工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計(jì)所在學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 姓名學(xué)號(hào) 指導(dǎo)老師 各類機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做Q號(hào)是1716003572/2419131780 有大量現(xiàn)成及配套的圖紙 （需購(gòu)買）年月日誠(chéng)信承諾我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計(jì)均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。承諾人（簽名）年月日3摘要本文對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)， 分別設(shè)計(jì)了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)以及吸附式手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，計(jì)算出了手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩設(shè)計(jì)

2、了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了手臂伸縮、升降用液壓緩沖器和手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)械手，機(jī)械手，氣動(dòng)IIIAbstractIn this paper, the mechanical hand the overall scheme design, the manipulator to determine the coordinates of the types and degrees of freedom, determine the technical parameters of the manipulator. At the same time, respectively, the

3、design of the manipulator clamping type hand structure and adsorption type structure of hand; designed the structure of robot wrist, the wrist to calculate the rotation of the driving torque required and a rotary cylinder driving torque; the design of the manipulator arm structure, design of the tel

4、escopic arm, a lifting hydraulic buffer and the arm rotary hydraulic buffer.Key Words: industrial robot, manipulator, pump, air pressure drive摘 要 I.I.I.AbstractI.V.目 錄 V第 1 章 引 言 71.1 工業(yè)機(jī)械手概述7.1.2 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的課題設(shè)計(jì)要求8.1.3 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成1.3第 2 章 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案8.2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)1.02.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)1.12.4 機(jī)械手的手臂

5、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)1.12.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)1.1.2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)1.1.2.7 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)1.1.第3章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.5.3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)1.5.3.1.1 手指的形狀和分類1.5.3.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題1.53.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)1.6.第4章手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.0.4.1 手腕的自由度2.0.4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算2.0.4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩2.04.2.2 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算2.34.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核2.4第5章手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 2.75.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核2

6、.75.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì) 275.1.2 尺寸校核275.1.3 導(dǎo)向裝置285.1.4 平衡裝置285.2 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 285.2.1 尺寸設(shè)計(jì)285.2.2 尺寸校核 285.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 295.3.1 尺寸設(shè)計(jì)295.3.2 尺寸校核29總結(jié)31.參考文獻(xiàn)32.致謝33.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章引言1.1工業(yè)機(jī)械人概述隨著科技的發(fā)展人類的生活也向自動(dòng)化靠攏，作為自動(dòng)化中不可缺少的機(jī)器人漸 漸地融入我們的生活，成為我們生活中不可缺少的一部分。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、 控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技

7、術(shù)，是 當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水 平的重要標(biāo)志。在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域中，工業(yè)機(jī)械人是近幾十年發(fā)展起來的，而工業(yè)機(jī)器人的各個(gè) 部件也隨之發(fā)展。工業(yè)機(jī)械臂的是從工業(yè)機(jī)器人中分支出來的。其特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器 各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)具有準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成 作業(yè)的能力。氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是，由于空氣具 有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力

8、較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫 和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。氣動(dòng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動(dòng)工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大 氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器：介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ) 充的問題.(2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣， 造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。(3)動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)系統(tǒng)一般只需要 0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和 速度。氣動(dòng)系統(tǒng)

9、也能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。(4)能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時(shí)，機(jī)器 及其工藝流程不致突然中斷（5）工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中， 氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控 制性能。（6）成本低廉。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動(dòng)元、輔件的材質(zhì)和加工 精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為：由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動(dòng) 伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難（尤其在高速情況下，似乎更難想象）。此外氣源 工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已

10、有部分被工業(yè)界 所接受，而且對(duì)于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣 動(dòng)機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，對(duì)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。1.2工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的課題設(shè)計(jì)要求工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的自動(dòng)化的水平， 目前工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)焊接、噴涂、搬運(yùn)等重復(fù)性及強(qiáng)度較大的工作。本文主要設(shè)計(jì) 一個(gè)多自由度的工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械手，用于給設(shè)備運(yùn)送物料。首先要選擇并設(shè)計(jì)機(jī)械手 的外觀結(jié)構(gòu)，選擇合適的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái)；在此基礎(chǔ)上應(yīng) 設(shè)計(jì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，加

11、強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運(yùn)行過程的安全性。（建模可采用pro/e或者solidworks ,要出裝配圖紙）。著重培養(yǎng)學(xué)生的能力是：1）掌握機(jī)械人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本規(guī)律及方法；2）學(xué)生熟練掌握AutoCA膾圖軟件的使用；3）熟悉三維建模軟件的建模及 CAEt件的分析功能；4）學(xué)習(xí)機(jī)器手的相關(guān)知識(shí)，分析機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃路徑；5）掌握機(jī)械手的控制相關(guān)理論。第2章機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案對(duì)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)物件，這就要求它們 具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位 置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的原則是：充分分析作業(yè)對(duì)象（

12、工件）的作 業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件；明確工件 的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等， 從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求；盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制 造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用 氣動(dòng)上下料機(jī)械手（如圖 2-1所示），是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變 動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)作強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。它可用于操 作環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。圖2-1機(jī)械手的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)2.1 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其

13、組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱 座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小 的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度。（如圖2-2所示）圖2-2機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒 料時(shí)，使用夾持式手部；當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。

14、因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回 轉(zhuǎn)氣缸。2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和 降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手 臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本 機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器（PLC）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷

15、。2.7 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)一.機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì)抓取的工件質(zhì)量為5公斤。二.基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要 求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。（如圖2-3所示）而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主 要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為10m/s。最大回轉(zhuǎn)速度 設(shè)計(jì)為90 7so平均移動(dòng)速度為0.8m/so平均回轉(zhuǎn)速度為607so機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、 停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面

16、，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛 性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm，最大工作半徑約為1400mm。手臂升降行程定為120mm。定位精度1mmn也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為三.用途：用于自動(dòng)輸送線的上下料。四.設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：1、抓重2、自由度數(shù)3、座標(biāo)型式4、最大工作半徑5、手臂最大中心高6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)7、手腕運(yùn)動(dòng)參

17、數(shù)8、手指夾持范圍9、定位方式10、定位精度11、驅(qū)動(dòng)方式12、控制方式5 kg4個(gè)自由度圓柱座標(biāo)1400mm1250mm伸縮行程1200mm伸縮速度400mm/s升降行程120mm升降速度250mm/s回轉(zhuǎn)范圍0 -180 .回轉(zhuǎn)速度90 /s回轉(zhuǎn)范圍0 -180回轉(zhuǎn)速度90 /s棒料：80mm -150mm行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等士 1mm氣壓傳動(dòng)點(diǎn)位程序控制（采用PLC）* 1g悵子蚓工片幅Hi2 4 Vnrle Rm., of Hhji i pu k AIOI1圖2-3機(jī)械手的工作范圍1.3機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖如圖1-1所示圖1-1機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖

18、機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。在 PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動(dòng)方式，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。同時(shí)按其 控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò) 誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。位置檢測(cè)裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)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.（一）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

19、，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(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(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(shí)，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。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(shí)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。

20、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(shì)）3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)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(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)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(dòng)源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。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(dòng)和升降（或俯 仰）運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即 稱為可移式立柱。5、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(dòng)系統(tǒng)均

21、安裝于機(jī)座上， 故起支撐和連接的作用。第3章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指（或手爪）和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑 槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。3.1.1 手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式：按手指夾持工 件的部位又可分為內(nèi)卡式（或內(nèi)漲式）和外夾式兩種：按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為 一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型（或稱直進(jìn)型），其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。 當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無窮長(zhǎng)時(shí)，就

22、成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大， 當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。3.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題（一）具有足夠的握力（即夾緊力）在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的 慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。（二）手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng) 保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于 移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。（三）保證工件準(zhǔn)確定位為使手指

23、和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相 應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“ V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。（四）具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力 和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊 湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。（五）考慮被抓取對(duì)象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)，兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成 V型，具結(jié)構(gòu)如附圖所示。3.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)

24、算本課題工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示:圖3-1齒輪齒條式手部其工件重量G=5公斤，V形手指的角度2&=120； b=120mm R=24mm,摩擦系數(shù)為f=0.10根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為：17畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)2b p -R N(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式N =0.5tg(? - )_ _ _ _ = 0.5 5 tg(60 -5 42)= 25(N)所以2b p = p R N =245(N)(3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力：K1K2p實(shí)際 p1、因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取 =0.94,并取K1 =1.5。若被抓取工件的aK2 =14最大加速度取a =3g時(shí)，

25、則：g所以P實(shí)際= 2451.5 40.94= 1563(N)所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為1563N2、氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必 須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為-：d2pF1= 丁-FFz式中：F1 -活塞桿上的推力，NFt -彈簧反作用力，NFz-氣缸工作時(shí)的總阻力，NP-氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算：Ft =Gf(1 s)G Gd；Gf小Gd：3Gf = 8D1n式中：Gf-彈簧剛度，N/m1-彈簧預(yù)壓縮量，ms-活塞行程，md1-彈簧鋼絲直徑，mD1-彈簧平均直徑，.n-彈簧有效圈數(shù).9 -

26、G-彈簧材料剪切模量，一般取G =79.4父10 Pa 在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率”的影響，則：4由以上分析得單向作用氣缸的直徑：D = 4(F1Ft)代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得44Gd179.4 109 (3.5 10。Gf = 8D13n = 8 (30 10)3 15= 3677.46(N /m)Ft =Gf(1 s)= 3677.46 60 10”= 220.6(N)4(F1 Ft) 4 (490 220.6)所以：D =-pn二V 0.5 106=65.23(mm)查有關(guān)手冊(cè)圓整，得D =65mm由 d /D = 0.2 _0.3,可得活塞桿直徑 : d = (0.2 0.3)D = 13 1

27、9.5mm2、圓整后，取活塞桿直徑d=18mm校核，按公式E/(n/4d廳叵 _ 0 5有:d _(4F1/二二).其中，O=120MPa, Fi =750N _ _ _ 0 5則:d _(4 490/二 120).= 2.28 18滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。3、缸筒壁厚的設(shè)計(jì)缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于 或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算：、.=DPp/2二式中:6-缸筒壁厚，mmD -氣缸內(nèi)徑，mmPP =1 5Pp-實(shí)驗(yàn)壓力，取p , Pa材料為:ZL3,二=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為：、=DPp/2二 5_6-65 6 105/(2 3 1

28、06)= 6.5(mm)取 5 =7.5mm,則缸筒外徑為。=65 + Z 2 =80(mm)19畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第4章手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 手腕的自由度手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú) 立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、 加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是 水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞 x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要 求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油（氣）缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸c 它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于360二，并且要求嚴(yán)格的密封

29、。4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服 手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)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(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)受力狀態(tài)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封式中：M驅(qū)-驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩（N，cm）；M慣-慣性力矩（Ncm）;M偏-參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)

30、軸線 所產(chǎn)生的偏重力矩（N Cm）.M封-手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力夕1（N cm）；下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算：1、手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 M悅?cè)羰滞笃饎?dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為h，起動(dòng)過程所用的時(shí)間為21畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)M 慣=(J + J1) (N.cm) .: t2、式中：J -參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量3cms )；2、J1-工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(N.cm-s )o若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1為：,G1J 1 - J c2g e2式中：Jc-工件對(duì)過重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Nc

31、m.s )：G1-工件的重量(N);e1 -工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm),。-手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s);t-起動(dòng)過程所需的時(shí)間(s);*一起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏M 偏=G1e1 +G3e3(N 式中：G3-手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N);e3-手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm)當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則G1e1 = 0.3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M封M_f(RAd2 RBd1) zM 封 - 2( N cm)式中：d1 , d2-轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm);f -摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承f =0.01

32、,對(duì)于滑動(dòng)軸承f =0.1;RA,RB-處的支承反力(N),可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，根據(jù) ZM a(f)=0,得：RbI G3I3 =G2l23GJ G2I2 -G3I3Rb 二l同理，根據(jù), MB(F) =0,得：Gi(l li) G2(l I2) G3(l -I3)A -l式中：G2-的重量(N)1.1.1.13- 3-如圖4-1所示的長(zhǎng)度尺寸(cm).4、轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。4.2.2 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缶!是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖4-2所示，定片

33、1與缸體2周連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5周連。動(dòng)片封圈4把氣腔分隔成兩個(gè). 當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之， 輸出軸作順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力 P驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為：_ 22pb(R -r )22Mp =22b(R -r )23畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)29圖4 2回轉(zhuǎn)氣缸筒圖Fig, 4-2 Sketch of Rotating Gas Vat式中；M回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩p回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力LN*cm力R缸體內(nèi)壁半程（cm以r輸出軸半徑（cmhb動(dòng)片寬度（cmin若低上述驅(qū)動(dòng)力矩和壓力的關(guān)系式是對(duì)于低壓腔背壓為零的情況下而言的. 壓想有一定的背壓，則上式中的P

34、應(yīng)代以工作壓力Pi與背壓P?之差*4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核D1 =96mm,半徑 R = 48mm，軸徑1 .尺寸設(shè)計(jì)氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為b =100mm，氣缸內(nèi)徑為D2 =26mm D2=26mm,半徑R =13mm，氣缸運(yùn)行角速度w =90 7s，加速度時(shí)間&=0.ls,壓強(qiáng) P =0.4MPa則力矩：pb(R2 -r2)20.4 106 0.1(0.0482 - 0.0262)一2= 32.6(N.m)2 .尺寸校核(1)測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 mi =10kg ，分析部件的質(zhì)量分布情況,質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑r=50mm的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:2mirJ2 _ 10 0

35、.052一 22= 0.0125 (kg.m)工件的質(zhì)量為5kg,質(zhì)量分布于長(zhǎng)l =100mm的棒料上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:ml 12250.112=0.0042 (kg .m 2 )假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，對(duì)于長(zhǎng)l =100mm的棒料來說，最大偏心距e1 =50mm ,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J = Jc m1e12 2= 0.0042 5 0.052= 0.0167(kg.m2)coM 嚴(yán)=(J J1)IVI 慣590= (0.0125 0.0167) 0.1= 26.3(N.m)(2)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合，e1 = 0 ,夾持工件

36、一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線e3 = 50mm，則：M 偏=G1e1 + G3e3=10 10 0 5 10 0.05 = 2.5(N.m)(3)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 M摩，對(duì)于滾動(dòng)軸承f =0.01 ,對(duì)于滑動(dòng) 軸承f=0.1,d1,d2為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑，d1=30mm , d2=20mm,RA,RB為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì)RA =300N ,RB =150N ,Mf(RAd2 RBdJM摩=2等(300 0.02 150 0.03)= 0.05(N.m)4.回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。在

37、此處估計(jì) M封為M摩的3倍，M封=3父M摩=3 0.05= 0.1 5N.m), M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封= 26.3 2.5 0.05 0.15= 29(N.m)M驅(qū)M，設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全第5章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)手臂伸縮氣缸采用煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號(hào)的 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，氣缸用 CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi) 徑為100/63,關(guān)于此氣缸的資料詳情請(qǐng)參看煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠公司主頁(yè)：5.1.2 尺寸校核1 .在校核尺寸時(shí)，只需校核氣缸內(nèi)徑

38、D1=63mm,半彳全R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足 使用要求即可，設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng)P=0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力：F = P 二R2= 0.4 1 (6 3.1 4 0.0 3 125=1 2 4(N)2,測(cè)定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計(jì)加速度a=10(m/s),則慣性力：F1 = ma-50 10= 500(N)3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) k = 0.2, Fm =kE= 0.2 500=100N)總受力= 500 100= 600(N)F0 ：二 F所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。5.1.3 導(dǎo)向裝置氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的

39、 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(jì)手臂結(jié)構(gòu) 時(shí)，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(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等 因素來確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)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，在本設(shè)計(jì)中才用單 導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。5.1.4 平衡裝置在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力 矩對(duì)性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放整碼，整碼塊的質(zhì) 量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡

40、。5.2手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.2.1 尺寸設(shè)計(jì)氣缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為l =118mm,氣缸內(nèi)徑為 D1=110mm,半徑 R=55mm,氣缸運(yùn)行速 度，加速度時(shí)間t=0.1s壓用雖p=0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力:2G0 = p. -R= 0.4 106 3.14 0.0552=3 7 9(N)5.2.2 尺寸校核1 .測(cè)定手腕質(zhì)量為80kg,則重力：G = mg=80 10= 800(N)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2 .設(shè)計(jì)加速度a=5(m/s),則慣性力:G1 = ma二80 5-400N)3 .考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) k = 0.1 ,Gm = k.Gi= 0.1 400= 40(N)

41、總受力Gq=GGiGm=800 400 40=1 240N)Gq :二 G所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求5.3手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.3.1 尺寸設(shè)計(jì)氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為b =120mm，氣缸內(nèi)徑為D = 210mm，半徑R=105mm,軸徑D2 =40mm半徑R= 20mm，氣缸運(yùn)行角速度 =90=/s，加速度時(shí)間 與=0.5s,壓強(qiáng)P =0.4MPa ,，_22、M = pb(R 一)則力矩：2_ 0.4 106 0.12(0.1052 -00202)2=255(N.m)5.3.2尺寸校核1.測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 m1 =120kg,分析部件的質(zhì)量分布情況,質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑r= 200mm的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:120 0.102一 2= 0.6 (kg.m20M 慣=J.t= 0.6 毀0.5=108( N.m)考慮軸承，油封之間的摩1S力，設(shè)定一摩擦系數(shù)k = 0.2,=k.M 慣= 0.2 108=