液壓機(jī)械手設(shè)計 機(jī)電工程系畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)論

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1、1 緒 論 1.1機(jī)械手的簡介 機(jī)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(yùn)或操作的自動機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。 機(jī)械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 機(jī)械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算

2、機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)力。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。 目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時，柔性

3、生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用 1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前，在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械

4、手的研究成為科研的熱點，工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，但無論數(shù)量、品種和性能方面還都是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計制造，有便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時要提高速度，減少沖

5、擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。 此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計算機(jī)連用，逐步成為整個機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 國外發(fā)展現(xiàn)狀 在國外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。 此外，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能，目前已經(jīng)取得一定成績。 視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視

6、照相機(jī)和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達(dá)到自動調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。 總的來說，大體是兩個方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的

7、任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 1.3 機(jī)械手的發(fā)展趨勢 (1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。 (2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，

8、控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。 (6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)

9、控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。 1.4 機(jī)械手的組成 機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。 (1)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 1）手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型

10、應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2）手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢) 3）手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件

11、。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運(yùn)動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動。 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，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動和升降(或俯仰)運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5）行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動。滾輪式布為

12、有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運(yùn)動則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動裝置。 6）機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 (2)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機(jī)械傳動。控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動， 并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及時間)，同

13、時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (3)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (4)位置檢測裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置，并隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實

14、際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置. 機(jī)械手的類型 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下： （1）直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用三個相互垂直的直線運(yùn)動來實現(xiàn)的，如圖a1-3-1.。由于直線運(yùn)動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動空間相對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運(yùn)動空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要

15、比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 （2）圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實現(xiàn)的，如圖1-3-1.b。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間 （3）球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是由兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動來實現(xiàn)的，如圖1-1,這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 （4） 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)

16、 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動是由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)的，如圖1-3-1.d。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 圖1-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式 1.5課題主要研究內(nèi)容 本文研究了國內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了液壓機(jī)械臂的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對液壓機(jī)械手的運(yùn)動進(jìn)行了簡單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械 械方面的設(shè)計工作（包括執(zhí)行部分、

17、驅(qū)動部分）的設(shè)計工作。進(jìn)而運(yùn)用CAD,Pro-E等軟件對機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)及升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析制圖。掌握制圖軟件的基本技巧。 1.6小結(jié) 本章簡要的介紹了機(jī)械手的基本概念。在機(jī)械手的組成上，系統(tǒng)從執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)兩個方面說明。比較細(xì)致的介紹了機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，簡要的敘述了本文研究的內(nèi)容。 2 結(jié)構(gòu)功能分析及設(shè)計方案 2.1機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)分析 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有四種：直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下： 1）直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點 直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是用三個相互垂直

18、的直線運(yùn)動來實現(xiàn)的。由求機(jī)械手的尺寸足夠大。直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長方體，主要用于直線運(yùn)動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運(yùn)動位置精度高，但此種類型機(jī)械手的運(yùn)動空間相對較小，如要達(dá)到較大運(yùn)動空間，則要于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)。直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 2）圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是用一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實現(xiàn)的。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運(yùn)作業(yè)。 3）球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點 球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是由兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動來實現(xiàn)的。其工作空間是一個類球形的空

19、間。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高，主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。 4）關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動是由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)的。相對機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手又分為水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 機(jī)械手的總體設(shè)計方案 四自由液壓機(jī)械手，確定其自由度為4。根據(jù)實際操作的需要，該機(jī)械手在工作中總體結(jié)構(gòu)需要4種運(yùn)動,本次設(shè)計機(jī)械手在上下料時手臂具有升降、伸縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。 圖2-1 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 2.2驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

20、 常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點 工業(yè)常用驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可將這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下： 1）液壓驅(qū)動系統(tǒng) 具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動、精度高等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)械手。 2）氣動驅(qū)動系統(tǒng) 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)械手中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械手中。 3）電動驅(qū)動系統(tǒng) 具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特

21、點。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，但大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動機(jī)構(gòu)。 驅(qū)動設(shè)計方案 在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素，機(jī)械手整體運(yùn)動需要一定的定位控制精度，因此采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動來實現(xiàn)。由于手臂采用液壓缸，故整體采用液壓驅(qū)動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 2.3小結(jié) 本章簡要的介紹了機(jī)械手系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)兩個方面。至于控制系統(tǒng)和檢測裝置本文不作研究。 3 機(jī)械手臂的設(shè)計方案 3.1 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 （1）、設(shè)計技術(shù)參數(shù): 1、抓重： 2、自由度數(shù)：4個自由度 3、座標(biāo)型式：圓柱座標(biāo) 4、手臂最小中心高： 5、手臂運(yùn)動參數(shù)： 伸縮行

22、程 伸縮速度 升降行程 升降速度 6、定位精度： 7、驅(qū)動方式：液壓傳動（低壓系統(tǒng)） 3.2 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案 機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動都為直線運(yùn)動。直線運(yùn)動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)?？紤]到搬運(yùn)工件的重量一般，考慮加工工件的質(zhì)量達(dá)10KG，屬于輕型重量，同時考慮到機(jī)械手的動態(tài)性能及運(yùn)動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動均選擇液壓驅(qū)動方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運(yùn)動件，不用再設(shè)計另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現(xiàn)直線運(yùn)動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機(jī)的控制。

23、因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此在驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設(shè)計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。 3.3導(dǎo)向裝置 液壓壓驅(qū)動的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。 導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，因為

24、本設(shè)計控制和具體工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計時另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，伸縮臂增設(shè)了單導(dǎo)向桿，與活塞桿一起構(gòu)成平行，盡量增加其剛度；升降臂增設(shè)了四導(dǎo)向桿，成正四邊形布置。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。 4 手臂伸縮與升降液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 手臂伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂伸縮液壓缸的驅(qū)動力計算 伸縮液壓缸活塞驅(qū)動力的計算公式為： (1) 式中 ———手臂運(yùn)動時，為運(yùn)動件表面間的摩

25、擦阻力。 ———密封裝置處的摩擦阻力。 ———液壓缸回油腔低壓油液所造成的摩擦阻力。 ———啟動或制動時，活塞桿所受平均慣性力。 （1）的計算 經(jīng)計算 (2) 式中 ———參與運(yùn)動的零部件所受的總重量。 ———手臂參與運(yùn)動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐前端的距離 ———導(dǎo)向支撐的長度 ———當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面形狀有關(guān)。 對于圓柱面： (3) ———摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取 鋼對鑄鐵：取 計算：

26、 導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵，設(shè)， ,導(dǎo)向支撐，帶入數(shù)據(jù)得： （2）的計算 經(jīng)計算 式中 ———由靜止加速到常速的變化量。 ———啟動過程時間，一般取。 手臂啟動速度，啟動時間，，帶入數(shù)據(jù)得： （3）的計算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于時，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為： （4）的計算 一般背壓阻力較小，為了計算方便，將其省略。 經(jīng)過以上分析計算，液壓缸的驅(qū)動力為： 所以手臂伸縮驅(qū)動力 尺寸設(shè)計 根據(jù)表4-2 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列（JB826-66），手臂伸縮液壓缸采

27、用內(nèi)徑=80mm,半徑R=40mm的液壓缸。壁厚10mm，行程600mm，活塞直徑d=40mm。 尺寸校核 經(jīng)過上面計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力，因此選擇液壓缸的工作壓力。 圖5-1雙作用液壓缸示意圖 當(dāng)油進(jìn)入無桿腔： 當(dāng)油進(jìn)入油桿腔： 式中 ———手臂伸縮液壓缸驅(qū)動力 ———液壓缸內(nèi)徑 ———活塞桿直徑 ———液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取 ———液壓缸的工作壓力 帶入數(shù)據(jù)得： 所以手臂伸縮液壓缸主要參數(shù)為表4-1所示： 表4-1 手臂伸縮液壓缸主要參數(shù)表 液壓缸內(nèi)徑D 工作壓力P 活塞桿直徑d 驅(qū)動力F 80mm 1

28、MPa 40mm 3580N 4.2 手臂升降液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂升降液壓缸驅(qū)動力計算 圖5-1 手臂各部件重心位置圖 設(shè) 所以 設(shè) 所以偏轉(zhuǎn)力矩 式中 ———重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離(mm) 手臂在的作用下有向下的趨勢，而立柱導(dǎo)套則防止這種趨勢。 由力平衡條件得： 式中 ———摩擦系數(shù) ———立柱導(dǎo)套的長度 由手臂升降驅(qū)動力的公式得： （1）的計算 取 又因為 所以 （2）的計算 經(jīng)計算 式中 ———由靜止加速到常速的變化量。 ———啟動過程時間，一般取。

29、 手臂啟動速度，啟動時間，，升降臂上的總重力G=500N,帶入數(shù)據(jù)得： （3）的計算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于時，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為： （4）的計算 一般背壓阻力較小，為了計算方便，將其省略。 經(jīng)過以上分析計算，液壓缸的驅(qū)動力為： 所以 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動時 當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動時 尺寸校核 經(jīng)過上面計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力，因此選擇液壓缸的工作壓力，為了滿足要求，此時取進(jìn)行計算。 （1）液壓缸內(nèi)徑計算： 當(dāng)油進(jìn)入無桿腔： 當(dāng)油進(jìn)入油桿腔：

30、液壓缸的有效面積： 所以 （無桿腔） (有桿腔) 式中 ———手臂升降液壓缸驅(qū)動力 ———液壓缸內(nèi)徑 ———活塞桿直徑 ———液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取 ———液壓缸的工作壓力 帶入數(shù)據(jù)得： (d=0.5D) 根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列（JB826-66），選取液壓缸的內(nèi)徑為： 根據(jù)活塞桿直徑系列（JB826-66）選取活塞桿直徑，壁厚15mm。 所以 所以手臂升降液壓缸主要參數(shù)為表4-2所示： 表4-2 手臂升降液壓缸主要參數(shù)表 工作壓力P 液壓缸內(nèi)徑D 活塞桿直徑d 驅(qū)動力F

31、 1MPa 90mm 45mm 4531N 4.3 手腕的驅(qū)動計算 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。 1.工件2.手部3.手腕 圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài) 腕部在回轉(zhuǎn)時一般需要克服以下三種阻力： 1） 腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 為簡化計算，一般取 2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 式中

32、———夾持工件重量。 ———工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離。 3）克服啟動慣性所需的力矩 啟動過程近似等加速運(yùn)動，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度及啟動所需時間，按下式計算： (4) 或者根據(jù)腕部角速度及啟動過程轉(zhuǎn)過的角度計算： 式中 ———工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量。 ———手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量。 ———手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度 ———啟動過程中所需時間，一般取。 ———啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度。 手腕回轉(zhuǎn)所需的總的阻力矩相當(dāng)于上述三項之和，即：

33、 (5) 設(shè)抓取一根軸，其直徑，長度，，當(dāng)手抓夾持在工件中間位置回轉(zhuǎn)，將手抓、手抓驅(qū)動液壓缸和回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，長，半徑為，其所受重力為，液壓缸運(yùn)行角速度=，加速度時間=0.5s。 圓柱體重力 設(shè)偏心距等于5mm，所以。 由于 又因為 所以 即 回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸計算及校核 表4-3 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列（JB826-66） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 12

34、5 130 140 160 180 200 250 設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)上表設(shè)缸體內(nèi)孔半徑，外徑選擇,動片寬度,輸出軸半徑。 由于實際回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力矩，即： 式中 ——手腕回轉(zhuǎn)時的總的阻力矩（） ——回轉(zhuǎn)液壓缸工作壓力（） ——缸體內(nèi)孔半徑（） ——輸出軸半徑（） ——動片寬度（） 所以 所以腕部回轉(zhuǎn)液壓缸主要參數(shù)為表4-4所示： 表4-4腕部回轉(zhuǎn)液壓缸主要參數(shù)表 工作壓力P 缸體內(nèi)徑D 輸出軸半徑r 回轉(zhuǎn)力矩M 動片寬度b 2MPa 50mm 5mm 21N·m 35mm 4.4手臂回轉(zhuǎn)

35、液壓缸的尺寸設(shè)計與校核 尺寸設(shè)計 液壓缸長度設(shè)計為,液壓缸內(nèi)徑為,半徑R=60mm,軸徑半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時間0.5s,壓強(qiáng), 則力矩： 尺寸校核 測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況， 質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： （） 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù), 總驅(qū)動力矩 設(shè)計尺寸滿足使用要求。 結(jié)論 1.本設(shè)計根據(jù)任務(wù)設(shè)計書設(shè)計的具有4個自由度的液壓圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，適用于夾取10kg棒料物體。該機(jī)械手具有手爪夾取，手腕回轉(zhuǎn)200°，手臂伸縮和手臂升降等4個動作。每

36、個動作都有相應(yīng)的獨(dú)立液壓缸驅(qū)動，各個機(jī)構(gòu)根據(jù)緊湊原則，合理安排。 2.歷時近三個月的畢業(yè)設(shè)計終于完成，在這這段時間里，我運(yùn)用大學(xué)三年的專業(yè)知識比較成功的完成了本次畢業(yè)設(shè)計，在畢業(yè)設(shè)計中通過方案論證，理論設(shè)計計算，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，工程圖的繪制，設(shè)計說明書的撰寫等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，已經(jīng)使個人理論水平和實際動手能力有了一次飛躍，鍛煉了個人在設(shè)計、分析，動手實踐等方面的能力，同時使所學(xué)專業(yè)知識得到一次全面的鞏固和加強(qiáng)。 3.隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，長三角地區(qū)，開始由以前的勞動密集型向機(jī)械化，智能化轉(zhuǎn)變。由于近年用工荒的日漸嚴(yán)重，機(jī)械手在工廠中的運(yùn)用越來越突出，并且發(fā)揮著重要的作用。

37、所以，我覺得機(jī)械手在未來制造業(yè)領(lǐng)域會得到越來越廣泛的運(yùn)用。 致謝 此次畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成，我得到了很多老師、同學(xué)的關(guān)心、幫助和支持，在此本人首先向他們表示感謝。在畢業(yè)設(shè)過程中，我的指導(dǎo)老師楊洪老師給予很多專業(yè)方面的幫助。在設(shè)計前期的準(zhǔn)備時，楊老師就非常關(guān)注我的選題，指明選題方向，幫助分析題目的可行性和實際中可能出現(xiàn)的問題以及需要注意的事項；在進(jìn)行方案選擇時，為我指出所需要重點掌握的知識范圍，并幫助我分析相應(yīng)知識難點的原理，使我的畢業(yè)設(shè)計能順利進(jìn)行。 同時，我也要感謝大學(xué)三年所有教過和沒有教過但給我很多幫助的老師，是他們的教導(dǎo)讓我能在這里學(xué)到很多的專業(yè)知識，給我以后工作和學(xué)習(xí)打下

38、了堅實的基礎(chǔ)，是他們的諄諄教誨使我明白了更多為人處事的道理，給我今后的人生足跡烙下更深的印跡，在此我衷心地感謝所有幫助過我的老師。此外，非常感謝許多其他同學(xué)，他們很多想法和建議對我啟發(fā)很大。 由于時間和個人知識及能力水平有限，論文中難免會有一些紕漏或錯誤之處，懇請各位老師批評指正。 參考文獻(xiàn) [1]張福學(xué)編．機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2000 [2]工業(yè)機(jī)械手圖冊編寫組.工業(yè)機(jī)械手圖冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1978 [3]朱世福，王宣銀.機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版社，2005 [4]蔡自興.機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略[J].

39、機(jī)器人技術(shù)，2001, 4 [5]馮香峰.機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991 [6]陳明.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005 [7]孫恒 陳作模 葛文杰.機(jī)械原理[M].北京:高等教育出版社,2006 [8]周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995 [9]龔振幫. 機(jī)械人機(jī)械設(shè)計.[M]北京：電子工業(yè)出版社，1995 [10]楊黎明.機(jī)械零件設(shè)計手冊.第一版.國防工業(yè)出版社，1986,12 [11]李允文.工業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994,8 [12]盧頌峰.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊[M].第一版.機(jī)械工業(yè)出版社，1998,4