毕业设计设计题目液压机械手装配结构设计学生姓名
学号2012815693
专业班级2012级
指导教师
专业名称机械设计制造及其制动化
2014 年 5月 21日
目录
1. 中文摘要 (4)
2. 英文摘要 (4)
第一章绪论 (5)
1.1 机器人概述 (5)
1.2 机器人的历史、现状 (6)
1.3 机器人发展趋势 (8)
第二章机械手的整体设计方案 (8)
2.1 液压机械手介绍 (8)
2.2 液压机械手的设计要点 (8)
2.3 自由度及关节 (9)
2.4 机械手的系统工作原理及组成 (9)
第三章液压机械手设计参数的确定 (10)
3.1 臂力的确定 (10)
3.2 工作范围的确定 (10)
3.3 确定运动速度 (10)
3.4 手臂的配置形式 (11)
3.5 位置检测装置的选择 (11)
3.6 驱动与控制方式的选择 (11)
第四章手臂伸缩气缸的尺寸设计与验算 (11)
4.1 概述 (11)
4.2 驱动力的计算 (12)
4.3 腕部的结构 (14)
4.3.1概述 (14)
4.3.2 腕部的结构形式 (15)
4.3.3手腕驱动力矩的计算 (15)
4.3.4手腕回转缸的尺寸及其校核 (17)
第五章手臂结构的设计与校核 (20)
5.1概述 (20)
5.2手臂直线运动机构 (21)
5.2.1 手臂伸缩运动 (21)
5.2.2 手臂的升降运动 (21)
5.2.3 手臂回转运动 (22)
5.2.4 手臂的横向移动 (22)
5.3 导向装置 (23)
5.4 臂部运动驱动力计算 (24)
5.4.1臂水平伸缩运动驱动力的计算 (24)
5.4.2臂垂直升降运动驱动力的计算 (24)
5.4.3臂部回转运动驱动力矩的计算 (25)
5.5 手臂伸缩油缸的设计与校核 (25)
5.5.1尺寸校核 (25)
5.5.2计算作用在活塞上的总机械载荷 (26)
5.6 手臂升降油缸的设计与校核 (26)
5.7 手臂回转油缸的设计与校核 (27)
第六章液压系统的设计 (32)
6.1 液压系统简介 (32)
6.2 液压系统的组成 (32)
6.3 机械手液压系统的控制回路 (32)
6.3.1压力控制回路 (33)
6.3.2速度控制回路 (33)
6.3.2方向控制回路 (33)
6.4 机械手的液压传动系统 (33)
6.4.1上料机械手的动作顺序 (33)
6.4.2自动上料机械手液压系统原理介绍 (34)
6.4.3上料机械手典型动作动作循环动作说明 (35)
第七章其它零部件的选择设计 (33)
7.1油缸的密封 (36)
7.1.1活塞式油缸的泄漏与密封 (36)
7.1.2回转油缸的泄漏与密封 (38)
7.2 机械手的运动平稳性与定位精度 (40)
7.2.1 油缸的缓冲装置 (40)
7.2.2 缓冲装置的设计原则 (40)
结论 (41)
参考文献 (42)
附录 (43)
致谢 (44)
液压机械手装配结构设计
液压机械手装配结构设计
摘要
在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。
本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。
关键词：机械手、示教编程、液压、控制
ABSTRACT
In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the
production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.
In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to
carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point.
KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake
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合肥工业大学机械制造及其自动化论文集
第1章绪论
1.1、机器人概述
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。
“工业机器人”（Industrial Robot）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、能在三维空间完成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;尤其在高温、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、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输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单，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，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，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。
机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物
等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。
要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。
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液压机械手装配结构设计
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图1-1 机器人的一般组成
对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、
视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。
图1-2 机器人各组成部分之间的关系 机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。
1.2 机器人的历史、现状
机器人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器人。它的结构特点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，控制系统是示教型的。
日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。
目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。
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第二代机器人正在加紧研制。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，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。
第三代机器人（机器人）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FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。
随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，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。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。
目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。
在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。
随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM 中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。
美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：
（1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。
（2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM 新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；
又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。
（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。
其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、
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仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。
我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。
1.3机器人发展趋势
随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。
就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：
a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；
b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；
c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。
第2章液压机械手整体设计方案
2.1 液压机械手介绍
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。其主要特点是:介质源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，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，所以适用于高速、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，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，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，自动化程度高；
7、容易实现过载保护。
2.2 液压机械手的设计要点
1.2.2 课题的设计步骤
本课题将要完成的主要任务如下:
(1)机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。
(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，包括: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
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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，包括液压元器件的选取，液压回路的设计，并绘出液压原理图。
(5)机械手的控制系统的设计本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。
2.3自由度及关节
机器人具有四个自由度，即腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，都为转动关节；还有一个用于夹持物料的机械手。
2.4 机械手的系统工作原理及组成
机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。
图1-1机械手的系统工作原理框图
机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、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要求的，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到设定位置.
2．4．1执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
2．4．1．1 手部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
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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。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，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成夹放物件的任务。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。
2．4．1．2、手腕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)
2．4．1．3、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，并按预定要求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。
2．4．1．4、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。
2．4．1．5、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。
2．4．2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、气压传动、机械传动。
2．4．3控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电器定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，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。
2．4．4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到设定位置。
第三章液压机械手设计参数的确定
3.1、臂力的确定
目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。本液压机械手的臂力为N臂 =1650（N），安全系数K一般可在1.5~3，本机械手取安全系数K=2。定位精度为±3mm。
3.2、工作范围的确定
机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下：
手腕回转角度0°~180°
手臂伸长量400mm
手臂回转角度0°~210°
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手臂升降行程300mm
3.3、确定运动速度
机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。液压上料机械手要完成整个上料过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。
机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求：
1、给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间；
2、伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。
3、在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。
液压上料机械手的各运动速度如下：
手腕回转速度 V腕回 = 90°/s
手臂伸缩速度 V臂伸 = 300 mm/s
手臂回转速度 V臂回 =90°/s
手臂升降速度 V臂升 = 70 mm/s
立柱水平运动速度 V柱移 = 50 mm/s
手指夹紧油缸的运动速度 V夹 = 50 mm/s
3.4、手臂的配置形式
机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用机座式。机座式结构多为工业机器人所采用，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部也可以安装行走机构，已扩大其活动范围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大。
3.5、位置检测装置的选择
机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。本机械手采用行程开关式。利用行程开关检测位置，精度低，故一般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单实用可靠，故应用也是最多的。
3.6、驱动与控制方式的选择
机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。
控制系统也有不同的类型。除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。
驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。
按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的PLC控制。
第四章手部尺寸设计及校核
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4.1、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的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。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。
设计时应考虑的几个问题
1、应具有足够的握力（即夹紧力）
在确定手指的握力时，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。
2、手指间应有一定的开闭角
两个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。
3、应保证工件的准确定位
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。
4、应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，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。
5、应考虑被抓取对象的要求
应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。
4.2、驱动力的计算
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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结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根据销轴的力平衡条件，即
∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0
P=2P1cosα
P1=P/2cosα
销轴对手指的作用力为p1′。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N 表示。由手指的力矩平衡条件，即∑m01(F)=0得
P1′h=Nb
因 h=a/cosα
所以 P=2b(cosα)2N/a
式中 a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。
α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。
由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°~40°。这里取角α=30度。
这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查《工业机械手设计基础》中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即：
P实际=PK1K2/η
式中η——手部的机械效率，一般取0.85~0.95；
K1——安全系数，一般取1.2~2
K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。
本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为308毫米/秒，移动加速度为616毫米/秒2，工件重量G为350牛顿，V型钳口的夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：
根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式
N=0.5G
把已知条件代入得当量夹紧力为
N=175（N）
由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式
P=2b(cosα)2N/a 得
P=P计算=2*48(cos30°)2*175/44=286.4(N)
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P 实际=P 计算K1K2/η
取η=0.85, K 1=1.5, K 2=1+616/9810≈1.1
则 P 实际=286.4*1.5*1.1/0.85=556(N)
4.2.1、两支点回转式钳爪的定位误差的分析
图2 带浮动钳口的钳爪
钳口与钳爪的连接点E 为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O 到工件中心O′的距离为x,则 x=22)sin /(a b R l -+-α
当工件直径变化时,x 的变化量即为定位误差△,设工件半径R 由Rmax 变化到Rmin 时,其最大定位误差为
△ =∣22)sin max/(a b R l -+-α-22)sin min/(a b R l -+-α∣
其中l=48mm ,b=6mm ,a=44mm ,2α=120° ,R min=25mm ,Rmax=35mm
代入公式计算得
最大定位误差△=∣47.9-47.2∣=0.7＜0.8
故符合要求.
4.3、腕部的结构
4.3.1、 概述
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腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点：
1、结构紧凑，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、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题
4、要适应工作环境的需要。
另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。
4.3.2、腕部的结构形式
本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为0°~180°.
如下图所示为腕部的结构，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，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸的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，即为手腕的回转运动。
图3 机械手的腕部结构
4.3.3、手腕驱动力矩的计算
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的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算：
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M 驱=M 惯+M 偏+M 摩 （N.m ）
式中 M 驱——驱动手腕转动的驱动力矩
M 惯——惯性力矩 （N.m ）
M 偏——参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩 （N.m ）
M 摩——手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 （N.m ）
图4 腕部回转力矩计算图
①、摩擦阻力矩M 摩
M 摩 =2
f （N1D1+N2D2） （N.m ） 式中 f ——轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=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=0.054m N1=800N N2=200N G1=350N e=0.010时
M 摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2
得 M 摩 =2.50（N.m ）
②、工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M 偏
M 偏 =G1 e （N.m ）
式中 G1——工件重量（N ）
e ——偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M 偏为零
当e=0.010，G1=350N 时
M 偏 =3.5（N2m）
③、腕部启动时的惯性阻力矩M 惯
⑴、当知道手腕回转角速度 时，可用下式计算M 惯
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M 惯 =（J+J 工件）
t
? （N2m） 式中
?——手腕回转角速度 （0.79/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）
J ——手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kg2m 2
）
J 工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量 （kg2m 2）
按已知计算得
J=2.5，J 工件 =6.25，?=0.79/ s,t=2
故 M 惯 = 3.46（N2m）
⑵、当知道启动过程所转过的角度?时，也可以用下面的公式计算M 惯： M 惯=（J+J 工件）?
?22
（N2m） 式中 ?——启动过程所转过的角度（rad ）;
?——手腕回转角速度 （0.79/s ）。
考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M 取大一些，可取
M =1.1∽1.2 （M 惯+M 偏+M 摩 ） （N.m ）
M = 1.2*（3.46+3.50+2.50） =10.75（N.m ）
4.3.4、手腕回转缸的尺寸及其校核
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油缸，它的原理如图4-3所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把油腔分隔成两个.当压缩油从孔a 进入时，推动输出轴作逆时针方向回转，则低压腔的油从b 孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。
1-定片 2-缸体 3-动片 4-动片风圈 5-回转轴 a-进油口 b-出油口
图4-3 回转油缸简图
4.3.4.1、尺寸设计 设计油缸内径为90mm D =,半径45mm R =缸,轴径20mm d =,半
径13mm R =轴,油缸运行角速度°90/s ω=，加速度时间0.1s t ?=，回转油缸的工作压力为P=
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528010N/m ?，动片宽度为b=50mm 。
单叶片回转油缸的压力P 和驱动力矩M 的关系为:
22-8bp M D d =（）, 或
228()M p b D d =- 由公式计算力矩：
22-8bp M D d =（）
52210385N.m 80.05?80??=（0.09-0.02）=
4.3.4.2、尺寸校核
1．测定参与手腕转动的部件的质量110kg m =,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径60mm r =的圆盘上，那么转动惯量：
22
1100.060.01822m r J ?=== 2kg m ?
工件的质量为37.5kg ,质量分布于长600mm l =的棒料上，那么转动惯量
2
2
212
37.50.612
1.125 kg.m c ml J =?==
假如工件中心与转动轴线不重合，对于长600mm l =的棒料来说，最大偏心距
150mm e =，其转动惯量为:
2
1112
2
1.12537.50.051.219kg m c J J m e =+=+?=? 则：
1()M J J t ω
=+?惯 90(0.018 1.219)0.11113.3N m =+?
=?
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，1
0e =，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线340mm e =,则 1133
M G e G e =+偏
式中：1G —为手腕回转部件的重量，N
3G —为工件的重量，N
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1010037.5100.04
15 N m
M =??+??=?偏 4.3.4.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为摩M
由于是液压传动，润滑比较好，根据经验得知摩擦力矩很小，故忽略不计。 4.3.4.4、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
122M M M M =++封封封侧封径 式中M 封
—为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，N m ? M 封1—为输出轴与缸盖密封装置处的摩擦阻力矩，N m ?
2112M d l p πμ=封
式中d —输出轴与缸盖密封处直径，20mm d =
l —密封的有效长度（或密封宽度）
l d =0d —“O”形密封圈的截面直径；03mm d =
k —“O”形圈在装配时的压缩率，对于回转运动，0.03~0.05k =,取0.04k =
0.030.0084m l ==
μ—摩擦系数，0.1μ= p —回转油缸的工作压力,528010N/m p =?
则： 25110.020.00840.180102M π=?????封
4.2N m =? M 封侧—为动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力矩，N m ? M 封径—动片外径与油缸密封装置处的摩擦阻力矩，N m
? M 封侧—动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力矩
2211-8M l D d p μ=封侧（）
其中：
1l d =
0.03=
0.0084 m =
D — 回转油缸直径
d — 回转油缸与动片连接处直径
由设计得：90mm,=20mm D d =
则
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22510.008480100.18M =?????封侧（0.09-0.02） 6.5N m =? M 封径：动片外径与油缸密封装置处的摩擦阻力矩
12D M bl p μ=封径
其中b 为动片的宽度，50mm b =，1l ，D ，p 和μ同上述。 50.090.050.008480100.12M =?????封径
15.1N m =?
则： M 2 4.22 6.515.136.5N m
=?+?+=?封 4.3.4.5、回转油缸回油腔的背压反力矩
M 回 22-8b M D d p =回回（）
其中p 回为回油腔的油液压力，在这里初步估算为522010N/m ?
则：
2250.050.09-0.0220108M =???回（） 96.3N m =?
则手腕回转油缸所需的驱动力矩M 驱为：
M M M M M =+++驱回
惯封偏 106.936.5296.3=+++
241.7N m =?
241.7N m 385N m M M =?<=?驱
所以设计尺寸符合使用要求，安全。
第5章 手臂结构的设计与校核
5.1 概述
臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给