【正文】 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)目的 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)是機(jī)械手機(jī)械制造 ,機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械電子工程 (機(jī)電一體化 )等專業(yè)的一個(gè)重要餓教學(xué)環(huán)節(jié) ,是學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課及有關(guān)專業(yè)課的一次專業(yè)課內(nèi)容的綜合設(shè)計(jì) .通過設(shè)計(jì)提高學(xué)生的機(jī)構(gòu)分析與綜合的能力 ,機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力 ,機(jī)電液一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力 ,掌握實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的設(shè)計(jì)方法 .通過設(shè)計(jì)把有關(guān)課程 (機(jī)構(gòu)分析與綜合 ,機(jī)械原理 ,機(jī)械設(shè)計(jì) ,液壓與氣壓技術(shù) ,自動(dòng)控制理論 ,測(cè)試技術(shù) ,數(shù)控技術(shù) ,微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 ,自動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)等 )中所獲得的理論知識(shí)在實(shí)際中綜合地加以運(yùn)用 ,使這 些知識(shí)得到鞏固和發(fā)展 ,并使理論知識(shí)和生產(chǎn)密切地結(jié)合起來 .工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)及制造專業(yè)和機(jī)械電子工程專業(yè)的學(xué)生一次比較完善的機(jī)電一體化設(shè)計(jì) .通過設(shè)計(jì) ,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的機(jī)械整體設(shè)計(jì)的能力 ,樹立正確的設(shè)計(jì)思想 ,掌握機(jī)電一體化機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本方法和步驟 ,為自動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ) .通過設(shè)計(jì) ,使學(xué)生能熟練地應(yīng)用有關(guān)參考 ,計(jì)算圖表 ,手冊(cè) ,圖冊(cè) ,和規(guī)范 。熟悉有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn) ,以完成一個(gè)工程技術(shù)人員在機(jī)械整體設(shè)計(jì)方面所必須具備的基本技能訓(xùn)練 . 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的作用 a 建造旋轉(zhuǎn)體零件 b 實(shí)習(xí)單機(jī) 自動(dòng)化 c 鍛，焊，熱處理等熱加工方面 工業(yè)機(jī)械手的分類 按規(guī)格（所搬運(yùn)的工件重量）分類 a 微型的 搬運(yùn)重量在 1kg 以下 b 小型的 搬運(yùn)重量在 10kg 以下 c 中型的 搬運(yùn)重量在 50kg 以下 d 大型的 搬運(yùn)重量在 500kg 以下 按功能分類 a 簡(jiǎn)易型工業(yè)機(jī)械手 第一章 緒論 2 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)鼓控制來給定程序。 b 記憶再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)械手 這種工業(yè)機(jī)械手由人工通過示教裝置領(lǐng)教一遍，由記憶元件把程序記錄下來，以后 機(jī)械手就自動(dòng)按記憶的程序重法進(jìn)行循環(huán)動(dòng)作 c 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的工業(yè)機(jī)械手 可通過更換穿孔帶或其他記憶介質(zhì)來改變工業(yè)機(jī)械手的動(dòng)作程序，還可以進(jìn)行多機(jī)控制。 d 智能工業(yè)機(jī)械手 由電子計(jì)算機(jī)通過各種傳感元件等進(jìn)行控制，具有視覺，熱覺，觸覺，行走機(jī)構(gòu)等 按用途分類 a 專用機(jī)械手 附屬于主機(jī)的，具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。這種機(jī)械手工作對(duì)象不變，動(dòng)作固定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，適用于成批，大量生產(chǎn)的生產(chǎn)自動(dòng)線或?qū)C(jī)作為自動(dòng)上，下料用。 b 通用機(jī)械手 具有獨(dú)立控制系統(tǒng)，程序可變，動(dòng) 作靈活多樣的機(jī)械手。通用機(jī)械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，適用于工件經(jīng)常變換的中，小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。 工業(yè)機(jī)械手的組成 工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成 a 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)由抓取部分 (手部 ),腕部 ,肩部和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件組成 b 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 有氣動(dòng) ,液動(dòng) ,電動(dòng)和機(jī)械式四種形式 c 控制系統(tǒng) 有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式 .大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制 ,也有采用可編程序控制器控制 ,微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制 ,采用凸輪 ,磁盤磁帶 ,穿孔卡等記錄程序 .主要控制的是坐標(biāo)位置 ,并注意其加速度 特性 . d 基體 (機(jī)身 ) 基體是整個(gè)機(jī)械手的基礎(chǔ) 工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展方向 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 國(guó)內(nèi)外實(shí)際上使用的定位控制的機(jī)械手 ,沒有 視覺 和 觸覺 反饋 .目前 .世界各國(guó)正積極研制帶有 視覺 和 觸覺 的工業(yè)機(jī)械手 ,使它能對(duì)所抓取的工件進(jìn)行分辨 ,選取所需要的工件 ,并正確地夾持工件 ,進(jìn)而精確地在機(jī)器中定位 ,定向 . 為使機(jī)械手有 眼睛 去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零件 ,它由視覺傳感器輸入三個(gè)視圖方向的視覺信息 ,通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形分辨 ,判別是否是所要抓取的工件 .為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件 滑落下來 ,一般采用兩種方法 :一是檢測(cè)把握物體手臂的變形 ,以決定適當(dāng)?shù)奈樟?。另一種是直接檢測(cè)指部與物體的滑落位移 ,來修正握力 . 因此這種機(jī)械手就具有以下幾個(gè)方面的性能 a 能準(zhǔn)確地抓住方位變化的物體 b 能判斷對(duì)象的重量 c 能自動(dòng)閉開障礙物 d 抓空或抓力不足是能檢測(cè)出來 這種具有感知能力并能對(duì)感知的信息作出反應(yīng)的工業(yè)機(jī)械手稱為智能機(jī)械手 ,它是具有發(fā)展前途的 . 現(xiàn)在 ,工業(yè)機(jī)械手的使用范圍只限于在簡(jiǎn)單復(fù)雜的操作方面節(jié)省人力 ,其效益是代替人從事繁重的工作和危險(xiǎn)的工作 ,在惡劣環(huán)境下尤其明顯 .至于在汽車工業(yè)和電子工 業(yè)之類的費(fèi)工的工業(yè) 部門 ,機(jī)械手的應(yīng)用情況決不能說是很好的 .雖然這些工業(yè)部門工時(shí)不足的問題很尖銳 ,但采用機(jī)械手只限于一小部分工序 .其原因之一是 ,工業(yè)機(jī)械手的性能還不能滿足這些部門的要求 ,適于機(jī)械手工作的范圍很小 .另外經(jīng)濟(jì)性問題當(dāng)然也很重要 ,采用機(jī)械手來節(jié)約人力從經(jīng)濟(jì)上看不一定總是合算的 ,然而 ,利用機(jī)械手或類似機(jī)械設(shè)備節(jié)省和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)合理化的要求 ,今后還會(huì)增長(zhǎng) . 工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)的內(nèi)容 a 擬訂整體方案 ,特別是傳感 ,控制方式與機(jī)械本體的有機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)方案 . b 根據(jù)給定的自由和技術(shù)參數(shù)選擇合適的手部 ,腕部 ,肩部和機(jī)身的結(jié)構(gòu) . c 各部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 d 工業(yè)機(jī)械手工作裝配圖的設(shè)計(jì)與繪圖 e 液壓系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)與繪圖 f 電氣控制的繪制 g 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書第二章 手部的設(shè)計(jì) 4 第二章 手部的設(shè)計(jì) 手部的功能、分類 手部（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來直接把握工件的部件，由于被握持工件的形狀，尺寸大小，重量，材料性能，表面狀況等的不同，所以工業(yè)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而設(shè)計(jì)的。歸納起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。 夾持類常見的主要有夾鉗式，此外還有鉤 托式和彈簧式。夾持類手部按其手指夾持工件時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式，可分為手指回轉(zhuǎn)型和手指平移型兩種。 吸附類可分 有氣吸式和磁吸式。 夾鉗式手部設(shè)計(jì)的基本要求 a 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力 手指握力（ 夾緊力）大小要適當(dāng)，力量過大則動(dòng)力消耗多，結(jié)構(gòu)大，不經(jīng)濟(jì)，甚至回?fù)p壞工件；還考慮轉(zhuǎn)送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性和振動(dòng)，以保證工件夾鉗安全可靠 。 b 手指應(yīng)具有一定的開閉范圍 手指應(yīng)具有足夠的開閉角度或開閉距離，以便抓取或退出工件。 c 應(yīng)保證工件在手指內(nèi) 的夾持精度 應(yīng)保證每個(gè)被夾持的工件在手指內(nèi)部有準(zhǔn)確的相對(duì)位置。 d 要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高 在保證本身剛度，強(qiáng)度的前提下，盡量可能使結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。 e 應(yīng)考慮通用性和特殊要求 一般情況下，手部多是專用的，為了擴(kuò)大它的使用范圍，提高它的通用化程度，以適應(yīng)夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調(diào)整的辦法。 夾鉗式手部的計(jì)算與分析 手部 選擇及原理敘述 采用鉗爪式手部機(jī)構(gòu)，手機(jī)形狀為平面指，傳力機(jī)構(gòu)形式為滑槽杠桿式。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 工作原理： 圖 21 夾鉗式手抓形狀圖 a— 鉗爪回轉(zhuǎn)支點(diǎn) O1或 O2到對(duì)稱中心線的距離； b— 鉗爪回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到“ V”型鉗口中心線的距離； a’— 滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)（ O1 與 O2）間連接線的夾角。 如圖 所示，拉桿 2 端部固定安裝著圓柱銷 3，當(dāng)拉桿 2 向上拉時(shí)，圓柱銷就在兩個(gè)鉗爪 4 的滑槽中移動(dòng)，帶動(dòng)鉗爪 4 繞 O1 與 O2兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)回轉(zhuǎn)夾緊工件，拉桿 2 向下推時(shí)，使鉗爪 4 松開工件，設(shè) P 為作用 在拉桿 2 上的驅(qū)動(dòng)力； N 為 鉗爪的夾緊力，鉗爪的尺寸關(guān)系如圖 21 所示，下面分析圓柱銷 3 和鉗爪 4 的受力情況。在拉桿 2 作用下，圓柱銷 3 向上的 拉力為 P，并作用于圓柱銷的中心 O 點(diǎn)，而兩鉗爪的滑槽對(duì)圓柱銷的作用力為 P1,P2（且 P1=P2），其力的方向垂直于滑槽軸線 OO1或 OO2,指向 O 點(diǎn)其延長(zhǎng)線分別交于 B,A 兩點(diǎn)，如圖 21 所示，三角形O1OB 和三角形 O2OA 均為直角三角形，故∠ AOC=∠ BOC=a’ 根據(jù)圓柱銷的平衡條件∑ F=0 可知， P=2P1cosa’ 第二章 手部的設(shè)計(jì) 6 則 P1=P/（ 2cosa’ ） （ 21） 如 21所示，圓柱銷對(duì)鉗爪的反作用力為 P1’ ，其大小與 P1 相等，即 P1’ =P1,且方 向相反 ， 工件 對(duì)鉗爪的反作用力大小等于夾緊力 N，按照鉗爪的平衡關(guān)系∑M01=0 得 P1’ h=Nb N=h P1’ /b=h P1/b 因?yàn)?h=a/( cosa’ ) 所以 N=a/2b*(1/ cosa’ ) 2 *P （ 22）由（ 22）式可知，在驅(qū)動(dòng)力 P一定的情況下， a’ 增大，則夾緊力 N也隨之增大，但 a’ 過大導(dǎo)致拉桿（有時(shí)即為活塞桿）的行程過大，以及鉗爪滑槽部分尺寸長(zhǎng)度增大使手部結(jié)構(gòu)加大，所以一般取 a’ =30176。 ~40176。為宜。 夾鉗式手爪 設(shè)計(jì) （ 手指夾緊力與驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 ） 由資料可知手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算： N≥ K1*K2*K3*G (23) 其中： K1— 安全系數(shù)，常取 ； K2— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力影響，可按 K2= 或 K2=1+a/g估算（ a 為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程中的加速度 m/s2,g為重力加速度 ） K3— 方位系數(shù) ，根據(jù)手指與工件的形狀及手指與工件位置不同進(jìn)行選定，設(shè)計(jì)中選取 K3=4； G— 被抓取工件的重力。 G=3*= 假設(shè) K1= K2= K3=4 夾緊力 N： N≥ 4 = 而由前面所得 N=a/2b*(1/ cosa’ ) 2 *P 則驅(qū)動(dòng)力 P： P≥ (2b*N)/[a*(1/ cosa’ ) 2] (24) 手指結(jié)構(gòu)尺寸 的確定 由圖 21 所示，手部結(jié)構(gòu)相關(guān)手指尺寸設(shè)定如下 ： a’=30176。 a=40 b=60 驅(qū)動(dòng)力 P 計(jì)算 =2b*a(cos30176。 )2*= 考慮手爪 的機(jī)械效率 ?/計(jì)算實(shí)際 PP ? （ 25） 式中 ? — 手部機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率（ ～ ）取 ? = P 實(shí)際 = 所夾工件形狀及尺寸如下：（ mm） ,工件質(zhì)量 3 ㎏，密度 ?? rrhv ***?? 設(shè) h=10cm 則 r= 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 22 工件形狀 手指夾緊油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 手指的夾緊采用雙作用單桿活塞油缸，共計(jì)算簡(jiǎn)圖如下： 計(jì)算作用在活塞上的總機(jī)械載荷 P=PI+P 封 1+P 封 2+P 背 +P 慣 （ 26） PI— 為工作阻力，即手部傳力機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力，用以保持機(jī)械手的手指夾緊工件有足夠的握力，由前面計(jì)算可知： PI= P 封 1， P 封 2— 為活塞與缸壁處，活塞桿與缸蓋處的摩擦力，密封圈用 O 型密封圈，當(dāng)油缸工作壓力不大于 100 公斤 /厘米 2時(shí)，活塞桿直徑取為油缸內(nèi)徑的一半，活塞和活塞桿處都采用 O型密封圈密封時(shí)，油缸密封處總摩擦力為： P 封 1+P 封 2= （ 27）式中： P— 作用在活塞桿上的推力（即驅(qū)動(dòng)力， P=? *D*D*P1/4 P1為進(jìn)油壓力 ，D 為油缸內(nèi)徑 ） P 背 — 為背壓阻力，油缸回油腔低壓油所造成的阻力一般較小，當(dāng)回油腔直接與郵箱相連時(shí)， P 背 =0 P 慣 — 動(dòng)負(fù)載，由上可得 P=PI+P 封 1+P 封 2+P 背 +P 慣 = 確定油缸尺寸 a油缸內(nèi)徑（即活塞的直徑）計(jì)算 ：油缸工作時(shí)，進(jìn)油腔壓為油液作用于活塞上的合成液壓力即驅(qū)動(dòng)力應(yīng)與活塞桿上所受總機(jī)械載荷平衡，所以油缸（即活塞）有效面積為： F=P/P1 F=? *D*D /4 郵 箱 內(nèi) 徑 （ 即 活 塞 直 徑 ） 為PPD 11 ???? ? (28) 第二章 手部的設(shè)計(jì) 8 式中 P1— 油缸工作壓力，取 P1=10kg/cm2,則 PD1 ?? = ?? ≈ 取油缸的內(nèi)徑（ 即活塞直徑 ） D=3