气动通用上下料机械手的设计机械结构设计

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1、1绪论11.1机械手概述11.2机械手的组成和分类21.2.1 机械手的组成21.2.2 机械手的分类41.3国内外发展状况61.4课题的提出及主要任务81.4.1 课题的提出81.4.2课题的主要任务92机械手的设计方案102.1 机械手的座标型式与自由度102.2机械手的手部结构方案设计102.3机械手的手腕结构方案设计102.4机械手的手臂结构方案设计112.5机械手的驱动方案设计112.6机械手的控制方案设计112.7机械手的主要参数112.8机械手的技术参数列表123手部结构设计 143.1夹持式手部结构143.1.1手指的形状和分类143.1.2 设计时考虑的几个问题143.13手

2、部夹紧气缸的设计153.2气流负压式吸盘184手腕结构设计错误！未定义书签。第I页共II页4.1手腕的自由度错误！未定义书签。4.2手腕的驱动力矩的计算错误！未定义书签。4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩错误！未定义书签。5手臂结构设计错误！未定义书签。5.1手臂伸缩与手腕回转部分错误！未定义书签。5.1.1结构设计错误！未定义书签。5.1.2导向装置错误！未定义书签。5.1.3手臂伸缩驱动力的计错误！未定义书签。5.2手臂升降和回转部分错误！未定义书签。5.2.1结构设计错误！未定义书签。5.3手臂伸缩气缸的设计错误！未定义书签。5.4手臂伸缩、升降用液压缓冲器错误！未定义书签.5.5手臂回

3、转用液压缓冲器错误！未定义书签。6结论错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签。致谢错误！未定义书签。第II页共【1页1绪论 1.1机械手概述匚业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成, 是一种仿人操作，动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体 化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批最的柔性生产。它对稳定、提高产品 质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、 仿生学等多学科而形成的离新技术，是当代研究十分活跃，应用FI益广泛的领域。 机器人应用情况，是

4、一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长 的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，乂有 机器可长吋间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机 器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制 造技术领域不可缺少的门动化设备。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬 运或操作的白动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生 产中应用机械手可以提高生产的门动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保 证产品质最、实现安全生产

5、；尤其在髙温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒 气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此， 在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通 运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置， 是附屈于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控 制实现重复操作，适用范圉比较广的“程用控制通用机械手”，简称通用机械手。 由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种 的中小批最生产中获得广泛的引用。1.2机械手的组成和分类1.2.1机械手的组

6、成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各 系统相互之间的关系如方框图1.1所示。图1. 1机械于的组成方框图（一）执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手 部。夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构 件，常用的手指运动形式有回转型和半移型。回转型手指结构简单，制造容易构件, 故应用较广泛平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零 件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范伟I大的工件。手指结构収决于被抓

7、取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的 重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形而的和曲而的:手指有外夹式和内掠式;指 数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力來完成夹放物件的任务。传力机构型式较常 用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜而杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母多，式弹 赞式和重力式等。附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电吸磁 力）吸附物件，相应的吸附式手部有负斥吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式 有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通

8、常用电磁吸 盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附 的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式（如浇铸机械手的浇包部分）、托式（如冷 齿轮机床上下料机械手的手部）等型式。2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用來调整被抓取物件的方位（即姿势）。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取 物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手辟运 动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱 动源（如液压、气压或电机等

9、）相配合，以实现手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下：r直线运动如伸缩、升降、横移运动基本运动I回转运动如水平回转、左右摆动运动手臂运动V（直线运动与回转运动的组合（即螺旋运动）J复合运动 两直线运动的组合（即平面运动）、两回转运动的组合（即空间曲面运动）。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防I上绕其轴线的转动，都需要有导向装置, 以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转 力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态 简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等 导向型式。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立

10、柱也可以是手臂的一部分，手肾的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作 需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范圉时，可在机座上安装 滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有 轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座 上，故起支撑和连接的作用。（二）驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调 节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统

11、有液斥传动、气斥传动、电力传动和机械 传动等四中形式。（三）控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前匸业机械手的控 制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。控制系统有电 气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程字运动，并记忆人们给予机械 手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信 息对执行机构发出指令，必要时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。（四）位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构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

12、，从而使执行机构以一 定的稱度达到设定位置。1.2.2机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准， 在此暂按使用范闹、驱动方式和控制系统等进行分类。（一）按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种：1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程仔而无独立控制系统的机械装置。专用机械手 具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属, 如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心”批量的自动化生产的自动换 刀机械手。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调 整可在不同场合使用，驱动系统和格性能

13、范围内，其动作程序是可变的，控制系统 是独立的。通用机械手的工作范用大、定位精度离、通用性强，适用于不断变换生 产品种的中小批星自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可 以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属丁数控类型。（二）按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力來驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达儿百 公斤以上、传动半稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄 漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械

14、手采用 电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服 阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力來驱动执行机构运动的机械手。其主 要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但 是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力 较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所 以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行匸作。3、机械传动机械手即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。 它是一种附属于工作上机的专用机械于，其动力是

15、市工作机械传递的。它上要特点 是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主 机的上、下料。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机亡接驱动执行机构运动 的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的 运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三) 按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能 控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性.目前使 用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过 程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统 复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1-3国内外发展状况国外机器人领域发展近儿年有如下儿个趋势：(1) 1业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)， 而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10. 3万美元降至97年的65万美元。(2) 机械结构