工業(yè)機械手簡介

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)第一章 緒論1.1前言用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。機械手一般分為三類:第一類：是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類：是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)

2、展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類：是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。1.2 工業(yè)機械手的簡史機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。（1）1954年USA工程師德爾沃最早提出機械人的概念；（2）1959年USA德爾沃與英格伯制造了世界上的第一臺機械人；（3）1962年USA正式將機械人的使用性提出來，且制造出類似人的手臂；（4）1967年JAN成立了人工手研究會，并召開了首屆機械手學(xué)術(shù)會；（5）1970年在USA召開了第一屆工業(yè)機械人學(xué)術(shù)會，并的到迅速普及；（6）19

3、73年辛辛那提公司制造出第一臺小型計算機控制的的工業(yè)機械人，當(dāng)時是液壓驅(qū)動，能載重大成就45KG；（7）到1980年在JAN得到普及，并定為“機械人元年”此后在日本機械人得到了前所未有的發(fā)展與提升，在就是后來到臺灣再到大陸。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和

4、柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。1.3 機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。其組成及相互關(guān)系如下圖：控制部分驅(qū)動部分控制部分驅(qū)動部分執(zhí)行機構(gòu)行程檢測裝置被傳動物件手部1.4 本文主要研究內(nèi)容本文研究了國內(nèi)外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機械手的工作原理，熟悉了搬運機械手的運動機理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運機械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機械手的運動進行了簡單的力學(xué)模型分析，完成了機械手機械方面的設(shè)計工作（包括傳動部

5、分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）的設(shè)計工作。第二章 機械手的總體設(shè)計方案分析 本課題是搬運機器人的設(shè)計。在本章中對機器人的機械手的座標形式、自由度、驅(qū)動機構(gòu)等進行了確定。因此，機器人的執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)是本次設(shè)計的主要任務(wù)。2.1 機械手功能原理圖 圖2.1 機械手功能原理圖2.2 機械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標型機械手;(2)圓柱坐標型機械手; ( 3)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關(guān)節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標型。2.3機械手的主要部件及運動機械手主

6、要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。驅(qū)動機構(gòu)，驅(qū)動手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢?？刂茩C構(gòu)主要利用可編程序控制器、微型計算機等控制驅(qū)動機構(gòu)動作，進而控制執(zhí)行機構(gòu)運動。機械手詳細的運動為：（1）定位 （2）抓取 （3）提升 （4）順時針轉(zhuǎn)90 （5） 前進 （6）下降 （7）松開 （8）提升 （9）后退 （10）逆時針轉(zhuǎn)90 （11） 下降，完成一個工作循環(huán)。圖2.2 機械手基本形式示意圖2.4驅(qū)動機構(gòu)

7、的選擇驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動力大等優(yōu)點。因此，機械手的驅(qū)動方案選擇液壓驅(qū)動。第三章 機械手手部的設(shè)計3.1概述手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。機械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，

8、重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機構(gòu)組成。其傳力機構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿等，這里采用滑槽杠桿式。3.2 設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。（2） 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度），以便于抓取工件。（3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手

9、臂的負載。（4） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。3.3 驅(qū)動力的計算 1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座 圖3.1 滑槽杠桿式手部受力分析如圖所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P，并通過銷軸中心O點，使手指1的左右部分分別繞O1與O2轉(zhuǎn)動，最終夾取物體。手指1的滑槽對銷軸的反作用力為P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點，P1和P2的延長線交O1O2于A及B，由于O1OA和O2OA均為直角三角形，故AOC=BOC=。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即 Fx=0,P1=P2;Fy=0得 P=2P1cosP1=P/2cos 銷軸對手指的作用力為p1。手指握緊工件時所需

10、的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即m01(F)=0得 P1h=Nb 因為 h=a/cos 所以 P=2b(cos)N/a式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米）。 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角。 由上式可知，當(dāng)驅(qū)動力P一定時，角增大則握力N也隨之增加，但角過大會導(dǎo)致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取=3040。這里取角=30度。 這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)中表2-1可知，V形

11、手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式N=0.5G，綜合前面驅(qū)動力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力P實際應(yīng)按以下公式計算，即： P實際=PK1K2/式中 手部的機械效率，一般取0.850.95； K1安全系數(shù)，一般取1.22 K2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度。 本機械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動速度為500毫米/秒，移動加速度為1000毫米/秒，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120,=30時，拉緊油缸的驅(qū)

12、動力P和P實際計算如下： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計算公式 N=0.5G 把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為 N=49（N） 由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式 P=2b(cos)N/a 得 P=P計算=2*45/27(cos30)*49=122.5(N) P實際=P計算K1K2/ 取=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1 則 P實際=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N) 3.4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 圖3.2 帶浮動鉗口的鉗爪 鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系,若設(shè)鉗爪對稱中心O到工件中心O

13、的距離為x,則 x=當(dāng)工件直徑變化時,x的變化量即為定位誤差,設(shè)工件半徑R由Rmax變化到Rmin時,其最大定位誤差為=- 其中l(wèi)=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120 ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm代入公式計算得 最大定位誤差=44.2-44.7=0.50.8 故符合要求.第四章 機械手腕部的設(shè)計計算4.1 概述腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。其功用是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。故腕部也稱作機器人的姿態(tài)機構(gòu)。典型的腕部結(jié)構(gòu)有：(1) 具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點

14、而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用?；剞D(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于）。(2) 齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。(3) 具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。(4) 機-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動。4.2腕部設(shè)計的基本要求：（1） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部

15、的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。（3） 必須考慮工作條件對于本設(shè)計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。4.3 腕部的驅(qū)動力矩計算（1）腕部的驅(qū)動力矩需要的力矩。（2）腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩。夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量60Kg

16、，當(dāng)手部回轉(zhuǎn)時，計算 力矩：（1） 手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算G=3.14（2）擦力矩。（3）啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角速度。 查取轉(zhuǎn)動慣量公式有：代入： 4.3.1 腕部驅(qū)動力的計算 表4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表4-1設(shè)缸體內(nèi)空半徑R=110mm，外徑根據(jù)表3-2選擇121mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑

17、為226mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖4.1所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力，選擇8Mpa圖4.1 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意 表4.2 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）液壓缸內(nèi)徑40 5063809010011012514015016018020020鋼P5060769510812113316814618019421924545鋼50607695108121133168146180194219245第五章 機身的設(shè)計計算 機身是直接支撐和驅(qū)動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動，這些運動的傳動機構(gòu)都安在機身上，或者直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。因此，

18、臂部的運動越多，機身的機構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。5.1 機身的整體設(shè)計 按照設(shè)計要求，機械手要實現(xiàn)手臂1800的回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)一般設(shè)計在機身處。為了設(shè)計出合理的運動機構(gòu)，就要綜合考慮，分析。機身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1）回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉(zhuǎn)運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大。（2）回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運動部件較大。（3）

19、活塞缸和齒條齒輪機構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運動是通過齒條齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)：齒條的往復(fù)運動帶動與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動。分析： 經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計機身包括兩個運動，機身的回轉(zhuǎn)和升降。如上圖所示，回轉(zhuǎn)機構(gòu)置于升降缸之上的機身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉(zhuǎn)運動。回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的。活塞桿采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向?；ㄦI軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊

20、湊。具體結(jié)構(gòu)見下圖。驅(qū)動機構(gòu)是液壓驅(qū)動，回轉(zhuǎn)缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來實現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設(shè)計就是考慮兩個葉片之間可以轉(zhuǎn)動的角度，為滿足設(shè)計要求，設(shè)計中動片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)1800。圖5.1 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機身結(jié)構(gòu)示意圖5.2 機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計計算（1） 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩，應(yīng)該與手臂運動時所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡。 慣性力矩的計算 式中 回轉(zhuǎn)缸動片角速度變化量（），在起動過程中=；t起動過程的時間(s);手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（）。若手臂回轉(zhuǎn)

21、零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為，則 式中 回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動慣量。 回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長1800mm，直徑為60mm的圓柱體，質(zhì)量為159.2Kg.設(shè)置起動角度=180，則起動角速度=0.314，起動時間設(shè)計為0.1s。4694.3密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計。經(jīng)過以上的計算=4839.5（1）回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定 設(shè)計回轉(zhuǎn)缸的靜片和動片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強為8Mpa。d為輸出軸與動片連接處的直徑，設(shè)d=50mm,則回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑通過下列計算： D=151mm既設(shè)計液壓缸的內(nèi)徑為150mm,根據(jù)表4.2選擇液壓缸的基本外徑尺寸180mm(不是最終尺寸)，再經(jīng)過配合等條件的考慮。（2）液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎愀鶕?jù)表4.3所示，因為回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,根據(jù)初步估算， ，,所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目為（一個面6個，兩個面是12個）。危險截面所以， 所以螺釘材料選擇Q235，則（）螺釘?shù)闹睆铰葆數(shù)闹睆竭x擇d=20mm.選擇M20的開槽盤頭螺釘。經(jīng)過以上的計算，需要螺釘來連接，最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖5.2所示，內(nèi)徑為150mm，外徑為