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中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
題目名稱： 機(jī)械手夾持器設(shè)計(jì)
院系名稱： 機(jī) 電 學(xué) 院
班 級(jí)：
學(xué) 號(hào)：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
2011年03月
1． 本課題所涉及的內(nèi)容國(guó)內(nèi)(外)研究現(xiàn)狀綜述
1.1課題研究的目的、意義
在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：
一、以提高生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度
應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝夾、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
二、以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。
在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒(méi)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。
綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。
1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。
專用機(jī)械手經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi) 容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無(wú)線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項(xiàng) 綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域 也在不斷地?cái)U(kuò)大。
早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機(jī)械手。
50～60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱第二代機(jī)械手。如尤尼曼特(Unimate)機(jī)械手即屬于這種類型。
60～70年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動(dòng)線上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。
80-90年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期，尤其是日本。
90年代機(jī)械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。
90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。
總之，目前機(jī)械手的主要經(jīng)歷分為三代：
第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
2．本課題有待解決的主要關(guān)鍵問(wèn)題
夾持器設(shè)計(jì)的基本要求
（1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力；
（2）手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉范圍；
（3）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；
（4）要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；
（5）應(yīng)考慮通用性和特殊要求。
設(shè)計(jì)參數(shù)及要求
（1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動(dòng)作為抓緊—放松；
（2）所要抓緊的工件直徑為80mm 放松時(shí)的兩抓的最大距離為110-120mm/s ， 1s抓緊,夾持速度20mm/s；
（3）工件的材質(zhì)為5kg，材質(zhì)為45#鋼；
（4）夾持器有足夠的夾持力；
（5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由液壓缸提供動(dòng)力。
3．對(duì)課題要求及預(yù)期目標(biāo)的可行性分析 (包括解決關(guān)鍵問(wèn)題技術(shù)和所需條件兩方面)
目前我已經(jīng)搜集到很多的參考資料，并且進(jìn)行了一定的調(diào)研，還得到一些專業(yè)的設(shè)計(jì)分析工程師的指導(dǎo)，課題的目標(biāo)可行性還是很好的，關(guān)鍵就是怎么在這個(gè)課題上有所突破，做得更加好。
收集相關(guān)資料，并對(duì)現(xiàn)有的資料進(jìn)行研究分析，進(jìn)而分析自己完成本課題還存在哪方面的困難，除了現(xiàn)有的知識(shí)外還應(yīng)該具備哪些新的知識(shí)。選定自己適合和熟悉的制圖軟件，對(duì)選定的工具進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)及 具體實(shí)踐。對(duì)驅(qū)動(dòng)油路進(jìn)行仔細(xì)研究，了解液壓驅(qū)動(dòng)原理，繪制油路圖。機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，根據(jù)要求設(shè)計(jì)出合理輕便的機(jī)械手。在三維軟件中模擬機(jī)械手工作狀態(tài)。模擬調(diào)試后對(duì)整個(gè)機(jī)械手進(jìn)行完善。
液壓元件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的搜集，能看到的僅僅是外形安裝定位尺寸，十分有限，僅僅是提供一種設(shè)計(jì)分析管理的方法。
4．完成本課題的工作計(jì)劃及進(jìn)度安排
1. 資料的搜集整理分析完善，列出畢業(yè)設(shè)計(jì)的論文提綱，明確設(shè)計(jì)任務(wù)；
2. 開(kāi)始進(jìn)行機(jī)械手夾持器的建模，不管是液壓元件還是液壓輔件，保證建模資料能完成一定程度的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
3. 開(kāi)始進(jìn)行畢業(yè)論文的寫作；
4. 準(zhǔn)備所有的畢業(yè)設(shè)計(jì)資料，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
5．指導(dǎo)教師審閱意見(jiàn)
指導(dǎo)教師(簽字)： 年 月 日
?
6．指導(dǎo)小組意見(jiàn)
指導(dǎo)小組組長(zhǎng)(簽字)：
年 月 日
說(shuō)明：
1. 本報(bào)告前4項(xiàng)內(nèi)容由承擔(dān)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))課題任務(wù)的學(xué)生獨(dú)立撰寫；
2. 本報(bào)告必須在第八學(xué)期開(kāi)學(xué)兩周內(nèi)交指導(dǎo)教師審閱并提出修改意見(jiàn)；
3. 學(xué)生須在小組內(nèi)進(jìn)行報(bào)告，并進(jìn)行討論；
4. 本報(bào)告作為指導(dǎo)教師、畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))指導(dǎo)小組審查學(xué)生能否承擔(dān)該畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題和是否按時(shí)完成進(jìn)度的檢查依據(jù)，并接受學(xué)校的抽查。
4
中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
摘 要
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我選的題目是機(jī)械手夾持器設(shè)計(jì)，本課題是針對(duì)流水線自動(dòng)化生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的機(jī)械夾持器。本課題包括機(jī)械夾持器總體設(shè)計(jì)、計(jì)算；液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算、部件和零件設(shè)計(jì)。機(jī)械手與機(jī)器人的聯(lián)系非常密切，機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，大大促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。同時(shí)，機(jī)械手是一門應(yīng)用很廣的學(xué)科，它幾乎在各個(gè)部門和學(xué)科都有應(yīng)用，尤其在機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)中。
我所設(shè)計(jì)的夾持器基本要求如下：
（1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力；
（2）手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉范圍；
（3）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；
（4）要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；
（5）應(yīng)考慮通用性和特殊要求。
設(shè)計(jì)參數(shù)及要求如下：
（1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動(dòng)作為抓緊—放松；
（2）所要抓緊的工件直徑為80mm 放松時(shí)的兩抓的最大距離為110-120mm/s ， 1s抓緊,夾持速度20mm/s；
（3）工件的材質(zhì)為5kg，材質(zhì)為45#鋼；
（4）夾持器有足夠的夾持力；
（5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由液壓缸提供動(dòng)力
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，夾持器，手指，液壓缸。
abstract
In the graduation design, The topic I choose is manipulator grippers design, this topic is designed for automatic production line of mechanical grippers. The topics include mechanical grippers overall design and calculation; Hydraulic transmission system design and calculation, components and parts design. Contact with the robot manipulator, very close to the development and application of the manipulator, greatly promote the development of intelligent robots. Meanwhile, manipulator is an application is very wide subject, it almost in all departments and disciplines have applications, especially in the machinery industry and railway industry.
I designed by grippers basic requirement as follows:
(1) should have appropriate clamping force and driving force;
(2) finger should have certain open and close range;
(3) should guarantee the clamping workpiece precision in the finger;
(4) require compact structure, light weight, high efficiency;
(5) should consider the versatility and special requests.
Design parameters and requirement as follows:
(1) with finger type grippers, execute the movements for grasp - relax;
(2) the diameter workpiece must promptly 80mm relax a maximum distance of two catch for 110-120mm/s, 1s grasps, gripping speed 20mm/s;
(3) the workpiece material for 5kg, material for 45 # steel;
(4) grippers have enough clamping force;
(5) grippers connected in the arm by flange. Powered by hydraulic cylinder
Key words: manipulator, grippers, finger, hydraulic cylinder.
目錄
第一章 前言 3
1.1機(jī)械手的概述 3
1.2 機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 4
1.3機(jī)械手的應(yīng)用意義 6
第二章 手部設(shè)計(jì). 7
2.1夾緊力計(jì)算 7
2.2驅(qū)動(dòng)力力計(jì)算 8
2.3液壓缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 8
2.4楔塊等尺寸的確定 9
2.5斜楔的傳動(dòng)效率 10
2.6斜楔驅(qū)動(dòng)行程與手指開(kāi)閉范圍 10
第三章 腕部設(shè)計(jì) 13
3.1腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 13
3.2回轉(zhuǎn)液壓缸所驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 14
3.3回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D計(jì)算 16
3.4腕部軸承選擇 17
3.5材料及連接件，密封件選擇 17
第四章 伸縮臂設(shè)計(jì) 18
4.1方案設(shè)計(jì) 18
4.2伸縮臂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
4.2.1伸縮臂液壓缸參數(shù)計(jì)算 18
4.3.2導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
第五章 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 26
5.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 26
5.3液壓系統(tǒng)圖 27
第六章 設(shè)計(jì)總結(jié) 30
參考文獻(xiàn) 31
第一章 前言
1.1機(jī)械手的概述
機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié) 構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的 升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過(guò)對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來(lái)完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。
機(jī)械手通常常機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機(jī)械器件組成；電氣方面有交流電機(jī)、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等，是機(jī)電一體化的典型代表儀器之一。機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展,自動(dòng)化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無(wú)人車間、無(wú)人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見(jiàn)。同時(shí)，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場(chǎng)合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。
工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。
專用機(jī)械手經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi) 容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無(wú)線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項(xiàng) 綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域 也在不斷地?cái)U(kuò)大。
早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機(jī)械手。
50～60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱第二代機(jī)械手。如尤尼曼特(Unimate)機(jī)械手即屬于這種類型。
60～70年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動(dòng)線上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。
80-90年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期，尤其是日本。
90年代機(jī)械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。
90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。
總之，目前機(jī)械手的主要經(jīng)歷分為三代：
第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
1.2 機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法，程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75％是小批量生產(chǎn)； 金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5％。從這里可看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī) 械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。國(guó)內(nèi)外機(jī)械工業(yè)、鐵路部門中機(jī)搬運(yùn)械手主要應(yīng)用于以下幾方面：
1.熱加工方面的應(yīng)用
熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來(lái)就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對(duì)于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。
2.冷加工方面的應(yīng)用
冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。
3.拆修裝方面
拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動(dòng)較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng) 缸、裝卸軸箱、組裝輪對(duì)、清除石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手，可用以對(duì)客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆，以 改善勞動(dòng)條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。
近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來(lái)越多的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要因素。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用，例如：
(1)機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍。
(2)在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來(lái)裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來(lái)組裝零部件。
(3)可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動(dòng)。
(4)可在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。
(5)宇宙及海洋的開(kāi)發(fā)。
(6)軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。
1.3機(jī)械手的應(yīng)用意義
在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下：
1.可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度,應(yīng)用機(jī)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(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。
2.可以改善勞動(dòng)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(chǎng)合中，用人手直接操作 是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)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(dòng)條件。在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手 代替人手進(jìn)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)奏地生產(chǎn)
應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。
第二章 手部設(shè)計(jì).
2.1夾緊力計(jì)算
手指加在工件上的夾緊力是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)，必須對(duì)其大小、方向、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。
手指對(duì)工件的夾緊力可按下列公式計(jì)算：
2-1
式中：
—安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定,通常取1.2——2.0，取1.5；
—工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計(jì)算最大加速度，得出工作情況
系數(shù), ，a為機(jī)器人搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度或減速度的
絕對(duì)值（m/s）；
—方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定，
手指與工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；
手指與工件形狀：型指端夾持圓柱型工件，
，為摩擦系數(shù)，為型手指半角，此處粗略計(jì)算,如圖
—被抓取工件的重量
求得夾緊力 ，F(xiàn)N=K1K2K3Mg=1.5×1.002×4×5×9.8=285.57N,
取整為177N。
2.2驅(qū)動(dòng)力力計(jì)算
根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和夾緊力之間的關(guān)系式：
式中：
c—滾子至銷軸之間的距離；
b—爪至銷軸之間的距離；
—楔塊的傾斜角
可得F=2FNbsina÷c=316.94N，得出為理論計(jì)算值，實(shí)際采取的液壓缸驅(qū)動(dòng)力要大于理論計(jì)算值，考慮手爪的機(jī)械效率，一般取0.8～0.9，此處取0.88，則：
F`=F÷n=316.94÷0.88=360.16N ，取
2.3液壓缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
設(shè)計(jì)方案中壓縮彈簧使爪牙張開(kāi)，故為常開(kāi)式夾緊裝置，液壓缸為單作用缸，提供推力：
式中 ——活塞直徑
——活塞桿直徑
——驅(qū)動(dòng)壓力，
,已知液壓缸驅(qū)動(dòng)力，且
由于，故選工作壓力P=1MPa
據(jù)公式計(jì)算可得液壓缸內(nèi)徑：
根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè),見(jiàn)下表，圓整后取D=32mm。
液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66）（mm）
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
活塞桿直徑 d=0.5D=0.5×40mm=16mm
活塞厚 B=(0.6～1.0)D 取B=0.8d=0.7×32mm=22.4mm,取23mm.
缸筒長(zhǎng)度 L≤(20～30)D 取L為123mm
活塞行程，當(dāng)抓取80mm工件時(shí)，即手爪從張開(kāi)120mm減小到80mm，楔快向前移動(dòng)大約40mm。取液壓缸行程S=40mm。
液壓缸流量計(jì)算：
放松時(shí)流量
夾緊時(shí)流量
2.4楔塊等尺寸的確定
楔塊進(jìn)入杠桿手指時(shí)的力分析如下：
—斜楔角，＜時(shí)有增力作用；
—滾子與斜楔面間當(dāng)量摩擦角，，為滾子與轉(zhuǎn)軸間的摩擦角，為轉(zhuǎn)軸直徑，為滾子外徑，，為滾子與轉(zhuǎn)軸間摩擦系數(shù);
—支點(diǎn)至斜面垂線與杠桿的夾角；
—杠桿驅(qū)動(dòng)端桿長(zhǎng)；
—杠桿夾緊端桿長(zhǎng)；
—杠桿傳動(dòng)機(jī)械效率
2.5斜楔的傳動(dòng)效率
斜楔的傳動(dòng)效率可由下式表示：
杠桿傳動(dòng)機(jī)械效率取0.834，取0.1，取0.5，則可得=, ，取整得=。
2.6斜楔驅(qū)動(dòng)行程與手指開(kāi)閉范圍
當(dāng)斜楔從松開(kāi)位置向下移動(dòng)至夾緊位置時(shí)，沿兩斜面對(duì)稱中心線方向的驅(qū)動(dòng)行程為L(zhǎng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的杠桿手指由位置轉(zhuǎn)到位置，其驅(qū)動(dòng)行程可用下式表示：
杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為：
通常狀態(tài)下，在左右范圍內(nèi)，則由手指需要的開(kāi)閉范圍來(lái)確定。由給定條件可知最大為55-60mm,最小設(shè)定為30mm.即。已知，可得，有圖關(guān)系：
可知：楔塊下邊為60mm，支點(diǎn)O距中心線30mm，且有，解得：
2.7 確定
為沿斜面對(duì)稱中心線方向的驅(qū)動(dòng)行程，有下圖中關(guān)系
，取，則楔塊上邊長(zhǎng)為18.686，取19mm.
2.8材料及連接件選擇
V型指與夾持器連接選用圓柱銷，d=8mm, 需使用2個(gè)
杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷，d=8mm, 需使用2個(gè)
滾子與手指連接選用圓柱銷，d=6mm, 需使用2個(gè)
以上材料均為鋼，無(wú)淬火和表面處理
楔塊與活塞桿采用螺紋連接，基本尺寸為公稱直徑12mm，螺距p=1，旋合長(zhǎng)度為10mm。
第三章 腕部設(shè)計(jì)
手腕部件設(shè)置在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕部件具有獨(dú)立的自由度，此設(shè)計(jì)中要求有繞中軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
3.1腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算
腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服的阻力有：
（1）腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩
式中 ，—軸承處支反力（N），可由靜力平衡方程求得;
,—軸承的直徑（m）；
—軸承的摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承=0.01-0.02；對(duì)于滑動(dòng)軸承=0.1。
為簡(jiǎn)化計(jì)算，取，如圖3.1所示，其中，為工件重量，為手部重量，為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重量。
1
（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩
式中 e—工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離，已知e=10mm.
則
（3）克服啟動(dòng)慣性所需的力矩
啟動(dòng)過(guò)程近似等加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度及啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)過(guò)的角度按下式計(jì)算：
式中 —工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
—手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
—手腕回轉(zhuǎn)過(guò)程的角速度；
—啟動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間，一般取0.05-0.3s,此處取0.1s.。
手抓、手抓驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，高為200mm，直徑90mm，其重力估算：
,取98N.
等效圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，已知圓柱體工件，
要求工件在0.5s內(nèi)旋轉(zhuǎn)90度, 取平均角速度，即=，
代入得：
解可得： =0.8083
3.2回轉(zhuǎn)液壓缸所驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算
回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力矩
如下圖，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與轉(zhuǎn)軸5固連，當(dāng)a, b口分別進(jìn)出油時(shí)，動(dòng)片帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，達(dá)到手腕回轉(zhuǎn)的目的。
上圖為回轉(zhuǎn)液壓缸的進(jìn)油腔壓力油液，作用在動(dòng)片上的合成液壓力矩即驅(qū)動(dòng)力矩。
或
式中 ——手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的總的阻力矩
——回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（Pa）
——缸體內(nèi)孔半徑（m）
——輸出軸半徑（m），設(shè)計(jì)時(shí)按選取
——?jiǎng)悠瑢挾龋╩）
上述動(dòng)力距與壓力的關(guān)系是設(shè)定為低壓腔背壓力等于零。
3.3回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D計(jì)算
由 ，得：
，
為減少動(dòng)片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動(dòng)片的懸伸長(zhǎng)度，選擇動(dòng)片寬度時(shí)，選用：
綜合考慮，取值計(jì)算如下：
r=16mm，R=40mm，b=50mm，取值為1Mpa，即如下圖：
32
3.4腕部軸承選擇
腕部材料選擇HT200，，估計(jì)軸承所受徑向載荷為50N,軸向載荷較小，忽略。兩處均選用深溝球軸承?，F(xiàn)校核較小軸徑處軸承。
6005軸承基本數(shù)據(jù)如下：
，當(dāng)量動(dòng)載荷，載荷系數(shù)取1，，則，由公式：
N為轉(zhuǎn)速，由0.5s完成回轉(zhuǎn)，計(jì)算得：，，球軸承
代入得：
，遠(yuǎn)大于軸承額定壽命。
選用軸承為深溝球軸承6005，6008。
3.5材料及連接件，密封件選擇
右端軸承端蓋與腕部回轉(zhuǎn)缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個(gè)。
右缸蓋與缸體連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個(gè)。
左缸蓋與缸體及法蘭盤連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個(gè)。
選用墊圈防松，，公稱尺寸為5。
右端軸承端蓋與腕部回轉(zhuǎn)缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個(gè)動(dòng)片與輸出軸連接選用六角頭螺栓 全螺紋， ， 需用2個(gè)。
密封件選擇：
全部選用氈圈油環(huán)密封，材料為半粗羊毛氈。右端蓋 d=40mm, 左右缸蓋 d=25mm
第四章 伸縮臂設(shè)計(jì)
4.1方案設(shè)計(jì)
采用單出桿雙作用液壓油缸，手臂伸出時(shí)采用單向調(diào)速閥進(jìn)行回油節(jié)流調(diào)速，接近終點(diǎn)時(shí)，發(fā)出信號(hào)，進(jìn)行調(diào)速緩沖（也可采用緩沖油缸），靠油缸行程極限定位，采用導(dǎo)向桿導(dǎo)向防止轉(zhuǎn)動(dòng)，采用電液換向閥，控制伸縮方向。
4.2伸縮臂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.2.1伸縮臂液壓缸參數(shù)計(jì)算
4.2.1.1工作負(fù)載R
液壓缸的工作負(fù)載R是指工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)荷情況下，以一定加速度啟動(dòng)時(shí)對(duì)液壓缸產(chǎn)生的總阻力，即：
式中：-工作機(jī)構(gòu)的荷重及自重對(duì)液壓缸產(chǎn)生的作用力；
-工作機(jī)構(gòu)在滿載啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦力；
-工作機(jī)構(gòu)滿載啟動(dòng)時(shí)的慣性力。
(1)的確定
① 工件的質(zhì)量m
=5.9 (kg)
②夾持器的質(zhì)量 15kg(估計(jì))
③伸縮臂的質(zhì)量 50kg(估計(jì))
④其他部件的質(zhì)量 15kg(估計(jì))
工作機(jī)構(gòu)荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N)
取Ri=860N
(2) 的確定 Rm= (N)
(3) 的確定 Rg=(N)
式中：為啟動(dòng)時(shí)間，其加速時(shí)間約為0.1～0.5s
=0.1s , =0.2s
總負(fù)載 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N)
取實(shí)際負(fù)載為 =1200
4.2.1.2液壓缸缸筒內(nèi)徑D的確定
D=
式中：R=1000 <5000 , p可取0.8～, =
取液壓缸缸筒內(nèi)徑為40mm。
4.2.1.3活塞桿設(shè)計(jì)參數(shù)及校核
(1)活塞桿材料：選擇45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼，其抗拉強(qiáng)度=570
(2)活塞桿的直徑：查《液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》得，當(dāng)壓力小于10Mpa時(shí)，速比=1.33。
則可選取活塞桿直徑為20mm系列，且缸筒的厚度為5mm。
最小導(dǎo)向長(zhǎng)度：mm
(3)活塞桿強(qiáng)度及壓桿穩(wěn)定性的計(jì)算
采用非等截面計(jì)算法
① 油缸穩(wěn)定性的計(jì)算
因?yàn)橛透椎墓ぷ餍谐梯^大，則在油缸活塞桿全部伸出時(shí)，計(jì)算油缸受最大作用力壓縮時(shí)油缸的穩(wěn)定性。
假設(shè)油缸的活塞桿的推理為P，油缸穩(wěn)定的極限應(yīng)力為Pk，則油缸穩(wěn)定性的條件為P
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