机械手手部专业课程设计.doc

1前言
1.1工业机器人简介
工业机器人由操作机（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、可重复编程、能在三维空间完毕各种作业机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改进劳动条件和产品迅速更新换代起着十分重要作用。
机器人并不是在简朴意义上代替人工劳动，而是综合了人特长和机器特长一种拟人电子机械装置，既有人对环境状态迅速反映和分析判断能力，又有机器可长时间持续 工作、精准度高、抗恶劣环境能力，从某种意义上说它也是机器进化过程产物，它是工 业以及非产业界重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少自动化设备。
1.2世界机器人发展
国外机器人领域发展近几年有如下几种趋势：
（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）
（2）机械构造向模块化、可重构化发展。例如关节模块中伺服电机、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。
（3）工业机器人控制系统向基于PC机开放型控制器方向发展，便于原则化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化构造；大大提高了系统可靠性、易操作性和可维修性。
（4）机器人中传感器作用日益重要，除采用老式位置、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、触觉等多传感器融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配备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感觉来操纵机器人。
（6）当代遥控机器人系统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人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用最知名实例。
1.3国内工业机器人发展
国内工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，当前已基本掌握了机器人操作机设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了某些机器人核心元器件，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公司近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂焊装线上。但总来看，国内工业机器人技术及其工程应用水平和国外比尚有一定距离，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，国内已安装国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数万分之四。以上因素重要是没有形成机器人产业，当前国内机器人生产都是应顾客规定，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化限度低、供货周期长、成本也不低，并且质量、可靠性不稳定。因而迫切需要解决产业化前期核心技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推动产业化进程。
1.4我要设计机械手
1. 臂力拟定
当前使用机械手臂力范畴较大，国内既有机械手臂力最小为0.15N，最大为8000N。本液压机械手臂力为N臂 =1650（N），安全系数K普通可在1.5~3，本机械手取安全系数K=2。定位精度为±1mm。
2. 工作范畴拟定
机械手工作范畴依照工艺规定和操作运动轨迹来拟定。一种操作运动轨迹是几种动作合成，在拟定工作范畴时，可将轨迹分解成单个动作，由单个动作行程拟定机械手最大行程。本机械手动作范畴拟定如下：
手腕回转角度±110°
手臂伸长量500mm
手臂回转角度±110°
手臂升降行程100mm
3. 拟定运动速度
机械手各动作最大行程拟定之后，可依照生产需要工作拍节分派每个动作时间，进而拟定各动作运动速度。液压上料机械手要完毕整个上料过程，需完毕夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列动作，这些动作都应当在工作拍节规定期间内完毕，详细时间分派取决于诸多因素，依照各种因素重复考虑，对分派方案进行比较，才干拟定。
机械手总动作时间应不大于或等于工作拍节，如果两个动作同步进行，要准时间长计算，分派各动作时间应考虑如下规定：
① 给定运动时间应不不大于电气、液压元件执行时间；
② 伸缩运动速度要不不大于回转运动速度，由于回转运动惯性普通不不大于伸缩运动惯性。在满足工作拍节规定条件下，应尽量选用较底运动速度。机械手运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式均有很大关系，应依照详细状况加以拟定。
③ 在工作拍节短、动作多状况下，常使几种动作同步进行。为此驱动系统要采用相应办法，以保证动作同步。
液压机械手手部各运动速度如下：
手腕回转速度 V腕回 = 45°/s
手指夹紧油缸运动速度 V夹 = 50 mm/s
4. 位置检测装置选取
机械手惯用位置检测方式有三种：行程开关式、模仿式和数字式。本机械手采用行程开关式。运用行程开关检测位置，精度低，故普通与机械挡块联合应用。在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位既精度高又简朴实用可靠，故应用也是最多。
5. 驱动与控制方式选取
机械手驱动与控制方式是依照它们特点结合生产工艺规定来选取，要尽量选取控制性能好、体积小、维修以便、成本底方式。
控制系统也有不同类型。除某些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门控制系统设计。
驱动方式普通有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。
参照《工业机器人》表9-6和表9-7，按照设计规定，本机械手采用驱动方式为液压驱动，控制方式为继电-接触器控制。

2 手部构造
2.1概述
手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作部件，它具备模仿人手功能，并安装于机械手手臂前端。机械手构造型式不象人手，它手指形状也不象人手指、，它没有手掌，只有自身运动将物体包住，因而，手部构造及型式依照它使用场合和被夹持工件形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等不同而设计各种类型手部构造，它普通可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其她型式。钳爪式手部构造由手指和传力机构构成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。
(一) 设计时应考虑几种问题
1. 应具备足够握力（即夹紧力）
在拟定手指握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。
2. 手指间应有一定开闭角
两个手指张开与闭合两个极限位置所夹角度称为手指开闭角。手指开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径工件，应按最大直径工件考虑。
3. 应保证工件准拟定位

为使手指和被夹持工件保持精确相对位置，必要依照被抓取工件形状，选取相应手指形状。例如圆柱形工件采用带‘V’形面手指，以便自动定心。
4. 应具备足够强度和刚度
手指除受到被夹持工件反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生惯性力和振动影响，规定具备足够强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使构造简朴紧凑，自重轻。
5. 应考虑被抓取对象规定
应依照抓取工件形状、抓取部位和抓取数量不同，来设计和拟定手指形状。
2.2驱动力计算

1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座
图1 滑槽杠杆式手部受力分析
如图所示为滑槽式手部构造。在拉杆3作用下销轴2向上拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1滑槽对销轴反作用力为、，其力方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，和延长线交O1O2于A及B，∠AOC=∠BOC=α。依照销轴力平衡条件，即
∑Fx=0 得 ；
∑Fy=0 得

销轴对手指作用力为。手指握紧工件时所需力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，以表达。由手指力矩平衡条件，即得

h=a/cosα
F=
式中 a——手指回转支点到对称中心线距离（mm）。
α——工件被夹紧时手指滑槽方向与两回转支点连线间夹角。
由上式可知，当驱动力F一定期，α角增大则握力也随之增长，但α角过大会导致拉杆（即活塞）行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之构造加大，因而，普通取α=30°~40°。这里取角α=30° 。
这种手部构造简朴，具备动作灵活，手指开闭角大等特点。综合前面驱动力计算办法，可求出驱动力大小。为了考虑工件在传送过程中产生惯性力、振动以及传力机构效率影响，其实际驱动力F实际应按如下公式计算，即：

本机械手工件只做水平和垂直平移，当它移动速度为250mm/s，系统达到最高速度时间依照设计参数选用，普通取0.03～0.5s，移动加速度为，工件重量G为294N，V型钳口夹角为120°，α=30°时，拉紧油缸驱动力F和计算如下：
(1) 手指对工件夹紧力计算公式：

式中 ——安全系数，普通取1.2～2.0;
——工作状况系数，重要考虑惯性力影响。可近似按下式估算
=1.05，其中
——方位系数，依照手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定按《工业机械手设计》表2-2选用。

由滑槽杠杆式构造驱动力计算公式
(2) 得

(3) 取手指传力效率 η=0.85，
则
2.2夹紧缸设计计算
1. 夹紧缸重要尺寸计算
由前知，夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸，设夹紧工件时行程为25mm，时间为0.5s，则所需夹紧力为：

工作压力取1MP，考虑到为使液压缸构造尺寸简朴紧凑，取工作压力为2.5MP。
选用d=0.5D
得：

式中：D——液压缸内径
P——液压缸工作压力
——液压缸工作效率，

依照液压缸内径系列（JB826-66）选用液压缸内径，D=50mm
同理查得活塞杆直径 d=22mm
2. 缸体构造及验算
缸体采用45号无缝钢管，由JB1068-67

查得可取缸筒外径75mm，则
则，

3. 液压缸额定工作压力（MP）应低于一定极限值，以保证工作安全

式中： D——缸筒内径
——缸筒外径
——缸筒材料屈服点，45号钢为340MPa
已知工作压力，故安全。
4. 缸筒两端部计算
① 缸筒底部厚度计算
此夹紧缸采用了平行缸底，且底部设有油孔，则底部厚度为

考虑构造规定取h=10mm
式中： D——缸筒内径
——液压缸最大工作压力，取
——缸底材料许用应力，材料为45号钢，，n为安全系数，取n=5。
② 缸筒端部联接强度计算
缸筒端部与手指是用螺钉联接，联接图如下：

图3 螺钉联接图
螺纹处拉应力：

螺纹处剪应力：

则合成应力：

则知螺纹连接处安全可靠。
其中：K——拧紧螺纹系数，取K=3
——螺纹连接处摩擦系数，
——螺纹外径，
——螺纹底径，
Z——螺钉数量，Z4

3 腕部构造
3.1概述
腕部是连接手部与臂部部件，起支承手部作用。设计腕部时要注意如下几点：
① 构造紧凑，重量尽量轻。
② 转动灵活，密封性要好。
③ 注意解决好腕部也手部、臂部连接，以及各个自由度位置检测、管线布置以及润滑、维修、调节等问题
④ 要适应工作环境需要。
3.2 腕部构造形式
本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，构造紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为±115°.
如下图所示为腕部构造，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体当回转油缸两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕回转运动。

图3 机械手腕部构造
3.3手腕驱动力矩计算
驱动手腕回转时驱动力矩必要克服手腕起动时所产生惯性力矩必要克服手腕起动时所产生惯性力矩，手腕转动轴与支承孔处摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置摩擦阻力矩以及由于转动重心与轴线不重叠所产生偏重力矩。手腕转动时所需要驱动力矩可按下式计算：

式中：——驱动手腕转动驱动力矩
——惯性力矩
——参加转动零部件重量（涉及工件、手部、手腕回转缸体动片）对转动轴线所产生偏重力矩
——手腕转动轴与支承孔处摩擦力矩

腕部回转力矩计算图
1. 摩擦阻力矩M摩

式中： f——轴承摩擦系数，滚动轴承取f=0.01～0.02，滑动轴承取f=0.1；
N1 、N2 ——轴承支承反力 （N）；
D1 、D2 ——轴承直径（m）
由设计知D1=0.035m D2=0.075m
N1=800N N2=200N
G1=294N e=0.020时

得 M摩 =2.15（N.m）
2. 工件重心引起偏置力矩

式中 G1——工件重量（N）
e——偏心距（即工件重心到碗回转中心线垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重叠时，为零
当e=0.020，G1=294N时
=5.88 （N·m）
3. 腕部启动时惯性阻力矩M惯
① 当懂得手腕回转角速度时，可用下式计算

式中 ——手腕回转角速度 （1/s）
t——手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运动）普通取0.05～0.3s
J——手腕回转部件对回转轴线转动惯量（kg·m）
——工件对手腕回转轴线转动惯量 （kg·m）
按已知计算：
故 = 0.29（N·m）
考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，普通将M取大某些，可取：

因而，得
4. 回转液压缸所产生驱动力矩计算
回转液压缸所产生驱动力矩必要大干总阻力矩。
下图为机械手手腕回转液压缸，定片1与缸体2固定连接，动片3与转轴5
固定连接，当a、b口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到手腕回转目。

回转缸简图

式中：——手腕回转时总阻力矩
p——回转液压缸工作压力
R——缸体内孔半径
r——输出轴半径
b——动片宽度

3 手部液压系统设计
3.1液压系统简介
机械手液压传动是以有压力油液作为传递动力工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供应机械能转换成油液压力能。压力油通过管道及某些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，将油液压力能又转换成机械能。手部夹紧工件时所需保持握力大小，均与油液压力和活塞有效工作面积关于。
3.2液压系统构成
液压传动系统重要由如下几种某些构成：
① 油泵 它供应液压系统压力油，将电动机输出机械能转换为油液压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。
② 液压缸 压力油驱动运动部件对外工作某些。也有回转运动液动缸，普通叫作回转油缸（或称摆动油缸）。
③ 控制调节装置 各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手手臂、手腕、手指等可以完毕所规定运动。
3.3机械手液压系统控制回路
机械手液压系统，依照机械手自由度多少液压系统可繁可简，但是总不外乎由某些基本控制回路构成。这些基本控制回路具备各种功能，如工作压力调节、油泵卸荷、运动换向、工作速度调节以及同步运动等。
1 压力控制回路
① 调压回路 在采用定量泵液压系统中，为控制系统最大工作压力，普通都在油泵出口附近设立溢流阀，用它来调节系统压力，并将多余油液溢流回油箱。
② 卸荷回路 在机械手各油缸不工作时，油泵电机又不断止工作状况下，为减少油泵功率损耗，节约动力，减少系统发热，使油泵在低负荷下工作，因此采用卸荷回路。此机械手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。
③ 减压回路 为了是机械手液压系统局部压力减少或稳定，在规定减压支路前串联一种减压阀，以获得比系统压力更低压力。
④ 平衡与锁紧回路 在机械液压系统中，为防止垂直机构因自重而任意下降，可采用平衡回路将垂直机构自重给以平衡。
为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而发生位移，可采用锁紧回路，即将油缸回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧回路。
⑤ 油泵出口处接单向阀 在油泵出口处接单向阀。其作用有二：第一是保护油泵。液压系统工作时，油泵向系统供应高压油液，以驱动油缸运动而做功。当一旦电机停止转动，油泵不再向外供油，系统中原有高压油液具备一定能量，将迫使油泵反方向转动，成果产生噪音，加速油泵磨损。在油泵出油口处加设单向阀后，隔断系统中高压油液和油泵时间联系，从而起到保护油缸作用。第二是防止空气混入系统。在停机时，单向阀把系统可以和油泵隔断，防止系统油液通过油泵流回油箱，避免空气混入，以保证启动时平稳性。
2 速度控制回路
液压机械手各种运动速度控制，重要是变化进入油缸流量Q。其控制办法有两类：一类是采用定量泵，即运用调节节流阀通流截面来变化进入油缸或油马达流量；另一类是采用变量泵，变化油泵供油量。本机械手采用定量油泵节流调速回路。
节流调速阀长处是：简朴可靠、调速范畴较大、价格便宜。其缺陷是：有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。
3 方向控制回路
在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达运动方向和接通或关闭油路，普通采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油缸及油马达油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。
3.4 机械手液压传动系统
液压系统图绘制是设计液压机械手重要内容之一。液压系统图是各种液压元件为满足机械手动作规定有机联系图。它普通由某些典型压力控制、流量控制、方向控制回路加上某些专用回路所构成。
绘制液压系统图普通顺序是：先拟定油缸和油泵，再布置中间控制调节回路和相应元件，以及其她辅助装置，从而构成整个液压系统，并用液压系统图形符号，画出液压原理图。

4结束语

本次课程设计我做是基于液压工业机械手手部设计，通过3周努力，设计终于完毕。这次设计给了咱们一种较好机会，使咱们理解了设计工作基本流程和设计办法以及理念。
在本次课程设计中，我遇到了许多此前从未遇到过问题，但过通过指引教师指引和我努力，这些问题都得到了较好解决。
虽然咱们设计只是个机械手手部，但需要完毕手部伸缩和回转功能，相应分别要对这些液压缸进行设计，计算和校核。通过这些机设计，使理论知识与实际相结合，巩固和深化了所学过专业理论知识。在设计过程中我不断摸索、不断学习和修改。自学了许多有关学科内容，求教了多位专业教师，上网和在图书馆查阅大量有关资料。
由于时间问题，对于本次机械手设计还存在许多问题，许多地方都尚有待改进和提高，但愿各位专家评审多多指教。

5 参照文献

[1] 邓星钟. 机电传动控制[M]. 华中科技大学出版社，
[2] 孙志礼、冷兴聚、魏延刚等 . 机械设计[M]. 东北大学出版社，
[3] 徐灏. 机械设计手册[M]第5卷. 机械工业出版社， 1992
[4] 吴宗泽. 机械设计师手册[M]. 机械工业出版社，
[5] 成大先. 机械设计图册[M]. 化学工业出版社，
[6] 罗洪量 . 机械原理课程设计指引书[M]（第二版）. 高等教诲出版社，1986
[7] JJ.杰克（美）. 机械与机构设计原理[M]（第一版）. 机械工业出版社，1985
[8] 王玉新. 机构创新设计办法学[M]（第一版）. 天津大学出版社， 1996
[9] 张建民. 工业机器人[B][M]. 北京理工大学出版社，1992
[10] 马香峰. 机器人构造学[B] [M] . 机械工业出版社，1991
[11] [俄]IO.M.索罗门采夫. 工业机器人图册[B] [M]. 机械工业出版社，1993
[12] 黄继昌、徐巧鱼、张海贵等. 实用机械机构图册[B] [M]. 人民邮电出版社，1996
[13] 天津大学《工业机械手设计基本》编写组. 工业机械手设计基本[B] [M]. 天津科学技术出版社，1981
[14] 金茂菁. 国内工业机器人发呈现状[J]. 机器人技术与应用， ， 01（4）
[15] 乔东凯 黄崇林. 移动式工业机器人设计动力学分析[J] .茂名学院学报，， 13（3）
[16] 张广鹏 方英武 田忠强. 工业机器人整机构造方案动态性能评价[J]. 西安理工大学学报， ，20（1）
[17] 王田苗. 工业机器人发展思考[J]. 机器人技术与应用，，（2）期
[18] 李瑞峰.21世纪--中华人民共和国工业机器人迅速发展时代[J]. 中华人民共和国科技成果， ，（18）期
[19] 曲忠萍. 国外工业机器人发展态势分析[J]. 机器人技术与应用， ，（02）
[20] 徐学林. 互换行与测量技术基本[M]. 湖南大学出版社， ，
[21]《机械设计手册》联合编写组. 机械设计手册[M] 下册. 石油化学工业出版社，1978，
[22] 赵松年、张奇鹏. 机电一体化机械系统设计[M]. 机械工业出版社，1996，
[23] 大连理工大学工程画教研室. 机械制图[M]. 高等教诲出版社，，

9 致 谢

在本设计开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了导师教师亲切关怀和精心指引，使得本设计得以顺利完毕，其中无不饱含着教师汗水和心血。导师敏锐学术思想、严谨踏实治学态度、渊博学识、精益求精工作作风、诲人不倦育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终身受益。她对本设计构思、框架和理论运用予以了许多进一步指引，使得设计得以顺利完毕。在此谨向尊敬导师教师表达衷心感谢和崇高敬意。
通过这次毕业设计，大大提高了咱们自主学习和认真思考能力，对学术态度
严谨性也有了很高结识。我相信在后来学习和工作过程中，一定可以好好解决问题，提高自己能力，较快地适应工作和社会激烈竞争。
还要感谢两位同窗，在毕业设计期间，她们给了我许多建议和意见，才使整个设计得以顺利完毕，感谢机电控制工导和教师对我关怀和协助。
再次感谢所有支持和协助过我领导、教师、同窗们。