工业机械手设计说明书.doc

概述
机器手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可反复编程、能在三维空间完毕各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。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十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;特别在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热解决、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运送业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简朴，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了可以独立的按程序控制实现反复操作，合用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能不久的改变工作程序，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。
液压传动机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其重要特点是:介质李源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简朴，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，并且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以合用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
液压技术有以下优点:
（1）体积小、重量轻，因此惯性力小，当忽然过载或停车时，不会发生大的冲击
（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速；
（3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；
（4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制；
（5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；
（6）操纵控制简便，自动化限度高；
（7）容易实现过载保护。
第一章 机械手的设计

1.1 机械手的设计规定
本课题将要完毕的重要任务如下:
(1)机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的合用面相对较广。
(2)选取机械手的座标型式和自由度。
(3)设计出机械手的各执行机构，涉及:手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。
(4)液压传动系统的设计
本课题将设计出机械手的液压传动系统，涉及液压元器件的选取，液压回路的设计，并绘出液压原理图。

1.2 机械手的系统工作原理及组成
机械手的工作原理：机械手重要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定规定的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置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达成设定位置.
机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。

控制系统

位置检测装置
驱动系统
（液压传动）

执行机构

立柱
手臂
手腕
手部

图1-1机械手的系统工作原理框图
(一)执行机构
涉及手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
1、手部
即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简朴，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其因素是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完毕夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。
2、手腕
是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定规定将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、液压缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、液压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。
4、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
5、机座
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
(二)驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 液压传动、机械传动。
()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达成设定位置.

第二章 机械手的整体设计方案

对液压机械手的基本规定是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就规定它们具有高精度、快速反映、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计液压机械手的原则是:充足分析作业对象(工件)的作业技术规定，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能规定和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度规定，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步拟定对机械手结构及运营控制的规定;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用液压上下料机械手（如图2-1所示），是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。

图2-1机械手的整体机械结构
2.1 机械手的座标型式与自由度
按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了填补升降运动行程较小的缺陷，增长手臂摆动机构，从而增长一个手臂上下摆动的自由度。（如图2-2所示）

图2-2 机械手的运动示意图

2.2 机械手的手部结构方案设计
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。

2.3 机械手的手腕结构方案设计
考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的规定。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液压缸。

2.4 机械手的手臂结构方案设计
按照抓取工件的规定，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由液压缸来实现。
2.5 机械手的驱动方案设计
由于液压传动系统的动作迅速，反映灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用液压传动方式。
2.6 机械手的控制方案设计
考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。
2.7 机械手的重要技术参数
一.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用液压方式驱动，因此考虑抓取的物体不应当太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为5公斤。
二.基本参数运动速度是机械手重要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了规定，设计速度过低限制了它的使用范围。（如图2-3所示）而影响机械手动作快慢的重要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为。最大回转速度设计为。平均移动速度为。平均回转速度为。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，由于平均速度与行程有关，故用平均速度表达速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数尚有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相称于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性减少。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据记录和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为。手臂升降行程定为。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为。
三. 用途:用于自动输送线的上下料。
四．设计技术参数:
1、抓重
2、自由度数 4个自由度
3、座标型式 圆柱座标
4、最大工作半径
5、手臂最大中心高
6、手臂运动参数
伸缩行程
伸缩速度
升降行程
升降速度
回转范围
回转速度
7、手腕运动参数 回转范围
回转速度
8、手指夹持范围 棒料:
9、定位方式 行程开关或可调机械挡块等
10、定位精度
11、驱动方式 液压传动

图2-3机械手的工作范围
第三章 手部结构设计

3.1 夹持式手部结构
夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。
3.1.1手指的形状和分类
夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简朴，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。
3.1.2设计时考虑的几个问题
(一)具有足够的握力(即夹紧力)
在拟定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。
(二)手指间应具有一定的开闭角
两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的规定。
(三)保证工件准拟定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。
(四)具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，规定有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简朴紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。
(五)考虑被抓取对象的规定
根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。
3.1.3手部夹紧液压缸的设计
1、手部驱动力计算
本课题液压机械手的手部结构如图3-1所示：

图3-1齿轮齿条式手部

其工件重量G=5公斤，
V形手指的角度，,摩擦系数为
(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:

(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:

所以

(3)实际驱动力:

1、由于传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:
所以
所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为。
2、液压缸的直径
本液压缸属于单向作用液压缸。根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:

式中: - 活塞杆上的推力，N
- 弹簧反作用力，N
- 液压缸工作时的总阻力，N
- 液压缸工作压力，Pa
弹簧反作用按下式计算:

Gf =
式中:- 弹簧刚度，N/m
- 弹簧预压缩量，m
- 活塞行程，m
- 弹簧钢丝直径，m
- 弹簧平均直径，.
- 弹簧有效圈数.
- 弹簧材料剪切模量，一般取
在设计中，必须考虑负载率的影响，则:

由以上分析得单向作用液压缸的直径:

代入有关数据，可得

所以:

查有关手册圆整，得
由,可得活塞杆直径:
圆整后，取活塞杆直径校核，按公式
有:
其中，[]，
则:

满足实际设计规定。
3、缸筒壁厚的设计
缸筒直接承受压缩空液压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:

式中:6- 缸筒壁厚，mm
- 液压缸内径，mm
- 实验压力，取, Pa
材料为:ZL3,[]=3MPa
代入己知数据，则壁厚为:

取，则缸筒外径为:

第四章 手腕结构设计
4.1 手腕的自由度
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规定。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺规定、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工作的规定目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转液压缸。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且规定严格的密封。

4.2 手腕的驱动力矩的计算
4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩
手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。

1.工件2.手部3.手腕
图4-1手碗回转时受力状态
手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:

式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩();
- 惯性力矩();
- 参与转动的零部件的重量(涉及工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩().
- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力
矩();
下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:
1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦
若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则:

式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量;
- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。
若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为:

式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:
- 工件的重量(N);
- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm),
- 手腕转动时的角速度(弧度/s);
- 起动过程所需的时间(s);
— 起动过程所转过的角度(弧度)。
2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏
+ ()
式中: - 手腕转动件的重量(N);
- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)
当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则.
3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩
()
式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm);
- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;
,- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，
根据,得:

同理，根据(F),得:

式中:- 的重量(N)
,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm).
4、 转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。
4.2.2回转液压缸的驱动力矩计算
在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸，它的原理，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶液压缸的压力P驱动力矩M的关系为:
或
4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核
1.尺寸设计
液压缸长度设计为,液压缸内径为=96mm,半径,轴径=26mm,半径,液压缸运营角速度=，加速度时间=0.1s, 压强,
则力矩：

2.尺寸校核
（1）测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，
质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：

（）
工件的质量为5,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量：

假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距
，其转动惯量为:

（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心
与转动轴线重合，，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则：
+

（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承，对于滑动轴承=0.1， ，为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈处的支承反力，粗略估计,,

4．回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计为的3倍，
3

设计尺寸符合使用规定，安全。

第五章 手臂伸缩，升降，回转液压缸的尺寸设计与校核

5.1 手臂伸缩液压缸的尺寸设计与校核
5.1.1 手臂伸缩液压缸的尺寸设计
手臂伸缩液压缸采用烟台液压元件厂生产的标准液压缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际规定，液压缸用CTA型液压缸，尺寸系列初选内径为100/63，关于此液压缸的资料详情请参看烟台液压元件厂公司主页：
.cn/products.asp.
5.1.2 尺寸校核
1. 在校核尺寸时，只需校核液压缸内径=63mm,半径R=31.5mm的液压缸的尺寸满足使用规定即可,设计使用压强,
则驱动力：

2．测定手腕质量为50kg,设计加速度，则惯性力：

3.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数,

总受力

所以标准CTA液压缸的尺寸符合实际使用驱动力规定。

5.1.3 导向装置
液压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的对的方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增长手臂的刚性，在设计手臂结构时，应当采用导向装置。具体的安装形式应当根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来拟定，同时在结构设计和布局上应当尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。
导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增长手臂的刚性和导向性。

5.1.4 平衡装置
在本设计中，为了使手臂的两端可以尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩液压缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和液压缸的运营参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。

5.2 手臂升降液压缸的尺寸设计与校核
5.2.1 尺寸设计
液压缸运营长度设计为=118mm,液压缸内径为=110mm,半径R=55mm,液压缸运营速度，加速度时间=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力：

5.2.2 尺寸校核
1．测定手腕质量为80kg,则重力：

2．设计加速度，则惯性力：

3.考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数，

总受力

所以设计尺寸符合实际使用规定。

5.3 手臂回转液压缸的尺寸设计与校核
5.3.1 尺寸设计
液压缸长度设计为,液压缸内径为,半径R=105mm,轴径半径,液压缸运营角速度=，加速度时间0.5s,压强,
则力矩：

5.3.2 尺寸校核
1．测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，
质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：

（）

考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数,

总驱动力矩：

设计尺寸满足使用规定。
第六章 液压系统原理设计及草图
6.1手部抓取缸

图 3.1手部抓取缸液压原理图〖7〗

1、手部抓取缸液压原理图如图3.1所示
2、泵的供油压力P取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300ml/s。
因此，需装图3.1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。
采用：
YF-B10B溢流阀
2FRM5-20/102调速阀
23E1-10B二位三通阀

6.2腕部摆动液压回路
图 3.2腕部摆动液压回路〖7〗

1、腕部摆动缸液压原理图如图3.2所示
2、工作压力 P=1Mpa
流量 Q=35ml/s
采用：
2FRM5-20/102调速阀
34E1-10B 换向阀
YF-B10B 溢流阀

6.3小臂伸缩缸液压回路
图 3.3小臂伸缩缸液压回路〖7〗

1、小臂伸缩缸液压原理图如图3.3所示
2、工作压力 P=0.25Mpa
流量 Q=1000ml/s
采用：
YF-B10B 溢流阀
2FRM5-20/102 调速阀
23E1-10B二位三通阀

6.4总体系统图
图 6.4总体系统图〖7〗
1、总体系统图如图6.4所示
2、工作过程
小臂伸长→手部抓紧→腕部回转→小臂回转→小臂收缩→手部放松
3、电磁铁动作顺序表
元件
动作
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
小臂伸长
－
+
+
-
-
手部抓紧
－
+
-
-
-
腕部回转
－
+
-
+
-
小臂收缩
－
-
-
-
-
手部放松
－
-
+
-
-
卸荷
＋
±
±
±
±
图6.4总体系统图
4、确电机规格：
液压泵选取CB-D型液压泵，额定压力P=10Mpa，工作流量在32～70ml/r之间。选取80L/min为额定流量的泵，
因此：传动功率 N=P×Q/η （3.1）
式中：η=0.8 （经验值）
所以代入公式（3.1）得：
N=10×80×103×106/60×0.8
=16.7KN
选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率17KW，
转速为2940r/min。

第七章 机身机座的结构设计

机身的直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂，机身既可以是固定式的，也可以是行走式的,如图4.1所示。

图4.1机身机座结构图
臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手的总体布局。本课题机械手的机身设计成机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达成了自由度的规定。

7.1电机的选择
机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。
1、带动臂部升降的电机：〖10〗
初选上升速度 V=100mm/s
P=6KW
所以n=（100/6）×60=1000转/分
选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。
如图4.1 Y90S-4电动机技术数据所示：

型号

额定功率KW
满载时
堵转电流
堵转转矩
最大转矩

电流A

转速r/min

效率%

功率因素
额定电流
额定转矩
额定转矩
Y90S-4
1.1
2.7
1400
79
0.78
6.5
2.2
2.2
图4.1 Y90S-4电动机技术数据
2、带动机身回转的电机：〖10〗
初选转速 W=60º/s
n=1/6转/秒
=10转/分
由于齿轮 i=3
减速器 i=30
所以n=10×3×30=900转/分
选择Y90L-6型笼型异步电动机
电动机采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。
如图4.2 Y90S-6电动机技术数据所示：

图4.2 Y90L-6电动机技术

7.2减速器的选择
减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。用来减少转速和增
转矩，以满足工作需要。〖6〗
初选WD80型圆柱蜗杆减速器。
WD为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。
蜗杆的材料为38siMnMo调质
蜗轮的材料为ZQA19-4
中心矩a=80
Ms×q=4.0×11 （4.1）
传动比I=30
传动惯量0.265×10ˉ³kg·m²

7.3螺柱的设计与校核
螺杆是机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。
螺杆的材料选择：〖6〗
从经济角度来讲并能满足规定的材料为铸铁。
螺距 P=6mm 梯形螺纹
螺纹的工作高度 h=0.5P （4.2）
=3mm
螺纹牙底宽度 b=0.65P=0.65×6=3.9mm （4.3）
螺杆强度 [σ]= σs/3～5 （4.4）
=150/3～5
=30～50Mpa
螺纹牙剪切[τ]=40
弯曲[σb]=45～55
1、当量应力〖6〗
(4.5)

式中 T——传递转矩N·mm
[σ]——螺杆材料的许用应力
所以代入公式（4.5）得：
σ= （4×200×9.8/πd1²）²+3（200×9.8×0.6/0.2d1³）²
= （2495/ d1²）²+3（61.2/ d1³）²≤30～50×106
=（2495/ d1²）²+3（61.2/ d1³）²≤900～2500×1012
=6225025/d14+11236/d16≤900～2500×1012
6225025d12+11236≤900d16×1012
6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012
即16471pa＜535340pa
合格
2、剪切强度〖6〗
Z=H/P=160/6 （旋合圈数） （4.6）
τ=F/πd1bz （4.7）
=200×9.8/π×0.029×3.9×（160/6）×10-3
=206.8×103pa
=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa
3、弯曲强度〖6〗
σb=3Fh/πd1b2z
=3×200×9.8×3/π×2.9×3.92×（160/6）
=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa
合格

第八章 机械手的定位与平稳性
8.1常用的定位方式
机械挡块定位是在行程终点设立机械挡块。当机械手经减速运营到终点时，紧靠挡块而定位。
若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达成较高的反复精度。一般可高于
±0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手也许被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。

8.2影响平稳性和定位精度的因素
机械手能否准确地工作，事实上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简朴情况下，单个量值也许是重要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下：
（1、）定位方式
不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。
（2、）定位速度
定位速度对定位精度影响很大。这是由于定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。
（3、）精度
机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。
（4、）刚度
机械手自身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。
（5、）运动件的重量
运动件的重量涉及机械手自身的重量和被抓物的重量。
运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增长时，定位精度减少。因此，设计时不仅要减小运动部件自身的重量，并且要考虑工作时抓重变化的影响。

（6、 ）驱动源
（7、 液压、气压的压力波动及电压、油温、气温的波动都会影响机械手的反复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节油温措施。如用蓄能器稳定油压，用加热器或冷却器控制油温，低速时，用温度、压力补偿流量控制阀控制。
（7、）控制系统
开关控制、电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是由于各种控制元件的精度和灵敏度不同，并且也与位置反馈装置的有无有关。
本课题所采用的定位精度为机械挡块定位.

第九章 机械手的结构

9.1机械手的重要组成
机械手重要由执行机构、驱动系统、控制系统组成。〖9〗
（1、）执行机构：涉及手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构如7.1所示。

图7.1机构简图
① 手部：是机械手与工件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完毕夹放工件的任务。
② 手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。
③ 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。
④ 立柱：是支承手臂的部件。手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。机械手的立