现代工业机械手设计.doc

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1、目录1.绪论：21.1工业机械手的定义21.2执行机构21.3驱动机构31.4控制系统31.5分类42.历史与前景521历史522应用前景52.3、意义73、机械手的结构设计83.1 本机械手模型的机能和特性84.参数设计144.1手部的功能、分类144.2夹钳式手部设计的基本要求144.3夹钳式手部的计算与分析14油缸端盖螺钉计算18手指夹紧缸流量的计算195.电气设计205.1 电气控制系统简介207.2机械手的电气控制的控制动作216.结论21参考文献：231.绪论：1.1工业机械手的定义机器人是多们学科技技术的综合的产物，而且随着人类的进步，机器人也在不断的去发展和完善。在科学界，科学

2、家一般都会给每一个科技术语一个统一的明确的定义，但是到今天为止，虽然机器人早在几十年前就发明出来了，但是到现在，人们对机器人的定义依然是没有统一的意见1。工业机械手是最初的机器人的邹型，是人类最早发明的最早的现代机器人。它能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。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。 机械手主要由执行机构、驱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

3、，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23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。1.2执行机构机械手的执行机构分为手部、手

4、臂、躯干；1.2.1手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔中装有传动轴，可把运用传给手腕，以转动、伸曲手腕、开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节3种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和大小的夹头以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般都是指真空吸盘或磁性吸盘。1.2.2手臂手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的3个自由度都要精确地定位。1.2.3躯干躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。1.3驱动机构机械手所用的驱动机构主要有4种：液压

5、驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。1.3.1液压驱动式液压驱动式机械手通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能力（高达几百千克以上），其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。1.3.2气压驱动式其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。1.3.3电气驱动式电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方

6、式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大（关节型的持重已达400kg），信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机（AC）为主要的驱动方式。由于电机速度高，通常须采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。有些机械手已开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动（DD）这既可使机构简化，又可提高控制精度。1.3.4机械驱动式机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。其他还有采用混合驱动，即液-气或电-液混合驱动。1.4控制系统

7、机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作程序的存储方式有分离存储和集中存储两种。分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存储装置中，如顺序信息存储于插销板、凸轮转鼓、穿孔带内；位置信息存储于时间继电器、定速回转鼓等；集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存储装置内，如磁带、磁鼓等。这种方式使用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合，即连续控制的情况下使用。其中插销板使用于需要迅速改变程

8、序的场合。换一种程序只需抽换一种插销板限可，而同一插件又可以反复使用；穿孔带容纳的程序长度可不受限制，但如果发生错误时就要全部更换；穿孔卡的信息容量有限，但便于更换、保存，可重复使用；磁蕊和磁鼓仅适用于存储容量较大的场合。至于选择哪一种控制元件，则根据动作的复杂程序和精确程序来确定。对动作复杂的机械手，采用求教再现型控制系统。更复杂的机械手采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。控制系统以插销板用的最多，其次是凸轮转鼓。它装有许多凸轮，每一个凸轮分配给一个运动轴，转鼓运动一周便完成一个循环。1.5分类机械手的种类，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

9、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。多关节机械手的优点是:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节

10、手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。2.历史与前景21历史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

11、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，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的结构是；机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。随着计算机和自动控制技术的迅速发展,农业机械将进入高度自动化和智能化时期，机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量,改善劳动条件,解决劳动力不足等问题。机械手首先是从美国开始研制的。 现代机械手的优势是可以减省工人、提高效率、降低成本、提高产品品质、安全性好、提升工厂形象。多关节机械手的优点是:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，

12、并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。22应用前景随着网络技巧的发展，机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境

13、中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。2.2.1市场需求机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。我国塑料机械已成为机械制造业发展最快的行业之一，年需求量在不断的加大。我国塑料机械产业的高速发展主要有

14、以下两个大因素：一是对高技术含量装备的需求所带来的设备更新及陈旧设备的淘汰;二是海内塑料加工产业的高速发展，对塑料机械的需求旺盛。2.2.2、应用领域2.2.2.1、业制造领域主要让机器人在机械制造业中代替人完成大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、舰船制造及某些家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机）的制造等。化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工作，也有部分是由机器人完成的。2.2.2.1、军事领域主要让机器人执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些相对较为危险的任务，比如，无人侦察机、拆除炸弹的机器人及扫雷机器人等。机器人还可以代替士兵去完成那些不

15、太复杂的工程及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从事更加重要的工作。2.2.2.2娱乐领域机器人在娱乐领域的应用十分广泛，比如，机器人足球大赛、机器人弹钢琴和机器人宠物等。2.2.2.3医疗领域机器人主要用来辅助护士进行一些日常的工作，比如，帮助医生运送用药品及自动监测病房内的空气质量，等等。宜用机器人还可以协助医生完成一些难度较高的手术，例如，眼部手术、脑部手术等。美国还发明了一种可以进入人体血管的微型机器人，帮助医生在病人的血管内灭杀病毒。2.3、意义近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自

16、动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展。现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究1。从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本国家，该比例已达到6:4，甚至接近5:5。我国的气动行业起步较晚，但发展较快。从20世纪80年代中期开始,气动元

17、件产值的年递增率达20以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。传统的机器人关节多由电机或液(气)压缸等来驱动。以这种方式来驱动关节，位置精度可以达到很高，但其刚度往往很大，实现关节的柔顺运动较困难。而柔顺性差的机器人在和人接触的场合使用时，容易造成人身和环境的伤害。因此，在许多服务机器人或康复机器人研究中，确保机器人的关节具有一定的柔顺性提高到了一个很重要的地位。人类关节具有目前机器人所不具备的优良特性，既可以实现较准确的位置控制又具有很好的柔顺性。这种特性主要是由关节所

18、采用的对抗性肌肉驱动方式所决定的。目前模仿生物关节的驱动方式在仿生机器人中得到越来越多的应用。在这种应用中为得到类似生物关节的良好特性，一般都采用具有类似生物肌肉特性的人工肌肉。气动肌肉是人工肌肉中出现较早、应用较广泛的一种驱动器，具有重量轻、结构简单及控制容易等优点，在类人机器人、爬行机器人及康复辅助器械中得到了应用。其基本应用形式大都采用一对气动肌肉组成关节的方式。气动肌肉最简单和最常见的使用方式是利用一对气动肌肉以生物体中拮抗肌的形式驱动关节，这种方式克服了气动肌肉变化长度较小的缺点，能够实现大的转动位移。而且由于其类似生物体驱动关节的方式，因此具有刚度和位置能独立控制等仿生关节具有的优

19、点。气动机械手是集机械、电气、气动和控制于一体的典型机电一体化产品。近年来，机械手在自动化领域中，特别是在有毒、放射、易燃、易爆等恶劣环境内，与电动和液压驱动的机械手相比，显示出独特的优越性，得到了越来越广泛的应用。3、机械手的结构设计3.1 本机械手模型的机能和特性物体在三维空间内的禁止位置是由三个坐标和围绕三轴旋转的角度来决定的，因此，抓握物体的位置和方向能从理论上求得。根据资料的介绍，如果采用机械手，其机能要接近于人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”来控制。我们不要那么多自由度，因为根据实际情况而言，控制的自由度越多，其各个部分也就越复杂，相应的制造成

20、本也就增加。本设计的机械手，它共有自由度5个。即：手臂前后伸缩、手臂上下伸缩、手臂左右旋转、手腕回转、手指的抓握。 3.1.1、手部: 即与物件接触的部件。由于与对象接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与对象直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取对象的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和对象的重量及尺

21、寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放对象的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。3.1.2、手腕:是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势) 3.1.3、手臂手臂是支承被抓对象、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取对象，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合

22、，以实现手臂的各种运动。 3.1.4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。3.1.5、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上3.2 夹紧机构。机械手手爪是用来抓取工件的部件。手爪抓取工件时要满足迅速、灵活、准确可靠的要求。设计制造夹紧机构机械手，首先要从机械手的坐标形式，运行速度和加速度的情况来考虑。其夹紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力来计算。则同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范

23、围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力要限制在一定的范围内并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然断电造成被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则结构简单、体积小、重量轻、动作灵活、和工作可靠。夹紧结构形式多样、有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式夹紧装置。机械式夹紧是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本

24、设计采用二指式手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的开闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位开关完成回转角度的限位，一般可设置在180度。3.3 躯干躯干有底盘和手臂两部分组成。底盘是支撑机械手的全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转编码盘旋转，机械手每旋转三度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时，在底盘上装有限位开关，最大旋转角度可达180度。手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件使它们运动的机构。本设计手臂由横轴和竖轴组成、可完成伸缩、升降的运动。手臂采用电动机带动丝杠、螺母来

25、实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出信号控制步进电机运转，同时在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杠、螺母结构传动的特点是易于自锁、位置精度较高，传动效率较高。3.4 旋转编码盘机械手底盘和躯干每旋转3度发出一个脉冲，并把信号送回可编程控制器来得到转过的准确的角度。编码盘的机构如图3-1。图3-1 旋转编码盘可以通过改变程序中计数器C0的初值来确定所要转过的角度，这里可以通过用计算机读出指令表，然后修改得到不同的控制角度。综上所述，根据机械手的各部分要求条件可确定本设计机械手控制系统所选器材列表如表3-1。表3-1所选器材列表名称型号或规格数量名称型号或规格数量PLCFX1N-60MR1限

26、位开关LX19-1118电磁阀VF31301转换开关LW6-51按钮LA10-1H13熔断器RC1A-30/152连接导线若干对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专

27、用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。3.5机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。图2-1所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示

28、意图。图 2-1 机械手的运动示意图Fig.2-1 Sketch Map of the Motion of Manipulator3.6 机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。3.7机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。3.8 机械手的手臂结构方案设计按照 抓 取 工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰

29、)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。3.9 机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。3.10 机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。3.11机械手的主要参数主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为10公斤，高速动作时抓重减半。使用吸盘式手部时可

30、吸附5公斤的重物。基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为1.2m/s，最大回转速度设计为1200/s，平均移动速度为lm/s，平均回转速度为900/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必

31、然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1500mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为2400(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。4.参数设计4.1手部的功能、分类手部（亦称抓取机构）是用来直接把握工件的部件，由于被握持工件的形状，尺寸大小，重量，材料性能，表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。归纳起来，常用的手部，按其握持工件的原

32、理，大致可分成夹持和吸附两大类。夹持类常见的主要有夹钳式，此外还有钩托式和弹簧式。夹持类手部按其手指夹持工件时的运动方式，可分为手指回转型和手指平移型两种：吸附类可分有气吸式和磁吸式。 4.2夹钳式手部设计的基本要求应具有适当的夹紧力和驱动力 ，手指握力（ 夹紧力）大小要适当，力量过大则动力消耗多，结构大，不经济，甚至回损坏工件；还考虑转送或操作过程中所产生的惯性和振动，以保证工件夹钳安全可靠。手指应具有一定的开闭范围 ，手指应具有足够的开闭角度或开闭距离，以便抓取或退出工件。 应保证工件在手指内的夹持精度 ，应保证每个被夹持的工件在手指内部有准确的相对位置。 要求结构紧凑，重量轻，效率高 ，

33、在保证本身刚度，强度的前提下，尽量可能使结构结构紧凑，重量轻，以利于减轻手臂的负载。应考虑通用性和特殊要求 ，一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法。4.3夹钳式手部的计算与分析4.3.1手部选择及原理叙述采用钳爪式手部机构，手机形状为平面指，传力机构形式为滑槽杠杆式。 工作原理： 图4-1 夹钳式手抓形状图a钳爪回转支点O1或O2到对称中心线的距离；b钳爪回转支点到“V”型钳口中心线的距离；a滑槽方向与两回转支点（O1 与O2）间连接线的夹角。如图4.1所示，拉杆2端部固定安装着圆柱销3，当拉杆2向上

34、拉时，圆柱销就在两个钳爪4的滑槽中移动，带动钳爪4绕O1 与O2两回转支点回转夹紧工件，拉杆2向下推时，使钳爪4松开工件，设P为作用在拉杆2上的驱动力；N为钳爪的夹紧力，钳爪的尺寸关系如图4-1所示，下面分析圆柱销3和钳爪4的受力情况。在拉杆2作用下，圆柱销3向上的拉力为P，并作用于圆柱销的中心O点，而两钳爪的滑槽对圆柱销的作用力为P1,P2（且P1=P2），其力的方向垂直于滑槽轴线OO1或OO2,指向O点其延长线分别交于B,A两点，如图2-1所示，三角形O1OB和三角形O2OA均为直角三角形，故AOC=BOC=a根据圆柱销的平衡条件F=0可知，P=2P1cosa，则P1=P/（2cosa）

35、（2-1）如2-1所示，圆柱销对钳爪的反作用力为P1，其大小与P1相等，即P1=P1,且方向相反，工件对钳爪的反作用力大小等于夹紧力N，按照钳爪的平衡关系M01=0得P1h=Nb N=h P1/b=h P1/b因为h=a/( cosa) 所以N=a/2b*(1/ cosa) 2 *P （2-2）由（2-2）式可知，在驱动力P一定的情况下，a增大，则夹紧力N也随之增大，但a过大导致拉杆（有时即为活塞杆）的行程过大，以及钳爪滑槽部分尺寸长度增大使手部结构加大，所以一般取a=3040为宜。4.3.2夹钳式手爪设计（手指夹紧力与驱动力计算）由资料可知手指对工件的夹紧力可按下式计算：NK1*K2*K3*

36、G (2-3)其中：K1安全系数，常取1.2-2；K2工作情况系数，主要考虑惯性力影响，可按K2=1.1-2.5或K2=1+a/g估算（a为机械手在搬运工件过程中的加速度m/s2,g为重力加速度）K3方位系数，根据手指与工件的形状及手指与工件位置不同进行选定，设计中选取K3=4；G被抓取工件的重力。G=3*9.8=29.4N假设K1=1.5 K2=1.5 K3=4夹紧力N：N1.51.5429.4=264.6N而由前面所得N=a/2b*(1/ cosa) 2 *P则驱动力P：P(2b*N)/a*(1/ cosa) 2 (2-4)2.3.2.2手指结构尺寸的确定由图2-1所示，手部结构相关手指尺

37、寸设定如下：a=30 a=40 b=60驱动力P计算=2b*a(cos30)2*264.6=595.35考虑手爪的机械效率 （2-5）式中手部机构的机械效率（0.850.9）取=0.85P实际=700.412N所夹工件形状及尺寸如下：（mm）,工件质量3，密度7.85g/cm3的碳钢 设h=10cm 则r=3.5图4-2工件形状4.3.2手指夹紧油缸的设计计算手指的夹紧采用双作用单杆活塞油缸，共计算简图如下：4.3.2.1计算作用在活塞上的总机械载荷P=PI+P封1+P封2+P背+P惯 （2-6）PI为工作阻力，即手部传力机构的驱动力，用以保持机械手的手指夹紧工件有足够的握力，由前面计算可知：

38、PI=700.412NP封1，P封2为活塞与缸壁处，活塞杆与缸盖处的摩擦力，密封圈用O型密封圈，当油缸工作压力不大于100公斤/厘米2时，活塞杆直径取为油缸内径的一半，活塞和活塞杆处都采用O型密封圈密封时，油缸密封处总摩擦力为：P封1+P封2=0.03P （2-7）式中：P作用在活塞杆上的推力（即驱动力，P=*D*D*P1/4 P1为进油压力，D为油缸内径），P背为背压阻力，油缸回油腔低压油所造成的阻力一般较小，当回油腔直接与邮箱相连时，P背=0P惯动负载，由上可得P=PI+P封1+P封2+P背+P惯=722.074N4.3.2.2确定油缸尺寸油缸内径（即活塞的直径）计算：油缸工作时，进油腔压

39、为油液作用于活塞上的合成液压力即驱动力应与活塞杆上所受总机械载荷平衡，所以油缸（即活塞）有效面积为：F=P/P1 F=*D*D /4 邮箱内径（即活塞直径）为 (2-8) 式中P1油缸工作压力，取P1=10kg/cm2,则=30.673 取油缸的内径（即活塞直径）D=32mm,由当前知当油缸工作压力小于100kg/cm2,活塞杆直径可以直接取油缸的一半，活塞杆直径d=16mm。油缸壁厚计算：在D确定后，由强度计算所需最小的油缸壁厚，再根据具体的结构来确定适当数值：由材料力学的薄壁筒公式，油缸壁厚可用下式来计算：=P记*D/2=mm油缸端盖螺钉计算螺钉除应与应具有的强度之外，还要保证连接的紧密性

40、，同时在缸盖所受的合成液压力的作用下连接已迪昂要有足够的剩余锁紧力，以免形成间隙而漏油，每个螺钉在危险剖面（螺纹根部横截面）上承受的拉力Q0是工作载荷，Q与剩余锁紧力QS之和，即Q0=Q+ QS （2-9）Q=(*D*D /4)/Z*P1P 为缸盖所受的合成液压力（公斤），Z为螺钉数目：Z=*D0/t1, D0为螺钉中心所在圆的直径（毫米），t1为螺钉间距，当工作压力在515公斤/厘米2时，t150mm;P1为油缸内油液工作压力（公斤/厘米2）；QS剩余锁紧力，对于要求紧密性的联接，取QS=K*Q K=1.51.8 因此螺钉的强度条件为合=1.3 Q0/（*d1*d1/4）=5.2 Q0/（*

41、d1*d1）L(公斤/厘米2) 或 d1=(5.2* Q0/L)1/2(厘米) （2-10）式中：L许用拉应力 L=S/n(公斤/厘米2) S为螺钉材料的流动极限，n为安全系数，n =1.22.5,取n=1.5，d1为螺纹内径表4-3螺钉材料屈服极限钢号 10A2A3354540CrSMPa2100220024003200360065009000由上选夹紧缸螺钉材料为35号钢，则：L=S/n=3200/1.5=2133.33(公斤/厘米2)Z=*D0/t1=3.1460/60=3.14 所以Z取4。Q0=Q+ QS=Q+KQ, Q0=(*D*D /4)/Z*P1+1.5(*D*D /4)/Z*

42、P1=2.53.143.22*10/(44)=50.24(公斤)d1(5.2* Q0/L)1/2=0.1975（厘米）则取夹紧缸盖螺钉直径为2mm数目为4个。手指夹紧缸流量的计算当压力油压入无杆腔使活塞以速度V1而运动时所需输入油缸流量为Q1，Q1=/40*D2*V1 (2-11)D油缸内径（即活塞直径）厘米Q1输入无杆腔流量（升/分）V1活塞移动速度（米/分）因夹紧缸行程由前分析可知为20mm，故夹紧缸活塞夹紧速度V即活塞移动速度可取为V1=0.6（米/分）（10mm/s）Q1=/403.220.6=0.482（升/分）当压力油压入有杆腔使活塞以速度V2而运动时所需输入油缸流量为Q2，Q2=

43、 /40*(D2-d2)*V2 (2-12)D油缸内径 d活塞直径,由设计可知当压力油进入夹紧缸有杆腔时为手指松开，故其速度可取大些，由行程20mm可取V2=0.9（米/分）经考虑本次设计省略腕部设计，便于设计简单，使成本降低，达到更好的经济效益。5.电气设计5.1 电气控制系统简介工业机械手的电气控制系统相当于人的大脑，它指挥机械手的动作，并协调机械手与生产系统之间的关系。机械手的工作顺序，应达到的位置，如手臂上下移动，伸缩，回转及摆动，手腕上下，左右摆动和回转，手指的开闭动作，以及各个动作的时间，速度等，都是在控制系统的指挥下，通过每一运动部件沿各坐标轴的动作按照预先整定好的程序来实现的。

44、一般机械设备的控制系统，多着眼于自身运动的控制，而机械手的控制系统更注意本部与操作对象的关系。因此，对于机械手的控制系统来说，无论多么高级的系统，如果不能按置，都是毫无意义的。控制系统的结构一般分为开环系统和闭环系统两种闭环控制系统也叫反馈控制系统，是一种不断把给定值和各控制量进行比较，使其偏差为零的控制系统。而开环控制系统，即使有局部的小的闭环存在，但主要控制量是不用反馈控制的。对比两者，通常闭环系统的抵抗外部干扰和系统中主要单元的特性变化和能力强，而开环系统较弱。机械手的闭环系统控制受各种因素的影响，如外部负荷力，活动部分的内部摩擦，伺服阀的漂移，滞后，比较仪，伺服放大器的漂移，随动系统的

45、粘滞性摩擦，反向电动势的影响等导致闭环控制系统产生静态误差。因而闭环控制的精度和定位时间等控制性能也有一定限度，要超过闭环控制系统的控制性能的界限必须采用由最佳控制理论所规定的控制结构，其中有时采用开环控制。因此要提高机械手的性能，应不局限于开环或闭环的系统而吸收两者之长。运动控制方式有点位控制和连续控制两种。点位控制方式就是由点到点的控制方式，只对机械手运动部件（手腕、臂）所应到达空间点的定位进行控制，而对两个定位点之间的运动轨迹则不加控制。这种方式可达到较高的重复定位精度。点位控制又分为两点控制和多点控制两种。如果机械手抓取和放置工件的位置都是准确而固定的，如上下料专用机械手，可由挡块，行程开关等来定位，采用起点的终点的“两点控制方式”。通用工业机械手则要求多点定位，而且要经常更换设定位置，这时一般装有位置检测器作为运动位置的反馈，即采用“多点式控制”。两点的点位控制可用普通的继电器控制线路实现，多点式的点位控制则常常采用继电器顺序控制器，可编程序控制器和微机控制系统等。