二 〇 一 一年 六 月
题 目：液压机械手夹持器伸出臂机构设计 学生姓名： 学 院： 系 别： 专 业： 班 级： 指导教师：李
本科毕业设计说明书
摘要
机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
它主要是用以夹持毛培或成品完成送进、转动、调头等主要动作的辅助机械。机械手机有助于改善劳动条件，提高生产效率。根据实际需要，机械手可用于多种生产过程，并可实现遥控和与主机联动。操作机结构分有轨和无轨两种，其传动方式有机械式、液压式和混合式等。
关键词：液压缸；机械手；伸缩臂；导向杆
Abstract
Manipulator is the earliest industrial robots, meanwhile is the earliest the modern robot, it can replace human labor in order to achieve mechanization and automation, Can also operate in harmful environment to protect the security of person.which is widely used in machinery manufacturing, Metallurgy, electronics, light industry and atomic energy and other sectors.
It is mainly used to clamping metal materials or products complete send into, the rotation, switching the auxiliary machinery such main action.Robots help improve working conditions, improve production efficiency. According to actual needs, the robot can be used for a variety of production processes, and remote control and interaction with the host. There are two kinds of operating structures: sub-rail and trolley, the transmission methods are mechanical, hydraulic and hybrid and so on
.
Key words: Hydraulic cylinder; mechanical hand; telescopic arm; guide bar
目录
引言 (1)
第一章概论 (2)
1.1课题的提出背景 (2)
1.2天车钓钩提拉脱模的缺点 (2)
1.3脱模系统的组成 (3)
1.4设计参数 (3)
第二章液压系统设计 (4)
2.1液压系统的特点 (4)
2.1.1液压系统的优点 (4)
2.1.2液压系统的缺点 (4)
2.2 液压泵的设计计算 (5)
2.2.1液压泵的选择 (5)
2.2.2电动机功率的确定 (5)
2.3 液压缸基本参数确定 (6)
2.3.1缸筒的设计计算 (6)
2.3.2活塞杆及液压缸轴向尺寸的计算 (7)
2.4活塞和活塞杆的密封 (8)
2.5液压缸的选择 (8)
2.6顶杆和活塞杆的较核计算 (8)
2.6.1下顶杆的校核计算 (8)
2.6.2活塞杆的校核计算 (9)
2.7液压泵站的设计 (11)
第三章阀的选择及功能计算 (12)
3.1 电磁换向阀 (12)
3.1.1电磁换向阀选取的原因 (12)
3.1.2电磁换向阀的结构 (12)
3.1.3电磁换向阀的常见故障与排除 (13)
3.2 液控单向阀 (16)
3.2.1选择液控单向阀的原因 (16)
3.2.2液控单向阀的结构和保修 (16)
3.3 溢流阀 (18)
3.3.1选择溢流阀的原因 (18)
3.3.2溢流阀的常见故障与排除 (18)
3.4 节流阀 (20)
3.4.1选择节流阀的原因 (20)
3.4.2节流阀的结构和性能 (20)
3.5 调速阀 (21)
3.5.1选取调速阀的原因 (21)
3.5.2调速阀的原理 (21)
第四章液压系统工作原理 (22)
第五章脱模装置主要部件的计算 (24)
5.1 横梁受力分析 (24)
5.2 相关计算 (25)
5.3直线轴承 (26)
结论 (27)
参考文献 (28)
谢辞 (29)
引言
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上
装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操
作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常
称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改
善热、累等劳动条件。
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
第一章概论
1.1课题的提出背景
机械手mechanical hand，也被称为自动手，auto hand。它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。
机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
1.2我国工业机器人发展状况
我国工业机器人经过20多年的发展已在产业化的道路上迈开了步伐。近几年戒国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线和工程项目、相关产品的年产销额已近3亿元。国家“八六三”高技术计划已将沈阳新松机器人自动化股份有限公司、哈尔滨博实自动化设备有限责任公司、一汽集团涂装技术开发中心、国家机械局北京自动化所工业机器人与应用技术工程研究中心、大连贤科机器人技术有限公司、天津市南开太阳高技术有限公司、上海机电一体工程有限公司、上海交大海泰科技发展有限公司、四川绵阳四维焊接自动化设备有限公司等确立为智能机器人主题的9个产业化基地、除南开太阳公司外其余8家都是我国研发和从事机器人应用工程的大户。此外还有大连组合机床所、上海富安工厂自动化公司、国家机械局机械研究院及北京机电研究所、东风汽车究所生产销售了十几台弧焊机器人及搬运机器人。济南第二机床厂、济南铸锻研究所、昆明船舶公司、哈尔滨焊接研究所、北京精艺公司、哈尔滨风华机器厂、航天测控公司等公司都以其开发的特色机器人应用于工程项目而活跃于我国机器人市场上。
我国现有机器人研究开发和应用工程单位200多家琪中从事工业机器人研究和应用的有75家，共开发生产各类工业机器人约800台，90％以上用于生产
中，引进工业机器人做应用工程的约500台。
经过“七五”攻关和“八五”、“九五”、国家“八六三’计划支持的应用工
程开发，我国第一代工业机器人设计、制造和应用技术已趋于成熟，近几年工业
机器人的开发基本上是按用户需求结合应用工程进行的。一些大型工厂、公司(如
一汽、二汽、华录集团等)在企业重组后、生产发展生机勃勃、由应用机器人的
大尸转向开发机器人。
1.3我国工业机器人研究进展及趋势
中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展,工业机器人市场也已经成熟,应用上已经遍及各行各业,但进
口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破,但还缺乏整体核心技术的突破,具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平,特别是在制造工艺与装备方面,不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有:数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品,主要应用于汽车、摩托
车、工程机械、家电等行业。
我国机器人技术主题发展的战略目标是:根据2l世纪初我国国民经济对先进
制造及自动化技术的需求,瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工
业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展
的重点有:第一,危险、恶劣环境作业机器人:主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人;第二,医用机器人:主要有脑外科手术辅助机器人,遥控操作
辅助正骨等;第三,仿生机器人:主要有移动机器人,网络遥控操作机器人等。其发展
趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。
第二章伸缩臂设计
2.1 伸缩臂设计基本要求
设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装机械手，完成直线伸缩动作。
（1）功能性的要求
机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。
（2）适应性的要求
为便于调整，适应工件大小不同的要求，起止位置要方便调整，要求设置可调式定位机构。为了控制惯性力，减少运动冲击，动力的大小要能与负载大小相适应，如步进
电机通过程序设计改变运动速度，力矩电机通过调整工作电压，改变堵力矩的大小，达到工作平稳、动作快捷、定位准确的要求。
（3）可靠性的要求
可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。
（4）寿命的要求
产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施，如：选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损的零件要便于更换。
（5）经济的要求
机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中。
（6）人机工程学的要求
人机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。本设计中要充分考虑外形设计，各调整环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。
（7）安全保护和自动报警的要求
按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须考虑的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警装置。
设计参数
（1）伸缩长度：200mm；
（2）单方向伸缩时间：1.5～2.5S；
（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm；
（4）前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击；
2.2 方案设计
液压驱动方案
（1）伸缩原理
采用单出杆双作用液压油缸，手臂伸出时采用单向调速阀进行回油节流调速，接近终点时，发出信号，进行调速缓冲（也可采用缓冲油缸），靠油缸行程极限定位，采用导向杆导向防止转动，采用电液换向阀，控制伸缩方向。（图2.1）
图2.1
（2）液压系统的设计计算
液压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求，具体设计计算参考《液压传动与控制》等相关教材。由于伸缩臂做间歇式往复运动，有较大的冲击，设计时要考虑缓冲措施，可从液压回路设计上考虑，也可从液压件结构上考虑。
设计计算参数及要求：
①电磁阀流量：要满足伸缩速度的要求。
②油缸直径：推力大小要能克服机构起动惯性并有一定的起动加速度，要满足运动时间要求。
③导向杆刚度：按最长伸出时机械手端部的挠度不超过规定要求。
④定位方式和元件：自选。
（3）结构方案设计及强度和刚度计算
伸缩臂运动简图见图2-1
①结构方案说明
a：支座1 安装在机器人床身上，用于安装伸缩臂油缸和导向杆等零部件。
b：法兰4 用于安装机械手，其形式和尺寸要与机械手相协调。
c：液压缸伸出杆带动导向杆同时伸出200mm，伸出长度较大，设计、制造和安装
时要考虑液压缸与导向杆的平行度要求。
d：导向杆可采用直线导轨或直线导轴。直线导轨可选用外购件，直接从生产厂家的有关资料中获得所需参数（网上查询直线导轨、直线导轴）。采用直线导轴时可自行设计，并且要考虑导向杆的润滑，润滑方式参考有关手册设计。
②强度及刚度计算
本机械手夹持工件重量约3Kg 左右，夹持器重量约15Kg，夹持器长度最大约250mm。从受力角度分析，可参考其它机器作类比设计即可。伸缩臂的机构
力学模型如图2.2 所示。
夹持器夹着工件，伸缩臂全部伸出，是导杆受力最大的状态,也是变形最大的位置。
在此情况下，用材料力学的知识计算它的强度和刚度。
图2.2
2.3 伸缩臂机构结构设计
2.3.1 伸缩臂液压缸参数计算
2.3.1.1 工作负载R
液压缸的工作负载R 是指工作机构在满负荷情况下，以一定加速度启动时对液压缸产生的总阻力，即：
R=Ri+Rm+R g
式中：
Ri -工作机构的荷重及自重对液压缸产生的作用力；
Rm -工作机构在满载启动时的静摩擦力；
Rg -工作机构满载启动时的惯性力。
(1) Ri的确定
①工件的质量m
m =ρv =ρπr*rh
=7.85* 3.14*
2
2
8
?
?
?
?
?
*60
=23.66304 (kg)（可23.7kg ）
②夹持器的质量 15kg(已知) ③伸缩臂的质量 40kg(估计) ④其他部件的质量 15kg(估计)
工作机构荷重： Ri=(23.7+15+40+15)*10=937(N) 取Ri=940N
(2) Rm 的确定 Rm=fRi 940* 0.2 188 (N) 取190(N) (3) Rg 的确定Rg=
g
G *t v =190*1.002
.0=38 (N) 式中： t 为启动时间，其加速时间约为0.1～0.5s
t =0.1s ,v =20mm ∕s=0.02m ∕s
总负载 R=Ri+Rg+Rm=940+190+38=1168 (N) 取实际负载为 R =1200 N
2.3.1.2 液压缸缸筒内径D 的确定
缸筒是液压缸的主要零件，它与缸盖、活塞等零件构成密闭容腔，形成内压，推动活塞运动。设计缸筒时，不仅要保证液压缸的作用力、速度和行程，而且必须有足够的强度和刚度，以便抵抗液压力和其他外力的作用。如图2.3
图2.3
液压缸以驱动负载为主要目的故D=
p
F
14.31
4=39mm
式中：R=1200 N <5000 N , p 可取0.8～1 a MP , p =1 a MP
根据《机械设计手册》第五卷第二十一篇第六章2液压缸的主要参数 表21-6-2取液压缸缸筒内径为40mm 。
表2.1 液压缸内径尺寸系列（GB2348-80）（mm ）
2.3.1.3 活塞杆设计参数及校核
(1)活塞杆材料：选择45 号调质钢，其抗拉强度ób =570 a
MP (2)活塞杆的直径：查《液压传动设计手册》得，当压力小于10a MP 时，速比λ =1.33。
则d=D λ1
1-=20根据《机械设计手册》第五卷第二是一篇第六章2液压缸的主
要参数 表21-6-2取d=20mm 且缸筒的厚度为5mm 。
表2.2 活塞杆直径系列（GB2348-80） （mm ）
最小导向长度如图2.4： L=
201
l
+
2D =20
200+250=35mm
L
≦（20～30）D
B=(0.6～1)D 取C=30mm
L 1
取决于主机运动的最大行程即200mm
导向套滑动面长度C:当D 小于80mm 时，C=(0.6～1)D 取C=30mm
图2.4
2.3.1.4 缸筒设计参数及校核
(1)缸筒材料：选择ZG310-570 铸钢,其抗拉强度ób =570 a
MP (2)缸筒壁厚 及校核：取壁厚δ =5mm
0.1D <δ< 0.3D 因此属于普通壁厚 缸筒壁厚的校核 δ≥
P max
max
3-][3.2δD
p
式中：P max 为缸筒内最高工作压力；P max =7 M pa
][δ材料的许用应力 ][δ=5570
=114 M pa
n-材料的安全系数通常取5 由δ≥
P max
max
3-][3.2δD
p
=
7
*3114*3.240
*7-=1.19
校核 符合要求
(3)缸筒外径：D 1= D +2δ = 40+ 10=50mm
2.3.1.5 缸底设计参数及校核
(1)缸底材料：选择Q235 碳素结构钢，其抗拉强度ób =375～460 Mpa (2)缸底厚度如图2.5
a ≧0.433 D
]
[max
δP
=4.33*50*
3
4607
=4.387mm 取缸底厚度为5mm 是满足要求。
图2.5
2.3.1.6 油缸零件的连接计算
首先确定油缸缸筒与缸盖采用螺纹连接;缸筒与缸底的连接此处选用焊接方式，此种方式能够使液压缸紧凑牢固。 （1）缸筒螺纹处的强度计算： 螺纹处的拉应力： δ=
()
D
2
21
-4
d
KP
螺纹处的剪应力：
τ≈0.5δ 合成应力：
δ
ca
=τδ
2
2
3+≈1.3δ
许用应力： [δ]=n
s δ [MPa ]
式中：P:油缸的最大推力[N] D:油缸内径[mm];
d
：螺纹直径[mm]；
d
1
：螺纹内径，当采用普通螺纹时（GB196-63）时，可近似按下式d 1=d 0-1.224t
（t 螺距[cm]）;
K:螺纹预紧力系数，取K ＝1.25～1.5；
δ
s
：缸筒材料的屈服极限。
n: 安全系数，取n=1.2-2.5,一般取n=1.75.
由前面计算可得：D=50mm ，则查《机械设计手册》，采用普通螺纹 基本尺寸（GB/T196-2003）公称直径第二系列 4.8，可得螺距t=0.4cm; d
=4.8cm .
所以，d 1=d 0-1.224t = 4.8 -1.224 *0.4 =4.31cm K 取1.5，
δ
s
=235Mp
n:取1.75。 所以：δ=δ=()
D
2
21
-4
d
KP
=
()
431.42
2
-4
100
*5.1
=74.138
τ=37
δ
ca
=96.3794
[δ]=n s δ=75
.1235= 134
δ
ca
< [δ] ,满足强度条件。
（2）缸筒与缸底的焊接强度计算
H=
()η
d D p
22
2
1
4
-
=
()7
.04
100
5.452
2
-
= 120.3
P:油缸推力[N]
η:焊缝效率，可取η＝0.7
b：焊条材料得抗拉强度[MPa ]
n:安全系数，取n＝3.3～4
并查到焊条材料的抗拉强度为900Mpa～1200Mpa(手工焊条)，因此缸体与缸底得焊缝强度是满足要求得。
2.3.1.7 液压油缸其他零件结构尺寸得确定
由于液压缸的工作负载较小，所以选定液压缸的工作压力为低压。取额定工作压力为2.0 Mpa
液压缸的基本形式如下图所示：
图2.6
整个油缸安装在下部伸缩臂基座上。
（1）活塞与活塞杆得连接结构：
油缸在一般工作条件下，活塞与活塞杆采用螺纹连接。其形式如图所示
图2.7
（2）活塞杆导向套：做成一个套筒，压入缸筒，靠缸盖与缸筒得连接压紧固定，材料选用铸铁材料。基本结构为：
图2.8
图中：1 为缸盖，2 为橡胶防尘圈，3 为活塞杆，4 为活塞杆导向套。（3）活塞与缸体得密封。
采用O 型密封圈密封。选用36.5内径，截面直径为
5. 3510.0 mm.
其基本形式如下：
图 2.9
图中：1 即为O 型密封圈，2 则为活塞。活塞与缸体之间靠O 型密封圈密封。
（4）活塞杆端部结构形式及尺寸
端部结构形式有：外螺纹的，内螺纹的，光滑的，球形，耳环等等。此处因活塞杆固定，选用外螺纹连接形式。其基本结构如下：
图2.10
图中各尺寸可查《液压传动设计手册》得，当d＝20 mm时，d1取M16 1.5.
L=(1.2~1.5) d1, L=(1.2 ~ 1.5) d1 ＝1.5 *16 =24mm
2.3.2 导向杆机构设计
2.3.2.1 导向机构的作用
导向机构的作用是保证液压缸活塞杆伸出时的方向性，提供机构刚度，保证伸缩量的准确性。
2.3.2.2 导向机构的外形尺寸及材料
导向选择矩形导轨导向，导轨为伸缩臂基座上得一部分，经加工而成；滑台则在其上滑动且滑台得端部靠法兰安装夹持器部分。材料选择为45 号钢.，如图2.11 所示：
图2.11
图中：1 为滑台，2 为伸缩臂基座，3 为矩形导轨的压板。
此处矩形导轨是直接在基座上加工出来的，滑台在导轨面上滑动，靠压板来固定调节。基座臂厚为10mm.。
2.3.2.3 矩形导轨的弯曲强度及挠度的校核
(1)导轨的弯曲应力
δ
max
=W z M
M = pL = 0.5 *300 = 150N ?m
W z =
6
2
h b =6
*045.0045
.02
=1.5 *105
-
δmax
=W
z
M =
10
5
- * 1.5150=9.876Mpa
δ
max
< [δ] 符合要求。
因为只计算了一边得矩形导轨，由结构可知还有另外一边得导轨支撑，故满足条件。
(2)杆的挠度
此杆为一悬臂梁，根据简单载荷作用下梁的挠度和转角公式：
θ
d =
EI
p l
22
f=
EI
p l
33
式中：EI 是截面抗弯刚度 I=
12
2
h b =7.5*106
-
f=
200
* *7.5*3*300105
.06
-3=0.00832
本式计算是完全把载荷加在导轨上，实际是载荷由导轨和活塞杆共同承受，所以导向杆的挠度会更小，符合设计要求。 转角θd =
200
* *7.5*2*300105
.06
-2
=0.025rad =4.1ο
符合要求。
(3)导轨的表面处理及润滑 ①导轨表面淬火，可以提高表面硬度增加导向杆的耐磨性，也可以保证导向杆的韧性，同时需要精加工以提高导轨的精度要求；
②导轨的润滑可采用润滑脂润滑，或是采用润滑油润滑。此处采用润滑脂润滑。 伸缩臂基座与升降臂相连靠伸缩臂基座底部的法兰。其上有4 个M12 的内六角圆柱头螺钉。
2.3.2.4 伸缩臂范围控制与调整
伸缩臂伸缩范围控制靠行程开关与活动挡块，这里特别解释如下：设备附件活动挡块，它用在当设备安装好后，可以靠它在小范围内调节臂的伸长量，其结构图如图2.9所示
此活动挡块可套装在导向杆上，a 处可以压住行程开关压柱，从而压动行程开关使行程开关实现动作。此外除上述调节外，还可以调节连接件的旋入导向杆和液
本科毕业设计(论文) 题目：多自由度机械手设计 系别：机电信息系 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学生： 学号： 指导教师： 2013年4月
本科毕业设计(论文) 题目：多自由度机械手设计 系别：机电信息系 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学生： 学号： 指导教师： 2013年4月
多自由度机械手设计 摘要 随着现代科学技术的发展，机器人技术越来越受到广泛关注，在工业生产日益现代化的今天，机器人的使用变得越来越普及。因此，对于机器人技术的研究也变得越来越迫切，尤其是工业机器人方面。本论文作者针对这一领域，设计了一款液压机械机械手，该机器人拥有五个自由度。首先，作者针对该机器人的设计要求，对结构设计选择了一个最优方案，对关键零件设计并进行校核。 本课题是一个机械、液压紧密的实用性项目，文中对机械手机械结构的设计、液压系统的设计。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。 关键词：机械手；液压系统；五个自由度
Many degrees of freedom manipulator design Abstract With the development of modern science and technology, the robot technology has been paid more and more attention, in an increasingly modernized industrial production, the use of robots is becoming more and more popular. Therefore, the research of robot technology becomes more and more urgent, especially industrial robots. The author of this thesis in this field, design of a hydraulic mechanical manipulator, the robot has five degrees of freedom. First of all, the author according to the requirement of the design of this robot, an optimal scheme of the structure design of the selection, the design of key parts and checked. This topic is a mechanical, hydraulic close practical project, design of mechanical design, mechanical structure of the hydraulic system of the mobile phone in. Finally, summarized the full text, points out the improvement measures, manipulator application prospect and development direction. Keywords: manipulator; hydraulic system; five degrees of freedom
目录 第一章绪论 1.1 项目的技术背景与研究意义 1.2 取苗装置的国内外研究现状 1.2.1国外取苗装置的研究现状 1.2.2国内取苗装置的研究现状 1.3论文的研究目标与研究内容 1.4论文研究的技术路线 第二章穴盘苗自动移栽机机械手整机方案设计 2.1 穴盘苗自动移栽机机械手工作原理和结构分析2.2 利用UG建立样机模型 第三章穴盘苗自动移栽机取苗装置的结构设计 3.1 取苗机构的基本构成 基本结构 （1）机械手 （2）穴盘定位平台 （3）驱动系统 （4）控制系统 PLC程序 （5）底座 3.2 取苗机构的工作原理 第四章穴盘苗自动移栽机送苗装置的设计要求分析1穴盘育苗及穴盘的选择 2送苗装置的工作原理和结构组成 3送苗机构的控制系统 第五章取苗装置的实验研究 1.取苗装置影响因素分析 2影响取苗成功率的因素 3取苗装置手臂角度的实验分析
第六章总结与展望1 全文总结 2研究展望 结束语 参考文献 致谢
第一章绪论 1.1项目的技术背景与研究意义 随着社会进步和人民生活水平的提高，设施农业已成为国民经济中的支柱产业，温室蔬菜、花卉及棉花生产对发展农村经济，增加农民收入，丰富人民的菜篮子，改善人民生活具有举足轻重的作用。穴盘苗移栽是近年才兴起的种植新技术，它具有缩短生育期，提早成熟，提高棉花单产，具有广阔的推广前景。过去几年温室大棚育出成品苗向大田移栽，全部是靠人工移栽。穴盘苗自动移栽技术是温室蔬菜或花卉生产实现工厂化和自动化而采用的一种重要的种植方式。目前，国内穴盘苗移栽的取苗、喂苗环节主要靠手工完成，劳动强度大，作业效率低，不能满足规模化生产的需要，从而制约了蔬菜生产的发展。因此，研制开发适合我国国情、结构简单、价格低廉、性能稳定可靠的中小型穴盘苗自动移栽机迫在眉睫，而移栽机械手是温室穴盘苗移栽自动化的关键部分，能够完成“穴盘定位—自动送苗—钵苗抓取—钵苗投放”这一系列连续动作，其性能直接影响移栽机的移栽质量。穴盘苗移栽机械手的研究对实现实现温室穴盘苗移栽生产过程自动化、减轻穴盘苗移栽作业的劳动强度、提高作物移栽质量，推进我国温室农业作物生产机械化和自动化进程，特别是我国“十二五”农业发展规划的顺利实施具有重大意义。 1.2 取苗装置的国内外研究现状 国外穴盘苗移栽机取苗装置的技术较成熟，而且大部分机型开始投入使用，尤其是应用于花卉、蔬菜等经济价值高的作物的大面积移栽，具有很好的经济价值。国内的研究主要集中在各大高校及科研院所，且大部分的研究成果只是样机的试制，尚没有成型的机型投入生产应用。 1.2.1国外取苗装置研究现状 20 世纪初期部分国家开始出现移栽机具。三十年代出现移栽装置或移栽器代替人工取苗。五十年代移栽的生产技术研究，研制出了不同结构的半自动移栽机。八十年代，半自动移栽机已在欧美国家的农业生产中广泛被使用，培育穴盘苗、移栽作物等，实现了制造机械、播种机械、移栽机等各种机械配套使用。到90年代,有关部门加强从育苗到栽植整个系统的研究,使育苗和栽植有机地结合,研制出多种全自动移栽机,如日本90年代初将穴盘苗自动移栽机列为农业机械急需开发的项目,日本农机研究所联合三家农机公司,于1993年至1995年期间开发出了三种型号的全自动移栽机（图1-1～1-3）,可移栽穴盘苗或纸钵苗,主要
2.2.1.1夹紧力计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： 123N F K K K G ≥ 2-1 式中： 1K —安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.2——2.0，取1.5； 2K —工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况 系数2K , 20.02/1 11 1.0029.8 a K g =+=+=，a 为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s ）； 3K —方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定， 手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置； 手指与工件形状：V 型指端夹持圆柱型工件， 30.5sin K f θ = ，f 为摩擦系数，θ为V 型手指半角，此处粗略计算34K ≈,如图2.1 图2.1 G —被抓取工件的重量 求得夹紧力 N F ， 123 1.5 1.002439.8176.75N F K K K Mg N ==????=，取整为177N 。 2.2.1.2驱动力力计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式：
2sin N Fc F b a = 式中： c —滚子至销轴之间的距离； b —爪至销轴之间的距离； a —楔块的倾斜角 可得2sin 177286sin16195.1534 N F b a F N c ???===o ，得出F 为理论计 算值，实际采取的液压缸驱动力' F 要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率η，一般取0.8～0.9，此处取0.88，则： '195.15 221.7620.88 F F N η = = = ，取'500F N = 2.2.1.3液压缸驱动力计算 设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力： 2= 4 F D p π 推 式中 D ——活塞直径 d ——活塞杆直径 p ——驱动压力， ' F F =推,已知液压缸驱动力' F ，且'50010F N KN =< 由于' 10F KN <，故选工作压力P=1MPa 据公式计算可得液压缸内径： 25.231D mm === 根据液压设计手册,见表2.1，圆整后取D=32mm 。 表2.1 液压缸的内径系列（JB826-66）（mm ）
题目: 工业机械手设计 （液压驱动设计） 姓名: 学院: 工学院 专业: 机械设计制造及其自动化 班级: 机自12班 学号: 3041207 指导教师: 丁兰英职称: 讲师 200 5 年6月8 日 南京农业大学教务处制 目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1)
引言 (2) 1.机械手设计要求分析 (3) 1.1 设计目的和要求 (3) 1.2机械手简介与分析 (3) 2. 液压系统设计 (3) 2.1确定工作循环周期 (4) 2.2工况分析 (4) 2.3拟订液压系统工作原理图 (4) 2.4选择标准的液压元件 (5) 2.5 液压缸尺寸的确定及安全强度的校核 (5) 3. 集成块设计 (7) 3.1设计分析 (7) 3.2设计计算 (8) 3.3设计步骤 (10) 3.4液压集成块加工工艺 (12) 4. 液压集成块 CAD技术 (13) 总结 (15) 致谢 (15) 参考文献 (16) 工业机械手液压系统设计 机械设计制造及其自动化专业李刚 指导老师丁兰英 摘要：本文主要介绍了上下料用机械手的设计过程，它包括了对于整个系统的工作要求和情况的分析，通过系统的工作过程确定整个液压系统的结构设计。分析整个循环过程，确定系统工作原理图，根据系统参数要求选择标准的液压元件，完成液压系统的装配图。液压集成块作为现在液压系统的主要部件，当前液压集成块应用开发受到了国内外液压界的广泛重视，液压集成块的CAD的研究与开发已为液压工程设计提供了有力的支持，在对机械手液压系统集成块设计过程中，能够与实际的加工工艺相结合。并且对现在的液压集成块的CAD技术有很好的认识。 关键词：工业机械手，驱动，集成块，原理 Design of The Industry Manipulator
天津机电职业技术学院毕业综合实践报告 专业电气自动化 班级电气自动化三班
目录 1 机械手的基本介绍 (1) 1.1 机械手的基本结构组成 (1) 1.1.1 气动手爪 (1) 1.1.2 伸缩气缸 (1) 1.1.3 回转气缸及垫板 (2) 1.1.4 提升气缸 (2) 1.2 直线运动传动组件 (2) 1.3 气动控制回路 (3) 2 传感器部分 (5) 2.1 传感器简介 (5) 2.2 磁性开关 (5) 2.3 光电传感器和光纤传感器 (5) 3 伺服电机应用 (7) 3.1 伺服系统 (7) 3.2 交流伺服系统的位置控制模式 (8) 3.3 接线 (10) 3.4 伺服驱动器的参数设置与调整 (10) 3.4.1 参数设置方式操作说明 (11) 3.4.2 面板操作说明： (11) 3.4.3 部分参数说明 (11) 3.5 最大速度（MAX_SPEED）和启动/停止速度（SS_SPEED）12 3.6 移动包络 (13) 4 PLC程序编写 (15) 4.1 PLC的选型和I/O接线 (15) 4.2 伺服电机驱动器参数设置 (15) 4.3 编写和调试PLC控制程序 (16) 4.4 初态检查复位子程序和回原点子程序 (19) 4.5 急停处理子程序 (20) 个人收获 (23) 参考文献 (24) 附录 (25) 致谢 (28)
1 机械手的基本介绍 1.1 机械手的基本结构组成 1.1.1 气动手爪 用于在各个工作站物料台上抓取/放下工件。由一个二位五通双向电控阀控制。见图 1-1 图 1-1 气动手爪 1.1.2 伸缩气缸 用于驱动手臂伸出缩回。由一个二位五通单向电控阀控制。见图 1-2 图 1-2 伸缩气缸
目录 摘要 (1) 引言 (1) 1.机械手总体方案设计 (2) 1.1设计要求 (2) 1.2运动形式的选择 (2) 1.3驱动方式的选择 (4) 1.4总体结构设计 (5) 2.机械手手部设计 (6) 2.1结构分析 (6) 2.2计算分析 (6) 3.PLC控制系统设计 (1) 1 3.1机械手移动工件控制系统的控制要求 (1) 1 3.2机械手移动工件控制系统的PLC选型和资源配置 (1) 3 3.3机械手移动工件控制系统的PLC程序 (1)
4 4.动画制作 (1) 8 4.1建立机械手模型 (1) 8 4.2制作机械手的动画 (1) 8 结束语 (2) 6 致谢 (2) 6 参考文献 (2) 6 附录 (2) 7
摘要 机械手设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。本课题通过对设计要求的分析，设计出机械手的总体方案，重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬软件的设计，完成了整个系统工作的动画设计。实现了机械手的基本搬运功能，达到了预期要求，具有一定的应用前景。 关键词：机械手PLC 动画 引言 随着世界经济和技术的发展，人类活动的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随着机器人的产生和大量应用，很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完成。 工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机, 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。 机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序来抓取、搬运工件或夹持工具，
开题报告
目录 摘要............................................................................................................................................................... ４Abstract ......................................................................................................................................................... ６引言............................................................................................................................................................... ７第一章机械手设计要求分析..................................................................................................................... ７ 1.1 设计目的和要求........................................................................................................................... ７ 1.2.机械手简介与分析....................................................................................................................... ７第二章液压系统设计............................................................................................................................... ８ 2.1. 根据工作要求确定一个工作循环周期的运动过程 ................................................................. ８ 2.2 据工作循环过程确定系统工况分析图，确保工作运动中的动作连续性 ................................ ９ 2.3 拟订液压系统的工作原理图........................................................................................................ ９ 2.4 根据整个系统的液压元件需求选择标准的液压元件 ............................................................ １０ 2.5 液压缸尺寸的确定及安全强度的校核 .................................................................................. １０第三章. 集成块的设计............................................................................................................................ １２ 3.1设计分析..................................................................................................................................... １２ 3.2 根据具体的要求进行设计计算............................................................................................... １３ 3.3 下面为集成块的设计步骤........................................................................................................ １５ 3.4 液压集成块的加工工艺.......................................................................................................... １７第四章液压集成块CAD技术............................................................................................................... １８结束语....................................................................................................................................................... ２０致谢........................................................................................................................................................... ２１参考文献................................................................................................................................................... ２２
摘要 本次设计的多功能机械手为液压通用机械手，主要由手爪、手腕、手臂、机身、机座等组成，具备上料、翻转和转位等多种功能，并按自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。本机械手机身采用机座式，自动线围绕机座布置，其坐标形式为圆柱坐标式，具有立柱旋转、手臂伸缩、腕部转动和腕部摆动等4个自由度；驱动方式为液压驱动，利用油缸、齿轮、齿条实现直线运动；利用油缸与齿轮、齿条或链条实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，并能在中间位置停止。本次设计的机械手能对不同物体完成多种动作。 关键词：机械手；圆柱坐标；液压驱动
Abstract The design of multi-manipulator hydraulic manipulator general, mainly by the gripper, wrist, arm, body, base etc., with the material, flip, and a variety of functions such as translocation, in accordance with the unified autom ated production line beat and production program have done so. This machine adopts the base-type mobile phone, automatic wire around the base layout, its coordinates in the form of cylindrical coordinate type, with column rotation, arm stretching, wrist rotation and wrist swing and so four degrees of freedom; drive mode for the hydraulic drive, use fuel tank, gear, rack to achieve linear motion，use of tanks and gear, rack or chain to achieve rotary motion. Hydraulic drive has the advantage of high pressure, small size, contribute to a large, gentle movement and can stop in the middle. The design of the robot can complete a variety of different objects in action. Keywords: mechanical hand; cylindrical coordinate; fluid power drive
摘要 随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，机器人的应用领域逐步从汽车拓展到其它领域。在各种类型的机器人中，模拟人体手臂而构成的关节型机器人，具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点，是应用最为广泛的机器人之一。尤其由柔性关节组成的柔性仿生机器人在服务机器人及康复机器人领域中的应用和需求越来越突出。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词：机器人，示教编程，伺服，制动
ABSTRACT With the development of microelectronic technology, sensor technology, the rapid development of control technology and machinery manufacturing technology level, the application of robots gradually expanded from cars to other fields. In all types of robots, the articulated robot arm simulation human form, has the advantages of compact structure, small occupied space, large moving space, is one of the most widely used robots. Especially flexible biomimetic robot composed of flexible joint in the field of service robot and rehabilitation robot application and demand more and more prominent. In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point. KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake
毕业设计论文题目：气动机械手的设计 设计人： 指导教师： 所属院系： 专业班级： 2014年11月10日
第1章前言 1.1工业机械手概述 工业机器人由操作机(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，自动控制、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、变批量的柔性生产。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高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是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，又有机器可长时间持续工作、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自动化设备.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、搬运或操作的自动机械装置。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自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、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，是附属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，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很
本科毕业设计（论文） 题目：机械手夹持器的设计 ________________________ 英文题目：The design of mec hanical hand gripper 学院：________________________ 专业：________________________ 姓名：________________________ 学号：________________________ 指导教师：________________________ 2015年11月12日
毕业设计（论文）独创性声明 该毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名： 日期：年月日 毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解XX学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，即：学校有权保留送交毕业设计（论文）的复印件，允许被查阅和借阅；学校可以公布全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该毕业设计（论文）。保密的毕业设计（论文）在解密后遵守此规定。 作者签名：导师签名：日期：年月日
摘要 本次的设计来源于机械手夹持器设备更新换代基础之上，通过设计出机械手夹持器，从而来满足当今机械手组成部件之一的机械手夹持器各方面性能不足的缺陷。本毕业设计课题来自于企业的生产实际，通过设计出新型机械手夹持器，从而来掌握机械手夹持器的整个设计生产流程，培养工程意识。 我国生产的机械手夹持器从仿制开始起步，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产配套件质量及设计水平等的影响，我国目前生产的机械手夹持器的总体水平与进口产品及港口用户的要求仍有较大差距，机械手夹持器的生产也是如此，为满足市场需求，开发出一种新型的机械手夹持器势在必行！ 本文运用大学所学的知识，提出了机械手夹持器的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，构建了机械手夹持器总的指导思想，从而得出了该机械手夹持器的优点是高效，经济，并且安全系数高，对提高机械手的工作效率，减少人工投入，增强夹持质量等等起到了很大的作用的结论。 关键词：机械手夹持器机；高效；人工投入；结论
机械手夹持器毕业设计 第二章 夹持器 2.1夹持器设计的基本要求 （1）应具有适当的夹紧力和驱动力； （2）手指应具有一定的开闭围； （3）应保证工件在手指的夹持精度； （4）要求结构紧凑，重量轻，效率高； （5）应考虑通用性和特殊要求。 设计参数及要求 （1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧—放松； （2）所要抓紧的工件直径为80mm 放松时的两抓的最大距离为110-120mm/s ， 1s 抓紧,夹持速度20mm/s ； （3）工件的材质为5kg ，材质为45#钢； （4）夹持器有足够的夹持力； （5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由液压缸提供动力。 2.2夹持器结构设计 2.2.1夹紧装置设计. 2.2.1.1夹紧力计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： 123N F K K K G 2-1 式中： 1K —安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.2——2.0，取1.5；
2 K—工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工作情况 系数 2 K, 2 0.02/1 11 1.002 9.8 a K g =+=+=，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）； 3 K—方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定， 手指与工件位置：手指水平放置工件垂直放置； 手指与工件形状：V型指端夹持圆柱型工件， 3 0.5sin K f θ =，f为摩擦系数，θ为V型手指半角，此处粗略计算 3 4 K≈,如图2.1 图2.1 G—被抓取工件的重量 求得夹紧力N F， 123 1.5 1.002439.8176.75 N F K K K Mg N ==????=，取整为177N。 2.2.1.2驱动力力计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式： 2sin N Fc F b a = 式中： c—滚子至销轴之间的距离； b—爪至销轴之间的距离； a—楔块的倾斜角 可得 2sin177286sin16 195.15 34 N F b a F N c ??? ===，得出F为理论计 算值，实际采取的液压缸驱动力'F要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率η，一
第5章机械手手部的设计计算 5.1 手部设计基本要求 （1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。 （2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）?γ，以便于抓取工件。 （3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 （4）应保证手抓的夹持精度。 5.2 典型的手部结构 （1）回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 （2）移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。 （3）平面平移型。 5.3机械手手抓的设计计算 5.3.1选择手抓的类型及夹紧装置 60，本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γ?=0 夹取重量为0.5Kg。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置, 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。夹紧装置选择常开式夹紧装置。
5.3.2 手抓的力学分析 下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3.1（a ）为常见的滑槽杠杆式手部结构。 (a) (b) 图5.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1——手指 2——销轴 3——杠杆 在杠杆3的作用下，销轴[GB/T882-2000]2向上的拉力为F ，并通过销轴中心O 点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F 1和F 2，其力的方向垂直于滑槽的中心线1oo 和2oo 并指向o 点，交1F 和2F 的延长线于A 及B 。 由x F ∑=0 得 12F F = y F ∑=0 得 12cos F F α = '11F F =- 由1o ∑()F =0 得b F h F N ?=?'1 cos a h α= N F a b F ?=α2cos 2 （3.1）
液压机械手设计毕业设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
一、引言 1.1机械 液压通用机械手，就其本质上来说，属于工业机器人的范畴，机器人学是近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机科学、自动控制以及人工智能等多种学科的最新研究成果，体现了光机电一体化技术的最新成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。 “机械手”（Machanical Hand）：多数指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装臵（国内一般称作机械手或专用机械手）。如自动线、自动机的上下料，加工中心的自动换到的自动化装臵。 1.2机械手特点、结构与研究意义 1.2.1机器人的特点 机器人的主要特点体现在它的通用性和适应性等方面。 1.通用性 机器人的通用性指具有执行不同功能和完成多样简单任务的实际能力；通用性也意味着，机器人是可变的几何结构。或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。 2.适应性 机器人的适应性是指具有对环境的自适应能力，及机器人能够自主执行实现经规划的中间任务，而不管执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。 1.2.2机器人的系统结构 一个机器人系统一般由四个相互作用的部分组成，即机械手、环境、任务和控制器。 工业机器人的本体机械系统即为通常的机械手装臵，他由肩、臂、腕、机身或行走机构组成，组合为一个相互依赖的运动机构。 环境即指机器人所处的周围状态，环境不仅由机和条件决定，而且有环境和它所包含的每个事物的全部自然特性决定。 机器人体系结构中的任务一般定义为环境的两种状态（初始状态和目标状态）间的差别，必须用适当的程序语言来描述，并能为计算机所理解。 机器人控制器一般为控制计算机，接收来自传感器的信号，对其进行数据处理，并按照预存信息，即机器人的状态及环境情况等，生成控制信号来驱动机器人的各个关节运动。
2.2.1.1夹紧力计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： 123N F K K K G ≥ 2-1 式中： 1K —安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.2——2.0，取1.5； 2K —工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况 系数2K , 20.02/1 11 1.0029.8 a K g =+=+=，a 为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s ）； 3K —方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定， 手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置； 手指与工件形状：V 型指端夹持圆柱型工件， 30.5sin K f θ = ，f 为摩擦系数，θ为V 型手指半角，此处粗略计算34K ≈,如图2.1 图2.1 G —被抓取工件的重量
求得夹紧力 N F ， 123 1.5 1.002439.8176.75N F K K K Mg N ==????=，取整为177N 。 2.2.1.2驱动力力计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式： 2sin N Fc F b a = 式中： c —滚子至销轴之间的距离； b —爪至销轴之间的距离； a —楔块的倾斜角 可得2sin 177286sin16195.1534 N F b a F N c ???===o ，得出F 为理论计 算值，实际采取的液压缸驱动力' F 要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率η，一般取0.8～0.9，此处取0.88，则： '195.15 221.7620.88 F F N η = = = ，取'500F N = 2.2.1.3液压缸驱动力计算 设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力： 2= 4 F D p π 推 式中 D ——活塞直径 d ——活塞杆直径 p ——驱动压力， 'F F =推,已知液压缸驱动力' F ，且'50010F N KN =< 由于' 10F KN <，故选工作压力P=1MPa 据公式计算可得液压缸内径： 25.231D mm ===