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1、委托书今委托高校科研诚信检测及宣教中心对我的毕业论文工业机械手结构设计进行学术不端行为检测。申请人：周翠 联系电话： 联系邮箱： 学号 20160604050439密级 公开 兰州城市学院本科毕业论文工业机械手结构设计学 院 名 称：培黎机械工程学院专 业 名 称：机械设计制造及其自动化学 生 姓 名：周翠指 导 教 师：王玲 二二年五月BACHELORS DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITYStructuralDesignofIndustrialManipulatorCollege : Peili school of Mechanical Engi
2、neeringSubject : Mechanical Design Manufacturing and AutomationName : Zhou CuiDirected by : Wang LingMay 2020郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘要工业机械手是指机械能充分利用模仿控制人体活动上肢
3、的部分工作功能，按照技术员给定的手动工作程序要求随时进行传送工件或抓取工具等智能操作的机械装置。本课题研究的是为普通车床配套而设计的上料机械手，主要负责将工件传送至预先规定的位置，这就自动的完成了送料的工作。根据适用工况提出送料机械手的总体设计方案，分析机械手的整体结构组成和实现自动化上料的具体工作原理过程，再根据机器人运动学科知识准确列出送料机械手的运动方程并对其运动进行综合分析，进而最终选择适合本机械手的驱动方式和控制方式。关键词：送料机械手；整体结构设计；自动化ABSTRACT An industrial robot is the inevitable outcome of the au
4、tomation of industrial production, it can mimic some of the features of the upper body, in accordance with a given workpiece or work request sent crawler mechanical operation of the device.This research project is designed to support lathe feeding robot, it is responsible for transferring the workpi
5、ece to a predetermined position, which automatically completes the work of cutting.Puts forward feed manipulator overall design, analysis process material on the structures and automated robot, then the equation of motion robot kinematics knowledge robot and analyzed, thereby selecting the drive mod
6、e and the control suitable for the robot the way.Keywords: feed manipulator; structural design; automation目录第1章 绪论1.1 工业机械手在国内外的发展现状和趋势11.1.1 工业机械手在国外的发展现状11.1.2 工业机械手在国内的发展现状11.1.3 工业机械手的发展趋势21.1.4 总结21.2 课题背景及意义31.2.1 课题研究背景31.2.2 课题研究意义41.3 本文主要研究内容及各章安排5第2章 机械手的总体方案2.1 机械手的系统组成及工作原理62.2 机械手的驱动方式
7、选择82.3 机械手的控制系统92.4 机械手的基本参数92.4.1 原始数据92.4.2 设计要求102.4.3 技术要求102.5 本章小结10第3章 机械手关键部分的设计与分析3.1 机械手手抓设计123.1.1 手抓设计的要求123.1.2 机械手手抓结构类型133.1.3 拉紧装置原理133.1.4 手抓夹持范围计算153.1.6 机械手手抓夹持精度的分析计算153.2 机械手腕设计计算163.3 机械手臂设计183.3.1 机械手臂结构设计183.3.2 机械手手臂计算193.4 本章小结20第4章 机身机座的设计4.1 机身机座结构设计214.2 机身回转机构的设计计算214.3
8、 机身升降机构的计算224.3.1 手臂偏重力矩的计算224.3 机身机座驱动装置设计234.3.1 电机的选择234.3.2 减速器的选择254.3.3 螺柱的设计与校核254.4 本章小结26第5章 总结与展望5.1 总结275.2 展望27参考文献28致谢29第1章 绪论1.1 工业机械手在国内外的发展现状和趋势1.1.1 工业机械手在国外的发展现状美国是最开始研究工业机械手的。1958年 美国中美联合控制公司研制出第一台机械手1 王承义.机械手及其应用M.北京:机械工业出版社,1981;2 王晓天.智能仓储搬运机械手的设计与研究D.华北理工大学，20163 张杨林.国内工业机器人市场与
9、发展趋势J.大众科技.2006(6)：191-1924 李恒权、朱明臣、王德云.毕业设计指导书M.山东：青岛海洋出版社，19905 王栋梁.机械基础M.北京：中国劳动出版社，19956 徐灏.机械设计手册3M 北京：机械工业出版社,19987 张建民.工业机器人M.北京：北京理工大学出版社,19948 机床设计手册编写组.机床设计手册3M.北京:机械工业出版,19993。它的整体结构特点是：传动机体上安装一个回转长臂，端部装有各种电磁和铸铁的传动工件可以使整个机构实现抓放，控制系统等都是采用示教型的9 吕达.自动工业机械手的现状研究及创新发展J.工业技术，2017，12,04310 高强.浅析
10、工业机械手J.科学咨询，2017,0811 吴振彪工业机器人M.武汉:华中科技大学出版社,2008.3。1962年美国机械公司研制出一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩，控制系统也是示教型12 吴万海.仓库搬运机械手模型设计与制作D.湖南铁道职业技术学院，201113 邵忍平.机械系统动力学M.北京:机械工业出版社，200514 严学高.孟正大.机器人原理M.南京:东南大学出版社，200215 宾朋，蒋刚.一种新型欠驱动机械手设计J.机械传动2015（03）12。第二代机械手正在准备开发研制。它主要设有微型数控电子机和计算机自动控制两个
11、系统，具有视觉能力、触觉能力，甚至具有听、想的综合自主能力。研究工作人员通过安装各种不同感觉器官传感器，把感觉到的信息进行实时反馈，使机器人的机械手腕和手臂能够具有容易感觉到的运动机能。目前国外逐渐出现了各种专用机械手。第三代机械手(机械人)则发展成为一个能独立地完成机械制造工作全部分过程以及其中所有重要任务。它可以随时通过计算机或者电气设备来改变工作要求，由于这一特性工件的形状大小改变再也不会延长工期。1.1.2 工业机械手在国内的发展形势 我国的机械手产业化必须由市场经济直接来拉动,作为高技术,它的持续快速发展与我国经济社会的生产、经济状况息息相关。因此中国的机械手工业必须从机械手产业发展
12、的源头开始,把我们的目光在技术上盯得更远些 ,更加多的注重应用在高端机械手制造、核心技术、核心设备以及零部件等各个方面。现代工业机械手的生产研制、开发只有按照从技术上根据实现的可能性大为提高原则,并选择一个优先得到广泛应用的高新技术领域,并以此领域作为发展的突破口,向其他高新技术领域渗透、扩散至为重要。1.1.3 工业机械手的发展趋势1、为自动机械工作液压传动介质的研究与发展寻求新方向。随着近年来由于我国电力与机械工业的进一步加速转型与突破性升级，劳动力的成本不断下降，机器人与自动机械手的重点技术研究与应用以及生产成本也进一步下降，未来十三五期间，机械手与自动机器人依然可以是重点技术研究与生产
13、发展的对象之一，自动机械手等高新技术产业正在逐渐开始面临一个可以加速转型发展与突破性增长的拐点。2、提高企业工作效率。对于使用工业密封件和机器人的各种移动本体，如桁架移动机械手、助力移动机械手，其中水和空气的泄漏问题往往认为是对企业造成严重影响和降低我国的工业机械手密封系统的质量和其工作效率的主要组成原因之一。优良的工业机器人密封系统的零部件及其产品的工作质量和其性能对于密封件和机器人密封系统的设计技术水平的成本改善和性能提高来说工作效率是一个重要的指标。 3、可以对运行故障进行在线自动检测。目前工业机器人智能控制设备和系统在各个领域都有应用，比如在矿山机械、自动化制造设备以及生产线、工程建筑
14、等大型制造业和建筑业得到广泛应用，生产机器的系统故障无法随时跟踪与检测，并且不能及时消除系统故障，因此工业机器人对在线控制系统运行故障状态的监测和对故障的诊断也是很有必要的，可以从模拟仿真技术、计算机数控技术等着手。1.1.4 总结工业机械手已经逐步发展成熟成为工业自动化制造行业及机器人等工业生产机械装备制造业中不可或缺的一部分，在今后的工业生产制造中，它既可提高劳动效率,也对环境要求低,还可以不间断工作16 张军，封志辉.多工步搬运机械手的设计.机械设计，2004.4:21-3010。由于电气自动化领域等的不断进步与创新发展,自动液压机械手在未来一定会大放异彩9。1.2 课题背景及意义1.2
15、.1 课题研究背景人类社会持续发展的脚步不停息，科学技术也在不停的发展进步，推动着我国社会主义经济的迅猛发展，对于专业机械手的技术需求更大，而且还涉及更广到各个领域。在现代人类日常的社会生活里,只要有人类大量活动的地方,基本上都会看到机械手的应用。逐渐的机械手产品的种类也越来越多,最初应用最广的主要是在较为高端的科学领域中比如地球海洋资源开发和宇宙物质探测等，而现在逐渐在建筑、挖掘等领域应用地越来越普遍，而且在服务娱乐等民用领域也已经逐步开始得到应用,并且有较为宽广的发展前景,由此可见不同种类的机械手适应不同的市场需求,都在迅速得到发展，并且已经涉及到人类生活活动的多个领域，并产生了深远的影响
16、。在我们现实生活中，机械手并不是简单地用传统意义上的机械代替一个工人的劳动,而是一种能够集人的基本劳动技能特长与利用机械手的劳动精确度控制为主于一体的先进机械劳动装置。这种装置既可以对外界工作环境中的状态信息做出具有实时性的快速反应和数据分析，又同时可以大大提高我们生产工业产品的精确度和质量保证，可以在高精确度的特殊情况下长期连续工作,还可以轻松适应各种不同的工作环境。它还能用来代替工人在危险恶劣的机械工作条件环境中去从事那些工人不能或者工人不愿意去进行的机械工作，所以工业机械手的成功出现及广泛应用极大程度的解放现代人类的劳动生产力，在我国汽车行业中,工业机械手所从事的机械工作主要有汽车焊接、
17、喷涂、搬运装卸货物和汽车堆垛装卸货物等机械工作，这些机械工作中的共同点是它具有很高的工作重复性而且劳动强度较大，精确度要求较高。所以说工业机械手的不断发展以及应用已经是现代社会经济发展所必然产生的一种必然趋势，工业机器人制造技术的不断发展和实际使用情况已经越来越多地成为一个发达国家现代工业生产自动化发展水平的重要衡量标准，故而机械手的应用是先进机械制造业持续发展的重要基础，也是我国实现现代工业生产自动化的必由之路。一些自动化应用程度较高的工业服务输送系统或大型工业中心因迫切需要可以采用自动机械手输送来实现将各种工件上料传送至预先规定的输送位置,实现自动化地完成了工件上料的输送工作。由于设计涉及
18、到各种工件上料数量众多、重量大、汗液对整个工件的腐蚀危害程度、工作时对环境以及生产效率和操作精确度等的要求都比较高,所以不能再单纯使用人工上料,因此本课题设计一种应用于普通车床配套的自动上料加工机械手。1.2.2 课题研究意义随着目前全球市场经济的迅速健康发展使得国内外市场竞争变得愈加激烈。想要在如此残酷的市场竞争形势下能够取得绝对优势，各大机械企业就毋庸置疑需要全面实现工业生产自动化。其它工业部门的例如石油轻工业、建筑业、国防工业等等工作中也均对其有所广泛应用。而柔性送料机械手在其中更是扮演重要主导角色，在各种柔性机械制造送料单元或柔性制造系统中主要承担较为重要的送料工作。实现机械手的技术产
19、业化并且将它普遍地广泛应用于各个领域，可以使其更好的协助或直接代替人类进行相关技术工作，一定程度上会为我国现代经济社会发展带来令人满意的社会经济效益，可以积极直接影响现代人类经济社会的迅速健康发展。在现代工业生产中，应用工业机械手的重要意义我们可以简单概括起来如下:1) 通过应用工业机械手，企业可以有效提高工业生产全过程的工业劳动生产率。有利于企业实现生产材料的自动传送、工件的自动装卸、刀具的自动更换以及专用机器的自动装配等的工业自动化操作，从而可以有效提高工业劳动生产率和大大降低生产过程成本。就目前绝大多数大型机械制造工艺设备的生产情况而言,它们普遍在正常生产工作中达到相当高的设备生产工作效
20、率，并且也都有其非常完整的工艺流程,通常说要完成一个完整的机械工作工艺流程只不过需要我们耗费几乎一秒钟的工作时间,但是如果我们还是直接采用人工进行送料,那么操作工序所需要耗费的工作时间可能会直接超过机械工序设备时间很多倍,就可能会直接使其他机械工序设备长期处于一个毫无意义的正常闲置生产状态,这样就会直接严重影响整个生产线的效率。如果在整个的物料工作管理流程中需要使用各种机械手来传送各种物料,就可能会比一般工人人员从事专业送料员的工作周期缩短需要多达55%-65%的工作时间,也就是可以大幅提高62%的物料生产管理效率,并且每年可以大幅提高7%左右的物料成品抽检合格率2。2) 我们可以有效率地改善
21、专业操作员的劳动条件、避免员工发生重大人身安全意外事故。在任何温度和压强下以及有害物质诸如尘土、噪声、刺激性气味、有害重金属、腐蚀性物质等的环境状况以及机械人员工作时活动空间狭窄等对人体造成危险的场合中,用任何机械操手代替人手劳动完全是没有危险或根本不可能存在危害的。同时可以有效率地避免由于职员人工动手操作疲劳或他人操作疏忽而导致可能发生的重大生产人身安全隐患事故。3）提高企业的市场竞争力。机械手具有很高的准确性、稳定性，使用机械手来代替工人的话就可以有效降低工人在工作中发生错误的操作所造成的对物品的损坏2。而且送料机械手可以高效、准确地将工件传送至预先规定的位置，并且传送路线可以根据需要的工
22、艺流程而作出相应的调整，很大程度上增强了整个系统的适应能力和市场竞争力。1.3 本文主要研究内容及各章安排本论文主要研究一种为适用于普通上料车床配套而进行设计的新型上料专用机械手,主要设计上料机械手的整体结构。具体各部分章节主要内容安排如下:第一章,绪论。阐述了本次课题研究的重要意义和研究背景;简要说明了现代机械手在国内外的技术发展趋势现状,并且根据近几年的技术发展现状态势比较详细分析了现代机械手等新技术在将来的发展趋势;第二章，机械手的总体方案设计。介绍了本送料机械手的各个主要组成部分，并且叙述了送料机械手工作的过程;对机械手进行了运动分析;根据工作环境和功能需求对驱动方式进行了比较，选择合
23、适的驱动方案;第三章，机械手关键部分的设计与分析。通过已经学习过的运动学和动力学知识分析列出方程，进而进行手部设计计算、腕部设计计算、臂伸缩机构设计计算等等。第四章，机身和机座的整体结构设计。根据不同送料机械手适用工作环境和送料工件整体大小、重量分别设计机身和机座;送料电机的转动位置方式选择,减速器的位置选择,螺柱的结构设计与精度校核。第五章，总结和展望。对机械手各部分设计分析总结,找到自己的不足并加以改正;同时为未来的设计工作开展打下一个夯实的理论基础。第2章 机械手的总体方案2.1 机械手的系统组成及工作原理 送料机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统组成2。图2.1 机械手总体结构简图
24、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如图2.1所示4。手抓:是机械装置接触其他物体的主要部位。由于机械装置与其他物体接触的方式不同,可以划分为夹取式手抓和吸附式手抓。本课题选用的是圆柱形的加工工件，故而手抓结构选用两指外卡抓取式。 手腕：是通过转动来全方位调整工件位置，它是连接手抓和手臂的重要中间元件 。 手臂:可以将工件送至三维空间里的任意位置，它是手抓、手腕运动的最终支撑者。 立柱:手臂的全方位旋转运动和上下循环运动都是依靠立柱来完成。工业机械手的各部分确定了立柱的位置也就固定了。 机座:是整个机械手装置的重力承担部分。机座上承受着来自手抓、手腕、手臂的各种
25、零部件和机械驱动装置的所有重力，因此它是整个机械手的重要基础部件。2、驱动控制系统:基于机械手的驱动控制系统主要是用来驱动物体执行一定运动的机械传动装置。常用的有液压机械传动、气压机械传动、电力机械传动和流体机械传动等四种传输形式。3、控制系统：控制系统是通过程序指令将机械手的各个执行机构控制驱动，使执行机构按设定的程序进行生产加工，并检查执行装置能否相应要求。通常会选择数字控制、程序控制、电子控制。图2.2 机械手整体结构示意图下图2.2为机械手的整体结构示意图。1-蜗杆减速器 2-平键套筒联轴器 3-电机 4-底座 5-导柱 6-齿轮泵 7-电机 8-平键套筒联轴器 9-手臂 10-腕部
26、11-手指 12-螺柱 13-肋板首先确定机械手动作的先后顺序：动作要求分析如图2.3所示动作一：送 料动作二：预夹紧动作三：手臂上升动作四：手臂旋转动作五：小臂伸长图2.3 动作要求分析动作六：手腕旋转2.2 机械手的驱动方式选择 驱动装置是使执行机构完成规定工作的动力源，而通常有以下几种驱动方式，通过电机等电器元件组合使用来驱动设备；通过液压油缸液压马达等装置来驱动设备；通过气缸等气动元件来压驱动设备2。根据不同工况需要，在结构大小、驱动功率、是否环保、精确度、平稳性、价格等各方面考虑选择最高效的驱动方式，可以是其中一种也可以相互组合来驱动。 电机驱动:对于高速且高动作精度的连续运动控制较
27、方便，具有机械自锁性，适用性较强，不受环境温度影响，噪音小，效率较高，安装方便，调速方便，但推力小，大推力时成本比较高，是目前使用最广泛的驱动方式。液压驱动:能远距离自动控制，与其他液压元件容易配合，与执行器连接方面也很简易，可以很快响应动作指令，驱动推力大，体积小，调速方便，可实现震动较小对于系统损害小的无级调速，体积小，不过噪声比较大，而且由于液压油比较容易泄露，维修保压麻烦。 气压驱动:对周围环境污染小，气源容易获得，但是气体压缩性大关闭时有弹性，速度不均匀，机构推力小，对于高精度的动作较难进行控制，不能灵活应用于各个位置，且结构笨重，噪声大。本课题设计的是普通车床相配合的送料机械手，由
28、于此机械手对于驱动力和稳定性要求较高，所以不宜采用稳定性低的气压驱动，而且本机械手要求动作较为迅速准确，并且有一定的负载能力，可以搬运足够多的物料，所以选用电机和液压配合驱动。2.3 机械手的控制系统机械手的控制方法，总的来说可分为机械控制(如凸轮控制)、气动控制(如气动控制器控制)和电气控制等。 目前，机械手绝大多数是采用电气控制。因此，下面即以电气控制为主进行介绍。 在电气控制系统中，一般来说都设有手动控制和自动控制两种。手动控制和自动挖制又可以是直接地进行控制，或者是远距离(遥控)地进行控制。手动控制常用于机械手的调整、试动和临时作业；而自动控制则用于机械手的正常工作循环。 根据控制方式
29、，可分为点控制和轨迹控制。 点控制，即只控制机械手的运动部件(如手臂手腕等)应达到的中点（有限）和终点位置，不控制从一点到各中点和终点的运动轨迹。如果机械手抓取物件的位置和放置物件的位置都是比较准确而固定的话，即可采用两点(按直线或等半径弧线连接)式的控制(如一般的专用装卸工件机械手就是如此)，或两点以上的多点控制(如用于压铸机、压力机或从事点焊的通用机械手)。这种控制方式，对气压、液压、机械或电力驱动的机械手均适用。连续轨迹控制的中间设定点是无限的，故目前只适用于电液伺服驱动的机械手和数控系统。本课题设计的是普通车床相配合的送料机械手，由于此机械手的送料过程是从一个点到各中间点（有限）和终点
30、位置，并且机械手抓取工件的位置和工件存放的位置基本准确和固定，因此本课题选用两点式控制。2.4 机械手的基本参数2.4.1 原始数据（1）生产纲领：100000件（两班制生产）（2）自由度（四个自由度）手臂转动180手臂上下运动 500mm臂伸长（收缩）500mm手部转动 1802.4.2 设计要求1.被抓取对象的情况为准确设计手抓结构以及计算手抓的夹紧力、驱动力必须严格准确的对被抓取工件的质量、体积、材料、表面粗糙度、批量等做出测量计算。本课题研究的小型回转体。2.工作现场的情况根据工作场地的空间大小和位置以及主机的布置方式等决定机械手的安装。3.工作环境及其他特殊要求此次设计主要是在温度较
31、高的环境下工作,可以通过冷却液或其他自动制冷装置来保证机械手工作的准确度和平稳性。2.4.3 技术要求主要参数的确定： a、坐标形式：直角坐标系b、手臂的工作行程和转动角度:小臂往返工作行程运动500mm,手臂转动角度180。c、运动速度:只要生产率能够满足企业生产管理纲领的运动要求速度即可。d、控制方式：点位控制。e、定位精度：0.5mm。f、手指握力：392Ng、驱动方式：电机驱动和液压驱动相配合。2.5 本章小结本章主要对送料机械手的各执行机构进行结构设计和驱动的方式选择。1、对送料机械手的主要组成部分进行了叙述，同时分析了送料机械手的工作过程。2、对送料机械手的总体结构进行了设计并选择
32、合适的驱动的方式和控制方式。3、确定了机械手的基本参数和设计要求。第3章 机械手关键部分的设计与分析3.1 机械手手抓设计3.1.1 手抓设计的要求1、手抓握力的大小要适宜握力过大，则需要较大的动力 源和较大的结构，不经济，并可能损坏物件；握力过小，由于物件的自重以及传送过程中的惯性力和振动等而抓不住物件1。机械手的工件握力大小一般应该设计得可以调节，但对于大批量、单一场合的专用机械手选择适宜的握力也是可以的。 2、有足够的夹紧距离图3.1 机械手开闭示例简图无论哪种类型的手抓都有张开和闭合装置。抓取物件时，要保证工件能够顺利进入手指；而放置工件时，在保证工件平稳准确放置的条件下避免手抓离开时
33、损伤工件表面的粗糙度。对回转型手抓来说，手指要有足够的张开与闭合角；而对直进型手指来说，手指要有足够的开闭距离1。影响手抓夹紧距离的因素众多，比如工件的类型、手指本身的灵活度，通常情况下如果工作环境没有限制，夹紧距离尽量设置的比较宽敞，如图3.1所示。3、握紧后，物件的重心（特别是较重的物件）应尽量接近手腕的对称轴线，以保证物件对手腕的偏重力矩最小1。4、手指应具有足够的强度和刚度5、其它要求在确定工件形状、尺寸、材料、硬度和质量情况下，送料机械手选用外卡式两指钳爪。3.1.2 机械手手抓结构类型 图3.2 机械手手指结构图1-螺栓 2-V型块 3-工件 4-活塞杆 5-螺钉 6-圆柱销 根据
34、功能要求，本课题所设计机械手手部结构应为外卡式两指钳爪。具体结构如图3.2所示。手抓结构采用V型块2定位，圆柱销6连接两手指，通过活塞杆6来实现手指张开与闭合。3.1.3 拉紧装置原理图3.3 油缸示意图如图3.3所示：当油缸右腔停止进油时，弹簧向右的拉力作用在活塞杆使两指夹紧工件，当油缸右腔进油时，弹簧被压缩作用在活塞杆使两指张开。1、右腔推力为 （3.1）2、根据钳爪夹持的方位，根据夹紧力计算公式为： （3.2） 其中 N，=496N=384N，带入公式2.2得： 则实际夹紧力为 （3.3） 经圆整 3、计算活塞杆运动行程L,即 （3.4） 经圆整取 4、确定“V”型钳爪的L、。取 （3.
35、5）式中： （3.6）由公式（2.5）（2.6）得：选择“V”型钳口的夹角为，则偏转角查表得： 5、机械运动范围（速度）6（1）伸缩运动 （2）上升运动 （3）下降 （4）回转 所以取手部驱动活塞速度 6、手部右腔流量 （3.7）7、手部工作压强 （3.8）图3.4 手抓张开示意图 3.1.4 手抓夹持范围计算根据手抓结构设计及棒料尺寸，手抓最小抓取半径R1=50，如图3.4（a）所示；当手抓张开60时，如图3.5(b)所示，最大夹持半径R计算如下:所以送料机械手的手抓抓取半径从5090mm3.1.5 机械手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
36、稳定性好，并有足够的抓取能力16。该设计以圆柱棒料来分析机械手的抓取误差精度。机械手的抓取范围为90m180m。如图3.6所示。一般夹持误差不超过0.5mm,分析如下:工件的平均半径: 图3.5 手抓夹持误差分析示意图手指长,取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定: 计算当时带入有: 夹持误差满足设计要求。3.2 机械手腕设计计算手腕是通过转动来全方位调整工件位置，它是连接手抓和手臂的重要中间元件 ，并且可以保证平稳、敏捷的转动。本次设计的手腕只做回转运动即只有一个自由度，故选用只有一个运动的单作用回转缸驱动。要求：回转90 角速度以最大负荷计算：因为当工件处于水平位置，此时回转缸的工件扭矩最大，所
37、以采用估算法，工件重12kg，长度。此时对工件进行受力分析如图3.4所示。1、计算扭矩M17设离手指中心200mm处是工件重心，即扭矩为： （3.9）图3.6 腕部受力简图2、估算油缸（伸缩）及其零件的扭矩7带入公式2.9得 3、回转缸的摩擦力矩M摩7 （估算值） （估算值）4、回转缸的总摩擦力矩M7 （3.10） 5.由公式 （3.11）其中： b叶片密度，这里取；A1摆动缸内径, 这里取；mm转轴直径, 这里取。所以代入（2.11）公式又因为，所以 3.3 机械手臂设计手臂的作用是支撑腕部和手部，并在空间中驱动他们。臂部运动的目的通常是在三维空间里定位到某一确定位置，根据手臂所承受的力来看
38、，它在承担手抓、手腕所给力的同时承担着自身运动所产生的惯性。机械手的准确性与稳定性最终反映在手臂结构上，故而精确的定位装置和传动部件就显得尤为重要了。3.3.1 机械手臂结构设计欲满足机械手的送料功能，即将工件从设定水平高度移至同一水平高度，本设计采用两个直线往复运动即手臂有两个自由度。如图3.5所示为机械手手臂结构 ，在活塞缸3进油时弹簧2受到压力使手臂前伸；当活塞缸停止进油时弹簧会有向外的张力，此时手臂就会收缩。密封圈4起到密封作用以防影响手臂的来回伸缩运动而造成工件位置误差。图3.7 机械手手臂结构1-密封圈 2-弹簧 3-活塞缸 4-密封圈 5-螺钉3.3.2 机械手手臂计算手臂的伸缩
39、速度为200m/s行程1、 计算手臂右腔流量，由公式（2.7）得：7 2、 2、手臂右腔工作压力，公式（2.8）7 得 （3.12）式中：F取工件和手臂整个部件的总重力，估算 F=12+18=30kg， 。所以代入公式（3.12）得： 3、绘制机构工作参数表如表3.1所示：表3.1 机构工作参数表机构名称工作速度行程工作压力流量手部抓紧60mms25mm1.78Mpa117.8ms腕部回转45s900.89Mpa27ms小臂伸缩200mms500mm0.26Mpa1000mls4、由初步计算选液压泵所需液压最高压力 所需液压最大流量 选取CB-D型液压泵（齿轮泵）此泵工作压力为12Mpa，转速
40、为1900r/min，工作流量Q在3470ml/r之间，可以满足需要。5、验算腕部摆动缸： （3.13） （3.14）式中：m机械效率取： 0.850.9v容积效率取： 0.70.95所以代入公式（2.13）得：代入公式（2.14）得：因此，取腕部回转油缸工作压力 流量 圆整其他缸的数值：手部抓取缸工作压力 流量小臂伸缩缸工作压力 流量3.4 本章小结本章主要对送料机械手的关键部分进行设计与分析。1、对机械手手抓进行了结构设计并分析了手抓的抓取范围和抓取精度。2、对机械手手腕进行结构设计并分析所需自由度和扭矩计算。3、对机械手臂进行结构设计并计算其工作行程。第4章 机身机座的设计4.1 机身机
41、座结构设计根据送料机械手工况要求，机身机座可实现上下、左右、旋转等运动形式，因此本设计采用三个自由度的机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构14。针对应用于回转体工件的机械手，手臂通常安装在立柱的中间位置以保证手臂的升降运动，通过这种方式实现手臂的最大工作行程。手臂的升降运动是电动机驱动螺柱来实现手臂的上下运动；而手臂的旋转运动是通过电动机驱动减速器里齿轮来完成旋转。因此机身机座三自由度需求是通过驱动装置和传动装置的相互配合来实现的。如图4.1所示。图4.1 机身机座整体结构示意图4.2 机身旋转运动的设计计算回转缸驱动力矩的计算 （4.1）手
42、臂回转缸的回转驱动力矩手臂运动时所产生的惯性力矩各密封装置处的摩擦阻力矩惯性力矩的计算 （4.2）式中角速度变化量(rad/s),在回转运动初始值=；t一起动过程的时间(s)；J0手臂做回转运动的转动惯量(N.m.s2).若臂部装置的重心与立柱的距离为，则 (4.3)式中Jc臂部装置重心的转动惯量。 （4.4）臂部装置可以看做为一个长1900mm,直径为670mm，质量为160Kg的圆柱体，角速度初始值=17,则角速度变化量为=0.214rad/s,制动时间设计为t=0.01s.密封处的摩擦阻力矩略估算为M阻=0.035M驱 经过以上的计算4.3 机身升降机构的计算4.3.1 手臂偏重力矩的计算(1)零件重量G工件、G抓、G腕、G臂等。