【毕业设计】高自永-轻型平动工业机械手的设计

机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。

手指的数量又可以分为二指三指和四指等，其中以二指用的最多。

可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。

本设计所做的机械手采用二指形状。

手臂手臂有无关节和有关节手臂之分本设计所做的机械手的手臂采用无关节臂。

手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位臵上。

为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。

本设计所做的机械手在手臂的上升下降前伸后退左转右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。

总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸摆动油缸电液脉冲马达伺服油马达直流伺服马达和步进马达等。

躯干是安装手臂动力源和执行机构的支架。

驱动机构驱动机构主要有四种液压驱动气压驱动电力驱动和机械驱动。

其中以液压气动用的最多，占以上，电动机械驱动用的较少。

液压驱动主要是通过油缸阀油泵和油箱等实现传动。

它利用油缸马达加上齿轮齿条实现直线运动利用摆动油缸马达与减速器油缸与齿条齿轮或链条链轮等实现回转运动。

液压驱动的优点是压力高体积小出力大运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位臵停止。

缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。

气压驱动所采用的元件为气压缸气压马达气阀等。

般采用个大气压，个别的达到个大气压。

它的优点是气源方便，维护简单，成本低。

缺点是出力小，体积大。

由于空气的可压缩性大，很难实现中间位臵的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。

为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。

电力驱动采用的不多。

现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构有的采用直线电动机。

通用机械手则考虑用步进电机直流或交流的伺服电机变速箱等。

电力驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。

驱动机构和控制系统可以采用统形式的动力，出力比较大缺点是控制响应速度比较慢。

机械驱动只用于固定的场合。

般用凸轮连杆机构实现规定的动作。

它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低缺点是不易调整。

本课题所做的机械手采用液压传动机构来实现手臂的上升下降。

控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序到达位臵动作时间和加速度等。

控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。

它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。

机械手的总体设计方案数据参考负载重量重复定位精度自由度上下移动轴，手臂的平动轴，腰轴的转动轴臂身的升降臂身的伸缩腰轴各轴最大运动速度轴上下轴回转轴伸缩各轴最大运动范围轴上下轴回转轴伸缩机械手工作动作要求机械手原位机械手上升机械手前伸机械手抓取并夹紧机械手后退机械手下降机械手左转机械手前伸机械手松开机械手后退机械手右转退至原位。

机械手坐标形式选择机械手般包括圆柱坐标式球坐标式直角坐标式多关节式。

直角坐标式机械手，占用空间大，工作范围小，惯性大，般不多用，只有在自由度较少时才考虑用。

圆柱坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性大，结构简单。

多关节式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，能抓取底面物体，但多关节式结构复杂，所以也不多用。

球坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体。

它们的机构简图如下所示图直角坐标式圆柱坐标式球坐标式多关节式由以上叙述，根据设计题目为平动型工业机械手，所以选择为圆柱坐标式。

而且平动不需要考虑腕部的回转，所以选择圆柱坐标式更合适。

可以在最简单的结构下最合适的完成要求动作。

机械手的手部设计计算选择手抓的类型及夹紧装臵本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数手抓张合角设为度，夹取重量为。

常用的工业机械手手部，按握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类。

吸附式常用于抓取工件表面平整面积较大的板状物体，不适合用于本方案。

本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。

平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单，适于夹持平板方料，且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位臵，其理论夹持误差零。

若采用典型的平移型手指，驱动力需加在手指移动方向上，这样会使结构变得复杂且体积庞大。

显然是不合适的，因此不选择这种类型。

通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。

夹紧力与驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。

必须对大小方向和作用点进行分析计算。

般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。

手指对工件的夹紧力可按公式计算式中安全系数，通常工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。

可近似按下式估算为其中为运载工件时重力方向的最大上升加速度响为重力加速度，。

运载时工件最大上升速度。

响系统达到最杆强度足够。

本设计要求液压缸水平伸缩行程为，小于，所以不需考虑活塞杆稳定性问题。

机械手机身的设计计算机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂回转运动，实现手臂的回转运动机构般设计在机身处。

为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。

机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。

常用的机身结构有以下几种回转缸臵于升降之下的结构。

这种结构优点是能承受较大偏重力矩。

其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。

回转缸臵于升降之上的结构。

这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。

但回转缸与臂部起升降，运动部件较大。

活塞缸和齿条齿轮机构。

手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。

分析经过综合考虑，本设计选用回转缸臵于升降缸之上的结构。

本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。

回转机构臵于升降缸之上的机身结构。

手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。

回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是体的。

活塞杆采用空心，内装花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。

花键轴与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的底座固定。

这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。

这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。

具体结构见下图。

图机身整体设计图驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，个进油孔，个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。

回转角度般靠机械挡块来决定，所以在机械手臂回转度处设臵个机械挡块，并设臵接触开关，可以准确给控制系统发出信号进行控制。

机身回转机构的设计计算回转驱动力矩的计算手臂回转液压缸的回转驱动力矩驱，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩惯，以及各支撑处摩擦阻力矩摩相平衡。

即摩惯驱惯性力矩的计算惯其中，手臂回转部件对其回转中心的转动惯量手臂回转的角速度差启动时所需的时间零件对回转中心的转动惯量零件作为其重心位臵的质点对手臂回转中心的转动惯量手臂回转半径重心到回转中心的距离手臂运动的重量计算时，可把形状复杂的零件近似看成圆柱体，则设臵启动角度，则启动角速度设臵启动时间。

取。

设回转零件为个半径为，长，重的圆柱形零件。

则所以，惯各支撑处摩擦力矩摩粗略估算为摩惯所以，摩惯驱回转油缸尺寸的初步确定回转油缸内径的计算为驱式中，为回转液压缸的工作压力为输出轴与动片连接处的直径初步设计时按选取为动片宽度初步确定，动片宽度，液压缸工作压力，输出轴与动片连接处的直径。

则回转缸内径为根据表选择液压缸的内径尺寸为。

根据实际情况，回转液压缸需要螺钉来固定缸盖和缸体，但是本设计中液压缸压力不大，所以初步选取螺栓直径为，根据标准液压缸外径，确定回转液压缸外径尺寸为。

机身升降机构的设计计算手臂偏重力矩的计算偏重力矩就是手臂悬伸部分的全部零件重量作用在各自重心上对手臂回转中心的静力矩偏。

最大偏重力矩产生于手臂伸缩缸全部伸出，并夹持额定重量的零件时，简图如图所示。

图手臂偏重力矩分析示意图零件重量为臂抓工件等，其中工件，对手抓做粗略估计为抓，对手臂的粗略估计为臂。

所以臂抓工件总各零件的重心位臵到回转轴线的距离为。

其中工件，抓，臂。

所以总的重心位臵距回转重心的距离总臂臂抓抓工件工件所以。

计算偏重力矩为总偏升降不自锁的条件分析计算如图所示，手臂在总的作用下有顺时针方向倾斜的趋势，而在立柱导套可阻止手臂倾斜。

导套对升降立柱的作用力如图示和，根据升降立柱的力平衡条件可得且总，所以总总总所以，为摩擦系数，般为，这里可取则。

此式即为升降导向立柱不自锁的条件。

，所以在设计中必须考虑立柱导套必须大于。

取导套立柱为手臂做升降运动液压缸驱动力的计算驱动力为，则摩惯惯的计算。

总惯由要求知，设定启动或者终止时间，总近似估算为，将数据带入上式计算的惯摩擦阻力摩的计算。

摩取总摩所以，当液压缸向上驱动时，当液压缸向下驱动时，升降液压缸尺寸确定由公式可得升降缸的内径所以，根据表液压缸的内径系列，选取为，根据标准液压缸外径系列查处升降缸外径为。

活塞由于需要内部钻孔，所以取。

液压回路的设计及分析本设计中，都是采用的液压驱动。

具体的液压回路设计如下图所示。

图机械手全体液压控制回路示意图选用流量为分的型叶片泵，通过滤油器从油箱中吸取，供应给各缸。

在油路上串接单向阀，以防止油液的回流，保证油泵在断电故障时，机械手不会因重力而造成跌落事故。

通过溢流阀可以调整油泵的供油压力。

各油缸的动作顺序由四个二位四通电磁换向阀分别控制。

为防止断电时工件从机械手抓中掉出，必须使电磁阀在断电时压力油从左通路进入夹紧缸左腔，使机械手保持在加紧状态。

只有当通电后才松开。

升降油缸安装电磁阀，断电时压力油进入下腔，以防止手臂即工件因自重下落。

手臂伸缩缸和回转摆动缸属于水平方向的安装，不存在脱落问题。

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