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机电一体化
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指导教师：完成日期： 2011.3.15
机械手结构优化设计
摘要
在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，本设计通过对机械手各主要组成部分（手部、手腕、手臂和机身等）分析，从而确定各主要组成部分的结构，在此基础上对机械手进行设计计算，从而确定装配总图。通过此次机械手设计，掌握相关机械手设计的主要步骤，对于 CAD/CAM 软件应用方面有了进一步的提高。
关键词：机械手，设计，手部，手腕，手臂，机身，结构
目录
摘要………………………………………………Ⅱ 1 2 3
绪论 (1)
机械手设计要求 (1)
机械手总体设计方案 (1)
3.1 机械手的组成 (1)
3.1.1 执行机构 (1)
3.1.2 驱动机构 (2)
3.1.3 控制机构 (2)
3.2机械手在生产中的应用 (2)
3.3 机械手的主要特点 (2)
3.4机械手的技术发展方向 (3)
3.5机械手坐标形式与自由度选择 (3)
3.5.1 机械手坐标形式选择 (3)
3.5.2 机械手自由度选择 (4)
3.6 3.7 机械手的规格参数 (4)
机械手手部设计计算 (5)
3.7.1 手部设计基本要求 (5)
3.7.2 手部力学分析 (5)
3.7.3 夹紧力与驱动力的计算 (7)
3.7.4 手抓夹持范围计算 (9)
3.7.5 手抓夹持精度的分析计算 (10)
3.8 机械手腕部设计计算 (11)
3.8.1 腕部设计基本要求 (11)
3.8.2 腕部的结构选择 (12)
3.8.3 腕部回转力矩计算 (12)
3.8.4 腕部工作压力计算 (14)
3.8.5 液压缸盖螺钉计算 (15)
3.8.6 动片和输出轴联接螺钉计算 (16)
3.9 机械手臂部设计计算 (17)
- III -
机械手结构优化设计
3.9.1 臂部设计的基本要求 (17)
3.9.2 臂部的结构选择 (17)
3.9.3 手臂伸缩驱动力计算 (18)
3.9.4 手臂伸缩液压缸参数计算 (19)
3.10 机身升降机构计算 (21)
3.10.1 手臂偏重力矩计算 (21)
3.10.2 升降导向立柱不自锁条件 (22)
3.10.3 手臂升降驱动力计算 (23)
3.10.4 手臂升降液压缸参数计算 (24)
3.11 机身回转机构计算 (25)
3.11.1 手臂回转液压缸驱动力矩计算 (25)
3.11.2 手臂回转液压缸参数计算 (26)
3.11.3 液压缸盖螺钉计算 (27)
3.11.4 动片和输出轴联接螺钉计算 (28)
结论 (29)
致谢 (30)
参考文献 (31)
绪论
工业机械手设计是机械制造、机械设计等方面的一个重要的教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次综合设计，通过这一环节把有关课程中所获得的理论知识在实际中综合的加以应用，使这此知识能够得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切的结合起来，通过设计培养学生独立思考能力树立正确的设计思想，掌握机械产品设计的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好的基础。
2 机械手设计要求
要求本设计能鲜明体现设计构思，并在规定的时间内完成以下工作：
（1）拟定机械手的整体设计方案，特别是机械手各主要组成部分的方案。（2）根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结构。（3）各主要部件（手部、腕部、臂部）的设计计算。
（4）工业机械手装配图的绘制。
（5）编写设计计算说明书。
3 机械手总体设计方案
3．1 机械手的组成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。
3．1．1 执行机构
（1）手部即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型，（多为回转型，因其结构简单），手部多为二指（也由多指），根据需要分为外抓式和内抓式两种，也可以用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。传力机构形式也很多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式、重力式。
（2）腕部是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑、灵巧，但回转角度小，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。
（3）手臂
是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件，并带动它们做空间运动，它
的主要作用是带动手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到给定的位置，一般手臂需要三个给定自由度才能满足要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。（4）行走机构
3．1．2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源的不同大致可分为气动、液压、电动和机械式四种。采用液压机构速度快，结构简单，成本低，臂力大，尺寸紧凑，控制方便。
3．1．3 控制机构在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种，大多数用插销板进行点动控制，也有用 PLC 进行控制，主要控制的是坐标位置。有的工业机械手带有行走机构，我国正处于仿真阶段。
3．2 机械手在生产中的作用
机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下几个方面：（1）（2）建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线。在实现单机自动化方面：
a 各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，仍需人工上下料，装上机械手，可实现自动生产，一人看管多台机床。
b 注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现自动生产。
c 冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。
3．3 机械手的主要特点
（1）对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人类有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。
（2）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。
（3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。
（4）机械手通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。
（5）采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。
3．4 机械手的技术发展方向
国内外使用的实际上是定位控制机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确的在机器中定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法：一种是检测把握物体手臂的变形，以选择适当的能力，另一种是直接检测指部与物件的滑落位移，来修正握力。因此这种机械手具有以下几方面的性能：
（1）能准确的抓住方位变化的物体。
（2）能判断对象的重量。
（3）能自动避开障碍物。
（4）抓空或抓力不足时能检测出来。
这种具有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械手，它
是有发展前途的。现在工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，代替人从事繁重、危险的工作，在恶劣环境下尤其明显，至于在汽车业和电子工业之类的费工的工业部门，机械手的应用情况不能说是很好的，原因之一是，工业机械手的性能还不能满足这些工业部门的要求，适合机械手工作的范围很狭小，另外经济性问题也很重要，利用机械手节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而利用机械手实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将飞跃发展。
3．5 机械手坐标形式与自由度的选择
3．5．1 机械手坐标形式选择
机械手一般包括圆柱坐标式、球坐标式、直角坐标式、多关节式。直角坐标式机械手，占用空间大，工作范围小，惯性大，一般不多用，只有在自由度较少时才考虑用。圆柱坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性大，结构简单。多关节式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，能抓取底面物体，但多关节式结构复杂，所以也不多用。球坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体。由以上叙述可以看出圆柱坐标式和球坐标式比较适合，但由于圆柱坐标式比球坐标式在结构方面简单一些，所以最后决定选择圆柱坐标式机械手。
3．5．2 机械手自由度选择
3．6 机械手的规格参数
抓重：300N 手臂运动参数：自由度：4 个坐标形式：圆柱坐标式
伸缩行程（X）：400mm 伸缩速度：升降速度：回转范围：回转速度：手腕运动参数：回转范围：回转速度：位置检测：驱动方式：控制方式：0°~180° <90(°)/s 用电位器反馈式液压驱动（中、低压系统）可编程控制 <250mm/s <70mm/s 0°~210° <90(°)/s升降行程（Z）：400mm
重复定位精度：3mm
3．7 手部设计基本要求
3．7．1 手部设计基本要求
（1）应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。
（2）手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。
（3）在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂负载。
（4）应保证手抓的夹持精度。
3．7．2 手部力学分析通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置采用常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下手抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而手抓张开。下面对其结构进行力学分析：在杠杆 3 的作用下，销轴 2 向上的拉力为 F，并通过销轴中心 O 点，两手指
的滑槽对销轴的反作用力为 F1 和 F2 其力的方向垂直于滑槽的中心线 OO1 和 OO2 并指向 O 点，交 F1 和 F2 的延长线于 A 和 B 。又因为所以a ———手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）α———工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角由分析可知，当驱动力 F 一定时，α角增大，则握力 FN 也随之增大，但α角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好α=30o~40o。
3．7．3 夹紧力与驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据，必须以其大小，方向与作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生动的载荷，以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算： 2——销轴3——杠杆式中K1——安全系数，通常 1.2~2.0； K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按 K2=1+a/g,其中 a 是重力方向的最大上升加速度，a=Vmax /t 响，g 是重力加速度，g=9.8m/s2 。 Vmax——运载时工件最大上升速度； t 响——系统达支最高速度的时间，一般选取 0.03~0.5； K3——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择； G——被抓取工件所受重力；表 1 驱动力与液压缸工件压力关系图
作用在活塞上外力 F(N) <5000 5000~10000 10000~20000 0.8~1 1.5~2.0 2.5~3.0 作用在活塞上外力 F(N) 20000~30000 30000~50000 >50000 2.0~4.0 4.0~5.0 5.0~8.0
液压缸工件压力 MPa
液压缸工作压力 MPa
设 a=40mm,b=80mm,α=30o,机械手达到最高响应时间 0.5s,夹紧力 FN,驱动力
F 和驱动液压缸的尺寸。（1）设 K1=1.6 K2=1+a/g 设 Vmax=70mm/s t 响=0.5s 根据以上公式得：
（2）根据驱动力公式得：
由于实际所采取的液压缸驱动力要大于计算，考虑手爪的机械效率η，一般取η =0.85~0.9。
（3）取η=0.85
（4）确定液压缸的直径 D
选取活塞直径 d=0.5D,选择液压缸工作压力 P=0.8~1Mpa. 所以
根据液压缸内径系列（JB826-66）,选取液压缸的内径为：D=50mm 则活塞杆直径为：d=0.5D=0.5×5=25mm. 所以手部夹紧液压缸的主要参数为：
液压缸内径 D 50mm 活塞杆直径 d 25mm 工作压力 p 0.8MPa 驱动力 F 859.06N 3.7.4 手抓夹持范围计算
为了保证手抓张开角为 120o，设手抓长为 100mm，当手抓没有张开角的时候，根据机构设计，它的最小夹持半径 Rmin=40mm,当张开角为 120o 时，根据双支点回转型手抓的误差分析，取最大夹持半径 Rmax=60mm。所以机械手的夹持半径为 40~60mm。 3．7．5 手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件
定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也与机械手夹持误差大小有关，特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内的变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持半径为 40~60mm,一般夹持误差不超过 1mm,分析如下：工件的平均半径：手抓长 L=100mm,取Ｖ型夹角 2θ=120 偏转角β按最佳偏转角确定：计算得式中因为
Ro——理论平均半径 Rmax>Ro>Rmin
所以
△=0.939<1
夹持误差满足设计要求。
3．8 机械手腕部设计计算
3．8．1 腕部设计的基本要求
（1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能，因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。
（2）结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的联接。
（3）工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。
3．8．2 腕部的结构选择腕部的结构有四种，分别为：
（1）具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构直接用回转液压缸驱动，实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛使用。
（2）用齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于 270o 的情况下，可采用齿条活塞驱动腕部结构。
（3）具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构它使腕部具有绕垂直和水平轴转动的两个自由度。
（4）机—液结合的腕部结构此手腕具有传动简单、轻巧等特点，但结构有点复杂。本设计要求手腕回转 180o，综合以上分析考虑，腕部结构选择具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构。 3．8．3 腕部回转力的计算腕部在回转时一般需要克服以下三种阻力：
（1）腕部回转支承处的摩擦力矩 M 摩为简化计算，一般取 M 摩=0.1M 总力矩
（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 M 偏式中G1——夹持工件重量（N）。e——工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）。
（3）克服启动惯性所需的力矩 M 惯启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度ω及启动所需时间 t 启，按下式计算：或者根据腕部角速度ω及启动过程转过的角度φ启计算：
式中 J 工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量（N.m.s2）。 J——手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量（N.m.s2）。ω——手腕回转过程的角速度（rad/s）。 t 启——启动过程中所需时间，一般取 0.05~0.3s 。φ启——启动过程所转过的角度（rad）。手腕回转所需的总的阻力矩相当于上述三项之和，即：设抓取一根轴，其直径 D=100mm,长度 l=500mm,m1=50kg,当手抓夹持在工件中间位置回转 180o，将手抓、手抓驱动液压缸和回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，长 h=150mm,半径为 50mm，其所受重力为 G，启动过程所转过的角度φ启=0.314rad,等速转动角速度ω=2.616rad/s 。圆柱体重力因为手抓夹持在工件中间位置，所以工件重心到手腕回转轴线的垂直距离为 0，即 e 等于 0，所以 M 偏=G1e=0 。由于又因为所以即 3．8．4 腕部工作压力计算表2 标准液压缸内径系列（JB826-66） 20 70 110 25 75 125 32 80 130 40 85 140 50 90 160 55 95 180 63 100 200 65 105 250
设定腕部的部分尺寸：根据上表设缸体内孔半径 R=55 mm,外径选择 133mm,考虑到实际装配问题后，其外径为 180mm，动片宽度 b=66mm,输出轴半径
r=22.5mm 。表 3 标准液压缸外径系列（JB1068-67）液压缸内径 20 钢
P≤160MPa 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200
50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245
45 钢P≤200 MPa 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 由于实际回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩 M 总力矩，即：
式中 M 总力矩——手腕回转时的总的阻力矩（N.m） P——回转液压缸工作压力（Mpa） R——缸体内孔半径（mm） r——输出轴半径（mm） b——动片宽度（mm）所以所以腕部回转液压缸主要参数为：工作压力 P 1MPa 缸体内径 R 110mm 输出轴半径 r 22.5mm 回转力矩 M 13.1N.m 动片宽度 b 66mm
3．8．5 液压缸盖螺钉计算表 4 螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系工作压力 P （MPa） 0.5~1.5 1.5~2.5 2.5~5.0 5.0~10.0 螺钉的间距 t (mm) <150 <120 <100 <80t 为螺钉的间距，间距跟工作压力有关，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为：液压缸工作压力为 P=1MPa,所以螺钉间距 t 小于 150mm,试选择 8 个螺钉以选择螺钉数目合适 Z=8 个，危截面面积螺钉的强度条件为：式中 R——缸体内孔半径（mm）［σ］——螺钉材料的许用拉应力（MPa） d 1——螺钉螺纹内径（mm）螺钉材料选择 Q235,取σs=240MPa,则即回转液压缸盖螺钉的直径选择 d1=6mm 3．8．6 动片和输出轴间联接螺钉计算动片和输出轴间联接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位，联接螺钉的作用是使动片和输出轴之间的配合紧密，当油腔通高压油时，动片受油压作用产生一个合成液压力矩，克服输出轴上所受的外载荷力矩。由得式中f——被联接件配合面间的摩擦系数，钢对铜取 f=0.15 D——缸体内径（mm） d——动片与输出轴配合处
直径（mm）FQs′——动片和输出轴间联接螺钉的预紧力（N） b——动片宽度（mm）P——回转液压缸工作压力（Pa）螺钉的强度条件为：螺钉材料选择 Q235,取
σs=240MPa,则即动片和输出轴间联接螺钉的直径选择 d1=6mm,选择 M6 的开槽盘头螺钉。式中［σ］——螺钉材料的许用拉应力（MPa） d 1——螺钉的直径（mm）
3．9 机械手臂部设计计算
3．9．1 臂部设计的基本要求
（1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻
（2）臂部运动速度要高，惯性要小
（3）手臂动作应该灵活
（4）位置精度要高 3．9．2 臂部的结构选择常见的手臂伸缩机构由以下五种：（1）双导向杆手臂伸缩机构手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆均受拉压，故受力简单传动平稳。
（2）双层液压缸空心活塞杆单杆导向机构其特点是工作液压缸容积小、运动速度快、外形整齐、活塞杆直径大、增加手臂刚性。
（3）采用花键套导向的手臂升降机构内部导向，活塞杆直径大、刚度大、传动平稳，花键轴端部的定位装置值得注意，必须保证手臂安装在正确的初始设计位置上。
（4）双活塞杆液压缸结构活塞杆速度先慢后快，是用短液压缸实现大行程的结构。
（5）活塞杆和齿轮齿条机构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联接的齿轮做往复回转而使手臂左右摆动。通过以上，综合考虑，本设计选择双向导向杆手臂伸缩机构，使用液压驱动，液压缸选取双作用液压缸。 3．9．3 手臂伸缩驱动力计算伸缩液压缸活塞驱动力的计算公式为： F 驱=F 摩+F 密+F 回+F 惯式中 F 摩——手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。 F 密——密封装置处的摩擦阻力。 F 回——液压缸回油腔低压油液所造成的摩擦阻力。 F 惯——启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。（1） F 摩的计算经计算式中 G 总——参与运动的零部件所受的总重量（N）。L——手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑前端的距离（mm） a——导向支撑的长度（mm）μ′——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面形状有关。对于圆柱面：μ——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取
μ=0.1~0.15 钢对铸铁：取μ=0.18~0.3 计算：导向杆的材料选择钢、导向支撑选择铸铁， L=700mm,导向支撑 a=420mm,带入数据得：
（2） F 惯的计算经计算
式中Δv——由静止加速到常速的变化量（mm/s）。Δt——启动过程时间（t），一般取 0.01s~0.5s 。手臂启动速度Δv=83mm/s,启动时间Δ
t=0.02s,g=9.8N/kg,带入数据得：
（3） F 密的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用 O 型密
封圈，当液压缸工作压力小于 10MPa 时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：F 密=0.03F 驱
（4） F 回的计算一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。经过以上分析计算，液压缸的驱动力为： F 驱=F 摩+F 密+F 回+F 惯=3640+0.03 F 驱
+338.8 所以手臂伸缩驱动力 F 驱= 4102N 3．9．4 手臂伸缩液压缸参数计算经过上面计算，确定了液压缸的驱动力 F P=1MPa。
（1）液压缸内径计算
驱= 4102N，因此选择液压缸的工作压力当油进入无杆腔：当油进入有杆腔：所以式中 F 驱——手臂伸缩液压缸驱动力（N）
D ——液压缸内径（mm） d——活塞杆直径（mm）η——液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取η=0.95 P1——液压缸的工作压力（MPa）带入数据得：根据液压缸内径系列（JB826-66）,选取液压缸的内径为：D=80mm （2）活塞杆直径计算活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求，对于杆长 l 大于直径 15 倍（l>15d）的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。按强度条件决定活塞杆直径 d 按拉压强度计算：
设活塞杆材料为碳钢，碳钢［σ］=100~120 MPa,取［σ］=100 MPa 即表 5 活塞杆直径系列（JB826-66）
4 18 40 7
5 5 20 45 80 5 22 50 85 8 25 55 90 10 28 60 95 12 30 63 14 32 65 1
6 35 70
根据活塞杆直径系列（JB826-66）选取活塞杆直径 d=8mm 。所以手臂伸缩液压缸主要参数为：液压缸内径 D 80mm 工作压力 P 1MPa 活塞杆直径 d 8mm 驱动力 F 4720N
3．10 机身升降机构计算
3．10．1 手臂偏重力矩的计算
图 5 手臂各部件重心位置图设所以设
所以偏转力矩式中ρ——重心到回转轴线的距离(mm) 3．10．2 升降导向立柱不自锁条件手臂在 G 总的作用下有向下的趋势，而立柱导套则防止这种趋势。由力平衡条件得：
所谓不自锁条件为：
即因此在设计中必须考虑到立柱导套长度大于 391mm 。式中 f——摩擦系数h——立柱导套的长度 3．10．3 手臂升降驱动力的计算由手臂升降驱动力的公式得： F 驱=F 摩+F 密+F 回+F 惯±G 总
（1） F 摩的计算
所以
（2） F 惯的计算经计算式中Δv——由静止加速到常速的变化量(mm/s) 。Δt——启动过程时间(t),一般取 0.01s~0.5s 。
手臂启动速度Δv=83mm/s,启动时间Δt=0.02s,g=9.8N/kg,带入数据得：
（3） F 密的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用 O 型密封圈，当液压缸工作压力小于 10MPa 时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：F 密=0.03F 驱
（4） F 回的计算一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。经过以上分析计算，液压缸的驱动力为：所以当液压缸向上驱动时当液压缸向下驱动时3．10．4 手臂升降液压缸参数计算经过上面计算，确定了液压缸的驱动力 F 驱，因此选择液压缸的工作压力 P=1MPa,为了满足要求，此时取 F 驱=1999.2N 进行计算。
（1）液压缸内径计算：当油进入无杆腔：当油进入有杆腔：液压缸的有效面积：所以式中 F 驱——手臂升降液压缸驱动力(N) D——液压缸内径(mm) d——活塞杆直径(mm) η——液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取η=0.95
P1——液压缸的工作压力(MPa)带入数据得：根据液压缸内径系列（JB826-66），选取液压缸的内径为：D=55mm
（2）活塞杆直径计算活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求，对于杆长 l 大于直径 15 倍（l>15d）的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。按强度条件决定活塞杆直径 d 按拉压强度计算：设活塞杆材料为碳钢，碳钢［σ］=100MPa 即根据活塞杆直径系列（JB826-66）选取活塞杆直径 d=6mm 所以手臂升降液压缸主要参数为：工作压力 P 1MPa 液压缸内径 D 55mm 活塞杆直径 d 6mm 驱动力 F 1999.2N
3．11 机身回转机构的计算
3．11．1 手臂回转液压缸驱动力矩计算手臂回转液压缸驱动力矩
（1） M 惯的计算回转部件可以等效一个高 1500mm,半径为 60mm 的圆柱体，圆柱体重量为 G 总=800N， M 驱=M 惯+M 密+M 回设启动角速度
Δω=0.314rad/s,启动时间Δt=0.1s 。所以
（2） M 密与 M 回的计算为了计算方便，密封处的摩擦阻力矩 M 密=0.03M 驱，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计，即 M 回=0 。因此 3．11．2 手臂回转液压缸参数计算设 b=60mm,液压缸工作压力 P=4MPa,d=50mm,则由
得所以取液压缸内径为 140mm 式中 D——液压缸内径(mm) P——回转液压缸工作压力(MPa) b——动片宽度(mm) d——输出轴与动片联接处的直径(mm) 所以手臂回转液压缸主要参数为：
工作压力 P 4MPa
液压缸内径 D 140mm
动片宽度 b 60mm
输出轴直径 d 50mm
驱动力矩 M 476N.m
3．11．3 液压缸盖螺钉计算由表 4 可以看出螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系： T 为螺钉的间距，间距跟工作压力有关，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为： FQs=FQ+ FQs' FQ 为工作载荷， FQs'为预紧力液压缸工作压力为 P=4MPa,所以螺钉间距 t 小于 100mm,试选择 8 个螺钉所以选择螺钉数目合适 Z=8 个，危险截面面积所以螺钉的强度条件为：式中 D——动片外径(mm)［σ］——螺钉材料的许用应力(MPa) d 1——螺钉螺纹内径(mm) 螺钉材料选择 Q235，取
σs=240MPa,则即螺钉的直径选择 d1=14mm 经过以上的计算，需要螺钉来联接，最终确定液压缸的截面尺寸，内径为 140mm,外径为 240mm，输出轴直径为
50mm 。 3．11．4 动片和输出轴之间的联接螺钉由得式中 f——被联接件配合面间的摩擦系数，钢对铜取 f=0.15 D——动片外径(mm) d——动片与输出轴配合处直径(mm) FQs'——动片和输出轴间联接螺钉的预紧力(N) b——动片宽度(mm) P——回转液压缸工作压力(Pa)
结论
通过此次毕业设计，使我了解了机械手的很多相关知识，使我了解了当前国内外在此方面的一些先进生产和制造技术，了解了机械手设计的一般过程，通过对机械手的结构设计作了系统的分析，掌握了一定的机械设计方面的知识，为以后的工作学习奠定了基础。本次毕业设计只是对机械手的手部、腕部、臂部以及机身做了系统的设计计算，设计中没有涉及到机械手的控制问题，对这方面有点模糊，需要在以后的工作学习中了解和掌握，由于经验知识水平的局限，设计难免有不到之处，望老师见量、指正。
致谢
非常感谢学院领导和老师给我提供了这次良好的深入学习的机会和宽松的学习环境，通过这次毕业设计，不但使我将大学期间所学的专业知识再次回顾学习，而且也使我学到了专业领域中一些前沿的知识。非常感谢在本次设计中曾给予我耐心指导和亲切关怀的老师以及帮助过我的同学，正是由于他们的帮助和鼓励才使我能够在毕业设计过程中克服种种困难，最终顺利完成论文，他们的学识和为人也深深地影响着我，在此，请允许我再次向曾经给予我多次指导的导师表示最忠诚的敬意！
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参考文献
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理工学院毕业设计(论文)开题报告 题目：铣床自动上下料点位控制机械手的设计 学生姓名：韩抟彬学号： 10L0551370 专业：机械设计制造及其自动化 指导教师：陈继荣 2014年3月31日
毕业设计开题报告 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。 PLC是以现代微处理器技术为核心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其可靠性高、抗干扰能力强；PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响，此外PLC还可在强、通用性好；开发周期短，功耗小。本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。 1．课题研究的目的和意义 1.1本课题的意义 机械手又名工业机器人，是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。 机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的
第1章绪论 1.1工业机械手的定义 工业机械手诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机械手技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产，解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。在我国，工业机械手的真正使用到现在已经接近20多年了，已经基本实现了试验、弓I进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机械手技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机械手是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中，工业机械手既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中，也有效地用于辅助操作中。工业机械手与传统自动化手段不同之处，首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中，工业机械手广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上，以完成传送装备和其它操作。工业机械手和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机械手技术综合体一柔性生产系统基本结构模块。 机械手是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。一方面，机械手在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展；另一方面，机械手向着非制造业应用发展以及微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。 在理论上，随着世界经济和技术发展，人类活动领域的不断扩大，机械手应有正迅
南京大学 毕业设计(论文)开题报告 学生姓名：学号： 专业：机械工程及自动化 设计(论文)题目：机械手设计 指导教师: 2010年4月 4日
开题报告填写要求 1．开题报告(含“文献综述”)作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写(或打印)在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量(不包括辞典、手册)； 4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2010年3月15日”或“2010-03-15”。
毕业设计(论文)开题报告 1．结合毕业设计(论文)课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述： 文献综述 摘要本文主要介绍了机械手的应用范围、机械手的组成及每个组成部分的作用、工作原理、国内外的发展趋势、发展前景和方向，机械手的应用、机械行业中使用机械手的意义，重点阐述了机械人的各个组成部分的发展趋势和应用场合。 关键词机械手发展趋势意义 1 序言 随着时代的不断进步，经济飞速发展，生活水平的逐年提高，人们的环保意识，自我安全意识也在不断加强，同时也使人们对各种产品的要求更高了，机械人显然更符合现在人们的需求。机械手轻巧、制造成本低、工作效率高、噪声较小、低温起动性较好、使用和维护方便，已在机械、化工、医药、纺织、微电子、食品、运输等领域得到了越来越广泛的运用[1]。在当今的中国社会，经济发展方式正由粗放密集型转向节约内向型，原来的生产方式必须进行较大的变革。这就要求在最短的时间内，创造出最高的加工效率，而且还要保证较高的生产质量。机械加工中的机床﹑机械手就必须符合这种条件下的生产加工。 2 机械手概况 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋
第一章绪论 1. 1 PLC简介 可编程控制器简称PLC(Progrsmmable Logic Controller, PLC),它是以微处理器为基础服务夫人通用工业控制装置。国际电工委员会(IEC)在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输出和输入，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器是一种通用的工业控制计算机。它的程序是可以控制不同的对象。具有更大的灵活性，再加上体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善，适应性强，安装接线简单等众多优点，它可以方便地应用在各种场合，PLC釆用了典型的计算机结构，主要是山微处理器(CPU)、存储器(RAM/R0M)、输入输出接口(I/O)电路、通信接口及电源组成。 中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 PLC的主要特点，可靠性高、抗干扰能力强功能完善、应用领域广编程简单，易学易用系统安装简单、体积小、价格低可编程控制器的应用领域PLC在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业的应用也越来越广泛，主要有以下儿个方面的控制，开关量的逻辑、控制模拟量控制、运动控制过程控制、数据处理通信及联网。PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着现代社会计算机技术的提高，网络通讯技术的不断发展，它也将和其他的工业控制计算
摘要 随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，机器人的应用领域逐步从汽车拓展到其它领域。在各种类型的机器人中，模拟人体手臂而构成的关节型机器人，具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点，是应用最为广泛的机器人之一。尤其由柔性关节组成的柔性仿生机器人在服务机器人及康复机器人领域中的应用和需求越来越突出。 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：机器人，示教编程，伺服，制动
ABSTRACT With the development of microelectronic technology, sensor technology, the rapid development of control technology and machinery manufacturing technology level, the application of robots gradually expanded from cars to other fields. In all types of robots, the articulated robot arm simulation human form, has the advantages of compact structure, small occupied space, large moving space, is one of the most widely used robots. Especially flexible biomimetic robot composed of flexible joint in the field of service robot and rehabilitation robot application and demand more and more prominent. 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
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：机器人，示教编程，伺服，制动
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
天津机电职业技术学院毕业综合实践报告 专业电气自动化 班级电气自动化三班
目录 1 机械手的基本介绍 (1) 1.1 机械手的基本结构组成 (1) 1.1.1 气动手爪 (1) 1.1.2 伸缩气缸 (1) 1.1.3 回转气缸及垫板 (2) 1.1.4 提升气缸 (2) 1.2 直线运动传动组件 (2) 1.3 气动控制回路 (3) 2 传感器部分 (5) 2.1 传感器简介 (5) 2.2 磁性开关 (5) 2.3 光电传感器和光纤传感器 (5) 3 伺服电机应用 (7) 3.1 伺服系统 (7) 3.2 交流伺服系统的位置控制模式 (8) 3.3 接线 (10) 3.4 伺服驱动器的参数设置与调整 (10) 3.4.1 参数设置方式操作说明 (11) 3.4.2 面板操作说明： (11) 3.4.3 部分参数说明 (11) 3.5 最大速度（MAX_SPEED）和启动/停止速度（SS_SPEED）12 3.6 移动包络 (13) 4 PLC程序编写 (15) 4.1 PLC的选型和I/O接线 (15) 4.2 伺服电机驱动器参数设置 (15) 4.3 编写和调试PLC控制程序 (16) 4.4 初态检查复位子程序和回原点子程序 (19) 4.5 急停处理子程序 (20) 个人收获 (23) 参考文献 (24) 附录 (25) 致谢 (28)
1 机械手的基本介绍 1.1 机械手的基本结构组成 1.1.1 气动手爪 用于在各个工作站物料台上抓取/放下工件。由一个二位五通双向电控阀控制。见图 1-1 图 1-1 气动手爪 1.1.2 伸缩气缸 用于驱动手臂伸出缩回。由一个二位五通单向电控阀控制。见图 1-2 图 1-2 伸缩气缸
毕业设计论文题目：气动机械手的设计 设计人： 指导教师： 所属院系： 专业班级： 2014年11月10日
第1章前言 1.1工业机械手概述 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。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率: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
1.绪论 1.1工业机械手设计的意义 1、熟悉机械手的应用场合及有关机械手设计的步骤； 2、机械手可以提高生产过程中的自动化程度，减轻人力，便于有节奏的生产； 3、结合机械手设计这方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题、研究问题、解决问题。 1.2国外的机械情况 现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。 机械手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械手。他的结构是：机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Uni-mate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。 1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978年美国Uni-mate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Uni-mate 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。 美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Uni-mate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前
中国石油大学（华东）现代远程教育 毕业设计（论文） 题目：机械手的设计 学习中心：山东莱阳学习中心 年级专业： 姓名：孙照源学号： 指导教师：职称： 导师单位：莱阳市职业中等专业学校 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 2011年 08月 30 日
目录 摘要 (3) 第一章前言 1.1机械手概述 (4) 1.2机械手的组成和分类 (4) 1.2.1机械手的组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 1.2.2机械手的分类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 第二章机械手的设计方案 2.1机械手的坐标型式与自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 2.2机械手的手部结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 2.3机械手的手腕结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 2.4机械手的手臂结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.5机械手的驱动方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.6机械手的控制方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.7机械手的主要参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.8机械手的技术参数列表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 第三章手部结构设计 3.1夹持式手部结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.1.1手指的形状和分类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.1.2设计时考虑的几个问题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.1.3手部夹紧气缸的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 第四章手腕结构设计 4.1手腕的自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 4.2手腕的驱动力矩的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 4.2.2回转气缸的驱动力矩计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 第五章手臂伸缩，升降，回转气缸的设计与校核 5.1手臂伸缩部分尺寸设计与校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 5.1.1尺寸设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 5.1.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 5 .1 .3导向装置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 5 .1 .4平衡装置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 5.2手臂升降部分尺寸设计与校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 5.2.1尺寸设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 5.2.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 5.3手臂回转部分尺寸设计与校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 5.3.1尺寸设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 5.3.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
毕业设计（论文）题目数控机床上下料机械手 专业班级 姓名 所属助学单位 2015 年 9 月 5 日
目录 1 绪论 (1) 选题背景 (1) 设计目的 (1) 发展现状与趋势 (2) 2 液压上下料机械手的设计方案 (3) 机械手的概念 (3) 机械手的组成及工作原理 (3) 机械手的总体设计 (4) 机械手的总体机构的类型 (4) 具体采用方案 (5) 机械手主要部件的选用 (5) 机械手手爪的选用 (5) 机械手手腕的选用 (6) 机械手手臂的选用 (7) 机械手机身的选用 (8) 驱动机构的选择 (8) 传动结构的选择 (9) 机器人手臂的平衡机构设计 (10) 3 液压系统的设计 (11) 液压系统的概述 (11) 液压系统的组成 (11) 液压系统的基本控制回路 (11) 液压系统的总体设计 (12) 控制回路的设计 (12) 液压源系统的设计 (12) 绘制的液压系统图 (13) 液压系统的简单计算 (13) 油泵电动机功率的确定 (18) 4 机械手控制系统的设计 (19)
系统硬件电路的设计 (19) 可编程控制器的概念 (19) PLC的应用领域 (19) PLC系统的组成 (20) PLC的工作原理 (21) 结论 (30) 致谢 (31) 参考文献 (32) 摘要 通过对机械设计基础、工业用微型计算机及其自动化等专业课程的学习，以及课外实践所学的知识，对数控机床上下料机械手各部分机械结构和功能进行了论述和分析，设计了一种液压式圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。此设计主要针对机械手的手爪、手腕、手臂、机身等各部分机械结构以及机械手控制系统（传动系统、驱动系统）进行了的设计。同时对PLC控制系统和液压系统进行了理论分析和设计计算。PLC控制系统的分析重点放在PLC各硬件部分的设计和介绍、PLC梯形图的编写上。此次设计的自动上下料机械手采用液压驱动，传动平稳，且易于控制，控制系统用PLC作为控制器，优化了机械手群的控制系统。该机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业。 关键词：机械手；液压系统；PLC控制系统；
机械手设计 摘要 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 本文设计了一个机械手行走小车，以完成行走，抓取，翻转等功能，对应分别要有行走机构，抓取机构，提升机构，翻转机构等来实现。该小车是由步进电机驱动，由各特征点运动的合成形成小车的各种运动。整个小车的机械设计是以所学机构方面的理论知识为理论基础的，参考小车的组成机构，同事兼顾使用场合的环境，以“模块化”的设计思想完成了几个运动模块的设计。 关键词：机械手智能运动模块
引言 0.1机械手简介 (1) 0.2机械手的组成 (3) 0.3 应用机械手的意义 (5) 第一章总体技术方案及系统组成 1.1原始数据 (7) 1.2 工作要求 (7) 1.3系统组成 (8) 1.4总体技术方案 (8) 第二章机械手的液压部分 2.1液压系统的工作原理 (10) 2.2液压传动的工作特征 (10) 2.3液压系统的组成 (10) 2.4液压系统的优、缺点 (11) 第三章回转装置的总体组成及结构设计 3.1 回转装置的组成 (13) 第四章机械传动方案的设计与计算 4.1 小车的主要组成部分 (15) 4.2 同步带传动方式优缺点 (15) 4.3 驱动动力源 (15) 4.4 机械传动方案的设计计算 (16) 第五章零件加工编程 5．1数控车床加工程序编制基础 (22) 5．2程序编制 (23) 设计小结 (30) 谢辞 (31) 参考文献 (32)
内容提要 机械手因其较高灵活性和通用性，在生活、制造等各个领域中都扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物，分拣物品，并能够在在有害环境下操作以保护人身安全，代替人的繁重劳动，因此被广泛应用于机械制造、轻工以及需求物品搬运等各种场所。 本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对应用于直升机模拟搜救的机械手技术进行了系统的分析，并就其结构的合理性以及应用的可实施性提出了合理化方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对直升机模拟搜救机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用液压驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。 通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型直升机模拟搜救机械手的设计方案。 关键词 机械手；控制；编程
The Helicopter Rescue Robot Simulation Design and Application 060606219 Pengfei Qiao Faculty adviser Bingxin Hou engineer Abstract Because of its high flexible manipulators and universality, in life, in various fields such as plays a very important role. It can carry goods, articles, and can be sorted in harmful environment to protect personal safety operation, instead of heavy labor, therefore, are widely used in machinery manufacturing, light industry and the demand for handling items. Based on the review of the development in recent years manipulator based on the design of manipulator, in search of the manipulator used helicopters simulation technology systematically analyzed, and its structure rationality and application of constructability put forward rationalization plan. Adopts integrative design ideas, full consideration of the characteristics of the software and hardware and complementary optimization. The helicopter rescue manipulator to simulate the overall structure, structure, driving system and control system analysis and design. In its drive system used in the hydraulic control system, PLC control unit to choose the system function, the mobile manipulator initialization, fault alarm functions. Through the above work, economical and practical, high reliability model of the manipulator rescue helicopter simulation design scheme. Keywords
[机电一体化]论文
目录 第一章绪论............................................... ３ 1.1 气动机械手概述.......................................... ３ 1.2 机械手的组成和分类...................................... ３ 1.2.1机械手的组成........................................ ３ 1.2.2机械手的分类........................................ ５ 1.3 国内外发展状况.......................................... ７ 1.4课题的提出及主要任务..................................... ８ 1.4.1课题的提出.......................................... ８ 1.4.2课题的主要任务...................................... ９第二章机械手的设计方案................................. １０ 2.1机械手的坐标型式与自由度............................... １０ 2.2 机械手的手部结构方案设计.............................. １１ 2.3 机械手的手腕结构方案设计.............................. １１ 2.4 机械手的手臂结构方案设计.............................. １１ 2.5 机械手的驱动方案设计.................................. １１ 2.6 机械手的控制方案设计.................................. １２ 2.7 机械手的主要参数...................................... １２第三章气动系统设计...................................... １３3．1 气压传动系统工作原理图............................... １３第四章机械手的PLC控制设计.............................. １４ 4.1可编程序控器的简介..................................... １４
毕业论文(设计）开题报告
保持的握力的大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动,机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。(3)可编程控制器(PLC) 可编程控制器（简称PLＣ）:是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换,并将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点,同时物理实现也是PＬＣ与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场,输出应放大到工业控制的水平,能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器(CＰU)、存储器（RAM／ＲOM)、输入输出接口(I/O)电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如下图所示：?图2-1 PLC基本结构图 ?当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PＬC 的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如下: (一) 输入采样阶段在输入采样阶段,PLＣ以扫描方式依次地读入所有输入状态和 数据，并将它们存入I／Ｏ映象区中的相应得单元内。输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化，I／Ｏ映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。 (二）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RＡM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功
机械手设计毕业论文 Hessen was revised in January 2021
摘要 本设计为冲床上料机械手设计。基本参数为：升降行程135mm，手臂回转角度为105°。此机械手能以34次 /分的频率，传送重公斤重的硒钢片。 该机械手采用气压传动方式驱动，气缸最大压力为，为提高气缸活塞密封的可靠性，活塞采用2个O型环密封。机械手的的抓取部分为吸附式，采用2个型号为ZP16UN的真空吸盘，吸盘提升力由真空泵提供。机械手工作时，气缸推动活塞杆作升降运动。活塞杆的中部装有一个深沟球轴承，当活塞杆上下运动时，轴承沿导向筒上的螺旋槽移动。活塞轴与手臂相连，当活塞轴作上升运动时，带动装有真空吸盘的吸附式手臂作边上升边回转的复合运动，将被冲压件送到冲床上；当活塞轴作下降运动时，带动装有真空吸盘的吸附式手臂作边下降边回转的复合运动，使机械手回到初始状态，完成一个上料循环。 关键词：冲床机械手气压传动
Abstract ［单击此处键入英文摘要，内容应当与中文摘要相同］KeyWords：冲床机械手气压传动
目录
1 工业机械手的发展概况 工业机械手定义 机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。 工业机械手发展概况 工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的.我国的工业机械手是从80年代"七五"科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过"七五","八五"科技攻关,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有130多台喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。如：可靠性低于国外产品，机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械