【正文】 1 / 47第一章 緒論 機械手設(shè)計的目的工業(yè)機械手設(shè)計是機械制造、機械設(shè)計和機械電子工程等專業(yè)的一個重要學習環(huán)節(jié)，是學完技術(shù)基礎(chǔ)課及有關(guān)專業(yè)課以后的一次專業(yè)課程內(nèi)容的綜合設(shè)計。通過設(shè)計提高自身的機構(gòu)分析與綜合能力、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力、機電液壓一體化系統(tǒng)設(shè)計能力，掌握實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的設(shè)計方法。通過設(shè)計，把有關(guān)課程（機構(gòu)分析與綜合、機械原理、機械設(shè)計、液壓與液壓動技術(shù)、機電控制理論及應(yīng)用、數(shù)控技術(shù)、微型計算機原理及應(yīng)用、機械設(shè)計等）中所獲得的理論知識在實際中綜合地加以運用，使這些知識得到鞏固和發(fā)展，并使理論知識和生產(chǎn)密切地結(jié)合起來。因此，工業(yè)機械手設(shè)計是有關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課以后的綜合性的專業(yè)課程設(shè)計。工業(yè)機械手設(shè)計是機械設(shè)計及制造專業(yè)和機械電子工程 專業(yè)的學生一次比較完整的機電一體化整機設(shè)計。通過設(shè)計，培養(yǎng)學生獨立的機械整機設(shè)計的能力，樹立正確的設(shè)計思想，掌握機電一體化機械產(chǎn)品設(shè)計的基本方法步驟，為自動機械設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。 通過設(shè)計，使學生能熟練地應(yīng)用有關(guān)參考資料、計算圖表、手冊、圖冊規(guī)范；熟悉有關(guān)國家標準和部頒標準，以完成一個工程技術(shù)人員在機械整 體設(shè)計方面所必須具備的基本技能訓練。 機械手設(shè)計的內(nèi)容本設(shè)計要求能較鮮明地體現(xiàn)機電一體化的設(shè)計構(gòu)思。所謂機電一體化技術(shù)，是機械工程技術(shù)吸收微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、傳感技術(shù)等而形成的一種新的綜合集成技術(shù)。盡管機電一體化的產(chǎn)品名目繁多，并由于它們的功能不同而有不同的形式和復雜程度，但做功的機械本體的部分（包括動力裝置）和微電子控制部分是其最基本的、不可或缺的要素。1）擬定整體方案；、2）根據(jù)給定的自由度和技術(shù)參數(shù)選擇合適的手部、腕部、臂部和機身的結(jié)構(gòu)；3）各部件的設(shè)計計算；4）工業(yè)機械手工作裝配圖的設(shè)計與繪制；5）液壓壓系統(tǒng)圖的設(shè)計與繪制；6）機械手的運動分析；7）編寫設(shè)計計算說明書 機械手在生產(chǎn)中的作用建造旋轉(zhuǎn)體零件（軸類、盤類、環(huán)類）自動線一般都采用機械手在機床之間傳送工作。國內(nèi)已建成的這類自動線很多，如沈陽水泵廠的深井軸承體加工自動線，大連電機廠的4號和5號電動機軸加工自動線，上海拖拉機齒輪廠的齒坯加工自動線等。加工箱體類零件的組合機床自動線，一般 采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力機廠的液壓缸加工自動線轉(zhuǎn)位機械手。實現(xiàn)單機自動化方面各類半自動車床，有自動夾緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料；裝上機械手，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)，一人看管多臺機床。目前，機械手在這方面的應(yīng)用最多。注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)。沖床有自動上下料循環(huán)，裝上機械手上下料，可實現(xiàn)沖壓生產(chǎn)自動化。目前機械手在沖床上應(yīng)用有兩個方面：一是160t以上的沖床機械手的較多。一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間進步。鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工方面在模鍛方面，國內(nèi)大批量生產(chǎn)的3t、5t、10t模鍛錘，其所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩只機械手成一定角度布置在爐前，實現(xiàn)進出料自動化。工業(yè)機械手滿足了社會生產(chǎn)的需要，其主要特點是：1) 對環(huán)境的適應(yīng)性強，能代替人從事危險、有害的操作，在長時間工作對人體有害的場所，機械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境進行合理設(shè)計，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機械手就可以在異常高溫或低溫、異常壓力和有害液壓體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險環(huán)境中勝任工作。2) 機械手能持久、耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。3) 由于機械手的動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時又可以避免人為的操作錯誤。4) 機械手特別是通用工業(yè)機械手的通用性、靈活性好，能較好的適應(yīng)產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需雜。5) 采用機械手能明顯地提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。一、規(guī)格分類1） 微型的——搬運重量在1Kg下。2）小型的——搬運重量在10Kg下。3）中型的——搬運重量在50Kg下。4）大型的——搬運重量在500Kg下。二、按功能分類簡易型工業(yè)機械手 有固定程序和可變程序兩種。固定程序由凸輪轉(zhuǎn)鼓或擋塊轉(zhuǎn)鼓控制，可變程序用插銷板或轉(zhuǎn)鼓控制給定程序。記憶型再型工業(yè)機械手計算機數(shù)子控制的工業(yè)機械手。智能工業(yè)機械手。三、按用途分類專用機械手通用機械手 具有獨立控制系統(tǒng)，程序可變、動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，能用性強，適用于工偷看 經(jīng)常變換的中、小批量自動化生產(chǎn)。1．5機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如下方框圖所示：　　　　　圖21　　系統(tǒng)組成圖一、執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)由抓取部分手部、腕部和行走機構(gòu)等運動部件組成。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，手臂自由度數(shù)為三個，選用直角坐標系。直角坐標系占空間大，工作范圍小，慣性大，所以一般不采用，根據(jù)任務(wù)書原始數(shù)據(jù)和給出的自由度數(shù)，因其自由度數(shù)較少故選用之。行走機構(gòu)，直角式坐標式。手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件，手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件與驅(qū)動源相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都 需要有導向裝置，以保證手指按正確的方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。二、驅(qū)動機構(gòu)有液壓動、液動、電動和機械四種形式。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，選用液壓動式驅(qū)動，因其速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用點位控制或機械擋塊定位，有較高的重復定位精度，但臂力一般 在300N以下，根據(jù)設(shè)計要求，滿 足設(shè)計需要。三、控制系統(tǒng) 有點位控制和連續(xù)控制兩種方式。大數(shù)數(shù)采用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤碰帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速特性。四、基體基體是整個機械手的基礎(chǔ)。第二章 機械手總體設(shè)計方案 機械手的設(shè)計方案對程控通用機械手的基本要求是能快速、準確地拾放和搬運物件，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定位等特性。設(shè)計液壓動機械手的原則是：充分分析作業(yè)對象（工件）的作業(yè)技術(shù)要求，制定最倒是的作業(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、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求；盡量先用定型的標準組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。本次設(shè)計的機械手是程控通用機械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動手動或操作設(shè)備，動作強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關(guān)節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標型式。相應(yīng)的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。圖21 工業(yè)機械手的運動示意圖一、 機械手的規(guī)格參數(shù)，是說明機械手規(guī)格和性能的具體指標，一般 包括以下幾個方面：1）抓重：額定抓取重量或稱額定負荷，單位為Kg；任務(wù)書給出抓取種為30Kg。2）自由度數(shù)數(shù)目和坐標形式：任務(wù)書給定自由度數(shù)為4個，坐標形式給定為圓柱座標。3）定位方式：由電液壓定位系統(tǒng)控制電磁閥為“O”型機能使油缸慣性定位。4）驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動。5）手臂運動參數(shù)：手臂運動參數(shù)：伸縮行程:800毫米；伸縮速度：250mm/秒；升降行程:330毫米；升降速度：60mm/秒；回轉(zhuǎn)范圍：0176。210176。；回轉(zhuǎn)速度：70176。/秒；手腕運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍：0176。180176。；回轉(zhuǎn)速度：90176。/秒；當手臂的運動速度很高時，手臂在起動和制動過程中會產(chǎn)生很大的沖擊和振動，這會影響手臂的定位精度。因此，手臂運動速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍時間的長短、 生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和精度等要求來確定。6）手指夾持范圍和握力：φ6585φmm。握力：400N。7）位置檢測：用電位器反饋式；8）緩沖方式：用節(jié)流閥減速緩沖；9）定位精度：位置設(shè)定精度及重復定位精度177。3mm。10）控制方式：采用HTL集成電路可編程序控制；11）程序步數(shù)：每循環(huán)程序步數(shù)不少于32步； 圖22 圓柱坐標式運動簡圖 第三章 機械手手部、腕部、手臂設(shè)計 機械手手部設(shè)計方案應(yīng)具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力 手指握力大小要適宜，力量過大則動力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟，甚至會損壞工件；力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落。在確定握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件夾持安全可靠。 而對手部的驅(qū)動裝置來說，應(yīng)有足夠的驅(qū)動力。應(yīng)當指出，由于機構(gòu)傳力比不同，在一定的夾持力條件下，不同的傳動機構(gòu)所需驅(qū)動力大小是不同的。 手指應(yīng)具有一定的開閉范圍 手指應(yīng)具有足夠的開閉和開閉距離，以便于抓取和退出工件。 應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度 應(yīng)保證每個被夾持的工件，在手指內(nèi)都 有準確的相對位置。這對一些有方位要求的場合更為重要，如曲拐、凸輪軸類復雜的工件，在機床上安裝的位置要求嚴格，因此機械手的手部在夾持工件后應(yīng)保持相對的位置精度。 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高 在保證本身風度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。 考慮機械手的通用性和特殊要求 因為一般 情況下，手部多是專用的，為了擴大它的使用范圍提高它的通用化程度，以適應(yīng)夾持不同尺寸和開關(guān)的工件需要，通常采取手指可調(diào)整的辦法。如更換手指甚至更換整個手部。此外，還要考慮能適應(yīng)工作環(huán)境提出的特殊要求，如耐高溫、耐腐蝕、以承受鍛錘沖擊力等。需夾緊工件重量G=30公斤。V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為夾緊力計算手指在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對其大小、方向和作用點進行分析、計算。一般 來產(chǎn)，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化產(chǎn)生的載荷，以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按下式計算： (31)式中安全系數(shù)，~.工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率接嬎悖?1+ (32)其中：a ——運載工件時重力方向的最大上升加速度；g ——重力加速度；a=式中：——運