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1、第 1 章 概述机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹、和要求实现自动抓取，搬运或操作动作的自动化机械装置。在工业中应用的机械手称为“工业机械手” 。工业机械手由执行系统、驱动系统和控制系统组成。执行系统又可分为抓取，送放和机身三部分，如图 1.1 所示1-执行系统2-控制系统3-驱动系统a-手爪b-手腕c-手臂d-机身e-行走装置图1.1 机械手的组成1.1 执行系统执行系统是直接握持物件实现所需的各种运动的机械部分，它包括以下机构（1）抓取机构抓取机构又称手部或手爪，是机械手直接与被抓取物件接触并施加约束和加紧力的部分。（2） 送放机构送放机构是执行系统中将被抓取物件送放到目的地的机
2、械部分。它主要由手臂、手腕、行走装置等部分组成。手臂是用来支撑腕部和手部并改变被送放物件的空间位置的。 它是机械手的主要运动部件。手腕主要是用来调整和改变被送放物件的方位，并连接手臂和手指。行走装置的主要作用是扩大机械手的送放范围，以适应远距离操作的需要。（3）机身机身是机械手中用来支撑送放机构的部件，也是安装驱动系统，控制系统的基础部件。 1.2 驱动系统机械手的驱动系统是为执行系统各部分提供动力的装置。 驱动系统可分为液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等多种形式。液压驱动系统主要由油泵，油缸，油压阀机管路组成。 1.3 控制系统机械手控制系统的功用是通过对驱动系统的控制使执行系统按照规
3、定的要求进行工作，并检测其工作位置正确与否。它主要包括程序控制和位置检测等部分.程序控制装置指挥机械手按规定的程序进行运动,并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序,运动轨迹,运动速度,运动时间等),同时按其控制系统的信息对执行系统发出指令,必要时它还可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时,即发出报警信号.信息检测装置主要用来控制机械手执行系统的运动位置,并随时竟执行系统的实际位置反馈给控制系统,并与设定的位置进行比较,然后通过控制系统进行调整,从而使执行系统以一定的精度达到设定位置.第 2 章方案设计及主要参数的确定2.1 方案设计根据课题要求，机械手需要具备上料、翻转和转位等
4、多种功能，并按该自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作，因此可采用以下多种设计方案。（1）直角坐标系式，自动线成直线布置，机械手空中行走，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种方案结构简单，自由度少，易于配线，但需要架空行走，油液站不能固定，这使设计复杂程度增加，运动质量增大。（2）机身采用立柱式，机械手侧面行走，顺序完成上料、翻转、转位等功能，自动线仍呈直线布置。这种方案可以集中设计液压站，易于实现电气、油路定点连接，但占地面积大，手臂悬伸量较大。（3）机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种案具有电液集中、占地面积小、可从地面抓取工件等优点，但配线要求较高
5、。本设计拟采用第三种方案，如图（1）所示。这是一种球坐标式机械手，具有立柱旋转( z)、手臂伸缩( x)、手臂俯仰( y)、腕部转动( x)和腕部摆动( y)五个自由度。图2.1球坐标式机械手2.2 主要参数的确定（1）抓取重量15kg（2）坐标形式和自由度坐标形式为球坐标式，有五个自由度。（3）工作行程工作行程由已知条件及方案分析确定：最大工作半径 1500mm；手臂最大中心高 1000mm；手臂水平中心高 700mm；手臂伸缩行程 450mm；手臂回转范围：=0270；手腕回转范围：翻转=0180；腕部摆动范围：转位=090；手臂上下摆动角度：=060。（4）运动速度直线运动速度：手臂伸缩
6、行程 l=450mm，运动时间 t=2s，则手臂伸缩速度为：v=tl=0.45/2=0.225m/s；回转运动速度：定为 60/s。（5）驱动方式驱动方式采用液压驱动的方式。由于机械手操作时各缸不同时工作，手臂伸缩缸和手臂回转缸所需的流量大，其余各缸所需的流量均较小，因此可选用双联叶片泵。在小流量时，只需高压小流量供油，大流量低压泵卸荷；在大流量时，两泵同时供，这样可以减少系统功率损失，防止油温升高。（6）定位精度定位采用机械挡块定位，定位精度为 0.51mm。（7）控制方式采用行程控制系统实现点位控制。第 3 章抓取机构的设计31 抓取机构结构形式的确定抓取机构的结构形式主要决定于工件的形状
7、和质量，本课题的抓取工件为 250170140mm 的箱式零件，因此采用平行连杆杠杆式手部结构较为合适。夹紧装置为常开式，当夹紧液压缸通油时，推动活塞带动杠杆机构合拢将工件夹紧。当夹紧液压缸断油时，活塞杆通过弹簧复位，手爪张开。32 夹紧力（握力）的确定当用不同的手部机构夹紧同一种工件时，由于各手部机构的增力倍数不同，所需拉紧油缸的驱动力也不同。当手部机构选定后，由于工件的方位不同（如工件水平放置或垂直放置） ，钳爪的受力状态不一样，因而所需拉紧油缸的驱动力也不一样。下图（2）为两钳爪式手部机构，由于驱动力 P 使一对平行钳口对被夹持的工件产生两个作用力 N，当忽略工件重量时（即相当于夹紧一块
8、握力表） ，这两个力大小相等，力N 称为由驱动力 P 产生的夹紧力。图 3.1 夹紧力现引入一个称为“当量夹紧力”的概念，所谓当量夹紧力，就是指把重量为 G 的工件，按某一方位夹紧可以求得其拉紧油缸具有的最小驱动力，这个最小驱动力所能产生的夹紧力，就称为工件在这个方位的当量夹紧力。当量夹紧力的数值与具体的手部机构方案无关。只与工件的重量 G 和它相对与钳爪的放置方位有关。证明如下：（1）首先求驱动力 P 与夹紧力 N 的关系。当驱动力推动活塞杆移动一小段距离dy 时，两个钳爪都相应产生一微小转角 d，依据虚功原理，驱动力 P 所做功（Pdy）和夹紧力 N 所做功应相等，即NbdNbdPdy+=
9、N=bdPdy 2（3.1）（2）当量夹紧力与工件重量之关系。当钳爪水平夹紧重为 G 的工件时，根据工件的平衡条件F=0 可得R1=R2+G可以看出，上下钳爪对工件的夹紧力并不相等，且随驱动力的增大而增大，但 R1和 R2 的差值永远为工件之重量 G，如 R2=0，R1=G，驱动力最小。这个最小驱动力可以由下述方法求出：bdRbdRdyP21+=将 R1=G，R2=0 代入上式得dydGbP=（3.2）由P所产生的夹紧力N，即当量夹紧力。将（2.2）式代入（2.1）式得221 2G ddy bdydGbddy bpN= （3.3）从计算结果可以看出， 当量夹紧力N与具体的手部结构方案无关。 不
10、同的手部机构的增力倍数特性dyd不一样， 而当量夹紧力与dyd无关， 只与工件的重量和它相对于钳爪的放置方位无关。由课题要求可知，本机械手水平夹持悬伸工件，示意如图 3.2图 3.2 握力示意图查表得进行握力计算：N=GHL+213（3.4）式中N夹持工件时所需的握力；G工件的重量，G=15kg=150N；L、H尺寸，L=50mm，H=80mm。将上述数值代入得N=25.35615021 80503= +N考虑到工件在传送过程中还会产生惯性力、振动以及受到传力机构效率等的影响，故而实际握力还应按以下计算：N实21KKN（3.5）式中，手部的机械效率，一般=0.850.95；k1安全系数，一般取
11、 k1=1.22；k2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，按下式估算：k2=1+/g，其中，为被抓取工件传送过程中的最大加速度，g 为重力加速度。若取=0.9；k1=1.5；k2 按= g/2 计算，k2=1+/g=1.5，则N实21KKN=356.251.51.5/0.9890N3.3 夹紧缸驱动力的计算抓取机构产生的握力是通过驱动装置产生的驱动力经传动机构传递而得到的。如图 3.3 所示为夹紧缸受力分析简图， 图中 P 为驱动力， N 实为握力。 由图 3.4 和图 3.5的受力分析可得P=2Rsin（3.6）Rh=LCDR|因为h=lBCcos=lBCcos(180-+)= lBCcos
12、(+-)（长度取正值）R|= N 实cos所以P=2Rsin=实NlBClCD+)cos(cossin2 由结构设计，确定=10，=120，=50，l CD=130mm，lBC=36mm，代入上式得N7638909396. 0366427. 01736. 01302（长度取正直）图 3.3 夹紧缸受力分析简图P实图 3.4图 3.53.4 夹钳式抓取机构的定位误差分析图 3.6 所示的为一支点回转型手指的示意图。图示情况为分别夹持两种不同直径的工件时的情况。其中，ABl为手指长度，即手指的回转中心 A 到 V 形槽顶点 B 之间的距离；2为 V 形槽的夹角；为偏转角，即 V 形槽的角平分线 B
13、C 与手指 AB 间的夹角；R 为工件的半径。图 3.6工件的中心 C 与手指的回转中心 A 之间的距离 x 可由下式求得：cossin2sincos222 222+=+=RlRlllllxABABBCABBCAB将上式整理后得()222 2sincossinsin1 ABABllRx+=或()() ()1sinsincossinsin2222 =ABABABllRlx此式为双曲线方程，其曲线如图 3.7 所示。图中曲线表示了 X 随 R 变化的关系，而且 X 的变化是以 R0 为分界线左右对称的。当工件的半径由 Rmax 变化到 Rmin 时， X的最大变化量即为定位误差，其值为cossin
14、min2sinmincossinmax2sinmax2 22 2+=RlRlRlRlABABABAB图 3.7在设计手指时，只要给定手指的长度ABl，选取合适的偏转角，即可根据工件的最大直径 Rmax 和最小直径 Rmin 确定定位误差。为了减少定位误差，可加大手指的长度，会使结构增大，重量增加。另外，选择最佳的偏转角，也可使定位误差最小。当 R 等于平均半径 Rm() +=2minmaxRRRm时，定位误差最小，此时eleRlRleleRlRlABABABABABABsincossinmin2sinminsincossinmax2sinmaxmin2 22 2+=+=式中，e最佳偏转角。35
15、 夹紧液压缸主要尺寸的确定3.5.1 液压缸内径 D 的计算由单杆活塞式液压缸的推力公式：11pAF=（3.7）式中，1F液压缸的推力(N)；p系统的工作压力，p=2.5Mpa=2.5N/mm2；1A活塞的作用面积（mm2）1A=2 4DD活塞直径（mm） 。推导得出：D=1.13mpF 1（3.8）式中，1F驱动力，即液压缸的实际工作载荷（N） ；p系统的工作压力，p=2.5Mpa=2.5N/mm2；m机械效率，一般取m=0.95；D液压缸内径（mm） 。将上述数值代入得D=1.13mm25.2095. 05 . 2 763=按 GB/T2348-1993 标准系列直径圆整，取 D=32mm。3.5.2 活塞杆直径 d 的计算根据速度比的要求来计算活塞杆直径 d1=Dd（3.9）式中 ，d活塞杆直径（mm） ；D液压缸直径（mm） ； 速度比：22212 dDD vv =2v活塞杆的缩入速度（mm/min） ；1v活塞杆的伸出速度（mm/min） 。液压缸的往复运动速度比，与系统工作压力的关系如下表 3.1工作压力 p/MPa1012.52020速度比1.331.46；22由于本次设计的液压系统工作压力为 2.5MP
