算分析， 在驱动力 F 不变时， 角增加，则握力 Fn 同时会增加， 但 角 度太大会产生拉杆行程过大的后果，还将导致手部结构变大，因此最好=3040。3.3.3 夹紧力及驱动力的计算 机械手手抓对于工件的夹钳力，是设计机

29、械手手部的重要依据。设计时要对受 力的方向、大小以及作用点进行分析和计算。对于一般的机械手手抓来说，手抓抓 取工件时需要克服工件自身重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化时惯性力产 生的载荷，以保持可靠的工件夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算：Fn K1 K2 K3 G(3-4) 式中： K1安全系数，通常去 1.2 2.0 ，K2工作状况系数，主要是考虑 惯性力的作用。 K2 可近似按式 3-5 估算：(3-5)g 重力加速度，K2 1 a g式中： a运载工件时向着重力方向上升最大的加速度，17g9.8m/s 2；Vm ax（3-6）v max 运载工件时向着重力方向上升最大速度，

30、机械手直线速度常在 200300mm/s, t 响系统达到最高速度的时间， 根据设计参数选取。 K3方位系数， 根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同 。假设： a=50mm，b=150mm, =30。机械手打到最高响应时间为 0.5s 。求夹紧 力 Fn，驱动力 F，驱动气缸尺寸。根据实际情况初定：1）所以求出夹紧力为：K1 1.5K2 1 0.1/ 0.5 1.029.8Fn 1.5 1.02 0.5 （7.89 9.8） 59.2N2）根据驱动力公式：得F计算2 150 2cos2 30? 59.2=266.4 N503）传动效率取 =0.85F实际=F计算 0.85=226.4 N3

31、.3.4 气缸类型的选择F实际 =（D2 d2） P4工作压力 P 取 0.4MPa18所以气缸计算公式为：(3-7)4 226.4 0.4 105 (1-0.3)2=29.11mm根据见表 3-1 以及机械设计手册中缸型标准，选取缸径为 40mm表 3-1 气 缸内径选用表气缸内径（ mm）16202532405063801001253.3.4 气压缸主要尺寸的选择（ 1）由机械设计手册气压缸外径系列，根据已定内径D=40mm。气缸缸筒承受压缩空气的压力，其壁厚可按薄壁公式计算：Py D 2 （3-8）式中： 缸筒壁厚， Py 实验耐压力，取 1.25 x 工作压力， 缸筒材料抗压强度，铸钢

32、取 =100110Mpa。1.25 0.4 0.042 100壁厚取 12mm符合要求。19（ 2 ）气压缸行程 S 的计算 由机械设计手册气压缸行程参数系列，再根据机械手外行设计尺寸的要求 选用小手臂伸缩液压缸行程 S=25mm。（3）根据机械设计手册气缸活塞杆直径为：d 0.3D ，所以设计活塞直径为 d=12mm。3.3.6 手爪的夹持误差分析与计算 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定的位置，不仅取决于机械手定位精 度，而且也与手指的夹持误差大小有关。由于本机械手手部选用的是内撑式垂直上 下工作的，所以其手爪的夹持误差可以粗略认为是零，但通常情况下保持它不超过 1mm 就可以了。4

33、臂部的设计及有关计算手臂部分是主要的机械手夹持组件。它的作用是支持的手（包括工件或工具） 和手腕，并推动他们同时做空间运动。手臂运动应该包括 3 个运动：伸缩、回转和 升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一 章叙述。手臂运动的原则：在空间任何一点都能让手部碰到。为完成各种运动的手臂通 常使用驱动机制和传输机制来实现，从手臂的受力分析，手腕，手是直接作用力在 手臂上的，并且手臂自己也经常需要完成运动。因此，它的结构，工作范围，灵活 性和直接影响机械手的工作性能。204.1 伸缩手臂的设计要求机械手的手臂基本要求应该是拥有较大承受能力，刚性好，重量轻。对于机械 手

34、臂或身体的承载能力，通常取决于其僵化程度。以机械手臂部作为一个例子，一 般的结构正在越来越多地采用悬臂梁形式，然而伸缩臂悬长度增加，刚度降低并且 其伸缩臂的刚度会不断的改变。对机器人的运动性能，定位精度和承载能力影响很 大。为了提高刚度，除了尽可能地延长手臂长度缩短，是要注意以下几个方面。（1）根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸 臂部和机身通常既受弯曲，也受扭转，应选择横截面形状的弯曲和扭转刚度高 的。显然，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢，槽钢工字钢和惯性矩是比 较大的。因此，作为导杆机械手，无缝钢管、钢或槽钢作为支撑板。这不仅提高了 手臂的刚度，同时也大大降低了手臂的重量，并可

35、以用中空的内部装有驱动装置， 传动机构通过管道，这样就使结构紧凑，外形整齐。（2）提高支承刚度和合理选择支承间的距离 臂杆或机身的变性量不仅与本身刚度有关，而且与支承的刚度和支承间的距离 有很大关系，要提高支承刚度，除从支座的结构形状，底板的刚度。以及支座与底 板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 在结构设计时还应结合具体受力情况，设法使个作用力引起的变形相互抵消。（4）注意简化结构 在设计臂部时，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，以减少重要部件的 间隙，从而提

36、高刚度。（5）提高配合精度水平放置的手臂， 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大部分自重和抓取重量。提高活塞和缸体内径配合精度，以提 高手臂前伸时的刚度。臂部运动速度要高，惯性要小机械手手臂的运动速度是机械手的主要参数之 一，它反映机械手的生产水平，一般根据生产节拍和行程范围，就确定了手臂的运 行速度。在一般情况下，手臂的移动和回转，俯仰均要求匀速运动，但在手臂的启 动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前减 速度不能太大，否则引起冲击和振动。21手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替 滑动摩

37、擦。对于悬臂式的机械手，其传动件，导向件和定位件布置应合理，使手臂 运动过程尽可能平衡，以减少对升降支承轴线的偏心力矩，特别要防止发生卡死的 现象。位置精度要高。一般说来，直角和圆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，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好地控 制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动，啮合件的间隙。 除此之外，要求机械手通用性好，能适合多种作业的要求，工艺性好，便于加工和 安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热，冷却；用于作业区粉尘大的机械手还 要设置防尘装置等。手臂的典型运动的形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回

38、转 运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；复合运动，如直线运动和回转运动组合，两 直线运动的组合。在设计计算前，通常是先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初 步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复数次，绘出最 终的结构。按照在完成即定任务的前提下，手臂设计愈简单愈好的原则。在这里我只选择 了一个手臂伸缩缸和一个手臂升降缸，伸缩缸采用直线缸式手臂结构，如图所示， 这种液压缸缸体上有进油口 a和 b，当压力油从 a， b 油口进入和排出时，缸内的活 塞杆将做往复直线运动，这种结构尺寸小，可用于较大重量的工件的抓取，在机械 手中应用很广泛。升降缸采用活塞缸和齿轮齿条结构，

39、见装配图所示，手臂的回转 运动是通过齿轮齿条机构实现的，齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回 转而使手臂左右摆动。升降运动由活塞驱动，靠立柱上平键导向，缸体沿导向套在 压力油的作用下作升降运动。4.2 手臂的典型运动机构 常见的手臂伸缩机构有以下几种： （ 1） 双导杆手臂伸缩机构。 （ 2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动； 回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合， 两直线运动的双层液压缸空心结构。22（ 3） 双活塞杆液压岗结构。（ 4） 活塞杆和齿轮齿条机构。通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用气压驱动,

40、气压缸选取双作用气压缸。4.3 手臂直线运动的驱动力计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要 尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性 等几个方面的阻力，来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。P驱 =P惯 +P摩 +P封 P+背（4-1）式中：P 惯手臂在启动过程中的惯性力， P 摩摩擦阻力， P 封密封装置处的摩擦力， P 背气缸非工作腔压力所造成的阻力。4.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 分析： 摩擦力的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的

41、，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对 称配置在伸缩岗两侧。手臂各个受力分布如图4-1 所示。23图 4-1 机械手臂部受力示意图 计算如下： 由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算G总 L a FbG总La4-2）Y=0G 总 +Fb=FaFa=G总（ L+a ） a（4-3）F摩 =Fa摩 +Fb摩 = Fa + FbF 摩= G总（ 2L+a）4-4）24式中：G 总参与运动的零部件所受的总重力（含工件） （N）， L 手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算， a导向支撑的长度（ m）， 当

42、量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。公式中：钢对铸铁：取 0.18 0.3，钢对青铜：取 0.1 0.15，导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁 = 0.2 0.15= 0.3通过实际情况计算得： G 总=420N，L=0.308-0.105=0.151m， a=54mm=0.054mF摩=420 0.3 (2 0.151+0.054)=2504.25N0.0544.3.2 手臂惯性力计算设计要求 V 0.68 时：P=Fr+0.92Fa当 Fa/Fr0.68 ，且工作冲击较小，取载荷系数 f p=1.2 ，则：(5-12)(5-13)35P=fp(XFr+YFa)=1.318kN(5-14

43、)计算预期寿命 Lh ：L h=5*365*20=36500h求该对轴承应具有的基本额定动载荷值P3 601n0L6hN）因为 C=34.9kNCr，所以选择 51000 型轴承满足要求 。 在外圈的轴承中我选用了单排四点接触球式转盘轴承，如图(5-15)(5-16)5-3 中 3 所示。单排四点接触球式转盘轴承由两个座圈组成，结构紧凑、重量轻、钢球与圆弧滚道四点接触，能同时承受轴向力、径向力和倾翻力矩。回转式输送机、焊接操作机、中 小型起重机和挖掘机等工程机械均可选用，很符合我的设计要求。（1）按静态工况选型：取=45Fa (1.225Fa 2.676Ft ) fa(1.225 800 2.676 50) 1.2540.14 104N(5-17)M 1.225Mf a1.225 0.01N M 1.25 (5-18) 0.015 104 N M2)按动态校核：Fa (1.225Fa 2.676 Ft ) fa(1.225 800 2.676 50) 1.55 (5-19)0.17 104 NM 1.2