机械手手部课程设计报告.doc

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1、. .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响和分析判断能力，又有机器可长时间持续 工作、准确度高、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效劳性设备，也是

2、先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 1.2世界机器人的开展国外机器人领域开展近几年有如下几个趋势：（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、可重构化开展。例如关节模块中的伺服电机、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机的开放型控制器方向开展，便于标准化、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；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。4机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人

3、还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人那么采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进展环境建模及决策控制；多传感器融合配置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的作用已从仿真、预演开展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。6当代遥控机器人系统的开展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。1.3我国工业机器人的开展我国的工业机器人从80年代“七五科技攻关

4、开场起步，在国家的支持下，通过“七五、“八五科技攻关，目前已根本掌握了机器人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，生产了局部机器人关键元器件，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企业的近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的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，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，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主

5、要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、本钱也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进展全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。1.4我要设计的机械手1. 臂力确实定 目前使用的机械手的臂力X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 =1650N，平安系数K一般可在1.53，本机械手取平安系数K=2。定位精度为1mm。2. 工作X围确实定 机械手的工作X围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一

6、个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作X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X围确定如下： 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100mm3. 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，对分配的方案进展比拟，才能确定。 机械手的总动作时间应小于或等于工

7、作拍节，如果两个动作同时进展，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求： 给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间； 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。 在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进展。为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。 液压机械手的手部各运动速度如下： 手腕回转速度 V腕回 = 45/s 手指夹紧油缸的运动速度 V夹 = 50 mm/s4. 位置检测装置的选

8、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。5. 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、本钱底的方式。 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展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。 参考?工业机器人?表9-6和表9-7，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式

9、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展操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手构造型式不象人手，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，手部构造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构造，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部构造由手指和传力机构组成。其传力机构形式比拟多，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) 设计时应考虑的几个

10、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X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。假设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

11、影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使构造简单紧凑，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。2.2驱动力的计算 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下图为滑槽式手部构造。在拉杆3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1的滑槽对销轴的反作用力为、，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，和的延长线交O1O2于A及B，AOC=BOC=。根据销轴的力平衡条件，即 Fx=0 得 ;Fy=0 得 销轴对手指的作用力为。手指握紧工件时所需的力称为握力即夹

12、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，以表示。由手指的力矩平衡条件，即得 h=a/cos F=式中 a手指的回转支点到对称中心线的距离mm。 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F一定时，角增大那么握力也随之增加，但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，使之构造加大，因此，一般取=3040。这里取角=30。这种手部构造简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。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F实际应按

13、以下公式计算，即：本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为250mm/s，系统到达最高速度的时间根据设计参数选取，一般取0.030.5s，移动加速度为，工件重量G为294N，V型钳口的夹角为120，=30时，拉紧油缸的驱动力F和计算如下：(1) 手指对工件的夹紧力计算公式：式中 平安系数，通常取1.22.0;工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算=1.05，其中 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进展选定按?工业机械手设计?表2-2选取。 由滑槽杠杆式构造的驱动力计算公式(2) 得(3) 取手指传力效率 =0.85, 那么 2.2夹紧缸的设计计算1. 夹

14、紧缸主要尺寸的计算由前知，夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸，设夹紧工件时的行程为25mm，时间为0.5s，那么所需夹紧力为：工作压力取1MP，考虑到为使液压缸构造尺寸简单紧凑，取工作压力为2.5MP。选取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，根据液压缸内径系列826-66选取液压缸内径，D=50mm 同理查得活塞杆直径 d=22mm2. 缸体构造及验算缸体采用45号无缝钢管，由1068-67查得可取缸筒外径75mm，那么 那么，3. 液压缸额定工作压力MP应低于一定极限值，以保证工作平安式中： D缸筒内径缸筒外径缸筒材料的屈服点，45号钢为340MPa 工作压力，故平

15、安。4. 缸筒两端部的计算 缸筒底部厚度的计算此夹紧缸采用了平行缸底，且底部设有油孔，那么底部厚度为考虑构造要求，取h=10mm式中： D缸筒内径液压缸最大工作压力，取缸底材料的许用应力，材料为45号钢，n为平安系数，取n=5。 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 螺钉联接图螺纹处的拉应力：螺纹处的剪应力：那么合成应力：那么知螺纹连接处平安可靠。 其中：K拧紧螺纹的系数，取K=3螺纹连接处的摩擦系数，螺纹外径，螺纹底径， Z螺钉数量，Z=43 腕部的构造3.1概述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： 构造紧凑，重量尽量轻。 转动

16、灵活，密封性要好。 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 要适应工作环境的需要。 3.2 腕部的构造形式 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. 如下列图所示为腕部的构造，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进展连接和定位，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 机械手的腕部构造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制手腕起动时所产生的惯性力

17、矩必须克制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： 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手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩腕部回转力矩计算图1. 摩擦阻力矩M摩式中： f轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.010.02，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

18、N2=200N G1=294N e=0.020时得M摩 =2.15N.m2. 工件重心引起的偏置力矩式中 G1工件重量N e偏心距即工件重心到碗回转中心线的垂直距离，当工件重心与手腕回转中心线重合时，为零当e=0.020，G1=294N时=5.88Nm3. 腕部启动时的惯性阻力矩M惯 当知道手腕回转角速度时，可用下式计算 式中手腕回转角速度 1/st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一般取0.050.3sJ手腕回转部件对回转轴线的转动惯量kgm工件对手腕回转轴线的转动惯量 kgm 按计算: 故 = 0.29Nm 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：因此，得

19、4. 回转液压缸所产生的驱动力矩计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大干总的阻力矩。下列图为机械手的手腕回转液压缸，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，到达手腕回转目的。回转缸简图式中：手腕回转时的总的阻力矩 p回转液压缸的工作压力 R缸体内孔半径 r输出轴半径 b动片宽度3 手部液压系统的设计3.1液压系统简介 机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，将油液的压力能又转换成机械能。手部夹紧工件时所需

20、保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。3.2液压系统的组成 液压传动系统主要由以下几个局部组成： 油泵 它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。液压缸 压力油驱动运动部件对外工作局部。也有回转运动的液动缸，一般叫作回转油缸或称摆动油缸。 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，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。3.3机械手液压系统的控制回路 机械手的液压系统，根据机械手自由度的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些根本控制回路组成。这些根本控制回路具有各

21、种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。1 压力控制回路 调压回路 在采用定量泵的液压系统中，为控制系统的最大工作压力，一般都在油泵的出口附近设置溢流阀，用它来调节系统压力，并将多余的油液溢流回油箱。 卸荷回路 在机械手各油缸不工作时，油泵电机又不停顿工作的情况下，为减少油泵的功率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在低负荷下工作，所以采用卸荷回路。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。 减压回路 为了是机械手的液压系统局部压力降低或稳定，在要求减压的支路前串联一个减压阀，以获得比系统压力更低的压力。 平衡与锁紧回路 在机械液压系统中，为

22、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的自重给以平衡。 为了使机械手手臂在移动过程中停顿在任意位置上，并防止因外力作用而发生位移，可采用锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停顿运动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路。 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，油泵向系统供给高压油液，以驱动油缸运动而做功。当一旦电机停顿转动，油泵不再向外供油，系统中原有的高压油液具有一定能量，将迫使油泵反方向转动，结果产生噪音，加速油泵的磨损。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的联系，从而起到保护油缸的

23、作用。第二是防止空气混入系统。在停机时，单向阀把系统能够和油泵隔断，防止系统的油液通过油泵流回油箱，防止空气混入，以保证启动时的平稳性。2 速度控制回路液压机械手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量Q。其控制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。本机械手采用定量油泵节流调速回路。节流调速阀的优点是：简单可靠、调速X围较大、价格廉价。其缺点是：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、马达的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二通、二位三通、二

24、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，使油缸及油马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。3.4 机械手的液压传动系统 液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要内容之一。液压系统图是各种液压元件为满足机械手动作要求的有机联系图。它通常由一些典型的压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用回路所组成。绘制液压系统图的一般顺序是：先确定油缸和油泵，再布置中间的控制调节回路和相应元件，以及其他辅助装置，从而组成整个液压系统，并用液压系统图形符号，画出液压原理图。4完毕语此次课程设计我做的是基于液压工业机械手手部的设计，通过3周努力，设计终于完成。这次设计给了我们

25、一个很好的时机，使我们了解了设计工作的根本流程和设计的方法以及理念。在此次的课程设计中，我遇到了许多以前从未遇到过的问题，但过通过指导教师的指导和我的努力，这些问题都得到了较好的解决。虽然我们设计的只是个机械手的手部，但需要完成手部伸缩和回转功能，对应分别要对这些液压缸进展设计，计算和校核。通过这些机设计，使理论知识与实际相结合，稳固和深化了所学过的专业理论知识。在设计的过程中我不断探索、不断学习和修改。自学了许多相关学科的内容，求教了多位专业教师，上网和在图书馆查阅大量相关资料。由于时间问题，对于本次机械手的设计还存在许多问题，许多地方都还有待改良和提高，希望各位专家评审多多指教。5 参考文

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29、成，其中无不饱含着教师的汗水和心血。导师敏锐的学术思想、严谨踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。他对本设计的构思、框架和理论运用给予了许多深入的指导，使得设计得以顺利完成。在此谨向尊敬的导师教师表示衷心的感谢和崇高的敬意。通过这次毕业设计，大大的提高了我们的自主学习和认真思考的能力，对学术态度的严谨性也有了很高的认识。我相信在以后的学习和工作过程中，一定可以好好的解决问题，提高自己的能力，较快地适应工作和社会剧烈的竞争。还要感谢两位同学，在毕业设计期间，他们给了我许多建议和意见，才使整个设计得以顺利完成，感谢机电控制工导和教师对我的关心和帮助。再次感谢所有支持和帮助过我的领导、教师、同学们。. .word.