自動上下料機械手的機械系統(tǒng)設計【液壓驅動】【4自由度】
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題目申報表
院 別
教 研 室
指導教師 職稱
職稱
2011年11月1日
題目名稱
自動上下料機械手
題目類別
√
題目性質
結合實際
√
專業(yè)
參加本題目學生人數(shù)
1人
虛擬題目
題目來源、教師準備情況、主要培養(yǎng)學生哪些能力
1．本題目來源于指導教師的命題。
2．指導教師對此課題有較深的理論基礎及經(jīng)驗，在師生共同努力下定能順利、按期完成該課題設計。
3．本課題主要培養(yǎng)學生對已有知識的運用能力、查找資料和閱讀能力、英譯漢的能力、工程機械的設計、制造能力。
題 目 內 容 及 要 求
題目內容：
本次設計主要設計自動上下料機械手的機械系統(tǒng)。該系統(tǒng)要實現(xiàn)的是4自由度（RPRR R—回轉關節(jié) P—直線運動關節(jié)）關節(jié)型機械手的運動，本設計選用液壓驅動系統(tǒng)。液壓驅動應用廣泛，傳動平穩(wěn)，且易于控制。該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用一般PLC所具有的位移寄存器和位移指令來編程。
要求：
1.寫出1～1.5萬字的論文，繪制總裝圖和重要的零件圖。
論文內容包括:
（1）緒論。
（2）自動上下料機械手的設計方案。
（3）機械手的計算與分析。
（4）液壓系統(tǒng)。
（5）液壓缸的保養(yǎng)與維修。
（6）機械手控制系統(tǒng)
2.將一篇與本課題有關的英文資料，翻譯成中文（約5000字）。
實
踐
環(huán)
節(jié)
安
排
實習
4周
實驗
計算機應用
計算機繪圖4周
中、外文參考資料：
[1]濮良貴《機械設計》 【M】 北京 高等教育出版社，2003.6
[2]張普禮《機械工程手冊》 【M】北京 機械工業(yè)出版社，1992.5
[3]鄧廣敏《工業(yè)機械手手冊》 【M】北京 機械工業(yè)出版社，1995.8
[4]何發(fā)昌，邵遠《多功能機械手的原理及應用》 【M】北京 高等教育出版社，2002.1
[5]吳延本，劉世華《機械設計標準手冊》 【M】吉林 吉林科技出版社，1996.7
[6]劉躍南《機械零件設計問題解析》 【M】北京 中國致公出版社，1999.4
[7]徐福玲《液壓與氣壓傳動》 【M】北京 機械工業(yè)出版社，2004.2
教研室主任
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分 院 院 長
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注：題目類別和題目性質請用符號√填在相應欄內。
登記表
分院
專業(yè)
班級
學生姓名
起止日期
教研室主任
題目名稱（包括主要技術參數(shù)）及要求
1.題目名稱：自動上下料機械手
2.要求:
（1）.抓重25kg.
（2）.工件直徑d
（3）.驅動方式：液壓驅動.
（4）.動作范圍：腕回轉順逆各180度.
腕轉動15度-60度.
臂上仰60度下俯30度.
臂回轉220度.
（5）.設計計算。
（6）.設計校核。
（7）整理說明書。
開題報告（設計方案論證）
應包括以下幾方面的內容：
1、 本課題研究的意義；2、調研（社會調查）情況總結；3、查閱文獻資料情況（列出主要文獻清單）；4、擬采取的研究路線；5、進度安排。
一．本課題研究的意義:
隨著機電一體化技術和計算機技術的應用,機械手的研究和開發(fā)水平獲得了迅猛的發(fā)展并涉及到人類社會生產及生活的各個領域,特別是工業(yè)機械手在生產加工中的應用.機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一種新型技術裝備,它能模仿人體上肢某些動作,在生產中代替人搬運物體或操持工具進行動作,已成為現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分.
二．調研（社會調查）情況總結：
為了更好的完成畢業(yè)論文，我進入了長春一汽天奇裝備有限公司實習。在實習期間我先后被公司派往一汽大眾生產車間，一汽轎車生產車間施工，我看到了機械手的實體結構，并在互聯(lián)網(wǎng)和圖書館查閱了大量有關資料，對機械手的功能、原理及結構有了直觀的了解，對順利完成本畢業(yè)論文起到了至關重要的作用。
三．查閱文獻資料情況（列出主要文獻清單）：
[1]濮良貴《機械設計》 【M】 北京 高等教育出版社，2003.6
[2]張普禮《機械工程手冊》 【M】北京 機械工業(yè)出版社，1992.5
[3]鄧廣敏《工業(yè)機械手手冊》 【M】北京 機械工業(yè)出版社，1995.8
[4]何發(fā)昌，邵遠《多功能機械手的原理及應用》 【M】北京 高等教育出版社，2002.1
[5]吳延本，劉世華《機械設計標準手冊》 【M】吉林 吉林科技出版社，1996.7
[6]劉躍南《機械零件設計問題解析》 【M】北京 中國致公出版社，1999.4
[7]徐福玲《液壓與氣壓傳動》 【M】北京 機械工業(yè)出版社，2004.2
四．擬采取的研究路線：
指導老師下達任務→充分理解本課題要解決的問題→查閱文件和素材（圖書館、上網(wǎng)）→翻譯英文資料（吉林省圖書館，長春市圖書館，達新校區(qū)圖書館，上網(wǎng)）→到長春一汽天奇裝備有限公司實習→撰寫論文（吉林省圖書館，長春市圖書館，達新校區(qū)圖書館，上網(wǎng)）→向老師咨詢→CAD繪圖→向老師咨詢→指導教師審查→修改、完善、定稿→準備答辯。
五．進度安排：
2月 28日— 3月 15日 調研，查閱文件，書籍材料。
3月 16日— 3月 29日 翻譯英文材料。
3月 30日— 4月 26日 確定設計方案，計算，寫課題論文，寫初稿。
4月 27日— 5月 17日 完善論文，定稿。
5月 18日— 6月 7日 繪制設計草圖、打印。
6月 8日— 6月 17日 整理，熟悉文件,準備答辯
指導教師審閱意見：
年 月 日
記事：
2 月 29日 到吉林省圖書館查閱資料
3 月 5日 在一汽大眾實習觀察機械手工作原理
3 月 2日 到老師辦公室，老師給我們答疑
3 月 9日 到老師辦公室，老師給我們答疑
3 月16日 到老師辦公室，老師給我們布置寫畢業(yè)論文期間還要準備些什么（小論文， 開題報告等等）
3月 19日 到吉林省圖書館查閱并翻譯英文材料
3月 23日 到老師辦公室，老師給我們答疑并檢查準備材料的查找工作
3月 27日 到市圖書館查閱資料
3月 30日 向老師匯報確定設計方案，計算
3月31 日 寫課題論文，寫初稿
4月 6日 到老師辦公室，咨詢寫論文時遇到的問題
4月 13日 到老師辦公室，咨詢寫論文時遇到的問題
4月 20日 到老師辦公室，咨詢寫論文時遇到的問題
4月 27日 到老師辦公室，老師檢查論文編寫情況并提出修改意見
4月 28日 開始修改論文
5月 4日 到老師辦公室，老師檢查論文修改情況，再次提出修改意見
5月 11日 到老師辦公室，老師檢查論文修改情況，再次提出修改意見
5月 18日 到老師辦公室，老師檢查論文修改情況，定稿
5月 19日 開始繪制圖紙
5月25 日 到老師辦公室，老師檢查圖紙繪制情況，提出修改意見
5月27 日 草圖打印，到老師辦公室檢查
5月28 日 修改圖紙
6月 1日 到老師辦公室，老師檢查圖紙繪制情況，提出修改意見
6月 8日 到老師辦公室，老師檢查圖紙繪制情況，圖紙定稿
6月 9日 開始整理完善畢業(yè)論文，熟悉論文準備答辯
指導教師審閱意見：
年 月 日
機械手
能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（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)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。
機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。
機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。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物品的主從式操作手也常稱為機械手。
二、課題研究的目的、意義
在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：
一、以提高生產過程中的自動化程度
應用機械手有利于實現(xiàn)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的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。
二、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、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，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的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。
在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產
應用機械手代替人進行工作，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)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產。
綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。
三、國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。
機械手是在機械化，自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械人的研制和生產已成為高技術鄰域內，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用
自動換刀裝置是數(shù)控加工中心在工件的一次裝夾中實現(xiàn)多道工序加工不可缺少的裝置, 主要由刀庫、機械手和驅動裝置幾部分組成。機械手和驅動裝置是兩個關鍵部分, 根據(jù)驅動裝置的不同, 自動換刀裝置可分為凸輪式、液壓式、齒輪式、連桿式及各種機構復合式, 其中以凸輪式用得較多。發(fā)達國家數(shù)控加工中心的立式自動換刀機械手主要采用凸輪式, 我國加工中心技術起步較晚, 對自動換刀機械手研究較少。進入20 世紀90 年代后, 北京機床研究所、大連組合機床研究所、濟南第一機床廠、青海機床廠以及陜西省的秦川機床廠都對立式自動換刀機械手進行了研究和開發(fā)。迄今為止, 我國制造的加工中心配置的自動換刀機械手大多數(shù)是進口的。其主要原因: 一是國內生產的換刀機械手質量較差, 成本也不低; 二是進口換刀機械手價格雖然較高, 但在整個加工中心中所占份額不大。作為加工中心的配套技術, 自動換刀機械手的研究和開發(fā)將直接影響到我國自動化生產水平的提高, 從經(jīng)濟上、技術上考慮都是十分必要的。
立式換刀機械手和臥式換刀機械手已得到廣泛應用20 世紀90 年代以來, 數(shù)控加工技術得到迅速的普及和發(fā)展, 數(shù)控機床在制造業(yè)得到了越來越廣泛的應用。帶有自動換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進制造業(yè)中起著愈來愈重要的作用, 它能縮短產品的制造周期, 提高產品的加工精度, 適合柔性加工。加工中心是數(shù)控機床中較為復雜的加工設備, 由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應用, 其強大的加工能力和效率得益于其配置的自動換刀裝置(A u2tomat ic Too l Changer)。換刀裝置作為加工中心的重要組成部分, 其主要作用在于減少加工過程中的非切削時間, 提高生產率, 降低生產成本, 進而提升機床乃至整個生產線的生產力。加工中心自動換刀裝置是實現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置, 其結構設計及其控制是實現(xiàn)加工中心設計制造的關鍵。加工中心的換刀過程較為復雜, 動作多, 動作間的相互協(xié)調關系多, 因而自動換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低.
Manipulator
Can imitate the arms of the manpower and some action function, according to fixed program to grab, transporting or operating tool for automatic operation of the device. It can replace the hard labor in order to realize people the mechanization of manufacturing and automation, can in harmful environment operation to protect personal safety, and is widely used in mechanical manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy and other departments.
Manipulator by hand and sports organizations main component. The hand is used to catch the workpiece (or tools) components, according to be grasped by the object's shape, size, weight, materials and operational requirements and have a variety of structure forms, such as the gripping type, the type and adsorption type ", etc. Movement mechanism, make hand finish all kinds of rotation (swing), mobile or complex movement to achieve the specified action, change the position of the object were caught and position. The rise and fall of sports organizations, adjustable, and rotated independence movement way, called manipulator of freedom. In order to grab any space position and orientation of the object, need to have six degrees of freedom. Freedom is a machine designed off hand gave the key parameters. The more free degrees, the greater the flexibility of the manipulator, the more general broad, its structure is also more complicated. General robots for 2-3 degrees of freedom.
The type of manipulator, according to drive mode can be divided into hydraulic, pneumatic, electric and mechanical manipulator; According to applicable range can be divided into robots for and general manipulator two; According to the trajectory control mode can be divided into position control and continuous track control robots.
Robots are used for machine tools or other machines additional device, such as in the automatic machine or automatic production line loading and unloading and transfer on the processing center in replaced in the tools, generally no independent control device. Some operations to direct manipulation by device, as for atomic energy department conducted dangerous goods masterslave gunner is often called the manipulator.
Second, subject research of the aim, significance
In the machinery industry, the application of the significance of the manipulator can be summarized as follows:
A, in order to improve the production process of automation
Application materials sent the manipulator to achieve the loading and unloading, and the replacement of the machine tool and the degree of automation in the assembly, etc, which can improve labor productivity and reduce the production cost.
Second, to improve working conditions, and avoid personal accident
In high temperature, high pressure, low temperature, low pressure, dust, noise and smell, or radioactive or have other toxic pollution and work the occasion of narrow space, the employing hand direct operation is dangerous or impossible, and the use of robots can part or all of the safety of the people instead of complete the work, make labor conditions to improve.
In some simple, repetitive, especially a heavy operations, to work instead of human manipulator, can avoid the operation fatigue or negligence personal accident.
Three, can reduce the manpower, and to facilitate the rhythmic production
Application manipulator to people instead of work, it is the direct reduce human side of, at the same time as the continuous application manipulator can be used to work, it is to reduce human another side. Therefore, in the automation of the machine processing on automatic line, now almost no manipulator, to reduce human and more accurate control of the production of the beat, facilitate rhythmic work on production.
To sum up, the effective application of the manipulator, mechanical industry development is an inevitable trend.
Three, the situation at home and abroad and its development trend
Industrial manipulator is nearly decades developed a kind of high-tech automation production equipment. Industry of industrial robot manipulator is an important branch of. Its characteristic is can programmed to perform a variety of expected task, structure and performance in both man and machine of their respective advantages, especially reflected the intelligence of person and adaptability. Manipulator and the accuracy of all kinds of environment homework in finish the homework ability, in all areas of the national economy has broad prospects for development.
Manipulator is in mechanization, automatic production process developed a kind of new type of device. In the modern production process, the manipulator is widely used to automatic production line, robots, developing and producing high technology has become a neighbourhood, quickly hair house up a new technology, it is more to promote the development of the manipulator, making the manipulator to better achieve and mechanization and automation organic union. Although at present the manipulator hand than as flexible, but it has to repeat work and labor, don't know fatigue, is not afraid of the danger, snatch the power of weight than people hand power the characteristics of large, therefore, manipulator has been many departments of attention and was to get more and more extensive application
Automatically change the knife device is the nc processing center in the a fixture in the realization process processing indispensable device, and the main tool store, and driving system manipulator a few parts. Manipulator and driving system is two key parts, according to drive the different, automatically change the tool device can be divided into CAM type, hydraulic, gear type, connecting rod type and various institutions compound, among them with the CAM type use morer. The developed countries of the nc machining center vertical automatically change the knife manipulator mainly USES the CAM type, processing center technology in China started late, to automatically change the knife less manipulator. In the 1990 s, Beijing institute of machine tools, dalian modular machine tool research, jinan first machine tool plant in qinghai province of shaanxi province, machine tool plant and shaanxi to vertical automatic machine tool plant in the knife manipulator research and development. So far, China's manufacturing processing center of the configuration of the automatically change the knife manipulator is most of the imports. The main reasons: one is the change of knife manipulator domestic production of poor quality, costs are not low; 2 it is import price change cutters manipulator although higher, but in the whole processing center slice of is not big. As a processing center supporting technology, automatically change the tools of the manipulator of research and development in our country will directly influence the automatic production level increased, from economic and technology on consideration is very necessary.
Vertical and horizontal change cutters manipulator change cutters manipulator has been widely used since the 1990 s, nc machining technology of rapid popularization and development, nc machine tools in manufacturing have been applied more and more. With a knife the system automatically change the nc processing center in the modern advanced manufacturing industry plays a more and more important role, it can shorten the production cycle, improve product processing precision, suitable for flexible processing. Processing center is in the numerical control machine is relatively complex processing equipment, since it has many kinds of processing ability.
4
編號
設計
液壓上下料機械手
Hydraulic Up-down Material Manipulator
學 生 姓 名
專 業(yè)
學 號
指 導 教 師
分 院
2012年6月
摘 要
本次設計主要設計自動上下料機械手的機械系統(tǒng)。該系統(tǒng)要實現(xiàn)的是4自由度（RPRR R—回轉關節(jié) P—直線運動關節(jié)）關節(jié)型機械手的運動，本設計選用液壓驅動系統(tǒng)。液壓驅動應用廣泛，傳動平穩(wěn)，且易于控制。該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用一般PLC所具有的位移寄存器和位移指令來編程。
關鍵詞：機械手 4自由度 關節(jié)型 液壓驅動 控制系統(tǒng)
Abstract
This paper designs automatic loading and unloading manipulator's mechanical system. This system may realize 4 degreesof freedom (RPRR R rotation joint P translation joint) the joint manipulator movement.This design selects the hydraulic driving system. Thehydraulic driving application is widespread.The transmission is steady.Also control is easy . Control systemof this system uses the displacement register and the shift order which general PLC hasprograms.The control system of this system can program by using the displacement register and displacement instruction of PLC.
Keywords: Manipulator 4 degrees of freedom Joint Hydraulic Driving system Control system
目 錄
摘要…………………………………………………………………………………… Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………… Ⅱ
第1章 緒論 …………………………………………………………………………1
1.1 工業(yè)機械手的概況……………………………………………………………1
1.2 工業(yè)機械手的分類……………………………………………………………3
1.3 工業(yè)機械手在生產中的應用…………………………………………………4
1.4 本章小結………………………………………………………………………4
第2章 自動上下料機械手的設計方案…………………………………………5
2.1 工業(yè)機械手的組成……………………………………………………………5
2.2 工業(yè)機械手的規(guī)格參數(shù) …………………………………………………… 5
2.3 設計路線與方案………………………………………………………………6
2.3.1 設計步驟………………………………………………………………6
2.3.2 研究方法和措施………………………………………………………6
2.4 本章小結………………………………………………………………………6
第3章 機械手的計算與分析 ……………………………………………………6
3.1 手部計算與分析………………………………………………………………7
3.1.1 滑槽杠桿式手部設計的基本要求……………………………………7
3.1.2 手部的計算和分析……………………………………………………7
3.2 腕部的計算和分析 …………………………………………………………13
3.2.1 腕部設計的基本要求 ………………………………………………13
3.2.2 腕部回轉力矩的計算 ………………………………………………14
3.2.3 腕部擺動油缸的設計 ………………………………………………16
3.2.4 選鍵并校核強度 ……………………………………………………18
3.3 臂部的計算和分析 …………………………………………………………18
3.3.1 臂部設計的基本要求………………………………………………18
3.3.2 手臂的設計計算……………………………………………………20
3.4 機身的計算和分析…………………………………………………………28
3.5 本章小結……………………………………………………………………28
第4章 液壓系統(tǒng)……………………………………………………………………28
4.1 液壓缸………………………………………………………………………28
4.2 計算和選擇液壓元件………………………………………………………30
4.2.1 液壓泵的選取要求及其具體選取…………………………………30
4.2.2 選擇液壓控制閥的原則……………………………………………32
4.2.3 選擇液壓輔助元件的要求…………………………………………32
4.2.4 具體選擇液壓元件…………………………………………………33
4.3 本章小結…………………………………………………………………………34
第5章 液壓缸的保養(yǎng)與維修……………………………………………………34
5.1 液壓元件的安裝……………………………………………………………34
5.2 液壓系統(tǒng)的一般使用與維護………………………………………………35
5.3 一般技術安全事項…………………………………………………………35
第6章 機械手控制系統(tǒng)…………………………………………………………35
結論……………………………………………………………………………………37
參考文獻………………………………………………………………………………38
致謝……………………………………………………………………………………39
39
第1章 緒 論
1.1 工業(yè)機械手概況
工業(yè)機械手是人類創(chuàng)造的一種機器,更是人類創(chuàng)造的一項偉大奇跡,其研究、開發(fā)和設計是從二十世紀中葉開始的.我國的工業(yè)機械手是從80年代"七五"科技攻關開始起步,在國家的支持下,通過"七五","八五"科技攻關,目前已經(jīng)基本掌握了機械手操作機的設計制造技術,控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術,運動學和軌跡規(guī)劃技術,生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆，孤焊，點焊，裝配，搬運等機器人，其中有130多臺噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線（站）上獲得規(guī)模應用，孤焊機器人已經(jīng)應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定距離。如：可靠性低于國外產品，機械手應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距。影響我國機械手發(fā)展的關鍵平臺因素就是其軟件，硬件和機械結構。目前工業(yè)機械手仍大量應用在制造業(yè)，其中汽車工業(yè)占第一位（占28.9%），電器制造業(yè)第二位（占16.4%），化工第三位（占11.7%）。發(fā)達國家汽車行業(yè)機械手應用占總保有量百分比為23.4%～53%，年產每萬輛汽車所擁有的機械手數(shù)為（包括整車和零部件）：日本88.0臺，德國64.0臺，法國32.2臺，英國26.9臺，美國33.8臺，意大利48.0臺。
世界工業(yè)機械手的數(shù)目雖然每年在遞增，但市場是波浪式向前發(fā)展的。在新世紀的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險的勞動環(huán)境都需要用機器人代替人工。隨著機器人應用的深化和滲透，工業(yè)機械手在汽車行業(yè)中還在不斷開辟著新用途。機械手的發(fā)展也已經(jīng)由最初的液壓，氣壓控制開始向人工智能化轉變，并且隨著電子技術的發(fā)展和科技的不斷進步，這項技術將日益完善。
上料機械手與卸料機械手相比，其中上料機械手中的移動式搬運上料機械手適用于各種棒料，工件的自動搬運及上下料工作。例如鋁型材擠壓成型鋁棒料的搬運及高溫材料的自動上料作業(yè)，最大抓取棒料直徑達180mm，最大抓握重量可達30公斤，最大行走距離為1200mm。根據(jù)作業(yè)要求及載荷情況，機械手各關節(jié)運動速度可調。移動式搬運上料機械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回轉機構，小車行走機構，液壓泵站電器控制系統(tǒng)組成，同時具有高溫棒料啟動疏料裝置及用于安全防護用的光電保護系統(tǒng)。整個機械手及液壓系統(tǒng)均集中設置在行走小車上，結構緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用OMRON可編程控制器，各種作業(yè)的實現(xiàn)可以通過編程實現(xiàn)。
國內外實際使用的多是定位控制的機械手，沒有“視覺”和“觸覺”反饋。目前，世界各國正積極研制帶有“視覺”和“觸覺”的工業(yè)機械手，使它能夠對所抓取的工件進行分辨，能選取所需要的工件，并正確的夾持工件，進而精確地在機器上定位、定向。
為使機械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零部件，它由視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息，通過計算機進行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工件。
為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件滑落下來，一般采用兩種方法：一是檢測把握物體手臂的變形，以決定適當?shù)奈樟?；另一種是直接檢測指部與物件的滑動位移，來修正握力。
因此，這種機械手就具有以下幾個方面的性能：
(1）能準確地抓住方位變化的物體；
(2）能判斷對象的重量；
(3)能自動避開障礙物；
(4)抓空或抓力不足時能檢測出來。
這種具有感知能力并對感知的信息做出反映的工業(yè)機械手稱之為“智能機械手”，它是有發(fā)展前途的。
現(xiàn)在，工業(yè)機械手的使用范圍只限于在簡單重復的操作方面節(jié)省人力，其效用是代替從事繁重的工作，危險的工作，單調重復的工作，惡劣環(huán)境下的工作方面尤其明顯。至于像汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的工業(yè)部分，機械手的應用情況決不能說是好的。雖然這些工業(yè)部門工時不足的問題尖銳，但采用機械手只限于一小部分工序，其原因是，工業(yè)機械手的性能還不能滿足這些部門的要求，適于機械手工作的范圍很狹小，這是主要原因。經(jīng)濟性問題當然也很重要，采用機械手來節(jié)約人力從經(jīng)濟上看，不一定總是合算的。然而，利用機械手或類似機械設備節(jié)省人力和實現(xiàn)生產合理化的要求，今后還會持續(xù)增長，只要技術方面和價格方面存在的問題得到解決，機械手的應用必將會飛躍發(fā)展。
上料機械手和卸料機械手相對，其中上料機械手中的移動式搬運上料機械手適用于各種棒料，工件的自動搬運及上下料工作。例如鋁型材擠壓成型機鋁棒料的搬運及高溫棒料的自動上料作業(yè)，最大抓取棒料直徑可達180mm，最大抓握重量可達30公斤，最大行走距離為1200mm。根據(jù)作用要求和載荷情況，機械手各關節(jié)運動速度可調。移動式搬運上料機械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回轉機構，小車行走機構，液壓泵站電器控制系統(tǒng)組成，同時具有高溫棒料啟動疏料裝置及用于安全防護用的光電保護系統(tǒng)。整個機械手及液壓系統(tǒng)均集中設置在行走小車上，結構緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用OMRON可編程控制器，各種作業(yè)的實現(xiàn)可以通過編程實現(xiàn)。
隨著機電一體化技術和計算機技術的應用，其研究和開發(fā)水平獲得了迅猛的發(fā)展并涉及到人類社會生產及生活的各個領域，特別是工業(yè)機械手在生產加工中的廣
泛應用。轎車半軸加工上料機械手設計在綜合多種機械手的設計原理和設計思想，根據(jù)轎車半軸加工的特點提出的，有一定的理論基礎，設計水平和應用價值。
1.2 工業(yè)機械手的分類
現(xiàn)在對工業(yè)機械手的分類尚無明確標準，一般都從規(guī)格和性能兩方面來分類。按規(guī)格（所搬運工件的重量）分類：
1.微型的—搬運重量在1公斤以下：
2.小型的—搬運重量在10公斤以下：
3.中型的—搬運重量在50公斤以下：
4.大型的—搬運重量在50公斤以上。
目前大多數(shù)工業(yè)機械手能搬運的重量為1～30公斤。最小的為0.5公斤，最大的已達到800公斤。
按功能分類：
1． 簡易型工業(yè)機械手
有固定程序和可變程序兩種。固定程序有凸輪轉鼓和擋塊轉鼓控制：可變程序可插銷板或順序轉動控制來給定程序。
這種機械手多為氣動或液動，結構簡單，改變程序比較容易。只使用在程序較簡單的點位控制，但作為一般單機服務的搬運作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機械手數(shù)量最多。
2． 記憶再現(xiàn)型工業(yè)機械手
這種工業(yè)機械手由人工通過實驗裝置傳動一遍，由磁帶（或磁鼓）把程序記錄下來，此機械手就自動按記憶的程序重復進行循環(huán)動作。
這也是采用較多的一種，多為電液伺服驅動。與前者比較有較多的自由度，能進行程序較復雜的作業(yè)，通用性較廣。
3． 計算機數(shù)字控制的工業(yè)機械手
可通過更換穿孔帶或其他記憶介質來改變工業(yè)機械手的動作，還可以進行多種控制（DNC）。技術還可以是可編程序控制或普通的微機計算機。
4． 智能工業(yè)機械手（機器人）
由電子計算機控制，通過各種傳感元件等具有視覺、熱感、觸覺、行走機構等。
按用途分：
1． 專用機械手
附屬于主機的，具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置，這種工業(yè)機械工作對象不變，手動比較簡單，結構簡單，使用可靠，施用于大批量生產自動線或專機作為自動上、下料用。
2． 通用機械手
具有獨立控制系統(tǒng)，程序可變、動作靈敏、動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強，使用于工件經(jīng)常變換的中、小批量自動化生產。
1.3 工業(yè)機械手在工業(yè)生產中的應用
工業(yè)機械手在生產中的應用非常廣泛，還可以歸納為以下的一些方面：
1. 建造旋轉零件體自動線方面
建造旋轉零件體（軸類、盤類、環(huán)類零件）自動線，一般都采用機械手在機床之間傳送工件。
2. 在實現(xiàn)單機自動化方面
(1)各類半自動車床，有自行夾緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料，裝上機械手，可實現(xiàn)全自動化生產。
(2)注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手自動取料，可實現(xiàn)全自動生產。
(3)沖床有自動上下沖壓循環(huán)，機械手上下料可實現(xiàn)沖壓上產自動化。
3. 鑄、鍛、焊、熱處理等方面
總的來說，由于工業(yè)機械手的特點滿足了社會生產的需要，進而帶來了經(jīng)濟效益。其特點：
(1)對環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險，有害的操作，在長時間對人體有害的場所，機械手不受影響。
(2)機械手能持久、耐勞、可以把人從單調的繁重的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。
(3)動作準確，可保證穩(wěn)定和提高產品的質量，同時可避免人為操作的錯誤。
(4)通用性靈活性好，特別是通用機械手，能適應產品品種迅速變化的要求，滿足柔性生產的需要。
(5)采用機械手能明顯的提高勞動生產率和降低成本。
1.4 本章小結
本章介紹了工業(yè)機械手的概括，工業(yè)機械手的分類、應用。工業(yè)機械手在國民生產中有廣泛的應用，許多機械設備都用到工業(yè)機械手，它是近代自動控制領域內出現(xiàn)的一種新型的技術裝備。我設計的工業(yè)機械手設備簡單，動作靈活，經(jīng)濟實用，穩(wěn)定性好，適于使用。
第2章 工業(yè)機械手的設計方案
2.1 工業(yè)機械手的組成
工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構，驅動機構和控制部分所組成，各部分關系如下框圖：
圖2.1 工業(yè)機械手各部分關系圖
執(zhí)行機構：
執(zhí)行機構包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走機構等運動部件所組成。
1.手部：直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平移型。傳動機構形式多樣，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、彈簧式等。
2.腕部：是聯(lián)接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物體的方位。
3.臂部：手臂是支撐被抓物體，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到給定位置。
該設計的手臂有三個自由度，采用關節(jié)式坐標（繞橫軸旋轉，上下擺動和左右擺動）關節(jié)坐標式具有較大的工作空間和操作靈活性，機械臂的結構性容易進行優(yōu)化，便于提高機械手的動態(tài)操作性能。
4.行走機構：有的工業(yè)機械手帶有行走機構。
驅動機構：有氣動，液動，電動和機械式四種形式。
控制系統(tǒng)：有點位控制和連續(xù)控制兩種方式。
機身：它是整個工業(yè)機械手的基礎。
2.2 規(guī)格參數(shù)
工業(yè)機械手的規(guī)格參數(shù)是說明機械手規(guī)格和性能的具體指標，一般包括以下幾個方面：
1.抓重（又稱臂力）：額定抓取重量或稱額定負荷，單位為公斤；
2.自由度數(shù)目和坐標形式：整機，手臂和手腕等運動共有幾個自由度，并說明坐標形式；
3.定位方式：固定機械擋塊，可調機械擋塊，行程開關，電位器及其他各種位置設定和檢測裝置；
4.驅動方式：氣動，液動，電動和機械式四種形式；
5.手臂運動參數(shù)；
6.手腕運動參數(shù)；
7.手指夾持范圍和握力；
8.定位精度：位置設定精度和重復定位精度；
9.輪廓尺寸：長×寬×高（毫米）；
10.重量：整機重量。
2.3 設計路線與方案
2.3.1 設計步驟
1.查閱相關資料；
2.確定研究技術路線與方案構思；
3.結構和運動學分析；
4.根據(jù)所給技術參數(shù)進行計算；
5.按所給規(guī)格，范圍，性能進行分析，強度和運動學校核；
6.繪制工作裝配圖草圖；
7.繪制總圖及零件圖等；
8.總結問題進行分析和解決。
2.3.2 研究方法和措施
使用現(xiàn)在機械設計方法和液壓傳動技術進行設計，采用關節(jié)式坐標（四個自由度，可以繞橫，縱軸轉動和上下左右擺動）。
2.4 本章小結
本章介紹了工業(yè)機械手的組成、規(guī)格參數(shù)、設計路線等內容，這種設計的機械手組成全面，配置合理，能達到一定的使用要求。
第3章 機械手各部分的計算與分析
3.1 手部計算與分析
手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類最常見的主要有夾鉗式，本設計主要考慮夾鉗式手部設計。
夾鉗式手部是由手指，傳動機構和驅動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸，盤，套類零件，一般情況下多采用兩個手指。
3.1.1 滑槽杠桿式手部設計的基本要求
(1)應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力。
(2)手指應具有一定的開閉范圍。
(3)應保證工件在手指內的夾持精度。
(4)要求結構緊湊，重量輕，效率高。
(5)應考慮通用性和特殊要求。
3.1.2 手部的計算和分析
（1）手部受力分析
圖3.1 手部受力圖(1)
圖3.2手部受力圖(2)
（2）手指尺寸初步設定
由拉桿的力平衡條件：
得
由得
又由工件的平均半徑
mm
初取V型手指的夾角2
mm，，，，滑桿總長h=170
(3)夾緊力計算
又由于工件的直徑不影響其軸心的位置即定位誤差為零，手指水平位置夾取水平位置放置的工件。
由工業(yè)機械手設計基礎表2－1查得
N＝0.5G=0.5×25=12.5kg
又因為
（3.1）
當取最小值時，則增力比較大，手指走到最小行程時則有
則
又因為2amin=19.88kg
取安全系數(shù)，工作情況系數(shù)
傳動機構的機械效率
(3.2)
手指夾緊時：夾緊缸活塞移動范圍L＝130mm，其動作時間t=1.5s（由機械手的動作節(jié)拍時間得之），所以夾緊活塞移動得平均速度v為：
運動部件得總重估算G＝10kg
夾緊力N與驅動力P的關系：
由于結構左右對稱，在驅動力P的作用下，每一滑槽杠桿受力相等
圖3.3夾緊力與驅動力的關系圖
在不計摩擦力的情況下
，為夾緊狀態(tài)得傾斜角＝50夾緊工件半徑為50mm為例
＝38.9kg (3.3)
根據(jù)各力對回轉支點的力矩平衡條件，同樣在不計摩擦力的情況下
，c為杠桿動力臂，即驅動銷對滑槽杠桿作用力對支點的
垂直距離。
又因為a=50mm
C=
則 Nb=
當夾緊半徑為25mm的工件時，＝
則Nb=
(4)動作特性和傳動特點
定位到最大行程時，
則取
又因為，
滑槽杠桿手指最大開閉角為
滑槽傾斜角的變化范圍可以為
可見機構傳動比將在下列范圍內變化
，
所以開始所初步取的a，b與均符合要求。
（5）確定夾緊油缸外徑D
驅動桿行程與手指開閉范圍關系
?。謩e為手指夾緊工件范圍值時，滑槽相對于兩支點連接的傾斜角。
機構效率
考慮到機構效率，傳力比N/P的公式應力
＝0.9
又因為G=250N,夾緊力F=500N,
-工作負載即為重物重力＝250N。
－導軌摩擦阻力負載，對于平導軌
－垂直于導軌的工作負載，＝0。
f-導軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2，動摩擦系數(shù)為0.1。
，
，一般?。?.010.5s，時間內速度變化量
啟動：
穩(wěn)態(tài)：
工作壓力P的確定，工作壓力根據(jù)負載大小及機器的類型來初步確定。參閱機械設計手冊表37.5按載荷選擇工作壓力為1。
計算液壓缸內徑D和活塞桿直徑d，由負載可知最大負載F為275N。
根據(jù)液壓系統(tǒng)設計手冊表2－2可取為0.5，為0.95，d/D為0.7。
又因為
(3.4)
根據(jù)液壓系統(tǒng)設計手冊表2－4，將液壓缸內徑圓整為標準系列直徑D=25mm,活塞桿直徑按d/D＝0.7及表2－5活塞直徑系列取d=18mm。
按工作要求夾緊力為一個夾緊缸提供，考慮到夾緊力的穩(wěn)定性。夾緊缸的工作壓力應大于復位彈簧的彈力。
又因為進油缸在有桿腔，則其有效工作面積
(3.5)
液壓缸壁厚和外徑計算
，為最大工作壓力的1.5倍，＝1.5。
高強度鑄鐵，＝60
液壓缸工作行程的確定，并參照表2－6中的系列尺寸選取標準值S=100mm。
缸蓋厚度的確定
一般液壓缸為平底缸蓋，其有效厚度t按強度要求計算。
(3.6)
現(xiàn)取t=20mm。
活塞的寬度B一般取B=()D=0.6D=15mm。
夾緊缸彈簧的確定。
彈簧工作載荷F=50N
最大軸直徑
最小筒直徑
彈簧剛度
查機械設計手冊表30.2－8圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)得
材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mm,節(jié)距P=10.4mm .
單圈彈簧工作極限載荷下變形量為7.075mm，單圈彈簧剛度。
(3.7)
曲度系數(shù)＝1.14，G－彈簧材料的剪切彈性模量，鋼材G=
Z=110mm,則活塞缸總長L=120mm。
3.2 腕部計算與分析
3.2.1 腕部設計的基本要求
手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，適應性更強。手腕具有獨立的自由度，此設計手腕有繞X軸轉動和沿X軸左右擺動兩個自由度。手腕回轉運動機構為回轉油缸，擺動也采用回轉油缸。他的結構緊湊，靈活，自由度符合設計要求，它要求嚴格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉矩。
1.腕部處于臂部的前端，它連同手部的動靜載荷均由臂部承受。腕部的結構、重量和動力載荷直接影響著臂部的結構、重量和運動性能。因此在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。
2.腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔聯(lián)接和支承作用，除了保證力和運動的要求以及具有足夠的強度和剛度外還應綜合考慮合理布局腕部和手部的連接、腕部自由度的檢測和位置檢測、管線布置以及潤滑、維修調整等問題。
3.腕部設計應充分估計環(huán)境對腕部的不良影響（如熱膨脹，壓力油的粘度和燃點，有關材料及電控電測元件的耐熱性等問題）。
3.2.2 腕部回轉力矩的計算
腕部回轉時，需要克服以下幾種阻力：
1.腕部回轉支承處的摩擦力矩
從圖3.4可知：＝××-軸承直徑（m）
式中：－軸承處支反力；可靜力學平衡方程求得。
f-軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承f=
為簡化計算取
圖3.4 腕部回轉支承處的受力圖
-工件重量（kgf），-手部重量（kgf），－手腕轉動件重量（kgf）
2.克服由于重心偏置所引起的力矩
＝（kgf）
式中e－工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離（m）
3.克服啟動慣性，所需的力矩
啟動過程近似等加速運動，根據(jù)手腕回轉的角加速度及啟動所用的角速度：
＝ (3.8)
式中：－工件對手腕回轉軸線的轉動慣量
J－手腕回轉部分對手腕回轉軸線的轉動慣量
－手腕回轉過程的角加速
－啟動過程所轉過的角度（度）
手腕回轉所需要的驅動力矩應當?shù)扔谏鲜鋈椫汀?
(3.9)
因為手腕回轉部分的轉動慣量不是很大，手腕起動過程所產生的轉動力矩也不大，為了簡化計算，可以將計算，適當放大，而省略掉，這時
(1)設手指，手指驅動油缸及回轉油缸轉動件為一個等效圓柱體，L=50cm，直徑D=10cm，則m=27.5kg。
(2)摩擦阻力矩＝0.1
(3)設起動過程所轉過的角度＝,等速轉動角速度
計算：求＝
查型鋼表有：
代入＝256（N·m）
＝0;＝0.1;＝0.1+265
M=
確定轉軸的最小尺寸
，－抗扭剖面模量
，查得
，，取轉軸直徑d=40mm。
4.回轉油缸所產生的驅動力矩計算
回轉油缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力矩，機械手的手腕回轉運動
所采用的單葉片回轉油缸，定片1與缸體2固連，動片3與轉軸5固連，當a,b口分別進出油時，動片帶動轉軸回轉達到手腕回轉目的。
M= (3.10)
式中：—手腕回轉總的阻力矩（N·m）
P—回轉油缸的工作壓力
r—缸體內徑半徑（cm）
R—輸出軸半徑（cm）
b—動片寬度
注：可按外形要求或安裝空間大小，先設定b,R,r中兩個：
=1.5—2.5,,取=2，=3
又因為d=40mm，則D=80mm，b=60mm
去頂回轉油缸工作壓力：
(3.11)
由于系統(tǒng)工作壓力遠遠大于此壓力，因此回轉油缸的工作壓力足以克服摩擦力。
3.2.3 腕部擺動油缸設計
偏離重心e的計算及
3.5 腕部擺動油缸設計尺寸圖
估計L=45cm，，
=30cm
克服重心偏置所需的力矩
克服摩擦所需力矩
=0.1cm
克服運動慣性所需的力矩
=0.7654(kg-m-)
==25=5.1(kg-m-)
=5.8654(kg-m-)
=JW/t
設w=,
=0.0175/=12.83(kgf·m)
則擺動所需的驅動力矩
=32.14(kgf·m)
確定轉軸的最小直徑
抗拒剖面摸量
所需驅動力矩
(3.12)
取d=50mm
所以機械手的擺動采用單葉片回轉油缸，定片與缸體固連，動片與轉軸固連，當兩油口分別進出油時，動片帶動轉軸轉動達到腕部擺動目的。
(3.13)
又因為：=1.5—2.5,，取=2，=3
所以：d=50mm，所以D=100mm，b=75mm
確定回轉油缸工作壓力
(3.14)
由于系統(tǒng)工作壓力遠遠大于此壓力，因此該缸的工作壓力足以克服摩擦力。
3.2.4 選鍵并校核強度
轉軸直徑d=40mm,由GB1095-79選鍵為bh=128
轉軸直徑d=50mm,由GB1095-79選鍵為bh=2010
鍵校核如下公式
=2T/kld[]，K——接觸面的高度
取接方式：靜連接，輕微沖擊，查得=100
所以滿足要求
3.3 臂部計算與分析
3.3.1 臂部設計的基本要求
手臂部件是機械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并帶動它們作空間轉動。
臂部運動的目的：把手部送到空間范圍內的任意一點。因此，臂部具有兩個自由度才能滿足基本要求：即手臂，左右回轉和俯仰運動。手臂的各種運動由油缸驅動和各種傳動機構來實現(xiàn)，從背部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的靜動載荷，而且自身運動又較多，故受力復雜。因而，它的結構，工作范圍，靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機械手的工作性能。
機身是固定的，它直接承受和傳動手臂的部件，實現(xiàn)臂部的回轉等運動。臂部要實現(xiàn)所要求的運動，需滿足下列各項基本要求：
1.機械手臂式機身的承載
機械手臂式機身的承載能力，取決于其剛度，結構上采用水平懸伸梁形式。顯然，伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷變化，對于機械手的運動性能，位置精度和負荷能力等影響很大。為可提高剛度，盡量縮短臂桿的懸伸長度，還應注意：
(1)根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸
臂部和機身既受彎曲（而且不僅是一個方向的彎曲）也受扭轉，應選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。所以機械手常用工字鋼或槽鋼作為支撐板，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內部還可以布置驅動裝置，傳動機構以及管道，有利于結構的緊湊，外形整齊。
(2)高支承剛度和選擇支承間的距離
臂部和機身的變形量不僅與本身剛度有關，而且同支撐的剛度和支撐件間距離有很大關系，要提高剛度，除從支座的結構形狀，底板的剛度以及支座與底版的連接剛度等方面考慮外，特別注意提高配合面間的接觸剛度。
(3)合理布置作用力的位置和方向
在結構設計時，應結合具體受力情況，設法使各作用力的變形相互抵消。
(1)設計臂部時，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，確定調整補償環(huán)節(jié)，以及減少重要不見的間隙，從而提高剛度。
(2)水平放置的手臂，要增加導向桿的剛度，同時提高其配合精度和相對位置精度，使導向桿承受部分或者大部分自重。
(3)提高活塞和剛體內徑配合精度，以提高手臂俯仰的剛度。
2.臂部運動速度要高，慣性要小
機械手臂的運動速度是機械手主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產水平，一般時根據(jù)生產節(jié)拍的要求來決定。在一般情況，手臂回轉俯仰均要求均速運動，（V和w為常數(shù)），但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前的加速度不能太大，否則引起沖擊和振動。
對于告訴運動的機械手，其最大移動速度設計在1000～1500mm/s，最大回轉角速度設計在內，在大部分行程距離上平均移動速度為1000mm/s內，平均回轉角速度為內。
為減少轉動慣量的措施：
(1)減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質高強度材料。
(2)減少手臂運動件的尺寸輪廓。
(3)減少回轉半徑，在安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸），
盡可能在前伸位置下進行回轉動作，并且驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。
3.手臂動作應靈活
為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動摩擦代替滑動摩擦。
對于懸臂式的機械手，其傳動件，導向件和定位件布置應合理，使手臂運動過程盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生“卡死”的現(xiàn)象（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。
(1)計算零件重量，可分解為規(guī)則的體形進行計算。
(2)計算零件重心位置，求出重心至回轉軸線的距離。
(3)求重心位置并計算偏重力臂
(3.15)
(3.16)
(4)計算偏重力矩
(3.17)
4.位置精度要高
一般說來，直角和圓柱坐標式機械手位置精度教高；關節(jié)式機械手的位置最難控制，精度差；在手冊上加設定位裝置和自檢測機構，能較好的控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動，嚙合件的間隙。
除此之外，要求機械手同用性要好，能適合做種作業(yè)的要求；工藝性要好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手，還要設置防塵裝置等。
3.3.2 手臂的設計計算
通常先進行粗略的估算，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關機構的主要尺寸，在進行校核計算，修正設計。
為了便于進行液壓機械手的設計計算，分別俯仰缸回轉油缸的設計敘述如下：
1.小臂設計
設小臂L=40cm,D=60cm
則m=
則手臂總重，L=100mm
=0.79kg
俯仰缸的設計計算
圖3.6缸的設計尺寸圖
設，，
當手臂處在仰角為的位置時，驅動力P通過連桿機構產生的驅動力矩為
因為，
又因為
=，=，
而P=
P—油缸的工作壓力（）
D—油缸內徑（cm）
—活塞缸與缸徑，活塞桿與端差的密封裝置處的摩擦阻力（kg）
—通油箱，=0
10590.3kg取=10600kg
106000.8=60356.601kg·cm
當手臂處在俯角為的位置時，驅動力P通過連桿機構產生的驅動力
因為：
所以
則
當手臂處在水平位置即為驅動力矩時
因為
由于手臂與支柱連軸有振動軸承，摩擦力矩較小=0
所以
驗證油缸是否滿足要求，滿足上仰條件，出于時
(3.18)
=
=1134kgf
選取=0.7，所以
(3.19)
D=0.053m
整理得到D=63mm，則d=45mm。
液壓缸壁和外徑計算
(3.20)
高強度鑄鐵，=60
液壓缸為平底缸差，其厚度t按強度要求計算
無孔時
(3.21)
取t=3mm
液壓缸工作行程的確定
由
則S=16mm
則由表2-6中的系列尺寸查得（液壓系統(tǒng)設計手冊）
S=25cm則活塞桿L=30cm
活塞桿的穩(wěn)定性校核，活塞桿由45鋼制成。
桿長300mm，d=45mm
最大壓力P=1134N
設穩(wěn)定安全系數(shù)為，
由式（10.9）求出
(3.22)
活塞桿兩端可簡化為鉸支座，故，活塞桿橫截面為圓形i=
故為，因為，故不能用歐拉公式計算
使用直線公式，由表10.1查得，優(yōu)化碳鋼的
由公式（10.12）可得
可見活塞桿是小柔度變壓桿，由直線公式求出
而P=1134N，活塞桿的工作安全系數(shù)為n=
所以滿足要求。
2.油缸端蓋的連接方式及強度計算
為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距，進而決定螺釘?shù)臄?shù)目。
缸的一端為缸體與缸蓋鑄造成一體，另一端缸體與缸蓋采用螺釘連接。
(1)缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距，進而決定螺釘?shù)臄?shù)目
在這種連接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷Q和預進力之和。
式中：
P—驅動力kgf
P—工作壓力kgf/
Z—螺釘數(shù)目，取8
—預緊力kgf
=K，K=1.5-1.8
螺釘?shù)膹姸葪l件為：
式中：=1.3——計算載荷（kgf）
表3-1 螺釘間距與壓力p的關系
工作壓力（）
螺釘間距（mm）
5—15
<150
15—25
<120
25—50
<100
50—100
<80
()抗拉許用應力
，——螺紋內徑（cm）
表3-2 常用螺釘材料的流動極限
鋼號
10
A2
A3
35
45
40cr
2100
2200
2400
3200
3600
6500-9000
(2)缸體螺紋計算
(3.23)
式中，，
D—油缸內徑
—考慮螺紋拉應力和扭應力合成作用系數(shù)取=1.3
3.大臂回轉缸的設計
驅動手臂回轉的力矩
D—輸出軸與缸差密封處的直徑（cm）
L—密封的有效長度（cm）
—“O”形密封圈的截面直徑（cm）
—“O”形圈在裝配時壓縮率，對于回轉運動，k=0.03-0.35
—摩擦系數(shù)
P—回轉軸缸的工作壓力（kg/）
選取=0.5，b=10cm,p=80kg/,設=6mm
若，則取
，取，則，D=14cm
選用O型橡膠密封圈S58型，=4.7mm
則
(3.24)
—動片側面與缸蓋密封處的摩擦阻力距
—回轉缸動片的角速度變化量，在啟動過程中（弧度/秒）
—啟動過程時間
—手臂回轉部件，對回轉軸的輕功慣量（）
若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為
則
—回轉零件對重心軸線的轉動慣量
(3.25)
=649.2（）
設角速度，啟動時間
—般取=0.2P=16（）
由內徑公式
(3.26)
基本滿足要求，則D=16cm，d=8cm。又由
4.缸蓋連接螺釘和動片連接螺釘計算
螺釘?shù)膹姸葪l件為
或（取=8mm）
式中：—螺釘?shù)膬葟剑╟m）
—計算載荷（kgf）
—螺釘材料作用拉應力
3.4 機身計算與分析
機身是直接支撐和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降，回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構成機體的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結構和受力情況就愈復雜。機身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運動。此次設計機身為地面軌道運動式。它的驅動系統(tǒng)是步進電機其型號為Y132S—8功率2.2KW轉速710r/min，再電動機后接了一個圓錐圓柱齒輪減速器其輸出速度為1.2m/s。在后是一個制動箱。其主要參數(shù)是由外部計算機調整和控制，在很大程度上是由運動學和軌跡運動而去編制小車的運行程序。
3.5本章小結
本章介紹了機械手各部分的計算與分析，分別為手部、腕部、臂部、機身的結構，并進行了計算與校核，在使用中能滿足要求。
第4章 液壓系統(tǒng)
4．1 液壓缸
根據(jù)前面設計好的各種液壓缸的參數(shù)。
1.活塞缸
已知參數(shù)（包括設計出的參數(shù)）：
—表示第幾個缸的參數(shù)
}無桿腔進油
}有桿腔進油
2.擺動缸
已知參數(shù)：
注意已知參數(shù)中在前面設計中不夠明確時，則要進行分析。已知參數(shù)（包括已設計好的參數(shù)）
(1)單作用彈簧復位的夾緊缸；
=25mm，=18mm
F= =8.67cm/s
注意：為尚未夾持工件的時間。
(2)手腕回轉缸。
=80mm，=40mm，=60mm
(4.1)
(3)手腕擺動缸
(4)手臂回轉缸
=160mm =80mm =120mm
注意：忽略角加速度和角減速度的影響
(5)手臂仰俯活塞缸：
=63mm，=45mm
V=5cm/s
3.估算流量
(1)夾緊缸：。
(2)手腕回轉缸：
(3)手腕擺動缸：
(4)手臂回轉缸：
(5)手臂仰俯活塞缸：
4．2 計算和選擇液壓元件
4.2.1 液壓泵的選取要求及其具體選取
（1）計算液壓泵的工作壓力
泵的工作壓力是所有液壓缸中工作壓力最大者與管道壓力損失之和。即：
—管道和各類閥的全部壓力損失之和。
可先估計，一般?。?（5—8）
（2）計算液壓泵的流量
，式中：K—泄露折算系數(shù)，一般，K=1.1—1.5
（3）選擇液壓泵的規(guī)格
參照設計手冊或產品樣本，選取其額定壓力比高25%—60%，其流量與上述計算一致的液壓泵。
（4）計算功率，選用電動機
按工況圖，找出所有缸N-t圖中最高功率點的對應的（計算值）和泵額定流量的乘積，然后除以泵的總效率
(4.2)
確定液壓泵的流量壓力和選擇泵的規(guī)格，泵的工作壓力的確定?？紤]到正常工作中進油路有一定的壓力損失，所以，泵的工作壓力為：
—液壓泵的最高工作壓力；—執(zhí)行元件的最高工作壓力
—進油管路中的壓力損失，初算時，簡單系統(tǒng)可取0.2—0.5，
=0.5，=4.5+0.5=5
上述計算所得的是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡，階段出現(xiàn)的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外考慮到，一定的壓力儲備量并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力應滿足
泵流量的確定。液壓泵的最大流量應為：
，—液壓泵的最大流量
—同時工作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如果這時溢流閥正進行工作，尚需加溢流閥的最小溢流量2～3L/min
—系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取=1.1-1.3，現(xiàn)取=1.2
選擇液壓泵的規(guī)格。根據(jù)以上算得和，再查閱有關手冊，現(xiàn)選用YB-80BI雙聯(lián)葉片泵，該泵的基本參數(shù)為：每轉排量：10—194mL/r;泵的額定壓力=10.5；電動機轉速；容積效率；總效率。
與液壓泵匹配的電動機的選定。首先分別計算出不同工況時的功率，取它們之間的最大值作為選取電動機規(guī)格的依據(jù)。由于在速度較小時，泵輸出的流量減小，泵的效率急劇下降，一般當流量在0.2—1L/min范圍內時，可取=0.03—0.14。同時，應注意到，為了使所選擇的電動機在經(jīng)過泵的流量特性曲線最大功率點時，不致停車，需進行驗算，即
(4.3)
泵的工作壓力：P=245.25
—余量系數(shù)，取K=1.05
—泵出油量
—油頭
—主管損失油頭
—泵的功率
—傳動效率直接傳遞為1
選電機：
4.2.2 選擇液壓控制閥的原則
按控制閥的額定流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量原則
4.2.3 選擇液壓輔助元件的要求
(1)濾油器
按泵的最大流量選取流量略大些的濾油器，濾油精度在為網(wǎng)式或線段式濾油器即可。
(2)油管和管接頭的通徑與閥一致來選取。
(3)油箱容積
Q=50Qp
注意：Qp單位若為L/min時，V的單位為
Qp單位若為時，V的單位為
4.2.4 具體選擇液壓元件
（1）換向回路的選擇
緊缸換向選用二位三通閥，其他缸全部選用B型的三位四通電磁換向閥。選用B型電磁閥便于微機控制，選中位為O型是使定位準確。
（2）調速方案的選擇
本系統(tǒng)是功率較小的，故選簡單的進油路節(jié)流閥調速。
（3）緩沖回路的選擇
選用二位三通閥加入油路，便于微機控制，提高自動化程度。
(4)系統(tǒng)的安全可靠性的選擇
為防止伸縮缸在仰起一定角度后的自由下滑，都采用單向順序閥來平衡。
為保證夾緊缸夾持工件的可靠性選用液控單向閥保壓和鎖緊。
液壓元件的選擇
單向壓力補償調速閥：QI-63B，QI-130B，QI-23B
單向閥：I-25
減壓閥：I-10
單向順序閥：XI-160B
二位三通電磁閥：23D-10B，23D-50B，23D-100B
二位四通電磁閥：24D-25B，34DY-63B，34S-160B
線隙式濾油器：XU-B327-75 XU-1337-50
壓力表：Y-60
確定管道尺寸時本系統(tǒng)主油路流量q=160L/min，壓油管的允許流速為v=4m/s，則內徑d=4.6=4.6=29mm
夾緊油路d=11mm
手腕回轉油路d=18mm
手腕擺動油路d=18mm
手腕回轉油路d=26mm
手腕仰俯油路d=28mm
液壓油箱的設計：
液壓油箱的作用是儲存液壓油，分離液壓油中的雜質和空氣，同時起到分散的作用。
1.液壓油箱有效容積的確定
液壓油箱在不同的工作條件下，影響散熱的條件很多，通常按壓力范圍來考慮。液壓油箱的有效容量v可概略地確定為：
在中低壓系統(tǒng)中（p），可取v=（5—7）。
式中：V—液壓油箱有效容量；—液壓泵額定流量
V=3=696=576，故V=576L
應當注意：設備停止運轉后，設備中的那部分會因重力作用而流回液壓油箱。為了防止液壓油從油箱中溢出，油箱中液壓油位不能太高，一般不應超過液壓油箱高度的
2.液壓油箱的外形尺寸
液壓油箱的有效容積確定或，需設計液壓油箱的外形尺寸，一般尺寸比（長：寬：高）為：1：1：1—1：2：3
為提高冷卻效率，在安裝位置不受限制時，可將液壓油箱的容量予以增大。
根據(jù)油箱有效容量可選BEX—630。
4.3 本章小結
本章介紹了機械手液壓系統(tǒng)的組成，工作原理及工作過程，液壓傳動有以下優(yōu)點：
1.液壓傳動的各種元件，可根據(jù)需要方便、靈活的來布置；
2.重量輕、體積小、運動慣性小、反應速度快、定位精度好；
3.操縱控制方便，可實現(xiàn)大范圍的無級調速；
4.可自動實現(xiàn)過載保護；
5.成本低廉、性能優(yōu)越。
第5章 液壓缸的保養(yǎng)與維修
5.1 液壓元件的安裝
1.安裝前元件應以煤油進行清洗，并要進行壓力和密封性實驗，合格后可安裝。
2.泵及其傳動要求較高的同心度。
3.油泵的入口，出口和旋轉方向一般在泵上均有標明，不得接反。
4.安裝各種閥時，應注意進油口與回油口的方向。
5.為了避免空氣滲入閥內，連接處應保持密封良好。
6.用法蘭安裝的閥件，螺釘不能擰的過緊，因為有時擰的過緊反而密封不良。
5.2 液壓系統(tǒng)的一般使用與維護
1.油箱中的液壓油應經(jīng)常保持正常油面。
2.液壓油應經(jīng)常保持清潔。
3.油溫應適當，油箱的油溫一定不能超過
4.回路里的空氣應完全清除掉?；芈防镞M入空氣后，因為氣體的體積和壓力成反比，可以隨著負荷的變動，油缸的運動也要受到影響。為了防止回油管回油時帶入空氣，回油管必須插入油面以下。吸入管和泵軸的密封部分等各個低于大氣壓的地方應注意不要漏入空氣。
5.在初次起動油泵時，應向泵里灌滿油，檢查轉動方向是否正確，入口與出口是否接反。
6.在油泵起動和停止時，應使溢流閥御荷。
7.溢流閥的調節(jié)壓力不得超過液壓系統(tǒng)的最高壓力。
8.應盡量保持電磁閥的電壓穩(wěn)定，否則可能會導致線圈的過熱。
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