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1、毕业综合训练（报告、设计说明书）论文题目论文题目专业班级： 课题名称： 机械手设计 指导教师： 学生姓名： 完成日期： I目录一、一、摘要摘要1 1二、二、前言前言2 2三、三、正文正文3 3四、四、结论结论2424五、五、感谢感谢2525六、六、参考文献参考文献26261摘要摘要机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业，机械手虽然目前还不如然手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此获得日益广泛的
2、应用。机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。通过对机电一体化专业大学专科三年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，设计了一种圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。重点针对机械手的手脘、手臂等各部分机械结构以及机械手控制系统进行了详细的设计。同时对液压系统和控制系统进行了理论分析和计算。关键词：机械手；液压系统；气动系统2前言前言机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的
3、发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。在工业生产过程中，尤其在自动流水线上，零件的加工和搬运都可能用到机械手。3正文正文一一. .设计任务书设计任务书设计内容：1、械手机构总体方案设计 2、手架的结构设计 3、
4、液压、气压或电气系统设计 机械手动作要求是：手架能作任何角度的伸缩和转动。各动作由液压、气压驱动，电磁阀控制。手架承重不小于 10kg。二二. .设计任务分析以及总体方案设计任务分析以及总体方案机械手是一种模仿人手部分动作,按照预先设定的程序、轨迹或其它要求，实现抓取、搬运工件或者操纵工具的自动化装置。2.1 机械手设计原则总体设计的任务：包括执行系统、驱动系统、控制系统的设计及参数计算。总体设计后要进行各部件的强度、刚度、驱动力验算。1、运动设计及确定主要要求手架能作任何角度的伸缩和转动2、驱动方式：液压、气压驱动该机械手是独立的自动化机械装置。43、通用性高，机械手结构比较复杂。手臂可作前
5、后伸缩、上下升降和水平左右摆动三个动作，手臂可以绕 Z 轴转动 360 度4、按驱动方式分为联合驱动，电力驱动，液压驱动。5、按臂力大小来说是中型机械手。2.2 机械手分类1.按驱动方式分：液压式、气动式、机械式2.按适用范围分：专用机械手、通用机械手3.按运动轨迹控制方式分：点位控制、连续轨迹控制4.按臂部的运动形式分：直角坐标式、圆柱坐标式、球座坐标式、关节式2.3 机械手主要组成：机械手主要是由执行系统，驱动系统，控制系统三大部分组成。1、执行部分执行系统是机械手的机械传动结构部分。它包括手、手腕、手臂和机座等部件。2、驱动系统驱动系统是驱动执行系统的动力装置。驱动系统有液压驱动，气压驱
6、动，电力驱动和机械驱动等方式。3、控制系统控制系统是支配执行系统按规定程序动作得到电气控制装置。控制系统所控制的因素包括执行系统各部的动作、动作顺序、位置、5时间和速度等。2.4 结构布置要求及平稳性与定位精度机械手工作中运动速度较高，在结构布置上应保证运动平稳，这样可提高机械手使用的可靠性，并可延长使用寿命，在结构上要注意以下几点： 1） 臂部要防止偏重 通常臂部处于悬臂的工作状态，在设计臂部、手部结构时要尽量使其总的重心在支撑中心，防止对支撑中心的偏重。偏重将会产生附加的弯矩引起立柱和导向的变形，工作中引起导向装置不均匀的磨损。在回转运动中偏重对回转轴附加有动压力，其方向不断的变化，特别是
7、高速及速度突然变化时更为明显，这将引起机械手的振动，严重时会造成卡死。防止偏重过大可采取的措施如下：a.减轻手部重量，并尽量减少偏心载荷。b.合理分布臂部上各部件重量和增加平衡重，使臂部平衡。c.机械手在结构上无法避免偏重，则应加强导向支撑，尽力减轻偏重对运动的影响。2） 加强臂部刚度 选取臂部结构时要注意各个方向的刚度。提高臂部刚度是减少手部颤动的关键，有利于提高定位精度。臂部的刚度决定于臂部的结构和导向形式。3） 改进缓冲装置和提高配合精度 机械手缓冲装置是保证运动平稳和减少振动的主要措施。冲击有两种：一种是机械冲击，它是臂部运动中与定位装置相撞而产生，用可靠缓冲装置来消除。另6一种是液压
8、系统动作时产生的冲击。这种冲击作用于管路之中，仍会引起机械手振动，要靠改进液压系统设计来叫解决。提高部件的配合精度，减少间隙都有利于运动平稳。在生产中要求机械手工作速度快，运动平稳，定位精度高。应注意其影响因素，设计合理结构，以满足要求： （）惯性力的影响 机械手速度突变，加（减）速度不连续，会产生巨大惯性冲击力，致使工件滑移，部件松动，零件破裂。定位时，大的减速度使臂部往复振动，直接降低定位精度。因此，应根据机械手的运动特性，选择适宜的控制系统，使加（减）速度按所需的运动规律变化。同时，在保证刚度前提下减轻机械手运动部件的重量。（）结构刚度的影响 零件结构刚性低，配合间隙大以及整机固有频率低
9、时，受较小惯性冲击就发生振动，不但降低定位精度，而且降低机械寿命。应选择合理结构，提高机械手固有频率以及承受惯性载荷的能力。（）定位方法的影响 常用定位方法中电气开关定位的精度最低，伺服定位较高，机械挡块定位精度最高。（）控制系统的影响 电控系统误差，阀类泄露，检测元件失灵，挡块偏移等都会降低定位精度。（）驱动源的影响 液压、气压、电压和油温波动都会降低平稳性及定位精度，必要时，用蓄能器、稳压器等稳定压力和电压，用加热器冷却器控制油温。7三三. .机械部分的设计机械部分的设计3.1 手部机械手的手部是用来抓持工件（或工具）的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到机械手的工作性能
10、，它是机械手的关键部件之一。1.手部总体确定：手部是承担抓取刀具的机构，由手指传力机构和驱动装置等组成，是机械手的重要组成部分之一。根据被抓起部件的材料，形状，尺寸以及一些特性的不同，此机械手部分为手指式。2.手指式手部的类型手指式手部是以手指的张开和闭合来实现抓持工件。它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，故应用最广。一般手指式手部具有两指，三指或者多指，后者应用较少。而次此设计手指为两指式手指。手指式手部按手指的运动形式可分为回转型和平移型。回转型又分为单支点和双支点两种。回转型手部多用于抓持圆柱形工件，平移型用于抓持方形工件。3.手部要求：1）手指应具有足够的夹紧力。在考虑手指的夹紧力
11、时，除考虑工件的重量外，还应考虑工件在传送过程中产生的惯性力和震动等影响，以保证夹持牢靠。2）各构件要有足够的刚度的强度。83）构件要简单，修理方便。4）应尽可能结构紧凑。使之重量轻，动作灵活。4.设计时应注意的问题）手指应有足够的夹紧力。为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑被抓持工件的重力外。还应考虑工件在传送过程中所产生的动载荷。）手指应有一定的开闭范围，其大小不仅与工件尺寸有关，而且须注意手部接近工件的运动路线及方位的影响。）应保证工件在手指内准确定位。）结构尽量紧凑、重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。）根据应用条件考虑通用性。5.手指夹紧力的计算手指对工件的夹紧力可按下式计算：123 kg
12、f式中1 安全系数（通常取.5）2 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按2a/g 估算a 为机械手在搬运工件过程的加速度 m/s2g 为重力加速度 m/s 23方位系数9被抓持工件的重量 kg 6.驱动力的计算手指夹持工件所需要驱动力的大小，在同一夹紧力的条件下，随所采用的传动结构的不同而异。但其计算方法都是按照具体的传动机构进行力的分析，根据力系平衡原理来进行的。P1=Na/bsin/sin(+a)根据受力的平衡条件可得驱动力为:P=2P1sina=2Na/bsinsina/sin(+a)3.2 机械手的手腕机械手的手腕连接于手和手臂之间,用于调整手的方向.此机械手能旋转任何角度,所以手
13、腕能分别独立的绕 X、Y、Z 轴向实现转动即实现手腕的任何角度的伸缩和转动.手腕回转的驱动力距 M 通常计按下式计算M(1.11.2)(M 摩+M 偏+ M 惯)(公斤力米)式中M 摩手腕支撑处的摩擦阻力距M 偏工件重心偏置的偏置力矩M 惯手腕运动的惯性力矩1）摩擦阻力矩的计算M 摩=f/2(N1D1+N2D2) (公斤力米)式中10N1,N2轴承处支反力D1,D2轴承直径(米)F轴承的摩擦系数2)偏置力矩 M 偏的计算M 偏=Ge(公斤力米)式中G工件的重量(公斤力)e工件重心到手腕转轴线的垂直距离(米)3)惯性力矩 M 惯的计算M 惯=0.0175(J 腕+J 手+J 工) w/t(公斤力
14、米)式中J 腕手腕的转动部件对其运动轴线的转动惯量J 手手部对手腕转动轴线的转动惯量J 工工件对手腕转动轴线的转动惯量W手腕转动的角速度(1/秒)T手腕启动过程所需用的时间(秒)3.3 机械手的手臂手臂部是机械手的主要执行部件,其作用是支承手部，主要用来改变刀具的位置。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。1.设计时注意的问题11手臂部的运动和结构形式对机械手的工作性能有着较大的影响。设计时应注意下列几点：（1）刚度要好 要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸。实践证明，空心杆比实心杆刚度大得多。常用钢管作臂部和导向杆，用工字钢和槽钢作支承板，以保证有足够的刚度。（2）偏重力矩要小 偏重力
15、矩是指臂部的总重量对其支承或回转轴所产生的力矩。它对臂部的升降运动和转动，均将产生影响，设计时应使臂部各部分的质量分布合理，以减少其偏重力矩。（3）重量要轻，惯量要小 由于机械手在高速情况下经常起停和换向，为了减少在运动状态变化时所产生的冲击，必须采取有效的缓冲装置外，力求结构紧凑，重量轻，以减少惯性力。（4）导向性要好 为了防止臂部在直线移动中沿运动轴线发生相对转动，以保证手部的正确方向和准确定位，必须有导向装置。其结构应根据臂部的安装形式、抓取重量和运动行程等因素来确定。2.驱动力分别计算如下1)手臂水平伸缩时:P 驱=P 摩+P 惯(公斤力)式中 P 驱驱动力P 摩摩擦力(包括手臂伸缩导
16、轨间、导向杆间和密封装置处的摩擦阻力,公斤力)P 惯手臂在启动过程中的惯性力,其大小可按下式12近似计算:P 惯=G 伸V/g t(公斤力)式中 G 伸随同手臂伸缩部件总重量(公斤力)G重力加速度(m/s )2V手臂的工作速度(m/s)T起动过程所用时间(秒)2)手臂升降时:P 驱=P 摩+P 惯+G 升(公斤力)式中 G 升随同手臂升降部件总重量(公斤力)3)手臂水平左右摆动时:M 驱= M 摩+M 惯(公斤力米)式中 M 驱驱动力矩(公斤力米)M 摩摩擦力矩(包括转轴支撑处和密封装置处的摩擦阻力矩, 公斤力米)M 惯手臂在起动过程中的惯性力矩.可按下式计算: M 惯=Jw/t(公斤力米)式中 J随同手臂摆动部件对转轴的转动惯量W手臂摆动的角速度（1/秒）13图图 1.1.机械手机
