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哈爾濱理工大學專科生畢業(yè)論文
哈爾濱理工大學榮成學院
本科生畢業(yè)設計（論文）任務書
學生姓名：王蕾 學號：0930060105
學 院： 榮成學院 專業(yè)：機械設計制造及其自動化
任務起止時間： 2013年02月25日至 2013年06月 21日
畢業(yè)設計（論文）題目：
蠟模制殼機械手---手臂部分設計
畢業(yè)設計工作內容：
1、實際調研，收集相關資料，完成開題報告；1—3周。
2、結合生產(chǎn)實際，設計機械手的手臂部分設計總圖；4—7周。
3、設計機械手手臂伸縮缸，卡緊缸，手碗迴轉缸結構8—11周。
4、設計零件的工作圖；12—13周。
5、撰寫畢業(yè)設計論文，準備答辯；14—16周。
注：要求全部用計算機繪圖和打印文稿（交打印件和電子稿）
資料：
1、工業(yè)機器人設計手冊；
2、非標設計手冊；
3、液壓與氣壓傳動；
4、相關的技術資料。
指導教師意見：
簽名：
2013年 2 月 24 日
系主任意見：
簽名：
2013年2月 25日
哈爾濱理工大學學士學位論文
蠟模制殼機械手機械部分設計
摘 要
最近，全球內帶有夾子夾子或手的機械手系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來了，多種方法應用其上，有擬人化和非擬人化的，不僅調查了這些系統(tǒng)的機械結構，而且還包括其必要的控制系統(tǒng)，如同人手一樣，這些機械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而且不用改換夾子，這些機械手具備特殊的運動能力比如小質量和小慣量，這使被抓物體在機械手的工作范圍內做更復雜、更精確的操作變得可能。這些復雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉。
本論文介紹了用于夾持蠟模機械手的設計。它采用液壓驅動，點位程序控制，動作平穩(wěn)，控制方便。本論文主要闡述該機械手的夾緊、伸縮、升降和回轉的設計和計算。首先從機械手的基礎知識介紹有關機械手的組成、分類、臂部設計、液壓控制的多種方案，再從本次設計所要求的功能原理設計開始，對于不同的方案加以比較和論證，從中可確定出最優(yōu)方案，并采用其方案，在對其的結構設計的基礎上，對其驅動力和驅動力力矩進行計算。著重闡述了機身的設計，具體闡述了機械手的設計原則和步驟，分析了設計時應注意的問題，并對機械手的平穩(wěn)性及定位精度給予詳細的論述。設計并分析了該機械手所用的液壓控制的方法和過程。由于經(jīng)驗不足，知識有限，難免有誤，有待改進。
關鍵詞 液壓；機械手；液壓缸
Wax molded shell robot mechanical part design
Abstract
Recently, the world inside with clamps clips or hand robotic systems have been developed, a variety of methods applied on it, there are anthropomorphic and non-anthropomorphic, not only the investigation of these systems mechanical structure, but also its necessary control system, as manpower, these robotic systems can use their hands to grab different objects, and do not change the clip, these robots possess exceptional athletic ability such as small mass and small inertia, which makes the grasped object in the robot's operating range done within a more complex, more precise operation becomes possible. These complex operations are grasping objects around any angle and axes.
This thesis introduces to used for clipping to hold the outside circle a design for and down anticipating machine hand. It adopts the liquid presses to drive, ordering a procedure control, acting steady, control convenience.
This thesis expatiates the rise and fall of the machine’s hand primarily with the design of the turn-over with compute. Constitute, divide into section form the relevant machine in introduction in knowledge in foundation of the machine hand first, wrist a various projects for and arm department designing, liquid pressing control, start from this design a function for requesting principle, take into the comparison to the different project with the argument, can make sure the superior project from the inside, combine to adopt its project, in as to it’s of the foundation of the construction design, as to it’s driver force and moment proceed the calculation. Emphasize the design that expatiated the fuselage, expatiated the design principle of the machine hand in a specific way with the step, analyzed the problem of design should notice, and give to the steady and fixed position accuracy of the machine hand detailed treatise. Because of experience shortage, the knowledge is limited, difficult do not need the mistake, treat to improve.
Keywords manipulator； liquid presses； driving force； fixed position accuracy
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 機械手在生產(chǎn)中的作用 1
1.2 機械手國內現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1
1.3 論文研究的內容 2
第2章 蠟模機械手的總功能原及方案的選擇與確定 4
2.1 功能原理設計 4
2.2 初選方案 5
2.2.1 方案一 5
2.2.2 方案二 5
2.3 方案選取 6
第3章 機械手總體方案總結 7
3.1 傳動方案的確定 7
3.2 規(guī)格參數(shù) 7
3.3 結構特點 7
3.3.1 抓取機構 7
3.3.2 手臂的回轉運動結構 8
3.3.3 手臂的升降運動機構 8
3.3.4 其它裝置 8
3.4 機械手的液壓傳動系統(tǒng) 9
第4章 機械手的各部分設計 10
4.1 手部設計 10
4.1.1 手部設計要求： 10
4.1.2 手部的結構 10
4.1.3 機械手的力學分析 12
4.2 手臂部分設計 14
4.2.1 手臂部分設計要求 15
4.3 手臂部分結構 19
4.3.1 手臂伸縮運動結構 19
4.3.2 手臂伸縮油缸的計算 19
4.4 定位缸 22
結論 23
參考文獻 24
致 謝 25
附錄 26
0
第1章 緒論
1.1 機械手在生產(chǎn)中的作用?
機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。新世紀，生產(chǎn)水平及科學技術的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機械手的應用很好的解決了這一情況，它不存在重復的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故。?
在機械工業(yè)中，機械手的應用具有以下意義：?
1.?可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度?
應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換
哈爾濱理工大學學士學位論文
蠟模制殼機械手機械部分設計
摘 要
最近，全球內帶有夾子夾子或手的機械手系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來了，多種方法應用其上，有擬人化和非擬人化的，不僅調查了這些系統(tǒng)的機械結構，而且還包括其必要的控制系統(tǒng)，如同人手一樣，這些機械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而且不用改換夾子，這些機械手具備特殊的運動能力比如小質量和小慣量，這使被抓物體在機械手的工作范圍內做更復雜、更精確的操作變得可能。這些復雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉。
本論文介紹了用于夾持蠟模機械手的設計。它采用液壓驅動，點位程序控制，動作平穩(wěn)，控制方便。本論文主要闡述該機械手的夾緊、伸縮、升降和回轉的設計和計算。首先從機械手的基礎知識介紹有關機械手的組成、分類、臂部設計、液壓控制的多種方案，再從本次設計所要求的功能原理設計開始，對于不同的方案加以比較和論證，從中可確定出最優(yōu)方案，并采用其方案，在對其的結構設計的基礎上，對其驅動力和驅動力力矩進行計算。著重闡述了機身的設計，具體闡述了機械手的設計原則和步驟，分析了設計時應注意的問題，并對機械手的平穩(wěn)性及定位精度給予詳細的論述。設計并分析了該機械手所用的液壓控制的方法和過程。由于經(jīng)驗不足，知識有限，難免有誤，有待改進。
關鍵詞 液壓；機械手；液壓缸
Wax molded shell robot mechanical part design
Abstract
Recently, the world inside with clamps clips or hand robotic systems have been developed, a variety of methods applied on it, there are anthropomorphic and non-anthropomorphic, not only the investigation of these systems mechanical structure, but also its necessary control system, as manpower, these robotic systems can use their hands to grab different objects, and do not change the clip, these robots possess exceptional athletic ability such as small mass and small inertia, which makes the grasped object in the robot's operating range done within a more complex, more precise operation becomes possible. These complex operations are grasping objects around any angle and axes.
This thesis introduces to used for clipping to hold the outside circle a design for and down anticipating machine hand. It adopts the liquid presses to drive, ordering a procedure control, acting steady, control convenience.
This thesis expatiates the rise and fall of the machine’s hand primarily with the design of the turn-over with compute. Constitute, divide into section form the relevant machine in introduction in knowledge in foundation of the machine hand first, wrist a various projects for and arm department designing, liquid pressing control, start from this design a function for requesting principle, take into the comparison to the different project with the argument, can make sure the superior project from the inside, combine to adopt its project, in as to it’s of the foundation of the construction design, as to it’s driver force and moment proceed the calculation. Emphasize the design that expatiated the fuselage, expatiated the design principle of the machine hand in a specific way with the step, analyzed the problem of design should notice, and give to the steady and fixed position accuracy of the machine hand detailed treatise. Because of experience shortage, the knowledge is limited, difficult do not need the mistake, treat to improve.
Keywords manipulator； liquid presses； driving force； fixed position accuracy
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 機械手在生產(chǎn)中的作用 1
1.2 機械手國內現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1
1.3 論文研究的內容 2
第2章 蠟模機械手的總功能原及方案的選擇與確定 4
2.1 功能原理設計 4
2.2 初選方案 5
2.2.1 方案一 5
2.2.2 方案二 5
2.3 方案選取 6
第3章 機械手總體方案總結 7
3.1 傳動方案的確定 7
3.2 規(guī)格參數(shù) 7
3.3 結構特點 7
3.3.1 抓取機構 7
3.3.2 手臂的回轉運動結構 8
3.3.3 手臂的升降運動機構 8
3.3.4 其它裝置 8
3.4 機械手的液壓傳動系統(tǒng) 9
第4章 機械手的各部分設計 10
4.1 手部設計 10
4.1.1 手部設計要求： 10
4.1.2 手部的結構 10
4.1.3 機械手的力學分析 12
4.2 手臂部分設計 14
4.2.1 手臂部分設計要求 15
4.3 手臂部分結構 19
4.3.1 手臂伸縮運動結構 19
4.3.2 手臂伸縮油缸的計算 19
4.4 定位缸 22
結論 23
參考文獻 24
致 謝 25
附錄 26
36
第1章 緒論
1.1 機械手在生產(chǎn)中的作用?
機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。新世紀，生產(chǎn)水平及科學技術的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展。現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機械手的應用很好的解決了這一情況，它不存在重復的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故。?
在機械工業(yè)中，機械手的應用具有以下意義：?
1.?可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度?
應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。?
2.?可以改善勞動條件、避免人身事故?
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。同時，在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
3.可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)?
應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。
1.2 機械手國內現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
目前國內機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。
目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械數(shù)的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。
目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達到6軸，負載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應用領域將會突破傳統(tǒng)的機械領域，而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。
目前我國機械手的研發(fā)和應用還處在一個發(fā)展的階段，跟美國日本等發(fā)達國家相比還有很大的差距，很多產(chǎn)品還需進口，特別是高靈活、高精度的機械手。要使我國機械工業(yè)更進一步在發(fā)展壯大，就必須提高其自動化程度和生產(chǎn)效率，將人手操作變?yōu)闄C械手操作。同時，國家應加大對機械手及機器人的研發(fā)投入，積極開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，從根本上解決對國外產(chǎn)品的進口需求。
1.3 論文研究的內容
在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)領域里，蠟模制殼是十分重要的工作環(huán)節(jié)，而實現(xiàn)這個環(huán)節(jié)的自動化將大大提高生產(chǎn)效率，減少成本并且避免造成對人體的危害。工業(yè)機械手就是為了實現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動化而設計的。
自動化蠟模制殼裝置是蠟模件經(jīng)過定向機構實現(xiàn)定向排列，然后順次地由機械手把它夾取送去沾水玻璃、噴砂，并把工件取走放置下一個工位。如工件易損壞，形狀復雜，很難實現(xiàn)自動定向，則往往通過人工定位后，再有機械手進行制殼工作。
目前我國研制使用的工業(yè)機械手大多數(shù)是屬于專用機械手，僅有少量的通用機械手。由于通用機械手改變工作程序比較方便，特別適用于多品種、小批量的生產(chǎn)。
通用機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應用只有二十來年的歷史。這些裝置在國外得到相當重視，到七十年代，其品種和數(shù)量都有很大的發(fā)展，并且研制出了各種具有感覺器官的工業(yè)機器人。
我所設計的是蠟模制殼機械手。屬于圓柱坐標式，全液壓驅動機械手，具有手臂升降，收縮，回轉3個自由度，執(zhí)行機構由手部，手臂伸縮機構，手臂升降機構，手臂回轉機構組成。它的工作過程是手臂伸出夾緊蠟模并收回，沾取水玻璃，噴砂，重復沾取噴砂3次，送到下一工位并復位。
1.送料裝置 2.機械手爪 3.機械手臂 4.水玻璃箱 5.沙箱
6.工位三 7.出料裝置 8.回轉及升降部分
圖1-1蠟模制殼置示意圖
第2章 蠟模機械手的總功能原及方案的選擇與確定
2.1 功能原理設計
功能原理設計是針對某一確定的功能要求，尋求一些物理效應并且借助某些作用原理來求得一些實現(xiàn)該原理的解法原理。其特點是對于某一產(chǎn)品的特定的工作能力進行抽象化描述，是指某一機器所有的轉化能量特性和其他物理特性。其描述方法較像工程學中常用的“黑箱”法來描述。
任何一個技術系統(tǒng)中都有輸入和輸出，把技術系統(tǒng)抽象成黑箱。起輸入用物料流M、信息流S、和能量流E、來描述其輸出用相應的M`、S`和E`來描述。
操作指令 S S’ 顯 示
物 料M M’蠟模制殼
電 氣 能E
功能原理設計是一種綜合。綜合是不能有任何方法可循的。它能要求解決的問題是有很多 解的問題。它既不是只有唯一解，又不是絕對無解，而且也很難得到絕對理想的解。一般來說，在構思階段，應盡可能收集各種可能的解法，以便在眾多的解法中選出較多滿意的解決方法來。
總功能分解成若干個功能元素為：
夾持 → 松開 → 伸 → 縮
上升 → 下降 → 轉位 → 復位
根據(jù)仿生學的原理，機械手的功能單元可以分為：
A：手指——夾緊、松開工件；
B：手臂——伸縮使工件沿直線運動；
C：升降缸機體——升降手臂，回轉手臂；
D：回轉馬達——回轉、定位；
E：控制部分——控制各部分協(xié)調動作；
2.2 初選方案
根據(jù)工作要求設想方案如下
2.2.1 方案一
底座連接回轉缸實現(xiàn)回轉運動，回轉缸連接伸縮缸實現(xiàn)升降運動，用滑軌和伸縮缸固定夾緊缸實現(xiàn)水平伸縮作用，夾緊缸連接手抓抓取被加工件。如圖所示2-1：
圖1-1 方案一
2.2.2 方案二
升降缸固定固定在地面實現(xiàn)升降運動，升降缸上連接回轉液壓馬達實現(xiàn)手臂回轉運動，回轉缸上連接伸縮缸實現(xiàn)手臂水平伸縮，伸縮缸連接夾緊缸夾取零件。如圖2-2所示：
圖1-2 方案
2.3 方案選取
方案一重心不好確定，且連接件復雜。
方案二采用圓柱坐標系，工作原理簡單，工作效率高，便于加工。所以選擇方案二。
第3章 機械手總體方案總結
3.1 傳動方案的確定
考慮到圓柱坐標式的占地面積小而動作范圍大的特點，決定采用圓柱坐標式。該機械手的抓取工件為外圓形木桿，此機械手就由手臂升降，伸縮，回轉三個自由度，才能滿足蠟模制殼的動作要求。
3.2 規(guī)格參數(shù)
表2-1 參數(shù)表
自由度
范圍
速度
停止位置數(shù)
手臂伸縮
500mm
250mm/s
2
手臂升降
600mm
300mm/s
2
手回轉
2
臂力 2.5千克
定位精度 ±3毫米
坐標形式 圓柱坐標
驅動源 液壓驅動
控制方式 程序控制
3.3 結構特點
3.3.1 抓取機構
因夾持工件不大，故選用二指回轉型手爪，其驅動手爪夾緊松開的拉緊裝置，采用雙作用式單桿活塞液壓缸。手爪設計為固定。當液壓缸收縮時為夾緊工件。
機械手伸縮運動結構:
此機械手手臂伸縮采用雙作用式單杠活塞油缸，伸縮動作是由活塞桿運動實現(xiàn)的，缸體固定不動，其伸縮行程為500毫米，缸體直接安裝在回轉連接件上，因為承受作用力小，手臂的剛度大，工作時運動平穩(wěn)。油缸的輸油管路固定油管形式，避免外露且安裝方便。在手臂伸出端安裝可調的定位螺釘，確保送料精度。
3.3.2 手臂的回轉運動結構
手臂的回轉采用單片式液壓擺動馬達，油缸擺角為180度，使用在180度以內，回轉油缸的動片與輸出軸固聯(lián)，輸出軸通過鍵與回轉連接件連接，回轉油缸的殼體與手臂坐固聯(lián)，當回轉油缸的動片回轉時，帶動輸出軸自轉。從而帶動手臂坐也繞O——O軸線回轉，即為手臂的水平回轉運動。
3.3.3 手臂的升降運動機構
手臂的升降采用了雙作用式單桿活塞油缸。其升降行程為300毫米，為了增加升降部分結構的剛性，導向性能好，采用了直徑為四柱式導向桿結構，工作時能平穩(wěn)升降。由于導向桿的存在使活塞桿免受因偏重力矩所造成的彎曲，在此處活塞桿只受到壓力作用。
3.3.4 其它裝置
為使機械手的臂部作回轉運動時能夠精確定位，在回轉部位裝有定位油缸，它是單作用式活塞油缸，在活塞桿的端部作成斜楔式。當臂部每轉過60度后的終止位置，通過電信號控制二位三通電磁閥接通工作油路，使起定位銷作用的活塞桿動作，插入到裝在中心齒輪上的帶有斜楔槽的定位擋塊中，使手臂精確定位。此結構簡單，動作靈活。
3.4 機械手的液壓傳動系統(tǒng)
圖2-1 液壓傳動系統(tǒng)圖
機械手的動作順序：液壓系統(tǒng)工況分析伸縮缸伸長至工件處 加緊缸取件伸縮缸收縮至原位處定位缸電磁閥通電收縮回轉缸回轉60度 定位剛電磁閥斷電復位，回轉缸被定位電磁閥3通電伸縮缸伸長電磁閥6通電，升降缸下降下降到位后，5通電升降缸上升電磁閥4通電伸縮缸收縮到位電磁閥9通電，定位缸得電松開 電磁閥1通電轉動60度 定位剛電磁閥斷電復位，回轉缸被定位電磁閥3通電伸縮缸伸長電磁閥6通電，升降缸下降下降到位后，5通電升降缸上升 電磁閥4通電伸縮缸收縮到位電磁閥9通電，定位缸得電松開電磁閥2通電轉動60度 如此循環(huán)3次后完成工藝過程回轉缸轉動120度放置工件工作循環(huán)完畢。
上述動作均由電磁換向閥實現(xiàn)，用行程開關和時間繼電器、步進選線器等電器控制電磁鐵線圈通斷電，使電磁鐵按程序動作，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動控制。
第4章 機械手的各部分設計
4.1 手部設計
機械手的手部是用來抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準確和牢靠程度，直接影響到機械手的性能，是機械手的關鍵部件之一。
4.1.1 手部設計要求：
1．手部應有足夠的夾緊力。除工件的重力外，還要能不使工件在傳遞過程中松動或脫落；
2．夾持范圍要與工件相適應。手爪的開閉角度（手爪張開或閉合時的極限位置所擺動的角度）應能適應夾緊較大的直徑范圍；
3．夾持精度要高。既要求工件在手爪內定位準確，又不夾壞工件的表面。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應的手爪結構：如圓柱形工件應采用帶V形槽的手爪來定位；對于工件表面光潔度要求較高的，應在手爪上鑲銅、夾布膠木或其它軟質墊片等；
4．夾持動作要迅速、靈活；
5．手部結構要簡單緊湊、剛性好、自重輕、易磨損處應該便于更換，在腕部或臂部上安裝要方便，更換要迅速。
4.1.2 手部的結構
手爪的類型大致分為下列三種：
1．夾持式手爪：根據(jù)手爪的動作可分為回轉型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指式和多指式；根據(jù)夾持工件的方法又可分為外卡式和內脹式兩種。
2．吸附式手爪：分為真空吸盤式和電磁吸盤式兩種。真空吸盤式又可分為真空泵式和氣流負壓式。
3．帶視覺或觸覺的手爪。
根據(jù)所設計課題的要求，該機械手是用于生產(chǎn)線上下料的，其抓取的工件是外圓件，所以可以不考慮吸附式手爪和帶視覺或觸覺的手爪。所以重點在于夾持式手爪。
下面介紹夾持式手爪結構。
圖4-1是其一種杠桿滑槽式手爪結構，它通過活塞桿1的銷2推動手爪使之張開，活塞向右移動使手爪閉合。圖4-2也是一種杠桿滑槽式手爪結構。
杠桿滑槽式手爪結構應用的比較多，其特點是結構簡單、動作靈活、手爪開閉角度大、夾持工件范圍較大。
圖3-1杠桿滑槽式手爪
圖3-2 杠桿滑槽式手爪
本文設計對象為臘模制殼機器人，并不需要復雜的多指人工指，只需要設計能從一個角度抓取工件的鉗形指。通過綜合考慮，本設計選擇二指回轉型手抓，即采用上文所述滑槽杠桿這種結構方式。
圖3-3 機械抓原理圖
4.1.3 機械手的力學分析
下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿如圖3-2（a）為設計的滑槽杠桿式手部結構。
(a) (b)
1—手指 2—銷軸 3—杠桿
圖3-4 滑槽杠桿式手部結構、受力分析
在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F, 其力的方向垂直于滑槽的中心線OO1和OO2并指向點，交F1和F2的延長線于A及B。
由=0 得 (3-1)
=0 得
由=0 得h (3-2)
F=
式中 a——手指的回轉支點到對稱中心的距離（mm）.
——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角，
該機械手為37°。
由分析可知，當驅動力F一定時，角增大，則握力FN也隨之增大，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好=30°至40°，所以該機械手選擇角度為37°。
1. 夾緊力及驅動力的計算
手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。
手指對工件的夾緊力可按公式計算[2]：
(3-3)
式中 K1——安全系數(shù)，通常1.2至2.0；
K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估其中a，重力方向的最大上升加速度；
——運載時工件最大上升速度
——系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.030.5s
——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇。
G——被抓取工件所受重力（N）。
表4-1 液壓缸的工作壓力
作用在活塞上外力F（kN）
液壓缸工作壓力MPa
作用在活塞上外力F,kN
液壓缸工作壓力MPa
小于5
0.8~1
20~30
2.0~4.0
5~10
1.5~2
30~50
4.0~5.0
10~20
2.5~3
50以上
5.0~8.0
計算：設a=20mm，b=30mm，10°<<40°；手爪達到最高響應時間為1s，求夾緊力FN和驅動力F和驅動液壓缸的尺寸。
設
根據(jù)公式，將已知條件帶入：
=1.510.52.59.81=18.4N
根據(jù)驅動力公式得：
取
(3-4)
確定液壓缸的直徑D
(3-5)
選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力p=0.81MPa,
(3-6)
選取液壓缸內徑為：D=20mm
則活塞桿內徑為:
d=200.5=10mm，選取d=10mm
2. 機械手夾持范圍計算
為了保證手抓張開時可以釋放工件，活塞桿運動長度為9mm。手抓夾持范圍，手指長30mm,當手抓沒有張開角的時候，如圖3-2(a)所示，根據(jù)機構設計，它的最小夾持半徑，當張開37°時，如圖3-2(b)所示，即可滿足松開工件的要求。
所以機械手的夾持半徑從20~50mm
4.2 手臂部分設計
手臂是機械手完成各項動作的執(zhí)行機構，也是其運動部分的主體。
在上面分析了機械手的四種坐標形式，綜合這四種坐標形式運動的目的，是想達到人的手臂的功能，但是目前技術還是做不到的，因而把運動方式轉化為直線移動和旋轉運動，這樣臂部的結構也就比較簡單了。臂部和機座相連，可固定在地面上、機器上或懸掛在橫梁滑道上以及可行走的機架上。臂部前端連接腕部或直接連接手部。
手臂的作用在于將手爪移動到所需的位置和承受工件、手部和腕部的重量。所以，臂部的結構性能、工作范圍、承載能力和動作位置精度直接影響機械手的工作性能。
手臂一般有以下幾部分組成：
1. 動作元件：如直線缸、回轉缸、齒輪齒條、連桿凸輪……等，它是驅動手臂運動的元件。動作元件與驅動源相配合，就能實現(xiàn)手臂的各種運動。
2. 導向裝置：手臂在靜止狀態(tài)，要承受由夾持工件重量所產(chǎn)生的彎曲力，以及由于載荷不平衡而產(chǎn)生的扭轉力矩M。在運動時又有一個慣性力，為保證手爪的正確位置和動作元件不受較大的彎曲力，手臂必須設置導向裝置。
3. 手臂：手臂上的動作元件、導向裝置和其他裝置都要安裝在臂上，起支承、連接和承受外力的作用。所以需要臂具有足夠的剛性，以免承重后發(fā)生形變產(chǎn)生顫動。
4. 其他裝置：如管路、冷卻裝置、位置檢測機構……等。
4.2.1 手臂部分設計要求
手臂部分設計首先要求實現(xiàn)所要求的運動，為了實現(xiàn)這些運動，需要滿足下列幾項要求。
1．手臂部分應承載能力大、剛性好、自重輕
根據(jù)上述要求，在設計手臂時，要對其進行撓度計算，其變形量應小于許可變形量。我們知道懸臂梁（應當指出機械手的手臂結構不是懸臂梁）的撓度計算公式[4]為：
式中：——撓度；
——彈性模數(shù)；
——載荷；
——慣性矩；
——懸臂長。
從上式可知，撓度與載荷、懸臂長成正比，而與彈性模數(shù)、慣性矩成反比。在與值已確定的情況下，只有增大值，才能減少梁的彎曲變形，而碳鋼和合金鋼的值差別不大，在之間。所以，為了提高剛度，從材質上考慮意義不大，主要應選用慣性矩大的梁?，F(xiàn)把幾種常用梁的慣性矩列表比較如下（見表2-1）。
從表2-1可知，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多，所以，機械手中常用無縫鋼管作導向桿，用工字鋼或槽鋼作支撐板。這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重。但由于本課題中臘模制殼機械手各處受力均不大，可直接采用夜壓缸自體承受應力。
設計時還應該采取以下措施：
（1）在設計手臂部分時，元件越多，間隙越大，剛性就越低因此應盡可能使結構簡單。要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理確定補償環(huán)，以減少重要部位的間隙，從而提高剛性。
（2）全面分析手臂的受力情況，合理分配給手臂的各個部件，避免不利的受力情況出現(xiàn)；
（3）水平放置的手臂，要增加導向桿的剛度，同時提高其配合和相對位置精度，使導向桿承受部分或大部分自重和抓取重量；
（4）提高活塞和剛體內部配合精度，可以提高手臂在前伸縮時的剛性。
表4-2 幾種常用梁的慣性矩比較（以一種截面為例）
名稱
截 面 形 狀
截 面 積
每米重量
慣性矩
為圓鋼的幾倍
圓鋼
1
鋼管
工字鋼
（16號斷面）
槽鋼
（20號斷面）
2．手臂運動速度要高，慣性要小機械手的運動速度一般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定的。確定了生產(chǎn)節(jié)拍和行程范圍，就確定了手臂的運動速度（或角速度）。在一般情況下，手臂的移動和回轉均要求勻速運動（V和ω為常數(shù)），但在手臂的起動和終止的瞬間，運動是變化的。為了減少沖擊，要求起動時間的加速度和終止前的減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。手臂的運動過程曲線如圖2-15所示。
圖3-5手臂運動過程曲線
手臂伸縮時產(chǎn)生的慣性力[2]為：
式中： m ——質量；
a ——加速度；
G ——手臂運動件重量；
g ——重力加速度（9.81米/秒2）；
——起動或制動前后的速度差；
——起動或制動所需的時間；
手臂回轉時產(chǎn)生的慣性力矩為：
式中：
——角加速度；
——起動或制動前后的角速度差；
J ——臂部回轉對回轉中心的轉動慣量；
——臂部零件對其重心的轉動慣量；
——臂部零件作為其重心位置的質點對臂部回轉中心的轉動慣量。
——回轉半徑。
計算時，可以把形狀復雜的零件劃分為幾個簡單的幾何形狀來計算。在有關書中可分別查出其的計算公式。
從上述公式可知，減少慣性力矩，可采用下列措施：
（1） 減少手臂運動部件的重量，如采用鋁合金等輕質材料；
（2） 減少手臂運動件的輪廓的尺寸，使手臂結構緊湊小巧；
（3） 減少回轉半徑，在按排動作順序時，一般是先縮會再回轉或盡可能在較小前伸位置下進行回轉動作。
（4） 驅動系統(tǒng)中加緩沖裝置。
3．手臂部分動作要靈活
要使手臂運動輕快靈活，手臂的結構必須緊湊小巧，或在運動臂上加滾動軸承或采用滾珠導軌。對于懸臂式機械手手臂上零件的布置要合理，以減少回轉升降支撐中心的偏重力矩。不然，會引起手臂振動，嚴重時會使手臂與立柱卡住別壞。對于雙臂同時操作的機械手，應使兩臂布置盡量對稱以達到平衡。
4．位置精度要高
手臂的剛性好，偏重小，慣性力小，則位置精度就容易控制，所以設計手臂時要周密考慮和計算，還要合理的選擇機械手的坐標形式。一般來說，直角和圓柱坐標式機械手位置精度較高；關節(jié)式機械手的位置最難控制，精度差；在手臂上加設定位裝置和自動檢測機構，來控制手臂運動的位置精度；還要減少或消除各傳動、嚙合件的間隙。
4.3 手臂部分結構
手臂的運動是整個機械手運動的關鍵。本次設計的機械手，手臂需要完成三個運動，即手臂的伸縮、回轉和升降運動。
4.3.1 手臂伸縮運動結構
手臂的伸縮運動是一種往復的直線運動，實現(xiàn)這種運動可以采用往復直線液壓缸結構、多級油缸結構、滾珠絲杠結構、直線缸和齒輪齒條傳動機構等。
在機械手中，實現(xiàn)往復運動采用直線缸結構的最多。結構如圖3-6所示
圖3-6
4.3.2 手臂伸縮油缸的計算
1. 液壓缸主要參數(shù)的確定[2]
（4-7）
為手臂的工作力當手臂伸縮時默認工作力為零
為導向桿所受摩擦力
為密封處的摩擦力
為回油路產(chǎn)生的阻力
（4-8）
有導向長度a=50mm L=500mm =4.3Kg =0.2
計算可得
（4-9）
（4-10）
（4-11）
將公式（4-8）-（4-11）代入公式（4-7）有結果：
由于該缸既受拉又受壓所以有d=0.5D
所以有D=40mm d=20mm
則
2. 缸筒壁厚計算[4]
一般按薄壁缸筒計算，壁厚按下式確定
式中 D——液壓缸內徑（m）；
p——液壓缸最高工作壓力（MPa）；
——缸筒材料的許用應力（MPa），鋼管的=100（MPa）；
——材料的抗拉強度極限（MPa）；
n ——安全系數(shù)，一般可取5。
設計壁厚為，足以滿足要求。
3．活塞桿直徑計算[4]
取d=20mm
按強度條件校核
現(xiàn)d=20mm>9.28
所以強度滿足要求。
4．液壓缸的流量計算[4]
流量
有桿腔
則
4.4 定位缸
采用model VL單動定位油缸。特點：體積小，精度高。原理如圖所示：
圖4-1 定位缸原理圖
選取尺寸規(guī)格如下：
工件孔徑（標準孔徑）mm：8H8
定位銷直徑mm：1、釋放（MAX）7.94
2、最大行程（MIN）8.05
重復定位精度mm：0.003
容許偏心量mm:±0.05
定位力N：260
該定位缸外形尺寸如圖5-2
圖4-2外形尺寸
結論
為了改善勞動環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，快速實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的機械化和自動化，機械手受到很多國家的重視，并被廣泛運用。
本文調查學習了機械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學習機械手的工作原理，熟悉了機械手的運動機理。在此基礎上，確定了蠟模制殼機械手的基本系統(tǒng)結構和機械結構，完成了機械手機械方面的設計工作。文章從蠟模制殼的自由度入手提出了一套總體設計方案，并根據(jù)機械手的生產(chǎn)工作要求選取圓柱坐標系為本次設計坐標系。同時，就機械手的組成以及現(xiàn)實作業(yè)，給出了具體的手部，臂部和機座的結構形式；并選擇液壓驅動作為本次設計的驅動機構。
本設計還有很多不足之處，由于自身的知識儲備還很淺薄，所以在結構設計，力的計算及系統(tǒng)分析上還有很多漏洞。這個都需要自己在以后的生活中不斷學習研究并通過實踐加以完善。
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致 謝
經(jīng)過了兩個多月緊張而忙碌的畢業(yè)設計，已經(jīng)接近尾聲。在老師的悉心指導和同學的熱心幫助下，我終于完成了此次設計。前三年對基礎課和專業(yè)課的學習，使我掌握了有關的專業(yè)知識，培養(yǎng)了我獨立的學習和思維方式。而本次的設計，使我將大學四年所學的知識做了系統(tǒng)的總結和復習，并在這次的設計中得到了相當?shù)膽?。這次設計比以前的課程設計等都要全面和系統(tǒng)，是對大學學習的一次全面的檢查。
我這次設計的是生產(chǎn)線自動抓取蠟模機械手。為了圓滿的完成設計，我查閱了機械手的一些資料，訪問了國內外的機械手網(wǎng)站，對當今國內外的機械手有了一些了解。對機械手的工作原理等有了比較清晰的認識。
由于實際經(jīng)驗不足，所學有限，雖然我已盡了最大努力，滿足基本設計要求，但是仍然有很多的問題存在，有待以后進一步解決。
附錄
外文文獻原文：
Simple Manipulator And The Control Of It
Along with the social production progress and people life rhythm is accelerating, people on production efficiency also continuously put forward new requirements. Because of microelectronics technology and calculation software and hardware technology rapid development and modern control theory, the perfection of the fast development, the robot technology pneumatic manipulator system because its media sources do not pollute the environment, simple and cheap components, convenient maintenance and system safety and reliability characteristic, has penetrated into every sector of the industrial field, in the industrial development plays an important role. This article tells of the pneumatic control robots, furious manipulator XY axis screw group, the turntable institutions, rotating mechanical parts base. Main effect is complete mechanical components handling work, to be placed in different kinds of line or logistics pipeline, make parts handling, transport of goods more quick and convenient.
Matters of the manipulator axial linkage simple structure and action process
Manipulator structure, as shown in figure 1 below have accused of manipulator (1), XY axis screw group (2), the turntable institutions (3), rotating base (4), etc.
Figure 1 Manipulator Structure
Its motion control mode is: (1) can rotate by servomotor Angle for 360 ° breath control manipulator (photoelectric sensor sure start 0 point); (2) by stepping motor drive screw component make along the X, Y manipulators move (have X, Y axis limit switches); (3) can rotates 360 ° can drive the turntable institutions manipulators and bushings free rotation (its electric drag in part by the dc motivation, photoelectric encoder, close to switch etc); (4) rotating base main support above 3 parts; (5) gas control manipulator by pressure control (Zhang close when pressed on, put inflatable robot manipulators loosen) when gas.
Its working process for: when the goods arrived, manipulator system begins to move; Stepping motor control, while the other start downward motion along the horizontal axis of the step-motor controller began to move exercise; Servo motor driver arrived just grab goods manipulators rotating the orientation of the place, then inflatable, manipulator clamped goods.
Vertical axis stepper motor drive up, the other horizontal axis stepper motor driver started to move forward; rotary DC motor rotation so that the whole robot motion, go to the cargo receiving area; longitudinal axis stepper motor driven down again, arrived at the designated location, Bleed valve, mechanical hand release the goods; system back to the place ready for the next action.
II.Device control
To achieve precise control purposes, according to market conditions, selection of a variety of key
components as follows:
1. Stepper motor and drive
Mechanical hand vertical axis (Y axis) and horizontal (X axis) is chosen Motor Technology Co., Ltd. Beijing Stone 42BYG250C type of two-phase hybrid stepping motor, step angle of 0.9 ° / 1.8 °, current is 1.5A. M1 is the horizontal axis motor driven manipulator stretch, shrink; M2 is the vertical axis motor driven manipulator rise and fall. The choice of stepper motor drive is SH-20403 type, the drive uses 10 ~ 40V DC power supply, H-phase bridge bipolar constant current drive, the maximum output current of 3A of the 8 optional, maximum fine of 64 segments of 7 sub-mode optional optical isolation, standard single-pulse interface, with offline capabilities to maintain semi-sealed enclosure can be adapted to environmental conditions even worse, provide semi-current energy-saving mode automatically. Drive the internal switching power supply design to ensure that the drive can be adapted to a wide voltage range, the user can according to their circumstances to choose between the 10 ~ 40VDC. Generally the higher rated power supply voltage can improve high-speed torque motor, but the drive will increase the loss and temperature rise. The maximum output drive current is 3A / phase (p