工业机械手设计_说明书cqcy.docx

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1、 第一章 绪绪 论1.1工工业机械械手概述述工业机器器人由操操作机(机械本本体)、控控制器、伺伺服驱动动系统和和检测传传感装置置构成，是是一种仿仿人操作作，自动动控制、可可重复编编程、能能在三维维空间完完成各种种作业的的机电一一体化自自动化生生产设备备。特别别适合于于多品种种、变批批量的柔柔性生产产。它对对稳定、提提高产品品质量，提提高生产产效率，改改善劳动动条件和和产品的的快速更更新换代代起着十十分重要要的作用用。机器器人技术术是综合合了计算算机、控控制论、机机构学、信信息和传传感技术术、人工工智能、仿仿生学等等多学科科而形成成的高新新技术，是是当代研研究十分分活跃，应应用日益益广泛的的领域

2、。机机器人应应用情况况，是一一个国家家工业自自动化水水平的重重要标志志。机器器人并不不是在简简单意义义上代替替人工的的劳动，而而是综合合了人的的特长和和机器特特长的一一种拟人人的电子子机械装装置，既既有人对对环境状状态的快快速反应应和分析析判断能能力，又又有机器器可长时时间持续续工作、精精确度高高、抗恶恶劣环境境的能力力，从某某种意义义上说它它也是机机器的进进化过程程产物，它它是工业业以及非非产业界界的重要要生产和和服务性性设各，也也是先进进制造技技术领域域不可缺缺少的自自动化设设备.机机械手是是模仿着着人手的的部分动动作，按按给定程程序、轨轨迹和要要求实现现自动抓抓取、搬搬运或操操作的自自动

3、机械械装置。在在工业生生产中应应用的机机械手被被称为“工业机机械手”。生产产中应用用机械手手可以提提高生产产的自动动化水平平和劳动动生产率率:可以以减轻劳劳动强度度、保证证产品质质量、实实现安全全生产;尤其在在高温、高高压、低低温、低低压、粉粉尘、易易爆、有有毒气体体和放射射性等恶恶劣的环环境中，它它代替人人进行正正常的工工作，意意义更为为重大。因因此，在在机械加加工、冲冲压、铸铸、锻、焊焊接、热热处理、电电镀、喷喷漆、装装配以及及轻工业业、交通通运输业业等方面面得到越越来越广广泛的引引用.机机械手的的结构形形式开始始比较简简单，专专用性较较强，仅仅为某台台机床的的上下料料装置，是是附属于于该

4、机床床的专用用机械手手。随着着工业技技术的发发展，制制成了能能够独立立的按程程序控制制实现重重复操作作，适用用范围比比较广的的“程序控控制通用用机械手手”，简称称通用机机械手。由由于通用用机械手手能很快快的改变变工作程程序，适适应性较较强，所所以它在在不断变变换生产产品种的的中小批批量生产产中获得得广泛的的引用。机械手技技术涉及及到力学学、机械械学、电电气液压压技术、自自动控制制技术、传传感器技技术和计计算机技技术等科科学领域域，是一一门跨学学科综合合技术。 机械手是是一种能能自动化化定位控控制并可可重新编编程序以以变动的的多功能能机器，它它有多个个自由度度，可用用来搬运运物体以以完成在在各个

5、不不同环境境中工作作。1.2 机械手手的组成成和分类类1.2.1机械械手的组组成机械手主主要由执执行机构构、驱动动系统、控控制系统统以及位位置检测测装置等等所组成成。各系系统相互互之间的的关系如如方框图图2-11所示。机械手组组成方框框图:(一)执执行机构构包括手部部、手腕腕、手臂臂和立柱柱等部件件，有的的还增设设行走机机构。1、手部部即与物件件接触的的部件。由由于与物物件接触触的形式式不同，可可分为夹夹持式和和吸附式式手在本本课题中中我们采采用夹持持式手部部结构。夹夹持式手手部由手手指(或或手爪)和传力力机构所所构成。手手指是与与物件直直接接触触的构件件，常用用的手指指运动形形式有回回转型和

6、和平移型型。回转转型手指指结构简简单，制制造容易易，故应应用较广广泛。平平移型应应用较少少，其原原因是结结构比较较复杂，但但平移型型手指夹夹持圆形形零件时时，工件件直径变变化不影影响其轴轴心的位位置，因因此适宜宜夹持直直径变化化范围大大的工件件。手指指结构取取决于被被抓取物物件的表表面形状状、被抓抓部位(是外廓廓或是内内孔)和和物件的的重量及及尺寸。常常用的指指形有平平面的、VV形面的的和曲面面的:手手指有外外夹式和和内撑式式;指数数有双指指式、多多指式和和双手双双指式等等。而传传力机构构则通过过手指产产生夹紧紧力来完完成夹放放物件的的任务。传传力机构构型式较较多时常常用的有有:滑槽槽杠杆式式

7、、连杆杆杠杆式式、斜面面杠杆式式、齿轮轮齿条式式、丝杠杠螺母弹弹簧式和和重力式式等。2、手腕腕是连接手手部和手手臂的部部件，并并可用来来调整被被抓取物物件的方方位(即即姿势)3、手臂臂手臂是支支承被抓抓物件、手手部、手手腕的重重要部件件。手臂臂的作用用是带动动手指去去抓取物物件，并并按预定定要求将将其搬运运到指定定的位置置.工业业机械手手的手臂臂通常由由驱动手手臂运动动的部件件(如油油缸、气气缸、齿齿轮齿条条机构、连连杆机构构、螺旋旋机构和和凸轮机机构等)与驱动动源(如如液压、气气压或电电机等)相配合合，以实实现手臂臂的各种种运动。4、立柱柱立柱是支支承手臂臂的部件件，立柱柱也可以以是手臂臂的

8、一部部分，手手臂的回回转运动动和升降降(或俯俯仰)运运动均与与立柱有有密切的的联系。机机械手的的立I因因工作需需要，有有时也可可作横向向移动，即即称为可可移式立立柱。5、行走走机构当工业机机械手需需要完成成较远距距离的操操作，或或扩大使使用范围围时，可可在机座座上安滚滚轮式行行走机构构可分装装滚轮、轨轨道等行行走机构构，以实实现工业业机械手手的整机机运动。滚滚轮式布布为有轨轨的和无无轨的两两种。驱驱动滚轮轮运动则则应另外外增设机机械传动动装置。6、机座座机座是机机械手的的基础部部分，机机械手执执行机构构的各部部件和驱驱动系统统均安装装于机座座上，故故起支撑撑和连接接的作用用。(二)驱驱动系统统

9、驱动系统统是驱动动工业机机械手执执行机构构运动的的动力装装置调节节装置和和辅助装装置组成成。常用用的驱动动系统有有液压传传动、 气压传传动、机机械传动动。控制制系统是是支配着着工业机机械手按按规定的的要求运运动的系系统。目目前工业业机械手手的控制制系统一一般由程程序控制制系统和和电气定定位(或或机械挡挡块定位位)系统统组成。控控制系统统有电气气控制和和射流控控制两种种，它支支配着机机械手按按规定的的程序运运动，并记忆人人们给予予机械手手的指令令信息(如动作作顺序、运运动轨迹迹、运动动速度及及时间)，同时时按其控控制系统统的信息息对执行行机构发发出指令令，必要要时可对对机械手手的动作作进行监监视

10、，当当动作有有错误或或发生故故障时即即发出报报警信号号。(三)控控制系统统控制系统统是支配配着工业业机械手手按规定定的要求求运动的的系统。目目前工业业机械手手的控制制系统一一般由程程序控制制系统和和电气定定位(或或机械挡挡块定位位)系统统组成。控控制系统统有电气气控制和和射流控控制两种种，它支支配着机机械手按按规定的的程序运运动，并并记忆人人们给予予机械手手的指令令信息(如动作作顺序、运运动轨迹迹、运动动速度及及时间)，同时时按其控控制系统统的信息息对执行行机构发发出指令令，必要要时可对对机械手手的动作作进行监监视，当当动作有有错误或或发生故故障时即即发出报报警信号号。(四)位位置检测测装置控

11、制机械械手执行行机构的的运动位位置，并并随时将将执行机机构的实实际位置置反馈给给控制系系统，并并与设定定的位置置进行比比较，然然后通过过控制系系统进行行调整，从从而使执执行机构构以一定定的精度度达到设设定位置置.1.2.2 机机械手的的分类工业机械械手的种种类很多多，关于于分类的的问题，目目前在国国内尚无无统一的的分类标标准，在在此暂按按使用范范围、驱驱动方式式和控制制系统等等进行分分类。(一)按按用途分分机械手可可分为专专用机械械手和通通用机械械手两种种:1、专用用机械手手它是附属属于主机机的、具具有固定定程序而而无独立立控制系系统的机机械装置置。专用用机械手手具有动动作少、工工作对象象单一

12、、结结构简单单、使用用可靠和和造价低低等特点点，适用用于大批批量的自自动化生生产的自自动换刀刀机械手手，如自自动机床床、自动动线的上上、下料料机械手手和”叻口工工中心”2、通用用机械手手它是一种种具有独独立控制制系统的的、程序序可变的的、动作作灵活多多样的机机械手。格格性能范范围内，其其动作程程序是可可变的，通通过调整整可在不不同场合合使用，驱驱动系统统和控制制系统是是独立的的。通用用机械手手的工作作范围大大、定位位精度高高、通用用性强，适适用于不不断变换换生产品品种的中中小批量量自动化化的生产产。通用用机械手手按其控控制定位位的方式式不同可可分为简简易型和和伺服型型两种:简易型型以“开一关关

13、”式控制制定位，只只能是点点位控制制:可以以是点位位的，也也可以实实现连续续轨控制制，伺服型具具有伺服服系统定定位控制制系统，一般的伺伺服型通通用机械械手属于于数控类类型。(二)按按驱动方方式分1、液压压传动机机械手是以液压压的压力力来驱动动执行机机构运动动的机械械手。其其主要特特点是:抓重可可达几百百公斤以以上、传传动平稳稳、结构构紧凑、动动作灵敏敏。但对对密封装装置要求求严格，不不然油的的泄漏对对机械手手的工作作性能有有很大的的影响，且且不宜在在高温、低低温下工工作。若若机械手手采用电电液伺服服驱动系系统，可可实现连连续轨迹迹控制，使使机械手手的通用用性扩大大，但是是电液伺伺服阀的的制造精

14、精度高，油油液过滤滤要求严严格，成成本高。2、气压压传动机机械手是以压缩缩空气的的压力来来驱动执执行机构构运动的的机械手手。其主主要特点点是:介介质李源源极为方方便，输输出力小小，气动动动作迅迅速，结结构简单单，成本本低。但但是，由由于空气气具有可可压缩的的特性，工工作速度度的稳定定性较差差，冲击击大，而而且气源源压力较较低，抓抓重一般般在300公斤以以下，在在同样抓抓重条件件下它比比液压机机械手的的结构大大，所以以适用于于高速、轻轻载、高高温和粉粉尘大的的环境中中进行工工作。3、机械械传动机机械手即由机械械传动机机构(如如凸轮、连连杆、齿齿轮和齿齿条、间间歇机构构等)驱驱动的机机械手。它它是

15、一种种附属于于工作主主机的专专用机械械手，其其动力是是由工作作机械传传递的。它它的主要要特点是是运动准准确可靠靠，用于于工作主主机的上上、下料料。动作作频率大大，但结结构较大大，动作作程序不不可变。4、电力力传动机机械手即有特殊殊结构的的感应电电动机、直直线电机机或功率率步进电电机直接接驱动执执行机构构运动的的械手，因因为不需需要中间间的转换换机构，故故机械结结构简单单。其中中直线电电机机械械手的运运动速度度快和行行程长，维维护和使使用方便便。此类类机械手手目前还还不多，但但有发展展前途。(三)按按控制方方式分1、点位位控制它的运动动为空间间点到点点之间的的移动，只只能控制制运动过过程中几几个

16、点的的位置，不不能控制制其运动动轨迹。若若欲控制制的点数数多，则则必然增增加电气气控制系系统的复复杂性。目目前使用用的专用用和通用用工业机机械手均均属于此此类。2、连续续轨迹控控制它的运动动轨迹为为空间的的任意连连续曲线线，其特特点是设设定点为为无限的的，整个个移动过过程处于于控制之之下，可可以实现现平稳和和准确的的运动，并并且使用用范围广广，但电电气控制制系统复复杂。这这类工业业机械手手一般采采用小型型计算机机进行控控制。1.3 国内外外发展状状况国外机器器人领域域发展近近几年有有如下几几个趋势势:(1)工工业机器器人性能能不断提提高(高高速度、高高精度、高高可靠性性、便于于操作和和维修)，

17、而单单机价格格不断下下降，平平均单机机价格从从91年年的100.3万万美元降降至977年的665万美美元。(2)机机械结构构向模块块化、可可重构化化发展。例例如关节节模块中中的伺服服电机、减减速机、检检测系统统三位一一体化:由关节节模块、连连杆模块块用重组组方式构构造机器器人整机机;国外外已有模模块化装装配机器器人产品品问市。(3)工工业机器器人控制制系统向向基于PPC机的的开放型型控制器器方向发发展，便便于标准准化、网网络化;器件集集成度提提高，控控制柜日日见小巧巧，且采采用模块块化结构构:大大大提高了了系统的的可靠性性、易操操作性和和可维修修性。(4)机机器人中中的传感感器作用用日益重重要

18、，除除采用传传统的位位置、速速度、加加速度等等传感器器外，装装配、焊焊接机器器人还应应用了视视觉、力力觉等传传感器，而而遥控机机器人则则采用视视觉、声声觉、力力觉、触触觉等多多传感器器的融合合技术来来进行环环境建模模及决策策控制;多传感感器融合合配置技技术在产产品化系系统中已已有成熟熟应用。(5)虚虚拟现实实技术在在机器人人中的作作用已从从仿真、预预演发展展到用于于过程控控制，如如使遥控控机器人人操作者者产生置置身于远远端作业业环境中中的感觉觉来操纵纵机器人人。(6)当当代遥控控机器人人系统的的发展特特点不是是追求全全自治系系统，而而是致力力于操作作者与机机器人的的人机交交互控制制，即遥遥控加

19、局局部自主主系统构构成完整整的监控控遥控操操作系统统，使智智能机器器人走出出实验室室进入实实用化阶阶段。美美国发射射到火星星上的“索杰纳纳”机器人人就是这这种系统统成功应应用的最最著名实实例。(7)机机器人化化机械开开始兴起起。从994年美美国开发发出“虚拟轴轴机床”以来，这这种新型型装置已已成为国国际研究究的热点点之一，纷纷纷探索索开拓其其实际应应用的领领域。我我国的工工业机器器人从880年代代“七五”科技攻攻关开始始起步，在在国家的的支持下下，通过过“七五”、“八五”科技攻攻关，目目前己基基本掌握握了机器器人操作作机的设设计制造造技术、控控制系统统硬件和和软件设设计技术术、运动动学和轨轨迹

20、规划划技术，生生产了部部分机器器人关键键元器件件，开发发出喷漆漆、弧焊焊、点焊焊、装配配、搬运运等机器器人;其其中有1130多多台套喷喷漆机器器人在二二十余家家企业的的近300条自动动喷漆生生产线(站)上上获得规规模应用用，弧焊焊机器人人己应用用在汽车车制造厂厂的焊装装线上。但但总的来来看，我我国的工工业机器器人技术术及其工工程应用用的水平平和国外外比还有有一定的的距离，如如:可靠靠性低于于国外产产品:机机器人应应用工程程起步较较晚，应应用领域域窄，生生产线系系统技术术与国外外比有差差距;在在应用规规模上，我我国己安安装的国国产工业业机器人人约2000台，约约占全球球已安装装台数的的万分之之四

21、。以以上原因因主要是是没有形形成机器器人产业业，当前前我国的的机器人人生产都都是应用用户的要要求，“一客户户，一次次重新设设计”，品种种规格多多、批量量小、零零部件通通用化程程度低、供供货周期期长、成成本也不不低，而而且质量量、可靠靠性不稳稳定。因因此迫切切需要解解决产业业化前期期的关键键技术，对对产品进进行全面面规划，搞搞好系列列化、通通用化、模模块化设设计，积积极推进进产业化化进程.我国的的智能机机器人和和特种机机器人在在“8633”计划的的支持下下，也取取得了不不少成果果。其中中最为突突出的是是水下机机器人，660000m水下下无缆机机器人的的成果居居世界领领先水平平，还开开发出直直接遥

22、控控机器人人、双臂臂协调控控制机器器人、爬爬壁机器器人、管管道机器器人等机机种:在在机器人人视觉、力力觉、触触觉、声声觉等基基础技术术的开发发应用上上开展了了不少工工作，有有了一定定的发展展基础。但但是在多多传感器器信息融融合控制制技术、遥遥控加局局部自主主系统遥遥控机器器人、智智能装配配机器人人、机器器人化机机械等的的开发应应用方面面则刚刚刚起步，与与国外先先进水平平差距较较大，需需要在原原有成绩绩的基础础上，有有重点地地系统攻攻关，才才能形成成系统配配套可供供实用的的技术和和产品，以以期在“十五”后期立立于世界界先进行行列之中中。1.4课课题的提提出及主主要任务务1.4.1课题题的提出出进

23、入211世纪，随随着我国国人口老老龄化的的提前到到来，近近来在东东南沿海海还出现现在大量量的缺工工现象，迫迫切要求求我们提提高劳动动生产率率，降低低工人的的劳动强强度，提提高我国国工业自自动化水水平势在在必行，本本设计的的目的就就是设计计一个气气动搬运运机械手手，应用用于工业业自动化化生产线线，把工工业产品品从一条条生产线线搬运到到另外一一条生产产线，实实现自动动化生产产，减轻轻产业工工人大量量的重复复性劳动动，同时时又可以以提高劳劳动生产产率。现在的机机械手大大多采用用液压传传动，液液压传动动存在以以下几个个缺点:(1)液液压传动动在工作作过程中中常有较较多的能能量损失失(摩擦擦损失、泄泄露

24、损失失等):液压传传动易泄泄漏，不不仅污染染工作场场地，限限制其应应用范围围，可能能引起失失火事故故，而且且影响执执行部分分的运动动平稳性性及正确确性。(2)工工作时受受温度变变化影响响较大。油油温变化化时，液液体粘度度变化，引引起运动动特性变变化。(3)因因液压脉脉动和液液体中混混入空气气，易产产生噪声声。(4)为为了减少少泄漏，液液压元件件的制造造工艺水水平要求求较高，故故价格较较高;且且使用维维护需要要较高技技术水平平。鉴于于以上这这些缺陷陷，本机机械手拟拟采用气气压传动动，气动技术术有以下下优点:(1)介介质提取取和处理理方便。气气压传动动工作压压力较低低，工作作介质提提取容易易，而后

25、后排入大大气，处处理方便便，一般般不需设设置回收收管道和和容器:介质清清洁，管管道不易易堵存在在介质变变质及补补充的问问题.（2)阻阻力损失失和泄漏漏较小，在在压缩空空气的输输送过程程中，阻阻力损失失较小(一般不不卜浇塞塞仅为油油路的千千分之一一)，空空气便于于集中供供应和远远距离输输送。外外泄漏不不会像液液压传动动那样，造造成压力力明显降降低和严严重污染染。(3)动动作迅速速，反应应灵敏。气气动系统统一般只只需要00.022s-00.3ss即可建建立起所所需的压压力和速速度。气气动系统统也能实实现过载载保护，便便于自动动控制。(4)能能源可储储存。压压缩空气气可存贮贮在储气气罐中，因因此，发

26、发生突然然断电等等情况时时，机器器及其工工艺流程程不致突突然中断断。(5)工工作环境境适应性性好。在在易燃、易易爆、多多尘埃、强强磁、强强辐射、振振动等恶恶劣环境境中，气气压传动动与控制制系统比比机械、电电器及液液压系统统优越，而而且不会会因温度度变化影影响传动动及控制制性能。(6)成成本低廉廉。由于于气动系系统工作作压力较较低，因因此降低低了气动动元、辅辅件的材材质和加加工精度度要求，制制造容易易，成本本较低。传传统观点点认为:由于气气体具有有可压缩缩性，因因此，在在气动伺伺服系统统中要实实现高精精度定位位比较困困难(尤尤其在高高速情况况下，似似乎更难难想象)。此外外气源工工作压力力较低，抓

27、抓举力较较小。虽虽然气动动技术作作为机器器人中的的驱动功功能已有有部分被被工业界界所接受受，而且且对于不不太复杂杂的机械械手，用用气动元元件组成成的控制制系统己己被接受受，但由由于气动动机器人人这一体体系己经经取得的的一系列列重要进进展过去去介绍得得不够，因因此在工工业自动动化领域域里，对对气动机机械手、气气动机器器人的实实用性和和前景存存在不少少疑虑。1.4.2课题题的主要要任务本课题将将要完成成的主要要任务如如下:(1)机机械手为为通用机机械手，因因此相对对于专用用机械手手来说，它它的适用用面相对对较广.(2)选选取机械械手的座座标型式式和自由由度(3)设设计出机机械手的的各执行行机构，包

28、包括:手手部、手手腕、手手臂等部部件的设设计。为为了使通通用性更更强，手手部设计计成可更更换结构构，不仅仅可以应应用于夹夹持式手手指来抓抓取棒料料工件，在在工业需需要的时时候还可可以用气气流负压压式吸盘盘来吸取取板料工工件。(4)气气压传动动系统的的设计本课题将将设计出出机械手手的气压压传动系系统，包包括气动动元器件件的选取取，气动动回路的的设计，并并绘出气气动原理理图。(5)对对气压传传动系统统原理图图的参数数化绘制制进行研研究，提提高绘图图效率，改改善绘图图质量。(6)机机械手的的控制系系统的设设计本机械手手拟采用用可编程程序控制制器(PPLC)对机械械手进行行控制，本本课题将将要选取取P

29、LCC型号，根根据机械械手的工工作流程程编制出出PLCC程序，并并画出梯梯形图。第二章 机械械手的设设计方案案对气动机机械手的的基本要要求是能能快速、准准确地拾拾-放和和搬运物物件，这这就要求求它们具具有高精精度、快快速反应应、一定定的承载载能力、足足够的工工作空间间和灵活活的自由由度及在在任意位位置都能能自动定定位等特特性。设设计气动动机械手手的原则则是:充充分分析析作业对对象(工工件)的的作业技技术要求求，拟定定最合理理的作业业工序和和工艺，并并满足系系统功能能要求和和环境条条件;明明确工件件的结构构形状和和材料特特性，定定位精度度要求，抓抓取、搬搬运时的的受力特特性、尺尺寸和质质量参数数

30、等，从从而进一一步确定定对机械械手结构构及运行行控制的的要求;尽量选选用定型型的标准准组件，简简化设计计制造过过程，兼兼顾通用用性和专专用性，并并能实现现柔性转转换和编编程控制制.本次次设计的的机械手手是通用用气动上上下料机机械手，是是一种适适合于成成批或中中、小批批生产的的、可以以改变动动作程序序的自动动搬运或或操作设设备，动动强度大大和操作作单调频频繁的生生产场合合。2.1机机械手的的座标型型式与自自由度按机械手手手臂的的不同运运动形式式及其组组合情况况，其座座标型式式可分为为直角座座标式、圆圆柱座标标式和关关节式。由由于本机机械手在在上下料料时手臂臂具有升升降、收收缩及回回转运动动，因此

31、此，采用用圆柱座座标型式式。相应应的机械械手具有有三个自自由度，为为了弥补补升降运运动行程程较小的的缺点，增增加手臂臂摆动机机构，从从而增加加一个手手臂上下下摆动的的自由度度图2-11 机械械手的运运动示意意图2.2 机械手手的手部部结构方方案设计计为了使机机械手的的通用性性更强，把把机械手手的手部部结构设设计成可可更换结结构，当当工件是是棒料时时，使用用夹持式式手部;当工件件是板料料时，使使用气流流负压式式吸盘。2.3 机械手手的手腕腕结构方方案设计计考虑到机机械手的的通用性性，同时时由于被被抓取工工件是水水平放置置，因此此手腕必必须设有有回转运运动才可可满足工工作的要要求。因因此，手手腕设

32、计计成回转转结构，实实现手腕腕回转运运动的机机构为回回转气缸缸。2.4 机械手手的手臂臂结构方方案设计计按照抓取取工件的的要求，本本机械手手的手臂臂有三个个自由度度，即手手臂的伸伸缩、左左右回转转和降(或俯仰仰)运动动。手臂臂的回转转和升降降运动是是通过立立柱来实实现的，立立柱的横横向移动动即为手手臂的横横移。手手臂的各各种运动动由气缸缸来实现现。2.5 机械手手的驱动动方案设设计由于气压压传动系系统的动动作迅速速，反应应灵敏，阻阻力损失失和泄漏漏较小，成成本低廉廉因此本本机械手手采用气气压传动动方式。2.6 机械手手的控制制方案设设计考虑到机机械手的的通用性性，同时时使用点点位控制制，因此此

33、采用可可编程序序控制器器(PLLC)对对机械手手进行控控制。当当机械手手的动作作流程改改变时，只只需改变变PLCC程序即即可实现现，非常常方便快快捷。2.7 机械手手的主要要参数1.机械械手的最最大抓重重是其规规格的主主参数，由由于是采采用气动动方式驱驱动，因因此考虑虑抓取的的物体不不应该太太重，查查阅相关关机械手手的设计计参数，结结合工业业生产的的实际情情况，本本设计设设计抓取取的工件件质量为为3-55公斤2.基本本参数运运动速度度是机械械手主要要的基本本参数。操操作节拍拍对机械械手速度度提出了了要求，设设计速度度过低限限制了它它的使用用范围。而而影响机机械手动动作快慢慢的主要要因素是是手臂

34、伸伸缩及回回转的速速度。该该机械手手最大移移动速度度设计为为。最大大回转速速度设计计为。平平均移动动速度为为。平均均回转速速度为。机机械手动动作时有有启动、停停止过程程的加、减减速度存存在，用用速度一一行程曲曲线来说说明速度度特性较较为全面面，因为为平均速速度与行行程有关关，故用用平均速速度表示示速度的的快慢更更为符合合速度特特性。除除了运动动速度以以外，手手臂设计计的基本本参数还还有伸缩缩行程和和工作半半径。大大部分机机械手设设计成相相当于人人工坐着着或站着着且略有有走动操操作的空空间。过过大的伸伸缩行程程和工作作半径，必必然带来来偏重力力矩增大大而刚性性降低。在在这种情情况下宜宜采用自自动

35、传送送装置为为好。根根据统计计和比较较，该机机械手手手臂的伸伸缩行程程定为6600mmm,最最大工作作半径约约为。手手臂升降降行程定定为。定定位精度度也是基基本参数数之一。该该机械手手的定位位精度为为。2.8 机械手手的技术术参数列列表一、用途途:用于自动动输送线线的上下下料。二、设计计技术参参数:1、抓重重3-2、自由由度数4个自由由度3、座标标型式圆柱座标标4、最大大工作半半径5、手臂臂最大中中心高6、手臂臂运动参参数伸缩行程程伸缩速度度升降行程程升降速度度回转范围围回转速度度7、手腕腕运动参参数回转范围围 回转速度度8、手指指夹持范范围棒料:9、定位位方式行程开关关或可调调机械挡挡块等1

36、0、定定位精度度11、驱驱动方式式气压传动动12、控控制方式式点位程序序控制(采用PPLC)图2-66 机械械手的工工作范围围第三章 手部部结构设设计为了使机机械手的的通用性性更强，把把机械手手的手部部结构设设计成可可更换结结构，工工件为棒棒料，使使用夹持持式手部部。 3.1夹夹持式手手部结构构夹持式手手部结构构由手指指(或手手爪)和和传力机机构所组组成。其其传力结结构形式式比较多多，如滑滑槽杠杆杆式、斜斜楔杠杆杆式、齿齿轮齿条条式、弹弹簧杠杆杆式等。3.1.1手指指的形状状和分类类夹持式是是最常见见的一种种，其中中常用的的有两指指式、多多指式和和双手双双指式:按手指指夹持工工件的部部位又可可

37、分为内内卡式(或内涨涨式)和和外夹式式两种:按模仿仿人手手手指的动动作，手手指可分分为一支支点回转转型，二二支点回回转型和和移动型型(或称称直进型型)，其其中以二二支点回回转型为为基本型型式。当当二支点点回转型型手指的的两个回回转支点点的距离离缩小到到无穷小小时，就就变成了了一支点点回转型型手指;同理，当当二支点点回转型型手指的的手指长长度变成成无穷长长时，就就成为移移动型。回回转型手手指开闭闭角较小小，结构构简单，制制造容易易，应用用广泛。移移动型应应用较少少，其结结构比较较复杂庞庞大，当当移动型型手指夹夹持直径径变化的的零件时时不影响响其轴心心的位置置，能适适应不同同直径的的工件。3.1.

38、2设计计时考虑虑的几个个问题(一)具具有足够够的握力力(即夹夹紧力)在确定手手指的握握力时，除除考虑工工件重量量外，还还应考虑虑在传送送或操作作过程中中所产生生的惯性性力和振振动，以以保证工工件不致致产生松松动或脱脱落。(二)手手指间应应具有一一定的开开闭角两手指张张开与闭闭合的两两个极限限位置所所夹的角角度称为为手指的的开闭角角。手指指的开闭闭角应保保证工件件能顺利利进入或或脱开，若若夹持不不同直径径的工件件，应按按最大直直径的工工件考虑虑。对于于移动型型手指只只有开闭闭幅度的的要求。(三)保保证工件件准确定定位为使手指指和被夹夹持工件件保持准准确的相相对位置置，必须须根据被被抓取工工件的形

39、形状，选选择相应应的手指指形状。例例如圆柱柱形工件件采用带带“V”形面的的手指，以以便自动动定心。(四)具具有足够够的强度度和刚度度手指除受受到被夹夹持工件件的反作作用力外外，还受受到机械械手在运运动过程程中所产产生的惯惯性力和和振动的的影响，要要求有足足够的强强度和刚刚度以防防折断或或弯曲变变形，当当应尽量量使结构构简单紧紧凑，自自重轻，并并使手部部的中心心在手腕腕的回转转轴线上上，以使使手腕的的扭转力力矩最小小为佳。(五)考考虑被抓抓取对象象的要求求根据机械械手的工工作需要要，通过过比较，我我们采用用的机械械手的手手部结构构是一支支点 两两指回转转型，由由于工件件多为圆圆柱形，故故手指形形

40、状设计计成V型型，其结结构如附附图所示示。3.1.3手部部夹紧气气缸的设设计1、手部部驱动力力计算本课题气气动机械械手的手手部结构构如图33-2所所示，图3-22 齿轮轮齿条式式手部假设其工工件重量量G=55公斤，V形手指指的角度度，,摩擦擦系数为为 (1)根据手手部结构构的传动动示意图图，其驱驱动力为为:(2)根根据手指指夹持工工件的方方位，可可得握力力计算公公式:所以 (3)实际驱驱动力:I,因为为传力机机构为齿齿轮齿条条传动，故故取，并并取。若若被抓取取工件的的最大加加速度取取时，此此时向上上运动。则则:所以所以夹持持工件时时所需夹夹紧气缸缸的驱动动力为。2、气缸缸的直径径本气缸属属于单

41、向向作用气气缸。根根据力平平衡原理理，单向向作用气气缸活塞塞杆上的的输出推推力必须须克服弹弹簧的反反作用力力和活塞塞杆工作作时的总总阻力，其其公式为为:式中: - 活塞杆杆上的推推力，NN - 弹弹簧反作作用力，NN- 气缸缸工作时时的总阻阻力，NN- 气缸缸工作压压力，PPa弹簧反作作用按下下式计算算:Gf =式中:- 弹弹簧刚度度，N/m- 弹簧簧预压缩缩量，mm- 活塞塞行程，mm- 弹簧簧钢丝直直径，mm- 弹簧簧平均直直径，.- 弹簧簧有效圈圈数.- 弹簧簧材料剪剪切模量量，一般般取在设计中中，必须须考虑负负载率的的影响，则则:由以上分分析得单单向作用用气缸的的直径:代入有关关数据，

42、可可得所以:查有关手手册圆整整，得由,可得得活塞杆杆直径:取活塞杆杆直径校校核，按按公式有:其中，则:满足实际际设计要要求。3,缸筒筒壁厚的的设计缸筒直接接承受压压缩空气气压力，必必须有一一定厚度度。一般般气缸缸缸筒壁厚厚与内径径之比小小于或等等于1/10，其其壁厚可可按薄壁壁筒公式式计算:式中:66- 缸缸筒壁厚厚，mmm- 气缸缸内径，mmm- 实验验压力，取取, PPa材料为:ZL33,=3MMPa代入己知知数据，则则壁厚为为:取，则缸缸筒外径径为:第四章 手腕腕结构设设计考虑到机机械手的的通用性性，同时时由于被被抓取工工件是水水平放置置，因此此手腕必必须设有有回转运运动才可可满足工工作

43、的要要求。因因此，手手腕设计计成回转转结构，实实现手腕腕回转运运动的机机构为回回转气缸缸。4.1 手腕的的自由度度手腕是连连接手部部和手臂臂的部件件，它的的作用是是调整或或改变工工件的方方位，因因而它具具有独立立的自由由度，以以使机械械手适应应复杂的的动作要要求。手手腕自由由度的选选用与机机械手的的通用性性、加工工工艺要要求、工工件放置置方位和和定位精精度等许许多因素素有关。由由于本机机械手抓抓取的工工件是水水平放置置，同时时考虑到到通用性性，因此此给手腕腕设一绕绕x轴转转动回转转运动才才可满足足工作的的要求目目前实现现手腕回回转运动动的机构构，应用用最多的的为回转转油(气气)缸，因因此我们们

44、选用回回转气缸缸。它的的结构紧紧凑，但但回转角角度小于于，并且且要求严严格的密密封。4. 22手腕的的驱动力力矩的计计算4.2.1手腕腕转动时时所需的的驱动力力矩手腕的回回转、上上下和左左右摆动动均为回回转运动动，驱动动手腕回回转时的的驱动力力矩必须须克服手手腕起动动时所产产生的惯惯性力矩矩，手腕腕的转动动轴与支支承孔处处的摩擦擦阻力矩矩，动片片与缸径径、定片片、端盖盖等处密密封装置置的摩擦擦阻力矩矩以及由由于转动动件的中中心与转转动轴线线不重合合所产生生的偏重重力矩.图4-1所示示为手腕腕受力的的示意图图。1.工件件2.手手部3.手腕图4-11手碗回回转时受受力状态态手腕转动动时所需需的驱动

45、动力矩可可按下式式计算:式中: - 驱动手手腕转动动的驱动动力矩();- 惯惯性力矩矩();- 参参与转动动的零部部件的重重量(包包括工件件、手部部、手腕腕回转缸缸的动片片)对转转动轴线线所产生生的偏重重力矩().,; - 手手腕回转转缸的动动片与定定片、缸缸径、端端盖等处处密封装装置的摩摩擦阻力力矩();下面以图图4-11所示的的手腕受受力情况况，分析析各阻力力矩的计计算:1、手腕腕加速运运动时所所产生的的惯性力力矩M悦悦若手腕起起动过程程按等加加速运动动，手腕腕转动时时的角速速度为，起起动过程程所用的的时间为为，则:式中:- 参与与手腕转转动的部部件对转转动轴线线的转动动惯量;- 工件件对

46、手腕腕转动轴轴线的转转动惯量量。若工件中中心与转转动轴线线不重合合，其转转动惯量量为:式中: - 工工件对过过重心轴轴线的转转动惯量量:- 工件件的重量量(N);- 工件件的重心心到转动动轴线的的偏心距距(cmm),- 手腕腕转动时时的角速速度(弧弧度/ss);- 起动动过程所所需的时时间(ss); 起动动过程所所转过的的角度(弧度)。2、手腕腕转动件件和工件件的偏重重对转动动轴线所所产生的的偏重力力矩M偏偏 + ()式中: - 手手腕转动动件的重重量(NN);- 手腕腕转动件件的重心心到转动动轴线的的偏心距距(cmm)当工件的的重心与与手腕转转动轴线线重合时时，则.3、手腕腕转动轴轴在轴颈颈

47、处的摩摩擦阻力力矩()式中: ，- 转动轴轴的轴颈颈直径(cm);- 摩擦擦系数，对对于滚动动轴承，对对于滑动动轴承;,- 处处的支承承反力(N)，可可按手腕腕转动轴轴的受力力分析求求解，根据,得得:同理，根根据(FF),得得:式中:- 的重重量(NN), 如如图4-1所示示的长度度尺寸(cm).4、转缸缸的动片片与缸径径、定片片、端盖盖等处密密封装置置的摩擦擦阻力矩矩M封，与与选用的的密衬装装置的类类型有关关，应根根据具体体情况加加以分析析。4.2.2回转转气缸的的驱动力力矩计算算在机械手手的手腕腕回转运运动中所所采用的的回转缸缸是单叶叶片回转转气缸，它它的原理理如图44-2所所示，定定片1与与缸体22固连，动动片3与与回转轴轴5固连连。动片片封圈44把气腔腔分隔成成两个.当压缩缩气体从从孔a进进入时，推推动输出出轴作逆逆时4回回转，则则低压腔腔的气从从b孔排排出。反反之，输输出轴作作顺时针针方向回回转。单单叶气缸缸的压力力P驱动动力矩MM的关系系